CN107749316A - 金刚石肖特基同位素电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
金刚石肖特基同位素电池及其制备方法，本发明属于微能源领域，它为了解决现有同位素电池的抗辐射损伤强度以及能量转换效率较低的问题。本发明金刚石肖特基同位素电池从上至下依次由放射源、电池肖特基电极、本征金刚石层和P型金刚石层形成叠层结构，在叠层结构的侧面设置欧姆电极。制备方法：一、在P型金刚石基底层上外延生长本征金刚石层；二、置于浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液中；三、在本征金刚石层表面溅射肖特基电极；四、涂覆导电银胶；五、在肖特基电极上加载电镀放射源。本发明金刚石肖特基同位素电池中以Am作为放射源，其发出的阿尔法射线穿透深度低，且该金刚石肖特基同位素电池的输出功率能够达到皮瓦级，转换效率高。
Description
技术领域
本发明属于微能源领域，具体涉及一种微小型金刚石肖特基同位素电池及其制备方法。
背景技术
现代微机电系统(MEMS)的发展使得植入式生物医学设备、微机械扫描隧道显微镜等微型设备的实现成为了可能。真正意义上的微型机械设备需要提供独立的微型供电系统。放射性同位素电池以其高能量密度、寿命长、易于小型化等优点成为微机电系统、心脏起搏器以及深海深空设备等的潜在选择。现在，同位素辐射能转化为电能已有十多种转换机制，其中热温差电池在航天和心脏起搏器等方面都已经有一部分应用。但对于微机电系统，RTG的尺寸较大，且难以微型化。而利用辐射伏特效应的同位素电池，由于采用半导体技术，其微型化十分方便。
1954年，Pfann WG提出了硅基的阿尔法辐射伏特效应同位素电池，后来，Sychov M等人制作了基于AlGaAs的Pu238阿尔法辐射伏特同位素电池。但是由于阿尔法粒子能量比较高，电池的性能在很短时间内急剧衰退。
半导体的移位能代表半导体的抗辐射损伤的能力，根据M.A.Prelas等人在《Areview of nuclear batteries》中的数据，半导体的移位能分别为硅19eV，锗30eV，砷化镓10eV，碳化硅28eV，氮化镓24eV，金刚石43eV。从这些数据可以比较得出金刚石的抗辐射能力最强，是最适合作为阿尔法辐射伏特效应换能元件的材料。
在众多半导体材料中，金刚石有着最宽的禁带为5.48eV，而硅为1.12eV，锗为0.68eV，砷化镓为1.42eV，碳化硅为2.9eV，氮化镓为3.39eV。Larry C.Olsen在《Betavoltaic power sources》中指出，随着半导体禁带宽度的增加，同位素电池的理论转换效率也在增加，这意味着金刚石作为同位素电池有着最大的理论转化效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有同位素电池的抗辐射损伤强度以及能量转换效率较低的问题，而提供一种金刚石肖特基同位素电池及其制备方法。
本发明金刚石肖特基同位素电池包括放射源、电池肖特基电极、本征金刚石层、P型金刚石层和电池欧姆电极，该金刚石肖特基同位素电池从上至下依次由放射源、电池肖特基电极、本征金刚石层和P型金刚石层形成叠层结构，在叠层结构的侧面设置有电池欧姆电极。
本发明金刚石肖特基同位素电池的制备方法按以下步骤实现：
一、在P型金刚石基底层上，利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层，得到生长有本征金刚石层的金刚石基底；
二、将步骤一得到的生长有本征金刚石层的金刚石基底置于浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液中，加热至煮沸处理0.5～1小时，然后依次置于丙酮、去离子水和无水乙醇中进行超声清洗，得到清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底；
三、将清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底放置到磁控溅射装置中，在本征金刚石层表面溅射肖特基电极，得到换能单元；
四、在换能单元的侧面涂覆导电银胶，在75～85℃温度下加热固化，得到涂有导电银胶的换能单元；
五、在换能单元的肖特基电极上加载电镀放射源，得到金刚石肖特基同位素电池。
本发明利用宽禁带，高抗辐射强度的半导体金刚石作为换能单元，在提高能量转换效率的同时还能减少因辐射损伤而带来的电池性能衰减的现象。同时使用241Am作为提供能量的同位素。241Am是一种较为纯净的阿尔法核素，其发出的射线绝大部分为阿尔法射线，而阿尔法射线穿透深度低，因此电池的辐射防护要求低。且241Am半衰期长(432年)，能保证长时间的提供能量。
附图说明
图1是本发明金刚石肖特基同位素电池的结构示意图；
图2是实施例中金刚石肖特基同位素电池的电流-电压曲线和输出功率-电压曲线图；
图3是实施例中金刚石肖特基同位素电池的开路电压随241Am阿尔法粒子照射时间的曲线图；
图4是实施例中金刚石肖特基同位素电池的短路电流随241Am阿尔法粒子照射时间的曲线图；
图5是实施例中金刚石肖特基同位素电池的转换效率随241Am阿尔法粒子照射时间的曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式金刚石肖特基同位素电池包括放射源1、电池肖特基电极2、本征金刚石层3、P型金刚石层4和电池欧姆电极5，该金刚石肖特基同位素电池从上至下依次由放射源1、电池肖特基电极2、本征金刚石层3和P型金刚石层4形成叠层结构，在叠层结构的侧面设置有电池欧姆电极5。
本实施方式金刚石肖特基同位素电池中所述的P型金刚石层为硼掺杂的高温高压P型金刚石，所述的本征金刚石层为化学气相沉积方法(CVD)生长的金刚石层，所述的电池欧姆电极为导电银胶。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的放射源1为241Am。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述的电池肖特基电极2为金、铂或铝。
具体实施方式四：本实施方式金刚石肖特基同位素电池的制备方法按以下步骤实施：
一、在P型金刚石基底层上，利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层，得到生长有本征金刚石层的金刚石基底；
二、将步骤一得到的生长有本征金刚石层的金刚石基底置于浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液中，加热至煮沸处理0.5～1小时，然后依次置于丙酮、去离子水和无水乙醇中进行超声清洗，得到清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底；
三、将清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底放置到磁控溅射装置中，在本征金刚石层表面溅射肖特基电极，得到换能单元；
四、在换能单元的侧面涂覆导电银胶，在75～85℃温度下加热固化，得到涂有导电银胶的换能单元；
五、在换能单元的肖特基电极上加载电镀放射源，得到金刚石肖特基同位素电池。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一中利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层的沉积过程是在工作温度为750～900℃，工作气压为190～230mBar条件下，控制甲烷与氢气流量比为4～2：96～98，以微波功率为2400～3500W进行本征金刚石层生长。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是生长完本征金刚石层后，打开微波等离子体化学气相沉积的氧气阀门，设定氧气流量为10～20sccm，气压为10～20mBar，处理5～10分钟。
本实施方式的作用是为了去除金刚石表面沉积的非晶碳。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是步骤一所述的本征金刚石层的厚度为10～15μm。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是步骤二所述的浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液是质量浓度为98％的H2SO4和质量浓度为65％～68％的HNO3按体积比为1：1混合。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是步骤三在本征金刚石层表面溅射Au肖特基电极，控制溅射束流为28～32mA。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是步骤三所述的肖特基电极的厚度为10～15nm。
实施例：本实施例金刚石肖特基同位素电池的制备方法按以下步骤实施：
一、在P型金刚石基底层上，利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层，微波等离子体化学气相沉积法的沉积参数为：在工作温度为850℃，工作气压为207mBar，甲烷与氢气流量比为3：97，微波功率为3232W，生长时间为2小时，生长完本征金刚石(外延)层后，打开微波等离子体化学气相沉积的氧气阀门，设定氧气流量为15sccm，气压10mBar，处理5分钟，得到生长有本征金刚石层的金刚石基底；
二、将生长有本征金刚石层的金刚石基底置于浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液(体积比为1：1)中，加热至煮沸处理1小时，以进一步去除金刚石表面非晶碳等杂质并且形成氧终端表面，然后依次置于丙酮、去离子水和无水乙醇中进行超声清洗30分钟，得到清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底；
三、将清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底放置到磁控溅射装置中，在本征金刚石层表面溅射厚度为20nm的Au肖特基电极，溅射束流为30mA，溅射时间为100秒，得到换能单元；
四、在换能单元的侧面涂覆导电银胶，在80℃温度下加热2小时，得到涂有导电银胶的换能单元；
五、在换能单元的肖特基电极上加载电镀241Am放射源，得到金刚石肖特基同位素电池。
本实施例步骤一所述的P型金刚石基底层的购买自郑州华晶金刚石股份有限公司，型号为DB 3*3*1。
图2给出了本实施例制备得到的金刚石肖特基同位素电池的电流-电压曲线和输出功率-电压曲线，从图中可以看出，电池的开路电压为1.13V，短路电流为53pA，在电压为-0.9V，电流为34.78pA时获得最大输出功率31.3pW。实验结果表明，本实施例的金刚石肖特基同位素电池开路电压达到1.13V，输出功率达到皮瓦级。
图3，图4，图5分别为金刚石肖特基同位素电池的开路电压，短路电流和转换效率随241Am阿尔法粒子照射时间的曲线。从曲线中可以看出经过156小时的照射，金刚石肖特基同位素电池依然有1V的开路电压，26pA的短路电流和0.49％的转换效率，这比Y.Liu等人在《Investigation on a radiation tolerant betavoltaic battery based on Schottkybarrier diode》上报道的金硅同位素电池照射之前的开路电压0.1008V，转换效率0.176％和Qiao等人在《A Micro nuclear battery based on SiC Schottky barrier diode》报道的0.25V和0.1％都要高。这表明使用金刚石作为换能材料有效提升了阿尔法辐射伏特效应电池的综合性能。
Claims (10)
1.金刚石肖特基同位素电池，其特征在于该金刚石肖特基同位素电池包括放射源(1)、电池肖特基电极(2)、本征金刚石层(3)、P型金刚石层(4)和电池欧姆电极(5)，该金刚石肖特基同位素电池从上至下依次由放射源(1)、电池肖特基电极(2)、本征金刚石层(3)和P型金刚石层(4)形成叠层结构，在叠层结构的侧面设置有电池欧姆电极(5)。
2.根据权利要求1所述的金刚石肖特基同位素电池，其特征在于所述的放射源(1)为241Am。
3.根据权利要求1所述的金刚石肖特基同位素电池，其特征在于所述的电池肖特基电极(2)为金、铂或铝。
4.金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于该方法按下列步骤实现：
一、在P型金刚石基底层上，利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层，得到生长有本征金刚石层的金刚石基底；
二、将步骤一得到的生长有本征金刚石层的金刚石基底置于浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液中，加热至煮沸处理0.5～1小时，然后依次置于丙酮、去离子水和无水乙醇中进行超声清洗，得到清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底；
三、将清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底放置到磁控溅射装置中，在本征金刚石层表面溅射肖特基电极，得到换能单元；
四、在换能单元的侧面涂覆导电银胶，在75～85℃温度下加热固化，得到涂有导电银胶的换能单元；
五、在换能单元的肖特基电极上加载电镀放射源，得到金刚石肖特基同位素电池。
5.根据权利要求4所述的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于步骤一中利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层的沉积过程是在工作温度为750～900℃，工作气压为190～230mBar条件下，控制甲烷与氢气流量比为4～2：96～98，以微波功率为2400～3500W进行本征金刚石层生长。
6.根据权利要求5所述的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于生长完本征金刚石层后，打开微波等离子体化学气相沉积的氧气阀门，设定氧气流量为10～20sccm，气压为10～20mBar，处理5～10分钟。
7.根据权利要求4所述的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于步骤一所述的本征金刚石层的厚度为10～15μm。
8.根据权利要求4所述的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于步骤二所述的浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液是质量浓度为98％的H2SO4和质量浓度为65％～68％的HNO3按体积比为1：1混合。
9.根据权利要求4所述的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于步骤三在本征金刚石层表面溅射Au肖特基电极，控制溅射束流为28～32mA。
10.根据权利要求4所述的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于步骤三所述的肖特基电极的厚度为10～15nm。
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