[发明专利]用于纳米结构阵列的电极结构及其方法

说明书

技术领域

本申请要求2011年2月2日提交的共同转让的美国临时申请No.61/438,709的优先权，为了所有目的，将其通过引用结合到本文中。本申请还是提交于2011年12月20日的美国专利申请No.13/331,768的部分继续申请，该申请要求2010年12月21日提交的共同转让的美国临时申请No.61/425,362的优先权，为了所有目的，将其通过引用结合到本文中。

另外，本申请涉及美国专利申请No.12/299,179以及No.13/308,945，通过引用将其结合到本文中用于所有目的。

本文所述的工作部分由美国空军SBIR合同号W911QY10-C-0063以及W11QY-11-C-0027支持。因此，美国政府对本发明享有某些权利。

本发明针对纳米结构。更具体地，本发明提供用于纳米结构阵列的电极结构及其方法。仅仅以示例的方式，本发明应用到嵌入在一个或多个填充材料中的、带电极结构的、用在热电装置中的纳米结构阵列。然而，需要认识到，本发明具有更广范围的应用性，包括但不限于用于太阳能电力、电池电极和/或能量储存、催化和/或发光二极管中。

背景技术

热电材料是在固体状态并且没有移动部分的情况下例如能够在所施加温度梯度(例如塞贝克效应)下将可观的热能量转换为电力或者在所施加电场(例如珀尔帖效应)下抽吸热量的材料。固态热力发动机的应用是大量的，包括从无论是一次还是废热源的各种热源来发电，以及冷却诸如微芯片和传感器之类的空间或物体。部分由于具有增强热电性能(例如效率、功率密度或热电优值摂ZT，其中ZT等于S²σ/k并且S是塞贝克系数，σ是电导率，以及k是热电材料的热导率)的纳米结构材料的进步，并且还由于对于将废热作为电力回收以改进能量效率或者冷却集成电路以改进其性能的系统的增加需要，对使用包括热电材料的热电装置的关注近年来已经增长。

至今，热电学因这些装置与实现能量生成或冷藏的相似手段的其它技术相比的较差成本性能而具有有限商业适用性。在其它技术通常不像热电学同样适合在轻便和低占用面积应用中使用的情况下，热电学然而常常受到其高昂成本限制。在商业应用中实现热电学的有用性方面重要的是包括高性能热电材料的装置(例如模块)的可制造性。这些模块优选地按照使得以最小成本确保例如最大性能的方式来产生。

当前可用的商业热电模块中的热电材料一般由均是有毒、难以制造并且获取和处理成本高的碲化铋或碲化铅来组成。随着对备选能量产生和微型级冷却能力的当前强烈需要，高度可制造、低成本、高性能热电学的推动力正在增长。

热电装置常常分为由诸如Bi₂Te₃和PbTe之类的常规热电材料所构成的、电接触的和在冷藏(例如珀尔帖)或能量转换(例如塞贝克)装置中组装的热电分支。这常常涉及将热电分支接合到允许串联配置的电连接的配置中的金属触点，同时提供热并联配置，以使得同时建立跨所有分支的温度梯度。但是，许多缺点存在于常规热电装置的产生中。例如，与处理和组装外部构成的热电分支关联的成本常常较高。常规处理或组装方法通常使得难以制造许多热电应用所需的小型热电装置。常规热电材料通常是有毒且昂贵的。

纳米结构常常指的是具有在纳米级(例如在0.1nm与1000nm之间)所测量的至少一个结构尺寸。例如，纳米线表征为具有一种截面面积，其具有在纳米级所测量的对边距离，即使纳米线的长度可能相当长。在另一个示例中，纳米管或者空心纳米线的特征在于具有一种壁厚度和总截面面积，其具有在纳米级所测量的对边距离，即使纳米管的长度可能相当长。在又一个示例中，纳米孔表征为具有一种截面面积的空隙，其中具有在纳米级所测量的对边距离，即使纳米孔的长度可能相当长。在又一个示例中，纳米网是一种有时相互链接的阵列，包括诸如纳米线、纳米管和/或纳米孔之类的多个其它纳米结构。

纳米结构已经表明对于改进热电性能是有希望的。从热电材料来创建0D、1D或2D纳米结构在一些情况下可改进那种材料的热电发电或冷却效率，并且在其它情况下有时非常显著(100或以上的因子)。但是，在包括许多纳米结构的实际宏观热电装置中所需的纳米结构的对齐、标度和机械强度方面存在许多限制。使用与硅的处理相似的方法来处理这类纳米结构会具有巨大成本益处。例如，创建具有平坦表面的纳米结构阵列支持例如金属化等的平坦半导体过程。

因此，极大地期望从具有有利的电、热和机械性质的材料来形成这些纳米结构阵列来用在热电装置中。

发明内容