專利名稱：極化對準(zhǔn)和極化漸變熱電材料及其形成方法
極化對準(zhǔn)和極化漸變熱電材料及其形成方法
背景技術(shù)：
熱電材料在其電性能和熱性能之間呈現(xiàn)可預(yù)測的關(guān)系。依賴于所期望的結(jié)果，熱電設(shè)備常常布置為或者冷卻/熱泵裝置或者發(fā)電機(jī)。為了把材料用作冷卻裝置或熱泵，典型地經(jīng)由電路橫跨材料施加電場。只要維持該場，該場就根據(jù)珀耳帖(Peltier)效應(yīng)產(chǎn)生熱梯度。熱可以通過熱沉、熱交換器或其他熱移除裝置而從材料的熱側(cè)移除。當(dāng)二者同時(shí)完成時(shí)，設(shè)備則有效地操作為冷卻裝置或熱泵。相反，諸如通過施加熱能而創(chuàng)建橫跨材料的熱梯度根據(jù)塞貝克(Seebeck)效應(yīng)誘導(dǎo)電場。將材料連接到與該場對準(zhǔn)的電路導(dǎo)致設(shè)備有效地操作為發(fā)電機(jī)。存在將熱電材料應(yīng)用于冷卻和發(fā)電的很多益處。與具有典型元件的等價(jià)冷卻系統(tǒng)的尺寸相比，熱電冷卻設(shè)備的熱電材料和輔助部件的總尺寸可以相對小。當(dāng)前生產(chǎn)的大多數(shù)典型冷卻系統(tǒng)利用蒸汽壓縮設(shè)備，其至少需要壓縮機(jī)、工作流體、膨脹閥、蒸發(fā)器和冷凝器。同樣，典型的發(fā)電設(shè)施利用大型汽輪機(jī)來將熱能轉(zhuǎn)換成電力。熱電設(shè)備較小，因?yàn)槠洳惶枰仓迷摯笮桶嘿F裝置來將能量從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。這減小了為操作冷卻或發(fā)電系統(tǒng)所需的空間量，從而為制造商、設(shè)計(jì)者或營造商節(jié)省了寶貴的功能空間。因此， 熱電材料的緊湊尺寸使得它們對于空間稀缺的很多冷卻和發(fā)電應(yīng)用而言是有用的。終端用戶也從熱電設(shè)備的實(shí)際免維護(hù)操作受益。如上述的典型系統(tǒng)使用機(jī)械中間件在熱形式和電形式之間轉(zhuǎn)換能量，而熱電材料在材料級轉(zhuǎn)換能量。即使諸如渦輪機(jī)、馬達(dá)和泵之類的運(yùn)動(dòng)部件是可靠的，也典型地要求周期性的檢查和維護(hù)以使非計(jì)劃停運(yùn)和大修最小化。熱電設(shè)備具有較少的這種輔助部件以及因此較少的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間機(jī)會(huì)。盡管優(yōu)于當(dāng)前系統(tǒng)的尺寸和維護(hù)優(yōu)點(diǎn)，但是熱電材料迄今為止限于某些利基 (niche)和專業(yè)應(yīng)用。限制該技術(shù)的廣泛采用的關(guān)鍵因素是高生產(chǎn)成本以及現(xiàn)有熱電材料的實(shí)際尺寸限制。當(dāng)前材料尤其是設(shè)計(jì)為接近室溫操作的那些材料的可實(shí)現(xiàn)的熱電性能也不足以使得熱電冷卻系統(tǒng)對于很多大規(guī)模操作而言有競爭力，進(jìn)一步限制了當(dāng)前熱電技術(shù)的廣泛采用。當(dāng)前的熱電材料最佳地適合于實(shí)際上沒有成本限制、明顯尺寸約束或可靠性比效率更關(guān)鍵的應(yīng)用。例如，當(dāng)前的應(yīng)用包括遠(yuǎn)程無人值守的基于地面或基于空間的操作中的那些應(yīng)用以及尤其在醫(yī)學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域中很小規(guī)模地操作的那些應(yīng)用。熱電冷卻正在以諸如便攜式制冷單元和加熱/冷卻汽車座椅之類的某些專業(yè)產(chǎn)品滲透入消費(fèi)者市場，但是尚未(have yet to)達(dá)到廣泛接受。這些應(yīng)用中的每一個(gè)具有使得熱電冷卻比標(biāo)準(zhǔn)蒸汽壓縮系統(tǒng)更有吸引力的特定可靠性或尺寸要求。在應(yīng)用了熱電材料的產(chǎn)品中，盡管當(dāng)前這一代材料的限制，專門的需要規(guī)定了使用所述材料。熱電材料的性能由其無量綱品質(zhì)因數(shù)I表征
權(quán)利要求
1.一種熱電裝置，包含布置在兩個(gè)電極之間且連接到電路的熱電材料，其中該熱電材料包含具有內(nèi)部體極化場以及非對稱熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的第一化合物半導(dǎo)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電裝置，其中該內(nèi)部極化場平行于該熱電材料的中心晶體軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電裝置，其中該內(nèi)部極化場包含自發(fā)極化分量或壓電極化分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱電裝置，其中該熱電材料包含定義各向異性晶體結(jié)構(gòu)的、 垂直于中心晶體軸定向的帶正電離子和帶負(fù)電離子(片電荷)的交替平面的第一層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的熱電裝置，其中該各向異性晶體結(jié)構(gòu)包含非理想纖鋅礦或輝碲鉍礦結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電裝置，其中該第一化合物半導(dǎo)體晶體具有化學(xué)式Ajy， 其中A是鉍(Bi )、銻(Sb )和鉛(Pb )中的至少一個(gè)，B是碲(Te )和硒(Se )中的至少一個(gè)，且 χ禾口 y是A和B的相對化學(xué)計(jì)量量。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電裝置，其中該熱電材料還包含具有自發(fā)內(nèi)部極化和不同晶格參數(shù)的第二化合物半導(dǎo)體的第二層，該第二層外延形成在該第一層上，使得第一層和第二層之間的界面應(yīng)變。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱電裝置，其中該界面應(yīng)變產(chǎn)生該內(nèi)部體極化場的壓電極化分量。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱電裝置，其中該第二半導(dǎo)體具有化學(xué)式CmDn，C是是鉍 (Bi)、銻(Sb)和鉛(Pb)中的至少一個(gè)，D是碲(Te)和硒(Se)中的至少一個(gè)，且m和η是C 和D的相對化學(xué)計(jì)量量。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱電裝置，其中該熱電材料還包含在該第二層上外延形成的第三層AxBy。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電裝置，其中該熱電材料還包含在第三層AJy上外延形成的交替層CmDn和AxBy的至少一個(gè)附加對。
12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電裝置，其中該熱電材料中的至少一層包含具有第三化學(xué)元素的化合物半導(dǎo)體，該第三化學(xué)元素具有化學(xué)計(jì)量比ζ且其中沿著中心軸在層中連續(xù)增加或減小，導(dǎo)致垂直于該層的平面的壓電極化場和濃度梯度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電裝置，其中該內(nèi)部體極化場導(dǎo)致該熱電材料中的熱導(dǎo)率的電子貢獻(xiàn)、是各向異性，使得、在沿著中心晶體軸的第一方向上較高而在與該第一方向相對的方向上較低。
14.一種用于形成熱電裝置的方法，該方法包含形成具有內(nèi)部體極化場的熱電材料，該場導(dǎo)致沿著中心軸的非對稱熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率；將該材料布置在兩個(gè)電極之間；以及將該材料連接到外部電路，使得該內(nèi)部場與施加的電場或熱梯度對準(zhǔn)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中形成該熱電材料包含在第一原子平面A上形成第二原子平面B，每個(gè)相鄰平面垂直于該中心軸且具有相對電片電荷，其中該相對片電荷導(dǎo)致內(nèi)部極化場的自發(fā)極化分量。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中該熱電材料包含具有非理想纖鋅礦或輝碲鉍礦晶體結(jié)構(gòu)的各向異性晶體。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中該多個(gè)原子平面A和B定義具有化學(xué)式AxBy的第一化合物半導(dǎo)體晶體的第一層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中A是鉍(Bi)、銻(Sb)和鉛(Pb)中的至少一個(gè)， 且B是碲(Te)和硒(Se)中的至少一個(gè)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中形成該熱電材料還包含在AJy的第一層上外延形成化學(xué)元素C和D的交替平面，元素C和D的平面定義第二化合物半導(dǎo)體CmDn，其中C是鉍(Bi)、銻(Sb)和鉛(Pb)中的至少一個(gè)，D是碲(Te)和硒(Se)中的至少一個(gè)，且m和η是 C和D的相對化學(xué)計(jì)量比。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中形成該熱電材料還包含在第二層CmDn上外延形成AxBy的第三層。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中Ajy和CmDn具有不同的晶格參數(shù)，使得這些層之間的界面應(yīng)變，該界面應(yīng)變導(dǎo)致內(nèi)部體極化場的壓電分量。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中該第一層Ajy形成在絕緣層上。
23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中至少一層包含具有分子式Ax_zByCz或Cm_zDnAz的化合物半導(dǎo)體，其中ζ沿著中心軸在層中通過每個(gè)平面連續(xù)增加或減小，導(dǎo)致平行于中心軸的壓電極化場和濃度梯度。
全文摘要
本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括一種熱電材料，其具有沿著材料的中心軸對準(zhǔn)的內(nèi)部極化場。沿著該軸的是基本類似面積的第一原子平面和第二原子平面。所述平面定義了第一體積且形成單個(gè)各向異性晶體。第一體積具有第一外表面和與該第一外表面相對的第二外表面，其中所述外表面定義經(jīng)過體的中心軸。體極化場由第一電片電荷和第二相對電片電荷形成，每個(gè)原子平面上一電片電荷。相對片電荷定義與中心軸對準(zhǔn)的體極化場，且體極化場導(dǎo)致沿著中心軸通過第一體積的非對稱熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。
文檔編號H01L35/28GK102210034SQ200980144228
公開日2011年10月5日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月6日
發(fā)明者曼特斯 J. 申請人:開利公司