[发明专利]具有高热电优值的纳米复合物

说明书

本申请是分案申请，其母案的申请日为2005年10月31日，申请号为200580044842.6，发明名称为“具有高热电优值的纳米复合物”。

技术领域

本发明广泛涉及热电材料和用于合成它们的方法以及，更特别地，涉及显示出增强的热电性能的材料。

背景技术

基于热电效应的固态制冷以及电力生产在本领域中是已知的。例如，使用塞贝克效应或珀尔帖效应用于电力生产以及热泵的半导体器件是已知的。然而，这种传统热电装置的使用一般被它们的低性能系数(COP)(用于制冷用途)或者低效率(用于电力生产用途)所限制。一般使用热电优值(其中S是塞贝克系数，σ是电导率，以及k是热导率)作为热电装置的COP和效率指标。有时，使用无量纲的优值(ZT)，其中T可以是该装置的热和冷一侧的平均温度。

尽管传统半导体热电致冷器提供了比其它制冷技术更多的优点，但是由于低优值，其用途受到了很大程度地限制。在电力生产用途中，由具有低优值的传统热电材料制成的热电装置的低效率限制了它们在热向电的直接转化中的运用(例如，废热或由特别设计的来源所产生的热的转化)。

因此，存在一种对增强的热电材料以及它们的制备方法的需要。更特别的是，存在一种对能显示出提高的优值的热电材料的需要。

发明内容

本发明广泛涉及显示出增强的热电性质的纳米复合物热电材料。该纳米复合物材料包括两种或更多种组分，这些组分的至少一种形成该复合物材料内部的纳米结构。这些组分被选择为使得该复合物热导率降低而基本上不降低复合物的电导率。合适的组分材料显示出类似的电子谱带结构。例如，在两种组分材料的至少导带或价带之间的谱带边缘偏移可以小于约5k_BT，并且优选小于约3k_BT，其中k_B是玻耳兹曼常数并且T是该纳米复合物组合物的平均温度。

在一个实施方案中，本发明提供了一种热电纳米复合物半导体组合物，其包括掺混在一起的由第一被选择的半导体材料形成的大量纳米结构以及由另一个半导体材料形成的大量纳米结构。纳米结构可以是，例如，纳米颗粒或纳米线。例如，该结构可以由两种不同种类的纳米颗粒形成，这些纳米颗粒具有约1nm至约1微米，或者优选约1nm至约300nm，或者约5nm至约100nm的平均直径。

在另一实施方案中，热电纳米复合物可以包括一种半导体主体材料以及一种分布于该主体材料内部的大量纳米夹杂物(例如，纳米颗粒或纳米线)，该大量纳米夹杂物由半导体夹杂材料形成。该纳米复合物组合物表现出位于主体材料的导带或价带和界面上夹杂材料之间的小于约5k_BT的谱带边缘偏移，其中k_B是玻耳兹曼常数以及T是纳米复合物组合物的平均温度。例如，谱带边缘偏移可以为约1至约5k_BT，或者为约1到约3k_BT。夹杂材料的导带或价带的能量最低值可以优选地小于主体材料相应谱带的能量最低值。或者主体材料的导带或价带的能量最低值可以小于夹杂材料相应谱带的能量最低值。

这里所实用的术语“纳米结构”以及“纳米夹杂物”，泛指尺寸等于或者优选小于约1微米的材料部分，例如纳米颗粒以及纳米线。例如，它们可以指具有平均截面直径为约1纳米至约1微米，或者约1nm至约300nm，或者约5nm至约100nm的纳米颗粒。或者，它们可以指具有约2nm至约200nm的平均横向(截面)直径的纳米线。

可以使用各种不同的材料来形成纳米复合物组合物的组分。例如，一种组分(例如，主体材料)可以包含PbTe或PbSe_xTe_1-x(其中x表示PbTe和PbSe合金中PbSe的分数，并且可以在0-1之间)并且另一组分(例如，夹杂材料)可以包含PbSe或PbSe_yTe_1-y中的任意一种。或者，一种组分可以包含Bi₂Te₃并且另一种组分可以包含Sb₂Te₃或Bi₂Se₃，或它们的合金。在其它实施方案中，一种组分可以是Si以及另一组分可以为Ge，例如，可以把硅夹杂物嵌入Ge或SiGe合金主体中。在另一个实施例中，主体和夹杂材料可以由SiGe合金形成，与夹杂材料相比，主体材料中的SiGe合金具有不同的Si和Ge相对浓度。本领域普通技术人员能够理解还可以使用其它的材料，只要它们的材料性质符合本发明的教导。