[發(fā)明專利]各向異性伸長(zhǎng)的熱電材料、其制備方法和包括該材料的器件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200980131220.5
• 申請(qǐng)日: 2009-08-11
• 公開（公告）號(hào): CN102132430A
• 公開（公告）日: 2011-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李相睦;普拉布哈卡·班達(dá)魯;陳成浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 三星電子株式會(huì)社;加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)
• 主分類號(hào): H01L35/02
• 分類號(hào): H01L35/02;H01L35/28;H01L35/32;H01L35/34
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所 11105
• 代理人: 金擬粲

技術(shù)領(lǐng)域

技術(shù)領(lǐng)域

一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式涉及各向異性伸長(zhǎng)的熱電材料、其制備方法和包括該各向異性伸長(zhǎng)的熱電材料的器件。

背景技術(shù)

背景技術(shù)

熱電材料和器件的技術(shù)領(lǐng)域因?yàn)樗鼈冊(cè)谟行У墓虘B(tài)冷卻和發(fā)電中的潛在用途近年來(lái)已顯著擴(kuò)大。大體積(bulk)熱電材料通常被認(rèn)為對(duì)能量轉(zhuǎn)化或能量輸送應(yīng)用是相對(duì)效率低的。然而，隨著納米技術(shù)和更好的材料制造工具的出現(xiàn)，人工制造的量子限制結(jié)構(gòu)如量子阱已經(jīng)顯示出大大提高熱電材料和器件的熱能到電能的轉(zhuǎn)化效率的希望。

近年來(lái)，對(duì)這些結(jié)構(gòu)的研究已顯示出穩(wěn)定提高的品質(zhì)因數(shù)(在下文中稱作“ZT”)。通常，材料的熱電性能效率是通過(guò)品質(zhì)因數(shù)ZT量化的，其中T是工作溫度，和Z(＝S²σ/κ)，其中S是塞貝克系數(shù)(以伏/開氏溫度表示)，σ是電導(dǎo)率(以1/Ω-米表示)，和κ是熱導(dǎo)率(以瓦特/米-開氏溫度表示)。塞貝克系數(shù)S取決于態(tài)密度(“DOS”)。對(duì)減小的尺寸而言，例如在二維量子阱或一維納米線中，DOS變得比三維大體積材料高得多。因此，更高的DOS導(dǎo)致更高的S和更高的σ值。如果涉及的尺寸小于聲子波長(zhǎng)則熱導(dǎo)率κ變得更小。

現(xiàn)在通常接受，高的ZT(例如，ZT＞1)將導(dǎo)致熱電材料可用于各種應(yīng)用如熱回收、空間動(dòng)力應(yīng)用，并且甚至更高的ZT(例如，ZT＞3)將明顯刺激在設(shè)備如發(fā)電機(jī)和熱泵以及其它類似設(shè)備中的技術(shù)替換。還已發(fā)現(xiàn)，尺寸限制可導(dǎo)致相對(duì)于傳統(tǒng)使用的大體積熱電材料的大大增強(qiáng)的效率。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問(wèn)題

因此，有益的是基于獨(dú)特的各向異性結(jié)構(gòu)化的且一維限制的納米構(gòu)造(configuration)的成批處理(bulk?processing)開發(fā)新的且改善的熱電材料，如在以下詳細(xì)描述中所述的。

技術(shù)方案

一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式包括包含熱電材料的各向異性伸長(zhǎng)的熱電納米復(fù)合材料。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，所述熱電材料是在幾何結(jié)構(gòu)上伸長(zhǎng)的并且嵌入在絕緣基質(zhì)中。

一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式包括各向異性伸長(zhǎng)、同心超晶格的熱電納米復(fù)合材料，其包括：嵌入在納米孔或無(wú)孔絕緣基質(zhì)中的多個(gè)多層納米線結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)多層納米線結(jié)構(gòu)各自包括多層圓柱狀熱電材料和沉積在所述多層圓柱狀熱電材料的層之間的絕緣層。

根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方式，所述圓柱狀熱電材料的多層具有至少三個(gè)圓柱狀熱電材料的層。

一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式包括單軸變形的熱電納米復(fù)合材料，其包括嵌入在電且熱絕緣材料中的熱電材料。

一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式包括單軸變形的熱電納米復(fù)合材料的制造方法，所述方法包括以下步驟：制備多個(gè)復(fù)合材料預(yù)成型體，各復(fù)合材料預(yù)成型體由復(fù)數(shù)(a?plurality?of)熱電材料粉末及電且熱絕緣體顆粒組成，所述復(fù)數(shù)熱電材料粉末及電且熱絕緣體顆粒置于金屬套內(nèi)；密封各復(fù)合材料預(yù)成型體的金屬套；對(duì)各金屬套施加單軸變形以減小其直徑并使金屬套伸長(zhǎng)為棒的形式以形成多個(gè)單軸變形、直徑減小的棒；將所述多個(gè)單軸變形、直徑減小的棒捆束；將所述多個(gè)單軸變形、直徑減小的棒置于更大的金屬套中；對(duì)所述更大的金屬套施加單軸變形以得到單軸變形的熱電納米復(fù)合材料。

一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式提供形成單軸變形的熱電納米復(fù)合材料的方法，所述方法包括以下步驟：制備多個(gè)復(fù)合材料預(yù)成型體，各復(fù)合材料預(yù)成型體由與復(fù)數(shù)能氧化的金屬顆粒和金屬覆層(metal?coating)中的至少一種混合的復(fù)數(shù)熱電材料粉末組成，所述與復(fù)數(shù)能氧化的金屬顆粒和金屬覆層中的至少一種混合的復(fù)數(shù)熱電材料粉末填塞在金屬套內(nèi)；密封各復(fù)合材料預(yù)成型體的金屬套；對(duì)各金屬套施加單軸變形以減小其直徑并使該金屬套伸長(zhǎng)為棒的形式以形成多個(gè)單軸變形、直徑減小的棒；將所述多個(gè)單軸變形、直徑減小的棒捆束；將所述多個(gè)單軸變形、直徑減小的棒置于更大的金屬套中；對(duì)所述更大的金屬套施加單軸變形以得到單軸變形的熱電納米復(fù)合材料；經(jīng)由在氧化氣氛中的熱處理將能氧化的金屬和金屬覆層中的至少一種氧化；和經(jīng)由在還原氣氛中的熱處理將所述單軸變形的熱電納米復(fù)合材料從氧化態(tài)還原以使所述單軸變形的熱電納米復(fù)合材料恢復(fù)為金屬態(tài)。

一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式包括無(wú)規(guī)且局部超晶格化的熱電納米復(fù)合材料，其通過(guò)在金屬套內(nèi)兩種脆性成分的充分混合顆粒的尺寸減小變形以及在所述套直徑的所需減小之后施加的熔融退火，所述復(fù)合材料是由Si、Si-Ge顆粒制成的。