用于形成热电装置的系统和方法制造方法及图纸

用于形成热电元件的汽相方法，包括在反应空间中提供衬底，该衬底包括与衬底相邻的金属材料的图案，该金属材料被配置用于催化衬底的氧化。继而使金属材料暴露于具有氧化剂和化学蚀刻剂的气体以在衬底中形成孔或从衬底形成丝。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】交叉引用本申请要求提交于2012年8月17日的美国临时专利申请第61/684，681号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入于此。
技术介绍
全世界每年有超过15太瓦(terawatt)的热由需要石油作为其主要燃料源的热机流失到环境中。这是由于这些热机仅将石油的化学能的约30%至40%转化为有用功。废热的生成是热力学第二定律的不可避免的结果。术语“热电效应”包括塞贝克效应(Seebeck effect)、珀尔贴效应(Peltiereffect)和汤姆逊效应(Thomson effect)。基于热电效应的固态冷却和发电通常利用塞贝克效应或珀尔贴效应进行发电和热泵送。然而，此类常规热电装置的效用通常受限于其较低的性能系数(COP)(对于制冷应用而言)或较低的效率(对于发电应用而言)。热电装置性能可由所谓的热电品质因数(figure-of-merit)Z = S2 σ /k所捕捉，其中‘S’为塞贝克系数，‘ σ ’为电导率，而‘k’为热导率。Z通常用作热电装置的COP和效率的指标一一亦即，COP与Z成比例。可以采用无量纲品质因数ZT来量化热电装置性能，其中‘T’可以是装置的热端和冷端的平均温度。虽然常规半导体热电冷却器相比其他制冷技术提供了许多优点，但由于较低的品质因数，使其应用相当有限。在冷却中，具有较小品质因数的、由常规热电材料制成的热电装置的较低效率限制了它们在提供高效热电冷却方面的应用。
技术实现思路
在此认识到的是对增强的热电材料及其制造方法的需要。更具体地，对展示出增强的品质因数的热电材料存在需要。热电装置可包括在该热电装置的电极之间安置有网(例如，多个孔)的半导体衬底。所述网的孔可具有纳米级的尺寸。在一些情况下，所述孔可填充有金属材料、半导体或绝缘体以提供包体。该包体可具有纳米级的尺寸。在一些情况下，热电装置可包括半导体衬底和诸如丝或孔等纳米结构的阵列。丝或孔可具有纳米级的尺寸，例如，纳米丝或纳米孔。该纳米结构可具有高纵横比并且可以是单分散的。在一些情况下，该纳米结构锚定至半导体衬底，诸如硅衬底。本公开内容提供用于形成热电装置的汽相方法。在一些情况下，热电装置借助于汽相中的活性物而形成。在其他情况下，热电装置借助于汽相和液相中的活性物而形成。本公开内容的热电装置的性能可与该装置的热电元件的孔和/或丝的性质和特性有关。在一些情况下，对于以下元件可达到最佳装置性能:该元件具有孔或丝，如通过透射电子显微术(TEM)所测量的，单个孔或丝具有约0.1nm至50nm、或Inm至20nm、或Inm至1nm的表面粗糙度。在一些情况下，如通过X-射线光电子能谱法(XPS)所测量的，热电元件可具有约0.000001%至25%的残余金属含量。这样的金属可以被吸附于该热电元件的表面上，诸如该热电元件的孔或丝的暴露表面。 在本公开内容的一个方面，一种用于形成热电装置的方法包括形成与衬底相邻的掩模，该掩模具有在聚合物基质内分布或以其他方式提供的三维结构。在一些情况下，该热电装置可包括一个或多个在掩模与衬底之间的中间层(例如，氧化物层)。在一些情况下，该三维结构可以在聚合物基质中相分离(phase separated) ο继而去除该三维结构或聚合物基质以暴露衬底的部分。接下来，邻近衬底的暴露部分沉积蚀刻层。蚀刻层可包括蚀刻材料，诸如金属材料。继而使用氧化剂和化学蚀刻剂(本文中亦称“蚀刻剂”)催化地蚀刻衬底。蚀刻层和衬底可以通过气相暴露而暴露于氧化剂和/或蚀刻剂(例如，氧化剂和/或蚀刻剂在汽相中提供)。在一个实施方式中，相对于聚合物基质选择性地去除所述三维结构。在另一实施方式中，催化地蚀刻衬底在该衬底中形成孔。在另一实施方式中，在沉积蚀刻层之前在衬底的暴露部分上沉积蚀刻阻挡层，并去除掩模。在另一实施方式中，蚀刻阻挡层包含降低与蚀刻阻挡层相邻的衬底部分的蚀刻速率的材料。在另一实施方式中，蚀刻阻挡层包含铬、钼、钨、钛、铌或其组合。在另一实施方式中，催化地蚀刻衬底在该衬底中形成丝。在另一实施方式中，催化地蚀刻衬底在该衬底中形成孔。在另一实施方式中，蚀刻层包含金、银、铂、铬、钼、钨、钯和/或其他贵金属。在一些实施方式中，蚀刻层包含金、银、铂、铬、钼、钨、钯和/或其他贵金属的任意组合或合金。在另一实施方式中，所述三维结构是由聚合物材料形成的。在另一实施方式中，所述三维结构是由嵌段共聚物形成的。在另一实施方式中，去除掩模以暴露衬底的部分。在另一实施方式中，衬底包含一种或多种半导体。在另一实施方式中，衬底包含一层一种或多种半导体和一个或多个与该层相邻的中间层。在本公开内容的又一方面，一种用于形成热电装置的方法包括提供与衬底相邻的聚合物基质，该聚合物基质具有在其中相分离(phase separated)的三维结构。接下来，将所述三维结构和聚合物基质中的一个相对于另一个选择性地去除，以提供掩模，该掩模包括(i)聚合物基质中的多个孔或(ii)与衬底相邻安置的三维结构。该掩模暴露部分衬底。该掩模具有以所述多个孔或三维结构的分布为特征的图案。接下来，通过使衬底暴露于氧化剂和化学蚀刻剂而将该图案催化地转移到衬底。氧化剂和化学蚀刻剂中的一个或两个可通过汽相暴露而暴露于衬底(例如，氧化剂和/或化学蚀刻剂，作为气体，可与衬底接触)。本公开内容的另一方面提供一种用于形成热电元件的方法，包括(a)在反应空间中提供衬底，该衬底具有与该衬底相邻的金属材料的图案，其中该金属材料被配置用于催化该衬底的氧化；以及(b)使该金属材料暴露于具有氧化剂和化学蚀刻剂的气体，以在衬底中形成孔或从衬底形成丝。在一些情况下，孔和丝均可在衬底中形成。本公开内容的另一方面提供一种用于形成热电元件的方法，包括(a)在反应空间中提供衬底，该衬底具有与该衬底相邻的金属材料的图案，其中该金属材料被配置用于催化该衬底的氧化；以及(b)使该金属材料与汽相氧化剂和汽相化学蚀刻剂接触，以在衬底中形成孔或从衬底形成丝。本公开内容的另一方面提供一种用于形成热电元件的方法，包括使与衬底相邻的金属材料与汽相氧化剂和汽相化学蚀刻剂接触，以便以至少约0.1纳米/秒的蚀刻速率以至少约20:1的纵横比在衬底中形成孔或从衬底形成丝。本公开内容的另一方面提供一种用于形成热电元件的方法，该热电元件可用于热电装置或系统中。该方法包括(a)在反应空间中提供衬底，其中该衬底包含半导体材料，其中该衬底具有与该衬底相邻的金属材料的图案，该金属材料被配置用于催化衬底的氧化；(b)使该金属材料暴露于汽相氧化剂和汽相化学蚀刻剂；以及(C)以至少约0.0l微米/秒的蚀刻速率蚀刻所述衬底以在衬底中形成孔或从衬底形成丝，从而形成所述热电元件。在一些实施方式中，所述孔或丝中的每一个具有至少约20:1的纵横比。在一些实施方式中，所述孔或丝中的每一个具有至少约1000:1的纵横比。在一些实施方式中，所述金属材料暴露于所述气体约30秒至60小时的时间段。在一些实施方式中，所述气体中的氧化剂与化学蚀刻剂之比为至少约2:1。在一些实施方式中，将所述衬底加热至约-50°C至200°C的温度。在一些实施方式中，将所述气体加热至约_50°C至200°C的温度。在一些实施方式中，所述金属材料包含金、银、铂、铬、钼、钨、钯或其组合。在一些实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于形成热电元件的方法，包括：(a)在反应空间中提供衬底，其中所述衬底包含半导体材料，其中所述衬底具有与所述衬底相邻的金属材料的图案，该金属材料被配置用于催化所述衬底的氧化；(b)使所述金属材料暴露于汽相氧化剂和汽相化学蚀刻剂；以及(c)以至少约0.01微米/秒的蚀刻速率蚀刻所述衬底以在所述衬底中形成孔或从所述衬底形成丝，从而形成所述热电元件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿克拉姆·I·布卡伊，道格拉斯·W·谭，亚当·霍普金斯，
申请(专利权)人：西里兹姆能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US