Thermoelektrische Materialien können Abwärme direkt in elektrische Energie umwandeln. Ihre praktische Nutzung wird jedoch häufig durch eine begrenzte Langzeitstabilität leistungsfähiger Materialien eingeschränkt. Genau hier setzt eine aktuelle Studie unter Beteiligung des IFW Dresden an.

Die Arbeit verbindet dabei zwei Forschungsschwerpunkte des IFW Dresden: die Entwicklung leistungsfähiger thermoelektrischer Materialien und das atomar präzise Grenzflächenengineering mittels Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD).

Dem Forschungsteam ist es gelungen, die Bewegung von Zink-Ionen im thermoelektrischen Material β-Zn₄Sb₃ gezielt zu beeinflussen. Möglich wird dies durch eine nur wenige Nanometer dünne Zinkoxid-Beschichtung, die mithilfe der Atomlagenabscheidung aufgebracht wird. Die Beschichtung schützt das Material nicht nur an der Oberfläche, sondern steuert gezielt die atomaren Prozesse im Inneren. Sie hemmt die Wanderung der Zink-Ionen und verändert gleichzeitig die Ausbreitung wärmetragender Gitterschwingungen (Phononen). Dadurch bleibt die hohe thermoelektrische Leistungsfähigkeit erhalten, während sich die strukturelle Stabilität deutlich verbessert.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis: Die beschichteten Proben blieben auch nach mehr als 39.000 Temperaturzyklen unter einem Temperaturgradienten strukturell stabil. Damit zeigt die Arbeit einen neuen Weg auf, die Lebensdauer thermoelektrischer Materialien deutlich zu verlängern und ihre Nutzung zur Rückgewinnung von Abwärme weiterzuentwickeln.

Die Studie weist zugleich eine neue Funktion der Atomlagenabscheidung auf: Sie dient nicht nur dem Schutz von Oberflächen oder der Optimierung von Materialeigenschaften, sondern ermöglicht die gezielte Steuerung atomarer Prozesse im Inneren eines Materials. Damit liefert der Ansatz eine neue Strategie für die Entwicklung langlebiger thermoelektrischer Materialien und zukünftiger Energieanwendungen.

Originalpublikation:

Amin Bahrami et al.: Atomic-scale regulation of ion motion and phonon scattering in β-Zn₄Sb₃ thermoelectrics by atomic layer deposition
Science Advances (2026)
https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aeg3850

Kontakt

Dr.-Ing. Amin Bahrami
Surface-Functionalized Materials
E-mail: a.bahrami@ifw-dresden.de

Patricia Bäuchler
Wissenschaftskommunikation
E-mail: p.baeuchler@ifw-dresden.de