[发明专利]在存在势垒的情况下具有高交叉平面电导率的热电材料

说明书

相关申请

本申请要求于2012年3月20日提交的序列号为61/613,015的临时专利申请的优先权，其全部公开内容在此以引用的方式并入本文。

技术领域

本公开涉及一种热电材料，更具体地涉及一种具有高交叉平面电导率的热电材料。

背景技术

热电材料的品质因数(ZT)是用来比较各种热电材料效率的无量纲单位。品质因数(ZT)由三个物理参数确定：热电势α(也称为塞贝克系数)；电导率σ；和热导率k＝k_e+k_ph，其中k_e和k_ph是各自由于电子和声子的传送而导致的热导率；以及绝对温度T：

ZT=α2σ(ke+kph)T]]>

进行了重大研究来开发具有高品质因数(ZT)值的热电材料。增加这个值到2.0或更高将突破现有技术并且将最终使得能够更广泛应用热电系统。

在2010年3月29日提交的名称为热电材料的美国专利申请公开No.2012/0055528在此处通过引用的方式全部并入本文，其披露了利用一个或更多势垒来提供提高的或改进的塞贝克系数的热电材料。从上面的等式中，可以看到提高塞贝克系数为热电材料提供了改进的品质因数(ZT)值。更具体地，塞贝克系数被定义为在载流子穿过的温差上载流子的电势。如在美国专利申请公开No.2012/0055528中公开的，势垒提供热载流子(也就是，根据热电材料的导电类型的热电子或热空穴)从势垒的一侧被掠过到势垒另一侧的热载流子掠过效应。因此，横穿势垒的热载流子处在高能级并且因此具有高电势。因为这些热载流子具有高电势，因此热电材料的塞贝克系数得到提高。更具体地，在相应热电器件操作期间在屏障材料层的期望温度通过使屏障材料层的厚度大约等于在散射过程之间载流子的平均自由程距离，可使得载流子能够弹道传送通过屏障材料层，从而增加热电材料的塞贝克系数并且因此增加热电材料的品质因数(ZT)值。

所期望的是一种在存在增强势垒的一个或更多塞贝克系数的情况下具有提高的交叉平面电导率的热电材料及其制造方法。提高的交叉平面电导率将进一步改善热电材料的品质因数(ZT)值。

发明内容

公开了一种在存在增强势垒的一个或更多塞贝克系数的情况下具有高交叉平面电导率的热电材料及其制造方法的实施例。在一个实施例中，热电材料包括第一基体材料层、屏障层和第二基体材料层。所述屏障层是包括多个超晶格层的短周期超晶格结构。每个超晶格层具有两个不同子带，即高能量子带和低能量子带。在一个优选的实施例中，所述热电材料是在[111]方向上生长的组IV-VI热电材料，并且所述高能量子带和所述低能量子带各自是斜谷子带和法向谷子带。对于每个超晶格层，超晶格层的高能量子带的能级与相邻超晶格层的低能量子带的能级共振，和/或超晶格层的低能量子带的能级与相邻超晶格层的高能量子带的能级共振。结果，通过屏障层产生热载流子的共振路径或共振通道。热载流子的共振路径增加所述热电材料的电导率并且，结果，改善所述热电材料的品质因数(ZT)。

本领域技术人员在结合附图阅读优选实施例的以下具体描述之后将领会本公开的范围并且实现其附加方面。

附图说明

并入本说明书并且形成本说明书一部分的附图示出了本公开的若干方面，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1示出了根据本公开的一个实施例的热电材料，其包括分别具有短周期超晶格结构的屏障材料层，该短周期超晶格结构在存在势垒的情况下提供了高交叉平面电导率；

图2是根据本公开的一个实施例的图1的屏障材料层之一的更详细图示；