TU Darmstadt / ULB / TUprints

Bi and Sb Nanowire Assemblies for Thermoelectric Applications

Wagner, Michael Florian Peter :
Bi and Sb Nanowire Assemblies for Thermoelectric Applications.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

[img]
Preview
Text
Diss Wagner v01.pdf - Accepted Version
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commerical, No-derivatives.

Download (78MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Bi and Sb Nanowire Assemblies for Thermoelectric Applications
Language: English
Abstract:

This thesis presents the fabrication and characterization of Bi(1-x)Sb(x) nanowire assemblies with wellcontrolled and systematically adjusted wire diameter, composition, and vertical or tilted geometrical alignment. The nanowire assemblies were fabricated by means of ion-track technology combining chemical etching of ion-irradiated polymer membranes with electrodeposition of Bi and Sb into track-etched nanochannels. By systematic variation of the etching and deposition conditions, including pulsed potential parameters and surfactant concentration in the electrolyte, the fabrication process was optimized yielding homogeneously grown, uniform nanowire assemblies and networks. The influence of the deposition parameters on morphology and crystalline structure of the resulting Bi, Sb and Bi(1-x)Sb(x) nanowires and networks was investigated by means of X-ray diffraction, high resolution transmission and scanning electron microscopy. Seebeck coefficient and electrical resistance of the nanowire assemblies were investigated in detail as a function of nanowire diameter and temperature. The results confirm the p- and n-type behavior of the Sb and Bi nanowires and provide evidence of the influence of size effects on the thermoelectric transport properties. In addition, a method to measure all relevant thermoelectrical cross-plane properties to deduce the thermoelectric efficiency of a given nanowire assembly was developed. This includes the measurement of the electrical and thermal conductivity as well as the Seebeck coefficient of a nanowire assembly. Finally, more complex nanowire systems were fabricated by combining ion-track nanotechnology and microtechnology to prepare thermocouples formed by Sb and Bi nanowire arrays. These three-dimensional nanowire assemblies of parallel or interconnected nanowires with adjustable diameter and density, embedded in polymer templates, are of great interest for future implementation as e.g. flexible infrared sensors.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit präsentiert die Herstellung und Charakterisierung von Bi(1-x)Sb(x) Nanodraht-Gruppen, mit vertikaler oder geneigter geometrischer Anordnung, deren Drahtdurchmesser und Zusammensetzung systematisch und kontrolliert eingestellt wurden. Die Nanodraht-Gruppen wurden mit Hilfe von Ionen-Spur Technology hergestellt, bei der Bi und Sb durch galvanische Abscheidung in die Nanokanäle einer mit Ionen bestrahlten und anschließend chemisch geätzten Polymer Folie abgeschieden wurden. Durch die systematische Variation der Ätz- und Abscheidungsbedingungen, einschließlich gepulster Potentiale und Tensid Konzentrationen im Elektrolyten, wurde der Herstellungsprozess optimiert, sodass homogene und einheitliche gewachsene Nanodraht-Gruppen hergestellt werden konnten. Der Einfluss der Abscheide Parameter auf Morphologie und Kristallstruktur der resultierenden Bi, Sb und Bi(1-x)Sb(x) Nanodraht-Gruppen wurde mittels Röntgenbeugung, sowie hochauflösender Transmission und Rasterelektronen Mikroskopie untersucht. Der Seebeck-Koeffizient und der elektrische Widerstand der Nanodraht-Gruppen wurden detailliert als Funktion der Temperatur und des Nanodraht Durchmessers bestimmt. Die Ergebnisse bestätigen das p- und n-Typ-Verhalten der Sb- und Bi-Nanodrähte und belegen den Einfluss von Größeneffekten auf die thermoelektrischen Transporteigenschaften. Darüber hinaus wurde eine Methode zur Messung aller relevanten thermoelektrischen Eigenschaften entwickelt, um den thermoelektrischen Wirkungsgrad einer gegebenen Nanodraht-Gruppe zu bestimmen. Dazu gehören die Messung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie des Seebeck-Koeffizient der Nanodraht-Gruppe. Zu guter letzt wurden komplexere Nanodraht-Gruppen durch Kombination von Ionenspur-Nanotechnologie und Mikrotechnologie hergestellt, um Thermoelemente die durch Sb- und Bi-Nanodraht-Arrays gebildet werden, herzustellen. Diese dreidimensionalen Nanodrahtanordnungen von parallelen oder miteinander verbundenen Nanodrähten mit einstellbarem Draht-Durchmesser und Dichte, eingebettet in Polymerschablonen, sind von großem Interesse für die zukünftige Implementierung als z.B. flexiblen Infrarotsensoren.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Ion-Beam-Modified Materials
Date Deposited: 10 Oct 2018 06:54
Last Modified: 10 Oct 2018 06:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-80631
Referees: Trautmann, Prof. Dr. Christina and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 24 August 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8063
Export:

Downloads

Downloads per month over past year

Actions (login required)
View Item View Item