28.02.2011

Dünner Mantel

Durch einen Germanium-Überzug sinkt die Wärmeleitfähigkeit eines Silizium-Nanodrahts.

Durch einen Germanium-Überzug sinkt die Wärmeleitfähigkeit eines Silizium-Nanodrahts.

Temperatur kann in Elektrizität umgewandelt werden und umgekehrt – diesen Umstand nützt die Thermoelektrizität aus. Durch den so genannten Seebeck-Effekt entsteht in einem Stromkreis eine kleine elektrische Spannung, wenn zwischen den Kontaktstellen von zwei verschiedenartigen elektrischen Leitern eines Stromkreises eine Temperaturdifferenz besteht. Allerdings taugen nicht alle leitenden oder halbleitenden Materialien für die Erzeugung von Thermoelektrizität. So muss insbesondere die Wärmeleitfähigkeit eines Materials möglichst klein, die elektrische Leitfähigkeit hingegen groß sein.

Forscher an der ETH Zürich konnten anhand von Computer-Simulationen zeigen, wie sich die Wärmeleitfähigkeit von Silizium-Nanodrähten deutlich reduzieren lässt. Die betrachteten Nanodrähte sind längliche Quader, über 300 Silizium-Einheitszellen lang und 9 mal 9 Einheitszellen im Querschnitt breit, respektive hoch. Das Stäbchen ist 160 Nanometer lang und ungefähr fünf Nanometer im äquivalenten Durchmesser. Überzogen sind die Nanodrähte von einer ein bis zwei Einheitszellen dicken Schicht aus Germanium. Durch die Germanium-Beschichtung nimmt die Wärmeleitfähigkeit in bei Raumtemperatur in der Simulation gegenüber reinen Silizium-Nanodrähten um 75 Prozent ab.

Abb.: Lokaler Wärmestrom durch eine Ebene des Silizium-Nanodrahts für (a) den reinen und (b) den mit Germanium beschichteten Draht. Die gestrichelte Linie stellt die Silizium-Germanium-Grenze dar. Ein positiver Wert (rot) symbolisiert einen hohen Wärmestrom senkrecht zur Ebene. (Bild: H. Ming et al., Nano Lett.)

Als Grund für die Abnahme der Wärmeleitfähigkeit von Germanium ummantelten Silizium-Nanodrähten sehen die Forscher die veränderten Schwingungsmodi der Phononen, welche die Wärme durch das Kristallgitter transportieren. An der Grenzschicht zwischen Silizium und Germanium wurden die Wellenlängen der Teilchen verkürzt und zusammengestaucht, was den Wärmetransport fast völlig verhindert.

Im nächsten Schritt sollen die simulierten Si/Ge-Nanodrähte im Labor für reale Versuche hergestellt werden.

ETH Zürich / MH

 

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