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 Sparsamer abheben dank Leichtbau-Luftdüsen
23.10.2017 | Technische Universität Chemnitz

nachricht Stickoxide: Neuartiger Katalysator soll Abgase ohne Zusätze reinigen
23.10.2017 | Forschungszentrum Jülich GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Salmonellen als Medikament gegen Tumore

HZI-Forscher entwickeln Bakterienstamm, der in der Krebstherapie eingesetzt werden kann

Salmonellen sind gefährliche Krankheitserreger, die über verdorbene Lebensmittel in den Körper gelangen und schwere Infektionen verursachen können. Jedoch ist...

Im Focus: Salmonella as a tumour medication

HZI researchers developed a bacterial strain that can be used in cancer therapy

Salmonellae are dangerous pathogens that enter the body via contaminated food and can cause severe infections. But these bacteria are also known to target...

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Konferenz IT-Security Community Xchange (IT-SECX) am 10. November 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Luftfracht

23.10.2017 | Veranstaltungen

Ehrung des Autors Herbert W. Franke mit dem Kurd-Laßwitz-Sonderpreis 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Magma sucht sich nach Flankenkollaps neue Wege

23.10.2017 | Geowissenschaften

Neues Sensorsystem sorgt für sichere Ernte

23.10.2017 | Informationstechnologie

Salmonellen als Medikament gegen Tumore

23.10.2017 | Biowissenschaften Chemie