Thermoelektrische Eigenschaften von dünnen Bi2(Te,Se)3 Schichten

Abstract

Thermoelektrische Eigenschaften, insbesondere der Einfluss einer Wärmebehandlung auf die Eigenschaften von Bi2(Te(1-y) Sey)3, wurden in der vorliegenden Diplomarbeit untersucht.<br />Dafür wurde das Probenmaterial, 1 µm dick, von der Firma O- Flexx, Duisburg, auf Kaptonfolien aufgesputtert. Die Proben wurden bei 150°C, 200°C, 250°C, für 0,5 Stunden bzw. bei 250°C für 2 Stunden wärmebehandelt.<br />Der spezifische Widerstand und der Seebeckkoeffizient wurden mit einer selbstgebauten Anlage im Temperaturbereich zwischen 4,2 K und 300 K gemessen. Zusätzlich wurden für den Temperaturbereich zwischen 300 K und 500 K Messungen des spezifischen Widerstandes und des Seebeckkoeffizienten für B_unbehandelt und B_250_2h durchgeführt.<br />Die Ladungsträgerkonzentration wurde mit einem "Van der Pauw Ecopia HMS-3000" Gerät bei 77 K und 300 K bestimmt.<br />Um die thermische Leitfähigkeit zu bestimmen wurde eine Methode, welche von Gubler et al. [18] vorgeschlagen wurde, angewendet.<br />Der Messaufbau war provisorisch und wurde etwas später verbessert. Die ermittelte thermische Leitfähigkeit für B_unbehandelt ist 0,066 [W/mK].<br />Die Wärmebehandlungen vergrößerten sukzessive den spezifischen elektrischen Widerstand und den Seebeckkoeffizienten. Sie führten außerdem zu einer Verringerung der Ladungsträgerkonzentration.<br />Die Gitterparameter von etwa a=0,43 nm und c= 3,05 nm verändern sich durch die Wärmebehandlung kaum.<br />Für die beste Wärmebehandlung, B_250_2h, wurde bei einer Umgebungstemperatur von 350 K ein Maximum des Seebeckkoeffizienten, S = -177 µV/K, gemessen.<br />Diese Probe weist außerdem bei 256 K ein Maximum des spezifischen Widerstandes von 5172 µOhmcm auf und erinnert an einen Metall- Halbleiter- Übergang.<br />Die Probe B_250_2h hat eine schmale Bandlücke von etwa 0,1 eV, die Korngrößen bewegen sich zwischen 0,02 µm und 0,08 µm.<br />

Thermoelectric properties, in particular the influence of heat treatment on the properties of Bi2(Te(1-y) Sey)3, have been examined.<br />Samples of this material with 1 µm thickness have been sputtered onto a capton foil by O-Flexx, Duisburg. The samples were heat treated at temperatures of 150°C, 200°C, 250°C, for as long as 0.5 hours or 2 hours.<br />Resistivity and thermopower were measured with a homemade equipment in the temperaturerange between 4.2 K and 300 K. Additionally, measurements of resistivity and thermopower were made for the temperaturerange between 300 K and 500 K for the samples B_unbehandelt and B_250_2h, too.<br />The charge carrier concentration was evaluated with a "Van der Pauw Ecopia HMS- 3000" installation at 77 K and 300 K.<br />For measuring the thermal conductivity, a method proposed by Gubler et al. [18] was used. The measurement setup was temporarily and was improved later on. The thermal conductivity evaluated for B_unbehandelt is 0.066 [W/mK].<br />The heat treatment employed to the samples successively enlarged the resistivity and the thermopower; furthermore, the charge carrier concentration decreased.<br />The lattice parameters of about a=0.43 nm and c=3.05 nm showed almost no change upon the heat treatment.<br />For the optimum heat treatment, B_250_2h, a maximum of the thermopower, S =-177 µV/K, has been measured at a surrounding temperature of 350 K.<br />Moreover this sample shows at 256 K a maximum of the resistivity of 5172 µOhmcm reminding to a metal-to-semiconductor transistion.<br />The sample B_250_2h has a small energy gap of about 0.1 eV, the grain size is between 0.02 µm and 0.08 µm.<br />