DE102007039060A1 - Thermokraft element or Peltier elements made of sintered nanocrystals of silicon, germanium or silicon-germanium alloys - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung thermoelektrischer Bauelemente oder Peltier-Elemente sowie diese Bauelemente aus gedruckten Siliciumschichten, hergestellt aus Dispersionen von zumindest teilweise dotierten, halbleitenden Partikeln, insbesondere aus Silicium, Germanium oder Silicium-Germanium-Legierungen.The present invention relates to a method for the production of thermoelectric components or Peltier elements and these components of printed silicon layers, prepared from dispersions of at least partially doped semiconducting particles, in particular of silicon, germanium or silicon-germanium alloys.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung thermoelektrischer Bauelemente oder Peltier-Elemente sowie diese Elemente aus gedruckten Siliciumschichten, hergestellt aus Dispersionen von zumindest teilweise dotierten, halbleitenden Partikeln, insbesondere aus Silicium, Germanium oder Silicium-Germanium-Legierungen. Hierbei ist die Dotierung der Partikel gezielt eingestellt auf einen Wert oberhalb der Defektkonzentration der Schichten. Die gute elektrische Leitfähigkeit der Schichten wird neben der Dotierung durch ein geeignetes Ätz- und Sinterverfahren gewährleistet.object The invention relates to a method for producing thermoelectric Structural elements or Peltier elements as well as these printed elements Silicon layers made from dispersions of at least partially doped semiconducting particles, in particular of silicon, germanium or silicon germanium alloys. Here, the doping of the Particle targeted adjusted to a value above the defect concentration the layers. The good electrical conductivity of the layers is in addition to the doping by a suitable etch and Sintering guaranteed.
Thermoelektrische Elemente, auch Thermokraftelemente genannt, ermöglichen die Gewinnung von elektrischer Energie aus einer Temperaturdifferenz aufgrund des Seebeck-Effekts. Der Seebeck-Effekt besagt, dass zwei unterschiedliche Metalle, die miteinander verbunden sind, an ihrer Anschlussstelle eine thermoelektrische Spannung entstehen lassen, wenn entlang der Metalle ein Temperaturgefälle besteht. Diese thermoelektrische Spannung, auch Thermokraft genannt, ist temperaturabhängig und hat bei Metallen eine Größe von wenigen Mikrovolt pro Kelvin Temperaturunterschied.thermoelectric Elements, also called thermoelectric elements, allow the recovery of electrical energy from a temperature difference due to the Seebeck effect. The Seebeck effect states that two different metals that are connected to each other at their Junction create a thermoelectric voltage, if along the metals there is a temperature gradient. These Thermoelectric voltage, also called thermoelectric force, is temperature-dependent and has a size of a few microvolts per metal Kelvin temperature difference.
Umgekehrt lässt sich jedes Thermokraftelement auch als Peltierelement nutzen, d. h. der Erzeugung eines Temperaturunterschieds beim Anlegen einer elektrischen Spannung aufgrund des Peltier-Effekts. Der Peltier-Effekt besagt, dass an der Anschlussstelle zweier unterschiedlicher Metalle bei Anlegen einer elektrischen Spannung ein Temperaturunterschied entsteht.Vice versa Each thermoelectric element can also be used as a Peltier element use, d. H. the generation of a temperature difference when creating a electrical voltage due to the Peltier effect. The Peltier effect states that at the junction of two different metals when applying an electrical voltage, a temperature difference arises.
In
der Praxis werden zur Energiegewinnung aus solchen Thermokraftelementen
jedoch anstelle von Metallen Halbleitermaterialien verwendet, wodurch
sich die Effizienz wesentlich steigern lässt. Gebräuchliche
Halbleitermaterialien sind etwa Bi2Te3, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi2 mit
realen Wirkungsgraden zwischen etwa 3 und 8 Prozent. Um ausreichend hohe
Spannungen zu erhalten, werden mehrere zwischen der kalten und der
warmen Seite montierte Elemente elektrisch in Reihe geschaltet.
Zwei typische Aufbauten von Thermokraftelementen sind in
In
dem Artikel
In dem Artikel wird darauf hingewiesen, dass für thermoelektrische Anwendungen sich insbesondere Halbleiter mit hohen Ladungsträgerkonzentrationen eignen, welche die höchsten ZT-Werte aufweisen. Halbmetalle weisen zwar hohe Ladungsträgerdichten und geringe thermische Leitfähigkeiten auf, allerdings sind gleichzeitig sowohl Löcher als auch Elektronen in hoher Konzentration vorhanden und da diese zum Seebeck-Koeffizienten mit unterschiedlichen Vorzeichen beitragen, heben sich die thermoelektrischen Effekte gegenseitig auf. Die für Thermoelektrika am häufigsten verwendeten Halbleiter sind Verbindungen aus der V- und VI-Hauptgruppe im Periodensystem auf der Basis von Be2Te3. Diese Materialien eignen sich für Anwendungen bei Raumtemperatur. Für mittlere Temperaturen bis cirka 400°C werden IV- bis VI-Verbindungen (PbTe) genutzt, während SiGe-Legierungen üblicherweise bei hohen Temperaturen zum Einsatz kommen.The article points out that, in particular, semiconductors with high carrier concentrations which have the highest ZT values are suitable for thermoelectric applications. Although semi-metals have high carrier densities and low thermal conductivities, both holes and electrons are simultaneously present in high concentration, and since these contribute to the Seebeck coefficient with different signs, the thermoelectric effects cancel each other out. The semiconductors most commonly used for thermoelectrics are compounds of the V and VI main groups in the periodic table based on Be 2 Te 3 . These materials are suitable for room temperature applications. For medium temperatures up to about 400 ° C IV to VI compounds (PbTe) are used, while SiGe alloys are usually used at high temperatures.
In dem Übersichtsartikel wird des Weiteren beschrieben, dass neben den erfolgreichen Ansätzen für epitaktische Übergitter kostengünstige Herstellungsmethoden im Zentrum des Interesses stehen, um mittelfristig nanostrukturierte Thermoelektrika an den Markt heranführen zu können. Ein Ansatz besteht z. B. darin, die kostenintensiven Epitaxiverfahren zu umgehen, um über chemische und strukturell selbst organisierende Systeme im nanoskaligen Bereich zu den gewünschten Übergittern mit erhöhten ZT-Werten zu kommen. Dazu könne man im Nanometerbereich Elementschichten in passender Dicke zur Stöchiometrie der V2VI3-Verbindungen abwechselnd als periodische Schichtfolge aus Bi-Te-Sb-Te- abscheiden und durch Temperaturerhöhung in die dazugehörigen alternierenden Schichten Bi2Te3/Sb3Te3 zu überführen.The review article also describes that, in addition to the successful approaches to epitaxial superlattice, cost-effective manufacturing methods are at the center of interest in order to be able to introduce nanostructured thermoelectrics to the market in the medium term. One approach is z. For example, to circumvent the costly Epitaxiverfahren to increase over chemical and structurally self-organizing systems in the nano-scale range to the desired superlattices with to arrive at the ZT values. For this purpose, it would be possible in the nanometer range to coat element layers of suitable thickness to the stoichiometry of the V 2 VI 3 compounds alternately as a periodic layer sequence consisting of Bi-Te-Sb-Te deposits and by increasing the temperature in the associated alternating layers Bi 2 Te 3 / Sb 3 Te 3 convict.
Ein weiterer Weg zur Reduktion von Wärmeleitfähigkeit seien thermoelektrische Nanokomposite. Bei diesen Materialien befinden sich Nanopartikel oder nanokristalline Ausscheidungen mehr oder weniger geordnet in einer thermoelektrischen Matrix. Zur Zeit versuchen vor allem Forscher in den USA und China, thermoelektrische Nanopartikel, welche sich im Kilogrammbereich erzeugen lassen, bei hohem Druck und Temperaturen zu Nanokompositen zu verpressen, die sich in konventionellen Thermoelementen einsetzen ließen.One Another way to reduce thermal conductivity be thermoelectric nanocomposites. Located in these materials nanoparticles or nanocrystalline precipitates become more or less less ordered in a thermoelectric matrix. Try for now especially researchers in the US and China, thermoelectric nanoparticles, which can be produced in the kilogram range, at high pressure and to compress temperatures to nanocomposites that differs in conventional Use thermocouples.
Auf dem Gebiet der Thermoelektrik werden immer noch Materialien gesucht, die eine große Güteziffer ZT aufweisen, was bedeutet, dass in demselben Material gleichzeitig große Werte der Thermokraft und der elektrischen Leitfähigkeit bei gleichzeitig geringer Wärmeleitfähigkeit benötigt werden. Hier können partikuläre Materialien große Vorteile gegenüber Volumenmaterial entfalten, da die Wärmeleitfähigkeit deutlich reduziert ist. Während der Stand der Technik sich vor allem pulverförmiger Materialien bedient, die durch keramische Verfahren versintert werden, haben die hier verwendeten Dispersionen aus Nanopartikeln den Vorteil, dass sie sich sowohl großflächig in dünnen Schichten verdrucken lassen, als auch für andere Formungsverfahren (Spritzguss etc.) verwendbar sind.On the field of thermoelectrics is still looking for materials which have a large figure of merit ZT, which means that in the same material at the same time large values of Thermoelectric and electrical conductivity at the same time low thermal conductivity needed become. Here, particulate materials can be great Advantages over volume material unfold, since the thermal conductivity is significantly reduced. During the state of the art itself Mainly served by powdery materials through ceramic processes are sintered, the ones used here Dispersions of nanoparticles have the advantage of being both large-area printing in thin layers as well as for other molding processes (injection molding etc.) are usable.
Zum Zweck der elektrischen Energiegewinnung aus Temperaturgradienten soll ein thermoelektrisches Element realisiert werden, das aus großflächig verdruckbarem Material besteht. Als Substrat soll ein Material verwendet werden, das nur geringe Wärmeleitung zeigt und sich isolierend verhält. Alternativ sollen Thermoelemente aus freitragenden Formteilen strukturiert werden.To the Purpose of electrical energy recovery from temperature gradients If a thermoelectric element is to be realized, the large area consists of printable material. The substrate used is a material which shows little heat conduction and is insulating behaves. Alternatively, thermocouples from self-supporting molded parts be structured.
Die hier verwendeten Dispersionen enthalten vorzugsweise Nanopartikel aus kristallinem Silicium, Germanium bzw. Silicium-Germanium. Hergestellt werden können diese in einem Plasmareaktor aus den Prekursoren Ar, SiH4, GeH4 und H2. Die Möglichkeit der Dotierung besteht durch die direkte Zugabe von z. B. B2H6 bzw. PH3 zu den Reaktionsgasen in entsprechender Verdünnung zum Erreichen einer p- bzw. n-Typ Leitfähigkeit der Partikel. Hierbei wurde gefunden, dass Bor zu annähernd 100% in die Partikel eingebaut wird, während bei Phosphor nur eine Dotiereffizienz von 5–10% beobachtet wurde. Dabei muss die Konzentration von Dotieratomen einen kritischen Wert von typischerweise mindestens 1 × 1018 cm–3 erreichen, um einen merklichen Einfluss der Dotierung zu erreichen. Hierbei ist unter der Konzentration von Dotieratomen eine mittlere Konzentration zu verstehen, da aufgrund der geringen Partikelgröße nicht notwendigerweise jedes Partikel Dotierstoffe enthält. Des Weiteren wird wie unten beschrieben verfahren, um leitfähige Schichten herzustellen. Die beobachtete Thermokraft hängt dabei unter anderem von der Dotierung der Nanopartikel ab und kann durch Wahl der Dotierung an die jeweiligen Anforderungen (hohe Thermospannungen bzw. hoher Thermostrom) angepasst werden. Durch geeignete Strukturierung des Materials lassen sich dann thermoelektrische Bauteile herstellen.The dispersions used here preferably contain nanoparticles of crystalline silicon, germanium or silicon germanium. These can be manufactured in a plasma reactor from precursors Ar, SiH 4 , GeH 4 and H 2 . The possibility of doping is the direct addition of z. B. B 2 H 6 or PH 3 to the reaction gases in a corresponding dilution to achieve a p- or n-type conductivity of the particles. It was found that approximately 100% of the boron is incorporated in the particles, while only 5-10% of the doping efficiency was observed with phosphorus. The concentration of doping atoms must reach a critical value of typically at least 1 × 10 18 cm -3 in order to achieve a significant influence of the doping. In this case, the concentration of doping atoms is to be understood as an average concentration since, because of the small particle size, not necessarily every particle contains dopants. Furthermore, the procedure is as described below to produce conductive layers. Among other things, the observed thermopower depends on the doping of the nanoparticles and can be adapted to the respective requirements (high thermoelectric voltages or high thermal current) by choosing the doping. By suitable structuring of the material then thermoelectric components can be produced.
Wesentlicher Bestandteil von thermoelektrischen Bauelementen sind halbleitende Elemente bzw. Schichten vom p-Typ und n-Typ. Im Stand der Technik sind halbleitende Schichten und daraus hergestellte Feldeffekttransistoren bekannt, die Partikel aus der Gruppe der Halbleiterverbindungen PbSe, PbTe, PbS, CdSe, CdTe oder CdS aufweisen. Diese werden aus einer Dispersion oder Suspension auf einem Substrat aufgebracht. Die mit der Verwendung solcher Schwermetall-Verbindungen einher gehende Problematik der Umweltgefährdung sowie deren allergene, reizende oder gar giftige Wirkungen auf den Menschen sind ebenfalls seit langem bekannt und stellen ein zunehmend ernst genommenes Hindernis für die wirtschaftliche Nutzung solcher Materialien dar.essential Component of thermoelectric devices are semiconducting P-type and n-type elements. In the prior art are semiconductive layers and field effect transistors made therefrom known, the particles from the group of semiconductor compounds PbSe, PbTe, PbS, CdSe, CdTe or CdS. These are going out a dispersion or suspension applied to a substrate. The associated with the use of such heavy metal compounds problem of environmental hazard and its allergenic, irritating or even toxic effects on humans are also have long been known and represent an increasingly serious obstacle to the economic use of such materials.
Die Verwendung von Silicium oder Germanium als Halbleitermaterial und die Bereitstellung elektronischer Bauelemente aus diesen Materialien erfordert einen hohen Grad der Reinheit dieser Halbmetalle, sowie eine exakt einzuhaltende Dotierung, und wegen der Forderung des Standes der Technik nach makroskopischer Kristallinität sehr aufwendige Herstellprozesse für Wafer, um die gewünschten Halbleitereigenschaften, insbesondere bei der Herstellung miniaturisierter Schaltungen, kontrollieren zu können.The Use of silicon or germanium as semiconductor material and the provision of electronic components made from these materials requires a high degree of purity of these semi-metals, as well a precisely observed doping, and because of the requirement of State of the art on macroscopic crystallinity very complex production processes for wafers to the desired Semiconductor properties, especially in the production of miniaturized Circuits, to be able to control.
Silicium
oder Germanium in Form von Partikeln ist zwar technisch bedeutend
einfacher herzustellen.
Aus porösem Silicium hergestelltes Material ist für elektronische Anwendungen somit nur sehr beschränkt oder gar nicht brauchbar.Out porous silicon material is for electronic applications thus very limited or not usable at all.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, dass es bei einkristallinen Halbleitern und Volumenhalbleitern einen Zusammenhang zwischen der Konzentration an Dotierstoffen und der Leitfähigkeit gibt. Ferner gewinnt der Fachmann über die Aktivierung der Dotierstoffe Informationen über die Dichte freier Ladungsträger in einem volumenförmigen Halbleiter. Diese Dichte wird beispielsweise in einem Feldeffekttransistor durch den Einfluss eines externen elektrischen Feldes moduliert. Die Dichte muss anhand der Dotierung kontrolliert eingestellt werden. Außerdem werden hohe Anforderungen an die kristalline Reinheit des Trägermaterials gestellt.Out the prior art is also known that it is monocrystalline Semiconductors and volume semiconductors a connection between the Concentration of dopants and the conductivity gives. Furthermore, the skilled person gains the activation of the dopants Information about the density of free charge carriers in a voluminous semiconductor. This density will for example, in a field effect transistor by the influence an external electric field is modulated. The density must be based on the doping can be controlled. Furthermore become high demands on the crystalline purity of the carrier material posed.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, ein thermoelektrisches Bauelement oder Peltier-Element zur Verfügung zu stellen, das auf halbleitenden Strukturen basiert, die großflächig und in dünnen Schichten und gleichzeitig in einem kostengünstigen Verfahren hergestellt werden können. Gleichzeitig sollen bei der Herstellung der halbleitenden Strukturen Nachteile gemäß Stand der Technik überwunden werden.task The present invention was therefore a thermoelectric To provide a component or Peltier element, which is based on semiconducting structures that are large in area and in thin layers and at the same time in a cost-effective Process can be produced. At the same time in the production of semiconducting structures disadvantages according to the prior overcome the technology.
Überraschend wurde gefunden, dass diese Aufgabe durch ein thermoelektrisches Bauelement (Thermokraftelement) oder Peltier-Element gelöst wird, umfassend ein oder mehrere p-Typ-Elemente und/oder ein oder mehrere n-Typ-Elemente, dadurch gekennzeichnet, dass die p- und/oder die n-Typ-Elemente poröse halbleitende Strukturen sind, die aus Dispersionen von zumindest teilweise dotierten halbleitenden Partikeln hergestellt sind.Surprised was found to accomplish this task through a thermoelectric Component (thermoelectric element) or Peltier element is loosened, comprising one or more p-type elements and / or one or more n-type elements, characterized in that the p and / or the n-type elements are porous semiconductive structures that from dispersions of at least partially doped semiconducting Particles are made.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Thermokraftelements oder Peltier-Elements sind die n-Typ- und p-Typ-Elemente untereinander über leitende Brücken oder durch direkten leitenden Kontakt nach dem Schema px-[n-p-]zny, mit x = 0 oder 1, y = 0 oder 1, z > 0, n = n-Typ-Element, p = p-Typ-Element, miteinander verbunden, wobei die Indizes x, y und z die Anzahl des jeweiligen p-, n- bzw. n-p-Elements angeben. Die leitenden Brücken können dabei aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium, Silber, Gold, Nickel, Eisen, Cobalt, Titan, Wolfram, Mangan, Chrom, Platin oder Molybdän sein.In a preferred embodiment of the thermoelectric element or Peltier element, the n-type and p-type elements are interconnected via conductive bridges or by direct conductive contact according to the scheme p x - [np-] z n y , where x = 0 or 1, y = 0 or 1, z> 0, n = n-type element, p = p-type element, connected to one another, wherein the indices x, y and z are the number of the respective p-, n- or Specify np element. The conductive bridges may be made of metal, preferably of aluminum, silver, gold, nickel, iron, cobalt, titanium, tungsten, manganese, chromium, platinum or molybdenum.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Thermokraftelements oder Peltier-Elements weisen die halbleitenden Strukturen eine elektrische Leitfähigkeit von 5·10–8 bis 1·103 S·cm–1, bevorzugt 1·10–5 bis 100 S·cm–1, weiter bevorzugt 1·10–3 bis 10 S·cm–1 auf.In a further preferred embodiment of the thermoelectric element or Peltier element, the semiconducting structures have an electrical conductivity of 5 × 10 -8 to 1 × 10 3 S · cm -1 , preferably 1 × 10 -5 to 100 S · cm -1 preferably 1 × 10 -3 to 10 S · cm -1 .
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des Thermokraftelements oder Peltier-Elements weisen die halbleitenden Strukturen eine Aktivierungsenergie der elektrischen Leitfähigkeit von 0,1 bis 700 meV, bevorzugt 5 bis 250 meV, besonders bevorzugt von 10 bis 50 meV, auf.In a further preferred embodiment of the thermoelectric element or Peltier element, the semiconducting structures have an activity tion energy of the electrical conductivity of 0.1 to 700 meV, preferably 5 to 250 meV, more preferably from 10 to 50 meV, on.
Zur
Bestimmung der Leitfähigkeit wird die halbleitende Struktur
elektrisch nach der van der Pauw Methode kontaktiert (
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des Thermokraftelements oder Peltier-Elements weisen die halbleitenden Strukturen eine Porengröße von 1 bis 500 nm, bevorzugt 5 bis 250 nm, weiter bevorzugt 10 bis 100 nm, auf.In a further preferred embodiment of the thermoelectric element or Peltier element, the semiconducting structures have a pore size of 1 to 500 nm, preferably 5 to 250 nm, more preferably 10 to 100 nm, up.
Die Porengröße wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einer rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme (REM) in 80.000-facher Vergrößerung bestimmt.The Pore size is within the scope of the present invention in a scanning electron micrograph (SEM) in 80,000 times Magnification determined.
Die halbleitenden Strukturen des erfindungsgemäßen Thermokraftelements oder Peltier-Elements weisen vorzugsweise einen festen Anteil von 25 bis 60 Volumen-%, bevorzugt 30 bis 45 Vol-%, auf.The Semiconducting structures of the invention Thermoelectric element or Peltier element preferably have one solid fraction of 25 to 60% by volume, preferably 30 to 45% by volume, on.
Des weiteren weisen die Strukturen des erfindungsgemäßen Thermokraftelements oder Peltier-Elements zumindest teilweise kristalline dotierte Bestandteile mit Größen von 5 nm bis 500 nm auf.Of further have the structures of the invention Thermoelectric element or Peltier element at least partially crystalline doped components with sizes from 5 nm to 500 nm up.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die für das erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelement oder Peltier-Element verwendete poröse halbleitende Struktur auf einfache, apparativ anspruchlose Weise in beliebig großen Flächen bereit gestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die verwendete poröse halbleitende Struktur keinen Binder enthält. Binder sind dabei Stoffe, die nicht aus dem halbleitenden Material bestehen und Lücken zwischen dem halbleitenden Material füllen und die Partikel mechanisch verbinden. Insbesondere enthält die verwendete Struktur keine inerten Binder. Inerte Binder sind solche, die selbst kein Halbleiter oder Leiter in der dem Fachmann bekannte Definition darstellen.Of the Advantage of the present invention is that for the thermoelectric device according to the invention or Peltier element used porous semiconducting structure in a simple, apparatusless way in any size Areas can be provided. Another advantage of Present invention is that the used porous Semiconducting structure contains no binder. Binder are while substances that do not consist of the semiconducting material and fill in gaps between the semiconducting material and connect the particles mechanically. In particular contains the structure used does not contain inert binders. Inert binders are those which itself is not a semiconductor or conductor known to those skilled in the art Represent definition.
Die für das erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelement verwendete Struktur weist anhand der über Sinterhälse untereinander verbundenen Bestandteile ein elektrisch perkolierendes Netzwerk auf, dessen elektrische Leitfähigkeit durch die Dotierung der halbleitenden Bestandteile eingestellt werden kann.The for the inventive thermoelectric Component used structure has the basis of the sintered necks interconnected components an electrically percolating Network on whose electrical conductivity through the Doping the semiconducting components can be adjusted.
In ein besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Thermokraftelement oder Peltier-Element mindestens ein Substrat, wobei ein wie oben beschriebenes Thermokraftelement oder Peltier-Element auf diesem Substart angeordnet ist. Als Substrat eignen sich alle dem Fachmann bekannten Substrate die auf dem Gebiet der Thermokraftelemente oder Peltier-Elemente verwendet werden. In einer besonderen Ausführungsform kann z. B. auch vorgesehen sein, dass das Substrat ein flexibles Substrat, z. B. aus textilen Materialien, ist. So könnte z. B. der Gradient zwischen Körperwärme und Umgebungstemperatur zur Energieerzeugung ausgenutzt werden, um z. B. in Kleidung integrierte elektronische Bauelemente mit Energie zu versorgen (Uhren, Mobiltelefone, etc.).In a particularly preferred embodiment of the invention The thermo-power element or Peltier element comprises at least one Substrate, wherein a thermoelectric element as described above or Peltier element is arranged on this Substart. As a substrate All known in the art substrates are those in the field the thermoelectric elements or Peltier elements are used. In a particular embodiment, for. B. also provided be that the substrate is a flexible substrate, for. B. from textile Materials, is. So z. B. the gradient between Body heat and ambient temperature for energy production be exploited to z. B. in clothing integrated electronic Power components (watches, cell phones, etc.).
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements zur weiteren Verwendung bei der Herstellung eines Thermokraftelements oder Peltier-Elements umfassend die Schritte:
- a) Erzeugung von dotierten Halbleiterpartikeln des p-Typs,
- b) Erzeugung von dotierten Halbleiterpartikeln des n-Typs,
- c) Erzeugung einer ersten Dispersion mit den nach Schritt a) erhaltenen Halbleiterpartikeln,
- d) Erzeugung einer zweiten Dispersion mit den nach Schritt b) erhaltenen Halbleiterpartikeln,
- e) zumindest teilweises Beschichten eines Substrats mit einer der nach Schritt c) oder
- d) erhaltenen ersten oder zweiten Dispersion,
- f) Behandlung der nach Schritt e) erhaltenen Schicht durch eine Lösung enthaltend Fluorwasserstoff und Wasser,
- g) thermische Behandlung der nach Schritt f) erhaltenen Schicht, so dass eine erste poröse halbleitende Struktur des p- oder n-Typs erhalten wird,
- h) Verwendung der in Schritt e) nicht verwendeten Dispersion zur Herstellung einer zumindest partiellen zweiten Beschichtung auf dem Substrat, auf einem weiteren Substrat oder – unter Bildung eines Schichtsystems – auf der in Schritt e) erhaltenen ersten Beschichtung,
- i) Behandlung der nach Schritt h) erhaltenen zweiten Schicht durch eine Lösung enthaltend Fluorwasserstoff und Wasser,
- j) thermische Behandlung der nach Schritt i) erhaltenen zweiten Schicht, so dass eine zweite poröse halbleitende Struktur des anderen Typs erhalten wird.
- a) Generation of doped semiconductor particles of the p-type,
- b) Generation of doped semiconductor particles of the n-type,
- c) production of a first dispersion with the semiconductor particles obtained according to step a),
- d) production of a second dispersion with the semiconductor particles obtained after step b),
- e) at least partially coating a substrate with one of the after step c) or
- d) obtained first or second dispersion,
- f) treatment of the layer obtained according to step e) by a solution containing hydrogen fluoride and water,
- g) thermal treatment of the layer obtained after step f), so that a first porous semiconducting structure of the p or n type is obtained,
- h) using the dispersion which is not used in step e) to produce an at least partial second coating on the substrate, on a further substrate or, on formation of a layer system, on the first coating obtained in step e),
- i) treatment of the second layer obtained after step h) with a solution containing hydrogen fluoride and water,
- j) thermal treatment of the second layer obtained after step i), so that a second porous semiconducting structure of the other type is obtained.
Ein Vorteil des für das erfindungsgemäße thermoelektrische Bauelement verwendeten Verfahrens ist die Herstellung poröser halbleitender Strukturen aus der Dispersion durch kostengünstige Beschichtungs- und Druckverfahren.One Advantage of the thermoelectric for the invention Component used method is the production of porous Semiconducting structures from the dispersion by inexpensive Coating and printing process.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Bestandteile der verwendeten Struktur untereinander teilweise verbunden sind. Bevorzugt können diese Verbindungen hauptsächlich Sinterbrücken aufweisen. Vorzugsweise besteht das Innere der Sinterbrücken der verwendeten Struktur hauptsächlich, aber nicht ausschließlich aus einem halbleitenden Material. Besonders bevorzugt setzt sich innerhalb der Sinterbrücke der kristalline Aufbau des Bestandteils fort, ohne dass es eine kristallographische Versetzung oder Korngrenze gibt.It can be beneficial if the stock parts of the structure used are partially interconnected. Preferably, these compounds may have mainly sintered bridges. Preferably, the interior of the sintering bridges of the structure used is mainly, but not exclusively, of a semiconducting material. More preferably, within the sintering bridge, the crystalline structure of the constituent continues without there being a crystallographic dislocation or grain boundary.
Optional kann die Oberfläche der Bestandteile der verwendeten Struktur zumindest teilweise weitere Elemente enthalten. Besonders bevorzugt können diese Elemente Sauerstoff, Wasserstoff, und/oder Kohlenstoff sein. Optional kann die Oberfläche der Sinterbrücken der verwendeten Struktur zumindest teilweise weitere chemische Elemente enthalten. Besonders bevorzugt können diese Elemente Sauerstoff, Wasserstoff, und/oder Kohlenstoff sein. Optional können die Verbindungen zwischen je zwei Bestandteilen der erfindungsgemäßen Struktur zusätzlich zum halbleitenden Element weitere Elemente enthalten. Besonders bevorzugt können diese Elemente Sauerstoff, Wasserstoff, und/oder Kohlenstoff sein. Die Oberflächen der Bestandteile der verwendeten Struktur können vorzugsweise SiOx, Si-H, Si-OH-Gruppen, und/oder Adsorbate von Kohlenstoff aufweisen. Optional kann die Oberfläche gezielt, z. B. durch Hydrosilylierung, modifiziert sein.Optionally, the surface of the constituents of the structure used may at least partially contain further elements. Particularly preferably, these elements can be oxygen, hydrogen, and / or carbon. Optionally, the surface of the sintered bridges of the structure used may at least partially contain further chemical elements. Particularly preferably, these elements can be oxygen, hydrogen, and / or carbon. Optionally, the compounds between each two constituents of the structure according to the invention may contain further elements in addition to the semiconductive element. Particularly preferably, these elements can be oxygen, hydrogen, and / or carbon. The surfaces of the constituents of the structure used may preferably comprise SiO x , Si-H, Si-OH groups, and / or adsorbates of carbon. Optionally, the surface targeted, z. By hydrosilylation.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Bestandteile der verwendeten Struktur, die Größen von 100 bis 500 nm aufweisen, und die Bestandteile, die Größen unterhalb von 100 nm aufweisen, auf einer Größenskala von 2 μm bis 10 μm auf und in der verwendeten Struktur untereinander gemischt sind. Besonders bevorzugt kann die verwendete Struktur auf einer Größenskala unterhalb 2 μm auf und in der verwendeten Struktur Bestandteile von 100 nm bis 500 nm Größe aufweisen. Weiterhin besonders bevorzugt kann die verwendete Struktur auf der Oberfläche der Bestandteile, die eine Größe von 100 nm bis 500 nm aufweisen, Bestandteile aufweisen, die eine Größe von 5 bis 100 nm, bevorzugt von 5 bis 90 nm, besonders bevorzugt von 5 bis 80 nm, ganz besonders bevorzugt von 5 bis 50 nm aufweisen.Farther It may be advantageous if the ingredients of the used Structure having sizes of 100 to 500 nm, and the ingredients, the sizes below 100 nm, on a size scale of 2 microns up to 10 μm on and in the structure used with each other are mixed. Particularly preferably, the structure used can a size scale below 2 microns on and in the structure used components of 100 nm to 500 nm size. Furthermore, particularly preferred the structure used on the surface of the constituents, which have a size of 100 nm to 500 nm, Have components ranging in size from 5 to 100 nm, preferably from 5 to 90 nm, more preferably from 5 to 80 nm, most preferably from 5 to 50 nm.
Die verwendete Struktur kann eine BET-Oberfläche von 10 bis 800 m2·g–1 aufweisen. Vorzugsweise kann die verwendete Struktur die BET-Oberfläche der Halbleiterpartikel aufweisen, aus denen die verwendete Struktur gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde. Besonders bevorzugt kann die BET-Oberfläche der verwendeten Struktur von 30 bis 500 m2·g–1, weiterhin besonders bevorzugt von 40 bis 200 m2·g–1, ganz besonders bevorzugt von 50–100 m2·g–1 betragen.The structure used may have a BET surface area of 10 to 800 m 2 .g -1 . The structure used may preferably have the BET surface area of the semiconductor particles from which the structure used was obtained according to the method according to the invention. The BET surface area of the structure used can particularly preferably be from 30 to 500 m 2 .g -1 , more particularly preferably from 40 to 200 m 2 .g -1 , very particularly preferably from 50 to 100 m 2 .g -1 .
Die verwendete Struktur kann vorzugsweise eine Dicke von 20 nm bis 50 μm, besonders bevorzugt von 50 nm bis 10 μm, ganz besonders bevorzugt von 100 nm bis 3 μm aufweisen.The used structure may preferably have a thickness of 20 nm to 50 microns, particularly preferably from 50 nm to 10 μm, very particularly preferably from 100 nm to 3 microns.
Es kann vorteilhaft sein, wenn bei der Erzeugung der dotierten Halbleiterpartikel des p- bzw. n-Typs kontinuierlich (a) wenigstens ein dampf- oder gasförmiges Halbmetallhydrid, ausgewählt aus Silan, Germaniumhydrid, entsprechende Dimere und Oligomere, oder ein Gemisch aus diesen Halbmetallhydriden und zumindest ein dampf- oder gasförmiger Dotierstoff, und ein Inertgas in einen Reaktor überführt und dort gemischt wird, wobei der Anteil des Halbmetallhydrids zwischen 0,01 und 90 Gew.-%, bevorzugt zwischen 0,1 und 20 Gew.-%, bezogen auf die Summe aus Halbmetallhydrid, Dotierstoff und Inertgas, beträgt, und anschließend (b) durch Energieeintrag mittels elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich bei einem Druck von 1 bis 1100 hPa, bevorzugt 10 bis 300 hPa, ein Plasma erzeugt wird, und anschließend (c) man das Reaktionsgemisch abkühlen lässt und das Reaktionsprodukt in Form eines Pulvers von gasförmigen Stoffen abgetrennt wird, wobei überwiegend kristalline dotierte Halbleiterpartikel erhalten werden. Vorzugsweise kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren der Anteil des Dotierstoffs von 1 ppm bis 30000 ppm bezogen auf die Summe aus Halbmetallhydrid und Dotierstoff betragen.It may be advantageous if in the generation of the doped semiconductor particles of the p- or n-type continuously (a) at least one vapor or gaseous Semi-metal hydride selected from silane, germanium hydride, corresponding dimers and oligomers, or a mixture of these Half metal hydrides and at least one vapor or gaseous Dopant, and an inert gas transferred to a reactor and is mixed there, wherein the proportion of Halbmetallhydrids between 0.01 and 90 wt .-%, preferably between 0.1 and 20 wt .-%, based to the sum of half metal hydride, dopant and inert gas, and then (b) by energy input by means of electromagnetic Radiation in the microwave range at a pressure of 1 to 1100 hPa, preferably 10 to 300 hPa, a plasma is generated, and subsequently (c) allowing the reaction mixture to cool and the reaction product in the form of a powder of gaseous Material is separated, with predominantly crystalline doped semiconductor particles are obtained. Preferably, in the proportion of the Dopant from 1 ppm to 30,000 ppm based on the sum of half metal hydride and dopant amount.
In
dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bevorzugt
Silan zur Herstellung der Halbleiterpartikel eingesetzt werden,
offenbart in
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren dotierte Halbleiterpartikel eingesetzt werden, die eine Dotierkonzentration von 1019 Dotieratomen·cm–3 bis 1020 Dotieratomen·cm–3 aufweisen.Furthermore, it may be advantageous if doped semiconductor particles are used in the method according to the invention which have a doping concentration of 10 19 doping atoms cm -3 to 10 20 doping atoms cm -3 .
Die
Messung der Dotierkonzentration ist dem Fachmann bekannt und erfolgt
durch Elektronenspinresonanz oder Elektroparamagnetische Resonanz,
Glimmentladungsmassenspektroskopie oder durch Massenspektroskopie
an induktiv gekoppelten Plasmen oder Leitfähigkeitsmessungen
an Proben, die durch Aufschmelzen gewonnen wurden. Die im Stand
der Technik bereit gestellten Dotierkonzentrationen sind zum Beispiel
in
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn bei der Erzeugung der dotierten Halbleiterpartikel des p- bzw. n-Typs ein Dotierstoff eingesetzt wird, der ausgewählt ist aus Lithium-Metall oder Lithiumamid (LINH2), aus der Gruppe der Wasserstoff enthaltenden Verbindungen von Phosphor, Arsen, Antimon, Eismut, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, Europium, Erbium, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Thulium, Ytterbium, Lutetium, Lithium, Germanium, Eisen, Ruthenium, Osmium, Kobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber, Gold, Zink, oder aus einem Gemisch dieser Dotierstoffe. Besonders bevorzugt kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Dotierstoff eingesetzt werden, der ausgewählt ist aus Phosphor, Arsen, Antimon, Eismut, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, ganz besonders bevorzugt ausgewählt aus Bor, Phosphor, und Aluminium.In the method according to the invention, it may be advantageous if, in the production of the do a dopant selected from lithium-metal or lithium amide (LINH 2 ), from the group of hydrogen-containing compounds of phosphorus, arsenic, antimony, bismuth, boron, aluminum, gallium is used doped semiconductor particles of the p- or n-type , Indium, thallium, europium, erbium, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, thulium, ytterbium, lutetium, lithium, germanium, iron, ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium , Platinum, copper, silver, gold, zinc, or a mixture of these dopants. Particularly preferred in the method according to the invention, a dopant can be used, which is selected from phosphorus, arsenic, antimony, bismuth, boron, aluminum, gallium, indium, most preferably selected from boron, phosphorus, and aluminum.
Weiterhin
kann es in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft
sein, wenn bei der Erzeugung der jeweiligen Dispersion dotierte
Halbleiterpartikel mit einem Massenanteil von 0,1 bis 60 Gew.-%, bevorzugt
1 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 2 bis 12 Gew.-%, bezogen auf
die Gesamtmasse der Dispersion, eingesetzt werden, und die dotierten Halbleiterpartikel
in eine flüssige Phase, die Wasser und/oder zumindest ein organisches
Lösungsmittel aufweist oder daraus besteht, dispergiert
werden, wobei eine Dispersion erhalten wird, die bei 23°C eine
Viskosität von weniger als 100 mPas, besonders bevorzugt
von weniger als 10 mPas, bei 1000 s–1, aufweist.
Die Merkmale der Dispersion, die in dem erfindungsgemäßen
Verfahren eingesetzt werden kann, sowie Merkmale des Verfahrens
zur Herstellung solcher Dispersionen sind beispielsweise in
Vorzugsweise kann bei der ersten und/oder zweiten bzw. jeder weiteren Beschichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Dispersion durch spin-coating, Rakeln, Auftropfen, Siebdruck, Tauchbeschichtung, oder Sprühbeschichtung auf das Substrat aufgebracht und anschließend die flüssige Phase durch Eintrag von thermischer Energie ausgetrieben werden, wobei eine Schicht erhalten wird, die eine Leitfähigkeit von 5·10–8 bis 1·103 S·cm–1, bevorzugt 1·10–5 bis 100 S·cm–1, weiter bevorzugt 1·10–3 bis 10 S·cm–1, aufweist. Besonders bevorzugt kann bei der ersten und/oder zweiten bzw. jeder weiteren Beschichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens die flüssige Phase in einem Ofen oder unter heißem Inertgas ausgetrieben werden. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass eine gegen Abspülen resistente Beschichtung erhalten werden kann. Unabhängig von der Dotierung der eingesetzten Partikel weist sie eine Leitfähigkeit unterhalb von kleiner als 10–11 S·cm–1 auf. Die Messung der Leitfähigkeit erfolgt nach einem dem Fachmann bekannten Verfahren.Preferably, in the first and / or second or any further coating of the method according to the invention, the dispersion by spin coating, knife coating, dropping, screen printing, dip coating, or spray coating applied to the substrate and then the liquid phase are expelled by the entry of thermal energy to obtain a layer having a conductivity of 5 × 10 -8 to 1 × 10 3 S · cm -1 , preferably 1 × 10 -5 to 100 S · cm -1 , more preferably 1 × 10 -3 to 10 S · cm -1 . Particularly preferably, in the first and / or second or any further coating of the process according to the invention, the liquid phase can be expelled in an oven or under hot inert gas. This procedure has the advantage that a coating resistant to rinsing can be obtained. Regardless of the doping of the particles used, it has a conductivity below less than 10 -11 S · cm -1 . The conductivity is measured by a method known to the person skilled in the art.
Vorteilhaft kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Substrat eingesetzt werden, das ausgewählt ist aus organischem, anorganischem Material, oder einem Verbund aus zumindest einem organischen und/oder zumindest einem anorganischen Material, wobei das Substrat vorzugsweise resistent gegen Fluorwasserstoffsäure ist. Bevorzugt kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Substrat eingesetzt werden, das eine Gesamtdicke unter 1 cm, besonders bevorzugt unter 1 mm, ganz besonders bevorzugt unter 0.4 mm aufweist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem resistenten Substrat ein Substrat verstanden, das im Schritt D des erfindungsgemäßen Verfahrens weder aufgelöst, geätzt, noch beschädigt wird.Advantageous In the process according to the invention, a substrate can be used can be used, which is selected from organic, inorganic material, or a composite of at least one organic and / or at least one inorganic material, wherein the substrate preferably resistant to hydrofluoric acid. In the process according to the invention, preference may be given a substrate can be used which has a total thickness of less than 1 cm, especially preferably less than 1 mm, most preferably less than 0.4 mm. In the context of the present invention is under a resistant substrate a substrate understood in step D of the invention Procedure neither dissolved, etched nor damaged becomes.
Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Substrat eingesetzt, das ausgewählt ist aus den Materialien Saphir, Glas, Quarz oder Keramiken, durch chemische Gasphasenabscheidung aufgebrachter Diamant auf einem Träger, ausgewählt aus Glas, Quarz oder Keramiken, oder ausgewählt ist aus Polymeren, besonders bevorzugt ausgewählt aus Polyethylenterephthalat, Polyimid, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyamid, Polyethyletherketon (PEEK), Polypropylen, Polyethylen, Polymethylmethacrylat (PMMA), oder einer Kombination dieser Substrate. Außerordentlich bevorzugt kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Substrat eingesetzt werden, das ausgewählt ist aus Polymerfolie, ausgewählt aus Polyethylenterephthalat, Polyimid, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyamid, Polyethyletherketon (PEEK), Polypropylen, Polyethylen, Polymethylmethacrylat (PMMA), oder einer Kombination dieser Substrate.Preferably becomes a substrate in the process according to the invention used, which is selected from the materials sapphire, Glass, quartz or ceramics, by chemical vapor deposition applied diamond on a support, selected made of glass, quartz or ceramics, or is selected from Polymers, particularly preferably selected from polyethylene terephthalate, Polyimide, polyvinyl chloride, polystyrene, polyamide, polyethyletherketone (PEEK), polypropylene, polyethylene, polymethyl methacrylate (PMMA), or a combination of these substrates. extraordinarily in the process according to the invention, preference may be given a substrate can be used which is selected from Polymeric film selected from polyethylene terephthalate, polyimide, polyvinyl chloride, Polystyrene, polyamide, polyethyletherketone (PEEK), polypropylene, Polyethylene, polymethylmethacrylate (PMMA), or a combination of these Substrates.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn bei dem jeweiligen Behandlungsschritt mit Fluorwasserstoff eine Lösung enthaltend Fluorwasserstoff und Wasser in einer Konzentration des Fluorwasserstoffs von 0,01 Gew.-% bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Lösung enthaltend Fluorwasserstoff und Wasser, durch Eintauchen, Auftropfen, Aufsprühen oder Überspülen, und bei einer Temperatur zwischen 10°C und 70°C, und während einer Zeitdauer zwischen 1 s und 1 Stunde aufgebracht wird, wobei eine Schicht erhalten wird, die eine elektrische Leitfähigkeit von 5·10–11 bis 10–7 S·cm–1, bevorzugt 10–10 bis 5·10–8 S·cm–1, aufweist.In the method according to the invention, it may be advantageous if in the respective treatment step with hydrogen fluoride, a solution containing hydrogen fluoride and water in a concentration of hydrogen fluoride from 0.01 wt .-% to 50 wt .-%, based on the total mass of the solution containing hydrogen fluoride and water, by dipping, dripping, spraying or rinsing, and at a temperature between 10 ° C and 70 ° C, and applied for a period between 1 s and 1 hour, to obtain a layer having an electrical conductivity of 5 · 10 -11 to 10 -7 S · cm -1 , preferably 10 -10 to 5 · 10 -8 S · cm -1 .
Besonders bevorzugt kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren bei dem jeweiligen Behandlungsschritt mit Fluorwasserstoff eine Lösung enthaltend Fluorwasserstoff und Wasser in einer Konzentration des Fluorwasserstoffs von 1 bis 30 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von 5 bis 15 Gew.-%, und bei einer Temperatur bevorzugt von 15°C bis 40°C, besonders bevorzugt zwischen 18°C bis 30°C, und während einer Dauer bevorzugt von 5 s bis 5 Minuten, besonders bevorzugt von 10 s bis 60 s eingesetzt werden.Particularly preferably, in the process according to the invention in the respective treatment step with hydrogen fluoride, a solution containing hydrogen fluoride and water in a concentration of hydrogen fluoride from 1 to 30 wt .-%, most preferably from 5 to 15 wt .-%, and at one temperature from 15 ° C to 40 ° C, more preferably between 18 ° C to 30 ° C, and for a duration preferably from 5 seconds to 5 minutes, more preferably from 10 seconds to 60 s be used.
Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren die jeweils nach einem der Behandlungsschritte mit Fluorwasserstoff erhaltene Schicht in einem weiteren Schritt in Wasser getaucht oder abgespült wird und anschließend mit trockenem Stickstoff abgeblasen wird, oder anschließend bei einer Temperatur von 60 bis 200°C getrocknet wird.It may also be advantageous if in the inventive Process each obtained after one of the treatment steps with hydrogen fluoride Layer dipped in a further step in water or rinsed and then blown off with dry nitrogen is, or subsequently at a temperature of 60 to 200 ° C is dried.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die jeweilige thermische Behandlung vorzugsweise durch Eintrag von Wärmeenergie, besonders bevorzugt durch Absorption von Lichtenergie, ganz besonders bevorzugt durch Absorption von Blitzlampenlicht, mit einer Leistungsdichte von 10 kW·cm–2 bis 65 MW·cm–2 erfolgen, wobei die Partikel der nach einem der Behandlungsschritte mit Fluorwasserstoff erhaltenen Schicht zumindest teilweise versintert werden.In the method according to the invention, the respective thermal treatment may preferably be effected by introducing heat energy, more preferably by absorbing light energy, most preferably by absorbing flash lamp light, with a power density of 10 kW · cm -2 to 65 MW · cm -2 the particles of the layer obtained after one of the treatment steps with hydrogen fluoride are at least partially sintered.
Bevorzugt kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren der Eintrag von Wärmeenergie durch Laserlicht mit einer Wellenlänge von 500 bis 1100 nm, weiters bevorzugt von 505 bis 850 nm, besonders bevorzugt von 510 bis 650 nm, ganz besonders bevorzugt von 530 bis 600 nm erfolgen. Falls gepulstes Laserlicht eingesetzt wird kann die Wärmeenergie mit einer Energiedichte von 1 mJ·cm–2 bis 500 mJ·cm–2, bevorzugt 10 mJ·cm–2 bis 200 mJ·cm–2, weiter bevorzugt 50 mJ·cm–2 bis 150 mJ·cm–2, eingetragen werden und das Laserlicht mit einer Pulsdauer von 8 ns bis 20 ns und einer Anzahl von 10 bis 100 Pulsen bei einer Pulswiederholrate von 0,01·s–1 bis 10 s–1 mit einer Pulsfolge eingesetzt wird.In the method according to the invention, the input of heat energy by laser light with a wavelength of 500 to 1100 nm, more preferably from 505 to 850 nm, particularly preferably from 510 to 650 nm, very particularly preferably from 530 to 600 nm, can preferably take place. If pulsed laser light is used, the heat energy can be at an energy density of 1 mJ · cm -2 to 500 mJ · cm -2 , preferably 10 mJ · cm -2 to 200 mJ · cm -2 , more preferably 50 mJ · cm -2 to 150 mJ · cm -2 , and the laser light having a pulse duration of 8 ns to 20 ns and a number of 10 to 100 pulses at a pulse repetition rate of 0.01 · s -1 to 10 s -1 is used with a pulse train ,
Vorzugsweise erfolgt der Energieeintrag aus 10 bis 30 Pulsen ansteigender Energiedichte, beginnend bei einer Energiedichte von 10 mJ cm–2 bis 30 mJ cm–2 und ansteigend bis zu einer Energiedichte von 60 mJ cm–2 bis 200 mJ cm–2. Die auf diese Weise maximal eingebrachte Energiedichte bestimmt wesentlich die Eigenschaften der Schicht. Die mit den Pulsen akkumulierte Energiedichte beträgt somit von 400 bis 5000 mJ cm–2.Preferably, the energy input is from 10 to 30 pulses of increasing energy density, starting at an energy density of 10 mJ cm -2 to 30 mJ cm -2 and increasing up to an energy density of 60 mJ cm -2 to 200 mJ cm -2 . The maximum energy density introduced in this way essentially determines the properties of the layer. The energy density accumulated with the pulses is thus from 400 to 5000 mJ cm -2 .
Besonders bevorzugt kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren der Eintrag von Wärmeenergie durch Laserlicht mit einer Energiedichte von 20 bis 100 mJ·cm–2 erfolgen. Außerordentlich bevorzugt kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wärmeenergie durch einen Nd:YAG Laser mit der Wellenlänge 532 nm eingetragen werden. Ganz besonders bevorzugt kann die Wärmeenergie bis zum Versintern der nach Schritt D des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Schicht zugeführt werden.In the method according to the invention, particularly preferably, the input of heat energy by laser light can take place with an energy density of 20 to 100 mJ cm -2 . In the method according to the invention, the heat energy can be registered by an Nd: YAG laser with the wavelength 532 nm extremely highly. Most preferably, the thermal energy can be supplied to the sintering of the layer obtained according to step D of the method according to the invention.
Die nachfolgenden Abbildungen sollen die erfindungsgemäße Struktur näher erläutern, ohne dass die vorliegende Erfindung auf diese Ausführungsformen beschränkt sein soll.The The following illustrations are intended to illustrate the invention Explain structure in more detail without the present Invention limited to these embodiments should be.
Im Folgenden wird der Gegenstand der vorliegenden Erfindung beispielhaft beschrieben, ohne dass die Erfindung, deren Schutzumfang sich aus den Ansprüchen und der Beschreibung ergibt, darauf beschränkt sein soll.in the The following will illustrate the subject matter of the present invention described, without the invention, the scope of which is apparent from the Claims and the description is limited thereto should be.
Beispiele:Examples:
Beispiel 1example 1
Mögliche Prozessschritte: Angegeben sind Verfahrenschritte a) bis j), die der Herstellung eines thermoelektrischen Bauelemenst dienen. Die Schritte k) bis l) dienen der elektrischen Kontaktierung und Charakterisierung.Possible process steps: Specified Method steps a) to j), which serve to produce a thermoelectric Bauelemenst. Steps k) to l) serve for electrical contacting and characterization.
a) Substrata) substrate
- Polyimidfolie Kapton® (DuPontTM) 125 μm dick Polyimide film Kapton ® (DuPont TM) 125 microns thick
- Reinigen mit Aceton/IsopropanolClean with acetone / isopropanol
- Trocknen mit trockenem StickstoffDry with dry nitrogen
b) Strukturierungb) structuring
- Aufspinnen positiver Photolack S1818 (Microposit) 40 s @4000 rpmSpinning up positive photoresist S1818 (Microposit) 40 s @ 4000 rpm
- Trocknen 10 min. in Ofen @ 90°CDrying for 10 min. in oven @ 90 ° C
- Belichten 10 s durch lithographische MaskeExposure 10 s through lithographic mask
- Entwickeln 15 s in Entwickler (Microposit)Develop for 15 s in developer (Microposit)
- Spülen in Wasser, Trockenblasen mit StockstoffRinse in water, dry bubbles with stock
- Alternativen: Strukturierung mit DruckverfahrenAlternatives: Structuring with printing process
- Strukturierung durch Laser Ablation etc.Structuring by laser ablation etc.
c) Siliciumschichtc) silicon layer
- Dispersion 6%Gew. in EthanolDispersion 6% wt. in ethanol
- Dispergieren in Rüttler mit ZrO2-Perlen @ 1000–1400 rpm 4 h–18 hDispersing in shaker with ZrO 2 beads @ 1000-1400 rpm 4 h-18 h
- (Eppendorf Thermomixer compact)(Eppendorf Thermomixer compact)
- Aufspinnen 40 s @ 1000–2000 rpmSpinning 40 s @ 1000-2000 rpm
- Trocknen 5–10 min @ 90°C OfenDry 5-10 min @ 90 ° C oven
- Schichtdicke typischerweise 0.5–1.0 μmLayer thickness typically 0.5-1.0 microns
d) evtl. Lift-off zur Strukturierung:d) possibly lift-off for structuring:
- Eintauchen in Aceton für 10 s, Spülen mit Aceton, Trockenblasen mit StickstoffImmerse in acetone for 10 sec, rinse with acetone, dry bubbles with nitrogen
e) evtl. erneutes Aufbringen von Photolack w. o. zur Strukturierung einer zweiten Schicht vor dem Lasersintern der ersten, a)–d)e) possibly renewed application of photoresist w. o. For structuring a second layer before the laser sintering the first, a) -d)
f) Nasschemisches Ätzenf) wet chemical etching
- Eintauchen in 5–10% HF für 20 sImmerse in 5-10% HF for 20 s
- Abspülen in Wasser, Trockenblasen mit StickstoffRinse in water, blow dry with nitrogen
g) Lasersinterng) laser sintering
- Frequenzverdoppelter Nd:YAG Laser bei 532 nm: 10 Pulse ansteigender Energiedichte beginnend bei 20 mJ/cm2, ansteigend bis 80–140 mJ/cm2, die besten Ergebnisse zwischen 100–120 mJ/cm2.Frequency-doubled Nd: YAG laser at 532 nm: 10 pulses of increasing energy density starting at 20 mJ / cm 2 , increasing to 80-140 mJ / cm 2 , the best results between 100-120 mJ / cm 2 .
- Die meisten Proben zeigen starke Abnahme der Schichtqualität bei Energiedichten oberhalb 140–160 mJ/cm2 Most samples show a strong decrease in film quality at energy densities above 140-160 mJ / cm 2
h) evtl. Strukturierung nach Lasersintern mittels Lithographie b), geeigneter Ätzschritt z. B. reaktives Ionenätzen (RIE), lift-off d)h) possibly structuring after laser sintering by lithography b), suitable etching step z. B. reactive Ion etching (RIE), lift-off d)
i) evtl. Aufbringen zweiter Schicht und Strukturierung nach Lasersintern der ersten Schicht b)–d), f)–h)i) possibly applying the second layer and Structuring after laser sintering of the first layer b) -d), f) -h)
j) Aufbringen metallischer Kontaktej) applying metallic contacts
- Thermisches Aufdampfen bzw. Sputtern von Kontakten aus Al, Au, Ag etc. durch Schattenmaske oder nach Strukturierung b)Thermal vapor deposition or sputtering of contacts made of Al, Au, Ag etc. by shadow mask or after structuring b)
- Schichtdicke ca. 80–500 nmLayer thickness about 80-500 nm
- anschließend lift-off d)subsequently lift-off d)
- Alternative: Aufdrucken leitfähiger/metallischer PastenAlternative: printing of conductive / metallic pastes
k) Kontaktierung/Verdrahtungk) contacting / wiring
- Anschluss geeigneter Steckverbindungen, die mit den verwendeten Messgeräten kompatibel sindConnection of suitable plug-in connections with the ones used Measuring instruments are compatible
l) Messen/Charakterisierenl) measuring / characterizing
- Messung der Leitfähigkeit an Raumbedingungen und zwischen 80 und 450 K im Vakuum als Funktion der Temperatur mit einer Spannungsquelle/Strommessgerät z. B. Keithley K6517.Measurement of the conductivity at room conditions and between 80 and 450 K in vacuum as a function of temperature with a voltage source / ammeter z. Keithley K6517.
- Anlegen eines festen Temperaturgradienten von z. B. 100 K–320 K unter Raumbedingungen, z. B. durch einen heißen Spitzenkontakt. Messen der auftretenden Thermospannung mit einem hochohmigen Elektrometer, z. B. Keithley K6517.Applying a fixed temperature gradient of z. B. 100 K-320 K under room conditions, z. B. by a hot tip contact. Measuring the occurring thermal voltage with a high-resistance electrometer, z. Keithley K6517.
- Oder: Anlegen eines variablen Temperaturgradienten bei veränderlicher mittlerer Temperatur im Temperaturbereich zwischen 80 K und 450 K im Vakuum durch teilweisen Kontakt mit zwei getrennten Temperaturreglern. Messen der auftretenden Thermospannung mit einem hochohmigen Elektrometer, z. B. Keithley K6517 als Funktion der mittleren Temperatur.Or: applying a variable temperature gradient with variable average temperature in the temperature range between 80 K and 450 K in vacuum by partial contact with two separate temperature controllers. Measuring the occurring thermal voltage with a high-resistance electrometer, z. Keithley K6517 as a function of mean temperature.
Beispiel 1aExample 1a
Ein Substrat nach a) wird nach der Methode a) gereinigt und getrocknet.One Substrate a) is purified by the method a) and dried.
Zum Aufbringen von strukturierten, streifenförmigen n-dotierten Siliciumschichten auf das Substrat wird die Methode c) verwendet, wobei abweichend von der Methode c) eine Dispersion von 13 Gew.-% n-dotiertes Silicium in Ethanol verwendet wird, das abweichend von der Methode c) mit Siebdruck statt durch Aufspinnen aufgebracht wird.To the Application of structured, strip-shaped n-doped Silicon layers on the substrate, the method c) is used, wherein, deviating from method c), a dispersion of 13% by weight n-doped silicon is used in ethanol, which differs from method c) applied by screen printing instead of by spinning becomes.
Die Dispersion wird in Form von rechteckigen Streifen aufgebracht, die 6 mm breit und 5 cm lang sind. Die Streifen sind mit ihrer langen Kante parallel zueinander und besitzen einen Abstand von 10 mm voneinander, wobei die kurzen Kanten auf einer Linie liegen.The dispersion is applied in the form of rectangular strips which are 6 mm wide and 5 cm long. The strips are parallel with each other with their long edge and have a distance of 10 mm from each other, with the short edges on one Line lie.
Zum Aufbringen von strukturierten, streifenförmigen p-dotierten Siliciumschichten auf das Substrat wird die Methode c) verwendet, wobei abweichend von der Methode c) eine Dispersion von 13% Gew.-% p-dotiertes Silicium in Ethanol verwendet wird, das abweichend von der Methode c) mit Siebdruck statt durch Aufspinnen aufgebracht wird.To the Application of structured, strip-shaped p-doped Silicon layers on the substrate, the method c) is used, wherein, deviating from method c), a dispersion of 13% by weight p-doped silicon in ethanol is used, which is different from method c) applied by screen printing instead of by spinning becomes.
Die Dispersion wird in Form von rechteckigen Streifen aufgebracht, die 6 mm breit und 5 cm lang sind. Die Streifen sind mit ihrer langen Kante parallel zueinander und besitzen einen Abstand von 10 mm voneinander, wobei die kurzen Kanten auf einer Linie liegen.The Dispersion is applied in the form of rectangular strips which 6 mm wide and 5 cm long. The stripes are with their long ones Edge parallel to each other and have a distance of 10 mm from each other, where the short edges are in line.
Diese Dispersion wird so mittig zwischen die n-dotierten Siliciumstreifen aufgebracht, dass sie zueinander parallel sind und ihre kurzen Kanten alle auf einer Linie liegen.These Dispersion thus becomes centered between the n-doped silicon stripes applied that they are parallel to each other and their short edges all lie in one line.
Die Dicke der p-dotierten und der n-dotierten Schicht beträgt 5 μm.The Thickness of the p-doped and the n-doped layer is 5 μm.
Danach erfolgt Lasersintern der Siliciumstreifen nach der Methode g).After that Laser sintering of the silicon strips is carried out according to the method g).
Danach werden nach der Methode j) metallische Kontakte durch thermisches Verdampfen von Aluminium durch eine Schattenmaske aufgebracht. Die Kontakte sind in Form zweier rechteckiger Felder angeordnet, von denen das erste aus der Länge nach in einer Reihe angeordneter, rechteckiger Kontakte besteht, deren Länge jeweils 14 mm und deren Breite 5 mm beträgt. Der Abstand zwischen benachbarten Kontakten in dieser Reihe beträgt jeweils 2 mm. Das zweite Feld besteht ebenfalls aus der Länge nach in einer Reihe angeordneter, rechteckiger Kontakte, deren Länge jeweils 14 mm und deren Breite 5 mm beträgt, mit Ausnahme des ersten und des letzten Kontaktes dieser zweiten Reihe. Diese beiden Kontakte haben jeweils nur eine Länge von 6 mm bei einer Breite von 5 mm. Der Abstand zwischen benachbarten Kontakten in dieser zweiten Reihe beträgt auch jeweils 2 mm.After that become by the method j) metallic contacts by thermal Evaporation of aluminum applied through a shadow mask. The Contacts are arranged in the form of two rectangular fields, from the first, arranged lengthwise in a row, rectangular contacts, each with a length of 14 mm and whose width is 5 mm. The distance between adjacent contacts in this row is 2 mm each. The second field exists also arranged lengthwise in a row, rectangular contacts, each with a length of 14 mm and their Width is 5 mm, except for the first and last Contact this second series. These two contacts each have only a length of 6 mm with a width of 5 mm. Of the Distance between adjacent contacts in this second row is also 2 mm each.
Diese beiden rechteckigen Felder liegen parallel zueinander, wobei ihre kurzen Kanten bündig miteinander abschließen. Der Abstand zwischen den beiden Feldern beträgt 40 mm.These both rectangular fields are parallel to each other, with their flush short edges with each other. The distance between the two fields is 40 mm.
Die Schattenmaske wird so an den Siliciumstreifen ausgerichtet, dass die langen Seiten der Kontakte senkrecht zu den Siliciumstreifen ausgerichtet sind, die äußeren Kanten der Kontakte jeweils bündig mit den äußeren Kanten der kurzen Kanten der Siliciumstreifen abschließen und so jeweils Überlapp zwischen den Kontakten und den Enden der Siliciumstreifen auf Flächen von 5 mm × 6 mm entsteht.The Shadow mask is aligned with the silicon strip so that the long sides of the contacts perpendicular to the silicon strips aligned, the outer edges of the contacts each flush with the outer edges complete the short edges of the silicon strips and so each overlap between the contacts and the ends the silicon strip on areas of 5 mm × 6 mm arises.
Die Dicke der Aluminiumkontakte beträgt 500 nm.The Thickness of the aluminum contacts is 500 nm.
Beispiel 1bExample 1b
Ein Substrat nach a) wird nach der Methode a) gereinigt und getrocknet.One Substrate a) is purified by the method a) and dried.
Nach der Methode j) werden metallische Kontakte durch thermisches Verdampfen von Aluminium durch eine Schattenmaske auf das Substrat aufgebracht. Die Kontakte sind in Form zweier rechteckiger Felder angeordnet, von denen das erste aus der Länge nach in einer Reihe angeordneter, rechteckiger Kontakte besteht, deren Länge jeweils 14 mm und deren Breite 5 mm beträgt. Der Abstand zwischen benachbarten Kontakten in dieser Reihe beträgt jeweils 2 mm. Das zweite Feld besteht ebenfalls aus der Länge nach in einer Reihe angeordneter, rechteckiger Kontakte, deren Länge jeweils 14 mm und deren Breite 5 mm beträgt, mit Ausnahme des ersten und des letzten Kontaktes dieser zweiten Reihe. Diese beiden Kontakte haben jeweils nur eine Länge von 6 mm bei einer Breite von 5 mm. Der Abstand zwischen benachbarten Kontakten in dieser zweiten Reihe beträgt auch jeweils 2 mm.To of method j) are metallic contacts by thermal evaporation of aluminum applied by a shadow mask on the substrate. The contacts are arranged in the form of two rectangular fields, of which the first is arranged in a row lengthwise, rectangular contacts, whose length is 14 mm each and whose width is 5 mm. The distance between adjacent ones Contacts in this row is 2 mm each. The second Field also consists of lengthwise in a row arranged, rectangular contacts whose length each 14 mm and its width is 5 mm, with the exception of the first and the last contact of this second series. These two contacts each have only a length of 6 mm at a width of 5 mm. The distance between adjacent contacts in this second Row is also 2 mm each.
Diese beiden rechteckigen Felder liegen parallel zueinander, wobei ihre kurzen Kanten bündig miteinander abschließen. Der Abstand zwischen den beiden Feldern beträgt 40 mm.These both rectangular fields are parallel to each other, with their flush short edges with each other. The distance between the two fields is 40 mm.
Die Dicke der Aluminiumkontakte beträgt 500 nm.The Thickness of the aluminum contacts is 500 nm.
Zum Aufbringen von strukturierten, streifenförmigen n-dotierten Siliciumschichten auf das mit Aluminium teilweise bedampfte Substrat wird die Methode c) verwendet, wobei abweichend von der Methode c) eine Dispersion von 13% Gew.-% n-dotiertes Silicium in Ethanol verwendet wird, das abweichend von der Methode c) mit Siebdruck statt durch Aufspinnen aufgebracht wird.To the Application of structured, strip-shaped n-doped Silicon layers on the aluminum partially vaporized substrate method c) is used, which differs from the method c) a dispersion of 13% by weight of n-doped silicon in ethanol which is different from the method c) with screen printing instead of being applied by spinning.
Die Siliciumstreifen werden dabei so an den Aluminiumkontakten ausgerichtet, dass sie streifenförmig, rechteckig, parallel zueinander und senkrecht zu den langen Seiten der Aluminiumkontakte liegen, wobei die Siliciumstreifen 6 mm breit und 5 cm lang sind und voneinander einen Abstand von 10 mm besitzen. Die langen äußeren Kanten der Siliciumstreifen liegen dabei in einer Linie mit den kurzen Kanten der Aluminiumstreifen. Die kurzen Kanten der Siliciumstreifen schließen jeweils bündig mit den äußeren Kanten der Kontakte ab, so dass jeweils Überlapp zwischen den Enden der Siliciumstreifen und den Kontakten auf Flächen von 5 mm × 6 mm entsteht.The Silicon strips are aligned with the aluminum contacts, that they are strip-shaped, rectangular, parallel to each other and perpendicular to the long sides of the aluminum contacts, wherein the silicon strips are 6 mm wide and 5 cm long and from each other have a distance of 10 mm. The long outer ones Edges of the silicon strips lie in a line with the short edges of the aluminum strips. The short edges of the silicon strips close each flush with the outer edges the contacts off, so that each overlap between the Ends of the silicon strips and the contacts on surfaces of 5 mm × 6 mm is formed.
Zum Aufbringen von strukturierten, streifenförmigen p-dotierten Siliciumschichten auf das mit Aluminium teilweise bedampfte Substrat und mit n-dotiertem Silicium teilweise beschichtete Substrat wird die Methode c) verwendet, wobei abweichend von der Methode c) eine Dispersion von 13% Gew.-% p-dotiertes Silicium in Ethanol verwendet wird, das abweichend von der Methode c) mit Siebdruck statt durch Aufspinnen aufgebracht wird.For applying structured, strip-shaped p-doped silicon layers on the with Aluminum partially vapor-deposited substrate and with n-doped silicon partially coated substrate, the method c) is used, which deviates from the method c) a dispersion of 13% by weight of p-doped silicon in ethanol is used, which differs from the method c) is applied by screen printing instead of by spinning.
Diese Dispersion wird so mittig zwischen die n-dotierten Siliciumstreifen aufgebracht, dass die n-dotierten und die p-dotierten Siliciumstreifen zueinander parallel sind und ihre kurzen Kanten alle auf einer Linie liegen.These Dispersion thus becomes centered between the n-doped silicon stripes applied to the n-doped and the p-doped silicon strips are parallel to each other and their short edges all in one line lie.
Die Dicke der p-dotierten und der n-dotierten Schicht beträgt 5 μm.The Thickness of the p-doped and the n-doped layer is 5 μm.
Danach erfolgt Lasersintern der Siliciumstreifen nach der Methode g).After that Laser sintering of the silicon strips is carried out according to the method g).
Beispiel 2Example 2
- 1. Flexible Foliensubstrate (Polyimid, z. B. Kapton (Dupont)) werden mit einer Dispersion aus Siliciumpartikeln in Ethanol (6 Gewichtsprozent) in einer Schichtdicke von 1 μm lateral strukturiert beschichtet. Die Dotierung der Partikel ist so gewählt, dass eine Dotierkonzentration von 1019 cm–3 vorliegt (entsprechend einer Zugabe von 0.01% Diboran bzw. 0.4% Phosphin im Verhältnis zum eingesetzten Silan oder Silan/German bei der Herstellung in einem Plasmareaktor).1. Flexible film substrates (polyimide, eg Kapton (Dupont)) are laterally structured with a dispersion of silicon particles in ethanol (6% by weight) in a layer thickness of 1 μm. The doping of the particles is selected so that a doping concentration of 10 19 cm -3 is present (corresponding to an addition of 0.01% diborane or 0.4% phosphine in relation to the silane used or silane / German when produced in a plasma reactor).
- 2. Durch einen nasschemischen Ätzschritt (10% Flusssäure in Wasser, 30 s) wird das Oxid der Partikel entfernt.2. By a wet-chemical etching step (10% hydrofluoric acid in water, 30 s), the oxide of the particles is removed.
- 3. Um Schichtsysteme zu realisieren wird eine zweite Schicht aus Siliciumpartikeln strukturiert aufgebracht, die teilweise mit der ersten Schicht überlappt. Die Dotierungen beider Schichten haben dabei insbesondere unterschiedliche Polaritäten.3. To realize layer systems becomes a second layer made of silicon particles, partially coated with silicon the first layer overlaps. The dopings of both layers in particular have different polarities.
- 4. Mit einem gepulsten Nd:YAG-Laser (532 nm, 8 ns Pulsdauer) werden die Schichten thermisch behandelt. Hierbei werden Pulssequenzen von jeweils 10 Laserpulsen bei einer Pulswiederholrate von 1/s eingesetzt. Die Energiedichte der Laserstrahlung wird innerhalb jeder Pulssequenz schrittweise erhöht, bis zu einer Energiedichte von 80–120 mJ/cm2.4. With a pulsed Nd: YAG laser (532 nm, 8 ns pulse duration), the layers are thermally treated. Pulse sequences of 10 laser pulses each are used at a pulse repetition rate of 1 / s. The energy density of the laser radiation is increased stepwise within each pulse sequence, up to an energy density of 80-120 mJ / cm 2 .
Der ideale Wert für die Dotierung der Schichten für thermoelektrische Anwendungen wurde bestimmt, indem gezielt unterschiedlich hohe Dotierkonzentrationen zur Schichtherstellung verwendet wurden, und die Größe der Thermokraft danach experimentell bestimmt wurde.Of the ideal value for the doping of the layers for thermoelectric applications was determined by deliberately different high doping concentrations were used for layer production, and the size of the thermoelectric power thereafter experimentally was determined.
Alternativ
kann auch ein Thermoelement nach
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