热电装置制造方法及图纸

技术编号:22367709 阅读:43 留言:0更新日期:2019-10-23 05:52
本发明专利技术涉及一种热电装置(1)。为了提供用于有效的热电冷却的手段,本发明专利技术提供热电装置(1)具有沟道部(50),该沟道部(50)包括由拓扑绝缘体材料制成并且具有带有至少一个沟槽(12)的顶表面(11)的至少一个沟道层(10),其中每个沟槽(12)的每个侧表面(12.1)包括带有一对拓扑保护的一维电子沟道(15)的导电区(14),每个沟道层(10)包括配置用于类似电子传导的至少一个n区域(10.3)和配置用于类似空穴传导的至少一个p区域(10.4),所述n区域(10.3)和p区域(10.4)交替地设置并从沟道层(10)的第一端(10.1)延伸至第二端(10.2),每个n区域(10.3)包括从第一端(10.1)处的第一电极(16,17,18)延伸至第二端(10.2)处的第二电极(19)的至少一个n沟槽(12.3),并且每个p区域(10.4)包括从第二电极(19)延伸至第一电极(17,18,19)的至少一个p沟槽(12.5),其中第一电极(16,17,18)和第二电极(19)交替地设置以连接相邻区域(10.3,10.4)的p沟槽(12.5)和n沟槽(12.3),由此串联连接所有的p沟槽(12.5)和n沟槽(12.3)。

Thermoelectric device

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】热电装置
本专利技术涉及一种热电装置以及涉及一种包括这种热电装置的集成电路。
技术介绍
基于珀耳帖(Peltier)效应的热电冷却装置允许冷却到低于环境温度并且比可比较的冷却系统更紧凑和更便宜。此外,它们没有移动零件并且不要求任何维护。然而,一个主要缺点是现状的热电冷却器的冷却效率相当低,并且它们耗散大量热量,这显著降低总体性能。热电模块的性能和效率可以直接与其热电品质因素zT以及与其温度梯度ΔT相关,温度梯度ΔT由分别在模块的热侧和冷侧处的两个温度Th和Tc限定。热电品质因素,其描述材料将热量转化为电力的能力,由下式给出:其中S是塞贝克系数(Seebeckcoefficient),σ是电导率,T是绝对温度,并且κ是热导率。总热导率κ分别由电子和晶格热导率κe和κl的贡献之和组成。从而,可以通过最大化所谓的功率因数S2·σ或通过最小化热导率κ=κe+κl来增加热电模块的性能。从而,为了实现高zT,系统应该对于电子是良好的导体但是对于声子是不良导体。后者还意味着贯穿材料较大的ΔT,因为大的热导率会使热回路短路。用于冷却目的的现有技术热电模块展现出相当低的效率,具有位于单位值(unity)附近的品质因素zT。原因在于塞贝克系数和电导率以这样的方式相关:如果试图通过增加电荷载流子密度来增加电导率,例如通过用适当的元素重掺杂材料,则塞贝克系数降低。因此,提高热电材料中的品质因数zT仍然是材料科学中的一大挑战,阻碍新颖的、更有效的热电冷却装置的发展。宏观地,标准热电冷却器中的传热由从装置的一侧驱动到另一侧的电流I控制。除了低品质因数之外,现状的热电材料中的传热还由于在升高的操作电流I下的散热而相当低效,使得热电冷却器比其有效传输消耗更多的功率。实际的冷却模块大致消耗在它们传输(以热量的形式)时两倍的能量(以电力的形式)。由此,通过与焦耳加热形式的电阻以及热导率相关联的损耗大大减少了有效冷却。前者通过I2R损耗造成内部加热。这是一个非常关键的问题,因为其在散热器上施加多很多的热量来冷却。因此,冷却器的连接到散热器的热侧上的温度较高,使得通过冷却过程实现的由ΔT=Th-TC给出的在冷侧TC处的有效冷却温度也较高。除了作为最大的ΔT的限制因素的热电材料的固有热导率之外,ΔT因此极大地通过由热电模块传递的功率的总量确定。例如,如果10W的热量跨越热电模块从冷侧传递到热侧,则可能由于焦耳加热增加另外的20W,使得总共30W被传递到散热器。作为后果,最大的ΔT可能由于I2R损耗而例如从大约60K减少到仅20K。这说明现有技术热电冷却装置向系统增加大量过量的热量,这显著降低总体冷却过程的性能。US2015/0155464A1公开了一种热电元件,其包括通过多个电极串联地电连接的多个交替设置的n型和p型结构。电极与两个导热板中的一个接触。所述结构中的每个由拓扑绝缘体材料制成,拓扑绝缘体材料可以通过添加化学掺杂剂而改变以便调节其费米能级。热电元件可用于珀耳帖冷却或用于发电。专利技术目的从而,本专利技术的一个目的是提供用于有效的热电冷却的手段。该目的通过根据权利要求1的热电装置以及通过根据权利要求15的集成电路解决。
技术实现思路
本专利技术提供一种热电装置。总体上,术语“热电装置”是指基于热电效应(即温差向电压的直接转换,反之亦然)的装置。基于塞贝克效应,热电装置可以当暴露于温差时产生电压。基于珀耳帖效应,当向其施加电压时,热电装置可以产生温差。热电装置具有包括至少一个由拓扑绝缘体材料制成的沟道层的沟道部。术语“拓扑绝缘体材料”是指具有绝缘内部同时其表面的至少一部分或其表面中的一些导电的材料。优选地,拓扑绝缘体材料可以是弱拓扑绝缘体材料。术语“弱拓扑绝缘体材料”在本文中是指具有绝缘内部和一些导电的表面同时其它表面绝缘的材料。具体地,其是导电的还是绝缘的取决于具体表面的定向。可以使用的弱拓扑绝缘体材料的示例包括Bi14Rh3I9、KHgSb、Bi2TeI、Bi1Te1和Bi4I4。然而,其它三维拓扑材料也可能是合适的。将要注意,本专利技术潜在的基本思想是在三维拓扑材料中利用拓扑保护的一维电子沟道。到目前为止,唯一已知并且还经过实验验证的具有拓扑保护的一维沟道的三维材料类是弱拓扑绝缘体类。但是存在理论提议,其预测还可能存在具有一维沟道的其它类的三维拓扑材料。然而,这仍然没有被实验验证。如下面将要解释的,(弱)拓扑绝缘体材料的组成可以在沟道层的不同区域中不同,或者可以在不同区域中使用不同的材料。每个沟道层具有带有至少一个沟槽的顶表面。通常,沟道层的垂直于顶表面的尺寸(即沟道层的厚度)显著小于沿着顶表面的任何尺寸(即沟道层的长度或宽度)。具体地,沟道层的厚度可以小于20nm、小于10nm或者甚至小于5nm。如所理解的,每个沟槽(其也可以被称为渠道)是在顶表面内的细长凹陷或凹部。沟槽的横截面可以是矩形,具有垂直于顶表面延伸的侧表面和平行于顶表面延伸的底表面。沟槽的深度(即其垂直于顶表面的尺寸)可以小于5nm、小于2nm或者甚至小于1nm。深度可以对应于一个原子层或仅几个原子层的厚度。术语“顶表面”不应以限制性方式被解释并且简单地用于表示参考框架内的其中其是沟道层的最上表面的该表面。应理解,在操作状态下,顶表面可以面向侧面或者甚至面向下。优选地,除了上述沟槽(多个沟槽)之外,顶表面是平面的。在制造工艺期间,每个沟道层可以通过类似电子束外延的沉积工艺形成,而沟槽(多个沟槽)可以通过包括但不限于光刻、电子束平板印刷或扫描探针显微划刻的纳米结构化方法形成。沟槽的可以垂直于顶表面的侧表面是至少部分导电的。更特别地,每个侧表面包括带有一对拓扑保护的一维电子沟道的导电区。在本上下文中,“侧表面”当然是指沟槽的从顶表面“向下”(即远离顶表面)延伸的那些表面。即使拓扑绝缘体的内侧是绝缘的,侧表面也是至少部分导电的,即一维电子沟道仅覆盖侧表面的一部分,并且允许电子沿着沟槽的长度的运动。具体地,电子(或电子空穴)可以在任一方向上运动,但是任一方向上的电流将是自旋极化的。换句话说,在一个方向上流动的电子将具有与在相反方向上流动的电子的自旋反向平行的自旋。从而,每个导电区包括一对一维电子沟道。虽然术语“电子沟道”是指电子作为负责电流的电荷载流子,但是应注意,在某些情况下,电流可能归因于空穴而不是归因于电子。优选地,具体地,如果拓扑绝缘体材料是弱拓扑绝缘体材料,则每个沟槽的顶表面和底表面是绝缘的。(弱)拓扑绝缘体材料被制造为使得顶表面和与顶表面平行的任何表面是电绝缘的。其它表面、具体地是垂直于顶表面的表面可以是导电的。每个沟槽的底表面与顶表面沿着相同的方向延伸。具体地,底表面可以平行于顶表面。从而,顶表面和每个底表面是绝缘的。每个沟道层包括配置用于类似电子传导的至少一个n区域和配置用于类似空穴传导的至少一个p区域,所述n区域和p区域交替地设置并且从沟道层的第一端延伸至第二端。沟道层包括两种类型的区域,即p区域和n区域。这些区域交替地设置。换句话说,它们被设置为序列,在该序列中,每个n区域后面跟着p区域,反之亦然(除非其是序列中的最后一个区域)。每个区域从沟道层的第一端延伸至第二端。如果第一端和第二端沿着第一轴线(例如X轴)间隔开,则不同区域可以沿着垂直于第一轴线的第二轴线(例如本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.具有沟道部(50)的热电装置(1),所述沟道部(50)包括由拓扑绝缘体材料制成并且具有带有至少一个沟槽(12)的顶表面(11)的至少一个沟道层(10),其中每个沟槽(12)的每个侧表面(12.1)包括带有一对拓扑保护的一维电子沟道(15)的导电区(14),每个沟道层(10)包括配置用于电子型传导的至少一个n区域(10.3)和配置用于空穴型传导的至少一个p区域(10.4),所述n区域(10.3)和p区域(10.4)交替地设置并从所述沟道层(10)的第一端(10.1)延伸至第二端(10.2),每个n区域(10.3)包括从所述第一端(10.1)处的第一电极(16,17,18)延伸至所述第二端(10.2)处的第二电极(19)的至少一个n沟槽(12.3),并且每个p区域(10.4)包括从第二电极(19)延伸至第一电极(17,18,19)的至少一个p沟槽(12.5),其中所述第一电极(16,17,18)和所述第二电极(19)交替地设置以连接相邻区域(10.3,10.4)的所述p沟槽(12.5)和n沟槽(12.3),由此串联连接所有的p沟槽(12.5)和n沟槽(12.3)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.03.03 LU LU100129;2017.04.21 LU LU1001751.具有沟道部(50)的热电装置(1),所述沟道部(50)包括由拓扑绝缘体材料制成并且具有带有至少一个沟槽(12)的顶表面(11)的至少一个沟道层(10),其中每个沟槽(12)的每个侧表面(12.1)包括带有一对拓扑保护的一维电子沟道(15)的导电区(14),每个沟道层(10)包括配置用于电子型传导的至少一个n区域(10.3)和配置用于空穴型传导的至少一个p区域(10.4),所述n区域(10.3)和p区域(10.4)交替地设置并从所述沟道层(10)的第一端(10.1)延伸至第二端(10.2),每个n区域(10.3)包括从所述第一端(10.1)处的第一电极(16,17,18)延伸至所述第二端(10.2)处的第二电极(19)的至少一个n沟槽(12.3),并且每个p区域(10.4)包括从第二电极(19)延伸至第一电极(17,18,19)的至少一个p沟槽(12.5),其中所述第一电极(16,17,18)和所述第二电极(19)交替地设置以连接相邻区域(10.3,10.4)的所述p沟槽(12.5)和n沟槽(12.3),由此串联连接所有的p沟槽(12.5)和n沟槽(12.3)。2.根据权利要求1所述的热电装置,其特征在于,所述拓扑绝缘体材料是弱拓扑绝缘体材料并且每个沟槽(12)的所述顶表面(11)和底表面(12.2)是绝缘的。3.根据权利要求1或2中任一项所述的热电装置,其特征在于,并且所有的第一电极(16,17,18)热连接到第一热导体元件(40)并且所有的第二电极(19)热连接到第二热导体元件(41)。4.根据前述权利要求中任一项所述的热电装置,其特征在于,至少一些区域(10.3,10.4)包括多个间隔开的沟槽(12.3,12.4,12.5)。5.根据前述权利要求中任一项所述的热电装置,其特征在于,所述热电装置包括至少一个曲折沟槽(12),所述至少一个曲折沟槽(12)包括通过转向沟槽(12.4)连接到n沟槽(12.3)的至少一个p沟槽(12...

【专利技术属性】
技术研发人员:C·保利
申请(专利权)人:IEE国际电子工程股份公司
类型:发明
国别省市:卢森堡,LU

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