Efficient Thermoelectrics Based on Silicon Nanomeshes

Thermoelectric devices convert heat flow into useful electrical power. They are characterized by the figure of merit ZT, which is around unity for some of the best thermoelectric bulk materials such as bismuth telluride (Bi₂Te₃) and lead telluride (Pb₂Te₃). Efficiency of these thermoelectrics, however, is still too low to enable wide spread use in energy harvesting and cooling applications. Another problem of these materials is the rareness of Te. Nanostructures, on the other hand, provide the opportunity to design the properties of materials such that high thermoelectric performance can be achieved. This is also feasible for abundant, cost effective, and even poor thermoelectric starting materials such as silicon with a ZT value of around 0.01. A ZT value around one was already demonstrated for Si-based nanocomposites, 1D nanowires, and 2D superlattices. A novel nanostructure proposed recently is the Si nanomesh, also known as nano-porous Si. This structure benefits from well established and less expensive fabrication processes.

In this project, we theoretically investigate thermoelectric transport in Si-based nanomeshes. An optimized thermoelectric material needs to have low thermal and high electrical conductivity. Important tasks of the project are, therefore, the analysis of i) the electronic and phononic bandstructures, and ii) the electron and phonon transport properties in nanomeshes. Geometries with feature sizes from a few hundred down to a few nanometers are considered. Accordingly, we employ k∙p models on the continuum level and the tight-binding model sp³d⁵s^* on the atomistic level for electronic bandstructure calculation. For the phonon bandstructures we also employ both continuum methods and the atomistic valence-force-field method. For electronic transport we resort to both semiclassical (Boltzmann transport) and quantum mechanical (non-equilibrium Green’s functions) approaches, for phonon transport to diffusive as well as coherent methods depending on the device length scales. We investigate design concepts for the electronic and phononic properties of these artificial lattices to maximize thermoelectric efficiency. In particular, we address fundamental open questions such as: i) The possibility of relaxing the usual interdependence of the Seebeck coefficient and the electrical conductivity that limits the power factor, ii) Development of understanding towards electronic bandstructure engineering in nanomeshes, iii) Possible ways to engineer energy bands to alter the density of states by proper filling of the pores of the nanomeshes to improve performance, and iv) Design directions of the phonon modes of the nanomesh using the “phononic crystal” concept for drastically reducing the thermal conductivity. An expected outcome is to theoretically demonstrate designs that will achieve ZT > 3 in a large range of operating temperatures, a value required to enable broad, economic application.

Thermoelektrische Elemente wandeln einen Wärmestrom in nutzbare, elektrische Leistung um. Diese werden durch die Gütezahl ZT charakterisiert, welche für die besten bekannten thermoelektrischen Materialien wie Bismuttellurid (Bi₂Te₃) und Bleitellurid (Pb₂Te₃)  einen Wert von etwa eins erreicht. Der Wirkungsgrad dieser Thermoelektrika ist jedoch immer noch zu niedrig um eine breite Anwendung bei der Verwertung von Abwärme oder bei Kühlprozessen zu ermöglichen. Weitere Nachteile dieser Materialien sind das äußerst seltene Vorkommen von Te. Andererseits bieten Nanostrukturen die Möglichkeit, gewisse Materialeigenschaften gezielt einzustellen, sodass auf diese Weise gute thermoelektrische Eigenschaften erreicht werden können. Dafür können auch leicht verfügbare, preiswerte Ausgangsmaterialien mit ungünstigen thermoelektrischen Eigenschaften verwendet werden, wie etwa Silizium mit einem ZT Wert von nur 0.01. Für Si-basierte Verbundstrukturen, 1D Quantendrähte und 2D Übergitter wurden bereits ZT Werte nahe eins nachgewiesen. Eine kürzlich vorgeschlagene, neue Nanostruktur ist nano-poröses Si, auch als Si-Nanogitter bezeichnet. Ein wesentlicher Vorteil dieser Nanostruktur liegt im Vorhandensein von etablierten und kosteneffektiven Herstellungsprozessen.
In diesem Projekt werden die thermoelektrischen Transporteigenschaften von Si-Nanogittern theoretisch untersucht. Ein gutes thermoelektrisches Material soll eine geringe thermische und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Wichtige Aufgaben in diesem Projekt sind daher die Untersuchung von i) der elektronischen und phononischen Bandstrukturen und ii) der elektronischen und phononischen Transporteigenschaften von Si-Nanogittern. Es werden Geometrien mit charakteristischen Abmessungen im Bereich von wenigen 100nm bis zu wenigen Nanometern untersucht. Entsprechend den Abmessungen werden entweder k∙p Modelle für eine Kontinuumsbeschreibung oder das tight-binding Modell sp³d⁵s^*  für eine atomistische Beschreibung der elektronischen Bandstruktur verwendet. Für die Berechnung der phononischen Bandstruktur werden ebenfalls Kontinuummodelle und die atomistische "valence-force-field" Methode verwendet. Die Beschreibung des elektronischen Transports erfolgt semiklassisch durch die Boltzmanngleichung oder quantenmechanisch durch Nichtgleichgewichts-Greensche Funktionen. Der Phononentransport wird, abhängig von den charakteristischen Abmessungen, durch diffusive oder kohärente Methoden beschrieben. Die elektronischen und phononischen Eigenschaften von Si-Nanogittern werden mit dem Ziel untersucht, Entwurfskonzepte zur Optimierung des thermoelektrischen Wirkungsgrads zu entwickeln. In Speziellen werden folgende offenen Fragestellungen untersucht: i) Abschwächung der gegenseitigen Abhängigkeit von Seebeckkoeffizient und elektrischer Leitfähigkeit, da diese hauptverantwortlich für die Begrenzung des ZT Wertes ist; ii) Verständnis und gezielte Beeinflussung der elektronischen Bandstruktur von Nanogittern iii) Gezielte Beeinflussung der elektronischen Bandstruktur und der Zustandsdichte durch Auffüllen der Poren von Nanogittern mit geeigneten Materialien; iv) Untersuchung, wie weit mit dem Konzept des phononischen Kristalls die thermische Leitfähigkeit gesenkt werden kann. Ein Ziel dieses Projekts ist der theoretische Nachweis von Maßnahmen, mit denen mit Si-basierten thermoelektrischen Konvertern ein Wert ZT > 3 erreicht werden kann. Dieser Wert wäre für eine breite, wirtschaftliche Anwendung erforderlich.