Beiträge zur Aufklärung des Einbaus von Titan in PbTe und (Pb,Ge)Te in Bezug auf eine Optimierung der thermoelektrischen Gütezahl ZT

Abstract

Energieeffizienz ist eine der wesentlichen Herausforderungen an die Gesellschaft und Industrie des 21. Jahrhunderts. Um die bisher vergeudete Abwärme wieder nutzbar machen zu können, bietet sich die direkte Umwandlung von thermischer in elektrische Energie mittels Thermoelektrik an. IV-VI-Verbindungen sind die wichtigsten kommerziellen thermoelektrischen Materialien für Anwendungen im Mitteltemperaturbereich (200 °C - 500 °C). Aus dieser Materialfamilie eignet sich besonders dotiertes PbTe und (Pb,Ge)Te. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Beantwortung materialwissenschaftlicher Fragestellungen, da über das Materialsystem (Pb,Ge,Ti)Te als Massivmaterial nur lückenhaft und als Dünnschichtsystem keine Informationen vorliegen. Bei bisherigen Arbeiten zur Ti-Dotierung von PbTe besteht die Hoffnung, dass durch eine Ti-Dotierung von PbTe eine Steigerung des Powerfaktors und damit eine Steigerung der thermoelektrischen Gütezahl durch quasilokale Resonanz-Zustände erzielt werden kann. In dieser Arbeit wurde daher die Dotierung von PbTe und Pb1-xGexTe (x<0,05) mit Titan untersucht, indem erstmalig dünne Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt wurden. Es wurde auch der Einfluss des Einbaus von Titan in in das PbTe-Kristallgitter von metallreichen und -armen Schichten mittels Diffusionsexperimenten untersucht. Zudem wurde das Zusammenspiel von optimierter Dotierung auf Übergitterstrukturen analysiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein Titan-Angebot einen bisher nicht gekannten starken Einfluss auf das epitaktische Wachstum von PbTe auf BaF2 hat. Es konnte gezeigt werden, dass Titan in metallreichem und -armen Pb1-xGexTe (x<0,05) als Donator fungiert und das Phänomen des Fermi-Level-Pinnings auftritt. Daraus konnte auf ein tiefes Störstellenniveau des Titans ca. 52 meV oberhalb des Leitungsbandminimas geschlossen werden. Eine Steigerung der thermoelektrischen Gütezahl konnte jedoch nicht beobachtet werden. Diffusionsuntersuchungen zeigen eine einfache chemische Umsetzung von Ti + xPbTe zu TiTex + xPb, was bedeutet, dass Titan ein sehr guter Tellur-Getter ist. Die Untersuchungen der Kombination einer Ti-Dotierung mit Übergitterstrukturen erbrachten die Erkenntnis, dass für eine thermoelektrische Optimierung sowohl die Ladungsträgerkonzentration als auch die Nanostrukturierung aneinander angepasst werden müssen. Power efficiency is one of the most important challenges for the society and industry of the 21st century. The direct conversion of lost heat into electricity using thermoelectricity can be one solution. IV-VI materials, especially doped PbTe, are the most important commercial in the temperature range of 200°C to 500°C.This work is focusing on the material properties of the (Pb,Ge,Ti)Te system regarding thermoelectricity because there are only incomplete or no information regarding bulk or thin film materials respectively. There exist some hints in literature that Ti-doping of PbTe can result in an improvement of the thermoelectric figure of merit due to resonant states. Therefore the Ti-doping of PbTe and Pb1-xGexTe (x<0.05) is investigated in this work by growing thin layers with molecular beam epitaxy. The influence of the incorporation of Ti in the PbTe lattice is analyzed using diffusion experiments on metal- and chalcogen-rich films. A combinatorial approach of optimal doping and nanostruring regarding optimum thermoelectric performance is also considered.The results of this work show that Titanium has a big influence on the epitaxial growth of PbTe which was not observed up to now. It was also proven that Ti acts as a donor in metal- and chalcogen-rich Pb1-xGexTe (x<0.05). A Fermi-level pinning effect was clearly observed for Ti-doping of PbTe. Titanium forms a resonant level in the conduction band of PbTe at about 52 meV above the conduction band edge. An improvement of the thermoelectric figure of merit could not be observed. The diffusion experiments indicate a chemical reaction Ti + xPbTe > TiTex + xPb, meaning that Titanium is a good Tellurium getter.The results of the combinatorial approach show that the optimum carrier concentration depends on the nanostructuring and have to be mutually optimized.