[發明專利]金剛石肖特基同位素電池及其制備方法

在審

• 申請號: 201710930415.2
• 申請日: 2017-10-09
• 公開（公告）號: CN107749316A
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發明（設計）人: 朱嘉琦;劉本建;代兵;劉康;薛晶晶;王偉華;舒國陽;高鴿;趙繼文;楊磊;韓杰才
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 賈澤純

技術領域

本發明屬于微能源領域，具體涉及一種微小型金剛石肖特基同位素電池及其制備方法。

背景技術

現代微機電系統(MEMS)的發展使得植入式生物醫學設備、微機械掃描隧道顯微鏡等微型設備的實現成為了可能。真正意義上的微型機械設備需要提供獨立的微型供電系統。放射性同位素電池以其高能量密度、壽命長、易于小型化等優點成為微機電系統、心臟起搏器以及深海深空設備等的潛在選擇。現在，同位素輻射能轉化為電能已有十多種轉換機制，其中熱溫差電池在航天和心臟起搏器等方面都已經有一部分應用。但對于微機電系統，RTG的尺寸較大，且難以微型化。而利用輻射伏特效應的同位素電池，由于采用半導體技術，其微型化十分方便。

1954年，Pfann WG提出了硅基的阿爾法輻射伏特效應同位素電池，后來，Sychov M等人制作了基于AlGaAs的Pu238阿爾法輻射伏特同位素電池。但是由于阿爾法粒子能量比較高，電池的性能在很短時間內急劇衰退。

半導體的移位能代表半導體的抗輻射損傷的能力，根據M.A.Prelas等人在《A review of nuclear batteries》中的數據，半導體的移位能分別為硅19eV，鍺30eV，砷化鎵10eV，碳化硅28eV，氮化鎵24eV，金剛石43eV。從這些數據可以比較得出金剛石的抗輻射能力最強，是最適合作為阿爾法輻射伏特效應換能元件的材料。

在眾多半導體材料中，金剛石有著最寬的禁帶為5.48eV，而硅為1.12eV，鍺為0.68eV，砷化鎵為1.42eV，碳化硅為2.9eV，氮化鎵為3.39eV。Larry C.Olsen在《Betavoltaic power sources》中指出，隨著半導體禁帶寬度的增加，同位素電池的理論轉換效率也在增加，這意味著金剛石作為同位素電池有著最大的理論轉化效率。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有同位素電池的抗輻射損傷強度以及能量轉換效率較低的問題，而提供一種金剛石肖特基同位素電池及其制備方法。

本發明金剛石肖特基同位素電池包括放射源、電池肖特基電極、本征金剛石層、P型金剛石層和電池歐姆電極，該金剛石肖特基同位素電池從上至下依次由放射源、電池肖特基電極、本征金剛石層和P型金剛石層形成疊層結構，在疊層結構的側面設置有電池歐姆電極。

本發明金剛石肖特基同位素電池的制備方法按以下步驟實現：

一、在P型金剛石基底層上，利用微波等離子體化學氣相沉積法外延生長本征金剛石層，得到生長有本征金剛石層的金剛石基底；

二、將步驟一得到的生長有本征金剛石層的金剛石基底置于濃H₂SO₄和濃HNO₃的混合溶液中，加熱至煮沸處理0.5～1小時，然后依次置于丙酮、去離子水和無水乙醇中進行超聲清洗，得到清洗后的生長有本征金剛石層的金剛石基底；

三、將清洗后的生長有本征金剛石層的金剛石基底放置到磁控濺射裝置中，在本征金剛石層表面濺射肖特基電極，得到換能單元；

四、在換能單元的側面涂覆導電銀膠，在75～85℃溫度下加熱固化，得到涂有導電銀膠的換能單元；

五、在換能單元的肖特基電極上加載電鍍放射源，得到金剛石肖特基同位素電池。

本發明利用寬禁帶，高抗輻射強度的半導體金剛石作為換能單元，在提高能量轉換效率的同時還能減少因輻射損傷而帶來的電池性能衰減的現象。同時使用²⁴¹Am作為提供能量的同位素。²⁴¹Am是一種較為純凈的阿爾法核素，其發出的射線絕大部分為阿爾法射線，而阿爾法射線穿透深度低，因此電池的輻射防護要求低。且²⁴¹Am半衰期長(432年)，能保證長時間的提供能量。

附圖說明

圖1是本發明金剛石肖特基同位素電池的結構示意圖；

圖2是實施例中金剛石肖特基同位素電池的電流-電壓曲線和輸出功率-電壓曲線圖；

圖3是實施例中金剛石肖特基同位素電池的開路電壓隨²⁴¹Am阿爾法粒子照射時間的曲線圖；

圖4是實施例中金剛石肖特基同位素電池的短路電流隨²⁴¹Am阿爾法粒子照射時間的曲線圖；

圖5是實施例中金剛石肖特基同位素電池的轉換效率隨²⁴¹Am阿爾法粒子照射時間的曲線圖。

具體實施方式