[发明专利]各向异性伸长的热电材料、其制备方法和包括该材料的器件

说明书

技术领域

技术领域

一个或多个示例性实施方式涉及各向异性伸长的热电材料、其制备方法和包括该各向异性伸长的热电材料的器件。

背景技术

背景技术

热电材料和器件的技术领域因为它们在有效的固态冷却和发电中的潜在用途近年来已显著扩大。大体积(bulk)热电材料通常被认为对能量转化或能量输送应用是相对效率低的。然而，随着纳米技术和更好的材料制造工具的出现，人工制造的量子限制结构如量子阱已经显示出大大提高热电材料和器件的热能到电能的转化效率的希望。

近年来，对这些结构的研究已显示出稳定提高的品质因数(在下文中称作“ZT”)。通常，材料的热电性能效率是通过品质因数ZT量化的，其中T是工作温度，和Z(＝S²σ/κ)，其中S是塞贝克系数(以伏/开氏温度表示)，σ是电导率(以1/Ω-米表示)，和κ是热导率(以瓦特/米-开氏温度表示)。塞贝克系数S取决于态密度(“DOS”)。对减小的尺寸而言，例如在二维量子阱或一维纳米线中，DOS变得比三维大体积材料高得多。因此，更高的DOS导致更高的S和更高的σ值。如果涉及的尺寸小于声子波长则热导率κ变得更小。

现在通常接受，高的ZT(例如，ZT＞1)将导致热电材料可用于各种应用如热回收、空间动力应用，并且甚至更高的ZT(例如，ZT＞3)将明显刺激在设备如发电机和热泵以及其它类似设备中的技术替换。还已发现，尺寸限制可导致相对于传统使用的大体积热电材料的大大增强的效率。

发明内容

技术问题

因此，有益的是基于独特的各向异性结构化的且一维限制的纳米构造(configuration)的成批处理(bulk processing)开发新的且改善的热电材料，如在以下详细描述中所述的。

技术方案

一个或多个示例性实施方式包括包含热电材料的各向异性伸长的热电纳米复合材料。

根据本发明的示例性实施方式，所述热电材料是在几何结构上伸长的并且嵌入在绝缘基质中。

一个或多个示例性实施方式包括各向异性伸长、同心超晶格的热电纳米复合材料，其包括：嵌入在纳米孔或无孔绝缘基质中的多个多层纳米线结构，其中所述多个多层纳米线结构各自包括多层圆柱状热电材料和沉积在所述多层圆柱状热电材料的层之间的绝缘层。

根据本发明的另一示例性实施方式，所述圆柱状热电材料的多层具有至少三个圆柱状热电材料的层。

一个或多个示例性实施方式包括单轴变形的热电纳米复合材料，其包括嵌入在电且热绝缘材料中的热电材料。

一个或多个示例性实施方式包括单轴变形的热电纳米复合材料的制造方法，所述方法包括以下步骤：制备多个复合材料预成型体，各复合材料预成型体由复数(a plurality of)热电材料粉末及电且热绝缘体颗粒组成，所述复数热电材料粉末及电且热绝缘体颗粒置于金属套内；密封各复合材料预成型体的金属套；对各金属套施加单轴变形以减小其直径并使金属套伸长为棒的形式以形成多个单轴变形、直径减小的棒；将所述多个单轴变形、直径减小的棒捆束；将所述多个单轴变形、直径减小的棒置于更大的金属套中；对所述更大的金属套施加单轴变形以得到单轴变形的热电纳米复合材料。

一个或多个示例性实施方式提供形成单轴变形的热电纳米复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：制备多个复合材料预成型体，各复合材料预成型体由与复数能氧化的金属颗粒和金属覆层(metal coating)中的至少一种混合的复数热电材料粉末组成，所述与复数能氧化的金属颗粒和金属覆层中的至少一种混合的复数热电材料粉末填塞在金属套内；密封各复合材料预成型体的金属套；对各金属套施加单轴变形以减小其直径并使该金属套伸长为棒的形式以形成多个单轴变形、直径减小的棒；将所述多个单轴变形、直径减小的棒捆束；将所述多个单轴变形、直径减小的棒置于更大的金属套中；对所述更大的金属套施加单轴变形以得到单轴变形的热电纳米复合材料；经由在氧化气氛中的热处理将能氧化的金属和金属覆层中的至少一种氧化；和经由在还原气氛中的热处理将所述单轴变形的热电纳米复合材料从氧化态还原以使所述单轴变形的热电纳米复合材料恢复为金属态。

一个或多个示例性实施方式包括无规且局部超晶格化的热电纳米复合材料，其通过在金属套内两种脆性成分的充分混合颗粒的尺寸减小变形以及在所述套直径的所需减小之后施加的熔融退火，所述复合材料是由Si、Si-Ge颗粒制成的。