[發明專利]基于拓撲絕緣體的熱電結構與裝置

在審

• 申請號: 201410422586.0
• 申請日: 2014-08-26
• 公開（公告）號: CN104681707A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 徐勇;甘中學;張首晟
• 申請（專利權）人: 新奧科技發展有限公司
• 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所(普通合伙) 11264
• 代理人: 劉俊

本申請案要求題為“基于拓撲絕緣體的熱電結構與裝置”的，2013年12月2日提交的第61/910,541號美國臨時申請，以及2014年3月12日提交的第14/207,478號美國臨時申請的權益，所述申請案以引用方式并入本文中。

技術領域

所公開的實施例主要涉及熱電結構與裝置。更明確地說，是基于拓撲絕緣體的熱電結構與裝置。

背景技術

全世界對于能源的需求在迅速增長。同時，人們也越來越關注由于燃燒天然氣、油和煤等傳統化學能源所引起的環境問題。最近幾年，有大量的研究正在尋求可以替代的綠色能源。人們在很久以前就已經發現，熱電效應可以直接實現熱和電的相互轉換，提供一個可行的發電或制冷的替代途徑。尋求有效進行熱-電轉化的高性能熱電材料，是材料科學領域長期追求的目標。[Electronic?refrigeration，vol.76(Pion?London，1986)；adv.Mater.19，1043(2007)；Nat.Mater.7，105(2008)]

熱電轉換效率依賴熱電材料的熱電品質因子zT。而zT值是一些相互沖突的物理量的組合。在標準的定義中，zT被表述成

zT=σS2Tκ]]>

其中σ為電導率，S是塞貝克系數，T是絕對溫度，而熱導率κ是由電子貢獻的κ_e和由晶格振動貢獻的κ_l兩者的總和。要提高zT值，需要高的電導率σ，大的塞貝克系數S及低的熱導率κ。通常，增加電荷載流子濃度，會提高電導率σ但降低塞貝克系數S。而且，提高電導率σ同時引起熱導率κ變大。因此，修改任何一個參數可能會產生一些相互抵消的效應，使得zT值得不到明顯改善。[Electronic?refrigeration，vol.76(Pion?London，1986)]因此，改進熱電品質因子是材料科學領域的最大挑戰之一。

最近發現新型的量子物質態，拓撲絕緣體(TI)[Rev.Mod.Phys.82，3045(2010)；Rev.Mod.Phys.83，1057(2011)]，為追尋高zT的拓撲絕緣體材料帶來曙光。如何優化拓撲絕緣體結構以大幅度提升zT值成為一個大的挑戰。

發明內容

所提出的方法與設備是用以提高基于拓撲絕緣體的熱電結構與裝置的熱電品質因子(zT值)。本發明中一個新穎的方面是，提供了橫截面積為A，沿著縱向方向的電子及熱的傳導路徑的長度為L的拓撲絕緣體。拓撲絕緣體包含有一個有絕緣能隙的體態及一個沒有能隙、免于受到任何時間反演不變地微擾的邊緣態。在一個實施例中，拓撲絕緣體的zT值會隨著L的加長及A的減小而增大。在另一個實施例中，拓撲絕緣體結構的L大于其非彈性平均自由程λ。在一個實施例中，拓撲絕緣體是一個二維拓撲絕緣體，有一維邊沿態，并且通過將這個二維拓撲絕緣體的寬度減小至該拓撲絕緣體的局域化寬度ξ的大約三倍，zT值會增加。在另一個實施例中，拓撲絕緣體是三維拓撲絕緣體，有二維表面態，并且通過將這個三維拓撲絕緣體的厚度減小至其局域化寬度ξ的大約三倍時，zT值會增加。

本發明的一個新穎的方面，是通過改變拓撲絕緣體的費米能級以提高zT值。在一個實施例中，在拓撲絕緣體中引入化學摻雜，使得上述拓撲絕緣體的費米能級，對于P型拓撲絕緣體低于體態價帶最大值(bulk?valence?band?maximum)大約0至3倍kBT，或是對于N型拓撲絕緣體高于體態導帶最小值(bulk?conduction?band?minimum)約0至3倍kBT。在另一個實施例中，拓撲絕緣體由材料(BixSbl-x)2Te3所組成。通過設定x在大于零且小于一之間來調整成分，使得對于P型拓撲絕緣體而言，拓撲絕緣體具有大約低于體態價帶最大值0至3kBT的費米能級，或是對于N型拓撲絕緣體而言，拓撲絕緣體具有高于體態導帶最小值0至3kBT的費米能級。在一個實施例中，對于P型拓撲絕緣體，x被設定在0至0.1之間；對于一個N型拓撲絕緣體，x則被設定在0.9至1之間。