Untersuchung der intermetallischen Verbindung Bi2Te3 sowie der festen Lösungen Bi2-xSbxTe3 und Bi2Te3-xSex hinsichtlich ihrer Eignung als Material für Halbleiter-Thermoelemente

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Auffindung, Herstellung und Erprobung von p- und n-halbleitendem thermoelektrischem Material von maximaler Leistung nach neuen theoretischen Gesichtspunkten. Die Untersuchungen erstreckten sich auf die intermetallische Verbindung Bi2Te3 sowie die Mischkristalle Bi2SbxTe3 und Bi2Te3-xSex, die nach dem BridgmanVerfahren („Normal Freezing“) hergestellt waren. Der bekannte Mangel an gutem n-leitendem Material konnte durch Invertierung von Bi2Te3 in den n-Typus behoben werden. Solches geeignet dotiertes n-Bi2Te3 zeigte sogar bessere thermoelektrische Eigenschaften als Bi2Te3-x. Beim p-Typus dagegen konnte durch Übergang von B2Te3 zu B2-xSbxTe3 eine wesentliche Verbesserung erzielt werden. Optimal war die Zusammensetzung Bi0Sb1,4Te3 , die in Kombination mit dem erwähnten n-Bi2Te3 die Effektivität z=2,1 · 10-3 Grad-1 erreichte, äquivalent einer maximalen PELTIER-Abkühlung um 80°. Auch auf pulvermetallurgischem Wege wurden verschiedene Präparate hergestellt und die Änderungen der Eigenschaften hierbei studiert. Bemerkenswert war die Verminderung der Gitterwärmeleitfähigkeit, die allerdings durch eine Abnahme der Beweglichkeit kompensiert wird. Überraschend war ferner die Verminderung der Defektelektronenkonzentration, die bei schwach p-leitendem Material sogar zu Invertierung führte. Die praktische Erprobung der Thermoelemente erfolgte durch die Messung der maximalen PELTIER-Kühlung im Hochvakuum. Hierbei konnten durch Ultraschall-Lösung der kalten Lötstellen deren Kontaktwiderstände derartig vermindert werden, daß praktisch die volle berechnete kritische Abkühlung erzielt werden konnte. Auf diese Weise wurde erstmals die aus den physikalischen Daten der entwickelten Werkstoffe berechnete kritische Abkühlung um 80° erreicht.