基于纳米声子超材料的热电设备制造技术

提供了一种基于纳米声子超材料的热电能量转换设备以及用于制造基于纳米声子超材料的热电能量转换设备的过程。在一个实施方式中，例如，基于纳米声子超材料的热电能量转换设备包括第一导电垫、第二导电垫和多个条带单元。在一个实施方式中，第一导电垫耦合到热电能量转换设备的第一连接，并且第二导电垫耦合到热电能量转换设备的第二连接。多个条带单元串联连接在第一导电垫和第二导电垫之间，并提供平行的传热通路。条带单元包括纳米结构设计，该纳米结构设计包括纳米声子超材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于纳米声子超材料的热电设备相关应用的交叉引用本申请要求于2018年2月9日提交的美国临时申请No.62/628,741的权益，该申请在此通过引用并入，如同在本文中完全阐述一样。
本公开涉及在热能和电能之间转换的热电设备，诸如热电发电机和珀耳帖(Peltier)制冷设备。
技术介绍
热电设备(诸如热电发电机和珀耳帖制冷设备)将热能转换成电能，或反之亦然。热电效率可以被用于分析热电设备性能。品质因数ZT可以被用于分析热电材料性能。高ZT材料的一项关键要求是具有低热导率(K)，同时具有高电导率和高塞贝克(Seebeck)系数。但是，挑战在于，这两个特性在现有材料中(尤其是在廉价的工业材料(如硅)中)紧密耦合。在过去的二十年中，增加ZT的主要原理是要在材料内嵌入障碍物(诸如小缺陷、洞、离子、颗粒和/或界面)，以便散射载热声子并降低热导率，诸如图1中所示。虽然取得了一定程度的成功，但这个策略对于生成高ZT值还不是变革性的，因为操作以散射载热声子的障碍物也阻碍电子载流子的流动，并且因此降低电导率。
技术实现思路
提供了基于纳米声子超材料的热电能量转换设备以及用于制造基于纳米声子超材料的热电能量转换设备的过程。在一个实施方式中，例如，基于纳米声子超材料的热电能量转换设备包括第一导电垫、第二导电垫和多个条带单元。在一个实施方式中，第一导电垫耦合到热电能量转换设备的第一连接，并且第二导电垫耦合到热电能量转换设备的第二连接。多个条带单元串联连接在第一和第二导电垫之间，并提供平行的传热通路。条带单元包括纳米结构设计，该纳米结构设计包括纳米声子超材料。在一个实施方式中，一种制作基于纳米声子材料的热电能量转换设备的过程包括将半导体材料附接到载体晶片。该过程还包括在半导体中制造纳米膜和从该纳米膜延伸的纳米结构共振器，其中，纳米膜各自包括延伸通过膜的电子载流子运输区域，并且纳米结构共振器从纳米膜延伸到电子载流子运输区域外部。根据阅读下面的描述和权利要求以及根据研究附图，本专利技术的前述和其它方面、特征、细节、效用和优点将变得清楚。附图说明图1图示了经由使用障碍物的载热声子来降低热导率的常规方法的示意图。图2图示了热电能量转换材料的示例实施方式，该热电能量转换材料包括至少大体上垂直于设备的膜表面部署的纳米柱或纳米壁。图3A至图3C从晶格动力学角度图示了包括纳米柱的材料中的共振杂化(hybridization)现象。图4示出了针对包括纳米柱的膜的初步实验结果。图5示出了用于降低纳米声子超材料中的热导率的大小效应品质因数。图6A和图6B示出了硅的高纵横比蚀刻的示例。图7A至图7D描绘了基于纳米声子超材料(NPM)的热电转换设备的示例实施方式的渐进插图。图8A和图8B示出了带纳米柱的膜的实验结果。图9A和图9B示出了基于纳米声子超材料(NPM)的热电转换设备的设备部件和条带单元的最终组装。图10示出了用于形成用于热电能量转换设备的条带单元的示例制造步骤的描绘。图11示出了插图中所示的更大的热电能量转换设备的阵列中的热电能量转换设备的n型和p型支脚的另一种示例构造。图12图示了热电能量转换设备的示例实施方式，该热电能量转换设备包括具有纳米壁的平行膜，纳米壁至少大体上垂直于设备的膜表面部署。图13图示了热电能量转换设备的示例实施方式的顶视图，该热电能量转换设备包括至少大体上垂直于设备的膜表面部署的纳米柱。图14图示了热电能量转换设备的示例实施方式的顶视图，该热电能量转换设备包括以设备的六边形阵列部署的膜宽度，其中纳米柱至少大体上垂直于设备的膜表面部署。图15图示了热电能量转换设备的示例实施方式，该热电能量转换设备包括形成设备的集成单元的阵列。具体实施方式热电设备(例如，热电发电机和珀耳帖制冷设备)的示例实施方式包括纳米结构设计的热电材料，其可以被用于将温差转换成电或将电转换成温差。还提供了用于制造这种基于纳米结构化的热电材料的设备的示例过程。在一些实施方式中，例如，热电设备可以提供热电能量转换效率，并且用于制作这种热电设备的制造过程提供基于纳米制造(例如，硅纳米制造)的可制造平台。在一些实施方式中，例如，热电设备中的热电材料包括称为纳米声子超材料(NPM)的材料设计，该材料设计使用位于电子载流子流的路径之外的共振结构，以通过共振杂化、模态局部化和声子寿命缩短的广谱机制来降低热导率。这种方法可以被用于避免当前面临的试图改进热电材料的问题，其中纳米结构或离子笼结构被用于形成不仅降低热导率而且还抑制电运输的散射中心，因此在两条路径之间为改进的性能提供权衡。纳米结构化的热电材料的示例包括适于通过经由一个或多个共振器减慢基础材料中的载热声子的基团速度来降低热导率的纳米声子超材料。在标题为“Nanophononicmetamaterials”并于2016年10月10日提交的美国专利申请号15/289,921、标题为“Nanophononicmetamaterials”并于2016年8月16日提交的美国专利申请号15/238,711以及标题为“Nanophononicmetamaterials”并于2014年4月7日提交的美国专利申请号14/247,228中描述了纳米声子超材料及其结构的示例，这些专利申请中的每一个通过引用以其整体并入本文。如这些申请中所述，共振器原则上可以具有任何数量的形状或形式，诸如但不限于柱、壁、膜、夹杂物(例如，无定形的或石墨涂覆的夹杂物)。虽然本文描述的特定示例是指示例配置(例如，具有柱或壁的膜)，但是那些构造仅仅是示例，并且不被认为是限制性的，因为在通过引用并入的专利申请中公开了许多其它构造。原则上，纳米声子超材料可以由纳米结构化为包括共振器的纳米声子超材料的任何类型的材料形成。虽然许多实施方式被描述为以硅作为由其形成纳米声子超材料的构成材料，但是其它材料(尤其是晶体半导体材料)可以被用于形成纳米声子超材料。可以由其构造纳米声子超材料的其它构成材料的非限制性示例包括BiSbTe合金、PbTe、半惠斯勒(Heusler)合金以及硅合金(诸如SiGe合金)。进一步，纳米声子超材料可以由单一材料(例如，硅)、其中材料中的至少一种是活性热电成分的混合的材料、其中纳米结构是多层的材料(如当利用蚀刻和再沉积的组合制造时)纳米结构化(例如，利用原子层外延或其它蒸发或溶液材料涂覆方法)。在基于纳米声子超材料的热电设备的一些实施方式中，纳米声子超材料的热电材料可以被设计为避免电子载流子运输通路内的界面或空隙/夹杂物，以便维持高迁移率。类似地，与远离膜延伸的共振器相对和/或结合，共振器可以被部署在膜内，同时仍然维持未被阻塞的至少一个电子载流子运输通路。图2示出了示例纳米声子超材料的侧面示意图，该纳米声子超材料被构造为通过共振杂化来降低热导率。在这个特定示例中，纳米声子超材料(NPM)结构基于诸如硅之类的薄膜，具有垂直且远离膜延伸的厚且紧密填充的壁或柱(例如，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热电能量转换设备，包括：/n第一导电垫；/n第二导电垫；/n多个条带单元，串联连接在第一导电垫和第二导电垫之间并提供平行的传热通路，其中，条带单元包括纳米结构设计，所述纳米结构设计包括纳米声子超材料。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180209 US 62/628,7411.一种热电能量转换设备，包括：
第一导电垫；
第二导电垫；
多个条带单元，串联连接在第一导电垫和第二导电垫之间并提供平行的传热通路，其中，条带单元包括纳米结构设计，所述纳米结构设计包括纳米声子超材料。


2.如权利要求1所述的热电能量转换设备，其中，纳米声子超材料的纳米结构设计包括膜和多个纳米结构共振器。


3.如权利要求2所述的热电能量转换设备，其中，所述多个纳米结构共振器通过共振杂化、模态局部化和声子寿命降低来降低热导率。


4.如权利要求2所述的热电能量转换设备，其中，所述多个纳米结构共振器被部署成远离膜延伸。


5.如权利要求1所述的热电能量转换设备，其中，所述多个条带单元包括多个n型和p型掺杂条带。


6.如权利要求1所述的热电能量转换设备，其中，所述多个条带单元附接到气凝胶层。


7.如权利要求1所述的设备，包括至少一个纳米壁或纳米柱，所述至少一个纳米壁或纳米柱至少大体上垂直于膜表面部署并且远离膜表面延伸。


8.如权利要求1所述的设备，包括具有宽度的至少一个膜，所述至少一个膜至少大体上垂直于膜表面部署。


9.如权利要求1所述的设备，包括形成设备的集成单元的至少一个阵列。


10.如权利要求1所述的设备，包括厚度在大约20nm和大约500nm之间的膜。


11.如权利要求1所述的设备，包括具有大体上垂直的纳米壁或纳米柱的膜，所述纳米壁或纳米柱由大约10nm至大约200nm的间隙隔开。


12.一种制作基于纳米声子材料的热电能量转换设备的过程，所述过程包括：
将半导体材料附接到载体晶片；
在半导体中制造纳米膜和从所述纳米膜延伸的纳米结构共振器，其中，所述纳米膜各自包括延伸通过膜的...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·哈瑟恩，K·A·博特尼斯，H·布兰兹，J·C·韦伯，
申请(专利权)人：科罗拉多州立大学董事会，公司实体，
类型：发明
国别省市：美国;US