Beziehungen zwischen Wärme, Strom und Quantumschwingungen herstellen
Thermoelektrische Materialien kommt immer mehr Aufmerksamkeit aufgrund ihres Potenzials für die umweltfreundliche grüne Stromerzeugung, umweltfreundliche Kühlung und wirkungsvolle punktweise Kühlung ("Spot") bei elektronischen Geräten (Stichwort steigende Rechengeschwindigkeiten) zu. Diese Materialien erzeugen in Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz eine Spannungsdifferenz, was auch umgekehrt gilt. Einige von deren ganz neuartigen thermischen Reaktionen bestehen aufgrund der Kopplung zwischen Elektronen und Phononen. Phononen sind Quanten der Schwingungsenergie, die typischerweise in einem Kristallgitter oder Feststoff vorhanden ist. Diese Phononen oder Schwingungen verfügen ebenso wie ihre elektromagnetischen Gegenstücke (Photonen) über Frequenzen und Wellenlängen und erzeugen daher auch die damit verbunden Spektren. Wissenschaftler entwickelten neue mathematische Beschreibungen des Phononenverhaltens und konnten dabei auf die EU-Finanzhilfen des Projekts "Non adiabatic vibrational spectra from first principles" (NON ADIABATIC PHONON) zurückgreifen. Sie wandten insbesondere zwei moderne Methoden an, um den Beitrag der nichtadiabatischen und anharmonischen Effekte zu Phononenspektren in thermoelektrischen Materialien zu erkunden. Bei der ersten geht es um Bedingungen, unter denen die Wärme in das System eintritt oder es verlässt. Die zweite Methode bezieht sich auf Schwingungen und Abweichungen bei Vielfachen der harmonischen Frequenz oder Eigenfrequenz zusätzlich zur Eigenfrequenz selbst. Das Team entwickelte eine Computerschnittstelle zur selbstkonsistenten Phononenimplementierung, die ionische Kräfte extrahiert, um die Temperaturabhängigkeit der Phononenspektren zu berechnen. Die Wissenschaftler wandten im Folgenden den Code auf das vielversprechende thermoelektrische Halbleitermaterial Bleitellurid (PbTe) an, dessen thermoelektrische Reaktion bislang noch nicht vollständig beschrieben wurde. In den nächsten Monaten rechnet man mit der fertiggestellten Version des Codes für nichtadiabatische Phononendispersionsberechnungen und anharmonische thermische Effekte innerhalb eines Materials. Auf diesem Weg entwickelten die Forscher tragfähige Beziehungen und eine kooperative Vernetzung mit anderen Institutionen in Europa, um zukünftig hochwertige gemeinsame Vorschläge einzureichen. Die thermoelektrische Materialien sind Gegenstand weitreichender Untersuchungen in Bezug auf Anwendungen, die von großen Gebäuden bis hin zu eher kleinen individuellen mikroelektronischen Bauelementen reichen. Die Charakterisierung ihrer Reaktionseigenschaften ist von entscheidender Wichtigkeit für Fortschritte auf diesem Gebiet, um Kosteneffektivität und Nachhaltigkeit zu optimieren. NON ADIABATIC PHONON konnte mit dem Modellierungscode und den rechnerischen Methoden zur Beschreibung neuartiger Verhaltensweisen einen wesentlichen Beitrag in diesem Bemühen leisten.
