Von Wärme zu Strom

Bei der Umwandlung von Energie geht viel Wärme verloren, Schätzungen zufolge mehr als siebzig Prozent. In thermo­elek­trischen Materialien kann Wärme jedoch direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Dieser Seebeck-Effekt lässt sich in zahlreichen Anwendungen in der Industrie und im Alltag nutzen. Forscher der TU Wien um Ernst Bauer haben jetzt eine spannende Entdeckung in einem Thermo­elektrikum gemacht, das aus Eisen, Vanadium und Aluminium besteht.

Um einen möglichst großen Energie­umwand­lungs-Effekt zu erzielen, suchen Forscher nach Materialien, die eine Reihe von Eigen­schaften erfüllen: Sie sollten einen großen Seebeck-Effekt, eine hohe elektrische Leit­fähig­keit und eine geringe Wärme­leit­fähig­keit aufweisen. Das ist jedoch äußerst schwierig, da die Eigen­schaften miteinander verknüpft sind und vonein­ander abhängen. Daher stellten sich die Forscher die Frage, wie ein Material physikalisch aussehen müsste, damit es all diese Bedingungen bestmöglich erfüllt.

So ist es Physikern der TU Wien gelungen, ein neues Konzept zu finden, um diesen Widerspruch aufzulösen und alle thermo­elek­trischen Eigen­schaften in einem Material gleich­zeitig zu optimieren. „Am Anderson-Übergang, einem Quanten­phasen­übergang von lokali­sierten zu beweglichen Elektronen­zuständen, sind die Bedingungen für das ideale Thermo­elektrikum gegeben. Das bedeutet, alle leitfähigen Elektronen haben ungefähr dieselbe Energie“, berichtet Fabian Garmroudi von der TU Wien.

Der Anderson-Übergang findet statt, wenn in einem Halbleiter Fremdatome hinzugefügt werden, welche ihre Elektronen stark an sich binden. Überschreitet die Anzahl der Fremdatome einen kritischen Wert, können sich die Elektronen plötzlich frei von einem Atom zum anderen bewegen und Strom kann fließen.

Der Anderson-Übergang konnte in enger Zusammen­arbeit mit Forschern aus Schweden und Japan sowie der Universität Wien nachge­wiesen und erstmals mit einer signifi­kanten Veränderung der thermo­elek­trischen Eigen­schaften in Verbindung gebracht werden. Die spannende Entdeckung machte das Team, als sie das Material auf sehr hohe Temperaturen, nahe des Schmelzpunktes, erhitzten.

„Bei hohen Temperaturen schwingen die Atome so stark, dass sie gelegentlich ihre Gitterplätze vertauschen. Beispiels­weise befinden sich Eisen-Atome dann dort, wo vorher Vanadium-Atome gewesen sind. Uns gelang es, dieses atomare Durcheinander, welches bei hohen Temperaturen auftritt, durch Quenchen, also dem raschen Abkühlen in einem Wasserbad, einzufrieren“, berichtet Ernst Bauer. Diese unregel­mäßigen Defekte erfüllen genau denselben Zweck wie die Fremdatome, ohne dass die chemische Zusammen­setzung des Materials dafür verändert werden muss.

In vielen Forschungsbereichen der Festkörper­physik ist man an möglichst reinen Materialien mit idealer Kristall­struktur interessiert. Der Grund: Die Regel­mäßig­keit der Atome vereinfacht eine theoretische Beschreibung der physika­lischen Eigen­schaften. Im Fall von Fe2VAl sind es jedoch gerade die Fehlstellen, die den Großteil der thermo­elek­trischen Performance ausmachen. Auch in benach­barten Disziplinen hat sich bereits gezeigt, dass Unregel­mäßig­keiten von Vorteil sein können. „Die Grundlagen­forschung an Quantenmaterialien ist ein gutes Beispiel hierfür“, sagt Andrej Pustogow von der TU Wien. „Nun ist dieses Konzept auch in der angewandten Festkörper­forschung angekommen.“

TU Wien / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. Garroudi et al.: Anderson transition in stoichiometric Fe₂VAl: high thermoelectric performance from impurity bands, Nat. Commun. 13, 3599 (2022); DOI: 10.1038/s41467-022-31159-w
• Bauer-Gruppe, Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Wien, Österreich