Erste umfassende Charakterisierung der außergewöhnlichen thermoelektrischen Eigenschaften von Cadmiumarsenid-Dünnschichten

Wenn wir Menschen etwas gut können, dann ist es die Erzeugung von Wärme – und zwar beträchtliche Mengen, und in vielen Fällen geht der Großteil der Energie, die wir erzeugen und in unsere Systeme einspeisen, als Wärme verloren, sei es in unseren Geräten, unseren Transportmitteln, unseren Fabriken oder sogar unserem Stromnetz.

„Abwärme gibt es überall“, sagt Bolin Liao, Maschinenbauprofessor an der UC Santa Barbara, der sich auf Wärmewissenschaften und erneuerbare Energien spezialisiert hat. „Unsere Kraftwerke, unsere Autoauspuffrohre – es gibt so viele Orte, an denen wir überschüssige Wärme erzeugen.“

Derzeit sind wir noch recht eingeschränkt, was die Nutzung dieser Wärmeableitung angeht. Doch Liao und seine Kollegen von der UCSB sowie Mitarbeiter der Ohio State University und der University of Hong Kong kommen der Nutzung dieser Wärme mit der erstmaligen umfassenden Charakterisierung der thermoelektrischen Eigenschaften hochwertiger Cadmiumarsenid-Dünnschichten näher.

„Wenn wir diese Abwärme nutzen könnten, wäre das fantastisch“, sagte er. „Das würde unsere Energieeffizienz deutlich steigern und es ist außerdem eine wirklich nachhaltige Energiequelle.“

Die Forschung des Teams ist veröffentlicht im Journal Fortgeschrittene Werkstoffe.

Ein besseres thermoelektrisches Material

„Um eine hohe Effizienz zu erreichen, muss das Material Strom gut leiten, Wärme schlecht leiten und bei einem bestimmten Temperaturunterschied eine hohe Spannung erzeugen“, sagte Liao. Eine schlechte Wärmeleitung minimiert die Wärmeableitung, während ein Temperaturunterschied über das Material hinweg aufrechterhalten wird, was zu einem elektrischen Strom führt, der durch die hohe elektrische Leitfähigkeit des Materials verstärkt wird. Die Spannung, die aus einem Temperaturgradienten entsteht, ist als Seebeck-Effekt bekannt.

Diese Kombination aus elektrischen und thermischen Transporteigenschaften sei ideal, aber laut Liao „in der Praxis sehr schwer zu erreichen“.

Hier kommt Cadmiumarsenid (Cd3As2) ins Spiel, ein Dirac-Halbmetall mit vielversprechenden Transporteigenschaften, insbesondere einer geringen Wärmeleitfähigkeit und hohen Elektronenbeweglichkeit.

„Wir waren von diesem Material ziemlich begeistert und dachten: ‚Okay, das ist wirklich eine Kombination dieser beiden großartigen Eigenschaften‘“, sagte Liao. „Aber es gibt nur ein Problem. Dieses Problem besteht darin, dass dieses Material neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit und einer schlechten Wärmeleitfähigkeit auch in der Lage sein muss, bei einem Temperaturgradienten genügend Spannung zu erzeugen.“

Als Halbmetall leitet Cadmiumarsenid Elektrizität sehr gut, erzeugt aber nur eine sehr geringe Seebeck-Spannung. Um eine nutzbare Spannung zu erzeugen, müsste man eine Bandlücke öffnen, erklärte Liao.

„Man möchte, dass dieses Material einen bestimmten Energiebereich hat, in dem die Elektronen nicht leiten können. Das nennt man Bandlücke“, sagte er. Wegen der Lücke, die den freien Elektronenfluss im Wesentlichen blockiert, kann sich als Reaktion auf einen Temperaturunterschied im Material genügend elektrischer „Druck“ (auch bekannt als Spannung) aufbauen. In massiven Cadmiumarsenidkristallen gibt es keine Bandlücke.

Glücklicherweise hatte das Team einen Vorteil in Form der Dünnschicht-Kompetenz der UCSB-Materialwissenschaftlerin Susanne Stemmer. Dank ihrer Expertise in der Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist Stemmers Labor in der Lage, Molekül für Molekül hochwertige Materialien mit Dicken von einigen Nanometern bis zu mehreren Mikrometern „wachsen“ zu lassen. Dies ist, wie sich herausstellte, im Fall von Cadmiumarsenid besonders nützlich, da die Oberfläche des Materials Eigenschaften aufweist, die sich von denen im Inneren des Kristalls unterscheiden.

„Ein Merkmal topologischer Isolatoren wie dieser ist, dass sie zusätzlich zu den Elektronenleitungszuständen im Inneren des Materials auch leitende Kanäle an der Oberfläche haben“, erklärte Liao. „Es gibt Elektronen, die sich nur an der Oberfläche des Materials befinden und die Elektrizität leiten können.“

Um die Voraussetzungen für diese topologischen Effekte zu schaffen, hat das Stemmer Lab drei hochwertige, mittels MBE gewachsene Filme mit unterschiedlichen Dicken hergestellt: 950 nm, 95 nm und 25 nm.

„Die hohe Mobilität epitaktischer Cadmiumarsenidfilme ermöglicht es, ihre topologische Natur durch Quantentransportmessungen aufzudecken“, erklärte Stemmer.

Das Team stellte fest, dass es umso mehr Hinweise auf eine Bandlücke gab, je dünner das Material war. Und je dünner das Material war, desto stärker dominierten die Oberflächeneffekte.

„Wenn man in sehr kleine Dimensionen geht, spielt die Quantenmechanik eine Rolle und man kann tatsächlich eine Bandlücke öffnen, indem man einfach die Größe verringert“, sagte Liao, und zwar aufgrund eines Phänomens, das als Quantenbeschränkung bekannt ist. Sie fanden auch heraus, dass die thermoelektrische Empfindlichkeit (der Seebeck-Koeffizient) umso höher ist, je dünner das Material ist, was zu einer höheren Spannung als Reaktion auf den Temperaturgradienten führt, eine Reaktion, die im Vergleich zum modernsten Material um das Siebenfache verstärkt ist.

Diese Quanteneffekte wurden bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt festgestellt. Obwohl dünne Cd3As2-Filme derzeit nicht bei Raumtemperatur oder in Anwendungen mit hoher Wärmeeffizienz eingesetzt werden können, könnten sie laut Liao unmittelbar in kryogenen Umgebungen von Nutzen sein, wie sie in vielen Anwendungen, etwa in der Luft- und Raumfahrt, Medizin und Quantencomputern, vorkommen.

„Wenn Sie zur Kühlung ein sehr effizientes Feststoffmaterial verwenden, brauchen Sie keine gefährlichen und umweltschädlichen Kühlmittel“, sagte er.

„Praktisch gesehen ist das eine sehr nützliche Entdeckung für die Tieftemperatur-Kühlung von Festkörpern“, fügte er hinzu, „aber grundsätzlich ist diese Arbeit noch wichtiger, weil wir zum ersten Mal zeigen, dass dieser Quanten-Confinement-Effekt einige thermoelektrische Eigenschaften verbessern kann, und wir haben auch zum ersten Mal den Beitrag von Oberflächenzuständen isoliert.“