Pulsed Electrodeposited p- and n-Doped Chalcogenide Semiconductors for Thermoelectric Applications: From Films to Nanowires

Abstract

In this work, a comprehensive study of thermoelectric chalcogenide materials is presented and the systematic optimization of n-type Bi2Te3, p-type Sb2Te3 and their ternary compounds is performed. Thermoelectric films and nanowires are synthesized by potentiostatic electrodeposition on Au/Pt, stainless steel substrates and in AAO membranes. The influence of the preparative parameters such as the composition of the electrolyte bath and the deposition potential is investigated in a nitric acid solution. A novel deposition method is developed using millisecond potentiostatic pulses, which improves both the morphology and the composition of the material. As a post-deposition step, the influence of annealing is investigated. The optimized p-doped (BixSb1-x)2Te3 and the n-doped Bi2(TexSe1-x)3 materials are annealed for a period of about 1 h under helium atmosphere and also under tellurium atmosphere at 550 K for 60 h. The samples are characterized in terms of composition, crystallinity, Seebeck coefficient, thermal and electrical resistivity. p-Doped pulsed deposited films exhibit Seebeck coefficients up to approximately +160 V K^-1 (Sb2Te3) and +208 VK^-1 ((BixSb1^-x)2Te3). For the n-doped films, approximately -100 VK^-1 (Bi2Te3) and -130 VK^-1 (Bi2(TexSe1-x)3) are achieved. Power factors and ZT values of up to 1325 Wm^-1K^-2 (ZT 0.4) and 825 Wm^-1K^-2 (ZT 0.25) are realized at room temperature.

In der vorliegenden Arbeit wird eine systematische Studie ueber die Herstellung thermoelektrischer Chalkogenid-Materialien mittels elektrochemischer Abscheidung praesentiert. Dabei wird die Fabrikation von sowohl n-, als auch p-dotierten Halbleitern auf Bi2Te3-Basis auf Au/Pt, sowie Stahlsubstraten und in poroese AAO Membranen untersucht. Die abgeschiedenen Materialien in Form von Filmen und Nanowires werden dabei hinsichtlich Ihrer thermoelektrischen Eigenschaften, wie Seebeck Koeffizient, sowie elektrische und thermische Leitfaehigkeit hin optimiert. Dabei wird der Einfluss von Parametern wie der Zusammensetzung des verwendeten Elektrolytbades, des verwendeten Abscheidepotentiales, sowie der elektrochemischen Abscheidemethode (DC, konstant) untersucht. Die optimierte gepulste Abscheidung im Millisekundenbereich fuehrt dabei zu einer deutlichen Verbesserung hinsichtlich Morphologie und Zusammensetzung der abgeschiedenen Materialien. Wesentliche Verbesserungen der thermoelektrischen Eigenschaften koennen zudem durch optimierte thermische Behandlung der abgeschiedenen Schichten erreicht werden. Dabei werden die elektrochemisch abgeschiedenen Schichten unter He oder Te Atmosphaere bei ca. 550 K ueber einen Zeitraum von bis zu 60 h annealt. Die Proben werden hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, Kristallinitaet und Transportparameter hin charakterisiert und die thermoelektrische Leistungsfaehigkeit bestimmt. P-dotierte Filme erreichen dabei Seebeck Koeffizienten von ca. +160 V K^-1 (Sb2Te3) und +208 V K^-1 ((BixSb1-x)2Te3) - n-dotierte Materialien -100 VK^-1 (Bi2Te3) and -130 VK^-1 (Bi2(TexSe1-x)3). Power Faktoren und ZT Werte von bis zu 1325 Wm^-1K^-2 (ZT 0.4) und 825 Wm^-1K^-2 (ZT 0.25) werden dabei erreicht.