一種可彎曲折疊的異質(zhì)柔性熱電轉(zhuǎn)換器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于柔性電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可彎曲折疊的異質(zhì)柔性熱電轉(zhuǎn)換器件，特別涉及一種在柔性襯底上生長(zhǎng)的二維半導(dǎo)體晶體材料-石墨烯的異質(zhì)柔性熱電轉(zhuǎn)換器件。
【背景技術(shù)】
[0002]由于便攜式電子產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的微型化趨勢(shì)，推動(dòng)了小型化電源的研宄和發(fā)展。熱電發(fā)生器作為一種自給自足的能源，它通過賽貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，成為一種能源領(lǐng)域的高新技術(shù)。另一方面，由于便攜式電子產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的微型化趨勢(shì)，小型化電源的研宄和發(fā)展成為熱點(diǎn)。
[0003]由于石墨烯與二維半導(dǎo)體晶體材料的塞貝克系數(shù)不同，可以將兩者組合在一起共同構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成熱電轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)接觸熱輻射源時(shí)，器件中石墨烯和二維半導(dǎo)體晶體材料因其塞貝克系數(shù)不同，兩者的交疊區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，引起塞貝克效應(yīng)，并產(chǎn)生開路電壓，問時(shí)開路電壓線性地正比于溫度差:八V = α ( α:維半導(dǎo)體-α ) Δ Τ，其中，a s為塞貝克系數(shù)，也稱為熱電功率。如上所述，當(dāng)外界熱源存在時(shí)，石墨烯和二維半導(dǎo)體晶體材料之間塞貝克系數(shù)之差而引起的熱能轉(zhuǎn)換則具有廣泛應(yīng)用前景。
[0004]同時(shí)，由于石墨烯與二維半導(dǎo)體晶體材料具有獨(dú)特的二維平面結(jié)構(gòu)，能夠與現(xiàn)代微納加工技術(shù)銜接，可以很好地實(shí)現(xiàn)熱電器件的高密度集成。另一方面，兩種材料都具有可伸展、可彎曲的特點(diǎn)，將兩者形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)到任意柔性材料襯底上，可實(shí)現(xiàn)隨之彎曲、折疊的特性。對(duì)兩種材料柔性特征的應(yīng)用，可獲得隨意彎曲折疊的熱電轉(zhuǎn)換器件，能滿足某些特殊情況的應(yīng)用需求，更可滿足便攜式電子產(chǎn)品對(duì)小型化電源的技術(shù)需求。
[0005]然而，目前將石墨烯與二維半導(dǎo)體晶體材料結(jié)合使用，共同用于制備柔性熱電轉(zhuǎn)換器件的技術(shù)鮮有報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]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基于二維半導(dǎo)體材料-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的柔性熱電轉(zhuǎn)換器件，用以提高熱電轉(zhuǎn)換效率，并提高器件集成度及便攜性。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0008]一種可彎曲折疊的異質(zhì)柔性熱電轉(zhuǎn)換器件，該異質(zhì)柔性熱電轉(zhuǎn)換器件包括柔性襯底、依次生長(zhǎng)在柔性襯底上的介質(zhì)層及異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述的異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括由下向上交疊設(shè)置的石墨烯層及二維半導(dǎo)體晶體層，所述的石墨烯層一端生長(zhǎng)第一金屬電極，所述的二維半導(dǎo)體晶體層一端生長(zhǎng)第二金屬電極，并且所述的第一金屬電極與第二金屬電極之間相互隔離；
[0009]工作時(shí)，在外界熱源的輻射下，所述的石墨烯層與二維半導(dǎo)體晶體層的交疊區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，引起塞貝克效應(yīng)，產(chǎn)生開路電壓，并進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。
[0010]所述的柔性襯底的材質(zhì)為超薄玻璃、高分子聚合物或金屬箔片中的一種。
[0011]所述的超薄玻璃的厚度為1um以內(nèi)。
[0012]所述的高分子聚合物為聚酰亞胺、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯中的一種。
[0013]所述的介質(zhì)層為二氧化娃介質(zhì)層，該二氧化娃介質(zhì)層的厚度為10-100nm。
[0014]所述的石墨烯層與二維半導(dǎo)體晶體層垂直交疊設(shè)置。
[0015]所述的石墨烯層的厚度為10-20nm，并且所述的二維半導(dǎo)體晶體層的厚度為l_50nm
[0016]所述的二維半導(dǎo)體晶體層的材質(zhì)為過渡金屬二硫?qū)倩衔铮撨^渡金屬二硫?qū)倩衔锇?MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、1152或 VSe 2 中的一種。
[0017]所述的第一金屬電極的厚度為10_200nm，并且所述的第一金屬電極的材質(zhì)包括金、銀、鋁或鈦中的一種。
[0018]所述的第二金屬電極的厚度為10-200nm，并且所述的第二金屬電極的材質(zhì)包括金、銀、鋁或鈦中的一種。
[0019]本發(fā)明熱電轉(zhuǎn)換器件采用柔性材料形成柔性襯底，在柔性襯底上依次生長(zhǎng)二氧化硅介質(zhì)層、石墨烯層以及二維半導(dǎo)體晶體層，其中，石墨烯層與二維半導(dǎo)體晶體層交疊設(shè)置，共同構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，在石墨烯層一端生長(zhǎng)第一金屬電極，在二維半導(dǎo)體晶體層一端生長(zhǎng)第二金屬電極，并且第一金屬電極和第二金屬電極之間無任何交疊。由于石墨烯與二維半導(dǎo)體晶體的塞貝克系數(shù)不同，當(dāng)接觸熱輻射源時(shí)，熱電轉(zhuǎn)換器件中石墨烯層與二維半導(dǎo)體晶體層的交疊區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，引起塞貝克效應(yīng)，產(chǎn)生開路電壓，并進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。
[0020]在實(shí)際制備過程中，在柔性襯底先淀積一層二氧化硅介質(zhì)層，以增加石墨烯與柔性襯底之間的粘附性；隨后，可以通過氣相沉積法(CVD)直接生長(zhǎng)或通過標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械剝離工藝獲得石墨烯，再轉(zhuǎn)移至二氧化硅介質(zhì)層上，石墨烯可以為單層或數(shù)層石墨烯；在石墨烯層上制備二維半導(dǎo)體晶體層時(shí)，可以采用機(jī)械剝離法、化學(xué)液相合成或氣相沉積法制備二維半導(dǎo)體晶體層，然后通過轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移至石墨烯層上，或者在石墨烯層上直接采用氣相沉積法生長(zhǎng)一層二維半導(dǎo)體晶體層；最后，通過磁控濺射方法、電子束蒸發(fā)法或熱蒸發(fā)方法，分別在石墨烯層的一端、二維半導(dǎo)體晶體層的一端淀積一層金屬隔膜，然后通過剝離工藝，制成第一金屬電極及第二金屬電極。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):
[0022]I)外界熱源存在時(shí)，石墨烯和二維半導(dǎo)體晶體之間塞貝克系數(shù)不同，產(chǎn)生熱電壓，器件結(jié)構(gòu)具有超高的塞貝克系數(shù)及熱電價(jià)值，引起的熱能轉(zhuǎn)換具有廣泛應(yīng)用前景；
[0023]2)采用的石墨烯和二維半導(dǎo)體晶體均具有獨(dú)特的二維平面結(jié)構(gòu)，能夠與現(xiàn)代高科技的微納加工技術(shù)相銜接，能很好地實(shí)現(xiàn)熱電器件的高密度集成；
[0024]3)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，采用柔性襯底，而石墨烯和二維半導(dǎo)體晶體都具有可伸展、可彎曲的特點(diǎn)，制成的熱電轉(zhuǎn)換器件具有可隨意彎曲折疊的特點(diǎn)，在彎折后，器件的電學(xué)性能保持不變，滿足某些特殊情況的應(yīng)用需求，更可滿足便攜式電子產(chǎn)品對(duì)小型化電源的技術(shù)需求，具有很好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖中標(biāo)記說明:
[0027]I 一柔性襯底、2—介質(zhì)層、3—石墨烯層、4 一二維半導(dǎo)體晶體層、5—第一金屬電極、6—第二金屬電極。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下文結(jié)合特定實(shí)例說明的實(shí)施方式，此處的實(shí)施例及各種特征和有關(guān)細(xì)節(jié)將參考附圖中圖示以及以下描述中詳述的非限制性實(shí)施例而進(jìn)行更完整的解釋。省略眾所周知的部件和處理技術(shù)的描述，以免不必要的使此處的實(shí)施例難以理解。在制作所述結(jié)構(gòu)時(shí)，可以使用半導(dǎo)體工藝中眾所周知的傳統(tǒng)工藝。此處使用的示例僅僅是為了幫助理解此處的實(shí)施例可以被實(shí)施的方式，以及進(jìn)一步使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┐颂幍膶?shí)施例。因而，不應(yīng)將此處的示例理解為限制此處的實(shí)施例的范圍。
[0029]需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0030]實(shí)施例1:
[0031]如圖1所示，一種可彎曲折疊的異質(zhì)柔性熱電轉(zhuǎn)換器件，該異質(zhì)柔性熱電轉(zhuǎn)換器件包括柔性襯底1、依次生長(zhǎng)在柔性襯底I上的介質(zhì)層2及異質(zhì)結(jié)構(gòu)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括由下向上交疊設(shè)置的石墨烯層3及二維半導(dǎo)體晶體層4，石墨烯層3 —端生長(zhǎng)第一金屬電極5，二維半導(dǎo)體晶體層4 一端生長(zhǎng)第二金屬電極6，并且第一金屬電極5與第二金屬電極6之間相互隔離；工作時(shí)，在外界熱源的輻射下，石墨烯層3與二維半導(dǎo)體晶體層4的交疊區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，引起塞貝克效應(yīng)，產(chǎn)生開路電壓，并進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。
[0032]其中，柔性襯底I的材質(zhì)為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，介質(zhì)層2為二氧化硅介質(zhì)層，該二氧化娃介質(zhì)層的厚度為lOOnm。
[0033]在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，石墨烯層3與二維半導(dǎo)體晶體層4垂直交疊設(shè)置，石墨烯層3的厚度為20nm，并且二維半導(dǎo)體晶體層4的