Interplay between chemical bonding, band structure and charge transport in thermoelectric chalcogenides

• Zusammenspiel von chemischer Bindung, Bandstruktur und Ladungstransport in thermoelektrischen Chalkogeniden

Cagnoni, Matteo; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Gatti, Carlo (Thesis advisor); Mazzarello, Riccardo (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Thermoelektrische Stromerzeuger könnten helfen, den CO2-Fußabdruck der Menschheit zu reduzieren, indem sie Abwärme in Strom umwandeln. Es wird umfangreiche Forschung durchgeführt, um Materialien mit geeigneten thermoelektrischen Leistungswerten zu identifizieren. Dennoch sind die geforderten Werte bisher schwer fassbar. Die besten thermoelektrischen Leistungen wurden bisher in kristallinen IV-Chalkogeniden gefunden, deren herausragende Eigenschaften komplexen Bandstrukturen und intrinsisch niedrigen Wärmeleitfähigkeit zugeschrieben wurden. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, einen neuartigen Ansatz zur Identifizierung von Chalkogeniden zu entwickeln, die für thermoelektrische Anwendungen geeignet sind. Die Arbeit beginnt mit dem Ableiten einer Korrelation zwischen metavalenter Bindung, Oktaeder Koordination und hoher thermoelektrischer Leistung in kristallinen p3-Chalkogeniden. Eine Verbindung zwischen den drei Eigenschaften wird durch die Untersuchung des Ladungstransports in kristallinen GeSexTe1-x- und GexSn1-xTe-Legierungen nachgewiesen. Die starke Anisotropie des effektiven-Massen-tensors der relevanten Ladungsträger ist der zugrundeliegende Mechanismus. Andere Aspekte des Ladungstransports werden ebenfalls untersucht. Anschließend wird ein Tight-Binding Modell für die Bandstruktur der kristallinen IV-Chalkogenide mit metavalenter Bindung und Oktaeder Koordination definiert, das Bandlücken und effektiven-Massen-tensor mit intuitiven chemischen Koordinaten in Beziehung setzt. Das Modell kann die experimentellen Ergebnisse erklären und die Definition einfacher Konstruktionsregeln für thermoelektrische Chalkogenide ermöglichen. Zusätzlich wird es mit der k⋅p Methode kombiniert, um Tight-Binding Parameter (Bindungsenergien) zu bestimmen und die Bandstrukturen der untersuchten Proben aus den experimentellen Daten zu schätzen. Die Arbeit vermittelt ein besseres Verständnis thermoelektrischer Chalkogenide und soll die Entdeckung neuer Materialien für thermoelektrische Anwendungen beschleunigen.