[發明專利]基于碳納米管薄膜的三維異質結同位素電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201210004773.8
• 申請日: 2012-01-09
• 公開（公告）號: CN102543239A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 張錦文;陳長串;常一陽;劉鵬
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 李稚婷

技術領域

本發明涉及微型同位素電池，特別涉及一種三維的基于碳納米管異質結的同位素電池及其制備方法，屬于微機械電子系統中的微能源領域。

背景技術

微機電系統技術(簡稱MEMS)是以微/納米量級的設計和制造為基礎，將微傳感器、微執行器和控制、接口以及電源等電路集成在一起的微型系統。過去幾十年微機電系統正在飛速發展，而隨著電子系統的尺寸減小，研制體積小、重量輕、能量密度高、高壽命并能持續供能的微能源系統對微機電系統具有重要的意義。目前，微能源系統正成為國內外的研究熱點之一，如微型燃料電池、環境能量拾取器、微型太陽能電池等。但燃料電池需要在工作過程中補充燃料，微型太陽能電池需要光照，環境能量拾取器的能量轉換率太低，這些能源使用在MEMS系統中都具有一定的局限性。同位素電池又稱為核電池，是將放射性同位素的衰變能直接或間接轉換為電能的裝置。放射性同位素的能量密度高達1-100MJ/cc(傳統燃料能量密度為1-20kJ/cc)，壽命長達1-100年，受環境條件影響小。因此，同位素電池的研究引起了國內外研究者的廣泛關注。

同位素電池按能量轉換機制分類，包括：直接充電型同位素電池、接觸勢型同位素電池、p-n結同位素電池、熱動力型同位素電池、熱電轉換同位素電池、熱離子發射同位素電池、壓電轉換型同位素電池等。在上述這些同位素電池中，熱電轉換同位素電池應用最為廣泛，而p-n結同位素電池的理論效率高達40％，是用在微機電系統中最理想的能量轉換方式之一。

20世紀50年代，研究發現同位素衰變產生的β粒子能在半導體內產生電子空穴對，此現象被稱為β輻射伏特效應。β輻射伏特效應在原理上和光生伏特效應很相似，差別在于β輻射伏特效應是用β粒子轉化能量，而光生伏特效應使用的則是光子。帶有一定能量的β粒子撞擊半導體材料，通過力電效應在pn結的耗盡區附近產生電子空穴對，同時在pn結的內建電場作用下，實現對電子空穴對的分離，在器件終端形成電流。近年來，國內外研究者或者通過改變硅基pn結的結構來提高電池的開路電壓和短路電流，或者通過使用抗輻照材料如GaN、SiC等來提高器件的抗輻照性，但效果都不是很顯著。

跟傳統的半導體材料相比，碳納米管具有獨特的納米一維結構和優異的電學性質。碳納米管的一維納米結構使其電子可以沿著管軸橫波傳輸且具有量子效應，同時使碳納米管具有高的載流子遷移率和彈道傳輸特點。碳納米管的管徑和螺旋度決定了其能帶結構，其能隙寬度可以從零變化到與硅相等。同時，碳納米管薄膜的多孔結構使其具有很大的比表面積。這些特點使基于碳納米管的異質結成為理想的β輻射電池結構。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于碳納米管薄膜的異質結為換能結構的三維同位素電池，利用碳納米管納米材料的特有性質以及襯底的三維結構來改善電池的性能。這種同位素電池體積小，轉換效率高，而且結構和工藝簡單，易于實現，可以長時間工作，并能工作于各種復雜的環境。

本發明的技術方案如下：

一種基于碳納米管薄膜的三維異質結同位素電池，包括換能結構和源結構兩部分，其中：換能結構包括第一襯底，位于第一襯底背面的背電極，以及位于第一襯底正面的圖形化的絕緣層和絕緣層上的正面電極；所述第一襯底的正面具有三維陣列結構，表面沉積有碳納米管薄膜；該碳納米管薄膜與第一襯底的接觸部分形成異質結，與正面電極形成歐姆接觸；源結構包括第二襯底和位于第二襯底表面的放射性同位素膜；源結構和換能結構對準封接在一起，二者相接觸的部位之間電學隔離，而源結構的放射性同位素膜和換能結構的異質結相對，位于封接形成的空腔內。

所述第一襯底是換能結構的襯底，也是與碳納米管薄膜形成異質結的半導體，其可以是硅片、砷化鎵片、碳化硅片或氮化鎵片等，其正面表面的絕緣層的材料可以為二氧化硅或氮化硅等。絕緣層是為了防止正面電極與襯底直接接觸。

所述絕緣層上的正面電極需要與碳納米薄膜形成歐姆接觸，可以選自下列金屬的一種或多種：Au、Pd和Pt等。

所述絕緣層和正面電極經過圖形化形成一定的圖案，第一襯底正面在未覆蓋絕緣層和正面電極的部分刻蝕出凹槽，形成三維陣列結構。所述凹槽可以是倒金字塔形或矩形等。

所述第一襯底背面的背電極材料可以選擇下列多種金屬的一種：Au、Al、Pt等。

所述第二襯底是源結構的襯底，其可以是金屬襯底，例如鎳片和銅片等，也可以是非金屬襯底，例如硅片和玻璃片等。

上述基于碳納米管薄膜的三維異質結同位素電池可以通過下述方法制備：

1)根據下述步驟a-d制備換能結構：