ISOtopische Heterostrukturen für THERMoelektrische Materialien (ISOTHERM): Experiment und Theorie

Nanostrukturierte Halbleiter bieten die Möglichkeit, durch Manipulation des Phonontransports die elektrische und thermische Leitfähigkeit unabhängig zu steuern. Innerhalb der ersten Förderperiode haben wir durch zeitaufgelöste Temperaturmessungen gezeigt, dass Isotopenmultischichten bestehend aus (28Si/29Si)-Doppelschichten einen reduzierten Wärmefluss einer bedeckenden Metallschicht aufweisen. Erste Rechnungen bestätigen dies als reduzierte Leitfähigkeit zwischen Siliziumschichten unterschiedlicher Isotopenzusammensetzung. Wir beabsichtigen nun die Freiheitsgrade dieser Strukturen auszuloten, indem auch das Silizium-30 Isotop verwendet wird, nicht-periodische Schichtstapel herstellt werden und auch die Schichtstruktur durch reaktives Ionenätzen lateral eingegrenzt wird. Auf diese Weise soll die Transporteigenschaft optimiert werden um schließlich ein Prototypbauelement mit verbesserten Leistungsmerkmalen zu realisieren. Isotopenangereichte Siliziummultischichten sind ein exzellentes Modellsystem, das sowohl experimentell (zeitaufgelöste Methoden, 3ω) als auch theoretisch (Molekulardynamik, ab-initio Rechnungen) Zugang zu den thermischen Eigenschaften bietet. Zudem ist die Verwendung von Silizium als thermoelektrisches Material erstrebenswert. Für thermoelektrische Anwendungen sind die Kosten für das Ausgangsmaterial sowie für die erforderlichen Verarbeitungstechniken entscheidend. Unser Ansatz, isotopenangereichertes Silizium zu verwenden, könnte daher den Weg für künftige kommerzielle Produkte ebnen.