[發明專利]具有高熱電優值的納米復合物

有效

• 申請號: 200580044842.6
• 申請日: 2005-10-31
• 公開（公告）號: CN101371374A
• 公開（公告）日: 2009-02-18
• 發明（設計）人: G·陳;Z·任;M·德雷塞爾豪斯
• 申請（專利權）人: 麻省理工學院;波士頓大學信托人
• 主分類號: H01L35/16
• 分類號: H01L35/16;H01L35/22
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 張軼東;韋欣華

背景技術

本發明廣泛涉及熱電材料和用于合成它們的方法以及，更特別 地，涉及顯示出增強的熱電性能的材料。

基于熱電效應的固態制冷以及電力生產在本領域中是已知的。例 如，使用塞貝克效應或珀爾帖效應用于電力生產以及熱泵的半導體器 件是已知的。然而，這種傳統熱電裝置的使用一般被它們的低性能系 數(COP)(用于制冷用途)或者低效率(用于電力生產用途)所限 制。一般使用熱電優值(Z=S2σk,]]>其中S是塞貝克系數，σ是電導率， 以及k是熱導率)作為熱電裝置的COP和效率指標。有時，使用無量 綱的優值(ZT)，其中T可以是該裝置的熱和冷一側的平均溫度。

盡管傳統半導體熱電致冷器提供了比其它制冷技術更多的優點， 但是由于低優值，其用途受到了很大程度地限制。在電力生產用途中， 由具有低優值的傳統熱電材料制成的熱電裝置的低效率限制了它們在 熱向電的直接轉化中的運用(例如，廢熱或由特別設計的來源所產生 的熱的轉化)。

因此，存在一種對增強的熱電材料以及它們的制備方法的需要。 更特別的是，存在一種對能顯示出提高的優值的熱電材料的需要。

發明概述

本發明廣泛涉及顯示出增強的熱電性質的納米復合物熱電材料。 該納米復合物材料包括兩種或更多種組分，這些組分的至少一種形成 該復合物材料內部的納米結構。這些組分被選擇為使得該復合物熱導 率降低而基本上不降低復合物的電導率。合適的組分材料顯示出類似 的電子譜帶結構。例如，在兩種組分材料的至少導帶或價帶之間的譜 帶邊緣偏移可以小于約5k_BT，并且優選小于約3k_BT，其中k_B是玻耳 茲曼常數并且T是該納米復合物組合物的平均溫度。

在一個實施方案中，本發明提供了一種熱電納米復合物半導體組 合物，其包括摻混在一起的由第一被選擇的半導體材料形成的大量納 米結構以及由另一個半導體材料形成的大量納米結構。納米結構可以 是，例如，納米顆粒或納米線。例如，該結構可以由兩種不同種類的 納米顆粒形成，這些納米顆粒具有約1nm至約1微米，或者優選約1nm 至約300nm，或者約5nm至約100nm的平均直徑。

在另一實施方案中，熱電納米復合物可以包括一種半導體主體材 料以及一種分布于該主體材料內部的大量納米夾雜物(例如，納米顆 粒或納米線)，該大量納米夾雜物由半導體夾雜材料形成。該納米復 合物組合物表現出位于主體材料的導帶或價帶和界面上夾雜材料之間 的小于約5k_BT的譜帶邊緣偏移，其中k_B是玻耳茲曼常數以及T是納 米復合物組合物的平均溫度。例如，譜帶邊緣偏移可以為約1至約 5k_BT，或者為約1到約3k_BT。夾雜材料的導帶或價帶的能量最低值可 以優選地小于主體材料相應譜帶的能量最低值。或者主體材料的導帶 或價帶的能量最低值可以小于夾雜材料相應譜帶的能量最低值。

這里所實用的術語“納米結構”以及“納米夾雜物”，泛指尺寸等于 或者優選小于約1微米的材料部分，例如納米顆粒以及納米線。例如， 它們可以指具有平均截面直徑為約1納米至約1微米，或者約1nm至 約300nm，或者約5nm至約100nm的納米顆粒?；蛘?，它們可以指具 有約2nm至約200nm的平均橫向(截面)直徑的納米線。