Ge­schrumpf­te Thermo­elek­tro­nik

Thermoelektrische Materialien können Wärme in elektrische Energie umwandeln oder umgekehrt als umwelt­freundliche Kühl­elemente eingesetzt werden. In vielen Prozessen im Alltag und in der Industrie tritt Energie­verlust in Form von Abwärme auf, die durch thermo­elektrische Generatoren in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das stellt auch eine zusätzliche Strom­quelle in diesen Systemen zur Verfügung. Ein weiteres besonders attraktives Anwendungs­gebiet von thermo­elektrischen Materialien ist die Kühlung von mikro­elektronischen Bau­elementen, zum Beispiel in Prozessoren oder beim Wärme­management in Organ­implantaten.

Elektronen­mikroskopische Aufnahme von integrier­baren mikro­thermo­elektrischen Bau­elementen mit einer Packungs­dichte von etwa 5000 Stück pro Quadrat­zentimeter (Bild: Leibniz-IFW)

Dazu müssen thermo­elektrische Generatoren mit den Systemen der modernen Mikro­elektronik kompatibel sein. Außerdem muss sich der Herstellungs­prozess in die etablierten Abläufe der Chip­produktion integrieren lassen. All das hat sich bisher als sehr schwierig erwiesen, so dass eine breite Anwendung mikro­thermo­elektrischer Bauelemente bisher nicht erfolgt ist.

Nun gibt es einen neuen vielversprechenden Vorstoß von Forschern des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werk­stoff­forschung Dresden (IFW). Sie fügten in den Abscheide­prozess der thermo­elektrischen Bismut-Tellur-Verbindung eine entscheidende Neuerung ein. Durch ein zusätzliches Gold­elektrolyt­bad unmittel­bar nach der Schicht­abscheidung bildet sich eine schützende Gold­schicht auf den thermo­elektrischen Elementen. Diese Grenz­fläche ver­ringert den Wider­stand zwischen dem thermo­elektrischen Material und der Kontakt­schicht erheblich, was sich sehr positiv auf die Effizienz und die Funktions­stabilität im Dauer­versuch auswirkt.

Die auf diese Weise hergestellten mikro­thermo­elektrischen Bau­elemente haben sehr schnelle Reaktions­zeiten von nur einer Milli­sekunde sowie eine hohe Zuverlässig­keit von mehr als zehn Millionen Zyklen und von über dreißig Tagen stabiler Kühl­leistung. Die Verbesserung dieser Kenn­zahlen stellt einen entscheidenden Schritt hin zur breiten Anwendung von thermo­elektrischen Bauteilen dar. (Quelle: L-IFW)

Referenz: G. Li et al.: Integrated microthermoelectric coolers with rapid response time and high device reliability, Nat. Electronics 1, 555 (2018); DOI: 10.1038/s41928-018-0148-3

Link: Thermoelectric Materials and Devices (G. Schierning), Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden

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