本發(fā)明涉及一種使用納米類型的塊體材料的熱電裝置、具有該熱電裝置的熱電模塊以及其制造方法。

背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種使用納米類型的塊體材料的熱電裝置、具有該熱電裝置的熱電模塊以及其制造方法，并且更具體地涉及一種通過在納米類型的基底材料上形成納米厚度的薄膜而具有高品質(zhì)因數(shù)的熱電裝置、包括該熱電裝置的熱電模塊以及其制造方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
技術(shù)問題通常，包括熱電轉(zhuǎn)換元件的熱電裝置被配置成P型熱電材料和N型熱電材料被結(jié)合在金屬電極之間，從而形成PN結(jié)對(duì)。同時(shí)，當(dāng)在PN結(jié)對(duì)之間施加溫差時(shí)，在塞貝克效應(yīng)（Seebackeffect）效應(yīng)下，電力產(chǎn)生，因而熱電裝置充當(dāng)發(fā)電裝置。另外，當(dāng)該P(yáng)N結(jié)對(duì)中的一個(gè)部分被冷卻并且其另一個(gè)部分被加熱時(shí)，通過使用珀?duì)柼?yīng)（Peltiereffect），熱電裝置充當(dāng)溫控裝置。此處，珀?duì)柼?yīng)指的是，如圖1所示，p型材料電洞和N型材料電子在受到外部DC電壓的作用時(shí)發(fā)生移動(dòng)，在材料的兩端產(chǎn)生和吸收熱量。塞貝克效應(yīng)指的是，如圖2所示，電洞和電子在接收到外部熱量時(shí)發(fā)生移動(dòng)，使得有電流流過材料，從而產(chǎn)生電力。使用熱電材料的主動(dòng)冷卻改善了裝置熱穩(wěn)定性，并且進(jìn)一步被認(rèn)為是環(huán)保的方法，因?yàn)閹缀醪淮嬖谠肼暫驼駝?dòng)，并且進(jìn)一步，它不使用獨(dú)立的冷凝器和制冷劑，因此占用的空間較小。使用熱電材料的主動(dòng)冷卻的應(yīng)用領(lǐng)域指的是非制冷劑制冷機(jī)、空調(diào)或各種微冷卻系統(tǒng)等，并且特別是當(dāng)將熱電裝置附接到各種存儲(chǔ)器裝置時(shí)，在減小該裝置的體積的同時(shí)將該裝置保持在正常和穩(wěn)定的溫度下，改善了其性能。同時(shí)，當(dāng)在通過塞貝克效應(yīng)進(jìn)行熱電發(fā)電的領(lǐng)域中使用熱電材料時(shí)，可以將廢熱用作能源，因此，熱電發(fā)電系統(tǒng)可以應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣裝置、垃圾焚燒工廠、鋼廠廢熱、使用人體熱量的醫(yī)療儀器電源的領(lǐng)域，旨在提高能量效率并回收廢熱。用于測(cè)量熱電材料的性能的因子指的是由下面的數(shù)學(xué)公式1所定義的無(wú)量綱性能指數(shù)ZT（以下稱為“品質(zhì)因數(shù)”）。[公式1]此處，“S”為塞貝克系數(shù)，“σ”為電導(dǎo)率，“T”為絕對(duì)溫度，而“k”為熱導(dǎo)率。以下，將參考附圖來(lái)描述根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱電模塊的配置。圖3所示為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱電模塊的配置的縱向剖視圖。如圖3所示，上基板11和下基板12被設(shè)置在熱電模塊10的相應(yīng)的上表面和下表面上。上基板11和下基板12用于發(fā)射或吸收，并且被保持在以預(yù)定距離彼此分開的狀態(tài)中。N型半導(dǎo)體15和P型半導(dǎo)體16被設(shè)置在上基板11與下基板12之間。熱電材料被形成為N型半導(dǎo)體15和P型半導(dǎo)體16，具有預(yù)定的形狀和大小，其中它們被交替地布置在上基板15與下基板16之間。在N型半導(dǎo)體15和P型半導(dǎo)體16，與上基板11之間設(shè)置了金屬電極17，以連接N型半導(dǎo)體15和P型半導(dǎo)體16。在金屬電極17的下部部分上設(shè)置了金屬層25，以使得源自金屬電極17的原子不會(huì)流到N型半導(dǎo)體15和P型半導(dǎo)體16內(nèi)，其中，金屬層25由鎳構(gòu)成，并且含有少量的磷或硼。也就是說(shuō)，金屬層25阻止了熱電性質(zhì)的降級(jí)，并且使熱電性質(zhì)穩(wěn)定，其中金屬層25被涂布在金屬電極17上。在N型半導(dǎo)體15與P型半導(dǎo)體16之間設(shè)置阻擋層27。阻擋層27防止N型半導(dǎo)體15和P型半導(dǎo)體16被焊接層26污染，隨后將描述焊接層26。在金屬層25與阻擋層27之間設(shè)置了焊接層26，以保持金屬層25與阻擋層27的結(jié)合狀態(tài)。此處，N結(jié)點(diǎn)20和P結(jié)點(diǎn)21分別位于焊接層26的下部部分上。N結(jié)點(diǎn)20和P結(jié)點(diǎn)21分別附接到N型半導(dǎo)體15和P型半導(dǎo)體16的下部部分上，用于向N型半導(dǎo)體15和P型半導(dǎo)體16供電。同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)的用于冷卻的熱電裝置已經(jīng)能以塊體類型來(lái)制造，并且其納米類型已經(jīng)得到積極的研究。因?yàn)樵趬K體類型的情況下，僅能制造出品質(zhì)因數(shù)ZT較低并且效率較低的熱電裝置，所以研究工作也從塊體類型轉(zhuǎn)向納米類型。然而，即使在納米類型的情況下品質(zhì)因數(shù)增大，成本和應(yīng)用領(lǐng)域的限制仍然存在。技術(shù)方案本發(fā)明旨在解決在前文中所描述的缺陷。為了解決這些缺陷，本發(fā)明的目的涉及提供一種使用納米類型的塊體材料的熱電裝置、具有該熱電裝置的熱電模塊以及其制造方法，其中，塊體材料上形成納米厚度的薄膜，該塊體材料被形成為要重新連接的幾種納米類型，用于阻止聲子過程，并且因此與現(xiàn)有的塊體類型相比，熱電裝置具有更高的品質(zhì)因數(shù)，并且節(jié)省了熱電裝置的制造成本，減少了制造過程的數(shù)量。本發(fā)明的另一個(gè)目的涉及提供使用納米類型的塊體材料的熱電裝置、具有該熱電裝置的熱電模塊以及其制造方法，其中，通過在塊體類型材料上形成納米顆粒的組合方法來(lái)一次性制造出含納米結(jié)構(gòu)的塊體類型，節(jié)省了薄膜類型的熱電裝置并且具有比塊體類型更高的品質(zhì)因數(shù)。另外，本發(fā)明的另一個(gè)目的涉及提供一種使用納米類型的塊體材料的熱電裝置、具有該熱電裝置的熱電模塊以及其制造方法，其中在初始狀態(tài)下，制造出含納米結(jié)構(gòu)的塊體類型，與在制造出塊體類型之后再摻雜（析出）納米顆粒的現(xiàn)有技術(shù)相比，過程數(shù)量得以減少。為了達(dá)成本發(fā)明的目的，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的熱電裝置包括：使用納米類型的塊體材料形成的熱電半導(dǎo)體基底材料；以及在所述熱電半導(dǎo)體基底材料的一個(gè)表面上所形成的聲子散射膜，其中多個(gè)所述熱電半導(dǎo)體基底材料每一個(gè)都具有所述聲子散射膜，并且朝同一方向?qū)訅?。另外，根?jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的熱電模塊包括：第一基板和第二基板，每一個(gè)所述第一基板和所述第二基板包括金屬電極并且被布置成方向相反；以及被布置在所述第一基板與所述第二基板之間的多個(gè)熱電裝置，其中，所述熱電裝置是通過將使用納米類型的塊體材料的多個(gè)熱電半導(dǎo)體基底材料朝同一方向?qū)訅簛?lái)形成的，在所述納米類型的塊體材料的一個(gè)表面上形成所述聲子散射膜，并且所述熱電裝置由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制成。有益效果根據(jù)本發(fā)明，在納米基底材料上形成納米厚度的薄膜，所述納米基底材料被配置為幾種納米類型，這幾種納米類型重新組合因此聲子過程被阻止，從而具有比現(xiàn)有塊體類型的品質(zhì)因數(shù)更高的品質(zhì)因數(shù)。另外，在制造薄膜類型的熱電裝置時(shí)，不要求有高的制造成本，并且與塊體類型相比，還可以獲得更高的品質(zhì)因數(shù)。另外，與在形成塊體類型之后摻雜（析出）納米顆粒的現(xiàn)有技術(shù)相比，通過在初始時(shí)形成含納米結(jié)構(gòu)的塊體類型，可以減少過程控制柜的數(shù)量。另外，在不使用超晶格的情況下阻止了聲子運(yùn)動(dòng)，超晶格是通過蒸鍍過程連續(xù)地堆積薄膜而形成的，雖然品質(zhì)因數(shù)很高，卻需要很高的制造成本。附圖說(shuō)明通過下面結(jié)合附圖的說(shuō)明，本發(fā)明的特定示例性實(shí)施例的上述和其他方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將更明顯，在附圖中：圖1所示為使用珀?duì)柼?yīng)的熱電冷卻的透視圖；圖2所示為使用塞貝克效應(yīng)的熱電發(fā)電的透視圖；圖3所示為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱電模塊的內(nèi)部部分的縱向剖視圖；圖4所示為表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的塊體類型與納米類型的熱電裝置的品質(zhì)因數(shù)ZT和能效比COP之間的關(guān)聯(lián)性的曲線圖；圖5至圖7所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的、使用納米類型的塊體材料的熱電裝置的制造過程的橫向剖視圖；圖8所示為根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的、通過使用納米類型的塊體材料制造的包括熱電裝置的熱電模塊的橫向剖視圖；以及圖9和圖10所示為根據(jù)本發(fā)明的使用熱電模塊來(lái)散熱的單元的視圖。具體實(shí)施方式以下將參考附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以按照各種不同的形式來(lái)實(shí)施，并且不限于此處所述的實(shí)施例。另外，為了清楚地描述本發(fā)明，省略了與本說(shuō)明書不相關(guān)的部分，并且在整個(gè)說(shuō)明書中，將使用相同的附圖標(biāo)號(hào)來(lái)表示相同的元件。圖5至圖7所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的、使用納米類型的塊體材料的熱電裝置的制造過程的橫向剖視圖。首先，如圖5所示，厚度在10nm至2mm的熱電半導(dǎo)體基底材料101是通過使用納米塊體材料（由單晶的納米晶粒制成的多晶材料，厚度小于100nm）來(lái)提供的。在一優(yōu)選實(shí)施例中，通過層壓納米材料，可以形成厚度為1mm至2mm的基底材料，這是因?yàn)橛捎趯訅簩拥臄?shù)量增大，聲子散射變大，因而熱導(dǎo)率降低，從而大大改善其性能。也就是說(shuō)，即使用于熱電半導(dǎo)體的基底材料是塊體類型的，其內(nèi)部部分仍是納米類型的。用于按照上文所制造的熱電半導(dǎo)體的基底材料可以是N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。此時(shí)，使用納米類型的塊體材料的熱電裝置可以通過使用以下用于增大機(jī)械強(qiáng)度的方式來(lái)制造：兩步燒結(jié)（室溫?zé)Y(jié)）、加壓燒結(jié)、熱等靜壓（HIP）燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)（SPS）、微波燒結(jié)、電輔助燒結(jié)等，并且下面將描述這些燒結(jié)方法。在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中，通過使用加壓燒結(jié)方法，使用BiTe組來(lái)制成熱電半導(dǎo)體基底材料，通過使用該方法，由于納米類型性質(zhì)，會(huì)誘發(fā)熱傳遞的聲子運(yùn)動(dòng)得以防止。熱電半導(dǎo)體基底材料可以是由選自含有Sb、Se、B、Ga、Te、Bi、In、Ag以及Al2O3的BiTe組中的任何一種制成的。然后，如圖6所示，涂布或沉積（薄膜）用于在以納米類型形成的熱電半導(dǎo)體基底材料（P，N）101的一個(gè)方向上散射聲子的薄膜102（聲子散射膜）。此時(shí)，聲子散射膜的厚度可以是10nm至100nm，這是因?yàn)樵诼曌由⑸淠さ暮穸却笥?00nm的情況下，熱電半導(dǎo)體基底材料內(nèi)散射很活躍，從而降低能效比，進(jìn)而大大降低效率。另外，在厚度小于10nm的情況下，聲子散射功能降低。此處，可以通過使用濺鍍和蒸鍍等來(lái)形成聲子散射膜。另外，聲子散射膜可以由含有Sb、Se、B、Ga、Te、Bi、In、Ag以及Al2O3的BiTe組中的任何一種制成。然后，如圖7所示，多個(gè)熱電半導(dǎo)體基底材料101，上面各自形成有聲子散射膜102，在一個(gè)方向上結(jié)合成一行，形成熱電裝置110。在這種情況下，熱電裝置可以形成為2至200個(gè)熱電基底材料的層壓結(jié)構(gòu)。另外，在更優(yōu)選的實(shí)施例中，可以層壓50至100個(gè)熱電基底材料，以實(shí)施最佳效果的過程效率和性能改善。圖8所示為根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的、使用納米類型的塊體材料的包括熱電裝置的熱電模塊的橫向剖視圖。如圖8所示，該熱電模塊包括在第二基板上圖案化出的第二電極240和在第二電極240上形成的防擴(kuò)散膜250。此時(shí)，防擴(kuò)散膜250用于防止金屬在第二電極240與稍后形成的熱電裝置之間擴(kuò)散，該防擴(kuò)散膜可能由鎳構(gòu)成。另外，第二基板230是電介質(zhì)，并且由氧化鋁板構(gòu)成，第二電極240由銅電極構(gòu)成。隨后，在第二電極240上交替地形成P型和N型的熱電裝置300、400，并且在熱電裝置300、400上形成防擴(kuò)散膜250，然后，在防擴(kuò)散膜250上形成第一電極220。此時(shí)，防擴(kuò)散膜250和第一電極230是由與在第二基板230上形成的第二電極240相同的材料制成的。連續(xù)地，在第一電極220上附接第一基板210，以形成電極模塊。此處，當(dāng)布置熱電模塊300、400時(shí)，交替地布置P型和N型，并且在連接表面上形成防擴(kuò)散膜250以及第一和第二電極220、240。在熱電模塊的制造過程中，雖然公開了按照第一電極、熱電裝置和防擴(kuò)散膜的順序進(jìn)行層壓，但是，其不一定限于此，而是，它們可以層壓在第一基板上，或者，在第一和第二基板以及防擴(kuò)散膜上層壓第一電極和第二電極，并且然后，第一電極和第二電極連接到熱電裝置。在本發(fā)明中，第一和第二電極220、240可以由選自由Cu、Ag、Ni、Al、Au、Cr、Ru、Re、Pb、Sn、In以及Zn組成的組中的至少一種或它們的合金制成，并且根據(jù)第一和第二電極220、240的材料，防擴(kuò)散膜250可以由Cu、Ag、Ni、Al、Au、Cr、Ru、Re、Pb、Sn、In以及Zn中的至少一種或它們的合金制成。在根據(jù)本發(fā)明的熱電裝置和包括熱電裝置的熱電模塊的情況中，當(dāng)它們僅由現(xiàn)有的塊體材料構(gòu)成時(shí)，其性能比現(xiàn)有的性能提高大約50%，而當(dāng)提供聲子散射膜102時(shí)，則比現(xiàn)有材料改善了約25%的性能。此處，參照約為1的品質(zhì)因數(shù)ZT，當(dāng)在納米塊體類型上形成薄膜時(shí)，性能提高到1.8。另外，根據(jù)本發(fā)明，相比于現(xiàn)有的塊體類型來(lái)說(shuō)，高效率是不可能的。另外，在不使用超晶格的情況下可以防止聲子運(yùn)動(dòng)，超晶格是通過使用要求高成本甚至高熱電效率的蒸鍍方法連續(xù)地層壓薄膜而形成的。[表1]下面，將描述納米類型的塊體材料的熱電裝置的制造方法。1.兩步燒結(jié)通過以下方式來(lái)制備熱電半導(dǎo)體基底材料：以短時(shí)間段進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)（超過70%被致密），并且在相對(duì)低的溫度下被完全致密。與此相反，在一般的燒結(jié)中，在致密90%后，發(fā)生了突發(fā)式晶粒生長(zhǎng)。2.熱壓燒結(jié)通過施加高壓并且進(jìn)行燒結(jié)來(lái)制備熱電半導(dǎo)體基底材料，以便解決在兩步燒結(jié)方法中的材料難以燒結(jié)和剩余氣泡的問題。通過這種方法，在施加高壓并且?guī)椭旅艿耐瑫r(shí)，由于在粉末內(nèi)形成內(nèi)壓而阻止了晶粒的生長(zhǎng)。另外，基底材料由于所施加的高壓能量而處于與兩步燒結(jié)不同的熱力狀態(tài)下，因此，燒結(jié)時(shí)所用溫度比兩步燒結(jié)要低。3.熱等靜壓（HIP）燒結(jié)通過以下方式來(lái)制備熱電半導(dǎo)體基底材料：向容器內(nèi)吹入諸如氬氣的惰性氣體，從而由于氣壓來(lái)加速所形成的主體的致密過程。通常，通過使用氣壓的燒結(jié)分為小于20MPa的氣體壓燒結(jié)和大于20MPa的熱等靜壓燒結(jié)。4.放電等離子燒結(jié)（SPS）通過以下方式來(lái)制備熱電半導(dǎo)體基底材料：利用脈沖類型的直流電在粉末之間的間隙中產(chǎn)生高溫等離子體來(lái)進(jìn)行加壓燒結(jié)。在燒結(jié)的初始狀態(tài)中，在顆粒之間產(chǎn)生等離子體，由于過量電流而成為放熱反應(yīng)。此處，當(dāng)由于這種熱量而在顆粒之間的接觸點(diǎn)上形成連接部分時(shí)，通過電流來(lái)產(chǎn)生焦耳加熱。同時(shí)，燒結(jié)過程進(jìn)行到一定程度，不再產(chǎn)生等離子體；然而，熱電半導(dǎo)體基底材料仍被保持在進(jìn)一步的致密過程中。在放電等離子燒結(jié)的情況下，由于在所填充的顆粒內(nèi)產(chǎn)生而不是從外部來(lái)源產(chǎn)生燒結(jié)所必需的能量，所以與其他燒結(jié)方法相比，可以在相對(duì)低的溫度下進(jìn)行燒結(jié)。5.微波燒結(jié)通過使用微波熱源來(lái)制備熱電半導(dǎo)體基底材料，并且因此，能夠進(jìn)行高速加熱以大大縮短燒結(jié)時(shí)間段，從而阻止晶粒生長(zhǎng)。具體地說(shuō)，在這種方法中，通過微波引發(fā)自體放熱反應(yīng)，以迅速加熱整個(gè)的形成中的主體，并且減小在試樣內(nèi)的熱梯度。另外，可以通過組合激光處理以形成微波激光混和方法，可以降低燒結(jié)溫度控制柜約100度。在使用納米類型的塊體材料的熱電裝置和使用熱電裝置的熱電模塊以及其制造方法中，通過在塊體材料上形成納米厚度的薄膜以具有高品質(zhì)因數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的。圖9和圖10所示為通過使用根據(jù)本發(fā)明的熱電模塊來(lái)散熱的單元的視圖。在如圖9所示的配置中，在諸如計(jì)算機(jī)等電子產(chǎn)品的基板上的各種圖形芯片或CPU的一個(gè)表面上安裝了根據(jù)本發(fā)明的熱電模塊（TEM），并且熱管附接到根據(jù)本發(fā)明的熱電模塊的一個(gè)表面上。在如圖10所示的配置中，根據(jù)本發(fā)明的熱電模塊（TEM）安裝在冰箱中的制冰器的一個(gè)表面上，并且在與其相對(duì)的表面上緊緊地附著用于散熱的風(fēng)扇。也就是說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的熱電模塊可以被用作在冰箱中的制冰器、汽車座椅、空調(diào)和CPU冷卻器等。即，該熱電模塊可以具有風(fēng)扇和熱管，用于散出在電子產(chǎn)品或電路中產(chǎn)生的熱量。根據(jù)本發(fā)明，在納米基底材料上形成納米厚度的薄膜，納米基底材料被配置為要重新組合的幾種納米類型，并且因此，阻止了聲子過程，從而具有比現(xiàn)有的塊體類型的品質(zhì)因數(shù)更高的品質(zhì)因數(shù)。另外，當(dāng)制造薄膜類型熱電裝置時(shí)，不要求高制造成本，并且與塊體類型相比，獲得了更高的品質(zhì)因數(shù)。另外，與在形成塊體類型之后摻雜（析出）納米顆粒的現(xiàn)有技術(shù)相比，可以通過初始形成含納米結(jié)構(gòu)的塊體類型來(lái)減少過程控制柜的數(shù)量。另外，在不使用超晶格的情況下阻止了聲子運(yùn)動(dòng)，超晶格是通過蒸鍍方法來(lái)連續(xù)地堆積薄膜而形成的，雖然品質(zhì)因數(shù)很高，但是制造成本也很高。雖然已經(jīng)參考本發(fā)明的示例性實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以明白，在不脫離由所附的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種改變。因此，本發(fā)明的范圍不是由本發(fā)明的詳細(xì)描述進(jìn)行限定，而是由所附的權(quán)利要求書進(jìn)行限定，并且在該范圍內(nèi)的所有差別都被認(rèn)為包括在本發(fā)明中。