Thermoelektrische und photovoltaische Effekte in Metall-Halbleiter Multilagenstrukturen

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Kyarad, Amir

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Date of publication of this fulltext: 04 Oct 2007 12:09

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In einem anisotropen Material sind der Wärmefluss und das daraus resultierende thermoelektrische Feld im Allgemeinen nicht kollinear. Erwärmung einer dünnen Schicht führt deshalb zu transversal thermoelektrischen Spannungen: Wärme, die an der Oberfläche durch Lichtabsorption erzeugt wird, fließt senkrecht zur Probenoberfläche zum Substrat. Aufgrund der Anisotropie wird eine thermoelektrische Feldkomponente parallel zur Probenoberfläche erzeugt, die zu einer transversal thermoelektrischen Spannung führt.
Thermoelektrische Spannungen transversal zum Temperaturgradienten wurden in verkippte metallische Multilagenstrukturen beobachtet. Konstantan/Chromel/Konstantan... Multilagenstrukturen wurden durch Sintern eines Multialgenstapels aus abwechselnden Metallfolien dieser beiden Materialien hergestellt. Effektive Senkrecht- und Parallel-Komponenten des Seebeck-Koeffizenten, der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit wurden aus den entsprechenden Werten der isotropen Materialien berechnet. Verkippte Multilagenstrukturen, die durch schräges Herausfräsen aus einem Multilagenstapel erhalten werden, können als Laserdetektoren verwendet werden. Ein Vergleich ergibt sich aus der Responsivität von mehreren Multilagenstrukturen und anisotropen kristallinen Systemen.
Ein künstlich hergestelltes Material mit großer thermoelektrischer Anisotropie wurde aus einem Metall-Halbeiter Multilagenstapel hergestellt. Durch einen Legierungsprozess wurde eine Multilagenstruktur A-B-A�, wobei A reines Aluminium und B n-dotiertes Silizium ist, mit einer thermoelektrischen Anisotropie von 1,5 mV/K hergestellt. Die Anwendung solch künstlich hergestellte Materialien als Lichtsensoren ist demonstriert.
Bestrahlung der Al-Si Multilagenstrukturen mit infrarotem und sichtbarem Licht erzeugte photovoltaische Signale, die eine Abhängigkeit vom Lichteinfallswinkel mit einem Vorzeichenwechsel bei einem Lichteinfall parallel zu den Schichtebenen zeigten. Die Ergebnisse wurden mittels in Serie geschalteter photoaktiver Schichten erklärt. Für Lichtstrahlen, die schräg auf die Schichtebenen fallen, ist eine Asymmetrie gegeben durch Teilabschattung der photoaktiven Schichten, die aufgrund der Lichtundurchlässigkeit der metallischen Schichten zustande kommt.
Ein transversaler Peltier Effekt wurde in künstlich hergestellten verkippten Pb-Bi2Te3 Multilagenstrukturen beobachtet. Multilagenstrukturen aus Pb und n-dotiertem Bi2Te3 wurden durch eine Wärmebehandlung hergestellt und zeigten eine relativ große thermoelektrische Anisotropie von bis zu 200 µV/K. Verkippte Proben wurden aus den Multilagenstrukturen herauspräpariert. Aufgrund der relativ großen thermoelektrischen Anisotropie und einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, aber kleinen Wärmeleitfähigkeit, zeigten die Proben Temperaturdifferenzen von bis zu 22 K.

Translation of the abstract (English)

In an anisotropic material a heat flux and the resulting thermoelectric field generally are not collinear. Illumination of a thin film can thus lead to transverse thermoelectric voltages: Heat produced at the surface by absorption of light flows perpendicularly to the film plane into a substrate, anisotropy may produce a thermoelectric field component parallel to the film surface leading to a �transverse� thermoelectric voltage upon surface heating.
Thermoelectric fields transverse to an applied temperature gradient have been observed in tilted metallic multilayer structures. Constantan/chromel/constantan... multilayers were prepared by sintering stacks of alternating thin foils of these materials. Effective �in-plane� and �out-of-plane� Seebeck coefficients and heat conductivities of the foil stacks were calculated from data of the isotropic metals. Tilted multilayer structures obtained by cutting stacks obliquely may be used as devices for detection of laser radiation. A comparison is made with respect to responsivity between several multilayer structures and anisotropic crystalline systems.
A synthetic material with large thermoelectric anisotropy has been prepared from a metal-semiconductor multilayer structure. By an alloying process, a multilayer stack A-B-A�, where A and B are pure aluminum and n-silicon, is produced with a thermoelectric anisotropy 1.5 mV/K, where and are the absolute Seebeck coefficients along and perpendicular to the layers, respectively. The use of this synthetic material for light sensing applications is demonstrated.
Irradiation of an Al-Si multilayer stack with infrared to visible laser radiation generates photovoltaic signals depending on the angle of incidence of the laser beam with respect to the layer planes, with zero signal and a polarity reversal for beam and layers in parallel. Results are explained in terms of photoactive layers connected in series and symmetrically aligned along the stack axis. For light beams inclined with respect to the layer planes, asymmetry is introduced by fractional shadowing of photoactive regions due to the intransparent metallic layers.
A transverse Peltier effect has been observed in artificially created tilted Pb-Bi2Te3 multilayer structures. Multilayer stacks consisting of alternating layers of Pb and n-type Bi2Te3 have been prepared by a heating procedure and showed large thermoelectric anisotropy up to ΔS = 200 µV/K, depending on thickness ratio p = dBiTe / dPb where dBiTe and dPb is the thickness of Bi2Te3 and Pb layers, respectively. Tilted samples were obtained by cutting stacks obliquely to the stack axis. Due to large ΔS and large electrical, but small heat conductivity, samples showed temperature differences transverse to applied currents up to 22 K.

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