Nanostrukturen für moderne Thermoelektrik

Thermoelektrische Generatoren wandeln auf direktem Wege Wärme in elektrische Energie um. Anders als Wärmekraftmaschinen weisen deren elektrische Bauelemente zur Energieumwandlung keine beweglichen Teile auf und erzeugen sie keine Treibhausgasemissionen. Die relativ hohen Kosten und geringen Wirkungsgrade weisen den thermoelektrischen Wandlern jedoch eher Nischenmärkte zu. Mit ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit und hohen Ladungsträgermobilität sind Halbleiternanodrähte und insbesondere deren Heterostrukturen sehr attraktive Kandidaten für die Energieumwandlung. Mit erheblich verbesserten thermoelektrischen Eigenschaften sollte eine Vielzahl neuer Anwendungen möglich werden.

Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts "Nanowire structures for energy conversion" (WISE) entwickelten die Wissenschaftler neuartige Halbleiternanostrukturen mit gesteigerter Phononenstreuung. WISE untersuchte die thermoelektrische Effizienz von direkt auf Silizium gezüchteten homogenen III-V-Halbleiternanodrähten und Heterostrukturen mittels verschiedener Verfahren.

Eine wichtige Errungenschaft war eine neue Methode des selektiven Nanodrahtwachstums innerhalb von Nanoröhrenvorlagen, die ohne Katalysator auskommt. Die Vorlage wurde auf selektive Weise mit homo- und heteroepitaktischen Nanodrähten gefüllt, deren Morphologie vollständig durch deren Geometrie bestimmt ist. Verglichen mit dem metall- oder eigenkatalysierten Nanodrahtwachstum wurde keine Vermischung von (Hetero-)Grenzflächen und keine unbeabsichtigte Kern-Schale-Bildung beobachtet.

Die Wissenschaftler charakterisierten in vollem Umfang die elektrischen und thermischen Transporteigenschaften von Nanodrähten aus Indiumarsenid (InAs). Man stellte eine Wärmeleitfähigkeit fest, die ungefähr 20 bis 30-mal kleiner als die von kompaktem InAs ist.

WISE konnte mit Erfolg nachweisen, dass eindimensionale Strukturen - Nanodrähte - effiziente thermoelektrische Materialien sind. Die Forscher entwickelten außerdem Verfahren, die als ein allgemeiner monolithischer Integrationspfad für auf III-V-Halbleitern basierende elektronische und optoelektronische Bauelemente auf Silizium dienen könnten.