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Wie Rekord-Thermoelektrikum Wärme in Strom wandelt

Eisen-Antimonid (FeSb2) ist nach Angaben der Wissenschafter Weltrekordhalter unter den Thermoelektrika. In keinem anderen Material ist die Kopplung von Elektrizität und Temperaturunterschieden so stark. Warum die sogenannte Thermopower von Eisen-Antimonid so hoch ist, war bisher ein Rätsel. Zudem sollte nach den bisherigen Theorien über Thermoelektrizität der Effekt in dem Material eigentlich viel kleiner sein.

Kollektive Schwingungen der Atome

Mit quantenphysikalischen Computersimulationen haben die Wissenschafter um Karsten Held vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien das Material analysiert. Sie zeigten dabei, dass die hohe Thermopower von Eisen-Antimonid einerseits an kleinen Unregelmäßigkeiten im Material liegt, etwa zusätzliche Eisen-Atome.

Durch diese entstehen neue erlaubte Energie-Zustände in dem Material, was dazu führt, dass sich mehr Elektronen frei bewegen können und Strom fließen kann. Ein weiterer Grund für die guten thermoelektrischen Eigenschaften des Materials liegt in kollektiven Schwingungen der Atome, die die Elektronen mit sich reißen.

Für die Rückgewinnung von Energie aus Abwärme eignet sich Eisen-Antimonid nicht besonders gut, da es seine höchste Thermopower bei sehr niedrigen Temperaturen (rund 20 Kelvin, minus 253 Grad Celsius) hat. "Nachdem wir den Mechanismus nun verstanden haben, ist die Hoffnung, auch in anderen Materialien ähnlich hohe Thermopower zu bekommen", sagte Held gegenüber der APA.

Der thermoelektrische Effekt funktioniert aber auch umgekehrt: Mit dem geeigneten Material kann man durch elektrischen Strom Temperaturunterschiede erzeugen und somit kühlen - ganz ohne Kühlflüssigkeit und Pumpen wie im Kühlschrank. Dafür würde sich Eisen-Antimonid gut eignen.

Service: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.236603

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