[发明专利]具有高性能热电性质的纳米结构

说明书

政府资助声明

本文所描述的和要求保护的本发明部分地利用由美国能源部根据合同号为DE-AC02-05CH11231所提供的资金来进行。本发明中政府具有一定的权利。

技术领域

本发明一般涉及纳米结构。

背景技术

当前，大约90%的全球电力（~10¹³瓦特或10TW）由热力发动机产生，热力发动机用化石燃料燃烧作热源并且典型地以30-40%的效率运行，以致于大致15TW的热量消失到周围环境。潜在地，热电模块可以把此低级浪费的热量转化为电，其可能产生显著的燃料节约和碳排放的减少。它们的效率取决于它们材料成分的热电优良指数，其被定义为，其中，S、σ、k、以及T分别是塞贝克系数、电导率、热导率以及绝对温度。然而，在过去的50年间，因为ZT的参数通常是互相依赖的，一直在向增加ZT>1挑战。基于Bi、Te、Pb、Sb以及Ag的化合物的纳米结构的热电材料已经被显示为增加ZT>1。

美国专利号为6,882,051以及6,996,147公开了具有小于大约200nm的均匀直径的一维纳米结构。这些纳米结构包括单晶同质结构（homostructure）以及至少两个具有不同化学成分的单晶材料的异质结构（heterostructure）。

发明内容

本发明提供新的包含粗糙表面的纳米结构，其中该纳米结构包含掺杂或未掺杂的半导体。

本发明还提供包含包括粗糙表面的纳米结构的设备，其中该纳米结构包含掺杂或未掺杂的半导体并且该纳米结构接触第一电极和第二电极。

本发明还提供产生电流的方法，该方法包含：提供本发明的设备，并且在第一和第二电极之间设置温度梯度，以便于产生从第一电极流向纳米结构、并且通过纳米结构流向第二电极的电流。

本发明另外提供设备，包含：第一电极；第二电极；第三电极；第一多个纳米结构，每个纳米结构包含粗糙表面，其中每个纳米结构包含硅（Si）、锗（Ge）或其组合，掺杂有三价元素（使得该纳米结构包含p型半导体）；以及，第二多个纳米结构，每个纳米结构包含粗糙表面，其中该纳米结构包含Si、Ge或其组合，掺杂有五价元素（使得该纳米结构包含n型半导体）；其中第一多个纳米结构接触第一电极和第三电极，第二多个纳米结构接触第一电极和第二电极；以便于在第一电极比第二和第三电极具有更高的温度时，产生电流，该电流从第二电极流向第二多个纳米结构，通过该第二多个纳米结构流向第一电极，通过第一电极流向第一多个纳米结构，通过第一多个纳米结构流向第三电极。

本发明另外提供产生电流的方法，包含：提供本发明具有第一多个纳米结构和第二多个纳米结构的设备，并且增加第一电极的温度；以便于产生电流，该电流从第二电极流向第二多个纳米结构，通过该第二多个纳米结构流向第一电极，通过第一电极流向第一多个纳米结构，通过第一多个纳米结构流向第三电极。

本发明还提供降低局部(locality)温度的方法，该方法包含提供本发明的设备，并且施加通过该设备的电流；使得第一电极的温度被降低，其中第一电极在该局部或接近该局部，并且第二和第三电极的温度被提高。

本发明提供一种用于热电转换的装置，所述装置包含：第一电极；第二电极；以及位于所述第一电极和所述第二电极之间的一个或多个纳米结构，所述一个或多个纳米结构中每个包括一个或多个半导体材料；其中：所述一个或多个纳米结构中所述每个与所述第一电极和所述第二电极接触；所述一个或多个纳米结构中所述每个包括与平均表面粗糙度相关联的表面，所述粗糙度在从1nm到5nm的范围。

附图说明

结合附图阅读时，根据以下示意性的实施例的描述，本领域普通技术人员将容易理解到以上所述的方面以及其它。