[发明专利]基于纳米声子超材料的热电设备

说明书

提供了一种基于纳米声子超材料的热电能量转换设备以及用于制造基于纳米声子超材料的热电能量转换设备的过程。在一个实施方式中，例如，基于纳米声子超材料的热电能量转换设备包括第一导电垫、第二导电垫和多个条带单元。在一个实施方式中，第一导电垫耦合到热电能量转换设备的第一连接，并且第二导电垫耦合到热电能量转换设备的第二连接。多个条带单元串联连接在第一导电垫和第二导电垫之间，并提供平行的传热通路。条带单元包括纳米结构设计，该纳米结构设计包括纳米声子超材料。

相关应用的交叉引用

本申请要求于2018年2月9日提交的美国临时申请No.62/628,741的权益，该申请在此通过引用并入，如同在本文中完全阐述一样。

技术领域

本公开涉及在热能和电能之间转换的热电设备，诸如热电发电机和珀耳帖(Peltier)制冷设备。

背景技术

热电设备(诸如热电发电机和珀耳帖制冷设备)将热能转换成电能，或反之亦然。热电效率可以被用于分析热电设备性能。品质因数ZT可以被用于分析热电材料性能。高ZT材料的一项关键要求是具有低热导率(K)，同时具有高电导率和高塞贝克(Seebeck)系数。但是，挑战在于，这两个特性在现有材料中(尤其是在廉价的工业材料(如硅)中)紧密耦合。在过去的二十年中，增加ZT的主要原理是要在材料内嵌入障碍物(诸如小缺陷、洞、离子、颗粒和/或界面)，以便散射载热声子并降低热导率，诸如图1中所示。虽然取得了一定程度的成功，但这个策略对于生成高ZT值还不是变革性的，因为操作以散射载热声子的障碍物也阻碍电子载流子的流动，并且因此降低电导率。

发明内容

提供了基于纳米声子超材料的热电能量转换设备以及用于制造基于纳米声子超材料的热电能量转换设备的过程。在一个实施方式中，例如，基于纳米声子超材料的热电能量转换设备包括第一导电垫、第二导电垫和多个条带单元。在一个实施方式中，第一导电垫耦合到热电能量转换设备的第一连接，并且第二导电垫耦合到热电能量转换设备的第二连接。多个条带单元串联连接在第一和第二导电垫之间，并提供平行的传热通路。条带单元包括纳米结构设计，该纳米结构设计包括纳米声子超材料。

在一个实施方式中，一种制作基于纳米声子材料的热电能量转换设备的过程包括将半导体材料附接到载体晶片。该过程还包括在半导体中制造纳米膜和从该纳米膜延伸的纳米结构共振器，其中，纳米膜各自包括延伸通过膜的电子载流子运输区域，并且纳米结构共振器从纳米膜延伸到电子载流子运输区域外部。

根据阅读下面的描述和权利要求以及根据研究附图，本发明的前述和其它方面、特征、细节、效用和优点将变得清楚。

附图说明

图1图示了经由使用障碍物的载热声子来降低热导率的常规方法的示意图。

图2图示了热电能量转换材料的示例实施方式，该热电能量转换材料包括至少大体上垂直于设备的膜表面部署的纳米柱或纳米壁。

图3A至图3C从晶格动力学角度图示了包括纳米柱的材料中的共振杂化(hybridization)现象。

图4示出了针对包括纳米柱的膜的初步实验结果。

图5示出了用于降低纳米声子超材料中的热导率的大小效应品质因数。

图6A和图6B示出了硅的高纵横比蚀刻的示例。

图7A至图7D描绘了基于纳米声子超材料(NPM)的热电转换设备的示例实施方式的渐进插图。

图8A和图8B示出了带纳米柱的膜的实验结果。

图9A和图9B示出了基于纳米声子超材料(NPM)的热电转换设备的设备部件和条带单元的最终组装。

图10示出了用于形成用于热电能量转换设备的条带单元的示例制造步骤的描绘。