[发明专利]一种单壁碳纳米管PN结同位素电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及同位素电池，特别涉及一种单壁碳纳米管PN结同位素电池及其制备方法，属于微机械电子系统中的微能源领域。

背景技术

随着MEMS(Microelectro Mechanical System)技术突飞猛进的发展，以及其应用终端“轻、薄、短、小”的特点，MEMS器件的应用领域日益广泛，消费电子、医疗等领域也大量出现了MEMS产品的身影。MEMS技术为在微小体积内的功能性集成提供了可能，但同样的尺度对于能量供给单元来说就变得困难。传统能源在为MEMS器件提供能源时遭遇瓶颈，如微型化学电池(锂电池)能量密度低、寿命短，微型太阳能电池又受光照条件等限制。

因此，许多研究者对于微能源供给给予很大关注，研究发现同位素电池具有能量密度高（1-100MJ/cc）、寿命长（1-100年）、免维护、抗干扰性强等优点。同位素电池是利用放射性同位素衰变时发射粒子（如α粒子、β粒子和γ射线）所带动能发电的电源装置。同位素电池总体上可按转换机制分为直接转换机制(如直接充电方式和辐射伏特效应等)和间接转换机制(如射线致荧光伏特效应和热离子发射等)。上述的同位素电池中，将PN结作为换能单元的辐射伏特电池具有良好的应用前景，PN结辐射伏特电池能量转换效率理论上最大可能达到40%。

Rappaport研究组于1953年发现，同位素衰变产生的β粒子能在半导体内产生电子空穴对，此现象被称为β辐射伏特效应。β粒子照射到半导体材料上，通过电离效应产生电子-空穴对。当电子-空穴对扩散至半导体PN结的耗尽区(阻挡层)时，在PN结内建电场的作用下，实现对电子-空穴对的分离，产生电流输出。近年来，国内外研究者或者通过改变PN结的结构如多孔硅、三维结构等来提高电池的转换效率，或者通过使用新型材料如SiC等来提高器件的抗辐照性，但是β辐射电池的转换效率都比预期结果低。

由于碳纳米管具有独特的纳米一维结构和奇异的电学性质，且碳纳米管的能隙宽度可以从零变化到与硅相等，表现为半导体性。这些特点使碳纳米管成为理想的β辐射电池材料。目前，基于碳纳米管的微型同位素电池主要有两类，一类是薄膜型，主要由碳纳米管薄膜与半导体衬底材料组成；另一类是单体型，主要由单个或者多个半导体性单壁碳纳米管与低功函数金属组成。薄膜型虽然结构简单，加工容易，但是其性能远不如单体型。现有的单体型结构中，单壁碳纳米管与低功函数金属的接触面积非常有限，只有端部约几十纳米范围，使得用于能量转换的异质结面积非常小。另一方面，由于单壁碳纳米管的禁带宽度较小，与金属接触形成的空间电荷区宽度也相对较小。这两点大大限制了单体型能量转换作用体积，也使性能难以进一步提高。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种单壁碳纳米管PN结同位素电池。其利用P型半导体性单壁碳纳米管与N型半导体衬底接触形成PN结作为同位素电池的换能结构。

本发明的技术方案如下：

一种单壁碳纳米管PN结同位素电池，包括换能单元和辐射源两部分。换能单元包括衬底I，位于衬底I背面的背电极，位于衬底I上表面图形化的绝缘层和位于绝缘层上的金属电极对，以及定向排列在金属电极对间与衬底I接触的单壁碳纳米管。所述金属电极对采用功函数高于单壁碳纳米管费米能级的金属。所述单壁碳纳米管的两端分别与两个金属电极形成欧姆接触，中间部分与衬底I接触形成PN结。辐射源包括衬底II和淀积在衬底II上的放射性同位素膜。辐射源和换能单元面对面对准封接在一起，二者接触的部位间电学隔离，所述放射性同位素膜和单壁碳纳米管位于封接形成的空腔内，所述衬底I上表面中的一个金属电极和背电极构成电池电极。

所述衬底I是换能单元的N型半导体衬底，其可以是硅片、砷化镓片、碳化硅片或氮化镓片等，表面的绝缘层的材料可以为二氧化硅、氮化硅或氧化铪等。

所述单壁碳纳米管是P型半导体性单壁碳纳米管，其两端分别与两个金属电极形成欧姆接触，中间部分与N型半导体衬底I接触形成PN结，构成此同位素电池的换能结构。

所述金属电极对可以是梳齿电极对、叉指电极对或者是其他简单结构的电极。

所述功函数高于单壁碳纳米管费米能级的金属可选自下列金属中的一种或多种：Au、Pd和Pt等。

所述衬底II是辐射源结构的衬底，其可以是金属衬底，例如镍片和铜片等，也可以是非金属衬底，例如硅片和玻璃片等。

上述基于单壁碳纳米管的PN结同位素电池制备方法如下：

1）根据下述步骤a－e制备换能单元：