[发明专利]具有提高的热电优值的SiGe基质纳米复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于SiGe基质的纳米复合材料，其具有提高的热电能量转换能力(thermoelectric energy conversion capacity)。

背景技术

热电材料是下述两种类型设备(devices)的构建模块(G.S.Nolas，J.Sharp和H.J.Goldsmid，Thermoelectrics：Basic Principles and New Materials Developments，Springer(2006))：

1-热电发生器，能够将热流转换为可用的电能；和

2-热电制冷器，能够仅通过使用电流来冷却物体。

这些设备在技术上非常有趣，因为它们是纯固态基础的，这意味着它们没有移动部件(moving parts)，它们没有振动、可靠、紧凑，并且是轻质(light weight)的。这使得它们对于例如航天或微电子应用是理想的。然而，它们的效率远低于机械能转换设备。这限制了其在许多常规领域的应用，例如常用的厨房用冰箱。

成为热电设备一部分材料的能力的直接测量是通过其无量纲热电优值(figure of merit)ZT来给出，ZT被定义为TσS²/κ，其中T是温度，σ是电导率，S是Seebeck系数，并且κ是材料的导热性(G.S.Nolas，J.Sharp和H.J.Goldsmid，Thermoelectrics：Basic Principles and New Materials Developments，Springer(2006))。热电制冷和发电的性能可被已知材料的低ZT所阻碍。目前，最好的块体热电材料具有在室温下大约1的ZT值。在如下两个刊物中纳米结构材料已经呈现出较高的室温ZT(大约2)的迹象：Venkatasubramanian，R等人，“Thin-film Thermoelectric.Devices with High Room-temperature Figures of Merit”，Nature，Vol 413，11 Oct.2001 pp.597-602；T.C.Harman，P.J.Taylor，M.P.Walsh，B.E.LaForge，Quantum Dot Superlattice Thermoelectric Materials and Devices，Science 297，pp.2229(2002)。热电学研究的普通且有前途的目的是制造一种具有室温下大于3的ZT的材料。这种材料将使得热电制冷具有可与压缩制冷(pressure based refrigeration)相媲美的效率，由此打开工业用热电制冷的市场。

热电制冷的一个较小但非常重要的应用是冷却微电子中的热点(hotspots)。热点是设备中散热不够迅速的区域，所以热点的温度变得过高，影响性能。这一问题的一个解决方法是通过集成(integrated)热电制冷器件的方法来积极地将热泵出该区域(A.Shakouri，Nanoscale Thermal Transport and Microrefrigerators on a Chip，Proceedings of IEEE，94，1613(2006))。Shakouri A.已经使用芯片上的SiGe合金系基微型制冷器实验研究了该问题(Proceeding of the IEEE，vol.94，n°8，2006，1613-1638)。

当尝试使集成微型制冷器(microrefrigerators)适用于冷却电子热点(electronic hotspot)及相关应用时，存在几个问题。首先，制冷器应当单片集成在系统中，以便热量能够良好地从热点流到制冷器，并且减小热点和制冷器之间的寄生界面热阻(parasitic interface thermal resistances)。在目前的硅基工业中，这会将可用材料限制为仅与硅技术兼容的那些材料。