一种石墨烯PN结半导体制冷片及制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体制冷技术领域，具体涉及一种石墨烯p

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯PN结半导体制冷片及制备方法


[0001]本专利技术涉及碳材料制备和半导体制冷
，特别涉及一种石墨烯p
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n结半导体制冷片及制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯是一种单原子层的二维晶体，它的碳原子是以sp2的方式杂化并且以σ键连接相邻碳原子，形成规则的正六边形的结构，C
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C键长约为0.142nm。室温下，石墨烯的载流子迁移率为15000cm2/（V
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s），单层石墨烯的导热系数为5300W/mK，理论杨氏模量可达1.0 TPa，这使其具有超高的电荷传输能力、良好的导电导热性、优异的机械性能，因此石墨烯在散热材料、电子器件、人机交互等领域具有广阔的应用前景。
[0003]化学气相沉积(CVD)是一种常用的制备纳米材料的方法，在相对较高的温度下，通过化学反应对含碳化合物进行分解，使得石墨烯在基底自组装成固态的薄膜。CVD法制备石墨烯常用金属基底，其生长过程大致可分为四步：（1）碳源气体被吸附在金属催化剂的表面后被催化分解；（2）被分解的碳原子在金属表面扩散，同时部分溶解到金属的内部；（3）溶解的碳在金属表面析出；（4）析出的碳在金属表面形核长大，形成石墨烯。
[0004]石墨烯因独特的二维层状原子晶体结构和狄拉克锥形电子能带结构而具有新奇的电学、光学和光电子学性质。p
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n结则是双极型晶体管和场效应晶体管的核心结构，更是现代电子技术的基础。石墨烯中的p
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n结将具有电子负折射率效应和分数量子霍尔效应，此外，其特有的“光热电”效应还可实现基于“热载流子”原理的高效光电能量转换。利用石墨烯p
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n结的帕尔贴效应可应用于散热和快速制冷等方面，除此之外，石墨烯p
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n结还有望应用于极小的光电探测器，具有十分广泛的应用前景，通过调整掺杂剂来提高石墨烯p
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n结的化学电势差，从而能够提高光电探测器的效率。
[0005]然而，为了实现这一目标，必须在保证石墨烯质量的前提下实现高可控性和均一性的稳定掺杂，CVD法目前是常用的可控制备石墨烯的方法之一。所以，本文采用CVD法长出石墨烯后进行化学掺杂，再将石墨烯p
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n结整体转移至陶瓷平板半导体制冷元件上，进而与导热硅脂散热片粘合，通过调整掺杂剂的种类，来实现石墨烯p
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n结较大的化学电势差，使其具有更好的散热、制冷性能。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本专利技术的目的在于采用CVD法生长石墨烯，再对其进行化学掺杂，由此得到的石墨烯p
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n结既能与陶瓷平板半导体制冷元件进行复合用于制冷，也可用作光电探测器等。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯p
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n结半导体制冷片及制备方法，包括如下步骤：步骤一，用CVD法在铜箔上生长石墨烯；步骤二，将CVD法生长出的石墨烯S端涂PMMA保护，再将D端浸泡在HNO3（63wt%）溶
液。由于HNO3具有强氧化性可以把石墨烯的sp2键打断, 石墨烯边缘或缺陷处的碳原子形成sp3杂化, 石墨烯在硝酸中发生氧化反应，反应过程中产生的氧自由基会与C 形成羟基或羧基, 在费米能级附近产生子带，进而形成有效的p 型掺杂。也可以采用浸泡在三氟甲磺酸( CF3SO3H)溶液的方式形成p型掺杂。也可以在空气环境下，水分子的偶极矩吸附在石墨烯上会产生局部静电场, 导致石墨烯中电荷部分地转移到水分子上, 产生p 型掺杂。
[0008]步骤三，采用丙酮去除所制备p型掺杂石墨烯S端的PMMA；步骤四，用聚乙烯亚胺(PEI)、氟化铯(CsF)或O
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MeO
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DMBI 溶液对石墨烯进行n掺杂，当石墨烯被PEI 掺杂时, 由于非平衡载流子注入, 石墨烯中空穴导电被抑制, 电子导电被保留, 所以形成n 型石墨烯，进而形成面内p
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n结；步骤五，将所制备的石墨烯p
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n结与陶瓷平板半导体制冷元件进行复合，得到石墨烯p
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n结半导体；步骤六，将所制备的石墨烯p
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n结半导体制冷片上下各附加一层导热硅脂片，以便于散热，得到石墨烯p
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n结半导体制冷片。
[0009]作为优选，步骤二所述CVD法生长石墨烯分为D端和S端，将S端涂上PMMA作为保护层。
[0010]作为优选，步骤二所述的掺杂剂为HNO3（63wt%），将铜箔上石墨烯的D端浸润到HNO3溶液中,浸润时间为1
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30min。
[0011]作为优选，将所述浸润HNO3后的石墨烯于室温下干燥，待样品完全干燥后用丙酮溶解石墨烯S端的PMMA。
[0012]作为优选，步骤四所述的掺杂剂为聚乙烯亚胺(PEI)，通过层压结构调节功函数，得到均匀、空气稳定的n 型掺杂石墨烯。
[0013]作为优选，所述的石墨烯面内p
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n结通过转移的方法转移到陶瓷平板上。
[0014]作为优选，所述的陶瓷平板半导体制冷元件由4 片制冷片和纯铝片组成，并在铝片四周围裹保温隔热材料，减少冷量损失。
[0015]作为优选，所述的导热硅脂片，散热片选用翅片结构，采用胶黏剂与陶瓷平板相粘合，得到石墨烯p
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n结半导体制冷片。
[0016]本专利技术与现有技术相比，具有的有益效果如下：a,本专利技术所制备的石墨烯p
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n结半导体制冷片，可通过调节掺杂剂种类和反应时间，以实现石墨烯p
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n结较大的化学电势差，其散热、制冷效果更加明显。
[0017]b,本专利技术所制备的石墨烯p
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n结半导体，其制冷性能优于传统的陶瓷平板半导体，可更好的起到导热制冷作用。
[0018]c,本专利技术的制备制冷片方法相比其他方法而言，CVD法制备石墨烯具有操作可控、产品均匀稳定的特点，化学掺杂法具有操作简便、可调节、成本低等优势。
附图说明
[0019]图1是本专利技术公开的石墨烯PN结半导体制冷片的结构示意图。
具体实施方式
[0020]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中
的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
[0021]本专利技术公开一种石墨烯PN结半导体制冷片，包括陶瓷基板2，所述陶瓷基板2上部设有石墨烯PN结1，所述石墨烯PN结1包括左右相邻设置的S端11和D端12，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.石墨烯PN结半导体制冷片，其特征在于，包括陶瓷基板，所述陶瓷基板上部设有石墨烯PN结，所述石墨烯PN结包括左右相邻设置的S端和D端，所述S端的石墨烯为P型掺杂石墨烯，所述D端的石墨烯为N型掺杂石墨烯。2.根据权利要求1所述的石墨烯PN结半导体制冷片，其特征在于：所述陶瓷基板包括铝片和制冷片，所述铝片的表面包覆有隔热材料。3.根据权利要求1所述的石墨烯PN结半导体制冷片，其特征在于：所述石墨烯PN结的上部和所述陶瓷基板的下部均设有导热硅脂。4.一种石墨烯PN结半导体制冷片的制备方法，其特征在于：1）用CVD法在铜箔上生长石墨烯；2）将所述石墨烯设置为S端和D端，在S端处涂上保护层，在D端形成有效的p 型掺杂石墨烯；3）去除S端处的保护层；4）使用n型掺杂剂对步骤3获得的样品进行n型掺杂，形成n 型掺杂石墨烯，进而获得面内的石墨烯PN结；5）去除铜箔基底后，将所制备的石墨烯pn结与陶瓷基板复合，得到石墨烯pn结半导体。5.根据权利要求4所述的一种石墨烯PN结半导体制冷片的制备方法，其特征在于：步骤2中，形成p型掺杂的方式包括，将D端浸泡在质量分数为63wt%的HNO3溶液，或浸泡在三氟甲磺酸( CF3SO3...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡金明，周燕，蔡晓明，戴东方，郝振亮，
申请(专利权)人：广东墨睿科技有限公司，
类型：发明
国别省市：