Sie könnten heiße Rohrleitungen in der Industrie ummanteln oder am Abgasstrang unseres Autos sitzen: Thermoelektrische Generatoren nutzen Wärmegradienten, um Strom zu erzeugen und damit Energie zurückzugewinnen, die sonst verlorenginge. Leider enthalten viele der bisher hierfür verwendeten Materialien Elemente, die selten, giftig oder gar beides sind. Wissenschaftler vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben jüngst nachgewiesen, dass es auch anders geht: Ihre Technik, die auf Nanoschichten mit geladenen Grenzflächen basiert, haben sie zum Patent angemeldet. 

Thermoelektrische Generatoren funktionieren nur dann, wenn eine ihrer Seiten möglichst heiß, die andere dagegen kalt ist. Deshalb sollten sie selbst kaum Wärme leiten, elektrischen Strom hingegen sehr gut. Diese Eigenschaften sind schwierig zu kombinieren. Doch die Theoretischen Physiker Prof. Dr. Rossitza Pentcheva und Dr. Benjamin Geisler konnten nachweisen, dass eine Heterostruktur, bestehend aus sehr dünnen Schichten von Lanthannickelat und Strontiumtitanat, genau das kann. Die Perowskite werden epitaktisch Schicht für Schicht aufgewachsen, sodass das entstehende Material praktisch aus geladenen Grenzflächen besteht, die nur einen Nanometer voneinander entfernt sind.

Diese Oxid-Heterostruktur ist im Gegensatz zu den klassisch genutzten Halbleitern auch bei hohen Temperaturen stabil und kommt zudem mit ungiftigen Materialien aus. Der Schichtaufbau streut die Phononen und verringert die Gitterwärmeleitung in senkrechter Richtung, erhöht dabei aber gleichzeitig den Seebeck-Koeffizienten.

Der Clou an der Sache: Traditionell verwendet man zwei unterschiedliche Materialien, von denen eines negativ (n-Typ), das andere positiv dotiert ist (p-Typ). Pentcheva und Geisler konnten aber nachweisen, dass sich beide Typen aus derselben Materialkombination herstellen lassen, indem sie lediglich die Stapelfolge an den Grenzflächen verändern. Dazu haben die Wissenschaftler materialspezifische quantentheoretische Simulationen durchgeführt und darauf aufbauend die thermoelektrischen Eigenschaften der Heterostruktur berechnet. Das Fachmagazin Physical Review B berichtet darüber in seiner Märzausgabe. „Der p-Typ ist schon recht effizient, der n-Typ kann durch zusätzliche Modifikationen optimiert werden“, fasst Pentcheva zusammen. „Die breite Variabilität der Kationen in diesen Oxiden bietet geradezu eine Spielwiese, um noch weitere Materialkombinationen mit verbesserten Eigenschaften nach diesem Konzept zu identifizieren.“

Materialien vom p- und n-Typ sind häufig strukturell oder elektronisch nicht kompatibel“, erklärt Geisler. „Daher war es ein ganz neuer Denkansatz, beide Varianten aus dem gleichen Material aufzubauen.“ Die Wissenschaftler haben damit erstmals bewiesen, dass das Schichtenkonzept funktioniert und teure sowie schädliche Materialien überflüssig machen könnte.

Originalpublikation:
B. Geisler, A. Blanca-Romero, and R. Pentcheva: „Design of n- and p-type oxide thermoelectrics in LaNiO3/SrTiO3(001) superlattices exploiting interface polarity“, Physical Review B 95, 125301 (2017)

DOI: 10.1103/PhysRevB.95.125301

Weitere Informationen: Prof. Dr. Rossitza Pentcheva, 0203 379-2238, rossitza.pentcheva@uni-due.de

Redaktion: Birte Vierjahn, 0203/ 379-8176, birte.vierjahn@uni-due.de