Untersuchung der thermoelektrischen Eigenschaften von Submikrometer-Silizium-Säulen

Abstract:
Der größte Teil der weltweit verbrauchten Energie wird durch Verbrennungsprozesse erzeugt. Trotz der ständigen technischen Weiterentwicklungen erzeugen die Verbrennungskraftmaschinen Wärme, die ungenutzt bleibt. Ein weiteres Beispiel ist die Wärme, die beim Abkühlen von großtechnisch hergestelltem Metallhalbzeug ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Die Nutzung dieser Verlustwärme könnte nicht nur immense wirtschaftliche Vorteile durch die Einsparung von Kraftstoff bringen, sondern gleichzeitig nachhaltig die Umwelt entlasten. Eine Möglichkeit, mit der man wartungsfrei, leise, zuverlässig und gut skalierbar die Verlustwärme in Strom umwandeln kann, ist die Thermoelektrik. Silizium ist als thermoelektrisches Material aufgrund seiner hohen thermischen Leitfähigkeit begrenzt geeignet. Eine starke Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit von Silizium kann durch Nanostrukturierung in Nanodrähte bzw. Nanosäulen erreicht werden. Aufgrund des hohen Seebeck-Koeffizienten und einer über die standardisierten Dotierungsprozesse einstellbaren elektrischen Leitfähigkeit, kann Silizium zu einem wesentlich effizienteren thermo-elektrischen Material gewandelt werden. Zusätzlich kann Silizium bei wesentlich höheren Temperaturen eingesetzt werden, wodurch die Effizienz erhöht wird. Zudem ist Silizium für Mensch und Umwelt ungiftig. Hier werden Messungen der thermoelektrischen Parameter an Thermopaaren aus p- und n-Silizium mit Submikrometer-Säulen Arrays mit verschiedenen Durchmessern gezeigt. Die untersuchten Säulen sind kegelförmig, deren Spitzendurchmesser von 111,6 nm bis 803,9 nm variiert. Der Durchmesser am Boden der Kegel variiert zwischen 1,1 µm bis 2,3 µm und die Höhe liegt zwischen 3,0 µm und 4,4 µm. Für die Analyse der TE-Eigenschaften wurden Silizium-Plättchen mit trockengeätzten Säulen-Arrays zwischen Silberlaschen und doppelseitig metallisierten Bulk-Silizium Plätt-chen zu Thermopaaren angeordnet.