[发明专利]大尺寸纳米结构材料以及用于通过烧结纳米线来制作它的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求共同转让美国临时申请No.61/719639(2012年10月29日提交)和美国临时申请No.61/801611(2013年3月15日提交)的优先权，为了所有目的，通过引用结合到本文中。

另外，本申请涉及美国专利申请号13/299179和13/308945，为了所有目的，通过引用将其结合到本文中。

技术领域

本发明针对纳米结构材料。更具体来说，按照某些实施例，本发明通过烧结(sinter)纳米线来提供大尺寸(bulk-size)纳米结构固体材料。只作为举例，本发明适用于制作热电装置。但是会理解，本发明具有相当大范围的适用性。

背景技术

纳米结构半导块状材料已经表明具有用于制作高性能热电装置的良好热电优值系数(thermoelectric figures of merit)ZT。例如，硅纳米线、纳米孔和纳米网格已经形成，并且产生具有纳米尺寸特征的材料。这些常规结构的一部分是长度与直径的纵横比大于10:1的纳米线。例如，与相同材料的块状(bulk)单晶体或者多晶体相比，纳米线已经表明具有更低的热导率并且因此具有更高的热电优值系数ZT。在另一示例中，纳米线的直径范围是从1至250nm。在又一示例中，纳米线具有粗糙或多孔特征，其尺寸范围是从1至100nm。类似地，这些常规结构的一部分是与丝带相似的薄膜。例如，丝带已经表明小于10微米宽并且小于10微米长、数十至数百纳米厚，丝带中具有孔。在另一示例中，孔的直径范围是从1nm至100nm。这些常规结构证明纳米结构的如下基本能力：通过在没有极大地影响电性质的同时降低热导率来影响声子热传输，由此改进热电优值系数ZT，表示为ZT＝S²σ/k，其中S是材料的热电力，σ是电导率，以及k是热导率。但是，这些纳米结构材料中的纳米尺寸特征常常限制材料在电力生成的情况下将大量电流从一个电极传输到另一个的方面的能力，其中温度梯度施加到热电材料，并且塞贝克效应用来驱动电压的梯度并且又驱动电流的流动。例如，纳米线的小集合不会提供足够材料体积来传输将要在实际应用中使用的足够能量。在另一个示例中，长度小于100μm的纳米线或薄膜纳米带的使用在使用常规热交换器技术跨这些纳米线或纳米带保持可观温度梯度的能力方面造成限制。相反，具有纳米尺寸特征的这些常规纳米结构材料还对用于施加了电流、通过珀耳帖效应携带可观热量的材料施加限制。

图1A是示出不同类型的纳米级结构(nano-scale structure)和/或微米级结构(micro-scale structure)经混合以通过火花等离子体烧结过程来形成随机或部分排序混合物的简化图。如图1A所示，一种类型的纳米级或微米级结构1410(例如，一种类型的纳米粒或纳米线)以及另一种类型的纳米级或微米级结构1420(例如，另一种类型的纳米粒或纳米线)经混合以通过火花等离子体烧结过程来形成随机或部分排序混合物。例如，微观级和/或纳米级微粒和/或其他微观级和/或纳米级材料的随机或部分排序混合物能够提供防止烧结产品的体积中的任何较大尺寸颗粒的形成的有益效果。在另一个示例中，随机或部分排序混合物用来在纳米结构粉末(例如硅纳米线粉末)的烧结期间阻止热电材料的颗粒生长。

图1B是示出不同类型的纳米级结构或微观级微粒经混合以通过火花等离子体烧结过程来形成交互混合物的简化图。如图1B所示，一种类型的纳米级或微米级结构1430(例如，一种类型的纳米粒或纳米线)以及另一种类型的纳米级或微米级结构1440(例如，另一种类型的纳米粒或纳米线)经混合以通过火花等离子体烧结过程来形成交互混合物。例如，微观级和/或纳米级微粒和/或其他微观级和/或纳米级材料的交互混合物能够提供防止烧结产品的体积中的任何较大尺寸颗粒的形成的有益效果。在另一个示例中，交互混合物用来在纳米结构粉末(例如硅纳米线粉末)的烧结期间阻止热电材料的颗粒生长。

因此，极期望创建这样的块状材料(bulk materials)，其能够以改进传输效率来传输大量热和电流。

发明内容

本发明针对纳米结构材料。更具体来说，按照某些实施例，本发明通过烧结纳米线来提供大尺寸纳米结构固体材料。只作为举例，本发明适用于制作热电装置。但是会理解，本发明具有相当大范围的适用性。