Inklusion von Kohlenstoffnanoröhren und Aktivkohle in nanostrukturierte Bi1-xSbx-Legierungen und die Charakterisierung ihrer thermoelektrischen Eigenschaften
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, welche Effekte die Inklusion von Aktivkohle (AC) bzw. Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) auf die thermoelektrischen Eigenschaften einer Bi1-xSbx-Legierung mit sich bringt. Neben der vergleichenden Analyse beider Inklusionsmaterialien stand auch die Evaluierung zweier unterschiedlicher Herstellungsvarianten bezüglich ihrer Einflüsse auf morphologische und thermoelektrische Eigenschaften des Materialsystems auf der Agenda, um den Einfluss der Syntheseart von dem des Inklusionsmaterials abzugrenzen. Die beiden Herangehensweisen zur Herstellung der Materialsysteme unterscheiden sich dabei lediglich in dem Aspekt der Homogenisierung von Inklusion- und Matrixmaterialien durch Kugelmahlen. Die erste Strategie zur Herstellung der Bi1-xSbx-Legierung mit variierenden Anteilen an CNTs bzw. AC besteht darin, dass das Inklusionsmaterial erst nach dem Kugelmahlen des Matrixmaterials hinzugegeben wird, was zu einer inselartigen, sporadischen Verteilung makroskopisch erkennbarer Einschlüsse innerhalb des Matrix-materials führt. Sowohl für CNTs als auch für AC ließ sich mit dieser Strategie eine Verbesserung des ZT-Wertes herbeiführen, wobei es für eine Vielzahl der Proben auch gelang, alle drei den ZT-Wert bestimmenden Parameter positiv zu beeinflussen. Das Inkludieren bewirkt dabei eine verstärkte Streuung der Phononen und führt somit zu einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeit. Weiterhin konnte im Vergleich zu inklusionsfreien Proben eine Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit beobachtet werden, die mutmaßlich auf kohlenstoffhaltige Partikel graphenartiger Struktur zurückzuführen ist, welche sich im Zuge des Kompaktiervorgangs ablösen. Im weiteren Verlauf der Synthese lagern sich diese Abriebpartikel filmartig auf und teilweise zwischen den Partikeln ab, was zu erhöhten Ladungsträgerbeweglichkeiten und somit zu höheren Leitfähigkeiten führt. Desweiteren treten Elektronenfiltermechanismen in Kraft, die sich aus der ubiquitären Verteilung der Abriebpartikel im Material ergeben. Dank dieser Filterung niedrigenergetischer Elektronen, sinkt einerseits die Ladungsträgerkonzentration, während die mobilität hingegen zunimmt, da es in Folge der Selektierung zur Abnahme von Elektron-Elektron-Streuereignissen kommt. Als Resultat des Elektronenfilterns kommt es zur Erhöhung der Seebeck-Koeffizienten. Weiterhin entfalten diese Abriebpartikel einen Effekt, der die ursprüngliche Nanoskaligkeit der Partikel aufrechterhält, weswegen größere Bandlücken als bei inklusionsfreien Proben zu beobachten sind. Insgesamt erfuhr der thermoelektrische Gütefaktor ZT aller CNT bzw. AC-haltigen eine erhebliche Steigerung um bis zu dem Zweieinhalbfachen des Wertes der inklusionsfreien Proben bei RT, was die optimierende Wirkung einer entsprechenden Inklusion verdeutlicht. Da es zu weniger Spannungen und Rissen im Material kommt, stellte sich AC dank einer höheren Kompaktierbarkeit als das morphologisch besser geeignete Inklusionsmaterial heraus.Die alternative Herstellungsstrategie, die sich durch gleichzeitiges Kugelmahlen von Inklusion- und Matrixmaterialien und einem damit einhergehendem hohen Grad an Homogenität von der vorangegangenen Strategie unterscheidet, zeichnet sich auch durch bedeutend geringere Werte des thermoelektrischen Gütefaktors aus. Während der maximale ZT-Wert, der mithilfe der ersten Strategie erzielt werden konnte, noch bei ZT (300 K) = 0,48 lag, liegt dieses Maximum des für die Strategie des gleichzeitigen Mahlens bei weniger als der Hälfte. Die erhöhte Homogenität des Materials, die ursächlich für die gesteigerte Stabilität der Proben ist, ist ein wesentliches Charakteristikum dieser Probenserie neben einer spezifischen Mikrostruktur. Durch eine bessere Verteilung des entstandenen graphenartigen Abriebs kommt es zu einer noch effizienteren Inhibierung des Korngrößenwachstums im Zuge des Temperns und darüber hinaus zur Verhinderung maßgeblicher Rekristallisationsprozesse und zur Aufrechterhaltung damit verbundener Nanoeffekte. Die elektrischen Leitfähigkeiten der Proben dieser Methode fallen verglichen mit der ersten Herstellungsoption ähnlich zu dem ZT-Wert nur etwa halb so groß aus. Die Wärmeleitfähigkeit und der Seebeck-Koeffizient erfahren hingegen nur eine unwesentliche Veränderung, meist in Form einer geringen Verschlechterung. Beim Vergleich beider Herstellungsvarianten wird abschließend der enorme Einfluss der Mikrostruktur des Materialsystems deutlich, der ein Abbild der vorherrschenden Interaktionen zwischen Matrix- und Inklusionsmaterial darstellt. Die Wahl einer adäquaten Herstellungsmethode besitzt damit eine ähnliche Relevanz wie die Festlegung der einzusetzenden Mengen an Inklusionsmaterial. Es zeigte sich, dass die optimierende Wirkung der Inklusion auf die einzelnen Parameter limitiert ist und mit Erreichen einer kritischen Menge in eine Stagnation und schließlich eine Abnahme der Werte mündet. Aufgrund der höheren Stabilität der Proben, die nach der zweiten Herstellungsmethode (Synthese B) prozessiert wurden, liegt diese kritische Menge mit ca. 1 wt.% etwas höher als für die vorangegangene Methode (CNTs: ca. 0,5 wt.%; AC: ca. 0,7 wt.%). Neben dem Einfluss der Inklusionsmasse auf die thermoelektrischen Transportparameter war auch ein limitierender Einfluss auf die Probenstabilität auszumachen; es zeigte sich, dass die Proben nach der zweiten Herstellungsmethode trotz höheren Mengen Inklusionsmaterials eine stabilere Probenmorphologie aufwiesen.
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