低熱導(dǎo)率材料的制作方法
【專利摘要】提供了具有低法向熱導(dǎo)率的材料的實(shí)施方案。優(yōu)選地，所述材料為熱電材料。通常，熱電材料設(shè)計(jì)為阻斷聲子，其降低或消除了由晶格振動(dòng)導(dǎo)致的傳熱，并且由此降低或消除了法向熱導(dǎo)率。通過降低熱電材料的熱導(dǎo)率，改善了熱電材料的優(yōu)值(ZT)。在一個(gè)實(shí)施方案中，熱電材料包括阻斷或反射多個(gè)聲子波長(zhǎng)的多個(gè)超晶格周期。
【專利說明】低熱導(dǎo)率材料
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
本申請(qǐng)要求2011年7月8日提交的臨時(shí)專利申請(qǐng)系列號(hào)61/505，723的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容在此通過引用以其整體并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本公開涉及低熱導(dǎo)率材料，并且特別是涉及低熱導(dǎo)率熱電材料。
【背景技術(shù)】
[0003]基于半導(dǎo)體材料和器件的技術(shù)具有顯著的商業(yè)成就記錄。硅基固態(tài)電子學(xué)給我們帶來了在超過四十年內(nèi)每?jī)赡昃托阅芗颖兜挠?jì)算技術(shù)(摩爾定律)。另外，化合物半導(dǎo)體光電子學(xué)，主要是砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)基II1-V半導(dǎo)體激光二極管，給我們帶來了每九個(gè)月就使來自光纖的數(shù)據(jù)加倍的通訊技術(shù)(Butter光子學(xué)定律)?，F(xiàn)在，半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于能量和能效?；诠韬推渌雽?dǎo)體材料的太陽能電池設(shè)備近來經(jīng)歷了顯著的商業(yè)成功。然而，廣泛認(rèn)識(shí)到對(duì)于太陽能電池功率產(chǎn)生效率方面幾乎不存在顯著改善的空間。換言之，太陽能電池似乎沒有與摩爾定律類型的改善相當(dāng)?shù)臋C(jī)會(huì)。相反，用于從熱源產(chǎn)生功率的熱電材料越來越被認(rèn)為具有在清潔【技術(shù)領(lǐng)域】產(chǎn)生摩爾定律類型的持續(xù)性能改善的潛力。熱電材料可用于形成熱電發(fā)電機(jī)和熱電冷卻器。
[0004]熱電材料的優(yōu)值(ZT)是用于比較各種熱電材料的功效的無量綱單位。優(yōu)值(ZT)是由三個(gè)物理參數(shù)決定的:熱能α (還稱為賽貝克系數(shù))、電導(dǎo)率σ和熱導(dǎo)率k = ke + kph，其中和kph分別為電子和聲子的熱導(dǎo)率；和絕對(duì)溫度T:
7Ψ= ^ T.0
[0005]提高該值至2.0或更高將`破壞現(xiàn)有技術(shù)并將最終使熱電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。從上述公式可以看出優(yōu)值(ZT)與熱電材料的熱導(dǎo)率成反比。因此，降低熱電材料的熱導(dǎo)率將增加優(yōu)值(ZT)。因此，亟需低熱導(dǎo)率熱電材料。
[0006]發(fā)明概述
提供了具有低法向熱導(dǎo)率的材料的實(shí)施方案。優(yōu)選地，該材料是熱電材料。通常，熱電材料設(shè)計(jì)為阻斷聲子，聲子會(huì)降低或消除由晶格振動(dòng)導(dǎo)致的傳熱并由此降低或消除熱導(dǎo)率。通過降低熱電材料的熱導(dǎo)率，改善了熱電材料的優(yōu)值(ZT)。在一個(gè)實(shí)施方案中，熱電材料包括阻斷或反射多個(gè)聲子波長(zhǎng)的多個(gè)超晶格周期。對(duì)于要阻斷的各個(gè)聲子波長(zhǎng)，超晶格周期包括各自具有約等于聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的一種材料組合物的層和各自具有約等于聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的另一材料組合物的層。各自具有約等于聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的一種材料組合物的層和各自具有約等于聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的另一材料組合物的層一起阻斷或反射聲子波長(zhǎng)。
[0007]在一個(gè)實(shí)施方案中，各個(gè)超晶格周期阻斷不同聲子波長(zhǎng)。更具體地，對(duì)于各個(gè)聲子波長(zhǎng)，相應(yīng)的超晶格周期包括交替的一系列各自具有約等于聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的第一材料組合物層和各自具有約等于聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的第二材料組合物層。在一個(gè)實(shí)施方案中，超晶格周期的數(shù)量和由此阻斷的不同聲子波長(zhǎng)的數(shù)量大于2，大于3，大于5,大于7,或大于10。在一個(gè)實(shí)施方案中，各個(gè)超晶格周期的大小大于或等于10,在10-200的范圍內(nèi)并且包括10和200，或在100-150的范圍內(nèi)并且包括100和150。超晶格周期的大小是超晶格周期中的交替的材料組合物被重復(fù)的次數(shù)。在一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)于各個(gè)超晶格周期，第一和第二材料組合物為第IV-VI族半導(dǎo)體材料。在另一實(shí)施方案中，對(duì)于各個(gè)超晶格周期，第一和第二材料組合物為較低和較高帶隙的第IV-VI族半導(dǎo)體材料。
[0008]在另一實(shí)施方案中，對(duì)于至少兩個(gè)聲子波長(zhǎng)中的每一個(gè)，在一個(gè)超晶格周期中包括各自具有約等于聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的第一材料組合物層，并且另一不同的超晶格周期中包括各自具有約等于聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的第二材料組合物層。在一個(gè)實(shí)施方案中，超晶格周期的數(shù)量和由此阻斷的不同聲子波長(zhǎng)的數(shù)量大于2，大于3，大于5，大于7，或大于10。在一個(gè)實(shí)施方案中，各個(gè)超晶格周期的大小大于或等于10，在10-200的范圍內(nèi)并且包括10和200，或在100-150的范圍內(nèi)并且包括100和150。在一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)于各個(gè)超晶格周期，第一和第二材料組合物為第IV-VI族半導(dǎo)體材料。在另一實(shí)施方案中，對(duì)于各個(gè)超晶格周期，第一和第二材料組合物為較低和較高帶隙的第IV-VI族半導(dǎo)體材料。
[0009]在聯(lián)系附圖閱讀優(yōu)選實(shí)施方案的以下詳細(xì)說明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能領(lǐng)會(huì)本公開的范圍并且認(rèn)識(shí)到其更多的方面。
[0010]附圖簡(jiǎn)述
并入并構(gòu)成本說明書的一部分的附圖闡明了本公開的若干方面，并且與說明書一起用于解釋本公開的原理。
[0011]圖1顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案的低導(dǎo)熱率熱電材料；
圖2顯示了根據(jù)本公開的另一實(shí)施方案的低導(dǎo)熱率熱電材料；和 圖3A和3B顯示了圖1的熱電材料的兩個(gè)實(shí)施例。
[0012]詳細(xì)說明
下面列出的實(shí)施方案給出了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤?shí)施方案的必要信息并且例示了實(shí)施這些實(shí)施方案的最佳方式。在根據(jù)附圖閱讀下列描述后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本公開的概念并且將認(rèn)識(shí)到這些概念的在本文中未特別提及的應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)理解這些概念和應(yīng)用落入本公開和所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
[0013]應(yīng)當(dāng)理解，雖然可以在本文中使用術(shù)語第一、第二等等來描述各種要素，這些要素不應(yīng)被這些術(shù)語限制。這些術(shù)語僅用于區(qū)別一種要素與另一種要素。例如，第一要素可被稱為第二要素，并且類似地，第二要素可被稱為第一要素，而不偏離本公開的范圍。在本文中使用時(shí)，術(shù)語“和/或”包括一種或多種相關(guān)列出項(xiàng)的任何和所有組合。
[0014]應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)要素，例如層、區(qū)域或基材，被稱為在另一要素“上”或延伸到另一要素“上”，其可以直接在另一要素上或直接延伸到另一要素上，也可以存在介入要素。相反，當(dāng)要素被稱為“直接在另一要素上”或“直接延伸到另一要素上”，則不存在介入要素。還可以理解，當(dāng)要素被稱為與另一要素“連接”或“結(jié)合”時(shí)，其可以直接與另一要素連接或結(jié)合，也可以存在介入要素。相反，當(dāng)要素被稱為與另一要素“直接連接”或“直接結(jié)合”時(shí)，則不存在介入要素。[0015]關(guān)系術(shù)語，例如“低于”或“高于”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”，在本文可以用于描述一個(gè)要素、層或區(qū)域與另一要素、層或區(qū)域的關(guān)系，如圖中所例示的。應(yīng)當(dāng)理解，這些術(shù)語和上面討論的那些意在除了圖中描述的取向之外還包括設(shè)備的不同取向。
[0016]本文使用的術(shù)語僅是為了描述特定實(shí)施方案的目的，并且不意在限制本公開。除非上下文清楚地另外指出，在本文中使用時(shí)，單數(shù)形式〃 一 〃、〃 一個(gè)〃和〃所述〃還意在包括復(fù)數(shù)形式。還應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語〃包括(comprises)"、〃包括(comprising) 〃、〃 包含(includes) 〃和 / 或〃包含(including) 〃 規(guī)定了指定特征、整數(shù)、步驟、操作、要素和/或組分的存在，但并不排除一種或多種其他特征、整數(shù)、步驟、操作、要素、組分和/或其群組的存在或加入。
[0017]除非另外定義，本文使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)具有與本公開所屬領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的相同含義。還應(yīng)當(dāng)理解，本文使用的術(shù)語應(yīng)解釋為具有與本說明書上下文和相關(guān)領(lǐng)域中其含義一致的含義，并且不以理想化或過于形式的意義解釋，除非在本文中明確如此定義。
[0018]圖1顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案的低熱導(dǎo)率熱電材料10 (下文中稱作“熱電材料10”)。請(qǐng)注意，盡管本文所述的實(shí)施方案集中于熱電材料10，但本文所述的觀點(diǎn)并不限于熱電材料。通常，熱電材料10包括多個(gè)超晶格周期12-1至12-M (有時(shí)統(tǒng)稱為超晶格周期12)，其中M大于或等于2。更優(yōu)選地，M大于或等于3，大于或等于5，大于或等于7，或者大于或等于10。超晶格周期12-1至12-M設(shè)計(jì)為阻斷或者反射M個(gè)聲子波長(zhǎng)。在該特定實(shí)施方案中，各個(gè)超晶格周期12-1至12-M設(shè)計(jì)為阻斷不同聲子波長(zhǎng)。通過阻斷M個(gè)聲子波長(zhǎng)，所有或至少大部分的聲子譜(即，熱電材料10中的所有聲子波長(zhǎng))被阻斷，其進(jìn)而降低或最小化由晶格振動(dòng)導(dǎo)致的傳熱并由此降低或最小化熱電材料10的法向熱導(dǎo)率。由于熱電材料的優(yōu)值(ZT)與該熱電材料的熱導(dǎo)率成反比，所以通過降低或最小化熱電材料10的熱導(dǎo)率，增大了熱電材料10的優(yōu)值(ZT)。
[0019]在該特定實(shí)施方案中，超晶格周期12-1阻斷或反射聲子波長(zhǎng)λ1()聲子波長(zhǎng)A1與由其他超晶格周期12-2至12-Μ阻斷的聲子波長(zhǎng)入2至λΜ不同。如顯示的，超晶格周期12-1包括交替的第一材料組合物層和第二材料組合物層。在該特定實(shí)施方案中，超晶格周期12-1包括硒化鉛(PbSe)層14-1至H-N1和硒化錫鉛(PbSnSe)層16_1至W-N1，其布置為形成交替的一系列PbSe層和PbSnSe層。然而，請(qǐng)注意可以使用其他材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，超晶格周期12-1由交替的一系列第IV-VI族半導(dǎo)體材料形成。在另一實(shí)施方案中，超晶格周期12-1由交替的一系列較低和較高帶隙第IV-VI族半導(dǎo)體材料形成，例如交替的PbSe層和硒化鍶鉛(PbSrSe)層，交替的碲化鉛(PbTe)層和碲化錫鉛(PbSnTe)層，或者交替的PbTe層和碲化鍶鉛(PbSrTe)層。特別地，在本文中N1稱為超晶格周期12_1的大小。換目之，超晶格周期12-1的大小為超晶格周期12_1中PbSe層和PbSnSe層被重復(fù)的次數(shù)。
[0020]PbSe層14-1至H-N1和PbSnSe層16_1至16_&各自具有等于或至少約等于待被超晶格周期12-1阻斷的聲子波長(zhǎng)λ 1四分之一的厚度(tl)。此外，PbSe層14-1至H-N1和PbSnSe層16-1至W-N1的數(shù)量(N1)優(yōu)選大于或等于10，更優(yōu)選在10-200的范圍內(nèi)并且包括10和200，并且進(jìn)一步更優(yōu)選在100-150的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，PbSe層14_1至H-Ni和PbSnSe層16-1至Ie-N1的數(shù)量(N1)使得對(duì)于聲子波長(zhǎng)λ i，超晶格周期12_1提供大于或等于90%的反射率，更優(yōu)選對(duì)于聲子波長(zhǎng)λ i提供大于或等于95%的反射率，進(jìn)一步更優(yōu)選對(duì)于聲子波長(zhǎng)λ i提供大于或等于99%的反射率。對(duì)于PbSe/PbSnSe，當(dāng)N1約等于100時(shí)，存在約99%的期望聲子波長(zhǎng)的反射率。
[0021]以類似方式，超晶格周期12-2阻斷或反射聲子波長(zhǎng)λ2。聲子波長(zhǎng)入2與被其他超晶格周期12-1和12-3 (未顯示)至12-Μ阻斷的聲子波長(zhǎng)λ i和λ 3 (未顯示)至λ Μ不同。如所示的，超晶格周期12-2包括交替的第一材料組合物層和第二材料組合物層。在該特定實(shí)施方案中，超晶格周期12-2包括PbSe層18-1至18_Ν2和PbSnSe層20_1至20_Ν2，其布置為形成交替的一系列PbSe層和PbSnSe層。然而,請(qǐng)注意可以使用其他材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，超晶格周期12-2由交替的一系列第IV-VI族半導(dǎo)體材料形成。在另一實(shí)施方案中，超晶格周期12-2由交替的一系列較低和較高帶隙第IV-VI族半導(dǎo)體材料形成，例如交替的PbSe層和PbSrSe層，交替的PbTe層和PbSnTe層，或者交替的PbTe層和PbSrTe層。特別地，在本文中N2稱為超晶格周期12-2的大小。換言之，超晶格周期12-2的大小為超晶格周期12-2中PbSe層和PbSnSe層被重復(fù)的次數(shù)。
[0022]PbSe層18-1至18_Ν2和PbSnSe層20_1至20_Ν2各自具有等于或至少約等于待被超晶格周期12-2阻斷的聲子波長(zhǎng)λ 2的四分之一的厚度(t2)。此外，PbSe層18-1至IS-N2和PbSnSe層20-1至20_N2的數(shù)量(N2)優(yōu)選大于或等于10，更優(yōu)選在10-200的范圍內(nèi)并且包括10和200，并且進(jìn)一步更優(yōu)選在100-150的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，PbSe層18_1至18_N2和PbSnSe層20-1至20_N2的數(shù)量(N2)使得對(duì)于聲子波長(zhǎng)λ 2，超晶格周期12_2提供大于或等于90%的反射率，更優(yōu)選對(duì)于聲子波長(zhǎng)λ 2提供大于或等于95%的反射率，進(jìn)一步更優(yōu)選對(duì)于聲子波長(zhǎng)λ 2提供大于或等于99%的反射率。對(duì)于PbSe/PbSnSe，當(dāng)N2約等于100時(shí)，存在約99%的期望聲子波長(zhǎng)的反射率。
[0023]同樣地，超晶格周期12-M阻斷或反射聲子波長(zhǎng)λ Μ。聲子波長(zhǎng)λ μ與被其他超晶格周期12-1至12-Μ-1阻斷的聲子波長(zhǎng)入1至Xsh不同。如所示的，超晶格周期12-Μ包括交替的第一材料組合物層和第二材料組合物層。在該特定實(shí)施方案中，超晶格周期12-Μ包括PbSe層22-1至22-Νμ和PbSnSe層24_1至24_ΝΜ，其布置為形成交替的一系列PbSe層和PbSnSe層。然而，請(qǐng)注意可以使用其他材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，超晶格周期12-Μ由交替的一系列第IV-VI族半導(dǎo)體材料形成。在另一實(shí)施方案中，超晶格周期12-Μ由交替的一系列較低和較高帶隙的第IV-VI族半導(dǎo)體材料形成，例如交替的PbSe層和PbSrSe層，交替的PbTe層和PbSnTe層，或者交替的PbTe層和PbSrTe層。特別地，在本文中Nm稱為超晶格周期12-Μ的大小。換言之，超晶格周期12-Μ的大小為超晶格周期12-Μ中PbSe層和PbSnSe層被重復(fù)的次數(shù)。
[0024]PbSe層22-1至22_ΝΜ和PbSnSe層24_1至24_ΝΜ各自具有等于或至少約等于待被超晶格周期12-Μ阻斷的聲子波長(zhǎng)λ μ的四分之一的厚度(tM)。此外，PbSe層22-1至22-Nm和PbSnSe層24-1至24_NM的數(shù)量(Nm)優(yōu)選大于或等于10，更優(yōu)選在10-200的范圍內(nèi)并且包括10和200，并且進(jìn)一步更優(yōu)選在100-150的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，PbSe層22_1至22_NM和PbSnSe層24-1至24_NM的數(shù)量(Nm)使得對(duì)于聲子波長(zhǎng)λ Μ，超晶格周期12-Μ提供大于或等于90%的反射率，更優(yōu)選對(duì)于聲子波長(zhǎng)λ Μ提供大于或等于95%的反射率，進(jìn)一步更優(yōu)選對(duì)于聲子波長(zhǎng)λ μ提供大于或等于99%的反射率。對(duì)于PbSe/PbSnSe，當(dāng)Nm約等于100時(shí)，存在約99%的期望聲子波長(zhǎng)的反射率。[0025]最后，盡管在該特定實(shí)施方案中層14-1至14-&、18-1至18_N2，和22_1至22_NM由相同的材料組合物形成，但熱電材料10不限于此。作為替代，層14-1至H-N1，和/或?qū)?8-1至18-N2，和/或?qū)?2-1至22-NM可以由不同的材料組合物形成。例如，層14_1至H-N1可以由PbSe形成，而層18-1至18_N2可以由PbTe形成。同樣地，盡管在該特定實(shí)施方案中，層16-1至16-&、20-1至20-N2，和24_1至24_NM由相同的材料組合物形成，但熱電材料10不限于此。作為替代，層16-1至16鳴，和/或?qū)?0-1至20-N2,和/或?qū)?4-1至24-NM可以由不同的材料組合物形成。例如，層16-1至W-N1可以由PbSnSe形成，而層18-1至18-N2可以由PbSrSe形成。還應(yīng)注意到,在一個(gè)實(shí)施方案中，N1 = N2 =…，=NM。然而，本公開不限于此。具體地，N1至Nm可以為任何期望值并且它們中的某些、全部可以相等，或者它們?nèi)幌嗟取?br> [0026]作為層14-1 至 14-Ν”16-1 至 16鳴，18_1 至 18_Ν2、20_1 至 20_Ν2、22_1 至 22_ΝΜ和 24-1 至 24-Νμ 的厚度 U1 至 tM)，和層 14-1 至 14鳴、16_1 至 16鳴，18-1 至 18_N2、20_1至20-Ν2、22-1至22-NM和24_1至24_NM的不同材料組合物之間的界面的結(jié)果，超晶格周期12-1至12-M阻斷了聲子波長(zhǎng)(λ i至λ M)。如上所討論的，阻斷聲子波長(zhǎng)降低或最小化由晶格振動(dòng)導(dǎo)致的傳熱，其進(jìn)而降低或最小化熱電材料10的熱導(dǎo)率。因此，增大了熱電材料10的優(yōu)值(ZT)。
[0027]圖2例示了根據(jù)本公開的另一實(shí)施方案的熱電材料10。一般而言，對(duì)于各個(gè)厚度U1至tM)，不同材料組合物的層不必在相同超晶格周期中。對(duì)于所有或某些厚度U1至tM)，不同材料組合物的層可以分布在超晶格周期12-1至12-M之中。
[0028]在該實(shí)施方案中，超晶格周期12-1包括交替的第一材料組合物層和第二材料組合物層，其中第一材料組合物層的厚度等于或至少約等于一種聲子波長(zhǎng)的四分之一，并且第二材料組合物層的厚度等于或至少約等于另一聲子波長(zhǎng)的四分之一。此外，超晶格周期12-1包括PbSe層14-1至H-N1和PbSnSe層16-1至16鳴，其布置為形成交替的一系列PbSe層和PbSnSe層。在該特定實(shí)施方案中，PbSe層14_1至H-N1各自具有等于或至少約等于聲子波長(zhǎng)X1的四分之一的 厚度(^,PbSnSe層16-1至Ie-N1各自具有等于或至少約等于聲子波長(zhǎng)λΜ的四分之一的厚度(tM)。
[0029]請(qǐng)注意盡管PbSe和PbSnSe為該實(shí)施方案中的材料組合物，但也可以使用其他材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，超晶格周期12-1由交替的一系列第IV-VI族半導(dǎo)體材料形成。在另一實(shí)施方案中，超晶格周期12-1由交替的一系列較低和較高帶隙的第IV-VI族半導(dǎo)體材料形成，例如交替的PbSe層和PbSrSe層，交替的PbTe層和PbSnTe層，或者交替的PbTe層和 PbSrTe 層。
[0030]以類似方式，超晶格周期12-2包括交替的第一材料組合物層和第二材料組合物層，其中第一材料組合物層的厚度等于或至少約等于一種聲子波長(zhǎng)的四分之一，并且第二材料組合物層的厚度等于或至少約等于另一聲子波長(zhǎng)的四分之一。此外，超晶格周期12-2包括PbSe層18-1至18-N2和PbSnSe層20_1至20_N2，其布置為形成交替的一系列PbSe層和PbSnSe層。在該特定實(shí)施方案中，PbSe層18_1至18_N2各自具有等于或至少約等于聲子波長(zhǎng)λ 2的四分之一的厚度(t2)，PbSnSe層20-1至20-隊(duì)各自具有等于或至少約等于聲子波長(zhǎng)Xsh的四分之一的厚度(tH)。
[0031]請(qǐng)注意盡管PbSe和PbSnSe為該實(shí)施方案中的材料組合物，但也可以使用其他材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，超晶格周期12-2由交替的一系列第IV-VI族半導(dǎo)體材料形成。在另一實(shí)施方案中，超晶格周期12-2由交替的一系列較低和較高帶隙的第IV-VI族半導(dǎo)體材料形成，例如交替的PbSe層和PbSrSe層，交替的PbTe層和PbSnTe層，或者交替的PbTe層和 PbSrTe 層。
[0032]同樣地，超晶格周期12-M包括交替的第一材料組合物層和第二材料組合物層，其中第一材料組合物層的厚度等于或至少約等于一種聲子波長(zhǎng)的四分之一，并且第二材料組合物層的厚度等于或至少約等于另一聲子波長(zhǎng)的四分之一。此外，超晶格周期12-M包括PbSe層22-1至22-Nm和PbSnSe層24_1至24_NM，其布置為形成交替的一系列PbSe層和PbSnSe層。在該特定實(shí)施方案中，PbSe層22-1至22-NM各自具有等于或至少約等于聲子波長(zhǎng)λΜ的四分之一的厚度(tM)，PbSnSe層24-1至24-ΝΜ各自具有等于或至少約等于聲子波長(zhǎng)X1的四分之一的厚度(tl)。
[0033]請(qǐng)注意盡管PbSe和PbSnSe為該實(shí)施方案中的材料組合物，但也可以使用其他材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，超晶格周期12-M由交替的一系列第IV-VI族半導(dǎo)體材料形成。在另一實(shí)施方案中，超晶格周期12-M由交替的一系列較低和較高帶隙的第IV-VI族半導(dǎo)體材料形成，例如交替的PbSe層和PbSrSe層，交替的PbTe層和PbSnTe層，或者交替的PbTe層和 PbSrTe 層。
[0034]圖2的熱電材料10包括在超晶格周期12-M中的具有厚度&的PbSe層14_1至H-N1，其與在超晶格周期12-M中的具有厚度&的PbSnSe層24_1至24_NM—起阻斷聲子波長(zhǎng)λ lt)熱電材料10還包括在超晶格周期12-2中的具有厚度t2的PbSe層18_1至18_N2，其與在超晶格周期12-M-1 (未顯示)中的具有厚度t2的PbSnSe層一起阻斷聲子波長(zhǎng)入2。同樣地，熱電材料10還包括在超晶格周期12-M中的具有厚度tM的PbSe層22_1至22_NM，其與在超晶格周期12-1中的具有厚度tM的PbSnSe層16_1至W-N1 —起阻斷聲子波長(zhǎng)λ M。以類似方式，其他PbSe層和PbSnSe層起阻斷任何其他聲子波長(zhǎng)的作用。
[0035]更一般地說，圖2的熱電材料10包括超晶格周期12-1至12_M，其中對(duì)于要阻斷的各個(gè)聲子波長(zhǎng)入1至λ M，超晶格周期12-1至12-M包括各自具有等于或至少約等于該聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的一種材料組合物層，和各自具有等于或至少約等于該聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的另一材料組合物層。具有等于或至少約等于特定聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的不同材料組合物層一起起到阻斷該聲子波長(zhǎng)的作用，而不管它們?cè)跓犭姴牧?0中的位置如何。所以，在該特定實(shí)施方案中，對(duì)于任何特定聲子波長(zhǎng)，相應(yīng)的PbSe層和PbSnSe層可以為同一超晶格周期12中的交替層?；蛘撸琍bSe層可以位于一個(gè)超晶格周期12，而PbSnSe層可以位于另一超晶格周期12。
[0036]應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于各個(gè)厚度U1至tM)，具有所述厚度的PbSe層的數(shù)量?jī)?yōu)選等于具有相同厚度的PbSnSe層的數(shù)量。所以，在該特定實(shí)施方案中，具有厚度h的PbSe層14_1至H-N1的數(shù)量(N1)優(yōu)選等于具有厚度&的PbSnSe層24_1至24_NM的數(shù)量(Nm)。同樣地，具有厚度t2的PbSe層18-1至18-N2的數(shù)量(N2)優(yōu)選等于具有厚度t2的超晶格周期12_Mm_i中的PbSnSe層的數(shù)量(Nsh)，并且具有厚度tM的PbSe層22_1至22_NM的數(shù)量(Nm)優(yōu)選等于具有厚度tM的PbSnSe層16-1至16-&的數(shù)量(N1)。
[0037]此外，對(duì)于各個(gè)厚度U1至tM)，具有所述厚度的PbSe層的數(shù)量和具有所述厚度的PbSnSe層的數(shù)量?jī)?yōu)選大于或等于10，更優(yōu)選在10-200的范圍內(nèi)并且包括10和200，并且進(jìn)一步更優(yōu)選在100-150的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，對(duì)于各個(gè)厚度U1至tM)，具有所述厚度的PbSe層的數(shù)量和具有所述厚度的PbSnSe層的數(shù)量使得PbSe層和PbSnSe層一起對(duì)于相應(yīng)的聲子波長(zhǎng)提供大于或等于90%的反射率，更優(yōu)選對(duì)于相應(yīng)的聲子波長(zhǎng)提供大于或等于95%的反射率，并且進(jìn)一步更優(yōu)選對(duì)于相應(yīng)的聲子波長(zhǎng)提供大于或等于99%的反射率。對(duì)于PbSe/PbSnSe,當(dāng)存在相應(yīng)厚度的大約100個(gè)PbSe層和100個(gè)PbSnSe層時(shí)，存在約99%的期望聲子波長(zhǎng)的反射率。
[0038]盡管在圖2的特定實(shí)施方案中，層14-1至14鳴、18_1至18_N2，和22_1至22_NM由相同材料組合物形成，但熱電材料10不限于此。作為替代，層14-1至H-N1，和/或?qū)?8-1至18-N2，和/或?qū)?2-1至22-NM可以由不同材料組合物形成。例如，層14_1至H-N1可以由PbSe形成,而層18-1至18-N2可以由PbTe形成。同樣地，盡管在該特定實(shí)施方案中，層16-1至16-&、20-1至20-N2，和24_1至24_NM由相同材料組合物形成，但熱電材料10不限于此。作為替代，層16-1至W-N1，和/或?qū)?0-1至20-N2，和/或?qū)?4_1至24_NM可以由不同材料組合物形成。例如，層16-1至W-N1可以由PbSnSe形成,而層18_1至18_N2可以由PbSrSe形成。還應(yīng)注意,在一個(gè)實(shí)施方案中，N1 = N2 =…，=NM。然而,本公開不限于此。
[0039]最后，應(yīng)注意盡管在圖2的實(shí)施方案中各個(gè)超晶格周期12-1至12-M包括一種厚度的PbSe層和另一厚度的PbSnSe層，但熱電材料10不限于此。某些超晶格周期12_1至12-M可以包括相同厚度的PbSe層和PbSnSe層，而其他超晶格周期12_1至12-M可以包括不同厚度的PbSe層和PbSnSe層。此外，盡管在圖2中顯示了一種特定的層布置，但熱電材料10不限于此。熱電材料10的層可以以任何期望的方式布置，只要熱電材料10對(duì)于各個(gè)期望的厚度U1至tM)包括不同材料組合物的層。
[0040]作為層14-1 至 14-Ν”16-1 至 16鳴，18_1 至 18_Ν2、20_1 至 20_Ν2、22_1 至 22_ΝΜ和 24-1 至 24-Νμ 的厚度 U1 至 tM)，和層 14-1 至 14鳴、16_1 至 16鳴，18-1 至 18_N2、20_1至20-Ν2、22-1至22-NM和24_1至24_NM的不同材料組合物之間的界面的結(jié)果，超晶格周期12-1至12-M阻斷了聲子波長(zhǎng)(λ i至λ M)。如上所討論的，阻斷聲子波長(zhǎng)降低或最小化由晶格振動(dòng)導(dǎo)致的傳熱，其進(jìn)而降低或最小化熱電材料10的熱導(dǎo)率。因此，增大了熱電材料10的優(yōu)值(ZT)。
[0041]圖3Α和3Β顯示了熱電材料10的兩個(gè)實(shí)施例。請(qǐng)注意這些實(shí)施方案僅是實(shí)施例并且不意在限制本公開的范圍。更具體地，圖3Α顯示了熱電材料10的實(shí)施例，其與圖1的類似，其包括三個(gè)超晶格周期12-1至12-3 ( 即，Μ=3)，其中I1約等于1.2納米(nm)，t2約等于1.8 _，和&約等于2.4 _，且& = 250, N2 = 167，和％ = 125。類似地，圖3B顯示了熱電材料10的實(shí)施例，其與圖1的類似，其包括五個(gè)超晶格周期12-1至12-5 (即，M=5)，其中h約等于0.8納米(nm), t2約等于1.7 nm, t3約等于2.6 nm, t4約等于3.4 nm,和t5約等于 4.3 _，且& = 150, N2 = 75, N3 = 50, N4 = 38 和 N5 = 30。圖 3A 的熱電材料 10 的熱導(dǎo)率經(jīng)試驗(yàn)確定為1.1瓦特每米開爾文(W/mK) (ke = 0.3胃/1111(和1^ = 0.8 ff/mK)，并且圖3B的熱電材料10的熱導(dǎo)率經(jīng)試驗(yàn)確定為0.6 W/mK (ke = 0.3 WAiI^Pk1 = 0.3 W/mK)。作為比較，1.5微米厚的PbSe層的熱導(dǎo)率經(jīng)試驗(yàn)確定為2.2 ff/mk (ke = 0.3 W/mK和Ii1 =1.9 W/mK)。從該試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，本公開的熱電材料10具有降低的熱導(dǎo)率，并由此具有改善的優(yōu)值(ZT)。[0042]本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本公開的優(yōu)選實(shí)施方案的改進(jìn)和修改。所有這種改進(jìn)和修改均認(rèn)為在本文公開的概念和后附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種材料,其包括: 適于阻斷多個(gè)聲子波長(zhǎng)的多個(gè)超晶格周期，所述多個(gè)超晶格周期包括，對(duì)于所述多個(gè)聲子波長(zhǎng)中的各個(gè)聲子波長(zhǎng)，各自具有約等于聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的一種材料組合物的多個(gè)層，和各自具有約等于聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度的另一材料組合物的多個(gè)層。
2.權(quán)利要求1的材料，其中所述多個(gè)超晶格周期為至少兩個(gè)超晶格周期，并且所述多個(gè)聲子波長(zhǎng)為至少兩個(gè)聲子波長(zhǎng)。
3.權(quán)利要求1的材料，其中所述多個(gè)超晶格周期為至少三個(gè)超晶格周期，并且所述多個(gè)聲子波長(zhǎng)為至少三個(gè)聲子波長(zhǎng)。
4.權(quán)利要求1的材料，其中所述多個(gè)超晶格周期為至少五個(gè)超晶格周期，并且所述多個(gè)聲子波長(zhǎng)為至少五個(gè)聲子波長(zhǎng)。
5.權(quán)利要求1的材料，其中所述多個(gè)超晶格周期為至少七個(gè)超晶格周期，并且所述多個(gè)聲子波長(zhǎng)為至少七個(gè)聲子波長(zhǎng)。
6.權(quán)利要求1的材料，其中所述多個(gè)超晶格周期為至少十個(gè)超晶格周期，并且所述多個(gè)聲子波長(zhǎng)為至少十個(gè)聲子波長(zhǎng)。
7.權(quán)利要求1的材料，其中對(duì)于所述多個(gè)聲子波長(zhǎng)中的各個(gè)聲子波長(zhǎng)，所述約等于聲子波長(zhǎng)的四分之一的厚度為在0.5-10納米的范圍內(nèi)并且包括0.5納米和10納米的不同厚度。
8.權(quán)利要求1的材料，其中所述多個(gè)超晶格周期中的各個(gè)超晶格周期包括交替的一系列第一材料組合物層和第 二材料組合物層。
9.權(quán)利要求8的材料，其中所述第一材料組合物在所有所述多個(gè)超晶格周期中相同，并且所述第二材料組合物在所有所述多個(gè)超晶格周期中相同。
10.權(quán)利要求8的材料，其中所述第一材料組合物為硒化鉛，并且所述第二材料組合物為硒化錫鉛。
11.權(quán)利要求8的材料，其中至少一個(gè)所述多個(gè)超晶格周期中的第一材料組合物與至少另一個(gè)所述多個(gè)超晶格周期中的第一材料組合物不同，并且至少一個(gè)所述多個(gè)超晶格周期中的第二材料組合物與至少另一個(gè)所述多個(gè)超晶格周期中的第二材料組合物不同。
12.權(quán)利要求8的材料，其中對(duì)于所述多個(gè)超晶格周期中的各個(gè)超晶格周期，第一材料組合物和第二材料組合物為不同的第IV-VI族半導(dǎo)體材料。
13.權(quán)利要求8的材料，其中對(duì)于所述多個(gè)超晶格周期中的各個(gè)超晶格周期，第一材料組合物和第二材料組合物為較高和較低帶隙的第IV-VI族半導(dǎo)體材料。
14.權(quán)利要求8的材料，其中對(duì)于所述多個(gè)超晶格周期中的各個(gè)超晶格周期: 第一材料組合物為由硒化鉛和碲化鉛組成的組中的一個(gè)；和 第二材料組合物為由硒化錫鉛、硒化鍶鉛、碲化錫鉛和碲化鍶鉛組成的組中的一個(gè)。
15.權(quán)利要求1的材料，其中對(duì)于所述多個(gè)超晶格周期中的各個(gè)超晶格周期，超晶格周期的大小為至少10。
16.權(quán)利要求1的材料，其中對(duì)于所述多個(gè)超晶格周期中的各個(gè)超晶格周期，超晶格周期的大小在10-200的范圍內(nèi)并且包括10和200。
17.權(quán)利要求1的材料，其中對(duì)于所述多個(gè)超晶格周期中的各個(gè)超晶格周期，超晶格周期的大小在100-150的范圍內(nèi)并且包括100和150。
18.權(quán)利要求1的材料，其中對(duì)于所述多個(gè)聲子波長(zhǎng)中的各個(gè)聲子波長(zhǎng)，所述一種材料組合物的多個(gè)層和另一材料組合物的多個(gè)層為相應(yīng)的一個(gè)所述多個(gè)超晶格周期中的交替層。
19.權(quán)利要求1的材料，其中對(duì)于至少兩個(gè)所述多個(gè)聲子波長(zhǎng)中的各個(gè)聲子波長(zhǎng)，所述一種材料組合物的多個(gè)層和另一材料組合物的多個(gè)層在不同的所述多個(gè)超晶格周期中。
20.權(quán)利要求1的材料,其中所述材料為熱電材料。
21.一個(gè)材料，其包括: 多個(gè)超晶格周期，所述多個(gè)超晶格周期包括，對(duì)于在0.5-10納米的范圍內(nèi)并且包括0.5納米和10納米的多個(gè)不同厚度中的各個(gè)厚度，各自具有約等于所述厚度的厚度的一種材料組合物的多個(gè)層，和各自具 有 約等于所述厚度的厚度的另一材料組合物的多個(gè)層。
【文檔編號(hào)】H01L35/26GK103828080SQ201280034026
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月8日
【發(fā)明者】P.J.麥肯 申請(qǐng)人:俄克拉荷馬州大學(xué)評(píng)議會(huì)