de.wedoany.com-Bericht: Einem Forschungsteam des Tokyo Institute of Science (Science Tokyo) ist die Entwicklung eines neuartigen geschichteten Kristalls TlFe1,6Se2 gelungen. Durch die Einbettung atomar dünner FeSe-Schichten in einen Volumenkristall erreicht das Material gleichzeitig einen hohen thermoelektrischen Leistungsfaktor und eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit, was neue Wege für das Design thermoelektrischer Materialien eröffnet.
Die Thermoelektrik nutzt Temperaturunterschiede an den Enden eines Materials zur Stromerzeugung und eignet sich für die Abwärmerückgewinnung in Fabriken, Fahrzeugen und Kraftwerken. Für eine hohe Stromerzeugungsleistung muss das Material sowohl eine effiziente thermoelektrische Umwandlung als auch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit zur Aufrechterhaltung des Temperaturunterschieds bieten – beides ist in der Regel schwer gleichzeitig zu erreichen. Supraleiter werden aufgrund ihrer schlechten thermoelektrischen Eigenschaften selten in der Thermoelektrik eingesetzt, jedoch zeigen atomar dünne Eisen(II)-selenid (FeSe)-Dünnschichten einen ungewöhnlich hohen thermoelektrischen Leistungsfaktor. Allerdings wird diese Leistung nur in ultradünnen Schichten erzielt, und die Wärmeleitfähigkeit von Volumen-FeSe ist relativ hoch, was seine praktische Anwendung einschränkt.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelte ein von Professor Takayoshi Katase vom Labor für Materialien und Strukturen geleitetes Forschungsteam den thalliumhaltigen (Tl) geschichteten Kristall TlFe1,6Se2. In diesem Kristall werden atomar dünne FeSe-Schichten zusammen mit geordneten Eisenleerstellen periodisch in einen Volumenkristall eingebettet, um den hohen thermoelektrischen Leistungsfaktor der FeSe-Schichten mit der durch die Eisenleerstellen eingebrachten niedrigen Wärmeleitfähigkeit zu kombinieren. Die Studie wurde am 30. April 2026 online veröffentlicht und am 23. Juni 2026 im Journal of Materials Chemistry A, Band 14, Ausgabe 37, publiziert.
Die Forschung zeigt, dass TlFe1,6Se2 zwei wesentliche Vorteile bietet. Erstens erzeugt die eingebettete FeSe-Atomlage einen thermoelektrischen Leistungsfaktor, der deutlich höher ist als der von herkömmlichem Volumen-FeSe, was hauptsächlich auf einen signifikant erhöhten Seebeck-Koeffizienten zurückzuführen ist. Dies deutet darauf hin, dass die elektronischen Eigenschaften des atomar dünnen FeSe in den Volumenkristall integriert werden können. Zweitens weist das Material eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit auf, da die in der FeSe-Schicht natürlich vorkommenden Eisenleerstellen die Atombindungen verzerren und wärmetragende Phononen streuen. Professor Katase ergänzte, dass der Einbau schwerer Tl-Atome und die komplexe Schichtstruktur die Phononengeschwindigkeit weiter verringern und die Streuung verstärken.
Bei etwa 180 °C durchläuft das Material einen reversiblen Übergang von einer geordneten Eisenleerstellenphase zu einer ungeordneten Phase. Dieser Übergang verstärkt die Phononenstreuung und senkt die Wärmeleitfähigkeit auf etwa 0,2 W m-1 K-1, vergleichbar mit den modernsten thermoelektrischen Materialien. In der geordneten Eisenleerstellenphase übersteigt der Seebeck-Koeffizient 100 μV K-1, und der thermoelektrische Leistungsfaktor ist etwa fünfmal so hoch wie in der ungeordneten Phase. Die Forscher führen dies auf Veränderungen der elektronischen Struktur im Zusammenhang mit der geordneten Anordnung der Leerstellen zurück.
Die Forscher sind der Ansicht, dass dieser Ansatz – die Kombination des hohen thermoelektrischen Leistungsfaktors atomar dünner Materialien mit der durch geordnete Eisenleerstellen eingebrachten extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit – neue Richtungen für das Design thermoelektrischer Materialien eröffnet. Professor Katase erklärte, dass dieses Designkonzept die Wirksamkeit der Einbettung niedrigdimensionaler Materialfunktionen in Volumenkristalle belege und dazu beitragen könne, den traditionellen Zielkonflikt zwischen elektrischen und thermischen Transporteigenschaften zu überwinden. Dieser Ansatz lässt sich auch auf FeSe-Verbindungen mit Kalium, Rubidium oder Cäsium ausweiten, die ebenfalls FeSe-Schichten und einstellbare Eisenleerstellenkonzentrationen enthalten und vielversprechende Plattformen zur Optimierung der thermoelektrischen Leistung darstellen.
