基于拓?fù)浣^緣體的熱電結(jié)構(gòu)與裝置的制造方法
【專利說明】
[0001] 本申請(qǐng)案要求題為"基于拓?fù)浣^緣體的熱電結(jié)構(gòu)與裝置"的，2013年12月2日提 交的第61/910, 541號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)，以及2014年3月12日提交的第14/207, 478號(hào)美國(guó) 臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益，所述申請(qǐng)案以引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 所公開的實(shí)施例主要涉及熱電結(jié)構(gòu)與裝置。更明確地說，是基于拓?fù)浣^緣體的熱 電結(jié)構(gòu)與裝置。
【背景技術(shù)】
[0003] 全世界對(duì)于能源的需求在迅速增長(zhǎng)。同時(shí)，人們也越來越關(guān)注由于燃燒天然氣、油 和煤等傳統(tǒng)化學(xué)能源所引起的環(huán)境問題。最近幾年，有大量的研宄正在尋求可以替代的綠 色能源。人們?cè)诤芫靡郧熬鸵呀?jīng)發(fā)現(xiàn)，熱電效應(yīng)可以直接實(shí)現(xiàn)熱和電的相互轉(zhuǎn)換，提供一 個(gè)可行的發(fā)電或制冷的替代途徑。尋求有效進(jìn)行熱-電轉(zhuǎn)化的高性能熱電材料，是材料科 學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。[Electronic refrigeration，vol. 76 (Pion London，1986) ;adv. Mater. 19,1043(2007) ；Nat. Mater. 7,105 (2008)]
[0004] 熱電轉(zhuǎn)換效率依賴熱電材料的熱電品質(zhì)因子zT。而zT值是一些相互沖突的物理 量的組合。在標(biāo)準(zhǔn)的定義中，zT被表述成
[0005]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括： 拓?fù)浣^緣體，所述拓?fù)浣^緣體包含具有絕緣能隙的體態(tài)及沒有能隙、不會(huì)因受任何時(shí) 間反演不變微擾而被破壞的邊緣態(tài)； 橫斷面積為A ; W及 沿著長(zhǎng)度方向，具有長(zhǎng)度L的電與熱輸運(yùn)路徑，其中拓?fù)浣^緣體的電導(dǎo)G不滿足歐姆標(biāo) 度定律，該歐姆標(biāo)度定律即G與A/L成正比，并且當(dāng)L增加和A減少時(shí)，熱電結(jié)構(gòu)的熱電品 質(zhì)因子ZT會(huì)提高。
2. 如權(quán)利要求1所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的拓?fù)浣^緣體是二維拓?fù)浣^緣體， 其邊緣態(tài)為受拓?fù)浔Ｗo(hù)的一維邊沿態(tài)，并且寬度為拓?fù)浣^緣體的邊緣態(tài)局域化寬度C的 大約S倍。
3. 如權(quán)利要求2所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于zT值大于3。
4. 如權(quán)利要求2所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的拓?fù)浣^緣體是從一組材料中選 取的，所述的一組材料包含；異質(zhì)結(jié)構(gòu)的化Te/CdTe和InAs/Ga訊，與薄膜結(jié)構(gòu)的娃，錯(cuò)，錫， 鋪，餓，Bi2TeI，ZrTe5和HfTe5,而且寬度在大約10至Ij 100納米之間。
5. 如權(quán)利要求2所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的拓?fù)浣^緣體是合金薄膜，其中合 金成分至少是Bi2Te3,訊2Te3和Bi2Se3中之一種。
6. 如權(quán)利要求1所述的熱電結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括： 化學(xué)滲雜，其特征在于，通過引入化學(xué)滲雜，使得對(duì)于P型拓?fù)浣^緣體，則所述拓?fù)浣^ 緣體的費(fèi)米能級(jí)低于其體態(tài)價(jià)帶最大值大約0至3倍kBT，或者對(duì)于N型拓?fù)浣^緣體，則所 述拓?fù)浣^緣體的費(fèi)米能級(jí)高于其體態(tài)導(dǎo)帶最小值大約0至3倍kBT，其中kB為玻爾茲曼常 量，T為所述拓?fù)浣^緣體的平均溫度。
7. 如權(quán)利要求1所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的拓?fù)浣^緣體由材料 炬王義訊^分2了63所組成，其中X大于或等于0,而且小于或等于1，使得對(duì)于P型拓?fù)浣^緣 體，則所述拓?fù)浣^緣體的費(fèi)米能級(jí)低于其體價(jià)電帶最大值大約0至3kBT，或者對(duì)于N型拓?fù)?絕緣體，則所述拓?fù)浣^緣體的費(fèi)米能級(jí)高于其體導(dǎo)電帶最小值大約0至3kBT，其中kB為玻 爾茲曼常量，T為所述拓?fù)浣^緣體的平均溫度。
8. 如權(quán)利要求7所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，對(duì)于P型拓?fù)浣^緣體，則X在大約0與 0. 1之間，對(duì)于N型拓?fù)浣^緣體，則X在大約0. 9與1之間。
9. 如權(quán)利要求2所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述拓?fù)浣^緣體是化學(xué)功能基團(tuán)修飾 的蜂窩晶格的單層錫，所述用于化學(xué)修飾的功能基團(tuán)是從包含氣、氯、漠、艦和哲基的組中 選出。
10. 如權(quán)利要求9所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述拓?fù)浣^緣體的寬度約為10納米。
11. 如權(quán)利要求1所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，進(jìn)一步包括： 遠(yuǎn)離拓?fù)浣^緣體邊緣區(qū)域的無序，所述無序散射聲子及體態(tài)電子，同時(shí)對(duì)邊緣態(tài)電子 幾乎沒有影響。
12. 如權(quán)利要求1所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，增加L到至少大于所述拓?fù)浣^緣體的 非彈性平均自由程A，可W提高其zT值。
13. 如權(quán)利要求1所述的熱電結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述拓?fù)浣^緣體為=維拓?fù)浣^緣體， 其邊緣態(tài)為受拓?fù)浔Ｗo(hù)的二維表面態(tài)，其厚度為所述拓?fù)浣^緣體的邊緣態(tài)局域化寬度寫 的大約s倍。
14. 一個(gè)方法，其特征在于，包括W下步驟： 取得拓?fù)浣^緣體邊緣態(tài)的非彈性平均自由程A，其中的拓?fù)浣^緣體包含具有絕緣能隙 的體態(tài)及沒有能隙、不會(huì)因受任何時(shí)間反演不變微擾而被破壞的邊緣態(tài)； 取得拓?fù)浣^緣體邊緣態(tài)的局域化寬度寫。 基于A與I，相對(duì)于體態(tài)，將邊緣態(tài)對(duì)熱電輸運(yùn)的相對(duì)貢獻(xiàn)調(diào)至最大，用W提升拓?fù)?絕緣體的熱電品質(zhì)因子zT值。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述拓?fù)浣^緣體有橫斷面A，W及沿著長(zhǎng) 度方向，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的熱與電輸運(yùn)路徑，并且，提升zT包括增加L到至少大于入。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，所述拓?fù)浣^緣體是二維拓?fù)浣^緣體，具有受拓?fù)浔Ｗo(hù) 的一維邊沿態(tài)，則其特征在于，其寬度為C的大約S倍。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括： 對(duì)于P型拓?fù)浣^緣體，調(diào)整所述拓?fù)浣^緣體的費(fèi)米能級(jí)至低于其體態(tài)價(jià)帶最大值大 約0至3倍kBT ;或者對(duì)于N型拓?fù)浣^緣體，調(diào)整所述拓?fù)浣^緣體的費(fèi)米能級(jí)至高于其體態(tài) 導(dǎo)帶最小值大約0至3倍kBT，其中kB為玻爾茲曼常量，T為所述拓?fù)浣^緣體的平均溫度。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，使用口電壓來調(diào)控費(fèi)米能級(jí)。
19. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，添加化學(xué)滲雜來調(diào)控費(fèi)米能級(jí)。
20. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括： 在遠(yuǎn)離拓?fù)浣^緣體邊緣的區(qū)域加入無序，所述無序散射聲子及體態(tài)電子，同時(shí)對(duì)邊緣 態(tài)電子幾乎沒有影響。
21. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述拓?fù)浣^緣體為=維拓?fù)浣^緣體，其邊 緣態(tài)為受拓?fù)浔Ｗo(hù)的二維表面態(tài)，并且提升zT值的方法包括減少所述拓?fù)浣^緣體的厚度 為C的大約S倍。
【專利摘要】基于拓?fù)浣^緣體的熱電結(jié)構(gòu)與裝置，本發(fā)明描述了一些方法和設(shè)備，用以提升基于拓?fù)浣^緣體的熱電結(jié)構(gòu)與裝置的熱電品質(zhì)因子(zT)。本發(fā)明中，一個(gè)新穎的方面是，透過優(yōu)化拓?fù)浣^緣體的幾何尺寸來提升其zT值。在一個(gè)實(shí)施例中，將拓?fù)浣^緣體的長(zhǎng)度加長(zhǎng)至超過其非彈性平均自由程長(zhǎng)度。在另一個(gè)實(shí)施例中，減少二維拓?fù)浣^緣體的寬度，或是減少三維拓?fù)浣^體的厚度，至大約其邊緣態(tài)局域化寬度的三倍，用以提升其zT值。本發(fā)明另一個(gè)新穎的方面是，相對(duì)于體態(tài)，提高邊緣態(tài)對(duì)熱電輸運(yùn)的相對(duì)貢獻(xiàn)至最大，用以提升其zT值。
【IPC分類】H01L35-32
【公開號(hào)】CN104681707
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410422586
【發(fā)明人】徐勇, 甘中學(xué), 張首晟
【申請(qǐng)人】新奧科技發(fā)展有限公司
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2014年8月26日
【公告號(hào)】US20150155464