Thermoelektrische Eigenschaften und Hall-Effekt dünner Schichten der stöchiometrisch veränderten Heuslerverbindungen Fe2 VAI

Abstract

Der Seebeck-Effekt bezeichnet das Entstehen einer Spannung auf Grund einer Temperaturdifferenz entlang eines elektrischen Leiters oder Halbleiters. Mit Hilfe dieses Effektes kann die bei vielen Prozessen auftretende Abwärme in elektrische Energie umgewandelt werden. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, dünne Schichten der stöchiometrisch veränderten Heuslerverbindung Fe2VAl herzustellen und thermoelektrische Eigenschaften sowie den Hall-Effekt zu messen. Zur Herstellung der Schichten wurden zuerst die Reinelemente für die Heuslerverbindung mit der jeweiligen stöchiometrischen Änderung eingewogen. Die Elemente wurden in einem Induktionsofen miteinander verschmolzen und im Anschluss aus dem erkalteten Material ein Target für die Sputteranlage geschnitten. Als nächstes wurden auf Siliziumsubstrate dünne Schichten mit verschieden Schichtdicken und bei unterschiedlichen Substrattemperaturen gesputtert. Um verschiedene Rauigkeiten zu ermöglichen, musste die Anlage umgebaut werden, sodass Ionenätzen möglich war. Die fertigen Schichten erhielten abschließend eine Wärmebehandlung, wobei die Temperatur variiert wurde. Die Kristallstruktur konnte durch Röntgen kontrolliert werden. Im ULVAC ZEM-3 erfolgte die Messung des spezifschen Widerstands, sowie des Seebeck-Koeffzienten, von Raumtemperatur aufwärts. Für die Messung des Widerstands und des Hall-Effekts bei Raumtemperatur mit der Methode von van der Pauw war eine Anlage vorhanden, für Messungen bei niedrigen Temperaturen von der Siedetemperatur von Helium bis Raumtemperatur wurde ein neuer Probenstab gebaut. Dieser wurde in einem Durch usskryostaten mit supraleitendem Elektromagnet eingesetzt, wobei erst die Heizleistungen und Durchflussmengen ermittelt werden mussten, bei denen stabile Temperaturen möglich sind, um den Kryostaten wieder in Betrieb nehmen zu können. Mithilfe festkörperphysikalischer Methoden fand schließlich die Auswertung der gemessenen Daten statt.

The Seebeck effect generates a voltage across an electric conductor or semiconductor because of a temperature difference. By means of this effect, waste heat produced by many processes can be used to generate electric energy. The goal of this diploma thesis is to produce thin films of the stoichiometrically changed Heusler compound Fe2VAl and measure their thermoelectric properties as well as the Hall effect. At first the pure elements were weighed in for the stoichiometrically changed Heusler compound. The elements were melted in an induction furnace. Then, a target for the sputtering system was cut from the solid material. Thin films of various thicknesses and at dierent substrate temperatures were sputtered on silicon substrates. In order to enable different grades of roughness, the system had to be modified, so that ion etching became possible. Finally the finished samples were heat treated at different temperatures. Using X-ray diffraction, the crystal structure could be analyzed. Resistivity and Seebeck coefficient were measured in the ULVAC ZEM-3 from room temperature upwards. There was already a system for measuring resistance and Hall effect at room temperature, but for measurements from the boiling point of Helium to room temperature, a new sample holder was built. This sample holder was used in a continuous ow cryostat with a superconducting electromagnet. Before the cryostat could be put into operation, heat output and flow rate for stable temperatures had to be determined. Finally the measured data was evaluated according to methods from solid-state physics.