Eisen-Antimonid

Geheimnis des Weltrekordmaterials gelüftet

Eisen-Antimonid kann Temperatur- und Spannungsunterschiede ineinander umwandeln. Warum das in diesem Material so extrem gut klappt, konnten Rechnungen an der TU Wien nun erstmals erklären.

Ein zusätzliches Eisenatom (unten rechts) ändert die Eigenschaften des Materials. (Bild: TU Wien)

Maschinen erzeugen Abwärme, also ungenutzte, verlorene Energie. Mit speziellen Materialien kann man einen Teil dieser Energie allerdings wieder zurückgewinnen. Sogenannte „Thermoelektrika“ können Temperaturunterschiede, etwa zwischen einem heißen Motor und der kühlen Umgebungsluft, in elektrische Energie umwandeln.

Auch der umgekehrte Vorgang ist möglich: Mit den passenden Materialien kann man durch elektrischen Strom Temperaturunterschiede erzeugen und somit einen Kühleffekt erreichen – ganz ohne Kühlflüssigkeit und Pumpen, wie sie in unseren heutigen Kühlschränken eingebaut sind.

Eisen-Antimonid ist Weltrekordhalter unter den Thermoelektrika, in keinem anderen Material ist die Kopplung von Elektrizität und Temperaturunterschieden, der thermoelektrische Powerfaktor, so stark. Warum das so ist, war bisher ein Rätsel – an der TU Wien fand man nun aber die Erklärung: Der extreme thermoelektrische Effekt in Eisen-Antimonid liegt einerseits in kleinen Unregelmäßigkeiten im Material und andererseits an kollektiven Schwingungen der Atome, die die Elektronen mit sich reißen.

Von links: Marco Battiato, Karsten Held, Jan Tomczak. (Bild: TU Wien)

Quantensimulationen am Computer
Ob ein Material thermoelektrische Effekte zeigt oder nicht, kann das Team von Prof. Karsten Held am Institut für Festkörperphysik der TU Wien mit quantenphysikalischen Computersimulationen berechnen. „Nach herkömmlichen Theorien über Thermoelektrizität müsste der Effekt in Eisen-Antimonid eigentlich viel kleiner sein“, sagt Jan Tomczak (TU Wien). Man analysierte das Material daher genauer und entdeckte Erstaunliches.

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Elektronen können in einem Material nicht völlig beliebige Energien annehmen. Man unterscheidet zwischen einem niederen Energiebereich, in dem die Elektronen an bestimmte Atome gebunden sind, und Elektronen in einem höheren Energiebereich, die sich frei bewegen und somit zum elektrischen Strom beitragen können. „Unsere Berechnungen zeigen, dass kleine Unregelmäßigkeiten im Eisen-Antimonid, etwa zusätzliche Eisen-Atome, einen Einfluss darauf haben, welche Energien physikalisch erlaubt sind“, erklärt Marco Battiato (TU Wien). Durch diese Unregelmäßigkeiten entstehen neue erlaubte Zustände in dem Energiebereich, der sonst verboten wäre.

„Diese Elektronenzustände wiederum haben eine wichtige Eigenschaft“, sagt Karsten Held, „sie koppeln an Vibrationen der Atome, an sogenannte Phononen. Dort wo es warm ist, sind diese Schwingungen stärker als in kälteren Bereichen, und dadurch tragen die Vibrationen zum elektrischen Strom bei.“ Man kann sich die Elektronen so ähnlich vorstellen wie kleine Kugeln, die sich auf einem gespannten Tuch bewegen. Wenn man das Tuch auf einer Seite rüttelt, nehmen die Kugeln diese Energie auf und bewegen sich auf die andere Seite.

Die Atome im Festkörper verhalten sich so ähnlich wie kleine Kügelchen auf einem Tuch. Wenn auf einer Seite gerüttelt wird, bewegen sich die Teilchen eher auf die andere Seite. (Bild: TU Wien)

Weiterhin viel zu tun
Für die Rückgewinnung von Energie aus Abwärme ist Eisen-Antimonid nicht gut geeignet, denn besonders hohe thermoelektrische Eigenschaften zeigt es bei sehr niedrigen Temperaturen. Man könnte es allerdings für neue Kühl-Technologien nutzen. Ähnliche Mechanismen wie die Entstehung zusätzlicher Energiezustände und der Elektronentransport durch Schwingungen in Eisen-Antimonid könnten auch in anderen Materialien eine Rolle spielen – man wird sie in Zukunft bei der Forschung an Thermoelektrika jedenfalls mitberücksichtigen müssen.

Für eine kommerzielle Anwendung muss auch die Wärmeleitfähigkeit reduziert werden, beispielsweise durch Nanostrukturierung. Demnächst wird das Team genauer untersuchen, welches Ausmaß an Unregelmäßigkeiten im Material das größte Maß an Thermoelektrizität erzeugt.

Rückfragehinweis:
Prof. Karsten Held
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8
karsten.held@tuwien.ac.at

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