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Thermoelectric Properties of Bi1-xSbx Nanowires Electrodeposited in Etched Ion-Track Membranes

Cassinelli, Marco :
Thermoelectric Properties of Bi1-xSbx Nanowires Electrodeposited in Etched Ion-Track Membranes.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Thermoelectric Properties of Bi1-xSbx Nanowires Electrodeposited in Etched Ion-Track Membranes
Language: English
Abstract:

The unique properties exhibited by bismuth antimony (Bi1-xSbx) nanostructures and the theoretical predictions on their enhanced thermoelectric efficiency two decades ago triggered the development of a wide variety of growth and characterization methods aiming at measuring the thermoelectric properties of Bi1-xSbx nanowires. However, the experimental demonstration of a size-dependent thermoelectric efficiency is still challenged by the difficulties to fabricate well-defined nanowire systems and to achieve reliable and stable electrical and thermal contacts. In this work, Bi1-xSbx nanowire arrays with controlled wire composition (0 ≤ x ≤ 1) and diameter (from ~ 750 to ~ 40 nm) were synthesized by pulsed electrodeposition in etched ion-track membranes. The thermoelectric properties of Bi1-xSbx are strongly influenced by the anisotropic structure of the material. Thus, special consideration was taken in studying the influence of the electrodeposition conditions on the crystallographic orientation and composition of the wires for various diameters. To characterize the wires several methods were applied, including X-ray diffraction and both scanning (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). Using such pre-characterized Bi1-xSbx nanowires, measurements of the Seebeck coefficient and electrical resistance were performed in the temperature between 300 and 20 K and for a systematic variation of the composition and diameter of the wires. The Seebeck coefficient values show a non-monotonic behavior when decreasing the wire diameter, which is explained by taking into account the existence of surface states as well as quantum- and finite-size effects. Finally, the chemical and thermal stability of the Bi1-xSbx nanowires was investigated in air both at room and moderate temperatures, revealing the rapid formation of a metal oxide phase. The oxidation process causes an increase of the nanowires surface roughness at low annealing temperatures, and the formation of protuberances at 250°C. Our results on oxidation explain the diverse and high resistance values available in literature and the difficulties to electrically contact single Bi1-xSbx nanowires reported by other group.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die einzigartigen Eigenschaften von Bismut-Antimon (Bi1-xSbx) Nanostrukturen und die theoretische Vorhersagen über ihre verbesserte Thermoeffizienz lösten vor zwei Jahrzehnten die Entwicklung einer Vielzahl von Synthese und Charakterisierungsmethoden aus, die auf die Messungen der thermoelektrische Eigenschaften von Bi1-xSbx Nanodrähten abzielten. Dennoch ist die experimentelle Demonstration einer größenabhängigen Thermoeffizienz noch nicht aufgezeigt worden. Die Schwierigkeiten beruhen auf der Herstellung von gut definierten Nanodraht-Systemen und der Realisierung von zuverlässigen und stabilen elektrischen und thermischen Kontakten. In dieser Arbeit wurden Bi1-xSbx Nanodraht- Arrays mit kontrollierter chemischer Zusammensetzung (0 ≤ x ≤ 1) und Durchmessern (von ~ 750 bis ~ 40 nm) durch gepulste galvanische Abscheidung in geätzten Ionenspurmembranen synthetisiert. Die thermoelektrischen Eigenschaften von Bi1-xSbx Materialen werden stark durch die anisotrope Struktur beeinflusst. Aus diesem Grund wurde besondere Aufmerksamkeit bei der Untersuchung des Einflusses der Abscheidebedingungen auf die Kristallorientierung und Zusammensetzung der Drähte für verschiedene Durchmesser gelegt. Zur Charakterisierung der Nanodrähten wurden unterschiedliche Methoden angewandt, einschließlich Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Systematische Messungen des Seebeck-Koeffizienten und des elektrischen Widerstands von vorab charakterisierten Bi1-xSbx Nanodrähten unterschiedlicher Zusammensetzung und Durchmessern wurde im Temperaturbereich zwischen 300 und 20 K durchgeführt. Für abnehmende Drahtdurchmesser sind die Seebeck-Koeffizienten nicht-monoton. Dieses Verhalten ist durch den Einfluss von Oberflächenzuständen sowie Quanten- und klassische-Größen Effekte erklärbar. Schließlich wurde die chemische und thermische Stabilität der Bi1-xSbx Nanodrähte in Luft sowohl bei Raum- und bei mäßigen Temperaturen untersucht. Nach der Temperaturbehandlung zeigen die Nanodrähte die rasche Bildung einer Metalloxidphase. Der Oxidationsprozess führt bereits bei niedrigen Temperaturen zu einem Anstieg der Oberflächenrauigkeit und zur Bildung von Protuberanzen bei 250° C. Diese Ergebnisse zur Oxidation erklären die häufig in der Literatur berichteten hohen Widerstandswerte und die Schwierigkeiten, einzelne Bi1-xSbx Nanodrähte elektrisch zu kontaktieren.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Thermoelectric Nanowires Bismuth Antimony Seebeck Thermopower Raman Resistance Annealing Pulsed Potentiostatic TEM SEM Electrodeposition
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
Date Deposited: 01 Jul 2016 10:08
Last Modified: 01 Jul 2016 10:08
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-55440
Referees: Trautmann, Prof. Dr. Christina and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 15 June 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5544
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