[发明专利]适于降低的热传输的声子超构材料

说明书

提供了用于降低至少部分结晶的基体材料中群速度和热导率的声子超构材料和方法，例如用于热电能量转换。在一个实施方式中，提供了用于降低通过至少部分结晶的基体材料的热导率的方法。在另一实施方式中，提供了声子超构材料结构。在这个实施方式中的声子超构材料结构包括：至少部分结晶的基体材料，其被构造为允许多个声子运动从而提供通过基体材料的热传导；和经由至少一种相对柔性或软的材料(例如石墨、橡胶或聚合物)与至少部分结晶的基体材料耦合的至少一种材料(例如作为夹杂物、延伸亚结构、外基质、对重的内部夹杂物的涂层等)。构造夹杂物、延伸亚结构基体或涂层材料以通过共振材料内至少一个原子的振荡产生至少一个振动模态，从而与在基体材料内运动的多个声子相互作用并且减慢至少一部分相互作用的声子的群速度并且降低通过基体材料的热导率。

相关申请的交叉引用

本申请是2018年4月18日提交的题目为“PHONONIC METAMATERIALS ADAPTED FORREDUCED THERMAL TRANSPORT”的US 15/956,289的PCT申请，US 15/956,289为2016年10月10日提交的并且题目为“Phononic Metamaterials Comprising Atomically DisorderedResonators”的美国专利申请号15/289,921的部分延续。本申请是2016年8月16日提交的并且题目为“Phonononic Metamaterials”的美国专利申请号15/238,711的部分延续，美国专利申请号15/238,711为2014年4月7日提交的并且题目为“NanophonononicMetamaterials”的美国专利申请号14/247,228的部分延续，美国专利申请号14/247,228要求2013年4月7日提交的并且题目为“Lattice Dynamics and Thermal TransportProperties of Nanophononic Materials”的美国临时申请号61/809,399的权益。列出的每个申请通过引用并入本文，如同本文完全列出。

背景技术

a.领域

本申请公开了涉及降低在至少部分晶态的基体材料内行进的声子的群速度的许多方法、材料和装置。群速度降低的一个目的例如可以是降低热导率；另一个可以是改进热电能量转换品质因数。

b.背景技术

热电效应是指由材料的一侧和另一侧之间的温度差产生电流的能力。相反，向热电材料施加电压可使材料的一侧加热而另一侧保持冷却，或供选择地，一侧冷却而另一侧保持热的。已经以两种方式使用结合热电材料的装置：从热源产生电力或通过消耗电力来提供冷却或加热。迄今为止，热电装置已被限制在专营市场(niche)或小规模应用中，例如提供能量用于火星好奇号探测车或冷却精密仪器。

热电材料的广泛使用受到作为良好电导体的材料也往往是良好热导体的问题的阻碍。这意味着在温度差产生电势的同时，温度差本身开始消散，从而削弱了它产生的电流。具有高电导率σ和高热导率κ的材料在将温度差转化为电势方面表现得差。为了使材料作为热电材料表现良好，它应具有高品质因数值，ZT＝(S²σ/κ)T，其中S是塞贝克系数和T是温度。

过去，科学家通过寻找具有允许传导电比传导热更容易发生的内在性质的材料来解决这个问题。最近，材料科学家使用纳米技术来设计将表现出所需性质的纳米结构材料。使用纳米结构来控制热传输已经是快速增长的研究领域。研究人员已尝试了各种方案来降低热电材料中的热传输，例如将空穴、夹杂物、颗粒、界面和/或其它材料的晶粒引入热电材料中以便散射声子(热的载体)，但是这些也往往降低电流的传输(因为它们散射电子)，这抵消了改进。