Thermoelectric bismuth-related nanowires based on anodic aluminium oxide membranes

Abstract

Thermoelektrische Bi2Te3-Nanostab-Ensembles wurden mit Hilfe von elektrochemisch erzeugten Al2O3-Membranen hergestellt. Elektrochemische Abscheidung, insbesondere gepulste elektrolytische Abscheidung mit verschieden langen Pausezeiten (10~50 ms), wurde für das Wachsen der Nanodrähte verwendet. Das gleichmäßige Wachstum der Nanodrähte wurde beobachtet, welche mittels gepulster elektrochemischer Abscheidung erzeugt wurden. Weiterhin konnte die kristalline Struktur der Nanodrähte verbessert werden, indem die Pausezeiten erhöht wurde. Zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit an einzelnen Nanodrahtes wurde ein Atomkraftmikroskop (AFM) mit leitfähiger Spitze verwendet, um einzelne Nanodrähte innerhalb der Al2O3 Membran elektrisch zu kontaktieren. Es wurden I-V Kennlinien für die Ermittelung des elektrischen Widerstandes einzelner Nanodrähte gemessen. Die elektrische Leitfähigkeit stieg mit der Erhöhung der Pausezeit bei der elektrochemischen Abscheidung an (0.05 ~ 0.16 [x 106 S/m]). Der Seebeck-Koeffizient der Nanostab-Ensembles wurde mit einem einfachen Seebeck-Messplatz gemessen. Energieaufgelöste Röntgen-Spektroskopie (EDX) wurde an einzelnen Nanodrähten zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung verwendet und mit den gemessenen Seebeck Koeffizienten korreliert. Mit Pausezeit erhöht sich der außerdem Seebeck-Koeffizient (45 ~ 55 [μV/K] sowie die Tellur-Anteil. Die Nanodrähte wurden bei verschiedenen Temperaturen (150, 250 und 400°C) wärmebehandelt, um die kristalline Struktur zu verbessern. Die Nanodrähten zeigten nahezu einkristalline Kristallstrukturen außer bei den Nanodrähten, welche bei 250°C behandelt wurden. Die plausible Erklärung hierfür ist, dass der Tellur-Anteil auf Grund des hohen Dampfdrucks, reduziert wird, was zu einem Phasenübergang von Bi2Te3 zu Bi4Te3 und einer erheblichen Reduzierung des Seebeck-Koeffizienten führt. Im letzten Teil wurden die thermoelektrischen Parameter (elektrische Leitfähigkeit, Seebeck-Koeffizient und Power-Faktor) mit Literaturdaten verglichen. Für die Untersuchung des Überganges von Halbmetall zum Halbleiter wurden Bi- Nanostabensembles durch potentiostatische elektrochemische Abscheidung hergestellt. Atomic Layer Deposition (ALD) von SiO2 wurde für die Reduzierung des Porendurchmessers der Al2O3-Membranen verwendet. Mittels 120 ALD-Zyklen wurde der Porendurchmesser auf 30 nm reduziert. Der Übergang der Bi-Nanostäbe als Funktion des Durchmessers (30, 50 und 200nm) wurde mittels Infrarot-Messungen und elektrischen Widerstandsmessung in Abhängigkeit der Temperatur untersucht.