CN105977371B - 热电薄膜结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热电薄膜结构，其包括热电基材与一对第一类钻碳层。第一类钻碳层配置在热电基材的相对两表面上且具有导电性。

Description

热电薄膜结构

本发明是中国发明专利申请(申请号：201210576454.4，申请日：2012年12月26日，发明名称：热电薄膜结构)的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种薄膜结构，且特别是涉及一种热电薄膜结构。

背景技术

在传统的热电应用领域中要判断一物质是否为良好的热电材料，主要是观察其热电优值(Figure of Merit，ZT值)，ZT值主要与塞贝克系数(Seebeck coefficient)、导电率和热传导系数相关，以上三种参数也直接影响一材料是否拥有良好的热电性质，可否应用在热电效应上。ZT值越高，热电效应则越显著，其关系式为：

上式中α为塞贝克系数；σ为导电率；k为热传导系数；T为绝对温度。由关系式中可看出，一个好的热电材料除了需要有良好的塞贝克系数外，还要有高导电率以及低热传导系数。

由于自然界中材料的物性通常导电率与热传导率为相依关系，因此一般材料难以同时具有良好的导电率以及低热传导系数，使得最后加总之后的ZT值无法有效提升，因此材料的导电率与热传导系数的控制即成为提升热电性能的关键点，但是以目前技术而言其也为材料发展的瓶颈所在。

再者，热电元件的效能，除了上述ZT值之外，界面接合时所产生的热、电阻抗，电极材料的热、电阻抗，以及基材的热阻抗等，皆会对热电元件整体造成影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热电薄膜结构，通过改变类钻碳层键结结构而控制热电薄膜结构的电阻分布。

为达上述目的，本发明提出一种热电薄膜结构，适于配置在物件上，以控制物件的温度。热电薄膜结构包括热电基材与一对第一类钻碳层。第一类钻碳层配置在热电基材的相对两表面上且具有导电性。

本发明的一实施例提出一种热电薄膜结构，包括热电基材以及一对类钻碳层，其中类钻碳层配置在热电基材的相对两表面上。热电基材的厚度为2微米(μm)至200微米(μm)。各类钻碳层的厚度为100纳米(nm)至100微米(μm)。各类钻碳层的电阻率为10^-4Ω·cm至10^-1Ω·cm。

本发明的一实施例提出一种热电薄膜结构，包括热电基材、一对类钻碳层、一对金属界面层以及一对金属层。类钻碳层配置在热电基材的相对两表面上。金属界面层分别配置在类钻碳层上且位在远离热电基材的一侧。金属层配置在金属界面层上且位在远离类钻碳层的一侧，其中热电基材、类钻碳层、金属界面层与金属层相互电性导通。

基于上述，在本发明的实施例中，热电薄膜结构通过类钻碳层作为其组成结构，因而能通过控制类钻碳层的结构特征而达到调整类钻碳层的电阻值的效果。此举让热电薄膜结构除能通过类钻碳层达到较佳的导热效果外，也同时能依据需求而使类钻碳层具有导电或绝缘的特质，进一步地以类钻碳层作为热电薄膜的复合结构，而能有效简化热电元件的结构组成并达到所需的热电特性。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依据本发明一实施例的一种热电薄膜结构的示意图；

图2是图1的热电薄膜结构的应用示意图；

图3是本发明另一实施例的一种热电薄膜结构的示意图；

图4是图3的热电薄膜结构的应用示意图。

主要元件符号说明

10：物件

100、200、300、400：热电薄膜结构

110：热电基材

120、130、160、170：第一类钻碳层

140、150、180、190：第二类钻碳层

310、320：金属界面层

330、340：金属层

C1、C2：类钻碳层

具体实施方式

图1是依据本发明一实施例的一种热电薄膜结构的示意图。请参考图1，在本实施例中，热电薄膜结构100包括热电基材110与一对第一类钻碳层120、130，其中第一类钻碳层120、130配置在热电基材110的相对两表面上。

在此，热电基材110包括可将热转换为电的材料，其可为P型热电材料或是N型热电材料。例如，BiSbTe、BiSeTe、CsBi₄Te₆、Bi₂Te₃、Bi₂Te₃/Se₂Te₃超晶格、PbTeSeTe/PbTe量子点或超晶格、Zn₄Sb₃合金、Ce(Fe,Co)₄Sb₁₂、PbTe合金、CoSb₃、SiGe合金、AgSbTe₂/GeTe、Bi₂Sr₂Co₂O_y、Ca₃Co₄O₉、Mg₂Si、Na_xCoO₂、La₂Te₃、MnSi_1.75、SnTe、TAGS(tellurium,antimony,germanium and silver)、Y₃Fe₅O₁₂等。热电基材110的结构非本案所强调，且可参考现有热电元件的对应结构，因而便不再赘述。

再者，第一类钻碳层120、130包括纯碳或掺杂氢、氮或金属原子的四面体非晶碳，且第一类钻碳层120、130堆叠在热电基材110的方式包括电镀程序、无电镀程序、溅镀、离子蒸镀或化学气相沉积程序等，在此并未限制其堆叠方式。需注意的是，在本实施例中，热电基材110的厚度为2微米(μm)至200微米(μm)，而堆叠后的各第一类钻碳层120、130的厚度为100纳米(nm)至100微米(μm)，且各第一类钻碳层120、130的电阻率为10^-4Ω·cm至10^-1Ω·cm。

由上可知，此时堆叠在热电基材110上的第一类钻碳层120、130具有低电阻，即高导电性，因此能作为热电薄膜结构100的导电电极之用，而得以取代现有的金属电极。此优势即在于现有以金属材质制成的电极与热电基材110之间的热及电阻抗，不若类钻碳材料与热电基材110之间的阻抗小。如此，具有上述第一类钻碳层120、130的热电薄膜结构100便得以克服前述界面接合倒置的热、电阻抗，而同时兼具较佳的热传特性与导电性。

图2是图1的热电薄膜结构的应用示意图。请参考图2，与上述实施例不同的是，为让热电薄膜结构200能配置在物件10上，以对该物件10进行热传作用，热电薄膜结构200还包括第二类钻碳层140，配置在物件10上且位在第一类钻碳层120与物件10之间。

详细而言，第一类钻碳层120、130与第二类钻碳层140的材质相同，但两者的组成结构已改变(即两者的SP2/SP3键结比例并不相同，SP2比例较高者，电阻率较低；SP3比例较高者，电阻率较高)，且第二类钻碳层的厚度为100纳米(nm)至10微米(μm)，因而导致第二类钻碳层140的电阻率为10⁰Ω·cm至10¹⁰Ω·cm。换句话说，此时的第二类钻碳层140为绝缘层，用以避免物件10与热电薄膜结构200之间发生电性导通的情形。同样地，在第一类钻碳层130背离热电基材110的一侧也可同时配置具有高电阻的第二类钻碳层150。

基于上述，相比较于现有需在热电元件与物件之间另行设置绝缘层，本实施例通过改变类钻碳层的键结结构，而使第一类钻碳层120、130具有金属电极所需的高导电性，并让第二类钻碳层140、150具有绝缘层所需的高电阻特性。

另一方面，本实施例的第一类钻碳层120与第二类钻碳层140为一体化结构，而其电阻率为10^-4Ω·cm至10¹⁰Ω·cm。进一步地说，通过制作工艺控制，本实施例可在物件10上直接配置类钻碳层C1，且类钻碳层C1同时包含上述第一类钻碳层120与第二类钻碳层140的结构特征，(同样地，类钻碳层C2同时包含上述第一类钻碳层130与第二类钻碳层150的结构特征，在图2中以虚线作为第一类钻碳层130与第二类钻碳层150的区隔，及第一类钻碳层120与第二类钻碳层140的区隔)，并使其电阻依序从热电基材110、第一类钻碳层120至第二类钻碳层140为连续且递增。如此，更能简化现有需设置金属电极与绝缘层的热电元件，并因其为一体化结构而有效地降低因界面接合所造成的热、电阻抗问题，以提高热电薄膜结构100的效能。

图3是本发明另一实施例的一种热电薄膜结构的示意图。请参考图3，在本实施例中，热电薄膜结构300包括热电基材110、第一类钻碳层160、170、金属界面层310、320与金属层330、340。第一类钻碳层160、170配置在热电基材110的相对两表面。金属界面层310、320分别配置在第一类钻碳层160、170上且位在远离热电基材110的一侧。金属层330、340配置在金属界面层310、320上且位在远离第一类钻碳层160、170的一侧。由于热电基材110、第一类钻碳层160、170与上述实施例相同，在此便不再赘述。再者，金属界面层310、320，例如是以金属碳化物制成，其厚度小于1微米(μm)，而电阻率为10^-3Ω·cm至10^-4Ω·cm。金属层330、340的厚度小于100微米(μm)，而电阻率为10^-5Ω·cm至10^-6Ω·cm，亦即热电基材110、第一类钻碳层160、170、金属界面层310、320与金属层330、340相互电性导通。

如此一来，金属层330、340得以通过第一类钻碳层160、170与金属界面层310、320而提高与热电基材110的接合度，更能因第一类钻碳层160、170的高导热性与高导电性，而提高本实施例的热电薄膜结构300的热电效能。

图4是图3的热电薄膜结构的应用示意图。与上述图2的实施例类似，本实施例的热电薄膜结构400能配置在物件10上，以对该物件10进行热传作用。热电薄膜结构400还包括第二类钻碳层180、190，其中第二类钻碳层180配置在物件10上且位在金属层330与物件10之间，而第二类钻碳层190配置在金属层340背离金属界面层320的一侧。此举让热电薄膜结构400也能达到与上述图2的实施例中等同绝缘层的效果。

综上所述，在本发明的上述实施例中，热电薄膜结构通过类钻碳层作为其组成结构，因而能通过控制类钻碳层的结构特征而达到调整类钻碳层的电阻值的效果。此举让热电薄膜结构除能通过类钻碳层达到较佳的导热效果外，也同时能依据需求而使类钻碳层具有导电或绝缘的特质。

再者，类钻碳层通过一体化结构并同时控制其电阻为连续，即导电性也为连续，因而得以避免接合界面导致的热、电阻抗，并让热电薄膜结构能顺利地配置在物件上，故而能在有效简化的结构组成下达到所需的热电特性。

虽然已结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (12)

1.一种热电薄膜结构，包括：

热电基材；

一对第一类钻碳层，分别配置在该热电基材的相对两表面上，且各该第一类钻碳层的电阻率为10^-4Ω·cm至10^-1Ω·cm；

一对金属界面层，分别配置在该对第一类钻碳层上且分别位在远离该热电基材的一侧，各该金属界面层的电阻率为10^-3Ω·cm至10^-4Ω·cm；以及

一对金属层，分别配置在该对金属界面层上且分别位在远离该第一类钻碳层的一侧，各该金属层的电阻率为10^-5Ω·cm至10^-6Ω·cm，其中该热电基材、该对第一类钻碳层、该金属界面层与该金属层相互电性导通，且该热电基材、该对第一类钻碳层、该金属界面层与该金属层的堆叠方向是垂直于该热电基材的相对两表面。

2.如权利要求1所述的热电薄膜结构，其中该热电基材的厚度为2微米至200微米。

3.如权利要求1所述的热电薄膜结构，其中该热电基材包括BiSbTe、BiSeTe、CsBi₄Te₆、Bi₂Te₃、Bi₂Te₃/Se₂Te₃超晶格、PbTeSeTe/PbTe量子点或超晶格、Zn₄Sb₃合金、Ce(Fe,Co)₄Sb₁₂、PbTe合金、CoSb₃、SiGe合金、AgSbTe₂/GeTe、Bi₂Sr₂Co₂O_y、Ca₃Co₄O₉、Mg₂Si、Na_xCoO₂、La₂Te₃、MnSi_1.75、SnTe、TAGS、Y₃Fe₅O₁₂。

4.如权利要求1所述的热电薄膜结构，其中各该第一类钻碳层包括纯碳或掺杂氢、氮或金属原子的四面体非晶碳。

5.如权利要求1所述的热电薄膜结构，其中各该第一类钻碳层的厚度为100纳米至100微米。

6.如权利要求1所述的热电薄膜结构，其中各该金属界面层的厚度小于1微米。

7.如权利要求1所述的热电薄膜结构，其中该对金属界面层为金属碳化物。

8.如权利要求1所述的热电薄膜结构，其中各该金属层的厚度小于100微米。

9.如权利要求1所述的热电薄膜结构，还包括：

至少一第二类钻碳层，配置在该金属层上且位在远离该第一类钻碳层的一侧，该第二类钻碳层的电阻率为10⁰Ω·cm至10¹⁰Ω·cm。

10.如权利要求9所述的热电薄膜结构，其中该第二类钻碳层的厚度为100纳米至10微米。

11.如权利要求9所述的热电薄膜结构，其中该第二类钻碳层包括纯碳或掺杂氢、氮或金属原子的四面体非晶碳。

12.如权利要求9所述的热电薄膜结构，其中所述至少一第二类钻碳层包括一对第二类钻碳层，分别配置在该对金属层上且分别位在远离该对第一类钻碳层的一侧。