Advancing the understanding of the microstructure-property relationship in non-toxic and cost-effective thermoelectric Heusler compounds

• Verbesserung des Verständnisses des Mikrostruktur-Eigenschafts-Verhältnis bei nicht-toxischen und kostengünstigen thermoelektrischen Heusler-Verbindungen

Gomell, Leonie Marie; Raabe, Dierk (Thesis advisor); Scheu, Christina (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Thermoelektrizität beschreibt die direkte Umwandlung eines Temperaturgradientens in elektrische Spannung und umgekehrt. Thermoelektrische Generatoren können zu einer nachhaltigen Energieerzeugung beitragen, wenn diese Abwärme aufbereiten. Nachhaltigkeit wird allerdings nur erreicht, wenn ungiftige, günstige, und effiziente Materialien verwendet werden. Aufgrund der geringen Produktionskosten und Atoxizität stellt Fe2VAl ein Beispiel für eine vielversprechende thermoelektrische Legierung dar. Allerdings ist die Wärmeleitfähigkeit dieses Materials für eine effiziente Energieumwandlung zu hoch und mikrostrukturelle Streuzentren sind nötig, um den Wärmetransport zu verringern. Zur Effizienzerhöhung müssen daher "perfekte" Streuzentren gefunden werden, die Phononen effektiv streuen, während Elektronen nicht oder nur wenig beeinflusst werden. Solche Streuzentren sind Punktdefekte, Versetzungen oder Korngrenzen, deren Einfluss auf den Phononen- und Elektronentransport abhängig von der Dichte, der chemischen Zusammensetzung und der Struktur dieser Defekte ist. Daher besteht die Motivation dieser Arbeit darin, die vielfältigen und größtenteils unbekannten Einflüsse der Defekte auf die thermische und elektrische Leitfähigkeit systematisch auszuarbeiten. Die Mikrostruktur hängt von der Syntheseart ab, wobei schnelles Abschrecken zu einer defekt-reichen Mikrostruktur führt. Daher wurden zwei Methoden ausgewählt, die sich durch ihre schnelle Abschreckrate auszeichnen: Schmelzspinnen und Laserumschmelzen. Beim Laserumschmelzen lassen sich die Erstarrungsbedingungen durch die Änderung der verwendeten Laser-Parameter beeinflussen, wodurch die Mikrostruktur und damit die Eigenschaften manipuliert werden können. Zum Beispiel verändert die Lasergeschwindigkeit die Korngröße, während die Atmosphäre in der Aufschmelzkammer die Defektzusammensetzung beeinflussen kann. Verschiedene moderne Mikroskopiemethoden müssen kombiniert werden um relevante Informationen über die Mikrostruktur (und damit über Versetzungen, Ausscheidungen und Korngrenzen) auf Längenskalen von der Nanometer- bis zur Millimeterebene zu erhalten. Dazu gehören unter anderem die Visualisierung der Defektverteilung und -dichte durch Elektronenmikroskopie und die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Defekte durch Atomsondentomographie. Anschließend können die so gewonnenen mikrostrukturellen Erkenntnisse mit lokalen Messungen der thermischen und elektrischen Transporteigenschaften kombiniert werden.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Werkstoffphysik und Institut für Metallkunde und Materialphysik [523110]