[發(fā)明專(zhuān)利]形成塊狀熱電材料的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910168804.1
• 申請(qǐng)日: 2005-10-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101656293A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-02-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張敏娟;盧云峰
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 豐田技術(shù)中心美國(guó)公司;圖倫教育基金委員會(huì)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L35/34
• 分類(lèi)號(hào): H01L35/34;H01L35/14;H01L35/16
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 顧晉偉;王春偉

本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2005年10月18日，申請(qǐng)?zhí)枮?00580046512.0，發(fā)明 名稱(chēng)為“熱電材料及其形成方法和熱電器件”的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

相關(guān)申請(qǐng)的引用

本申請(qǐng)要求于2005年5月3日提交的序列號(hào)為11/120,731的美國(guó) 專(zhuān)利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)要求了于2004年12月7日提交的 序列號(hào)為60/633,918的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，在此以引用的方式 將其全部?jī)?nèi)容并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及具有熱電性能的材料以及熱電器件。

背景技術(shù)

熱電器件可用于從熱梯度(例如，利用塞貝克效應(yīng)(Seebeck?effect) 的溫差發(fā)電器)得到電能、或者用于由電能產(chǎn)生熱梯度(例如，利用珀 爾帖效應(yīng)(Peltier?effect)的溫差電制冷器)。以下論述涉及塞貝克效應(yīng)， 但總的原理也適用于珀?duì)柼?yīng)的應(yīng)用。

通常的熱電器件是由多個(gè)單耦合構(gòu)成的，通常它們是成對(duì)的導(dǎo)熱p- 型(P)和n-型(N)半導(dǎo)體。這些單耦合串聯(lián)地電連接且并聯(lián)地?zé)徇B 接。理論上，熱能向電能的最大轉(zhuǎn)化效率通過(guò)下式給出：

其中T_ave＝(T_H+T_C)/2為平均溫度，Z為優(yōu)值(figure?of?merit)，定義 為Z＝S²σ/κ。優(yōu)值Z基于材料的宏觀輸送參數(shù)，即塞貝克系數(shù)(S)、 電導(dǎo)率(σ)和熱導(dǎo)率(κ)。具有大的塞貝克系數(shù)、高的電導(dǎo)率、和低 的熱導(dǎo)率的熱電材料提供大的優(yōu)值。

塞貝克系數(shù)可進(jìn)一步定義為開(kāi)路電壓與顯示塞貝克效應(yīng)的電路的 熱連接點(diǎn)和冷連接點(diǎn)之間溫差的比值，或者S＝V/(T_H-T_C)。因?yàn)閆隨 溫度變化，所以有用的無(wú)量綱優(yōu)值可定義為ZT。

到20世紀(jì)50年代末，發(fā)現(xiàn)的最好塊狀熱電材料是碲化鉍和銻的合 金，其室溫下的ZT約為1。在過(guò)去的40年中，熱電領(lǐng)域的工作者一直 試圖提高該優(yōu)值，但沒(méi)有太大的進(jìn)展。因?yàn)槿齻€(gè)參數(shù)S、σ和κ都與自 由載流子的濃度有關(guān)，且通常不是獨(dú)立的，所以提高ZT是困難的。例 如，摻雜通常增加半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，但卻降低它的塞貝克系數(shù)并增加熱 導(dǎo)率。通過(guò)合金化減小晶格熱導(dǎo)率的嘗試也由于提供額外的散射機(jī)制而 降低電導(dǎo)率。

麻省理工學(xué)院的Dresselhaus和合作者在理論上論證了熱電材料納 米線內(nèi)的電子和聲子的量子限制可增加ZT值。如果納米線的直徑為5～ 10nm，那么1-D納米線尤其能達(dá)到約等于2～5的ZT。已經(jīng)對(duì)某些結(jié) 構(gòu)進(jìn)行了研究，例如在以下文獻(xiàn)中所描述的：Heremans，J.P.et?al.， ″Thermoelectric?Power?of?Bismuth?Nanocomposites″；Phys.Rev.Lett.； 2002，88，216801；Venkatasubramanian，R.et?al.，″Thin-film thermoelectric?devices?with?high?room?temperature?figures?of?merit″； Nature；2001，413，597-602；Harman，T.C.et?al.，″Thermoelectric quantum?dot?superlattices?with?high?ZT″；Electron.Mater.；2000，29， L1-L4；Rabin，O.et?al.，″Anomalously?high?thermoelectric?figure?of merit?in?Bi_1-XSb_x?nanowires?by?carrier?pocket?alignment″；APL；2001， 79，81-83；和Dresselhaus，M.S.et?al.，″Low-dimensional thermoelectric?materials″；PSS；1999，41，679-682。然而，這些方法并 不能提供簡(jiǎn)單的方法來(lái)制造大型的、低成本的熱電器件。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體 器件的制造方法也不適于制造塊狀樣品，并通常是昂貴的。