Thermoelectric properties of TiNiSn and Zr 0.5 Hf 0.5 NiSn thin films and superlattices with reduced thermal conductivities

Durch steigende Energiekosten und erhöhte CO2 Emission ist die Forschung an thermoelektrischen (TE) Materialien in den Fokus gerückt. Die Eignung eines Materials für die Verwendung in einem TE Modul ist verknüpft mit der Gütezahl ZT und entspricht α2σTκ-1 (Seebeck Koeffizient α, Leitfähigkeit σ, Temperatur T und thermische Leitfähigkeit κ). Ohne den Leistungsfaktor α2σ zu verändern, soll ZT durch Senkung der thermischen Leitfähigkeit mittels Nanostrukturierung angehoben werden.rnBis heute sind die TE Eigenschaften von den makroskopischen halb-Heusler Materialen TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn ausgiebig erforscht worden. Mit Hilfe von dc Magnetron-Sputterdeposition wurden nun erstmals halbleitende TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn Schichten hergestellt. Auf MgO (100) Substraten sind stark texturierte polykristalline Schichten bei Substrattemperaturen von 450°C abgeschieden worden. Senkrecht zur Oberfläche haben sich Korngrößen von 55 nm feststellen lassen. Diese haben Halbwertsbreiten bei Rockingkurven von unter 1° aufgewiesen. Strukturanalysen sind mit Hilfe von Röntgenbeugungsexperimenten (XRD) durchgeführt worden. Durch Wachstumsraten von 1 nms 1 konnten in kürzester Zeit Filmdicken von mehr als einem µm hergestellt werden. TiNiSn zeigte den höchsten Leistungsfaktor von 0.4 mWK 2m 1 (550 K). Zusätzlich wurde bei Raumtemperatur mit Hilfe der differentiellen 3ω Methode eine thermische Leitfähigkeit von 2.8 Wm 1K 1 bestimmt. Es ist bekannt, dass die thermische Leitfähigkeit mit der Variation von Massen abnimmt. Weil zudem angenommen wird, dass sie durch Grenzflächenstreuung von Phononen ebenfalls reduziert wird, wurden Übergitter hergestellt. Dabei wurden TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn nacheinander abgeschieden. Die sehr hohe Kristallqualität der Übergitter mit ihren scharfen Grenzflächen konnte durch Satellitenpeaks und Transmissionsmikroskopie (STEM) nachgewiesen werden. Für ein Übergitter mit einer Periodizität von 21 nm (TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn jeweils 10.5 nm) ist bei einer Temperatur von 550 K ein Leistungsfaktor von 0.77 mWK 2m 1 nachgewiesen worden (α = 80 µVK 1; σ = 8.2 µΩm). Ein Übergitter mit der Periodizität von 8 nm hat senkrecht zu den Grenzflächen eine thermische Leitfähigkeit von 1 Wm 1K 1 aufgewiesen. Damit hat sich die Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit durch die halb-Heusler Übergitter bestätigt. Durch die isoelektronischen Eigenschaften von Titan, Zirkonium und Hafnium wird angenommen, dass die elektrische Bandstruktur und damit der Leistungsfaktor senkrecht zu den Grenzflächen nur schwach beeinflusst wird.rn

Rising energy costs and enhanced CO2 emission have moved research about thermoelectric (TE) materials into focus. The suitability of a material for usage in TE devices depends on the figure of merit ZT and is equal to α2σTκ-1 including Seebeck coefficient α, conductivity σ, temperature T and thermal conductivity κ. Without affecting the power factor α2σ, using nanostructuring, ZT should here be increased by a depressed thermal conductivity. rnAs half-Heusler (HH) bulk materials, the TE properties of TiNiSn and Zr0.5Hf0.5NiSn have been extensively studied. Here, semiconducting TiNiSn and Zr0.5Hf0.5NiSn thin films were fabricated for the first time by dc magnetron sputtering. On MgO (100) substrates, strongly textured polycrystalline films were obtained at substrate temperatures of about 450°C. The film consisted of grains with an elongation perpendicular to the surface of 55 nm. These generated rocking curves with FWHMs of less than 1°. Structural analyses were performed by X ray diffraction (XRD). Having deposition rates of about 1 nms 1 within shortest time also films in the order of microns were fabricated. For TiNiSn the highest in-plane power factor of about 0.4 mWK 2m 1 was measured at about 550 K. In addition, at room temperature (RT) a cross-plane thermal conductivity of 2.8 Wm 1K 1 was observed by the differential 3ω method. Because the reduction of thermal conductivity by mass fluctuation is well-known and interface scattering of phonons is expected, superlattices (SL) were fabricated. Therefore, TiNiSn and Zr0.5Hf0.5NiSn were successively deposited. While the sputter cathodes were continuously running, for fabrication of SLs the substrates were moved from one to another. The high crystal quality of the SLs and the sharp interfaces were proven by satellite peaks (XRD) and Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM). For a SL with a periodicity of 21 nm (TiNiSn and Zr0.5Hf0.5NiSn each 15 nm) at a temperature of 550 K an in-plane power factor of 0.77 mWK 2m 1 was calculated by a Seebeck coefficient of -80 µVK 1 and a resistivity of 8.2 µΩm. In addition to the enhanced power factor a tremendous reduction of the cross-plane thermal conductivity was obtained for SLs with periodicities of about 8 nm. Here, a thermal conductivity of 1 Wm 1K 1 was measured by the differential 3ω method. In principle, the concept of reduced cross-plane thermal conductivity in HH SLs was proven. At the HH interfaces, titanium, zirconium and hafnium that have significant differences in mass but are isoelectronic are assumed to have a negligible influence on the electronic band structure and thus on the power factor.rn