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Thermoelektrische Kühlung wird fit für die Mikrotechnologie

Artikel in nature electronics: Verbesserte Herstellung macht thermoelektrischer Bauelemente schneller, zuverlässig und integrierbar in Mikrochips.

Thermoelektrische Materialien können Wärme in elektrische Energie umwandeln oder umgekehrt als umweltfreundliche Kühlelemente eingesetzt werden. In vielen Prozessen im Alltag und in der Industrie tritt Energieverlust in Form von Abwärme auf, die durch thermoelektrische Generatoren in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das stellt auch eine zusätzliche Stromquelle in diesen Systemen zur Verfügung. Ein weiteres besonders attraktives Anwendungsgebiet von thermoelektrischen Materialien ist die Kühlung von mikroelektronischen Bauelementen, zum Beispiel in Prozessoren oder beim Wärmemanagement in Organimplantaten. Dazu müssen thermoelektrische Generatoren mit den Systemen der modernen Mikroelektronik kompatibel sein. Außerdem muss sich der Herstellungsprozess in die etablierten Abläufe der Chipproduktion integrieren lassen.  All das hat sich bisher als sehr schwierig erwiesen, so dass eine breite Anwendung mikrothermoelektrischer Bauelemente bisher nicht erfolgt ist.

Nun gibt es einen neuen vielversprechenden Vorstoß von Forschern des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW). Sie fügten in den Abscheideprozess der thermoelektrischen Bismut-Tellur-Verbindung eine entscheidende Neuerung ein. Durch ein zusätzliches Goldelektrolytbad unmittelbar nach der Schichtabscheidung bildet sich eine schützende Goldschicht auf den thermoelektrischen Elementen. Diese Grenzfläche verringert den Widerstand zwischen dem thermoelektrischen Material und der Kontaktschicht erheblich, was sich sehr positiv auf die  Effizienz und die Funktionsstabilität im Dauerversuch auswirkt. Die auf diese Weise hergestellten mikrothermoelektrischen Bauelemente haben sehr schnelle Reaktionszeiten von nur einer Millisekunde sowie eine hohe Zuverlässigkeit von mehr als 10 Millionen Zyklen und von über 30 Tagen stabiler Kühlleistung. Die Verbesserung dieser Kennzahlen stellt einen entscheidenden Schritt hin zur breiten Anwendung von thermoelektrischen Bauteile dar.

Foto: Elektronenmikroskopische Aufnahme von integrierbaren mikrothermoelektrischen Bauelementen mit einer Packungsdichte von etwa 5.000 Stück pro Quadratzentimeter. Die freistehende Bauweise reduziert thermomechanischen Spannungen im Bauelement und ermöglicht dadurch sehr hohe Zyklenbeständigkeit und Langlebigkeit. Foto: IFW Dresden

Originalveröffentlichung: Guodong Li, Javier Garcia Fernandez, David Alberto Lara Ramos, Vida Barati, Nicolás Pérez, Ivan Soldatov, Heiko Reith, Gabi Schierning & Kornelius Nielsch. Integrated microthermoelectric coolers with rapid response time and high device reliability, Nature Electronics, volume 1 (2018) https://doi.org/10.1038/s41928-018-0148-3;

Kontakt
Dr. Gabi Schierning
g.schierning@ifw-dresden.de
IFW Dresden
Tel. 0351 4659 1875

Electron micrograph

Elektronenmikroskopische Aufnahme von integrierbaren mikrothermoelektrischen Bauelementen mit einer Packungsdichte von etwa 5.000 Stück pro Quadratzentimeter. Die freistehende Bauweise reduziert thermomechanischen Spannungen im Bauelement und ermöglicht dadurch sehr hohe Zyklenbeständigkeit und Langlebigkeit. Foto: IFW Dresden