[發(fā)明專利]可編輯超薄縱向多層串聯(lián)結(jié)構(gòu)熱電薄膜和熱電器件單元

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710232389.6
• 申請(qǐng)日: 2017-04-11
• 公開（公告）號(hào): CN107093663B
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡志宇;吳振華;胡陽(yáng)森
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L35/32
• 分類號(hào): H01L35/32;H01L35/34
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發(fā)明涉及一種可編輯超薄縱向多層串聯(lián)結(jié)構(gòu)熱電薄膜及制備方法和熱電器件單元，該薄膜由多層材料縱向串聯(lián)而成。串聯(lián)組成薄膜的各層材料可采用以下方法中的一種或多種制成薄膜，包括液相法、物理氣相法、電化學(xué)法等，物理氣相法中例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)或分子束外延法沉積薄膜，其中每層可同時(shí)使用上述其中一種薄膜制備方式，也可分別使用兩種或多種薄膜制備方式。熱電器件單元包括依次疊加的基底(1)、底電極(2)、超薄縱向多層串聯(lián)結(jié)構(gòu)熱電薄膜柱(3)、頂電極(4)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明超薄縱向多層串聯(lián)結(jié)構(gòu)熱電薄膜結(jié)構(gòu)及性能可編輯，制成的熱電器件尺寸及自重較小，相對(duì)于體結(jié)構(gòu)的塊體熱電器件，性能提升空間更大，應(yīng)用范圍更廣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱電薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)涉及可編輯超薄縱向多層串聯(lián)結(jié)構(gòu)熱電薄膜及制備方法和含有所述縱向多層串聯(lián)結(jié)構(gòu)熱電薄膜的熱電器件單元。

背景技術(shù)

熱電材料可利用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接互相轉(zhuǎn)換，有效的將熱轉(zhuǎn)換成電能，是一種全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式，無(wú)需化學(xué)反應(yīng)或流體介質(zhì)。熱電器件常將兩種不同類型的熱電材料(如P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體)做成柱狀結(jié)構(gòu)(P 柱和N柱)，并將其一端結(jié)合置于高溫狀態(tài)下，另一端開路在低溫狀態(tài)，由于高溫的作用，使得高溫端的空穴和電子濃度與低溫端不同，形成濃度差，從而實(shí)現(xiàn)了載流子的遷移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了電勢(shì)差，通過(guò)面內(nèi)多對(duì)P柱和N柱串聯(lián)得到更大的電壓。熱電器件是一種清潔能源生產(chǎn)裝置，具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲、無(wú)污染、易于控制、可靠性高、體積小、重量輕、移動(dòng)方便、使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定輸出電能等一系列優(yōu)點(diǎn)。

衡量熱電器件轉(zhuǎn)換效率的主要評(píng)估指標(biāo)為熱電材料的熱電優(yōu)值(ZT值)， ZT＝S²·σ·κ^-1·T，其中S表示Seebeck系數(shù)，σ表示電導(dǎo)率，κ表示熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率包括電子熱導(dǎo)率κ_e和晶格熱導(dǎo)率κ_l，由Wiedemann-Franz定律κ_e＝LσT，表明電子熱導(dǎo)率與電導(dǎo)線性相關(guān)，而對(duì)于半導(dǎo)體而言，電子熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于晶格熱導(dǎo)率。ZT值越大，熱電性能越好。由ZT的表達(dá)式可知，提高熱電材料的ZT值的途徑就是增大材料的Seebeck系數(shù)、提高材料的電導(dǎo)率、降低材料的熱導(dǎo)率。然而，熱電材料中的這些參數(shù)是相互耦合在一起的，難以同步調(diào)節(jié)，使得熱電優(yōu)值和熱電轉(zhuǎn)換效率很難大幅度提高。而晶格熱導(dǎo)率是唯一一個(gè)不由電子結(jié)構(gòu)決定的參數(shù)，有著相對(duì)獨(dú)立的空間，通過(guò)引入點(diǎn)缺陷、晶界等方法來(lái)增加聲子散射，以降低晶格熱導(dǎo)率，同時(shí)不影響或增強(qiáng)電子的傳輸，以達(dá)到“電子晶體-聲子玻璃”通道的目的，有效提高ZT值，提高熱電性能。

目前已經(jīng)應(yīng)用比較成熟的熱電器件主要使用體加工方法制造，厚度達(dá)到數(shù)厘米級(jí)別，尺寸及自重較大。為了進(jìn)一步減少器件自重以及提升熱電效率，近幾年熱電材料的低維化是一個(gè)熱點(diǎn)趨勢(shì)，目前處于研究中的薄膜熱電器件厚度也達(dá)數(shù)百微米至毫米級(jí)別，集中于單層薄膜，尚不成熟，熱電薄膜器件的性能在一定程度上受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可編輯超薄縱向多層串聯(lián)結(jié)構(gòu)熱電薄膜及制備方法和熱電器件單元。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種可編輯超薄縱向多層串聯(lián)結(jié)構(gòu)熱電薄膜，其特征在于，該薄膜由多層材料縱向串聯(lián)而成。

所述的薄膜中每層材料的厚度小于1000nm。超薄多層縱向串聯(lián)結(jié)構(gòu)熱電薄膜總厚度小于10μm。