[發(fā)明專利]基于拓?fù)浣^緣體的熱電結(jié)構(gòu)與裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410422586.0
• 申請日: 2014-08-26
• 公開（公告）號: CN104681707A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐勇;甘中學(xué);張首晟
• 申請（專利權(quán)）人: 新奧科技發(fā)展有限公司
• 主分類號: H01L35/32
• 分類號: H01L35/32
• 代理公司: 北京華夏博通專利事務(wù)所(普通合伙) 11264
• 代理人: 劉俊

1.一種熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括：

拓?fù)浣^緣體，所述拓?fù)浣^緣體包含具有絕緣能隙的體態(tài)及沒有能隙、不會因受任何時間反演不變微擾而被破壞的邊緣態(tài)；

橫斷面積為A；以及

沿著長度方向，具有長度L的電與熱輸運路徑，其中拓?fù)浣^緣體的電導(dǎo)G不滿足歐姆標(biāo)度定律，該歐姆標(biāo)度定律即G與A/L成正比，并且當(dāng)L增加和A減少時，熱電結(jié)構(gòu)的熱電品質(zhì)因子ZT會提高。

2.如權(quán)利要求1所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的拓?fù)浣^緣體是二維拓?fù)浣^緣體，其邊緣態(tài)為受拓?fù)浔Ｗo的一維邊沿態(tài)，并且寬度為拓?fù)浣^緣體的邊緣態(tài)局域化寬度ξ的大約三倍。

3.如權(quán)利要求2所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于zT值大于3。

4.如權(quán)利要求2所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的拓?fù)浣^緣體是從一組材料中選取的，所述的一組材料包含：異質(zhì)結(jié)構(gòu)的HgTe/CdTe和InAs/GaSb，與薄膜結(jié)構(gòu)的硅，鍺，錫，銻，鉍，Bi2TeI，ZrTe5和HfTe5，而且寬度在大約10到100納米之間。

5.如權(quán)利要求2所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的拓?fù)浣^緣體是合金薄膜，其中合金成分至少是Bi2Te3，Sb2Te3和Bi2Se3中之一種。

6.如權(quán)利要求1所述的熱電結(jié)構(gòu)，進一步包括：

化學(xué)摻雜，其特征在于，通過引入化學(xué)摻雜，使得對于P型拓?fù)浣^緣體，則所述拓?fù)浣^緣體的費米能級低于其體態(tài)價帶最大值大約0至3倍kBT，或者對于N型拓?fù)浣^緣體，則所述拓?fù)浣^緣體的費米能級高于其體態(tài)導(dǎo)帶最小值大約0至3倍kBT，其中kB為玻爾茲曼常量，T為所述拓?fù)浣^緣體的平均溫度。

7.如權(quán)利要求1所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的拓?fù)浣^緣體由材料(BixSbl-x)2Te3所組成，其中x大于或等于0，而且小于或等于1，使得對于P型拓?fù)浣^緣體，則所述拓?fù)浣^緣體的費米能級低于其體價電帶最大值大約0至3kBT，或者對于N型拓?fù)浣^緣體，則所述拓?fù)浣^緣體的費米能級高于其體導(dǎo)電帶最小值大約0至3kBT，其中kB為玻爾茲曼常量，T為所述?拓?fù)浣^緣體的平均溫度。

8.如權(quán)利要求7所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，對于P型拓?fù)浣^緣體，則x在大約0與0.1之間，對于N型拓?fù)浣^緣體，則x在大約0.9與1之間。

9.如權(quán)利要求2所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述拓?fù)浣^緣體是化學(xué)功能基團修飾的蜂窩晶格的單層錫，所述用于化學(xué)修飾的功能基團是從包含氟、氯、溴、碘和羥基的組中選出。

10.如權(quán)利要求9所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述拓?fù)浣^緣體的寬度約為10納米。

11.如權(quán)利要求1所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，進一步包括：

遠離拓?fù)浣^緣體邊緣區(qū)域的無序，所述無序散射聲子及體態(tài)電子，同時對邊緣態(tài)電子幾乎沒有影響。

12.如權(quán)利要求1所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，增加L到至少大于所述拓?fù)浣^緣體的非彈性平均自由程λ，可以提高其zT值。

13.如權(quán)利要求1所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述拓?fù)浣^緣體為三維拓?fù)浣^緣體，其邊緣態(tài)為受拓?fù)浔Ｗo的二維表面態(tài)，其厚度為所述拓?fù)浣^緣體的邊緣態(tài)局域化寬度ξ的大約三倍。

14.一個方法，其特征在于，包括以下步驟：

取得拓?fù)浣^緣體邊緣態(tài)的非彈性平均自由程λ，其中的拓?fù)浣^緣體包含具有絕緣能隙的體態(tài)及沒有能隙、不會因受任何時間反演不變微擾而被破壞的邊緣態(tài)；

取得拓?fù)浣^緣體邊緣態(tài)的局域化寬度ξ。

基于λ與ξ，相對于體態(tài)，將邊緣態(tài)對熱電輸運的相對貢獻調(diào)至最大，用以提升拓?fù)浣^緣體的熱電品質(zhì)因子zT值。

15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述拓?fù)浣^緣體有橫斷面A，以及沿著長度方向，長度為L的熱與電輸運路徑，并且，提升zT包括增加L到至少大于λ。

16.如權(quán)利要求14所述的方法，所述拓?fù)浣^緣體是二維拓?fù)浣^緣體，具有受拓?fù)浔Ｗo的一維邊沿態(tài)，則其特征在于，其寬度為ξ的大約三倍。