[发明专利]一种基于碳纳米管的同位素电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及同位素电池，特别涉及一种碳纳米管同位素电池及其制备方法，属于微机械电子系统中的微能源领域。

背景技术

在微电子技术的基础上发展起来的微机电系统(简称MEMS)技术正在飞速发展，从汽车安全气囊的触发感应器到环境监控系统的药品释放，微型机电器件和系统已经进入到了人们的日常生活中。但是微能源一直是微系统发展中的瓶颈，研究高效，长寿命的微型能源成为了各国学者研究的热点，如微型太阳能电池、微型燃料电池、环境能量拾取器等。但是微型太阳能电池需要光照，燃料电池需要在工作过程中补充燃料，环境能量拾取器的能量转换率太低，这些能源使用在MEMS系统中都具有一定的局限性。同位素电池是将放射性同位素衰变发出载能粒子(如α粒子、β粒子和γ射线)的能量转换为电能的装置。放射性同位素的能量密度高达1-100MJ/cc(传统燃料能量密度为1-20kJ/cc)，寿命长达1-100年，而且在不同的环境条件下，依然可以保持恒定衰减率发射粒子。同位素电池的种类繁多，按提供电压的高低，核电池可分为高压型(几百至几千伏特)和低压型(几十毫伏至一伏左右)两类；按能量转换方式，它可分为直接转换式和间接转换式；按能量转换机制分类，它包括：直接充电型、接触势型同位素电池、p-n结同位素电池、热动力型同位素电池、热电转换同位素电池、热离子发射同位素电池、压电转换型同位素电池等。在上述这些同位素电池中，热电转换同位素电池应用最为广泛，而p-n结同位素电池的理论效率高达40％，是用在微机电系统中最理想的能量转换方式之一。

1953年Rappaport研究发现，同位素衰变产生的β粒子能在半导体内产生电子空穴对，此现象被称为β辐射伏特效应。β辐射伏特效应在原理上和光生伏特效应很相似，差别在于β辐射伏特效应是用β粒子转化能量，而光生伏特效应使用的则是光子。β粒子撞击半导体材料，在pn结的耗尽区附近产生的很大一部分电子空穴对将会被收集，从而在器件终端形成电流，这个电流表明了能量的转换过程。近年来，国内外研究者或者通过改变pn结的结构来提高电池的表面积，进而提高电池的短路电流和开路电压，或者通过使用抗辐照材料如SiC等来提高器件的抗辐照性，但是β辐射电池的效率提高都不是很显著。

跟传统的材料相比，碳纳米管具有独特的纳米一维结构和奇异的电学性质。在碳纳米管内，由于电子的量子限域所致，电子只能沿着碳纳米管的轴向运动，同时碳纳米管具有高的载流子迁移率和弹道传输特点。另外，随着螺旋矢量(n，m)的不同，碳纳米管的能隙宽度可以从零变化到与硅相等。这些特点使碳纳米管成为理想的β辐射电池材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以碳纳米管为换能材料的同位素电池，利用碳纳米管纳米材料的特有性质来改善电池的性能。这种同位素电池体积小，转换效率高，而且结构简单，易于实现，可以长时间工作，并能工作于各种复杂的环境。

本发明的技术方案如下：

一种基于碳纳米管的同位素电池，包括换能结构和源结构两部分，其中：换能结构包括第一衬底，位于第一衬底背面的背电极，位于第一衬底上表面的绝缘层和绝缘层上的金属电极对，以及定向排布于金属电极对间的半导体性碳纳米管，所述金属电极对中的一个电极由功函数高于碳纳米管费米能级的金属构成，另一个电极由功函数低于碳纳米管费米能级的金属构成，所述碳纳米管的两端分别与两个电极接触；源结构包括第二衬底和淀积于第二衬底上的放射性同位素膜；源结构和换能结构对准封接在一起，二者相接触的部位之间电学隔离，所述放射性同位素膜和碳纳米管位于封接形成的空腔内。

所述第一衬底是换能结构的衬底，其可以是硅片、砷化镓片、碳化硅片或氮化镓片等，表面的绝缘层的材料可以为二氧化硅、氮化硅或氧化铪等。

所述金属电极对可以是叉指电极对或者是简单的对电极。

所述功函数高于碳纳米管费米能级的金属可选自下列金属中的一种或多种：Au、Pd和Pt等。

所述功函数低于碳纳米管费米能级的金属可选自下列金属中的一种或多种：Hf、Al、Ti、Cr、Sc和Zn等。

所述第二衬底是源结构的衬底，其可以是金属衬底，例如镍片和铜片等，也可以是非金属衬底，例如硅片和玻璃片等。

上述基于碳纳米管的同位素电池可以通过下述方法制备：

1)根据下述步骤a-c制备换能结构：

a、在第一衬底上表面形成绝缘层，并在绝缘层上制作金属电极对，该电极对中的一个电极由功函数高于碳纳米管费米能级的金属构成，另一个电极由功函数低于碳纳米管费米能级的金属构成；

b、在第一衬底的背面制作背电极；