DFG-Schwerpunktprogramm "Nanostrukturierte Thermoelektrika: Theorie, Modellsysteme und kontrollierte Synthese" (SPP 1386)

Als aussichtsreichster Ansatz zur Entwicklung thermoelektrischer Materialien hoher Effizienz Z T gilt heute die Nanostrukturierung. Die gezielte Strukturierung auf der nm-Skala erlaubt die in homogenen "Volumenmaterialien" direkt miteinander verknüpften drei Transportgrößen von Z (Z = S S sigma/k: Seebeck-Koeffizient S, elektrische und thermische Leitfähigkeit sigma und k) teilweise unabhängig voneinander zu verändern. Bevor das offensichtliche Potenzial nanoskaliger Thermoelektrika nutzbar gemacht werden kann, wird dieses Schwerpunktprogramm versuchen, die folgenden Kernfragen zu beantworten:

    * Kann die thermoelektrische Effizienz für nanostrukturierte Modellsysteme theoretisch mit hinreichender Genauigkeit berechnet werden, um Wege für den Materialentwickler aufzuzeigen?
    * Welche realen Systeme können als geeignete Modellsysteme herangezogen werden, um durch kontrolliertes "Engineering" (chemische und physikalische Methoden) die Verbindung mit der Theorie zu erreichen? Wie können modellhafte "vertikal" und "lateral" nanostrukturierte thermoelektrische Systeme möglichst einfach konstruiert und strukturell charakterisiert werden?
    * Wie muss die Messtechnik für die Modellsysteme beschaffen sein, um verlässliche und weltweit akzeptierte Referenzdaten zu erzeugen? Welche experimentellen Methoden können dem Verständnis des thermoelektrischen Transports in Nanostrukturen dienen?

Dieses Schwerpunktprogramm soll wesentliche Beiträge liefern, um diese Erkenntnislücke international zu schließen. Gefördert werden sollen daher die Aktivitäten in den drei folgenden Kompetenzbereichen (KB).

    * KB1: Die Entwicklung von definierten experimentellen Modellsystemen zur unabhängigen Manipulation der thermoelektrischen Kerngrößen mit (elektro-) chemischen oder physikalischen Verfahren, welche entweder die physikalischen Prinzipien der Phononenbarrieren oder des Bandstruktur-Engineering ausnutzen. Die Modellsysteme müssen sich durch gut charakterisierbare Nanostrukturen auszeichnen, zum Beispiel in Form von epitaktischen Multischichtsystemen, Nanostäben, Quantenstrukturen oder monodispersen Nanopartikeln.
    * KB2: Die strukturelle und thermoelektrische Charakterisierung zum besseren Verständnis der Transportvorgänge auf der nm-Skala. Projektgegenstand müssen entweder die Messtechnik selbst, deren Abläufe und die messtechnische Präparation sein.
    * KB3: Die Entwicklung festkörpertheoretischer Modelle, die das Verständnis für die Transportprozesse in den Modellsystemen erweitern. Projektgegenstand können beispielsweise Finite-Elemente-Modellierungen, ab-initio-Rechnungen auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie oder analytische Methoden sein, um das rationale Materialdesign zu erleichtern, wobei eine besondere Herausforderung darin besteht, eine Multi-Skalen-Behandlung zu entwickeln.

Durch die Fokussierung auf nanostrukturierte Materialien und deren thermoelektrische Effekte und Phänomene soll eine Abgrenzung erreicht werden zu den umfangreichen Arbeiten an massiven (homogenen) Thermoelektrika und rein anwendungsorientierten Fragestellungen der Modulentwicklung. In der ersten Förderperiode sollen thermoelektrische Effekte auf der nm-Skala an klassischen thermoelektrischen Materialien (V-VI-Verbindungen, IV-VI-Verbindungen und ihre Mischkristalle) und an wohlbekannten Halbleitermaterialien wie SiGe und III-V-Verbindungen (zum Beispiel GaAs/AlGaAs) oder auch an oxidischen thermoelektrischen Materialien, zum Beispiel an ZnO, oxidischen Perowskiten und Cobaltaten untersucht werden. Die beschriebenen Ziele sollen erreicht werden durch eine intensive Zusammenarbeit von Experten der Festkörperphysik, der Materialwissenschaften, der Festkörperchemie und der Ingenieurwissenschaften, die ihre speziellen Expertisen in der Theorie, der Nanostrukturierung, der Optimierung von Thermoelektrika und der Messtechnik kombinieren. In den jeweiligen Projektvorschlägen soll sich eine starke Vernetzung zwischen den Kompetenzbereichen in Form von Verbünden mit möglichst komplementärer Arbeitsweise widerspiegeln. Einzelaktivitäten, welche sich über nur einen Kompetenzbereich erstrecken, sollen damit primär nicht gefördert werden.