Magnetfelder verbessern die Kühlleistung topologischer Materialien

Forscher am MPI für chemische Physik fester Stoffe haben in Zusammenarbeit mit der Chongqing-Universität und dem MPI für Mikrostrukturphysik einen Durchbruch in der topologischen Thermoelektrik erzielt. Ihre Forschung hat eine bahnbrechende Entdeckung in der Thermoelektrik enthüllt: Die Anwendung eines schwachen Magnetfeldes kann die Kühlleistung topologischer Materialien bei niedrigen Temperaturen erheblich verbessern. Die neue Entdeckung eröffnet neue Perspektiven für die thermoelektrische Kühlung bei niedrigen Temperaturen unter 300 Kelvin und markiert einen entscheidenden Fortschritt in der magnetisch-Thermoelektrik, indem sie eine kostengünstige, energieeffiziente Alternative zu traditionellen Kühlmethoden bietet.

Die thermoelektrische Technologie ist aufgrund ihrer langen Lebensdauer, der Abwesenheit eines Kompressors und der geringen Geräuschentwicklung vorteilhaft für Anwendungen zur Kühlung bei niedrigen Temperaturen. Angewendet wird sie beispielsweise in der Raumfahrt, obwohl die Effizienz der thermoelektrischen Energieumwandlung, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, gering bleibt. Der Grund liegt in der Temperaturabhängigkeit des thermoelektrischen Gütefaktors zT.

In den letzten Jahren nahm Dank der weltweiten Forschungsaktivitäten bei der Entwicklung und Erforschung topologischer Materialien sowie die der dazugehörigen topologischen Theorie auch das Interesse an thermoelektrischen Materialien bei niedrigen Temperaturen zu. Verschiedene Ansätze und Ideen werden dabei verfolgt und einer der Ideen des internationalen Teams erwies sich als äußerst erfolgreich. Die Forscher konnten einen bemerkenswerten zT-Wert von nahezu 2 bei 180 Kelvin unter dem Einfluss eines niedrigen Magnetfelds von nur 0,7 Tesla im einkristallinen topologischen Isolator Bi₈₈Sb₁₂ erzielen. Dieser Wert ist umso bemerkenswerter, da er fast dreimal höher ist als der Wert im Magnetfeld Null. Darüber hinaus übertrifft dieser hohe magnetische zT-Wert alle bekannten thermoelektrischen Materialien für niedrige Temperaturen.

Um diese hohe magnetisch-thermoelektrische Leistung zu realisieren, besteht der entscheidende Schritt darin, hochwertige Bi_1–x Sb_x-Einkristalle zu züchten. Das stellt eine große Herausforderung dar aufgrund der vollständigen Mischbarkeit von Bi und Sb, jedoch gleichzeitiger starker Phasensegregationskoeffizienten, die Tendenz zur Entmischung und Bildung von Bereichen unterschiedlicher Zusammensetzung ist also groß. Daher wurde die „floating zone“-Methode unter Verwendung hauseigener Geräte angewendet, mit denen  hochwertige Einkristalle mit einer niedrigen Ladungsträgerdichte von etwa 10¹⁷ cm^-3 und einer hohen Mobilität von über 4 × 10⁵ cm²V^-1s^-1 bei 80 Kelvin erzeugt wurden. Ein hohe Mobilität ist zusammen mit der einzigartigen Banddispersion von Bi_1–x Sb_x wichtig für den außergewöhnlich hohen Wert der „Figure of Merit“ zT und für die außergewöhnliche magnetisch-thermoelektrische Leistung von Bi_1–x Sb_x.

Theoretische Modellierungen zeigen, dass das Dirac-Band mit linearer Banddispersion eine wesentliche Rolle für einen großen magnetischen Seebeck-Effekt spielt, der durch die Zeeman-Aufspaltung aufgrund des großen Landé-g-Faktors weiter verstärkt wird. Da viele topologische Materialien ähnliche Eigenschaften wie eine lineare Dirac-Banddispersion und eine sehr kleine effektive Masse sowie einen großen g-Faktor aufweisen, wird erwartet, dass auch in anderen neuartigen topologischen Materialien eine hohe magnetisch-thermoelektrische Leistung vorhanden sein kann.

„Wir glauben, dass ein tieferes Verständnis der magneto-thermoelektrischen Eigenschaften von Bi_1–x Sb_x die Entwicklung topologischer Thermoelektrika für Niedertemperatur-Kühlanwendungen erleichtern wird“, schreiben die beiden Hauptautorinnen Yu Pan und Claudia Felser.

Die Ergebnisse der Untersuchung belegen die Idee, kleine Magnetfelder zu nutzen, um die thermoelektrische Leistung erheblich zu steigern. Besonders bemerkenswert ist die Fähigkeit, hohe zT-Werte mit relativ niedrigen Magnetfeldern zu erreichen, die durch Permanentmagnete realisierbar sind. Dies eröffnet neue Perspektiven für kostengünstige und effiziente thermoelektrische Kühlgeräte. Die Ergebnisse öffnen zudem ein weites Feld zur Erforschung anderer topologischer Materialien mit ähnlichen Eigenschaften und zeigen auch schon Möglichkeiten auf, wie die Grenzen bei diesen Substanzen zu noch höheren Werten von zT verschoben werden können.

MPI-CPfS / RK