Beim Seebeck- und Peltiereffekt handelt es sich um Nichtgleichgewichtszustände, für deren
Beschreibung die linearisierte Boltzmann'sche Transporttheorie herangezogen wird. Diese
beschreibt die Änderung der Verteilungsfunktion der Elektronenzustände im Zeitverlauf von
t nach t+dt durch 3 Prozesse:
Ladungsträger wandern mit der Geschwindigkeit v(k).
Unter der Wirkung äusserer Felder besetzen die Ladungsträger, die zur Zeit t Zustände
(k-dk/dt)dt innehatten die Zustände k
Durch Streuprozesse werden Ladungsträger aus anderen Zuständen k' in einen betrachteten
Zustand k gebracht oder aus diesem Zustand in andere Zustände k' überführt
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Seebeck- und Peltiereffekt
1.2 Grundlagen des Seebeck- und Peltierkoeffizient
1.2.1 Elektronischer Anteil zum Seebeck- und Peltierkoeffizient im nicht entarteten Halbleiter
1.2.2 Phononischer Anteil am Seebeck- und Peltierkoeffizient
1.2.2.1 Zusammenfassung
1.2.3 Vergleich der Theorie für nichtentarteten Halbleitern mit Bi2Te3
1.3 Aufbau eines Peltierelements
1.3.1 Wirkungsgrad von Peltierelementen
2 Bi2Te3
2.1 Einheitszelle von Bi2Te3
2.1.1 Dotierung von Bi2Te3
2.1.2 Daten von Bi2Te3
3 Grundlagen der verwendeten Geräte
3.1 REM und EDX
3.2 ESMA (Elektronenstrahl Mikrosondenanalyse)
3.3 TEM
3.3.1 Wellenvektor
3.3.2 Anregungsfehler
3.4 Der Zweistrahlfall
3.4.1 Kikuchilinien
3.5 TEM-Hellfeld und Dunkelfeldabbildung
3.6 Spannungs- und Biegekontrast
3.6.1 Biegekontrast
3.6.2 Spannungskontrast
3.7 Hochauflösende TEM (HRTEM)
4 Materialanalyse
4.1 Verwendete Proben
4.1.1 TEM-Probenpräperation
4.1.2 REM-Proben Präparation
4.2 REM-Analyse der Metall-Halbleiter Grenzfläche
4.3 Chemische Zusammensetzung von n- und p-dotiertem Bi2Te3
4.3.1 Elektronenstrahl Mikrosonden -Analyse
4.3.2 ESMA - Messungen an n-dotiertem Bi2(Se,Te)3 und p-dotiertem (Sb,Bi)2Te3
4.3.3 Ergebnisse der Messungen
4.3.4 Diskussion der Messergebnisse
4.3.5 Zusammenfassung
4.4 TEM-Analyse von Bi2Te3
4.4.1 Domänenstruktur
4.4.1.1 Mögliche Konsequenzen der Spannungsdomänen auf die thermoelektrischer Eigenschaften
4.4.1.2 Zusammenfassung
4.5 Kleinwinkelkorngrenzen
4.5.1 n-dotiertes (Bi,Sb)2(Te,Se)3
4.5.2 p-dotiertes (Bi,Sb)2(Te,Se)3
4.5.2.1 Zusammenfassung
5 Dünnfilmherstellung
5.1 Vorbehandlung
5.1.1 Mechanische Politur
5.2 Chemische Behandlung
5.3 Aufdampf- und Sputterverfahren
5.4 Analyse der Metall-Halbleiter Grenzfläche
5.4.1 REM Analyse
5.4.1.1 p-dotiertes Bi2Te3
5.4.1.2 n-dotiertes Bi2Te3
5.4.2 SIMS Analyse
5.4.3 Zusammenfassung
6 Zusammenfassung
7 Anhang
7.1 Messprotokoll Elektronenstrahl Mikrosonde
7.1.1 n-dotiertes Bi2Te3
7.1.2 p-dotiertes Bi2Te3
7.2 Corel Photopaint 8 Scripts
7.3 JCPDS Auszug
7.4 Verwendete Mikroskope und deren Daten
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das mikroskopische Verständnis von Bi2Te3-Materialien, um deren Anwendung in der Peltierkühlung durch die Analyse von Kristallbaufehlern und Metall-Halbleiter-Grenzflächen zu optimieren. Das primäre Ziel ist die Identifikation der Ursachen für die stöchiometrischen Schwankungen und die strukturelle Beschaffenheit der Proben.
- Charakterisierung von Bi2Te3-Materialien mittels REM, TEM und ESMA
- Analyse der chemischen Zusammensetzung und Inhomogenitäten in dotierten Proben
- Untersuchung von Kristallbaufehlern, insbesondere Spannungsdomänen und Kleinwinkelkorngrenzen
- Bewertung von Grenzflächeneigenschaften bei der Dünnfilmherstellung
- Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit publizierten Daten zu Antisite-Defekten
Auszug aus dem Buch
1.2.2 Phononischer Anteil am Seebeck- und Peltierkoeffizient
Da nun der berechnete von dem gemessenen Seebeckkoeffizient bei tiefen Temperaturen stark abweicht (siehe Abb. 1.3), muss ein zweiter Mechanismus des Energietransportes herangezogen werden, nämlich Energietransport durch Phononen (Phonon-drag). Der gesamte Seebeckkoeffizient ergibt sich dann durch Addition des phononischen Anteils und des elektronischen Ateils zu S ges=S eS p (1.12).
Der Phononische Anteil des Peltierkoeffizienten wird in Abb. 1.4 schematisch verdeutlicht. Von den Ladungsträgern wird ein Impulsanteil fα an das Phononensystem übergeben (dargestellt durch den Wasserhahn). Zuerst werden die Moden mit kleinem q aufgefüllt (oberer Behälter). Diese verlieren ihren Impuls durch Grenzflächenstreuung (oberer Behälter, linkes Loch) und durch Phononen-Phononen Streuung an Moden mit höheren q (oberer Behälter, rechtes Loch). Diese Moden verlieren weiter Impuls durch Umklapp-Streuung, Dotieratomstreuung und Oberflächenstreuung (unterer Behälter, rechtes Loch).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die theoretischen Grundlagen des Seebeck- und Peltiereffekts sowie die relevanten Transporttheorien.
2 Bi2Te3: Detailliert die kristallographischen Daten, die Dotierung und die physikalischen Eigenschaften von Bi2Te3.
3 Grundlagen der verwendeten Geräte: Erläutert die Funktionsweise der eingesetzten Analysetechniken wie REM, EDX, ESMA und TEM.
4 Materialanalyse: Präsentiert die experimentellen Ergebnisse der Probenuntersuchung, einschließlich chemischer Zusammensetzung und Defektanalyse.
5 Dünnfilmherstellung: Beschreibt die Prozessschritte zur Metallisierung und die Analyse der Metall-Halbleiter-Grenzfläche.
6 Zusammenfassung: Fasst die wissenschaftlichen Erkenntnisse der Arbeit kompakt zusammen.
7 Anhang: Enthält detaillierte Messprotokolle, Skripte und gerätespezifische Daten.
Schlüsselwörter
Bi2Te3, Peltierkühlung, Seebeckeffekt, Peltierkoeffizient, Rasterelektronenmikroskopie, TEM, ESMA, Materialanalyse, Kristallbaufehler, Spannungsdomänen, Kleinwinkelkorngrenzen, Metall-Halbleiter-Grenzfläche, Stöchiometrie, Dünnfilmherstellung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit dem mikroskopischen Verständnis von Bi2Te3-Materialien für die Peltierkühlung, insbesondere durch die Untersuchung ihrer Kristallstruktur und chemischen Zusammensetzung.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Arbeit deckt die experimentelle Materialanalyse, die theoretischen Grundlagen der Thermoelektrik sowie die Probenpräparation und Grenzflächenanalyse von Metall-Halbleiter-Verbindungen ab.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Erforschung von Kristallbaufehlern und chemischen Inhomogenitäten in dotierten Bi2Te3-Materialien, um deren thermoelektrische Eigenschaften besser zu verstehen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es werden hochauflösende elektronenmikroskopische Methoden (REM, TEM, HRTEM) sowie die Elektronenstrahl-Mikrosondenanalyse (ESMA) und Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) verwendet.
Welche Inhalte dominieren den Hauptteil?
Der Hauptteil konzentriert sich auf die detaillierte Materialanalyse von verschiedenen Proben, die Untersuchung von Domänenstrukturen und die Herstellung sowie Analyse von Dünnfilm-Metallisierungen.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Bi2Te3, Seebeckeffekt, Peltierkoeffizient, Elektronenmikroskopie, Kristallbaufehler und chemische Stöchiometrie.
Was sind die Hauptursachen für die beobachteten Spannungsdomänen?
Die Arbeit deutet darauf hin, dass die Domänenbildung möglicherweise durch Ausscheidungen und elastische Verspannungen verursacht wird, die eine Folge von Inhomogenitäten im Materialgefüge sind.
Warum ist die Metallisierung für die Anwendung wichtig?
Ein geringer Kontaktwiderstand ist entscheidend für die Effizienz von Peltierelementen, weshalb die Analyse der Grenzfläche zwischen dem Bi2Te3-Substrat und der Metallschicht (Chrom/Palladium) von zentraler Bedeutung ist.
- Arbeit zitieren
- Dirk Maier (Autor:in), 2001, Kristallbaufehler und Metall-Halbleiter Grenzflächen von (Bi,Sb)2(te,Se)3-Materialien für die Peltierkühlung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185720
