一種基于石墨烯異質(zhì)結(jié)的柔性熱電轉(zhuǎn)換器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種柔性熱電轉(zhuǎn)換器件，尤其是涉及一種基于石墨烯異質(zhì)結(jié)的柔性熱電轉(zhuǎn)換器件。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)能源短缺、溫室效應(yīng)及環(huán)境污染等問(wèn)題正日益嚴(yán)重，熱電轉(zhuǎn)換將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的綠色能源。同時(shí)由于便攜式電子產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的微型化趨勢(shì)，推動(dòng)了小型化電源的研宄和發(fā)展。
[0003]熱電直接轉(zhuǎn)換是指載帶熱量和電荷的物質(zhì)不經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)軸和活塞而直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。它是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的最新成就之一。熱電直接轉(zhuǎn)換元件不需要任何中間機(jī)械就能把熱能直接轉(zhuǎn)換成電能。
[0004]目前比較常見(jiàn)的熱電轉(zhuǎn)化器為堿金屬熱電轉(zhuǎn)化器，如中國(guó)專(zhuān)利ZL201120506928.9公開(kāi)了一種堿金屬循環(huán)流動(dòng)式熱電轉(zhuǎn)換裝置，是以Beta-氧化鋁固體電解質(zhì)為離子選擇性滲透膜，以液態(tài)堿金屬或氣態(tài)堿金屬為工質(zhì)的熱電能量直接轉(zhuǎn)換器件，適用熱源溫度范圍為900-1300K，理論上，熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30?40%，但是該堿金屬熱電轉(zhuǎn)化器的體積較大，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)今應(yīng)用在便攜式電子產(chǎn)品的小型化熱電轉(zhuǎn)化器的需求。
[0005]石墨烯材料有著獨(dú)特的電學(xué)性能，如圖2和圖3中的色散曲線(xiàn)所示，單層石墨烯和雙層石墨烯具有不同的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。將單層石墨烯和雙層石墨烯組合成異質(zhì)結(jié)時(shí)，即構(gòu)成了熱電轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)接觸熱輻射源時(shí)，器件中單層石墨烯和雙層石墨烯的交疊區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，引起塞貝克效應(yīng)，產(chǎn)生開(kāi)路電壓，并且開(kāi)路電壓線(xiàn)性地正比于溫度差:
[0006]Δ V = ex: ( α _雙層石墨稀-α _單層石墨稀)Δ T
[0007]其中，α稱(chēng)作塞貝克系數(shù)，又稱(chēng)為熱電功率。
[0008]如上所述，外界熱源存在時(shí)，石墨烯和二維半導(dǎo)體晶體材料之間塞貝克系數(shù)之差引起的熱電轉(zhuǎn)換具有廣泛應(yīng)用前景。
[0009]同時(shí)由于石墨烯具有獨(dú)特二維平面結(jié)構(gòu)，能夠與現(xiàn)代高科技的微納加工技術(shù)相銜接，可以很好地實(shí)現(xiàn)熱電器件的高密度集成。另一方面，石墨烯具有可伸展可彎曲的特點(diǎn)，將轉(zhuǎn)移到任意柔性材料襯底上，可隨之彎曲、折疊。對(duì)石墨烯材料柔性特征的應(yīng)用可獲得隨意彎曲折疊的熱能轉(zhuǎn)換器件，滿(mǎn)足在某些極限或特殊情況下的應(yīng)用需求，更可滿(mǎn)足便攜式電子產(chǎn)品對(duì)小型化電源的技術(shù)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種熱電轉(zhuǎn)化效率高、集成密度高、便攜性好的基于石墨烯異質(zhì)結(jié)的柔性熱電轉(zhuǎn)換器件。
[0011]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0012]一種基于石墨烯異質(zhì)結(jié)的柔性熱電轉(zhuǎn)換器件，包括柔性襯底層、在柔性襯底層上依次生長(zhǎng)的介質(zhì)層，第一石墨烯層，第二石墨烯層，所述的第一石墨烯層和第二石墨烯層交疊放置，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，所述的第一石墨烯層上生長(zhǎng)第一金屬電極，第二石墨烯層上生長(zhǎng)第二金屬電極，兩金屬電極之間無(wú)任何交疊。
[0013]所述的第一石墨烯層為單層石墨烯結(jié)構(gòu)，第二石墨烯層為雙層石墨烯結(jié)構(gòu)，第一石墨烯層與第二石墨烯層交疊設(shè)置在介質(zhì)層上，并構(gòu)成異質(zhì)結(jié)。
[0014]所述的柔性襯底層采用柔性材料制成，該柔性材料為超薄玻璃、高分子聚合物或金屬箔片。
[0015]所述的高分子聚合物選自聚酰亞胺、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯中的一種。
[0016]所述的金屬箔片為赤金箔片、銀箔片、銅箔片或鋁箔片中的一種。
[0017]所述的介質(zhì)層由S12制成，該介質(zhì)層的厚度為10?lOOnm，介質(zhì)層用以增加石墨烯和襯底之間的粘附性。
[0018]所述的第一金屬電極的材料為金、鉻、銀、鋁或鈦，其厚度為10?200nm。
[0019]所述的第二金屬電極的材料為金、鉻、銀、鋁或鈦，其厚度為10?200nm。
[0020]單層石墨烯與雙層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)不同，態(tài)密度也不一樣，因而其塞貝克系數(shù)具有一定的差異，當(dāng)器件接觸熱輻射源時(shí)，器件中單層石墨烯與雙層石墨烯的交疊區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，引起塞貝克效應(yīng)，從而產(chǎn)生開(kāi)路電壓。
[0021]上述的柔性熱電轉(zhuǎn)換器件制備基本工藝如下:
[0022]首先，采用柔性襯底材料制成柔性襯底層，并清洗襯底，在柔性襯底層上淀積一層3:102介質(zhì)層，以增加石墨稀和襯底之間的粘附性，S12介質(zhì)層厚度在1-1OOnm以?xún)?nèi)，柔性襯底材料為超薄玻璃、高分子聚合物或金屬箔片，高分子聚合物為聚酰亞胺(Polyimide)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一種；
[0023]之后，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械剝離工藝獲得石墨烯，并通過(guò)光學(xué)顯微鏡找到單層石墨烯，并通過(guò)顯微鏡進(jìn)行拉曼散射譜測(cè)量，確定所選的石墨烯的實(shí)際層數(shù)，再通過(guò)轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移到介質(zhì)層上；
[0024]通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械剝離工藝獲得石墨烯，并通過(guò)光學(xué)顯微鏡找到雙層石墨烯，并通過(guò)顯微鏡進(jìn)行拉曼散射譜測(cè)量，確定所選的石墨烯的實(shí)際層數(shù)，再通過(guò)轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移到單層石墨稀層上；
[0025]由磁控濺射方法或電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)的方法淀積一層100_200nm厚的金屬鉻膜，然后通過(guò)剝離工藝制成金屬形成兩個(gè)電極層；
[0026]即制備得到柔性熱電轉(zhuǎn)換器件器。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0028](I)熱電轉(zhuǎn)化效率高:本發(fā)明采用單層石墨烯與雙層石墨烯交疊構(gòu)成異質(zhì)結(jié)從而形成熱電轉(zhuǎn)化器件，單層石墨烯與雙層石墨烯的塞貝克系數(shù)差較大，熱電效應(yīng)大；
[0029](2)集成密度高:采用具有獨(dú)特二維平面結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，能與現(xiàn)代高科技的微納加工技術(shù)相銜接，可以很好地實(shí)現(xiàn)熱電器件的高密度集成；
[0030](3)便攜性好:本發(fā)明采用柔性襯底，同時(shí)采用的石墨烯和二維半導(dǎo)體晶體材料都具有可伸展可彎曲的特點(diǎn)，從而器件可隨意彎曲折疊，并且在彎折后器件的電學(xué)性能保持不變，滿(mǎn)足在某些特殊情況下的應(yīng)用需求，更可滿(mǎn)足便攜式電子產(chǎn)品對(duì)小型化電源的技術(shù)需求。相對(duì)傳統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換器件，本發(fā)明屬于柔性電子器件，器件可應(yīng)用在眾多新型領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為單層石墨烯的色散曲線(xiàn)；
[0033]圖3為雙層石墨烯的色散曲線(xiàn)；
[0034]圖中，柔性襯底層1，介質(zhì)層2，第一石墨稀層3，第二石墨稀層4，第一金屬電極5，第二金屬電極6。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下文結(jié)合特定實(shí)例說(shuō)明的實(shí)施方式，此處的實(shí)施例及各種特征和有利細(xì)節(jié)將參考附圖中圖示以及以下描述中詳述的非限制性實(shí)施例而進(jìn)行更完整的解釋。省略眾所周知的部件和處理技術(shù)的描述，以免不必要的使此處的實(shí)施例難以理解。在制作所述結(jié)構(gòu)時(shí)，可以使用半導(dǎo)體工藝中眾所周知的傳統(tǒng)工藝。此處使用的示例僅僅是為了幫助理解此處的實(shí)施例可以被實(shí)施的方式，以及進(jìn)一步使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┐颂幍膶?shí)施例。因而，不應(yīng)將此處的示例理解為限制此處的實(shí)施例的范圍。
[0036]請(qǐng)參閱附圖。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施