Die Kraft der Wärme: thermoelektrische Wunder von Cadmium-Arsenid entdecken

BerlinÜberschüssige Wärme wird von Kraftwerken, Autoabgasen und Fabriken erzeugt. Bolin Liao, Professor für Maschinenbau an der UC Santa Barbara, und sein Team arbeiten daran, diese Wärme zu nutzen. Sie haben die thermoelektrischen Eigenschaften von hochqualitativen Cadmiumarsenid- (Cd3As2) Dünnschichten untersucht.

Wissenschaftler arbeiten daran, Abwärme zu nutzen, um die Energieeffizienz zu steigern. Das ideale Material dafür muss gut Elektrizität leiten, schlecht Wärme leiten und aus einem Temperaturunterschied eine hohe Spannung erzeugen können. Diese Kombination von Eigenschaften ist schwer zu finden, aber Cadmiumarsenid scheint vielversprechend zu sein.

Cadmiumarsenid ist ein sogenanntes Dirac-Halbmetall. Obwohl es die Wärme schlecht leitet, ermöglicht es eine leichte Bewegung von Elektronen. Dies macht es großartig für die Stromleitung, generiert jedoch wenig Spannung bei Temperaturunterschieden. Diese Spannungsproduktion, bekannt als Seebeck-Effekt, ist entscheidend für Geräte, die Wärme in Elektrizität umwandeln.

Um eine nützliche Spannung zu erzeugen, wird ein Bandabstand benötigt. Ein Bandabstand ist ein Energiebereich, in dem Elektronen nicht leiten können. In massiven Cadmium-Arsenid-Kristallen gibt es keinen Bandabstand. Folgendes muss erreicht werden:

• Hohe elektrische Leitfähigkeit.
• Schlechte thermische Leitfähigkeit.
• Eine beträchtliche Spannung bei einem Temperaturgradienten.

Das Team profitierte von den Fähigkeiten der Materialwissenschaftlerin Susanne Stemmer von der UCSB, die auf die Herstellung dünner Filme spezialisiert ist. Ihr Labor produziert hochwertige Materialien mittels eines Verfahrens namens Molekularstrahlepitaxie (MBE). Diese Technik erzeugt Materialien, die nur wenige Nanometer bis mehrere Mikrometer dünn sind.

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In ihrer Untersuchung entwickelten sie drei hochwertige Cadmium-Arsenid-Filme mit unterschiedlichen Dicken:

• 950 nm
• 95 nm
• 25 nm

Dünnere Materialien weisen eine deutliche Bandlücke auf. Bei kleineren Größen bewirkt die Quantenmechanik, bekannt als Quantenkonfinement, diese Bandlücke. Dies erhöht den Seebeck-Koeffizienten und steigert die Spannungsabgabe.

Die Untersuchung ergab, dass die Fähigkeit des Materials, Wärme in Strom umzuwandeln, bei geringerer Dicke verbessert wird. Der Seebeck-Koeffizient, der diese Fähigkeit misst, war siebenmal besser als bei dem derzeit besten verfügbaren Material. Diese Effekte traten bei sehr niedrigen Temperaturen auf.

Cd3As2-Dünnfilme sind bei Raumtemperatur noch nicht geeignet, zeigen jedoch in extrem kalten Umgebungen hohe Wirksamkeit. Solche tiefkalten Bedingungen finden sich oft in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Medizin und Quantencomputing. Ein gutes festkörperbasiertes Kältematerial könnte schädliche Kältemittel ersetzen.

Diese Entdeckung ist nützlich für Anwendungen bei niedrigen Temperaturen und zeigt, dass die Quantenbegrenzung die thermoelektrischen Eigenschaften verbessern kann. Den Forschern gelang es erstmals, den Beitrag der Oberflächenzustände zu isolieren. Diese Arbeit ist sowohl für ein besseres Verständnis als auch für praktische Anwendungen von großer Bedeutung.