Die strukturellen und thermoelektrischen Eigenschaften verschieden synthetisierter Bi1-xSbx-Proben wurden vorgestellt und diskutiert. Dabei wurden neben coreduzierten und kugelgemahlenen Bi1-xSbx-Nanolegierungen auch Einschlussverbindungen von Antimon-Partikeln in einer Bismut-Matrix untersucht. Die strukturellen und thermoelektrischen Eigenschaften coreduzierter und kugelgemahlener wurden in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und den Pressbedingungen untersucht. Zudem wurden für die coreduzierten Proben Untersuchungen in Abhängigkeit von der Konzentration der Ausgangslösung und für die kugelgemahlenen Proben in Abhängigkeit von den Mahlbedingungen durchgeführt. Die coreduzierten Bi1-xSbx-Proben zeigen in Abhängigkeit von der Konzentration der Ausgangslösung deutliche Unterschiede in ihrer Struktur. Eine Konzentration von unter 0,09 mol L-1 führt zu inhomogenen Proben mit großen bismutreichen und kleinen antimonreichen Partikeln. Die coreduzierten Proben weisen mit elektrischen Leitfähigkeiten, die zwei Größenordnungen unter denen einkristalliner Proben liegen, insgesamt schlechte thermoelektrische Eigenschaften auf. Die ebenfalls verringerte Wärmeleitfähigkeit kann diesen Verlust nicht kompensieren. Auch durch den Wechsel des Pressverfahrens konnte keine Verbesserung der ZT-Werte erreicht werden. Die Untersuchung der thermoelektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Zusammensetzung ergab keinen systematischen Einfluss des Antimongehalts. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass andere Parameter wie die Dichte und die Homogenität der Proben nicht vollständig kontrolliert werden können. Diese üben einen zusätzlichen Einfluss auf die thermoelektrischen Eigenschaften aus und erschweren die Interpretation der Ergebnisse hinsichtlich des Einflusses des Antimongehalts. Über die Synthese in einer Kugelmühle konnten homogene Bi1-xSbx-Legierungen mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 70 nm hergestellt werden. Die thermoelektrischen Eigenschaften dieser Bi1-xSbx-Nanolegierungen weisen einige Besonderheiten im Vergleich zu einkristallinen Proben auf. Reines Bismut zeigt durch das Kugelmahlen einen größeninduzierten Übergang vom Halbmetall zum Halbleiter, der bisher nur in Nanodrähten beobachtet wurde. Die hier untersuchten Partikel sind somit klein genug um Größenquantisierungs-Effekte hervorzurufen. Ein entsprechender Halbmetall-Halbleiter-Übergang wurde auch in reduziertem Bismut gefunden. Zusätzlich ist der Zusammensetzungsbereich des Systems Bi-Sb, der halbleitende Eigenschaften zeigt, im Vergleich zu einkristallinen Legierungen (bulk und Nanodrähte) stark ausgeweitet. Während diese nur zwischen 7 und 22 mol% Antimon halbleitend sind, zeigen kugelgemahlene Nanolegierungen zwischen 0 und 50 mol% Antimon halbleitendes Verhalten. Auch dieser Effekt wurde ebenfalls in coreduzierten Proben beobachtet. Die thermoelektrischen Eigenschaften kugelgemahlener Bi1-xSbx-Nanolegierungen weisen ein Optimum zwischen 10 und 15 mol% Antimon auf. Die Zusammensetzung Bi0,87Sb0,13 verfügt dabei mit einem ZT-Wert von 0,25 bei Raumtemperatur über die höchste thermoelektrische Gütezahl. Bei dieser Zusammensetzung wurde mit 41,6 meV auch die maximale Bandlücke des Systems Bi-Sb gefunden. Die Temperaturabhängigkeit der ZT-Werte zeigt zudem eine Verschiebung des optimalen Temperaturbereichs von 120 K für einkristalline Legierungen hin zu 280 K für kugelgemahlene Nanolegierungen. Durch die Nanostrukturierung besteht damit die Möglichkeit Bi1-xSbx-Legierungen nicht mehr ausschließlich als thermoelektrisches Material bei tiefen Temperaturen zu verwenden. Der Vergleich von einem Kaltpress- mit einem Heißpressverfahren ergab eine höhere Ladungsträgerdichte nach dem Kaltpressen, wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit dieser Proben im Vergleich zu heißgepressten verändert. Insgesamt zeigt das Pressverfahren auf die elektrische Leitfähigkeit den stärksten Einfluss. Dies bedeutet, dass durch eine weitere Optimierung der Pressbedingungen eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und damit der ZT-Werte möglich ist. Im Hinblick auf die Verschiebung des optimalen Temperaturbereichs in Richtung Raumtemperatur könnte hierbei ein alternatives Materialsystem zu Bi2Te3 vorliegen, dass auf die Verwendung des giftigen Tellurs verzichtet. Zusätzlich konnte in kugelgemahlenen Bi1-xSbx-Nanolegierungen, die Wolframcarbid-Partikel enthielten, eine deutliche Reduktion der Wärmeleitfähigkeit beobachtet werden. Die ZT-Werte dieser Proben waren 45% höher als die entsprechender reiner Legierungen. Bei geeigneter Wahl der Fremdphase sollten weitere Steigerungen der thermoelektrischen Eigenschaften möglich sein. Dies könnte ein Ansatzpunkt für weitere Arbeiten auf diesem Gebiet sein.
Verknüpfung zu Publikationen oder weiteren Datensätzen
