一種基于石墨烯異質(zhì)結(jié)的柔性熱電轉(zhuǎn)換器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種柔性熱電轉(zhuǎn)換器件，尤其是涉及一種基于石墨烯異質(zhì)結(jié)的柔性熱電轉(zhuǎn)換器件。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)能源短缺、溫室效應(yīng)及環(huán)境污染等問題正日益嚴(yán)重，熱電轉(zhuǎn)換將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的綠色能源。同時由于便攜式電子產(chǎn)品日益增長的微型化趨勢，推動了小型化電源的研宄和發(fā)展。
[0003]熱電直接轉(zhuǎn)換是指載帶熱量和電荷的物質(zhì)不經(jīng)過轉(zhuǎn)軸和活塞而直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。它是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的最新成就之一。熱電直接轉(zhuǎn)換元件不需要任何中間機(jī)械就能把熱能直接轉(zhuǎn)換成電能。
[0004]目前比較常見的熱電轉(zhuǎn)化器為堿金屬熱電轉(zhuǎn)化器，如中國專利ZL201120506928.9公開了一種堿金屬循環(huán)流動式熱電轉(zhuǎn)換裝置，是以Beta-氧化鋁固體電解質(zhì)為離子選擇性滲透膜，以液態(tài)堿金屬或氣態(tài)堿金屬為工質(zhì)的熱電能量直接轉(zhuǎn)換器件，適用熱源溫度范圍為900-1300K，理論上，熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30?40%，但是該堿金屬熱電轉(zhuǎn)化器的體積較大，無法滿足現(xiàn)今應(yīng)用在便攜式電子產(chǎn)品的小型化熱電轉(zhuǎn)化器的需求。
[0005]石墨烯材料有著獨特的電學(xué)性能，如圖2和圖3中的色散曲線所示，單層石墨烯和雙層石墨烯具有不同的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。將單層石墨烯和雙層石墨烯組合成異質(zhì)結(jié)時，即構(gòu)成了熱電轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)接觸熱輻射源時，器件中單層石墨烯和雙層石墨烯的交疊區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，引起塞貝克效應(yīng)，產(chǎn)生開路電壓，并且開路電壓線性地正比于溫度差:
[0006]Δ V = ex: ( α _雙層石墨稀-α _單層石墨稀)Δ T
[0007]其中，α稱作塞貝克系數(shù)，又稱為熱電功率。
[0008]如上所述，外界熱源存在時，石墨烯和二維半導(dǎo)體晶體材料之間塞貝克系數(shù)之差引起的熱電轉(zhuǎn)換具有廣泛應(yīng)用前景。
[0009]同時由于石墨烯具有獨特二維平面結(jié)構(gòu)，能夠與現(xiàn)代高科技的微納加工技術(shù)相銜接，可以很好地實現(xiàn)熱電器件的高密度集成。另一方面，石墨烯具有可伸展可彎曲的特點，將轉(zhuǎn)移到任意柔性材料襯底上，可隨之彎曲、折疊。對石墨烯材料柔性特征的應(yīng)用可獲得隨意彎曲折疊的熱能轉(zhuǎn)換器件，滿足在某些極限或特殊情況下的應(yīng)用需求，更可滿足便攜式電子產(chǎn)品對小型化電源的技術(shù)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]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熱電轉(zhuǎn)化效率高、集成密度高、便攜性好的基于石墨烯異質(zhì)結(jié)的柔性熱電轉(zhuǎn)換器件。
[0011]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0012]一種基于石墨烯異質(zhì)結(jié)的柔性熱電轉(zhuǎn)換器件，包括柔性襯底層、在柔性襯底層上依次生長的介質(zhì)層，第一石墨烯層，第二石墨烯層，所述的第一石墨烯層和第二石墨烯層交疊放置，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，所述的第一石墨烯層上生長第一金屬電極，第二石墨烯層上生長第二金屬電極，兩金屬電極之間無任何交疊。
[0013]所述的第一石墨烯層為單層石墨烯結(jié)構(gòu)，第二石墨烯層為雙層石墨烯結(jié)構(gòu)，第一石墨烯層與第二石墨烯層交疊設(shè)置在介質(zhì)層上，并構(gòu)成異質(zhì)結(jié)。
[0014]所述的柔性襯底層采用柔性材料制成，該柔性材料為超薄玻璃、高分子聚合物或金屬箔片。
[0015]所述的高分子聚合物選自聚酰亞胺、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚對苯二甲酸乙二醇酯中的一種。
[0016]所述的金屬箔片為赤金箔片、銀箔片、銅箔片或鋁箔片中的一種。
[0017]所述的介質(zhì)層由S12制成，該介質(zhì)層的厚度為10?lOOnm，介質(zhì)層用以增加石墨烯和襯底之間的粘附性。
[0018]所述的第一金屬電極的材料為金、鉻、銀、鋁或鈦，其厚度為10?200nm。
[0019]所述的第二金屬電極的材料為金、鉻、銀、鋁或鈦，其厚度為10?200nm。
[0020]單層石墨烯與雙層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)不同，態(tài)密度也不一樣，因而其塞貝克系數(shù)具有一定的差異，當(dāng)器件接觸熱輻射源時，器件中單層石墨烯與雙層石墨烯的交疊區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，引起塞貝克效應(yīng)，從而產(chǎn)生開路電壓。
[0021]上述的柔性熱電轉(zhuǎn)換器件制備基本工藝如下:
[0022]首先，采用柔性襯底材料制成柔性襯底層，并清洗襯底，在柔性襯底層上淀積一層3:102介質(zhì)層，以增加石墨稀和襯底之間的粘附性，S12介質(zhì)層厚度在1-1OOnm以內(nèi)，柔性襯底材料為超薄玻璃、高分子聚合物或金屬箔片，高分子聚合物為聚酰亞胺(Polyimide)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一種；
[0023]之后，通過標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械剝離工藝獲得石墨烯，并通過光學(xué)顯微鏡找到單層石墨烯，并通過顯微鏡進(jìn)行拉曼散射譜測量，確定所選的石墨烯的實際層數(shù)，再通過轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移到介質(zhì)層上；
[0024]通過標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械剝離工藝獲得石墨烯，并通過光學(xué)顯微鏡找到雙層石墨烯，并通過顯微鏡進(jìn)行拉曼散射譜測量，確定所選的石墨烯的實際層數(shù)，再通過轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移到單層石墨稀層上；
[0025]由磁控濺射方法或電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)的方法淀積一層100_200nm厚的金屬鉻膜，然后通過剝離工藝制成金屬形成兩個電極層；
[0026]即制備得到柔性熱電轉(zhuǎn)換器件器。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0028](I)熱電轉(zhuǎn)化效率高:本發(fā)明采用單層石墨烯與雙層石墨烯交疊構(gòu)成異質(zhì)結(jié)從而形成熱電轉(zhuǎn)化器件，單層石墨烯與雙層石墨烯的塞貝克系數(shù)差較大，熱電效應(yīng)大；
[0029](2)集成密度高:采用具有獨特二維平面結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，能與現(xiàn)代高科技的微納加工技術(shù)相銜接，可以很好地實現(xiàn)熱電器件的高密度集成；
[0030](3)便攜性好:本發(fā)明采用柔性襯底，同時采用的石墨烯和二維半導(dǎo)體晶體材料都具有可伸展可彎曲的特點，從而器件可隨意彎曲折疊，并且在彎折后器件的電學(xué)性能保持不變，滿足在某些特殊情況下的應(yīng)用需求，更可滿足便攜式電子產(chǎn)品對小型化電源的技術(shù)需求。相對傳統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換器件，本發(fā)明屬于柔性電子器件，器件可應(yīng)用在眾多新型領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為單層石墨烯的色散曲線；
[0033]圖3為雙層石墨烯的色散曲線；
[0034]圖中，柔性襯底層1，介質(zhì)層2，第一石墨稀層3，第二石墨稀層4，第一金屬電極5，第二金屬電極6。
【具體實施方式】
[0035]下文結(jié)合特定實例說明的實施方式，此處的實施例及各種特征和有利細(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施例難以理解。在制作所述結(jié)構(gòu)時，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施例可以被實施的方式，以及進(jìn)一步使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┐颂幍膶嵤├?。因而，不?yīng)將此處的示例理解為限制此處的實施例的范圍。
[0036]請參閱附圖。需要說明的是，本實施