本发明专利技术是体加工热电材料和制作方法。材料在每个维度上测量结果为至少３０微米并且在低于２００℃的任何温度具有大于１．０的品质因数（ＺＴ）。该材料包括至少两种组分：主相和分散的第二相。主相为半导体或半金属以及体加工材料的分散相包括多个夹杂物。该材料具有在至少一个晶向上主相和分散相之间基本上相干的界面。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在低于200°C的温度具有有用热电特性的材料的结构和性能，以及通过较不昂贵的体材料加工技术来生产该材料。
技术介绍
热电材料表现出在它们的电学性能和热学性能之间的可预测的关系。取决于期望的结果，热电设备经常被布置成冷却/热泵装置或者布置成电力发电机。为了将该材料作为冷却装置或热泵来使用，典型地经由电路，跨过该材料应用电场。只要此场被维持，它就会根据珀耳帖效应生成热梯度。通过散热器、热交换器或其它热移除装置可以从材料的热侧移除热量。当同时完成这两个方面时，该设备则有效地作为冷却装置或热泵来操作。相反，例如通过应用热能产生跨过材料的热梯度会根据塞贝克效应诱导出电场。将该材料连接到与此场对准的电路造成该设备有效地作为电力发电机来操作。将热电材料应用到冷却和电力发电有着许多益处。热电材料和热电冷却设备的辅助部分的总尺寸与具有典型部件的同等冷却系统的尺寸相比可以相对较小。目前生产中的最典型冷却系统利用蒸汽压缩系统，该蒸汽压缩系统至少需要压缩器、工作液体、膨胀阀、 蒸发器和冷凝器。同样地，典型发电设施利用大的蒸汽涡轮机将热能转换成电能。热电设备较小，因为存在对安置这种庞大昂贵的设备以将能量从一种形式转换为另一种形式的较小需要。这减小了冷却或发电系统操作所需的空间的量，从而为制造者、设计者或建造者节约了宝贵的功能空间。因此，热电材料的紧凑尺寸使得它们对于空间稀缺的许多冷却和发电应用而言是理想的。最终用户也受益于热电设备的实际上免维护的操作。如上所述的典型系统使用机械中间装置将能量在热形式和电形式之间转换，而热电材料直接将热能转换为电能而不需机械中间装置。诸如涡轮机、电动机和泵的移动部分即使是可靠的也典型地需要定期检查和维护从而最小化非计划的停机和大修并且倾向于减小整体效率。热电设备具有更少的这种辅助部分，并且系统故障时间的机会因此更少。尽管与当前系统相比在尺寸和维护上具有优势，但热电材料至今限于某些场景和专业应用。限制这种技术的广泛采用的关键因素是高的生产成本与薄膜材料的实际尺寸要求的组合。当前材料(特别是设计成在室温附近操作的那些材料)的可实现的热电性能也不足以使得热电冷却系统对于许多大规模操作是有竞争力的，从而进一步约束了当前热电技术的广泛采用。当前热电材料最适合于具有明显尺寸约束或者可靠性比效率更关键的那些实际上没有成本约束的应用。例如，当前发电应用包括在远程无人值守的基于陆地或基于空间操作中的那些应用。使用热电材料的冷却技术通常限于小规模冷却应用，特别是在医学和科学领域。在诸如便携式制冷单元和加热/冷却式汽车坐垫的某些专业产品中，热电冷却正渗透到消费者市场中。这些应用中的每一种都具有具体的可靠性或尺寸要求，这使得热电冷却比标准蒸汽压缩系统更有吸引力。在这些应用中，当前热电材料可获得的有限性能无法胜任专业需求。 热电材料的性能由其无量纲品质因数I表征 c'2其中ρ为电阻率4为塞贝克系数或热电动势率，&为热侧和冷侧温度的平均值，以及 k为热导率。在此方程中，热导率i为电学贡献‘和声子贡献^^之和，也表达为i=^7+&A。当增大时，转换效率也增大。尽管期望通过增大S或者减小P或A来增大I， 但是有益地仅仅改变一个因素而不造成另一个因素相消变化的能力的进展受限制。例如， kel和P通过维德曼-夫兰兹定律而关联，使得P减小典型地造成乞7的抵消增大，导致不明显的改进。减小会类似地造成々的抵消增大。‘和々的这些抵消变化典型地导致 I的不明显改进。热电性能的最大提升来自于制作具有减小的的材料。然而，^^的选择性减小通常只能利用诸如化学气相沉积的劳力和资本密集型薄膜工艺而可能实现。通过每次构建材料的若干个原子，而不是成批地，这些工艺通过产生在一个或两个维度上的连续声子阻挡层或者夹杂物而减小&Α。这些当前制作工艺及其关联成本限制了热电材料的尺寸、性能和应用。不仅薄膜产物具有高的每单位体积的生产成本，对于经由这种工艺生产的材料也存在实际尺寸限制。在厚度小于约30微米的材料中，开始出现对于薄膜热电材料的限制。 在该水平，寄生损耗开始使得整体装置性能与在该材料水平的性能相比之下降低。因此，尽管气相沉积的材料在室温具有相对较高的^，但更大尺度的热电材料是极度昂贵的并且对于除了最为成本不敏感的应用之外的所有应用都是不足的。
技术实现思路
本专利技术是体加工热电材料及其生产方法。该材料在每个维度上具有至少约30μπι 的尺度，具有至少一个分散在主相中的相，并且表现出良好的热电性能，其中在低于200°C 的温度热电品质因数为至少约1. 0。分散相包括多个夹杂物，所述夹杂物在至少一个晶向上与主相形成具有至少一个共享原子的匹配原子间距离的至少部分相干界面。用于生产这种材料的方法包括选择将形成主相和分散相的至少两种开始材料， 然后通过液相或固态前体加工组合所述材料从而在基体中形成分散相。分散相的分布、尺寸、形态、界面配准和电特性可以通过成分和加工(热、机械)参数的设计被方便且隐含地控制，而不要求对高强度和昂贵的薄膜、纳米制模或者原子操纵制作/加工的需要。附图说明图1为热电冷却设备的示意图，其中将体热电材料集成在该设备中。图2A为第二材料的球状夹杂物分散在第一材料的主相中的体热电材料的结构的分解截面视图。图2B为第二材料的片状或棒状夹杂物分散在第一材料的主相中的体热电材料的结构的分解截面视图。图3A为描绘夹杂物附近的体热电材料的微结构以及不同晶格结构对声子和电荷载流子输送的影响的图示。图;3B为通过示出实例材料的晶体结构而描绘相干相界面的图示。图4为描绘制作体加工热电材料的方法的流程图。图5A为包括在碲化铋基体中的碲化镓弥散体的体加工热电材料的扫描电子显微照片。图5B为图5A中区域43的更高放大倍率视图。图6为碲硒化铋基体中球状碲化铜弥散体的扫描电子显微照片。图7为碲硒化铋基体中片状碲化铜弥散体的扫描电子显微照片。图8为碲化铋基体中碲化镓分散相的电子背散射衍射(EBSD)图像。所示图像为 EBSD图像的反极图。图9为碲硒化铋基体中碲化铜弥散体的扫描电子显微照片。图10为示出图9中碲化铜弥散体的尺寸分布的曲线图。图11为碲化铋基体中碲化铜弥散体的扫描电子显微照片。图12为示出图11中碲化铜弥散体的尺寸分布的曲线图。具体实施例方式图1描绘利用珀耳帖效应将电能转换为热梯度ΔΤ的热电冷却设备10的简化示意图。两个体加工热电材料，材料12N和12P，被示为集成在设备10中。在低于100°C的温度，二者的^值均为至少约1. 0。在此说明中，材料12N和12P分别为η型和ρ型材料，并联热连接并且串联电连接。本领域技术人员将认识到，多于两种的热电材料可以被并入该设备中。当输入电压V应用到电路16时，电流如箭头20所指示的那样流动。当电流流经材料12Ν和12Ρ时，由如箭头18所示的离开冷侧22且朝向热侧M的热流Q产生热梯度ΔΤ。 通过在箭头20所指示方向上连续应用电流，在材料12Ν和12Ρ中维持热梯度ΔΤ。当热量经由诸如散热器或热交换器(未示出)的散热装置同时从热侧对移除时，维持跨过材料12Ν 和12Ρ的热梯度ΔΤ，从而导致在冷侧22上类似的温度降低。热梯度ΔΤ是由通过材料12Ν和12Ρ的微结构的声子和电荷载流子携带的相对电本文档来自技高网...
【技术保护点】
１． 一种体热电材料，包括：长度、宽度和厚度，其中该长度、宽度和厚度中的每一个都为至少约３０μｍ；包括第一半导体材料的主相；包括形成多个夹杂物的第二材料的分散相；在主相和分散相之间的界面，所述界面在一个晶向上是基本上相干的；以及在低于２００℃的温度大于或等于１．０的热电品质因数（ＺＴ）。
【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：RR维利根，
申请(专利权)人：开利公司，
类型：发明
国别省市：US
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