Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gasphasensynthese für die Thermoelektrik - Nano aus der Mikrowelle

23.08.2011
Dr. Gabi Schierning und Dr. Hartmut Wiggers vom Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CeNIDE) an der Universität Duisburg-Essen ist es erstmals gelungen, effiziente Nanomaterialien für thermoelektrische Anwendungen aus der Gasphase zu synthetisieren. Das Ergebnis ist eine äußerst homogene Silizium-Germanium-Legierung mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit. In einem Sonderheft über neueste Entwicklungen thermoelektrischer Materialien des „Journal of Materials Research“ (Jahrgang 26, Ausgabe 15) werden die Erkenntnisse veröffentlicht.

Ein ideales Material für den Einsatz in der Thermoelektrik hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig eine geringe Wärmeleitfähigkeit – das Verhältnis der beiden Werte geht in den materialspezifischen Effizienzfaktor ZT ein. Um einen möglichst hohen ZT-Wert zu erreichen, verwendet man seit ungefähr zehn Jahren nanoskalige Materialien.

Insbesondere Nano-Silizium weist aufgrund seiner größeren inneren Oberfläche in verarbeiteter Form eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit auf als Bulk-Silizium. Das Germanium verringert die Wärmeleitfähigkeit zusätzlich, indem es die harmonische Gitterschwingung des Siliziumkristalls stört. Die Einsatzmöglichkeiten von günstig hergestellten Thermogeneratoren reichen von der Industrie (z.B. Prozess-Abwärme) über Einsätze in Entwicklungsländern (z.B. Ofen, die minimale Temperaturunterschiede nutzen) bis hin zur dezentralen Energieversorgung im Allgemeinen, bei der Kabelverbindungen oder Stromspeicher unmöglich oder unpraktisch sind (z.B. Sensoren in Pipelines oder Flugzeugen).

Abkürzung statt Umweg
Bei der klassischen Herstellung von Nanomaterialien für Thermogeneratoren wird zunächst ein Polykristall aus Silizium und Germanium hergestellt und anschließend per Mahltechnik zu Nanopartikeln zerkleinert. Ein umständliches und teures Verfahren. Im Gegensatz zu dieser Top-Down-Methode haben Schierning und Wiggers nun gemeinsam ein Bottom-Up-Verfahren etabliert, bei dem die Nanopartikel mit zuvor bestimmten Eigenschaften in einem Mikrowellen-Plasmareaktor entstehen. „In Expertenkreisen war klar, dass einer der nächsten Schritte darin bestehen würde, direkt kristalline Nanomaterialien für Thermogeneratoren zu synthetisieren“, erklärt die Ingenieurin. Doch sind viele Jahre Entwicklungsarbeit vonnöten, um auf diese Weise geeignete Partikel herzustellen. Entwicklungsarbeit, die an der Universität Duisburg-Essen bereits geleistet wurde, denn hier beschäftigt sich das Team um Wiggers seit Langem mit der Synthese spezifischer nanoskaliger Materialien. Die Zusammenarbeit der beiden Forscher im Rahmen verschiedener Projekte wie beispielsweise dem Ziel2-Projekt „NanoEnergieTechnikZentrum“, kurz NETZ, führte schließlich zum nun publizierten Ergebnis: In den Reaktoren entstanden maßgeschneiderte, nanoskalige Silizium-Germanium-Legierungen mit Phosphordotierung in nur einem Schritt.

Doch nicht nur der Umweg über den Polykristall entfällt mit der Gasphasensynthese; die neue Herstellungsweise bietet darüber hinaus weitere handfeste Vorteile: Die Mischung der Nanopartikel ist ausgesprochen homogen, da Silizium und Germanium schon in der Gasphase auf atomarer Skala gemischt werden. Dazu lassen sich Größe und Eigenschaften der Partikel bereits vor der Herstellung definieren. Und auch die Produktion großer Mengen Nanomaterialien ist kein Problem: Wiggers und sein Team stellten für die Arbeitsgruppe um Gabi Schierning rund 10 Gramm Nanopartikel in der Stunde her. Doch noch weit darüber hinaus ist die Produktion aufskalierbar – bei einer in Duisburg stehenden Anlage im Techikumsmaßstab liegt die Synthese schon jetzt in der Größenordnung „Kilogramm pro Stunde“.

Für die Zukunft haben sich die CeNIDE-Forscher vorgenommen, die elektrische Leitfähigkeit ihrer Partikel weiter zu erhöhen (ZT derzeit bis 0,8) und möglichst eine günstigere Alternative für das teure Germanium zu finden. Wie zukunftsweisend aber schon die momentanen Erkenntnisse sind, zeigt die Tatsache, dass die Wissenschaftler bereits zitiert werden, bevor ihre Veröffentlichung im „Journal of Materials Research“ erschienen ist.

J. Mater. Res., Vol. 26, No. 15, Aug 14, 2011
DOI: 10.1557/jmr.2011.117
Fotos, Kontakt und weitere Informationen:
Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CeNIDE)
Birte Vierjahn, Tel. 0203/379-1456, birte.vierjahn@uni-due.de

Katrin Braun | idw
Weitere Informationen:
http://www.cenide.de/
http://www.uni-due.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Beschichtung lässt Muscheln abrutschen
18.08.2017 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht PKW-Verglasung aus Plastik?
15.08.2017 | Technische Hochschule Mittelhessen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie