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Thermoelektrische Eigenschaften von nanostrukturierten Halbleitern : Si/Ge-Quantenpunktkristalle und ZrCoBi/ZrNiSn Halb-Heusler Schichtstrukturen

Fiedler, Gregor

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der thermoelektrischen Eigenschaften von Germanium Quantenpunktkristallen in Silizium, sowie Heterostrukturen aus ZrCoBi und ZrNiSn Halb-Heusler Materialien. Dazu werden die elektronischen Bandstrukturen wegen der verschiedenen Systemgrößen im ersten Fall mittels der Tight-Binding Methode im zweiten Fall mit der Dichtefunktionaltheorie berechnet. Aus den Bandstrukturen werden, basierend auf der semiklassischen Boltzmann-Transporttheorie, die relevanten Größen, wie die Leitfähigkeit und der Seebeckkoeffizient, die in die thermoelektrische Gütezahl ZT eingehen, ausgerechnet. Für die Quantenpunktkristalle wird für die Bandstruktur ein detailliertes Modell für band- und energieabhängige Streuzeiten entwickelt und gezeigt, wie die Anwesenheit der Quantenpunkte die Bandstruktur, Streuprozesse und damit auch Leitfähigkeit und Seebeckkoeffizient beeinflusst. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass die Wärmeleitfähigkeit durch das Einbringen der Quantenpunkte stark reduziert ist und dieses System einen vielversprechenden Kandidaten für ein n-leitendes Thermoelektrikum darstellt. Im Falle der ZrCoBi und ZrNiSn Schichtsysteme werden zunächst Bulkeigenschaften beider Materialien bestimmt, da über beide Materialien wenig bekannt ist. Weil ZrCoBi schwer zu synthetisieren ist, gibt es darüber praktisch kaum Untersuchungen. Unter anderem werden Bandstrukturen, Deformationspotentiale und elastische Konstanten berechnet, sowie die Bulkleitfähigkeit und der Seebeckkoeffizient. Weiterhin wird der Einfluss von Defekten im Ni(Co)-Untergitter auf Bandstruktur und mögliche Dotierung untersucht. Für die Heterostrukturen werden dann Leitfähigkeit und Seebeckkoeffizient für verschiedene Schichtdicken und Grenzflächenorientierungen berechnet. Diese lassen sich mit den zuvor berechneten Eigenschaften der Bulkmaterialien verglichen. Durch einfache Modelle, basierend auf den Phononspektren der beiden Materialien, wird zusätzlich die Wärmeleitfähigkeit für die Grenzflächen und Bulkmaterialien abgeschätzt, damit ein Wert für ZT angegeben werden kann. Um die Wärmeleitfähigkeit für die Heterostruktur zu erhalten, werden Grenzflächen-Wärmeleitfähigkeit und Bulkwärmeleitfähigkeit, genauer gesagt die Widerstände, in einem Modell aus in Reihe geschalteten Widerständen verwendet.

This work deals with the computational investigation of the thermoelectric properties of germanium quantum dot crystals in silicon, as well as heterostructures of ZrCoBi and ZrNiSn half-heusler materials. For this, the electronic band structures are calculated. In the first case by the tight-binding method and in the second case with the density functional theory. Based on the semiclassical Boltzmann transport theory, the relevant variables, such as conductivity and the Seebeck coefficient, which enter in the thermoelectric figure of merit ZT, are calculated from the obtained band structures. For the quantum dot crystals a detailed model for band- an energy dependent scattering time is developed and shown how the presence of the quantum dots influence the scattering processes and thus conductivity and Seebeck coefficient. It has been experimentally proven, that the thermal conductivity by the introduction of the quantum dots is greatly reduced and this system is a promising candidate for an thermoalectrical application. In the case of the ZrCoBi and ZrNiSn layer systems, bulk properties are initially determined for both materials, because little is known at least for the ZrCoBi system. Because ZrCoBi is difficult to synthesize, there are only a few studies about it. Band structures, deformation potentials and elastic constants, bulk conductivity and the Seebeck coefficient are calculated. Furthermore, the influence of defects in the Ni(Co) sublattice is examined as it may have an effect on band structure and additional doping. Then conductivity and Seebeck coefficient can be calculated for different layer thicknesses and interface orientations and compared to the properties of the bulk materials mentioned previously. Simple models based on the phonon spectra of the half-heuslers are used to estimate the bulk thermal conductivity and the one for the interface between them, so a value for the figure of merit ZT can be specified. In order to obtain the thermal conductivity of the heterostructure, the thermal resistivities of the bulk and the interfaces are used in a model of series-connected resistors.

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Fiedler, Gregor: Thermoelektrische Eigenschaften von nanostrukturierten Halbleitern. Si/Ge-Quantenpunktkristalle und ZrCoBi/ZrNiSn Halb-Heusler Schichtstrukturen. 2015.

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