在存在勢(shì)壘的情況下具有高交叉平面電導(dǎo)率的熱電材料的制作方法
【專利摘要】公開了在存在增強(qiáng)勢(shì)壘的一個(gè)或更多塞貝克系數(shù)的情況下具有高交叉平面電導(dǎo)率的熱電材料及其制造方法的實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，熱電材料包括第一基體材料層、屏障層和第二基體材料層。所述屏障層是包括多個(gè)超晶格層的短周期超晶格結(jié)構(gòu)。每個(gè)超晶格層具有高能量子帶和低能量子帶。對(duì)于每個(gè)超晶格層，所述超晶格層的高能量子帶的能級(jí)與相鄰超晶格層的低能量子帶的能級(jí)共振，和/或所述超晶格層的低能量子帶的能級(jí)與相鄰超晶格層的高能量子帶的能級(jí)共振。結(jié)果，所述熱電材料的交叉平面電導(dǎo)率得到提升。
【專利說明】在存在勢(shì)壘的情況下具有高交叉平面電導(dǎo)率的熱電材料 相關(guān)申請(qǐng)
[0001] 本申請(qǐng)要求于2012年3月20日提交的序列號(hào)為61/613,015的臨時(shí)專利申請(qǐng)的 優(yōu)先權(quán)，其全部公開內(nèi)容在此以引用的方式并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本公開涉及一種熱電材料，更具體地涉及一種具有高交叉平面電導(dǎo)率的熱電材 料。

【背景技術(shù)】
[0003] 熱電材料的品質(zhì)因數(shù)（ZT)是用來比較各種熱電材料效率的無量綱單位。品質(zhì)因 數(shù)（ZT)由三個(gè)物理參數(shù)確定：熱電勢(shì)α (也稱為塞貝克系數(shù)）；電導(dǎo)率O ;和熱導(dǎo)率k = ke+kph，其中ke和kph是各自由于電子和聲子的傳送而導(dǎo)致的熱導(dǎo)率；以及絕對(duì)溫度T :

【權(quán)利要求】
1. 一種熱電材料，包括： 第一基體材料層； 位于所述第一基體材料層上的屏障層，所述屏障層具有包括多個(gè)超晶格層的短周期超 晶格結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)超晶格層的每個(gè)超晶格層具有從由下述構(gòu)成的群組中選擇的至少 一個(gè)特征：在所述多個(gè)超晶格層中與相鄰超晶格層的低能量子帶共振的高能量子帶和在所 述多個(gè)超晶格層中與相鄰超晶格層的高能量子帶共振的低能量子帶；以及 位于所述屏障層上的第二基體材料層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電材料，其中，所述多個(gè)超晶格層包括： 對(duì)于所述屏障層具有最大帶隙的超晶格層； 緊挨對(duì)于所述屏障層具有最大帶隙的超晶格層其前的第一組接連的超晶格層，其中， 對(duì)于所述第一組接連的超晶格層中的每個(gè)超晶格層而言，對(duì)于所述超晶格層的所述高能量 子帶與對(duì)于緊隨其后的超晶格層的低能量子帶共振；以及 緊隨對(duì)于所述屏障層具有最大帶隙的超晶格層其后的第二組接連的超晶格層，其中， 對(duì)于所述第二組接連的超晶格層中的每個(gè)超晶格層而言，對(duì)于所述超晶格層的所述高能量 子帶與對(duì)于緊挨其前的超晶格層的低能量子帶共振。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電材料，其中，在組IV-VI材料系統(tǒng)中形成所述熱電材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱電材料，其中，所述多個(gè)超晶格層的所述高能量子帶是斜 谷子帶，并且所述多個(gè)超晶格層的所述低能量子帶是法向谷子帶。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電材料，其中，所述多個(gè)超晶格層的每個(gè)超晶格層是由硒 化鉛和硒化鉛鍶的交替層形成的周期性結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電材料，其中，所述多個(gè)超晶格層的每個(gè)超晶格層是由硒 化鉛和硒化鉛錫的交替層形成的周期性結(jié)構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電材料，還包括： 位于所述第二基體材料層上的第二屏障層，所述第二屏障層具有包括第二多個(gè)超晶格 層的短周期超晶格結(jié)構(gòu)，其中所述第二多個(gè)超晶格層的每個(gè)超晶格層具有從由下述構(gòu)成的 群組中選擇的至少一個(gè)特征：在所述第二多個(gè)超晶格層中與相鄰超晶格層的低能量子帶共 振的高能量子帶和在所述第二多個(gè)超晶格層中與相鄰超晶格層的高能量子帶共振的低能 量子帶；以及 位于所述第二屏障層上的第三基體材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱電材料，其中，所述第二屏障層的屏障高度不同于所述屏 障層的屏障高度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電材料，其中，所述多個(gè)超晶格層的每個(gè)超晶格層的厚度 大約等于在設(shè)計(jì)所述熱電材料的溫度梯度中對(duì)于相應(yīng)溫度的散射過程之間載流子的平均 自由程距離。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電材料，其中，所述多個(gè)超晶格層進(jìn)一步構(gòu)造為反射多個(gè) 聲子波長(zhǎng)，所述多個(gè)超晶格層針對(duì)所述多個(gè)聲子波長(zhǎng)的每個(gè)聲子波長(zhǎng)包括各自具有大約等 于四分之一聲子波長(zhǎng)的厚度的一種材料成分的多個(gè)層和各自具有大約等于四分之一聲子 波長(zhǎng)的厚度的另一種材料成分的多個(gè)層。
11. 一種制造熱電材料的方法，包括： 提供第一基體材料層； 提供位于所述第一基體材料層上的屏障層，所述屏障層具有包括多個(gè)超晶格層的短周 期超晶格結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)超晶格層的每個(gè)超晶格層具有從由下述構(gòu)成的群組中選擇的 至少一個(gè)特征：在所述多個(gè)超晶格層中與相鄰超晶格層的低能量子帶共振的高能量子帶和 在所述多個(gè)超晶格層中與相鄰超晶格層的高能量子帶共振的低能量子帶；以及 提供位于所述屏障層上的第二基體材料層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述多個(gè)超晶格層包括對(duì)于所述屏障層具有 最大帶隙的超晶格層，并且提供所述多個(gè)超晶格層的步驟包括： 提供緊挨對(duì)于所述屏障層具有最大帶隙的超晶格層其前的第一組接連的超晶格層，其 中，對(duì)于所述第一組接連的超晶格層中的每個(gè)超晶格層而言，對(duì)于所述超晶格層的所述高 能量子帶與對(duì)于緊隨其后的超晶格層的低能量子帶共振； 在所述第一組接連的超晶格層上提供對(duì)于所述屏障層具有最大帶隙的超晶格層；以及 提供緊隨對(duì)于所述屏障層具有最大帶隙的超晶格層其后的第二組接連的超晶格層，其 中，對(duì)于所述第二組接連的超晶格層中的每個(gè)超晶格層而言，對(duì)于所述超晶格層的所述高 能量子帶與對(duì)于緊挨其前的超晶格層的低能量子帶共振。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在組IV-VI材料系統(tǒng)中形成所述熱電材料。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述多個(gè)超晶格層的所述高能量子帶是斜谷 子帶，并且所述多個(gè)超晶格層的所述低能量子帶是法向谷子帶。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，提供所述屏障層的步驟針對(duì)所述多個(gè)超晶格 層的每個(gè)超晶格層而言包括提供作為由硒化鉛和硒化鉛鍶的交替層形成的周期性結(jié)構(gòu)的 超晶格層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，提供所述屏障層的步驟針對(duì)所述多個(gè)超晶格 層的每個(gè)超晶格層而言包括提供作為由硒化鉛和硒化鉛錫的交替層形成的周期性結(jié)構(gòu)的 超晶格層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括： 提供位于所述第二基體材料層上的第二屏障層，所述第二屏障層具有包括第二多個(gè)超 晶格層的短周期超晶格結(jié)構(gòu)，其中所述第二多個(gè)超晶格層的每個(gè)超晶格層具有從由下述構(gòu) 成的群組中選擇的至少一個(gè)特征：在所述第二多個(gè)超晶格層中與相鄰超晶格層的低能量子 帶共振的高能量子帶和在所述第二多個(gè)超晶格層中與相鄰超晶格層的高能量子帶共振的 低能量子帶；以及 提供位于所述第二屏障層上的第三基體材料。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第二屏障層的屏障高度不同于所述屏障 層的屏障高度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，提供所述屏障層的步驟包括提供所述多個(gè)超 晶格層的每個(gè)超晶格層使得所述超晶格層的厚度大約等于在設(shè)計(jì)所述熱電材料的溫度梯 度中對(duì)于相應(yīng)溫度的散射過程之間載流子的平均自由程距離。
20. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，提供所述屏障層的步驟包括提供所述多個(gè)超 晶格層使得所述多個(gè)超晶格層針對(duì)期望被阻擋的多個(gè)聲子波長(zhǎng)的每個(gè)聲子波長(zhǎng)而言包括 各自具有大約等于四分之一聲子波長(zhǎng)的厚度的一種材料成分的多個(gè)層和各自具有大約等 于四分之一聲子波長(zhǎng)的厚度的另一種材料成分的多個(gè)層。
21. -種方法，包括： 獲得對(duì)于具有不同量子阱寬度的多個(gè)期望材料的樣本的子帶間躍遷能量的測(cè)量值； 針對(duì)所述多個(gè)期望材料的樣本計(jì)算子帶能量； 基于針對(duì)所述多個(gè)期望材料的樣本計(jì)算的子帶能量生成對(duì)于所述期望材料的子帶能 量對(duì)量子阱寬度的理論值的表征； 確定對(duì)于熱電材料的屏障層中的相鄰超晶格層提供共振的高能量子帶和低能量子帶 的量子阱寬度的組合；以及 制造所述熱電材料使得所述熱電材料包括這樣的屏障層，其具有提供所述共振的高能 量子帶和低能量子帶的量子阱寬度的組合。
【文檔編號(hào)】H01L35/16GK104350622SQ201380015322
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月20日
【發(fā)明者】P.麥肯 申請(qǐng)人:俄克拉何馬大學(xué)董事會(huì)