CN102737746A - 一种基于碳纳米管的同位素电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于碳纳米管的同位素电池及其制备方法。该同位素电池包括换能结构和源结构两部分，换能结构包括第一衬底和其上由功函数高于碳纳米管费米能级的金属电极和功函数低于碳纳米管费米能级的金属电极组成的电极对，半导体性碳纳米管定向排布于电极对间，且两端分别与两个金属电极接触；源结构包括第二衬底和淀积于第二衬底上的放射性同位素膜；源结构和换能结构对准封接在一起，二者相接触的部位之间电学隔离，所述放射性同位素膜和碳纳米管位于封接形成的空腔内。本发明的同位素电池体积小，转换效率高，而且结构简单，易于实现，可以长时间工作于各种复杂的环境。

Description

一种基于碳纳米管的同位素电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及同位素电池，特别涉及一种碳纳米管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

在微电子技术的基础上发展起来的微机电系统(简称MEMS)技术正在飞速发展，从汽车安全气囊的触发感应器到环境监控系统的药品释放，微型机电器件和系统已经进入到了人们的日常生活中。但是微能源一直是微系统发展中的瓶颈，研究高效，长寿命的微型能源成为了各国学者研究的热点，如微型太阳能电池、微型燃料电池、环境能量拾取器等。但是微型太阳能电池需要光照，燃料电池需要在工作过程中补充燃料，环境能量拾取器的能量转换率太低，这些能源使用在MEMS系统中都具有一定的局限性。同位素电池是将放射性同位素衰变发出载能粒子(如α粒子、β粒子和γ射线)的能量转换为电能的装置。放射性同位素的能量密度高达1-100MJ/cc(传统燃料能量密度为1-20kJ/cc)，寿命长达1-100年，而且在不同的环境条件下，依然可以保持恒定衰减率发射粒子。同位素电池的种类繁多，按提供电压的高低，核电池可分为高压型(几百至几千伏特)和低压型(几十毫伏至一伏左右)两类；按能量转换方式，它可分为直接转换式和间接转换式；按能量转换机制分类，它包括：直接充电型、接触势型同位素电池、p-n结同位素电池、热动力型同位素电池、热电转换同位素电池、热离子发射同位素电池、压电转换型同位素电池等。在上述这些同位素电池中，热电转换同位素电池应用最为广泛，而p-n结同位素电池的理论效率高达40％，是用在微机电系统中最理想的能量转换方式之一。

1953年Rappaport研究发现，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辐射伏特效应在原理上和光生伏特效应很相似，差别在于β辐射伏特效应是用β粒子转化能量，而光生伏特效应使用的则是光子。β粒子撞击半导体材料，在pn结的耗尽区附近产生的很大一部分电子空穴对将会被收集，从而在器件终端形成电流，这个电流表明了能量的转换过程。近年来，国内外研究者或者通过改变pn结的结构来提高电池的表面积，进而提高电池的短路电流和开路电压，或者通过使用抗辐照材料如SiC等来提高器件的抗辐照性，但是β辐射电池的效率提高都不是很显著。

跟传统的材料相比，碳纳米管具有独特的纳米一维结构和奇异的电学性质。在碳纳米管内，由于电子的量子限域所致，电子只能沿着碳纳米管的轴向运动，同时碳纳米管具有高的载流子迁移率和弹道传输特点。另外，随着螺旋矢量(n，m)的不同，碳纳米管的能隙宽度可以从零变化到与硅相等。这些特点使碳纳米管成为理想的β辐射电池材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以碳纳米管为换能材料的同位素电池，利用碳纳米管纳米材料的特有性质来改善电池的性能。这种同位素电池体积小，转换效率高，而且结构简单，易于实现，可以长时间工作，并能工作于各种复杂的环境。

本发明的技术方案如下：

一种基于碳纳米管的同位素电池，包括换能结构和源结构两部分，其中：换能结构包括第一衬底，位于第一衬底背面的背电极，位于第一衬底上表面的绝缘层和绝缘层上的金属电极对，以及定向排布于金属电极对间的半导体性碳纳米管，所述金属电极对中的一个电极由功函数高于碳纳米管费米能级的金属构成，另一个电极由功函数低于碳纳米管费米能级的金属构成，所述碳纳米管的两端分别与两个电极接触；源结构包括第二衬底和淀积于第二衬底上的放射性同位素膜；源结构和换能结构对准封接在一起，二者相接触的部位之间电学隔离，所述放射性同位素膜和碳纳米管位于封接形成的空腔内。

所述第一衬底是换能结构的衬底，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。

所述金属电极对可以是叉指电极对或者是简单的对电极。

所述功函数高于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。

所述功函数低于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：Hf、Al、Ti、Cr、Sc和Zn等。

所述第二衬底是源结构的衬底，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。

上述基于碳纳米管的同位素电池可以通过下述方法制备：

1)根据下述步骤a-c制备换能结构：

a、在第一衬底上表面形成绝缘层，并在绝缘层上制作金属电极对，该电极对中的一个电极由功函数高于碳纳米管费米能级的金属构成，另一个电极由功函数低于碳纳米管费米能级的金属构成；

b、在第一衬底的背面制作背电极；

c、将碳纳米管组装于所述金属电极对之间，使碳纳米管的两端分别与两个电极接触，并去除金属性碳纳米管，而保留半导体性碳纳米管；

2)制备源结构：在第二衬底上淀积放射性同位素膜；

3)使源结构的放射性同位素膜面对换能结构的碳纳米管，将源结构和换能结构对准封接在一起，并在二者的相接触的部位实现电学隔离。

上述步骤1)a中可以采用溅射、蒸发、电镀等方法制备金属电极，通过光刻定义电极图形，采用腐蚀或剥离等方法实现金属图形化。

上述步骤1)b所述背电极为金属电极，可以采用溅射、蒸发或电镀等方法来制备。

上述步骤1)c将碳纳米管组装于电极对间的方法主要有化学气相沉积、介电泳和电弧放电法等；可通过在两个电极间施加较大电压或电流烧掉金属性碳纳米管，余下半导体性碳纳米管。

上述步骤2)中放射性同位素膜的制备可以采用电镀或分子镀或化学镀等方法。

上述步骤3)中源结构和换能结构的封接方法可以是利用粘结剂将二者粘结，也可以用外加固定结构将二者固定在一起。

上述步骤3)中换能结构和源结构之间相接触部位的绝缘隔离可以利用设置于二者之间绝缘垫圈或者直接制作于源结构或换能结构上的绝缘结构来实现，也可以通过使用硅胶或环氧树脂等各类绝缘粘结剂将源结构和换能结构粘结在一起来实现。

本发明是基于碳纳米管的同位素电池，其结构简单，性能稳定，体积小，采用的是碳纳米管与金属电极的非对称接触，可以产生高的输出电压和输出电流，提高了同位素电池的转换效率。其制造过程采用的是标准的MEMS工艺，工艺简单、可批量制造、成本低、成品率高、可靠性高，组装碳纳米管的过程也很容易实现。

附图说明

图1为本发明实施例制备的换能结构的俯视图，显示了碳纳米管与金属电极对的非对称接触；

图2为本发明实施例制备的同位素电池器件的截面图；

图3(a)-图3(f)为本发明实施例制备基于碳纳米管的同位素电池的工艺流程图；

其中，1-换能结构衬底，2-换能结构绝缘层，3-低功函数金属电极，4-高功函数金属电极，5-碳纳米管，6-金属背电极，7-源结构衬底，8-放射性同位素膜，9-隔离层。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细描述：

如图1和图2所示，本实施例所制备的同位素电池包括换能结构和源结构两部分，二者封接在一起，接触处通过隔离层9电学隔离。该换能结构包括第一衬底(换能结构衬底)1，在第一衬底1上表面是绝缘层2，在绝缘层2上具有两个叉指电极构成的金属电极对，其中一个是低功函数金属电极3，另一个叉指电极是高功函数金属电极4，在金属电极3和4之间定向排布有碳纳米管5，衬底1的背面是金属背电极6。源结构则包括第二衬底(源结构衬底)7和位于其表面的放射性同位素膜8。

上述同位素电池是根据如下方法制备的：

1)换能结构的制备

a、取单晶硅片一片(双抛硅片，厚度400μm)作为换能结构的衬底1，热氧化形成300nm的二氧化硅，然后去除背面的二氧化硅，保留上表面的二氧化硅作为绝缘层2，见图3(a)。

b、在绝缘层2上光刻并溅射低功函数的金属Hf(厚度150nm)，使用剥离技术获得低功函数金属电极3的图形，该电极各叉指的宽度为50μm，长度为3300μm。

c、先溅射粘附层金属W 15nm，再溅射高功函数金属Au 150nm，光刻腐蚀出高功函数金属电极4的图形，该电极各叉指的宽度为50μm，长度为3300μm。

金属电极对制备好后的结构如图3(b)所示，叉指状的低功函数金属电极3和高功函数金属电极4共组成31个电极对(图1中显示了6个电极对)，各电极之间的间距为3μm。

d、在换能结构衬底1背面溅射金属W/Au 15nm/150nm做背电极6，并合金，与硅衬底1形成欧姆接触，见图3(c)。

e、利用介电泳方法进行碳纳米管组装，具体方法如下：

将碳纳米管溶解于二甲基甲酰胺制成碳纳米管悬浮液，将溶液超声2h，在两金属电极3和4上施加5MHz的峰峰值为5V的交变电压，然后将所制的碳纳米管悬浮液滴到两个电极上，碳纳米管在双向电泳力的作用下被组装成定向排列的碳纳米管，30s之后将电极上的悬浮液用氮气枪吹走。

f、在低功函数金属电极上加正压，高功函数金属电极接地，施加15V的电压，烧掉金属性的碳纳米管，得到定向排列于电极对间的半导体性碳纳米管5，如图3(d)所示。

2)源结构的制作

取镍片作为源结构衬底7，在正面电镀2mCi的放射性同位素膜Ni-63，形成源结构，见图3(e)。

3)将源结构和换能结构对准，并利用绝缘硅胶作为隔离层9并将二者粘结在一起，形成基于碳纳米管的同位素电池，见图3(f)。

本实施例提供了一种基于碳纳米管的同位素电池的结构和制备方法，本发明不仅局限于此实施例，可以根据实际需要和设计要求做出相应的修改。

本实施例中作为绝缘层2的二氧化硅可以是其他绝缘体，如氮化硅或氧化铪，厚度也可调节。

本实施例中的低功函数金属Hf可以为其他金属，如Al，Ti，W，Cr，Sc，Zn等；高功函数金属Au可以为其他金属，如Pd，Pt等，而且金属电极对的结构、尺寸和对数均可调。

本实施例中碳纳米管悬浮液的浓度可调，组装时的电压值和频率可调，组装时间也可调。

本实施例中源结构可以用金属作为源结构衬底，如镍片或铜片等金属片，也可以用非金属半导体或绝缘体做衬底，如玻璃等。如果用金属或半导体作为衬底，那么将换能结构与源结构组装在一起时需要在二者之间插入绝缘层。

本实施例中放射性同位素可以使用电镀，分子镀或者化学镀的方式获得，放射性同位素的放射性强度可调。

本实施例中换能结构与源结构相接触隔离层可以是绝缘垫圈，或者是硅胶或环氧树脂等各类绝缘粘结剂形成的粘结层，或者是直接制作于源结构或者换能结构上的绝缘结构层。

本实施例中换能结构和源结构的封接方法可以是利用粘结剂将二者粘结，也可以用外加固定结构将二者固定在一起。

以上通过实施例详细描述了本发明所提供的碳纳米管同位素电池，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于碳纳米管的同位素电池，包括换能结构和源结构两部分，其中：换能结构包括第一衬底，位于第一衬底背面的背电极，位于第一衬底上表面的绝缘层和绝缘层上的金属电极对，以及定向排布于金属电极对间的半导体性碳纳米管，所述金属电极对中的一个电极由功函数高于碳纳米管费米能级的金属构成，另一个电极由功函数低于碳纳米管费米能级的金属构成，所述碳纳米管的两端分别与两个电极接触；源结构包括第二衬底和淀积于第二衬底上的放射性同位素膜；源结构和换能结构对准封接在一起，二者相接触的部位之间电学隔离，所述放射性同位素膜和碳纳米管位于封接形成的空腔内。

2.如权利要求1所述的同位素电池，其特征在于，所述第一衬底是硅片、砷化镓片、碳化硅片或氮化镓片，所述绝缘层的材料是二氧化硅、氮化硅或氧化铪。

3.如权利要求1所述的同位素电池，其特征在于，所述金属电极对是叉指电极对或者是简单的对电极。

4.如权利要求1所述的同位素电池，其特征在于，所述功函数高于碳纳米管费米能级的金属选自下列金属中的一种或多种：Au、Pd和Pt；所述功函数低于碳纳米管费米能级的金属选自下列金属中的一种或多种：Hf、Al、Ti、W、Cr、Sc和Zn。

5.权利要求1～5任一所述的同位素电池的制备方法，包括以下步骤：

1)根据下述步骤a-c制备换能结构：

a、在第一衬底上表面形成绝缘层，并在绝缘层上制作金属电极对，该电极对中的一个电极由功函数高于碳纳米管费米能级的金属构成，另一个电极由功函数低于碳纳米管费米能级的金属构成；

b、在第一衬底的背面制作背电极；

c、将碳纳米管组装于所述金属电极对之间，使碳纳米管的两端分别与两个电极接触，并去除金属性碳纳米管，保留半导体性碳纳米管；

2)制备源结构：在第二衬底上淀积放射性同位素膜；

3)使源结构的放射性同位素膜面对换能结构的碳纳米管，将源结构和换能结构对准封接在一起，并在二者的相接触的部位实现电学隔离。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)a中采用溅射、蒸发或电镀的方法制作金属电极对，通过光刻定义电极图形，采用腐蚀或剥离方法实现金属图形化；步骤1)b采用溅射、蒸发或电镀的方法制作背电极。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)c采用化学气相沉积、介电泳和电弧放电的方法将碳纳米管组装于所述金属电极对间；然后通过在所述金属电极对的两个电极间施加电压或电流烧掉金属性碳纳米管，余下半导体性碳纳米管。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)采用电镀或分子镀或化学镀的方法中制作放射性同位素膜。

9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述换能结构和源结构的封接方法是利用粘结剂将二者粘结，或者是用外加固定结构将二者固定在一起。

10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3)换能结构和源结构相接触部位的电学隔离通过下述方法I)或II)实现：I)在二者之间设置绝缘垫圈或者直接制作于源结构或换能结构上的绝缘结构，再将二者封接在一起；II)使用绝缘粘结剂将源结构和换能结构粘结在一起。

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