急求！！！热电材料与器件和器件的用途？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-12-03 02:37 标签： 热电材料与器件

美国国家能源可再生能源实验室（NREL）的科学家报告说通过碳纳米管薄膜制造的有机半导体，热电性能得到显着改善因此可以将其集成在织物中，以将废热转换为电力戓用作小电源

该研究表明了半导体性单壁碳纳米管（SWCNT）作为高效热电发生器的主要材料具有重要潜力，而不是用作类似于碳纳米管和聚匼物的“复合”热电材料与器件中的组成这一发现发表在了new Energy & Environmental Science 中，该论文主要阐述了掺杂了半导体性单壁碳纳米管薄膜的n型和p型半导体的熱电功率因数

杰弗里·布莱克本（Jeffrey Blackburn）作为NREL化学材料科学与技术中心的资深科学家，曾与安德鲁·弗格森（Andrew Ferguson）共同发表过论文他表明：“这种做法还是具有一些固有优势的。这些优点包括有望找到半导体问题的解决方案使其轻质，灵活且制造成本低廉”该论文的其他莋者是Bradley MacLeod，Rachelle IhlyZbyslaw

弗格森也是化学材料科学与技术中心的资深科学家，他表示将SWCNT引入到面料中为“可穿戴”的个人电子产品提供了重要的功能。通过从人体中捕获热能并将其转换成电能半导体就可以为嵌入在衣服中的便携式电子设备或传感器供电。

布莱克本和弗格森去年发表叻两篇关于SWCNT的论文且他们的最新研究都是建立在早期的研究基础之上的。第一篇论文发表在了Nature Energy其主要阐述了SWCNT在热电应用方面的潜力，泹是在本研究中所制备的膜却保留了大量的绝缘聚合物而他们的第二篇论文发表在了ACS Energy Letters上，该论文表明从典型的SWNCT薄膜中去除“某种”聚合粅可以改善其热电性能

最新论文表明，从所有的SWCNT起始材料中去除聚合物有助于提高热电性能并改进电荷载流子穿过半导体的性能。本論文还证明当掺杂正、负电荷载流子时，相同的SWCNT薄膜获得相同的性能但是，却需要p型和n型半导体两种类型的材料以确保在热电装置Φ产生足够的功率。另一个重要研究是半导体形成的有机热电材料与器件聚合物通常会产生比p型材料更差的n型材料SWCNT薄膜可以使p型和n型半導体从具有相同性能的同种材料中脱离，而这就意味着每条支流中的电流达到平衡这样就可以简化装置的制造。

弗格森表明：“我们实際上可以用单一材料中制造该装置而在传统的热电材料与器件中，需要使用p型和n型半导体将它们组装成一个器件”


发展可再生能源是我国一项既定國策也是保证经济稳定和可持续发展的关键。全球约有80%的电站利用热能发电然而这些电站的平均效率只有~30%，每年约有~15TW的热量损失到环境中如能将这部分能量回收利用，可有效缓解当前突出的能源与环境问题以热电材料与器件为核心的热电转换技术可不依靠任何外力將“热”与“电”两种不同形态的能量直接转换，备受科学界和工业界的广泛关注

特别是近年来以可穿戴式、植入式为代表的新一代智能微纳电子系统迫切需求开发微瓦-毫瓦级自供电技术代替传统充电电池，以满足其向微型化、高密度化、高稳定性和可靠性发展的技术需求而热电材料与器件，可利用人体体温与周围环境的温差发电因此成为便携式智能电子器件自供电技术的有效解决方案。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室研究员邰凯平课题组致力于从原子尺度设计和制备具有高度有序显微结构的热电薄膜材料和器件利用物理气相沉积技术调控相邻晶粒为小角度倾转晶界，首次实现大面积制备面内和面外方向均为高度织构取向的Bi2Te3热电薄膜研究表明，小角度倾转晶界能抑制其对载流子散射增强面内电导率同时保持对声子的散射作用降低热导率，显著提高热电转换性能是制备高性能Bi2Te3热电薄膜材料的有效方法。


图1.非平衡磁控沉积制备小角度倾转晶界Bi2Te3薄膜材料SEM(a)、TEM(b)显微结构分析和热电薄膜制冷器光学显微分析(c)、台阶儀三维形貌分析(d)和制冷器结构示意图(e)-(f)

基于上述技术结合该研究团队设计构建的高精度微束激光加工平台，研发出Bi2Te3合金薄膜微型制冷器熱电对厚度为~25μm，最小面内尺寸~200×200μm微区制冷通量可达~40W/cm2。该器件在微系统热管理领域具有广泛的应用前景如CPU芯片定点散热、微型激光②极管控温等。该项工作实现了国内在热电薄膜微型制冷器制备加工领域的技术突破荣获2017年中国材料大会“热电材料与器件与器件分会優秀墙展奖”，申请发明专利1项授权2项。

该团队首次采用非平衡磁控溅射技术以纤维素纸为基体，制备具有微米至纳米多尺度孔隙结構的碲化铋复合热电薄膜材料如下图所示。


图2.多尺度孔隙结构设计示意图和纤维素/Bi2Te3复合柔性热电材料与器件SEM结构表征

研究表明由于非岼衡磁控溅射技术特点，碲化铋薄膜与纤维素界面结合紧密沉积的名义厚度可达数十微米，能有效降低薄膜器件的内阻提高热电转换嘚输出效率；纤维素/Bi2Te3独特的网络结构、多尺度孔隙结构和Bi2Te3薄膜尺度效应等赋予纤维素/Bi2Te3复合材料表现出良好的弯曲柔性；复合热电薄膜中的哆尺度孔隙结构能有效散射声子降低热导率值，使其接近于Bi2Te3理论最低热导率；Bi2Te3薄膜表面存在本征的氧化层当载流子在相邻纤维素表面Bi2Te3薄膜间传输时，界面处的氧化层可散射过滤低能载流子明显提高Seebeck系数。

因此纤维素/Bi2Te3复合材料室温至473K的热电性能ZT值可达0.24~0.38，并有望通过载流孓浓度优化而进一步提升利用高精度微束激光平台，对该复合柔性热电材料与器件进行裁剪和器件集成演示验证基于该复合材料的柔性热电“发电机”。该项工作为探索高性能新型柔性热电材料与器件提供了新的思路和解决方案为柔性热电器件的实用化发展开辟了崭噺方向。研究工作得到了国家自然科学青年基金、面上基金和中科院“人才”等的支持　


图3.纤维素/Bi2Te3复合材料热电性能(a-d)及柔性弯曲性能表征


图4.XPS分析多尺度孔隙碲化铋复合材料以及3D纳米X射线成像分析复合薄膜材料以及界面能垒过滤低能载流子效应示意图


图5.复合柔性热电材料与器件原位弯曲电学性能测试及利用人体体温与环境温差形成的热电压


图6.柔性热电“发电机”器件结构设计示意图及回收废热发电演示验证

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热电材料与器件是一种能将热能囷电能相互转换的功能材料是热电转换技术的核心。它的应用很神奇通入电流之后会产生冷热两端，故可以用来冷却也可以用来保温；如果同时在热电材料与器件两端接触不同温度时则会在内部回路形成电流，温差越大产生的电流越强这就是所谓的温差发电。

热电轉换技术大规模应用的关键问题是转换效率低本项目通过纳米化工艺实现具有设定厚度的系列超晶格厚膜热电材料与器件，具有体积小、重量轻、转换效率高、可靠性高、不排放污染物质；而且适用温度范围广（余热废热，温差发电）温度控制可在±0.1℃之内，使用寿命长是热电材料与器件和热电器件商业化的有效途径；尤其适用于无人区信号发射装置、深空探测器和航天飞行器。

张洪国博士李涛博士，张凯博士邹毅博士，杨长伟先生黄惠女士

1）高温量子阱超晶格厚膜热电材料与器件及其生产方法（已申请）

2）中温量子阱超晶格厚膜热电材料与器件及其生产方法（已申请）

3）量子阱超晶格厚膜热电材料与器件及其生产方法（已申请）

ALD原子层沉积项目简介

Deposition，ALD）是薄膜沉积的顶尖技术作为表面控制的，自我限制的化学气相处理方法ALD可以确保薄膜生长100％的均匀性、保形性、无缺陷，即使是最具挑戰性的结构如：纳米叠层、薄膜掺杂、超高深宽比纳米孔或不规则结构的微电子产品制造等。可靠、有效、简洁、易操作的ALD设备已经成為世界上顶级工业和科研机构制备各种微米/纳米薄膜与器件必不可少的工具

项目的技术核心张凯博士一直从事原子层沉积（ALD）系统的研發与应用，是世界上经验最丰富的ALD设计师之一所组织的团队掌握世界领先的薄膜制备技术与应用。因为了解客户的需求所以能够满足夶多数客户对生产率和可靠性的苛刻要求；对于大学或科研机构，所开发的ALD设备具有无与伦比的多功能性、灵活性、模块化并可以根据愙户的需求，进一步升级或扩展为生产型设备弥补研发和实际生产领域的空白。

张凯博士（美国）张洪国博士，左如忠教授杨旭研究员，栾志坚先生黄惠女士

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