[發明專利]一種基于自旋塞貝克效應的熱電轉換器件結構

有效

• 申請號: 201710548329.5
• 申請日: 2017-07-06
• 公開（公告）號: CN107331765B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 胡少杰;田祎龍;閔泰
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L35/26
• 分類號: H01L35/26;H01L35/30
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

本發明公開一種基于自旋塞貝克效應的熱電轉換器件結構，包括基本U型結構；基本U型結構包括由下至上或者由上至下依次設置的第一磁性層、電極層和第二磁性層；第一磁性層由第一正自旋塞貝克系數磁性薄膜和第一負自旋塞貝克系數的磁性薄膜連接構成；第二磁性層由第二正自旋塞貝克系數磁性薄膜和第二負自旋塞貝克系數的磁性薄膜連接構成；第一正自旋塞貝克系數磁性薄膜和第二正自旋塞貝克系數磁性薄膜位于基本U型結構的左臂；第一負自旋塞貝克系數的磁性薄膜和第二負自旋塞貝克系數的磁性薄膜位于基本U型結構的右臂。U型結構左右兩部分的磁性層由自旋塞貝克系數異號的材料組成，可分別在電極層中產生不同方向的電勢差并實現電勢差串聯疊加效果。

技術領域

本發明屬于熱電轉換領域，特別涉及一種基于自旋塞貝克效應的高效熱電轉換器件結構。

背景技術

為了加快解決環境污染和能源浪費問題，實現社會的可持續發展，我國對節能、高效的熱電轉換設備的期望與日俱增。熱能是一種普遍存在的能源，能夠從各種媒介諸如體熱、陽光、發動機和工業余熱中獲得該能源?，F代的能源利用中，未能利用而被排放的能源約占一次能源的60％。對于在低碳社會中提高能源的使用效率來說，預計在未來熱電轉換元件將越來越重要。

1821年德國物理學家托馬斯·約翰·塞貝克發現了塞貝克效應。塞貝克效應，又稱作第一熱電效應，它是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象。關于熱電轉換元件的構造，現有的熱電轉換元件通常是將碲化鉍及其合金、碲化鉛及其合金或硅鍺合金等熱電材料的燒結體進行加工、接合來裝配成“π型”的熱電偶模塊。

但是，在以往的熱電轉換模塊產生了溫度差時，由高溫側與低溫側的熱膨脹差引起的應力集中于接合材料，有時接合材料與熱電轉換元件的電連接被破壞而熱電轉換模塊產生故障，造成熱電轉化模塊的使用壽命縮短。

近年來，利用金屬有機化合物化學氣相沉淀(MOCVD)、磁控濺射等工藝在基板上形成熱電半導體薄膜來制作模塊的薄膜型熱電元件的研發也得到推進，并受到關注。根據薄膜自身的低熱導率和選擇熱傳導方向可以提高器件的性能，但是在模塊相互連接、基片選擇、切割等方面都存在尚未克服的技術難題，限制了其應用^-。例如，日本精工推出依靠人體體溫產生電能的“Seiko Thermic”，使用的就是碲化鉍熱電偶模塊，但是由于高昂的制造成本使其售價昂貴(約12,670元)，使得Seiko Thermic并沒有獲得商業成功。另外，當熱電元件是薄膜型，則存在薄膜表面/背面之間的溫度差形成及保持困難的問題。即在許多發電用途中，在與具有熱電材料的薄膜面垂直的方向上形成溫度差(溫度梯度)來進行熱電轉換，但是熱電半導體薄膜越薄，隔熱性(熱阻擋)越不足，因而難以保持熱電半導體薄膜的表面和背面之間的溫度差，導致溫度差幾乎沒有產生在熱電半導體薄膜的表面和背面，而是產生于基板的表面和背面之間，因而抑制了熱電轉換器件的電能輸出效率。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于自旋塞貝克效應的熱電轉換器件結構，期望獲得較高的熱致自旋電壓，以解決上述技術問題。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于自旋塞貝克效應的熱電轉換器件結構，包括基本U型結構；基本U型結構包括由下至上或者由上至下依次設置的第一磁性層、電極層和第二磁性層；

第一磁性層由第一正自旋塞貝克系數磁性薄膜和第一負自旋塞貝克系數的磁性薄膜連接構成；第二磁性層由第二正自旋塞貝克系數磁性薄膜和第二負自旋塞貝克系數的磁性薄膜連接構成；

第一正自旋塞貝克系數磁性薄膜和第二正自旋塞貝克系數磁性薄膜位于基本U型結構的左臂；第一負自旋塞貝克系數的磁性薄膜和第二負自旋塞貝克系數的磁性薄膜位于基本U型結構的右臂。

進一步的，電極層設于第一磁性層和第二磁性層中間并貫穿整個基本U型結構，利用逆自旋霍爾效應把自旋流轉換為電流。