Charakterisierung elektrischer und thermoelektrischer Eigenschaften

Elektrische Leitfähigkeit

Schematische Darstellung einer 4-Punkt-Messung
© Fraunhofer IWS Dresden

Schematische Darstellung einer 4-Punkt-Messung

Die elektrische Leitfähigkeit von dünnen Schichten kann mit der 4-Punkt-Methode ermittelt werden. Mit Hilfe der 4-Punkt-Widerstandsmessung wird der Flächenwiderstand der Probe ermittelt. Bei bekannter Schichtdicke kann daraus die elektrische Leitfähigkeit berechnet werden. Vorteil hierbei ist, dass Kontaktwiderstände das Messergebnis nicht beeinflusst. So können dünne Schichten im Mikro- und Nanometerbereich zuverlässig vermessen werden.

Die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit ist bis 900 K möglich.

Seebeck-Koeffizient

Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten
© Fraunhofer IWS Dresden

Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten

Der Seebeck-Koeffizient  α ist eine Materialkenngröße und gibt an, wie viel elektrische Spannung ein Material innerhalb eines Temperaturgradienten von 1 K erzeugen kann, α = dU/dT. Der Seebeck-Koeffizient ist maßgeblich von der Ladungsträgerdichte und der Temperatur abhängig. Zur Messung des Seebeck-Koeffizienten wird das Material (als Bulk oder Dünnschicht) auf zwei Heizbacken platziert. Durch einen Heizstrom wird eine Heizbacke erwärmt (T1), die andere verbleibt bei z.B. bei Raumtemperatur (T2). Als Folge entsteht ein Temperaturgradient innerhalb des Materials. Über Thermoelemente wird punktuell sowohl die Temperatur (an T1 und T2) als auch die erzeugte Seebeck-Spannung gemessen. Durch Variation des Temperaturgradienten wird eine U-T-Kennlinie aufgenommen aus welcher der Seebeck-Koeffizient sehr präzise ermittelt werden kann.

Die Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten ist bis Temperaturen von 900 K möglich.

Powerfaktor

Der Powerfaktor (PF) ist eine Kenngröße zur Charakterisierung thermoelektrischer Materialien und setzt sich aus der elektrischen Leitfähigkeit (σ) und dem Seebeck-Koeffizienten (α) zusammen (PF = α² · σ). Der PF kann für Materialien bis zu Temperaturen von 900 K bestimmt werden.   

Ladungsträgerdichte und -mobilität

Messplatz zur Ladungsträgerbestimmung
© Fraunhofer IWS Dresden

Messplatz zur Ladungsträgerbestimmung

Als weitere Möglichkeit zur Materialcharakterisierung verfügt die Gruppe Drucken über einen Messplatz zur Bestimmung der Ladungsträgerdichte und der Ladungsträgermobilität in Schichten. Dabei wird durch ein senkrecht zur Schicht ausgerichtetes Magnetfeld (magnetische Flussdichte 0,7 T) und einem konstanten Stromfluss innerhalb der Schicht, die sogenannte Hallspannung senkrecht zur Richtung des Stromflusses gemessen. Aus der Hallspannung lassen sich Ladungsträgerkonzentrationen und -mobilitäten berechnen.