TY  - THES
A1  - Hüwe, Florian
T1  - Electrothermal Investigation on Charge and Heat Transport in the Low-Dimensional Organic Conductor (DCNQI)\(_2\)Cu
T1  - Elektrothermische Untersuchung des Ladungs- und Wärmetransports an dem niederdimensionalen organischen Leiter (DCNQI)\(_2\)Cu
N2  - This thesis aimed at the coherent investigation of the electrical and thermal transport properties of the low-dimensional organic conductor (DCNQI)2M (DCNQI: dicyanoquinonediimine; M: metallic counterion). These radical anion salts present a promising, new material class for thermoelectric applications and hence, a consistent characterization of the key parameters is required to evaluate and to optimize their performance. For this purpose, a novel experimental measurement setup enabling the determination of the electrical conductivity, the Seebeck coefficient and the thermal conductivity on a single crystalline specimen has been designed and implemented in this work. The novel measurement setup brought to operation within this thesis enabled a thorough investigation of the thermal transport properties in the (DCNQI)2M system. The thermal conductivity of (DCNQI-h8)2Cu at RT was determined to κ=1.73 W m^(-1)  K^(-1). By reducing of the copper content in isostructural, crystalline (DMe-DCNQI)2CuxLi1-x alloys, the electrical conductivity has been lowered by one order of magnitude and the correlated changes in the thermal conductivity allowed for a verification of the Wiedemann-Franz (WF) law at RT. A room temperature Lorenz number of L=(2.48±0.45)⋅〖10〗^(-8)  WΩK^(-2) was obtained in agreement with the standard Lorenz number L_0=2,44⋅〖10〗^(-8)  WΩK^(-2) for 3D bulk metals. This value appears to be significantly reduced upon cooling below RT, even far above the Debye temperature of θ_D≈82 K, below which a breakdown of the WF law is caused by different relaxation times in response to thermal and to electric field perturbations. The experimental data enabled the first consistent evaluation of the thermoelectric performance of (DCNQI)$_2$Cu. The RT power factor of 110 μWm^(-1) K^(-2) is comparable to values obtained on PEDOT-based thermoelectric polymers. The RT figure of merit amounts to zT=0.02 which falls short by a factor of ten compared to the best values of zT=0.42 claimed for conducting polymers. It originates from the larger thermal conductivity in the organic crystals of about 1.73 W m^(-1) K^(-1) in (DCNQI)2Cu. Yet, more elaborate studies on the anisotropy of the thermal conductivity in PEDOT polymers assume their figure of merit to be zT=0.15 at most, recently. Therefore, (DCNQI)2Cu can be regarded as thermoelectric material of similar performance to polymer-based ones. Moreover, it represents one of the best organic n-type thermoelectric materials to date and as such, may also become important in hybrid thermoelectrics in combination with conducting polymers. Upon cooling below room temperature, (DCNQI)2Cu reveals its full potential attaining power factors of 50 mW K^(-2) m^(-1) and exceeding values of zT>0.15 below 40 K. These values represent the best thermoelectric performance in this low-temperature regime for organic as well as inorganic compounds and thus, low-dimensional organic conductors might pave the way toward new applications in cryogenic thermoelectrics. Further improvements may be expected from optimizing the charge carrier concentration by taking control over the CT process via the counterion stack of the crystal lattice. The concept has also been demonstrated in this work. Moreover, the thermoelectric performance in the vicinity of the CDW transition in (MeBr-DCNQI)2Cu was found to be increased by a factor of 5. Accordingly, the diversity of electronic ground states accessible in organic conductors provides scope for further improvements. Finally, the prototype of an all-organic thermoelectric generator has been built in combination with the p-type organic metal TTT2I3. While it only converts about 0.02% of the provided heat into electrical energy, the specific power output per active area attains values of up to 5 mW cm^(-2). This power output, defining the cost-limiting factor in the recovery of waste heat, is three orders of magnitude larger than in conducting polymer devices and as such, unrivaled in organic thermoelectrics. While the thermoelectric key parameters of (DCNQI)2Cu still lack behind conventional thermoelectrics made of e.g. Bi2Te3, the promising performance together with its potential for improvements make this novel material class an interesting candidate for further exploration. Particularly, the low-cost and energy-efficient synthesis routes of organic materials highlight their relevance for technological applications.
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit war die umfassende Untersuchung der elektrischen und thermischen Transportgrößen von quasi-eindimensionalen, leitfähigen Radikalanionensalzen basierend auf dem Dicyanochinondiimin-Molekül (DCNQI). Diese kristallinen (DCNQI)2M (M: Metallion) Verbindungen stellen eine vielversprechende, neuartige Materialklasse für thermoelektrische Anwendungen dar, weshalb eine konsistente Charakterisierung der thermoelektrischen Kenngrößen von großem wissenschaftlichen Interesse ist. Dafür wurde in dieser Arbeit ein neuer experimenteller Aufbau entwickelt und in Betrieb genommen, der die Messung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie des Seebeck-Koeffizienten an einer einzigen Kristallprobe ermöglicht. Der neu etablierte Messaufbau ermöglichte eine grundlegende Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit in der (DCNQI)2M Materialklasse, wobei für (DCNQI-h8)2Cu Cu ein Raumtemperaturwert von to κ=1.73 W m^(-1)  K^(-1) ermittelt werden konnte. Durch eine Variation des Kupferanteils in (DMe-DCNQI)2CuxLi1-x Mischkristallen konnte die elektrische Leitfähigkeit über eine Größenordnung variiert und die korrelierten Änderungen der Wärmeleitfähigkeit studiert werden. Dies erlaubte eine Bestätigung des Wiedemann-Franz (WF) Gesetzes bei RT mit einer Lorenzzahl von of L=(2.48±0.45)⋅〖10〗^(-8)  WΩK^(-2), welche im Rahmen des Fehlers der nach dem Sommerfeld-Modell erwarteten Lorenzzahl von  L_0=2,44⋅〖10〗^(-8)  WΩK^(-2) für dreidimensionale Metalle entspricht. Unterhalb von RT ist das Wiedemann-Franz Gesetz in seiner etablierten Form jedoch nicht mehr erfüllt und unterschiedliche Relaxationszeiten für thermische und elektrische Störungen der elektronischen Fermi-Verteilung treten bereits weit oberhalb der Debye Temperatur von θ_D≈82 K auf. Die in dieser Arbeit gewonnenen, experimentellen Daten erlauben zum ersten Mal eine konsistente Evaluierung der thermoelektrischen Kenngrößen von (DCNQI)2Cu Radikalanionensalzen. Ein thermoelektrischer Leistungsfaktor von 110 μWm^(-1) K^(-2) konnte bei RT nachgewiesen werden, welcher vergleichbar mit den zur Zeit besten organischen Thermoelektrika basierend auf dem lochleitenden Polymer PEDOT ist. Die thermoelektrische Gütezahl erreicht bei RT einen Wert von zT=0.02, welcher aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit von 1.73 W m^(-1) K^(-1) in (DCNQI)2Cu etwa eine Größenordnung schlechter ist als die höchste, publizierte Gütezahl für PEDOT:PSS. Literaturwerte für leitfähige Polymere sind jedoch häufig aufgrund der Anisotropie der Transportgrößen überschätzt, wenn die thermoelektrischen Kenngrößen nicht in einer einheitlichen Probenrichtung gemessen werden. Daher kann die thermoelektrische Leistungsfähigkeit von (DCNQI)2Cu zumindest als vergleichbar betrachtet werden. Hinzu kommt, dass (DCNQI)2Cu eines der besten organischen Thermoelektrika mit negativen Majoritätsladungsträgern ist und deshalb für thermoelektrische Hybridgeneratoren in Kombination mit lochleitenden Polymeren Bedeutung besitzt. Unterhalb von Raumtemperatur zeigen (DCNQI)2Cu Kristalle ihr großes thermoelektrisches Anwendungspotential mit Leistungsfaktoren von bis zu 50 mW K^(-2) m^(-1) und Gütezahlen größer als zT>0.15 unterhalb von 40 K. Nach aktuellem Kenntnisstand stellen diese Werte einen Rekord im Niedrigtemperaturbereich dar, sodass niederdimensionale organische Metalle hier neue thermoelektrische Anwendungsfelder bei kryogenen Temperaturen erschließen könnten. Eine weitere Optimierung der thermoelektrischen Kenngrößen sollte durch gezielte Einstellung der Ladungsträgerdichte erreicht werden können, beispielsweise durch die Kontrolle des Ladungstransfers von den Gegenionen auf das organische Molekül. Die Gültigkeit dieses Konzepts wurde in der vorliegenden Arbeit ebenfalls demonstriert. Zusätzlich konnte eine Verfünffachung der thermoelektrischen Gütezahl in der Nähe des Peierls-Phasenübergangs von (MeBr-DCNQI)2Cu gezeigt werden. Die diversen elektronischen Grundzustände in organischen Metallen stellen daher einen weiteren Ansatz zur Verbesserung der thermoelektrischen Leistungsfähigkeit dieser Materialklasse dar. Abschließend wurde ein Prototyp eines organischen, thermoelektrischen Generators aus einer Kombination von elektronenleitendem, einkristallinen (DCNQI)2Cu und dem niederdimensionalen, lochleitenden, organischen Metall TTT2I3 hergestellt. Obwohl der aktuelle, nicht-optimierte Generator nur 0.02% der eingespeisten Wärme in elektrische Energie umwandeln konnte, erreichte seine auf die aktive Fläche normierte Leistung bereits Werte von 5 mW cm^(-2). Diese übertreffen die Kenndaten vergleichbarer thermoelektrischer Generatoren basierend auf leitfähigen Polymeren um drei Größenordnungen, wobei zu beachten ist, dass dieser Parameter einen großen Teil der Kosten in der thermoelektrischen Abwärmenutzung bestimmt. Trotz der noch nicht erreichten Leistungsmerkmale von konventionellen thermoelektrischen Generatoren basierend auf Bi2Te3 verdeutlichen die Ergebnisse für (DCNQI)2Cu dennoch das hohe Potential organischer Metalle für die thermoelektrische Materialforschung, besonders unter Berücksichtigung der kostengünstigen und weniger energieintensiven Herstellung dieser Materialien in Hinblick auf technologische Anwendungen.
KW  - Radikalanionensalz
KW  - Thermoelektrischer Effekt
KW  - Niederdimensionales System
KW  - Low-dimensional molecular metals
KW  - quasi-one-dimensional organic metals
KW  - Wiedemann Franz law
KW  - thermoelectric generator
KW  - Waste Heat Recovery
KW  - Quasi-eindimensionale Organische Metalle
KW  - Wiedemann-Franz-Gesetz
KW  - Niederdimensionale Molekulare Metalle
KW  - Thermoelektrischer Generator
KW  - Abwärmenutzung
KW  - Wärmeleitung
KW  - Organik
KW  - Festkörperphysik
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-153492
ER  - 
TY  - THES
A1  - Reiss, Harald
T1  - Strahlungstransport in dispersen nicht-transparenten Medien
T1  - Radiative transfer in disperse non-transparent media
N2  - In dieser Habilitationsschrift wird das Gesamtgebiet des Wärmetransports in dispersen Medien untersucht, kompakt, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, jedoch mit Schwerpunkt auf Strahlungstransport in nicht-transparenten Medien; hier sind es bevorzugt hochporöse Substanzen, die aus Festkörperteilchen bestehen. Die Ergebnisse lassen sich auf andere disperse nicht-transparente Medien wie dichte Gasatmosphären oder einige Zweiphasengemische übertragen, wenn Nicht-Strahlungsanteile und Gesamt-Energieerhaltung korrekt formuliert werden. Die vorliegenden Untersuchungen konzentrieren sich auf stationäre Randbedingungen und Strahlungsquellen. Die Motivation zu dieser Arbeit ist mindestens zweifach: Die Trennung des totalen Wärmestroms in seine Komponenten, in irgendeinem kontinuierlichen oder dispersen Medium, ist eines der herausfordernden, gleichzeitig schwierigsten physikalischen Probleme bei der Analyse des Wärmetransports; zum zweiten ist es für die Verringerung von Wärmeverlusten (z. B. in thermischen Isolierungen) dringend erforderlich, die einzelnen Komponenten der Wärmeverlustströme zu kennen, um sie einzeln zu minimieren (das geht offensichtlich nur, wenn man den totalen Wärmstrom in seine Komponenten zerlegen kann). Die Trennung kann erfolgreich sein, wenn die optische Dicke des untersuchten Mediums sehr groß ist (das Medium ist dann nicht-transparent). In dieser idealen, in der Energietechnik jedoch häufig auftretenden Situation (und nicht nur dort), liefert das Strahlungsdiffusionsmodell den korrekten Ansatz zur Beschreibung des Strahlungsanteils und dessen Temperaturabhängigkeit. Wegen Energieerhaltung und mit der additiven Näherung erlaubt dieses Ergebnis umgekehrt die Berechnung auch der Nichtstrahlungsanteile im totalen Wärmestrom; diese sind demnach alle gleichzeitig in kalorimetrischen Messungen zugänglich. Damit wird nachfolgende separate Analyse dieser Komponenten mittels geeigneter theoretischer Modelle möglich. Da das Temperaturprofil im Medium alle Wärmestromkomponenten zum totalen Wärmestrom miteinander koppelt, ist für diesen Ansatz die Kenntnis der Temperaturabhängigkeit auch aller Nicht-Strahlungsanteile erforderlich. Neben der kalorimetrischen Methode kann die Bestimmung der Extinktion des dispersen Mediums und hiermit des Strahlungstransports auch mittels Spektroskopie sowie Berechnung nach der strengen Mie-Theorie der Lichtstreuung und mit dem Rosseland-Mittelwert vorgenommen werden. Dadurch wird ein Vergleich möglich zwischen Ergebnissen, die mittels drei voneinander völlig unabhängiger Methoden, nämlich kalorimetrisch, spektroskopisch und analytisch/numerisch erzielt wurden. Die Ergebnisse stimmen überein, wenn das Medium nicht-transparent ist; dieser Nachweis wird in der vorliegenden Habilitationsschrift geführt. Im ersten Teil der Habilitationsschrift wird in breit angelegtem Review die Fachliteratur zum Strahlungstransport bis zum Jahr 1985 diskutiert und Methoden zur Lösung der Strahlungstransportgleichung auch im Fall stark anisotroper Streuung beschrieben. Wegen der Forderung nach Energieerhaltung und mit dem oben genannten Ziel, auch die Nicht-Strahlungskomponenten zu analysieren, muß diese Diskussion die theoretischen Aspekte auch dieser Anteile (hier Gas- und Festkörperkontakt-Wärmetransport) einschließen. Den Schluß des ersten Teils bildet ein Katalog offener Fragen, die im zweiten Teil der Habilitationsschrift angegangen werden. Dort werden mittels experimenteller und analytisch/numerischer Ergebnisse das Strahlungsdiffusionsmodell und seine Anwendbarkeit auf disperse nicht-transparente Medien bestätigt. Die Analysen sind gerichtet auf reine oder mit Infrarot-Trübungsmitteln dotierte Pulver und Faserpapiere; beide sind leicht zugängliche, wohl-definierte Testsubstanzen disperser Medien. Ein wichtiger Teil dieser Untersuchungen enthält Messungen ihrer Wärmeleitfähigkeit unter Vakuum und unter externer mechanischer Druckbelastung. Mit evakuierten, druckbelasteten Faserpapieren wurden Wärmeleitfähigkeiten erzielt, die zu den niedrigsten gehören, die bis 1985 an solchen Medien bei hohen Temperaturen gemessen wurden. Weiter sollen optimale Teilchendurchmesser gefunden werden, mit denen das Extinktionsvermögen solcher Schüttungen signifikant erhöht werden kann. Insbesondere ist eine exotische Vorhersage der Mie-Theorie zu prüfen, nach welcher die Extinktion perfekt elektrisch leitender, langer, extrem dünner Zylinder (unter 50 nm) um Größenordnungen über derjenigen herkömmlicher (nichtleitender) Pulver oder Fasern liegt; hierfür sind Materialproben herzustellen. In der Habilitationsschrift wird aufgezeigt, welcher Weg für diesen Nachweis beschritten werden muß (wenige Jahre nach Vorlage der Habilitationsschrift wurden Gustav Mies und Milton Kerkers Vorhersagen auf diesem Weg mit feinsten metallisierten Glasfasern und mit Nickelfasern in Veröffentlichungen des Autors gemeinsam mit J. Fricke, M. Arduini-Schuster, H.-P. Ebert, R. Caps, D. Büttner und A. Kreh erstmalig bestätigt).
N2  - The present thesis for habilitation investigates, in compact form, without claiming completeness, the field of heat, in particular radiative, transfer in disperse media if they are non-transparent. Preference is given to high porosity substances being composed of solid particles. The obtained results can be applied to other disperse media like dense gas atmospheres or some two-phase fluids provided non-radiative components of total heat flow, and corresponding total energy balances, are appropriately modelled. The present investigations are concentrated on stationary boundary conditions and radiation sources. Motivation for this work is at least two-fold: First, splitting of total heat flow into its components is one of the most challenging and difficult problems of experimental physics in any, continuous or disperse, medium, and, secondly, reduction of total heat losses (e. g. in thermal insulations) inevitably requests minimisation steps simultaneously to be taken with all its separated components (this of course works only if separation really is successful). Separation can be successful if the optical thickness of the medium is large (the medium then is non-transparent). In this ideal situation that, nonetheless, frequently arises, not only in energy technology, the radiative diffusion model delivers correct expressions for the radiative heat flow component and its temperature dependency. By conservation of energy, this result together with the additive approximation in turn allows determination, from calorimetric measurements, of also the non-radiative contributions to total heat transfer. The approach thus provides a key to subsequently analyse all heat transfer components by appropriate theoretical models. Since the temperature profile in the medium couples all heat transfer components to total heat flow, knowledge of the temperature dependence of also the non-radiative components is indispensable for this purpose. Besides calorimetric methods, spectral measurements of radiation extinction coefficient, and calculation of spectral extinction properties of disperse media by application of rigorous Mie-theory of scattering and of the Rosseland mean, provide another approach to radiative heat flow and to temperature dependent radiation extinction properties. Accordingly, comparison between results obtained from three different, completely independent methods (calorimetric, spectroscopic and theoretical) to determine extinction coefficients can be made and indeed proves to be successful if the medium is non-transparent; this proof of concept shall be demonstrated in the present thesis. In its first part, this thesis for habilitation presents a general review covering the literature on radiative transfer up to the year 1985 and evaluates methods for solution of the equation of radiative transfer also in case of strongly anisotropic scattering. Because of conservation of energy, and in view of the goal to analyse also the non-radiative heat transfer components, the analysis necessarily must include a description of the theoretical aspects of gaseous and solid/solid contact conduction heat transfer mechanisms. At the end of its first part, a catalogue of open questions is presented that will be tackled in the second part of the thesis. There, experimental and analytical/numerical results that verify the radiation diffusion model and its applicability to disperse media are reported. The analysis is focused on heat transfer in pure and opacified powders and fibrous media; both are easily accessible, disperse sample substances with well defined physical/thermal properties. An important part of these investigations covers thermal conductivity measurements under vacuum and under external mechanical load. Experimental results obtained with load-bearing, evacuated boards of glass fibre paper demonstrate smallest values of thermal conductivity that have been obtained until 1985 in such disperse media at high temperatures. The thesis further deals with the problem of how to substantially increase radiation extinction by optimum particle diameters. In particular, an exotic prediction of Mie theory of scattering shall be confirmed according to which the extinction properties of perfectly electrically conducting, long, extremely thin cylinders (below 50 nm) shall be larger, by orders of magnitude, than those of conventional, non-conducting powders or fibres, and samples shall be prepared. The thesis describes the way how to successfully prove this prediction (few years after submission of the thesis, following the methods suggested here and using finest metallised glass fibres, and with very thin Ni-fibres, Gustav Mie’s and Milton Kerker's predictions for the first time were confirmed in publications of the present author together with J. Fricke, M. Arduini-Schuster, H.-P. Ebert, R. Caps, D. Büttner und A. Kreh).
KW  - Strahlungstransport
KW  - Disperse Phase
KW  - Extinktion
KW  - Mie-Streuung
KW  - Wärmeleitung
KW  - Diffusionsmodell
KW  - Wirkungsquerschnitt
KW  - optimale Teilchendurchmesser
KW  - Superisolierung
KW  - Diffusion model
KW  - reaction cross section
KW  - optimum particle diameter
KW  - superinsulation
Y1  - 1985
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-66669
N1  - Würzburg, Univ., Habil.-Schr., 1988
ER  -