Messung von thermoelektrischen Eigenschaften an Silizium-basierten Nanosäulen

Abstract:
Der Einsatz von nanostrukturiertem Silizium als Werkstoff für die Thermoelektrik bietet einige Vorteile gegenüber konventionellen Materialien: Die Prozesstechnologie von Silizium ist aufgrund des rasanten Fortschritts der Mikro- und Nanoelektronik in den letzten Jahren hoch entwickelt. Im Vergleich zu den Standardthermoelektrika Bismuttellurid und Bleitellurid ist Silizium in großen Mengen verfügbar und umweltfreundlich. Zudem können Silizium-Thermogeneratoren bei höheren Temperaturen betrieben werden, was insbesondere für die Realisierung von hohen Wirkungsgraden wichtig ist. Aufgrund seiner hohen thermischen Leitfähigkeit ist Silizium als thermoelektrischer Werkstoff gegenwärtig noch wenig attraktiv. Die thermische Leitfähigkeit wirkt sich direkt auf die Gütezahl Z, mit der man die thermoelektrischen Eigenschaften von Materialien beschreibt, nachteilig aus. Z = (α² σ) / κ; α: Seebeck-Koeffizient, σ: elektrische Leitfähigkeit, κ: thermische Leitfähigkeit. Neuere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass es möglich ist, κ drastisch zu reduzieren, wenn man Silizium in Nanodrähte strukturiert. Das Konzept der Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit wird hier auf der Basis von lithographisch erzeugten Feldern von Nanosäulen umgesetzt. In diesem Beitrag wird die Herstellung von Silizium-Nanosäulen mittels ICP-Kryo-Trockenätzen und nachfolgender thermischer Oxidation beschrieben. Bei Durchmessern bis hinab auf weniger als 200 nm werden Aspektverhältnisse von mehr als 50 erreicht. An einzelnen Säulen durchgeführte Messungen der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, sowie der Seebeck-Spannung werden vorgestellt.