Elektronen- und Phononentransport über Oxid-Grenzflächen
Grenzflächen zwischen zwei Materialien stellen ein Schlüsselelement für viele Energiekonversionsprozesse dar. Ausgehend von einer detaillierten chemischen und strukturellen Analyse der Grenzflächen mittels TEM untersuchen wir den elektrischen und den Wärmetransport über solche Strukturen. Dabei können sehr unterschiedliche Materialien involviert sein, z.B. zwei komplexe Oxide oder Materialien mit intrinischen Schichtstrukturen, wie z.B. das Co3Ca4O9. Thermoelektrische Anwendungen - die Umwandlung von Wärme in elektrische Leistung - erfordern eine Kombination von hoher elektrischer und geringer thermischer Leitfähigkeit. Auch hier ist das Design von geschichteten Strukturen eine vielverssprechende Strategie.

   

Widerstandsmessungen senkrecht zu einer Schichtstruktur: Die Bilder links und in der Mitte zeigen die Seiten- bzw. Aufsicht auf eine mittels fokussierten Ionenätzens präparierten Messstruktur. Die Widerstandsmessung erfolgt zwischen der unteren Elektrode (Pt) und der Oberelektrode (FIB-Pt), wobei letztere mit einer Mikronadel elektrisch kontaktiert wird. Zum Vergleich: Eine analoge Messanordnung im Transmissionselektronenmikroskop, wobei die Oberelektrode durch eine STM-Spitze kontaktiert wird. (Bilder: Malte Scherff und Thilo Kramer).

 

Die Messung der thermischen Leitfähigkeit k von dünnen Filmen ist recht kompliziert. Bewährt hat sich die sogenannte 3w-Methode (links). Das Messprinzip basiert darauf, dass ein auf dem Film aufgebrachter Heizsensor durch die Joule‘sche Wärme seine Temperatur und damit seinen Widerstand ändert. Diese Temperaturänderung hängt aber davon ab, wie gut Film und Substrat die Wärme abführen, wie groß also deren thermische Leitfähigkeit ist. Das rechte Bild zeigt, wie sich die thermische Leitfähigkeit verringert, wenn man in geschichteten Strukturen - hier Lagen aus Pr0.65Ca0.35MnO3 und SrTiO3 - immer mehr Grenzflächen einfügt. Die Einzellagendicken und die Lagenanzahl wurden hier gewählt, dass die Gesamtvolumen der beiden Komponenten gleich bleiben (Bilder: Patrick Thiessen).

Aktuelles Forschungsvorhaben:
DFG-gefördertes Projekt “ Epitaktische MOCVD-Abscheidung thermoelektrischer Materialfilme und Bestimmung der thermoelektrischen Kenndaten inclusive thermischer Leitfähigkeit”. Kooperationspartner ist dabei die AG Schulz, Universität Duisburg-Essen.

Aktuelle Veröffentlichungen:

· M. Scherff, J. Hoffmann, B. Meyer, Th. Danz and Ch. Jooss, Interplay of cross-plane polaronic transport and resistive switching in Pt-Pr0.67Ca0.33MnO3-Pt heterostructures; New J. Phys. 15 (2013) 103008

· L. Wu, Q. Meng, Ch. Jooss, J.-C. Zheng, H. Inada, D. Su, Q. Li, and Y. Zhu, Origin of “Phonon Glass –Electron Crystal” behavior in Thermoelectric Layered Cobaltate; Adv. Funct. Mater.  23, 5728–5736, 2013