[发明专利]一种碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料及其作为热电池能量转换器件的应用

权利要求书

1.一种碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于：该复合薄膜材料包括金刚石薄膜层、金属层和碳纳米纤维层，其中：所述金刚石薄膜层的一侧表面具有凹槽结构，所述金属层沉积于所述凹槽的槽底，所述碳纳米纤维层生长在金属层上并填充于所述凹槽内,所述碳纳米纤维层的厚度为5-10μm。

2.根据权利要求1所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于：所述金刚石薄膜层的厚度≥50μm，所述金刚石薄膜层的晶粒粒度≥50μm；所述金属层的厚度为20-50nm；所述碳纳米纤维为直线形碳纳米纤维。

3.根据权利要求1所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于：所述凹槽结构是指多个凹槽平行排布于金刚石薄膜层表面，凹槽间距为20-30μm。

4.根据权利要求1所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于：所述金属层为Cu、Fe、Ni或Co纯金属，或者金属层为Cu、Fe、Ni或Co的合金。

5.根据权利要求2所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于：所述碳纳米纤维层的光吸收率≥99.5％，金刚石薄膜层的热导率大于1000W/m·K，碳纳米纤维面密度4～8g/m²，碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料垂直于薄膜表面方向的热导率≥850W/m·K。

6.根据权利要求1所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于：该复合薄膜材料的制备方法包括如下步骤：

(1)金刚石薄膜层的制备：

在抛光的硅片基底上，用化学气相沉积法制备金刚石薄膜，然后将其浸泡在75℃的浓度为20wt.％的KOH溶液中，浸泡12小时后剥离硅片基底获得自支撑金刚石薄膜；

(2)在金刚石薄膜表面制备凹槽结构；

(3)在凹槽槽底沉积金属层：沉积方法为电子束蒸发-沉积法、热蒸发法或磁控溅射法；

(4)金属层上生长碳纳米纤维层：

在CVD反应腔内进行碳纳米纤维的生长，生长条件为：气压500mbar，温度250℃，生长时间10-20分钟；生长结束后，将反应器抽真空至1×10^-2mbar，升温至800℃退火，退火时间为1小时，从而在金属层上生长碳纳米纤维层并填充于凹槽内，获得所述碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料。

7.根据权利要求6所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于：步骤(1)中，所述化学气相沉积法选择微波等离子体化学气相沉积法或热丝化学气相沉积法；所述微波等离子体化学气相沉积法中：微波功率为500-3500瓦，气压为5-100Torr，原料气体为甲烷和氢气，原料气体中甲烷含量1-10vol.％；所述热丝化学气相沉积法中：灯丝温度为1800-2200K，气压为5-30Torr，原料气体为甲烷和氢气，原料气体中甲烷含量1-10vol.％。

8.根据权利要求6所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于：步骤(1)中，所述抛光的硅片基底其粗糙度小于5nm，硅片基底厚度300-500μm，所述硅片基底为带有掺杂的p/n型硅片。

9.将权利要求1所述复合薄膜材料作为热电池的能量转换器件的应用，其特征在于：将所述碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料作为热电池的能量转换器件，该能量转换器件的碳纳米纤维层吸收太阳光并转化成热能传输给金刚石薄膜层后，再传输给热电池中热电材料产生电能。

10.根据权利要求9所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料作为热电池能量转换器件的应用，其特征在于：所述热电池是由两个电极及设置于两电极之间的热电材料形成，与所述热电池能量转换器件组装时，热电池的一个电极作为热端电极，另一个电极作为冷端电极；所述能量转换器件与热电池的组装方式为：将碳纳米纤维层作为吸热端，直接吸收太阳光能量或者通过光伏电池吸收热量；将金刚石薄膜层作为散热端，并通过介电薄膜层实现与热电池的热端电极的连接。