Thermoelektrische Eigenschaften von Bor-dotierten Nanodiamantfolien

Transkript

1 Thermoelektrische Eigenschaften von Bor-dotierten Nanodiamantfolien Stefan Rosiwal, Jonas Fecher, Timo Fromm, Rudolf Borchard Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle Z2: Werkstoffe der Energietechnik , Dresden

2 Dank an das Team von Dr. Gabiele Schierning Universität Duisburg Essen

3 Inhalt Herstellung von Diamant º CVD-Diamantwachstum º CVD-Diamant Eigenschaften º CVD-Diamantfolien Stromerzeugung durch Thermoelektrik º Was ist Thermoelektrik? º Thermoelektrische Eigenschaften von CVD-Diamant º Weltweit erster diamantbasierter Thermoelektrischer Generator Folie 3

4 Unterschied Graphit-Diamant Graphit Diamant sp 2 = 3 kovalente Bindungen sp 3 = 4 kovalente Bindungen Folie 4

5 Blick in einen Hot-Filament CVD-Reaktor 2000 C 800 C Substrat CH 4 + H 2 + Energie = C-Diamant Folie 5

6 CVD-Diamantschichten Folie 6

7 CVD-Diamantbeschichtungsanlagen Hot-Filament-CVD-Anlagen Mikrowellen-Plasma-CVD-Anlage Hot-Filament-Anlage CC800 Dia Weltweit größte Hot-Filament-CVD-Diamantbeschichtungsanlage Folie 7

8 Materialeigenschaften von CVD-Diamant Folie 8

9 Diamantanwendung: Verschleißschutz für Gleitringe Werbefilm Burgmann Quelle: DiaCCon Erste Diamantbeschichtungsversuche ab 1995, gefördert durch Bayerische Forschungsstiftung Industrieeinführung in "Neue Werkstoffe Bayern" ab 2002 mit Fa. EagleBurgmann, Fa. DiaCCon Deutscher Stifterpreis 2010 für "DiaCer", 4 Fraunhofer Institute & Fa. EagleBurgmann & Fa. Condias Bayerische Firmen EagleBurgmann und DiaCCon für Diamantgleitringe weltweit führend Folie 9

10 Nanokristalline Diamantfolien Festigkeit von porenfreier Keramik steigt mit sinkender Korngröße kleine Diamantkorngröße durch hohe sekundäre Keimbildungsrate im CVD-Wachstum à hoher Methangehalt (>3%) à niedriger Prozessgasdruck (<10 mbar) Mikrodiamant Nanodiamant Folie 10

11 Was ist Thermoelektrik? - Strom&Spannung aus ΔT U ~ ΔT - Seebeck Koeffizient α:!! U "T p-leiter T 2 heiß n-leiter T 1 kalt elektrische Leistungsfähigkeit PowerFactor =! 2 " - Gütewert für Thermoelektrik zt zt =! 2 " # T σ = elektrische Leitfähigkeit κ = thermische Leitfähigkeit T = Temperatur + - technische Stromrichtung physikalische Stromrichtung - "heiße" Elektronen/Löcher verteilen sich im Leiter - ungleiche Ladungsträgerverteilung erzeugt Potential Folie 11

12 Motivation Stand der Technik Bewährte thermoelektrische Materialien in thermoelektrischen Generatoren z.b. Bismuttellurid, Bleitellurid, Silicium-Germanium (Thermonuklear- Generatoren) Cassini Saturnmission Aber: Toxisch, teuer, limitierte Verfügbarkeit, oft keine ausreichende Hochtemperaturstabilität Anwendungsgebiete sehr beschränkt (z.b. Militär, Raumfahrt, Gadgets, Motorsport) Unser Lösungsansatz Dotierte Diamantfolien cnes.fr Absorberturm Biolite, USA Solarwärmekraftwerk Wasserkochen + PS10 Sevillia USB Aufladegerät T>1000 C Folie 12

13 Thermoelektrische Werkstoffeigenschaften Anforderungen an ein gutes Thermoelektrisches Material - hohe elektrische Leitfähigkeit - niedrige thermische Leitfähigkeit Standard Mikrokristalliner CVD Diamant - hoher elektrischer Widerstand (10 6 Ω*m, Bandlücke 5,4 ev,) - höchste thermische Leitfähigkeit - hoher Seebeck Koeffizient - gute thermische Stabilität - "Phonon Drag" Effekt kann Seebeck verstärken - thermisch stabil bis 500 C an Luft und extrem niedrige Diffusion wegen höchster Atmodichte In erster Näherung ist Diamant das genauer Gegenteil eines guten thermoelektrischen Materials Folie 13

14 Herstellung von elektrisch leitfähigem CVD-Diamant Diamantfolienherstellung im HFCVD-Prozess p-dotierung mit Trimethylborat (B(OCH 3 ) 3, TBM) p-dotierung nach Cepheiden 2006 Folie 14

15 Wärmeleitfähigkeit von Diamant Mikrodiamant Mikrodiamant Nanostrukturen reduzieren die Wärmeleitfähigkeit (Phononenleitfähigkeit) deutlich Nanodiamant Nanodiamant Quelle: Angadi et al. Journal of Applied Physics, 99 (11) (2006), p Folie 15

16 Ergebnisse Seebeckkoeffizienten Verhalten über die Temperatur α < 320 µv/k Nanodiamant Mikrodiamant Folie 16

17 Ergebnisse Elektrische Leitfähigkeit Verhalten über die Temperatur Mikrodiamant α < 320 µv/k σ < S/m Nanodiamant Folie 17

18 Ergebnisse Wärmeleitfähigkeit Verhalten über die Temperatur Mikrodiamant α < 320 µv/k σ < S/m κ > 10 W/mK Nanodiamant Zunahme Wärmekapazität cp erhöht der Wärmeleitfähigkeit Folie 18

19 Thermoelektrische Diamanteigenschaften Standard Mikrokristalliner CVD Diamant Bor-dotierte Nanodiamantfolie - hoher elektrischer Widerstand (10 6 Ω*m, Bandlücke 5,4 ev,) - höchste thermische Leitfähigkeit - "Phonon Drag" Effekt kann Seebeck verstärken - thermisch stabil bis 500 C an Luft und extrem niedrige Diffusion wegen höchster Atmodichte - gute elektrische Leitfähigkeit besser 10 5 S/m (Cu 10 8 S/m) - Phononenstreuung an Nanokorngrenzen reduziert thermische Leitfähigkeit - Verfügbarkeit nur durch Maschinenkapazität begrenzt, kein Importwerkstoff - n-dotierung von Diamant noch schwierig Diamant mit Potential zu einem sehr gutem thermoelektrischen Werkstoff Powerfaktor à 1, W/mK 2 (BiTe 2,0*10-3 W/mK 2 ) zt-wert à 0,015 (BiTe > 1); noch zu hohe Wärmeleitfähigkeit Folie 19

20 Thermoelektrischer Generator aus Diamantfolien - Mikrodiamant (undotiert) - NCDF (Bor-dotiert, p-typ) - kohlenstoffbasierte, stickstoffdotierte Grafit-Nanofolie (n-typ) Bruchfläche zweier im Vakuum bei 1010 C mit Brazetec CB2 Lot verlöteter NCDF Lot (hell) benetzt die Diamantfolien sehr gut und bildet TiC-Zwischenschicht Spannungsmessung Fingerwärme Spannungsmessung Feuerzeug Strommessung Feuerzeug Folie 20

21 Herstellung und Charakterisierung von Diamant-TEG-Stacks 48 Thermopaare pro Stack 386 Einzelteile pro Stack verlötet mit Hochtemperaturlot CB2 (96 % Ag, 4 % Ti) Vermessung der TEG-Stacks am Strom-Spannungsmessplatz ΔT über Heizblock und Kühlplatte eingestellt 50 C 30 C 20 C 10 C 0 C Folie 21

22 Bau eines thermoelektrischen Generators für Solarthermie Absorber aus Inconel 718 durch selektives Elektronenstrahlschmelzen Einbau von 12 TEG-Stacks möglich Kupferkühler mit Kühlschleife "Verlustwärme" wird durch Nutzung des Kühlwassers als Warmwasser "konventionell" verstromt Folie 22

23 Bau des thermoelektrischen Generators - je 5 Stacks zu zwei Reihen verlötet: Parallel- und Reihenschaltung möglich - Heizen durch IR-Strahler/Gasflamme/Solarspiegel und Kühlung über Wasserkühlsystem Dauerbetrieb bei 1000 C Absorbertemperatur möglich Folie 23

24 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit Thermoelektrik Mount Everest Folie 24