Thermoelectric transport properties of thin metallic films, nanowires and novel Bi-based core/shell nanowires
Creators: name: Kockert, Maximilian Emil
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2021
Subjects: subject: Nanodrähte
subject: Dünne Schichten
subject: Thermoelektrische Eigenschaften
subject: Seebeck-Koeffizient
subject: Nanowires
subject: Thin films
subject: Thermoelectric properties
subject: Seebeck coefficient
subject: 530 Physik

description: Thermoelektrische Phänomene können in Nanomaterialien im Vergleich zum Volumenmaterial stark modifiziert werden. Die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit, des absoluten Seebeck-Koeffizienten (S) und der Wärmeleitfähigkeit ist eine wesentliche Herausforderung für die Messtechnik in Hinblick auf Mikro- und Nanostrukturen aufgrund dessen, dass die Transporteigenschaften vom Volumenmaterial sich durch Oberflächen- und Einschränkungseffekte verändern können. Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wird der Einfluss von Größeneffekten auf die thermoelektrischen Eigenschaften von dünnen Platinschichten untersucht und mit dem Volumenmaterial verglichen. Dafür wurde eine Messplattform als standardisierte Methode entwickelt, um S einer dünnen Schicht zu bestimmen. Strukturelle Eigenschaften wie Schichtdicke und Korngröße werden variiert. Grenz- und Oberflächenstreuung reduzieren S der dünnen Schichten im Vergleich zum Volumenmaterial. Außerdem wird eine Methode demonstriert um S von einzelnen metallischen Nanodrähten zu bestimmen. Für hochreine und einkristalline Silber-Nanodrähte wird der Einfluss von Nanostrukturierung auf die Temperaturabhängigkeit von S gezeigt. Ein Modell ermöglicht die eindeutige Zerlegung des temperaturabhängigen S von Platin und Silber in einen Thermodiffusions- und Phononen-Drag-Anteil. Des Weiteren werden die thermoelektrischen Transporteigenschaften von einzelnen auf Bismut-basierenden Kern/Hülle-Nanodrähten untersucht. Der Einfluss des Hüllenmaterials (Tellur oder Titandioxid) und der räumlichen Dimension des Nanodrahts auf die Transporteigenschaften wird diskutiert. Streuung an Oberflächen, Einkerbungen und Grenzflächen zwischen dem Kern und der Hülle reduzieren die elektrische und thermische Leitfähigkeit. Eine Druckverformung induziert durch die Hülle kann zu einer Bandöffnung bei Bismut führen, sodass S gesteigert werden kann. Das Kern/Hülle-System zeigt in eine Richtung, um die thermoelektrischen Eigenschaften von Bismut erfolgreich anzupassen.
description: Thermoelectric phenomena can be strongly modified in nanomaterials compared to the bulk. The determination of the electrical conductivity, the absolute Seebeck coefficient (S) and the thermal conductivity is a major challenge for metrology with respect to micro- and nanostructures because the transport properties of the bulk may change due to surface and confinement effects. Within the scope of this thesis, the influence of size effects on the thermoelectric properties of thin platinum films is investigated and compared to the bulk. For this reason, a measurement platform was developed as a standardized method to determine S of a thin film. Structural properties, like film thickness and grain size, are varied. Boundary and surface scattering reduce S of the thin films compared to the bulk. In addition, a method is demonstrated to determine S of individual metallic nanowires. For highly pure and single crystalline silver nanowires, the influence of nanopatterning on the temperature dependence of S is shown. A model allows the distinct decomposition of the temperature-dependent S of platinum and silver into a thermodiffusion and phonon drag contribution. Furthermore, the thermoelectric transport properties of individual bismuth-based core/shell nanowires are investigated. The influence of the shell material (tellurium or titanium dioxide) and spatial dimension of the nanowire on the transport properties are discussed. Scattering at surfaces, indentations and interfaces between the core and the shell reduces the electrical and the thermal conductivity. A compressive strain induced by the shell can lead to a band opening of bismuth increasing S. The core/shell system points towards a route to successfully tailor the thermoelectric properties of bismuth.