可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜和热电器件单元制造技术

本发明专利技术涉及一种可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜及制备方法和热电器件单元，该薄膜由多层材料纵向串联而成。串联组成薄膜的各层材料可采用以下方法中的一种或多种制成薄膜，包括液相法、物理气相法、电化学法等，物理气相法中例如磁控溅射、电子束蒸发或分子束外延法沉积薄膜，其中每层可同时使用上述其中一种薄膜制备方式，也可分别使用两种或多种薄膜制备方式。热电器件单元包括依次叠加的基底(1)、底电极(2)、超薄纵向多层串联结构热电薄膜柱(3)、顶电极(4)。与现有技术相比，本发明专利技术超薄纵向多层串联结构热电薄膜结构及性能可编辑，制成的热电器件尺寸及自重较小，相对于体结构的块体热电器件，性能提升空间更大，应用范围更广。

【技术实现步骤摘要】
可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜及制备方法和热电器件单元
本专利技术涉及热电薄膜
，具体来说涉及可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜及制备方法和含有所述纵向多层串联结构热电薄膜的热电器件单元。
技术介绍
热电材料可利用固体内部载流子运动，实现热能和电能直接互相转换，有效的将热转换成电能，是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质。热电器件常将两种不同类型的热电材料(如P型半导体和N型半导体)做成柱状结构(P柱和N柱)，并将其一端结合置于高温状态下，另一端开路在低温状态，由于高温的作用，使得高温端的空穴和电子浓度与低温端不同，形成浓度差，从而实现了载流子的迁移，进而实现了电势差，通过面内多对P柱和N柱串联得到更大的电压。热电器件是一种清洁能源生产装置，具有无运动部件、无噪声、无污染、易于控制、可靠性高、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长、稳定输出电能等一系列优点。衡量热电器件转换效率的主要评估指标为热电材料的热电优值(ZT值)，ZT＝S2·σ·κ-1·T，其中S表示Seebeck系数，σ表示电导率，κ表示热导率，热导率包括电子热导率κe和晶格热导率κl，由Wiedemann-Franz定律κe＝LσT，表明电子热导率与电导线性相关，而对于半导体而言，电子热导率远小于晶格热导率。ZT值越大，热电性能越好。由ZT的表达式可知，提高热电材料的ZT值的途径就是增大材料的Seebeck系数、提高材料的电导率、降低材料的热导率。然而，热电材料中的这些参数是相互耦合在一起的，难以同步调节，使得热电优值和热电转换效率很难大幅度提高。而晶格热导率是唯一一个不由电子结构决定的参数，有着相对独立的空间，通过引入点缺陷、晶界等方法来增加声子散射，以降低晶格热导率，同时不影响或增强电子的传输，以达到“电子晶体-声子玻璃”通道的目的，有效提高ZT值，提高热电性能。目前已经应用比较成熟的热电器件主要使用体加工方法制造，厚度达到数厘米级别，尺寸及自重较大。为了进一步减少器件自重以及提升热电效率，近几年热电材料的低维化是一个热点趋势，目前处于研究中的薄膜热电器件厚度也达数百微米至毫米级别，集中于单层薄膜，尚不成熟，热电薄膜器件的性能在一定程度上受到了限制。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜及制备方法和热电器件单元。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜，其特征在于，该薄膜由多层材料纵向串联而成。所述的薄膜中每层材料的厚度小于1000nm。超薄多层纵向串联结构热电薄膜总厚度小于10μm。纵向串联组成的薄膜使用的各层材料包括金属、氧化物、半导体、有机物或无机化合物，串联时，至少含一种以上具有热电性质的一类材料，即热电材料。综上列举来说(包括具有热电性质的材料)，金属如Au、Ag、Cu、Pt、Pd等。有机物如导电聚合物等，半导体如Bi2Te3、Sb2Te3、PbTe、Si、Ge、Bi、Te、Sb、Sn、Se、Pb等。氧化物如SiO2、ZnO、Al2O3、In2O3、SnO2等。无机化合物如Skutterudite和Clathrate填充化合物等。纵向多层串联结构热电薄膜中各层材料可为周期或非周期，若为周期性，则周期为1～1000。优选，所述的薄膜由n种材料交替串联m个周期组成，其中，n和m均为大于1的整数。进一步优选，所述的n为2，m为2，纵向结构交替形式为A1A2A1A2。优选，所述的薄膜由n种材料非周期性串联组成，n为大于1的整数，同时，在n种材料非周期性串联中，同一种材料可出现多次。若m为3，则纵向结构如A1A2A3。所述的薄膜中多层材料纵向串联方式包括一种或多种热电材料与金属、氧化物、半导体或无机化合物串联，或者由热电材料与热电材料串联。组成薄膜的多层材料中，可通在均匀的材料中使用制备手段控制产生孔隙或者掺入细小的杂质颗粒，具有孔隙小于50nm的为孔隙层，具有颗粒小于50nm的为掺杂颗粒层，其余结构成分均匀的材料为均匀层。其中孔隙层、颗粒层又可称为功能层，具有激发载流子(激发层)或者吸收声子(吸收层)的作用。考虑到多层串联结构层热电薄膜与电极间的结合问题，可加入粘结层，其厚度3～100nm。一种可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜的制备方法，其特征在于，串联组成薄膜的各层材料可采用以下方法中的一种或多种制成薄膜，包括液相法、物理气相法、电化学法等，物理气相法中例如磁控溅射、电子束蒸发或分子束外延法沉积薄膜，其中每层可同时使用上述其中一种薄膜制备方式，也可分别使用两种或多种薄膜制备方式。包含所述的可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜的热电器件单元，包括依次叠加的基底、底电极、超薄纵向多层串联结构热电薄膜柱、顶电极，其中若层与层之间结合力弱，可在层间增加粘结层。所述基底要求满足平整、能承载结构、绝缘即可，如硅片、玻璃片、不锈钢板等(若是导电基底，基底与底电极之间沉积一层绝缘层，如SiO2，Si3N4，AlN等，厚度大于50nm)，基底厚度大于50μm；所述底电极置于基底上、顶电极置于热电薄膜上，使用材料如Au、Ag、Cu、Pt等，厚度大于50nm；与现有技术相比，本专利技术方法使得热电薄膜器件的厚度进一步减薄，自重进一步减小，能应用于空间卫星站、芯片散热发电、汽车排气管废热利用发电等领域，同时设计通过合适的纵向多层的功能层材料串联结构，包括孔隙层、颗粒层、均匀层等，其中孔隙层、颗粒层具有激发载流子(激发层)或者吸收声子(吸收层)的作用。同时通过不同结构层串联形成界面层，增强声子散射，不影响或增强电子的传输，以期形成“电子晶体-声子玻璃”通道，进一步提高热电性能。附图说明图1为可编辑超薄纵向多层串联结构薄膜热电单元截面示意图；图2为可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜截面示意图；a为超薄纵向多层n种材料串联m个周期结构热电薄膜示意图；b为超薄纵向多层n种材料非周期性串联结构热电薄膜示意图；c为超薄纵向多层串联结构热电薄膜示意图；图3为可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜等效电路图；a为超薄纵向多层n种材料串联m个周期结构热电薄膜等效电路图；b为超薄纵向多层n种材料非周期性串联结构热电薄膜等效电路图；图4为可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜截面举例示意图；a为均匀层材料、颗粒层材料与孔隙层材料串联m个周期结构示意图；b为颗粒层A1、孔隙层A2…均匀热电层An-2、均匀氧化物层An-1、均匀金属层An非周期性串联结构示意图；图5为可编辑超薄纵向多层串联结构薄膜热电单元实例1截面图；a为超薄多层串联结构热电材料Si/Ge(SEM截面)，b为超薄多层串联结构热电材料Si/Ge示意图；c为超薄多层串联结构热电材料Si/Ge等效电路图；图6为可编辑超薄纵向多层串联结构薄膜热电单元实例2截面图；a为超薄多层串联结构热电材料Au/Sb2Te3(SEM截面)，b为超薄多层串联结构热电材料Au/Sb2Te3示意图；c为超薄多层串联结构热电材料Au/Sb2Te3等效电路图。具体实施方式以下通过本专利技术的附图列举，并结合具体实施例之磁控溅射沉积薄膜热电单元，更加详细的描述本专利技术。需要指出的是，本专利技术可以以不同形式实现，并且应该根据实际情况做出相应调本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜，其特征在于，该薄膜由多层材料纵向串联而成。

【技术特征摘要】
1.一种可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜，其特征在于，该薄膜由多层材料纵向串联而成。2.根据权利要求1所述的一种可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜，其特征在于，所述的薄膜中每层材料的厚度小于1000nm。3.根据权利要求1所述的一种可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜，其特征在于，纵向串联组成的薄膜使用的各层材料包括金属、氧化物、半导体、有机物或无机化合物，串联时，至少含一种以上具有热电性质的一类材料，即热电材料。4.根据权利要求1所述的一种可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜，其特征在于，所述的薄膜由n种材料交替串联m个周期组成，其中，n和m均为大于1的整数。5.根据权利要求4所述的一种可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜，其特征在于，所述的n为2，m为2，纵向结构交替形式为A1A2A1A2。6.根据权利要求1所述的一种可编辑超薄纵向多层串联结构热电薄膜，其特征在于，所述的薄膜由n种材料非周期性串联组成，n为大于1的整数，同时，在n种材料非周期性串联中，同一种材料可出现多次。7.根据权利要求1或2或3所述的一种可编辑超薄纵向...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡志宇，吴振华，胡阳森，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31