Herstellung und Untersuchung von dünnen Schichten, basierend auf der Heusler-Verbindung Fe2VAl, im Hinblick auf thermoelektrische Anwendungen

Abstract

In dieser Diplomarbeit wurden dünne Schichten, basierend auf der Heusler-Verbindung Fe2VAl, mittels Magnetronsputtern hergestellt und auf ihre thermoelektrischen Eigenschaften hin untersucht. Der Fokus lag dabei besonders auf dem Seebeck-Koeffizienten, da dieser ein gutes Maß für das Potential von thermoelektrischen Materialien für weitere Anwendungen ist. Es wurde die chemische Zusammensetzung der Schichten durch Substitutionen in der Heusler-Struktur, die Parameter der Beschichtung sowie Temperatur und Dauer der Nachbehandlung im Ofen variiert. Es konnten Seebeck-Koeffizienten über −2000 V/K, basierend auf dem Schichtmaterial Fe1,6Cr0,4VAl, erreicht werden. Die höchsten Power-Faktoren erreichten etwa 240 mW/(m*K^2) mit Fe1,6Cr0,4VAl und 90 mW/(m*K^2) mit Fe2V0,8W0,2Al auf Si-Wafern. Für die Wärmebehandlung der Proben nach der Beschichtung stellte sich eine Temperatur im Bereich um 450 °C als ideal für einen hohen Seebeck-Koeffizienten heraus. Die daraus resultierende kristalline und elektronische Struktur der Materialien scheint aber metastabil zu sein und kann durch weitere Wärmebehandlungen noch verändert werden.

In this thesis, thin films, based on the full Heusler compound Fe2VAl, were produced using magnetron sputtering and tested for their thermoelectric properties. The focus was mainly on boosting the Seebeck coefficient, as it is related to the potential of thermoelectric materials for further applications. The chemical composition of the Heusler compounds through substitution, the parameters of the coating process and the temperature and duration of the heat treatment afterwards were varied. High Seebeck coefficients, exceeding −2000 V/K using Fe1,6Cr0,4VAl as coating material, were obtained. The highest power factors reached a maximum of over 240mW/(m*K^2) with Fe1,6Cr0,4VAl and 90mW/(m*K^2) with Fe2V0,8W0,2Al deposited on a silicon wafer. For the heat treatment of the samples after the deposition, an ideal temperature around 450 °C was found to boost the Seebeck coefficient. However, both the crystalline and electronic structure appear to be meta-stable and could be changed with further heat treatment at higher temperatures.