CN110710006A - 热电转换材料、热电转换元件、热电转换模块和光学传感器 - Google Patents

热电转换材料、热电转换元件、热电转换模块和光学传感器 Download PDF

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Abstract

一种热电转换材料，其包含：由半导体构成的母相；和设置在所述母相中的纳米粒子，并且所述纳米粒子具有0.0055以上的晶格常数分布Δd/d。

Description

热电转换材料、热电转换元件、热电转换模块和光学传感器
技术领域
本公开涉及一种热电转换材料、热电转换元件、热电转换模块和光学传感器。本申请要求于2017年6月7日提交的日本申请号2017-112986的优先权，该日本申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
背景技术
近年来，可再生能源作为替代诸如石油的化石燃料的清洁能源已经受到了广泛的关注。可再生能源的实例不仅包含利用太阳能、水力和风能进行发电，而且还包含利用温差通过热电转换进行发电。在热电转换中，由于将热量直接转换成电，因此在转换期间不会产生多余的废物。此外，热电转换的特征在于由于不需要诸如电动机的驱动单元，因此设备的维护是简单的。还存在利用热电转换的光学传感器，如红外线传感器。
使用用于进行热电转换的材料(热电转换材料)将温差(热能)转换成电能的效率η由下式(1)给出：
η＝ΔT/Th·(M-1)/(M+Tc/Th) (1)
其中η表示转换效率，ΔT＝Th-Tc，Th表示高温侧的温度，Tc表示低温侧的温度，M＝(1+ZT)1/2，ZT＝α2ST/κ，ZT表示无量纲的性能指数，α表示塞贝克系数(Seebeckcoefficient)，S表示电导率，并且κ表示热导率。因而，转换效率是ZT的单调递增函数。
在开发热电转换材料时，关键在于增加ZT。
已经报道了通过在将作为半导体材料的Si、Ge和Au层叠之后进行退火来形成SiGe(硅锗)纳米粒子的技术(例如参见非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Japanese Journal of Applied Physics,50(2011)041301。
发明内容
根据本公开的热电转换材料含有由半导体构成的母相和设置在所述母相中的纳米粒子。所述纳米粒子的晶格常数分布Δd/d为0.0055以上。
附图说明
[图1]图1是显示根据实施方式1的热电转换材料的制造方法的代表性步骤的流程图。
[图2]图2是多层体的一部分的横截面的示意图，所述多层体是处于其中原料元素被层叠的状态的热电转换材料。
[图3]图3是根据实施方式1的热电转换材料的示意性剖视图。
[图4]图4是表示X射线衍射信号中的峰的一个实例的图。
[图5]图5是表示X射线衍射信号的一个实例的图。
[图6]图6是表示使用威廉姆森-霍尔图(Williamson-Hall plot)的分析结果的图。
[图7]图7是表示晶格常数分布Δd/d与热导率κ之间的关系的示意图。
[图8]图8是显示作为本实施方式的热电转换元件的π型热电转换元件(发电元件)的结构的示意图。
[图9]图9是显示发电模块的结构的一个实例的示意图。
[图10]图10是显示红外线传感器的结构的一个实例的示意图。
具体实施方式
从增加ZT的观点来看，考虑降低上式(1)中的热导率κ。在此，在构成热电转换材料的母相中具有纳米粒子时，可以通过所述纳米粒子增强声子散射，由此可以降低热导率。
最近，从进一步改善热电转换效率的观点来看，要求热电转换材料进一步降低热导率。上述非专利文献1中公开的技术不能满足这样的要求。
因此，本公开的目的之一是提供一种具有改善的热电转换效率的热电转换材料。
[本公开的实施方式的说明]
首先，列出并且描述本公开的实施方式。根据本公开的热电转换材料含有由半导体构成的母相和设置在所述母相中的纳米粒子，并且所述纳米粒子具有0.0055以上的晶格常数分布Δd/d。
所述热电转换材料含有由半导体构成的母相。半导体具有大于导电材料的带隙并且因此可以增加塞贝克系数和无量纲性能指数ZT。此外，由于所述热电转换材料含有设置在所述母相中的纳米粒子等，因此可以增强声子散射。因此，可以降低热导率，并且可以增加无量纲性能指数ZT。
在此，对于设置在热电转换材料的母相中的纳米粒子，本发明人已经考虑了通过增加纳米粒子组成和晶体应变的变化即所述纳米粒子的晶格常数的变化来进一步降低热导率。这是基于以下想法，即具有各种晶格常数的纳米粒子的存在会促进具有不同频率的各种声子的散射。在本公开中，通过将纳米粒子的晶格常数分布Δd/d设定为0.0055以上可以充分降低热导率。
因此，这样的热电转换材料可以充分增加无量纲性能指数ZT，并且可以改善热电转换效率。
所述母相可以被构造为非晶质的。以这种方式，可以降低构成热电转换材料并且其中设置有纳米粒子的母相的热导率。因此，可以增加无量纲性能指数ZT，并且可以进一步改善热电转换效率。
所述纳米粒子的晶格常数分布Δd/d可以为0.04以下。在该范围内，更容易形成本公开的热电转换材料。
所述纳米粒子可以具有20nm以下的粒径。以这种方式，可以增加塞贝克系数，由此可以增加无量纲性能指数ZT。由此，可以进一步改善热电转换效率。
可选地，所述半导体可以为含有Si和Ge的SiGe类材料、含有Al、Mn和Si的AlMnSi类材料或者含有Bi和Te的BiTe类材料。在本公开的热电转换材料中，这样的半导体用基材是优选的。
所述热电转换材料可以含有Au、Cu、Al、B、Ni和Fe中的至少一种作为添加元素。这样的添加元素优选作为引起纳米粒子在本公开的热电转换材料中的母相中析出的添加元素。
本公开的热电转换元件包含热电转换材料单元、设置成与所述热电转换材料单元接触的第一电极和设置成与所述热电转换材料单元接触并且与所述第一电极相隔的第二电极。
所述热电转换材料单元由上述本公开的热电转换材料构成，其中在所述热电转换材料中调节成分组成以将导电类型设定为p型或n型。
在本公开的热电转换元件中，所述热电转换材料单元由上述具有优异的热电转换特性的热电转换材料构成，其中在所述热电转换材料中调节成分组成以将导电类型设定为p型或n型。因此，根据本公开的热电转换元件，可以提供具有优异的转换效率的热电转换元件。
本公开的热电转换模块包含多个上述热电转换元件。根据本申请的热电转换模块，由于包含多个具有优异的热电转换效率的本申请的热电转换元件，因此可以获得具有优异的热电转换效率的热电转换模块。
本公开的光学传感器包含上述热电转换模块。根据本公开的光学传感器，采用上述具有足够低的热导率值的热电转换材料。因此，本公开的光学传感器可以显示出高灵敏度。
[本公开的实施方式的详情]
接下来，参照附图描述本公开的热电转换材料的一个实施方式。在下文所述的附图中，相同的或者相应的部分由相同的附图标记表示，并且不再重复对其的描述。
(实施方式1)
首先，简要描述根据实施方式1的热电转换材料的制造方法。图1是显示根据实施方式1的热电转换材料的制造方法的代表性步骤的流程图。参照图1，准备诸如蓝宝石基板的作为基础基板的材料(图1中的步骤S11，在下文中省略“步骤”)。
接下来，将构成热电转换材料的多种原料元素在蓝宝石基板上层叠。在这种情况下，例如采用分子束外延(MBE)法依次层叠多种原料元素(S12)。具体地，在室温下、在蓝宝石基板上形成原料元素中的非晶硅(Si)的层。接下来，在所形成的非晶硅层上形成作为另一种原料元素的非晶锗(Ge)的层。随后，在非晶锗层上形成金(Au)的层，并且在金层上再次形成非晶锗的层。具体地，各个层的厚度例如被选择为Ge：1.8nm(纳米)；Au：0.1nm；和Si：1nm。在这种情况下，Au是添加元素。
图2是多层体11的一部分的横截面的示意图，所述多层体11是处于其中原料元素被层叠的状态的热电转换材料。图2是通过沿厚度方向切割多层体11而获得的剖视图。一并参照图2，在蓝宝石基板12上形成非晶硅层13、非晶锗层14、金层15和另一个非晶锗层16。重复形成由非晶硅层13、非晶锗层14、金层15和另一个非晶锗层16构成的多层单元17以将各原料元素层叠。重复层叠直到总厚度达到例如约220nm为止，由此形成多层体11。当通过SEM-EDX(能量色散X射线光谱法)测量多层体11的组成时，Au含量为3原子％。
接下来，加热由此获得的多层体11(S13)。在这种情况下，以10℃/分钟的速率使温度从室温升高到650℃。换句话说，通过相对缓慢地升高温度来进行退火处理。通过析出形成具有约6nm的粒径的纳米粒子，由此获得实施方式1的热电转换材料，其中母相是非晶质的并且纳米粒子被设置在母相中。
图3是根据实施方式1的热电转换材料21的示意性剖视图。
图3是通过沿厚度方向切割热电转换材料21而获得的剖视图。一并参照图3，实施方式1的热电转换材料21包含由半导体构成的并且主要由在蓝宝石基板12上形成的非晶Si、非晶Ge和非晶SiGe构成的母相22和设置在母相22中的纳米粒子23。在这种情况下，热电转换材料21由作为半导体的基础材料的含有Si和Ge的SiGe类材料构成。纳米粒子23通过从Au晶核中析出而形成并且被设置在母相22中。多个纳米粒子23处于微晶状态并且分散在母相22中。纳米粒子23的具体结构的一个实例是其中各个纳米粒子23的中心区域的成分组成主要由SiGe构成的结构。如上文所述，纳米粒子23具有例如约6nm的粒径。
在此，纳米粒子23的晶格常数分布Δd/d被设定为0.0055以上。晶格常数分布Δd/d是通过对所获得的热电转换材料21进行X射线衍射并且使用威廉姆森-霍尔图分析衍射结果而获得的。
接下来，描述晶格常数分布Δd/d的定义。图4是表示X射线衍射信号中的峰的一个实例的图。在图4中，纵轴表示X射线衍射信号的强度(任意单位)，并且横轴表示2θ(°)，其中θ表示衍射角。
现在参照图4，首先，假设X射线衍射信号中的峰31的位置在2θ(峰)处，确定在峰31的位置处的晶格常数d。在此，由于晶格常数与衍射角之间的关系由2dsinθ＝nλ(d：晶格常数，λ：波长)的关系表示，因此使用该关系。接下来，确定构成峰31的半值的信号位置处的高角侧值并且将其定义为2θ(H)。然后，使用2θ(H)来确定高角侧的晶格常数d(H)。此外，确定构成峰31的半值的信号位置处的低角侧值并且将其定义为2θ(L)。然后，使用2θ(L)确定低角侧的晶格常数d(L)。在晶格常数分布Δd/d中，Δd被确定为d(H)-d(L)。最后，晶格常数分布Δd/d被确定为(d(H)-d(L))/d。由此，定义了晶格常数分布Δd/d。在此表示的晶格常数分布Δd/d基于如图4中所示的归属于具有预定粒径的晶体的峰31的形状。
在实际的系统中，由于粒径变化，因此必须分析两个以上的X射线衍射信号，并且必须通过使用威廉姆森-霍尔图进行分析，利用该图可以分离晶格常数分布和粒径。其分析例描述于下文中。
图5是表示X射线衍射信号的一个实例的图。在图5中，纵轴表示X射线衍射信号的强度(任意单位)，并且横轴表示2θ(°)，其中θ表示衍射角。在图5中，将2θ设定为20°至70°。此外，实线32表示使用放射X射线作为X射线衍射中的X射线的情况，并且虚线33表示使用CuK-α射线作为X射线衍射中的X射线的情况。此外，图5表示如上述图2中所示在热处理之前将Au层15即Au的厚度设定为0.35nm，然后完成加热步骤的情况，换句话说，纳米粒子23析出的状态。需要说明的是，使用放射X射线的X射线衍射在大型放射设备SPring-8中进行。此外，在图5的图中，实线32与虚线33之间的偏差归因于在X射线衍射中使用的X射线的类型的差异等。
使用同步加速器放射和SPring-8进行测量的测量条件如下所示：光束线：SPring-8 BL16XU；分光器/镜：Si(111)/Rh涂层镜，3.5毫拉德；光子能量：18keV
Figure BDA0002293034530000081
；检测器：二维检测器PILATUS 100K；相机长度：200mm；狭缝宽度：50mm(H)×500mm(V)；入射角：0.5°；检测器中心角：19°；和曝光时间：3秒。使用Cu K-α射线进行测量的测量条件是由帕纳科公司(Panalytical)制造的Xpert(45kV，40mA)。当使用通用X射线衍射设备时，Cu K-β射线的混合对高角侧的影响变得显著，因此从测量精度的观点来看，优选通过使用SPring-8进行测量。
参照图5，例如在约28°处由实线32和虚线33表示的峰34a表示SiGe。因而，在衍射信号中，出现多个峰34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h、34i、34j、34k、34l和34m。
对于由此获得的X射线衍射结果，本发明人着眼于以下事实，即在关于衍射信号中的峰的半值宽度和峰的位置的信息中含有关于纳米粒子的粒径和纳米粒子的晶格常数分布的信息。因此，使用威廉姆森-霍尔图进行分析以分离关于纳米粒子23的粒径的要素和关于纳米粒子23的晶格常数分布的要素。
图6是表示通过威廉姆森-霍尔图的分析结果的图。在图6中，纵轴表示βcosθ/λ的值，并且横轴表示sinθ/λ的值。图6中的四个实心三角形、四个正方形和四个菱形分别表示相同的样品。在此，β表示半值宽度，θ表示衍射角，并且λ表示X射线的波长。在图6中，针对四个衍射信号绘制了这些值。对于各个所述样品，标绘点由直线36a、36b和36c连接。直线36a表示其中Au的厚度被设定为0.35nm的样品，直线36b表示其中Au的厚度被设定为0.17nm的样品，并且直线36c表示其中Au的厚度被设定为0.10nm的样品。对于这些直线36a至36c，满足关系βcosθ/λ＝2ηsinθ/λ+1/ε，其中η表示晶格常数分布，1/ε表示粒径，并且βcosθ和sinθ表示变量。换句话说，直线的斜率2η表示晶格常数分布Δd/d，并且截距1/ε表示粒径。
从图6中所示的直线36a至36c导出的Au的厚度(nm)、粒径(nm)和晶格常数分布(Δd/d)之间的关系为如下。也就是说，当Au的厚度为0.35nm时，粒径为25nm并且晶格常数分布Δd/d为0.0028。当Au的厚度为0.17nm时，粒径为25nm，并且晶格常数分布Δd/d为0.0055。当Au的厚度为0.10nm时，粒径为20nm，并且晶格常数分布Δd/d为0.0065。
在此，本发明人已经研究了所获得的晶格常数分布Δd/d与热导率κ之间的关系。图7为表示晶格常数分布Δd/d与热导率κ之间的关系的图。在图7中，纵轴表示热导率(W/mK)，并且横轴表示晶格常数分布Δd/d。从样品测量热导率κ。
参照图7，关于热导率κ与晶格常数分布Δd/d之间的关系，当晶格常数分布Δd/d取0.0028的值时，热导率κ为0.36。当晶格常数分布Δd/d取0.004的值时，热导率κ为0.25。当晶格常数分布Δd/d取0.0055的值时，热导率κ为0.16。当晶格常数分布Δd/d取0.0065的值时，热导率κ为0.16。当晶格常数分布Δd/d取0.0075的值时，热导率κ为0.15。当晶格常数分布Δd/d取0.0090的值时，热导率κ为0.16。当晶格常数分布Δd/d取0.010的值时，热导率κ为0.15。当晶格常数分布Δd/d取0.040的值时，热导率κ为0.16。在此，关于热导率κ，通过将晶格常数分布Δd/d设定为等于或大于阈值0.0055的值，可以获得足够小的值。换句话说，通过将晶格常数分布Δd/d的值调节为0.0055以上，可以将热导率κ调节为非常小的值。
这是如下考虑的。也就是说，当由纳米粒子23的晶格常数分布Δd/d粗略表示的纳米粒子23的晶体组成和组成应变的变化增加时，发生所谓的组成不均(ムラ)。这促进具有不同频率的声子的散射。由此推测，由此可以充分降低热导率κ。因此，在这样的热电转换材料21中，可以充分增加无量纲性能指数ZT，并且可以改善热电转换效率。据推测，当纳米粒子23由共价原子间键构成时，可以应用声子散射与晶格常数分布Δd/d取0.0055以上的值的组成不均之间的关系。此外，共价材料的晶格常数分布Δd/d的极限值为0.04。所述极限值是由Si-Ge化合物中Si和Ge的晶格常数确定的值，所述Si-Ge化合物是共价键合的全比例固溶体。据认为对于本公开中的所有其它共价晶体材料，晶格常数分布Δd/d的极限值为0.04。
晶格常数分布Δd/d的值优选为0.04以下。在该范围内，容易形成本申请的热电转换材料21。
在上述实施方式中，热电转换材料21的母相22是非晶质的。然而，这不是限制性的，并且母相22可以是多晶的。
在上述实施方式中，半导体为含有Si和Ge的SiGe类材料。然而，这不是限制性的，并且共价半导体可以为含有Al、Mn和Si的AlMnSi类材料或者含有Bi和Te的BiTe类材料。对于本公开的热电转换材料，这样的半导体是优选的。这是因为据认为可以应用在本公开中发现的组成不均与声子散射之间的关系，只要纳米粒子23是结晶的共价半导体材料即可。
在上述实施方式中，使用Au作为添加元素。然而，这不是限制性的，并且添加元素可以含有Au、Cu、Al、B、Ni和Fe中的至少一种。这些元素可以在由半导体构成的母相中作为核，由此优选作为用于诱导纳米粒子23析出的添加元素。
纳米粒子23的粒径优选为20nm以下。以这种方式，可以增强声子散射并且由此可以降低热导率。此外，可以增加塞贝克系数，并且由此可以增加ZT。由此，可以进一步改善热电转换效率。纳米粒子23的粒径更优选为10nm以下并且还更优选为5nm以下。以这种方式，可以进一步增强声子散射并且可以进一步降低热导率。
(实施方式2)
接下来，描述发电元件和发电模块，其为使用本公开的热电转换材料的热电转换元件和热电转换模块的实施方式。
图8是显示作为本实施方式的热电转换元件的π型热电转换元件(发电元件)51的结构的示意图。参照图8，π型热电转换元件51包含作为第一热电转换材料单元的p型热电转换材料单元52、作为第二热电转换材料单元的n型热电转换材料单元53、高温侧电极54、第一低温侧电极55、第二低温侧电极56和配线57。
p型热电转换材料单元52例如由实施方式1的热电转换材料构成，其中在所述热电转换材料中调节成分组成以将导电类型设定为p型。例如通过用产生作为多数载流子的p型载流子(空穴)的p型杂质对构成p型热电转换材料单元52的实施方式1的热电转换材料进行掺杂而将p型热电转换材料单元52的导电类型设定为p型。
n型热电转换材料单元53例如由实施方式1的热电转换材料构成，其中在所述热电转换材料中调节成分组成以将导电类型设定为n型。例如通过用产生作为多数载流子的n型载流子(电子)的n型杂质对构成n型热电转换材料单元53的实施方式1的热电转换材料进行掺杂而将n型热电转换材料单元53的导电类型设定为n型。
p型热电转换材料单元52和n型热电转换材料单元53相隔且并排布置。高温侧电极54被布置成从p型热电转换材料单元52的一个端部61延伸到n型热电转换材料单元53的一个端部62。高温侧电极54被布置成与p型热电转换材料单元52的端部61和n型热电转换材料单元53的端部62两者接触。高温侧电极54被布置成连接p型热电转换材料单元52的端部61和n型热电转换材料单元53的端部62。高温侧电极54例如由诸如金属的导电材料构成。高温侧电极54与p型热电转换材料单元52和n型热电转换材料单元53进行欧姆接触。
热电转换材料单元52或热电转换材料单元53优选为p型或n型；然而，可选地，热电转换材料单元52和53之一可以为金属导体。
在上述实施方式中，作为本申请的热电转换元件的一个实例，描述了π型热电转换元件，但是本申请的热电转换元件不限于此。例如本申请的热电转换元件可以具有其它结构，如I型(单腿型)热电转换元件。
第一低温侧电极55被布置成与p型热电转换材料单元52的另一个端部63接触。第一低温侧电极55被布置成与高温侧电极54相隔。
第一低温侧电极55例如由诸如金属的导电材料构成。第一低温侧电极55与p型热电转换材料单元52进行欧姆接触。
第二低温侧电极56被布置成与n型热电转换材料单元53的另一个端部64接触。第二低温侧电极56被布置成与高温侧电极54和第一低温侧电极55相隔。第二低温侧电极56例如由诸如金属的导电材料构成。第二低温侧电极56与n型热电转换材料单元53进行欧姆接触。
配线57由诸如金属的导体构成。配线57将第一低温侧电极55和第二低温侧电极56进行电连接。
在π型热电转换元件51中，当例如在p型热电转换材料单元52的端部61和n型热电转换材料单元53的端部62处的高温与p型热电转换材料单元52的端部63和n型热电转换材料单元53的端部64处的低温之间形成温差时，p型载流子(空穴)在p型热电转换材料单元52中从端部61朝向端部63迁移。在该过程中，在n型热电转换材料单元53中，n型载流子(电子)从端部62朝向端部64迁移。由此，电流沿箭头α方向在配线57中流动。由此，在π型热电转换元件51中，利用温差通过热电转换来发电。换句话说，π型热电转换元件51是发电元件。
采用其中通过充分降低热导率来增加ZT值的实施方式1的热电转换材料作为构成p型热电转换材料单元52和n型热电转换材料单元53的材料。由此，π型热电转换元件51作为高效率发电元件。
此外，作为热电转换模块的发电模块可以通过将多个π型热电转换元件51进行电连接而获得。作为本实施方式的热电转换模块的发电模块65具有多个π型热电转换元件51串联连接的结构。
图9是显示发电模块65的结构的一个实例的示意图。参照图9，本实施方式的发电模块65包含p型热电转换材料单元52、n型热电转换材料单元53和各自对应于第一低温侧电极55和第二低温侧电极56的低温侧电极55、56、高温侧电极54、低温侧绝缘体基板66和高温侧绝缘体基板67。低温侧绝缘体基板66和高温侧绝缘体基板67由诸如氧化铝的陶瓷构成。p型热电转换材料单元52和n型热电转换材料单元53交替并排布置。低温侧电极55、56以与上述的π型热电转换元件51中相同的方式被布置成与p型热电转换材料单元52和n型热电转换材料单元53接触。高温侧电极54以与上述的π型热电转换元件51中相同的方式被布置成与p型热电转换材料单元52和n型热电转换材料单元53接触。各p型热电转换材料单元52经由共用的高温侧电极54在一侧与相邻的n型热电转换材料单元53连接。各p型热电转换材料单元52经由共用的低温侧电极55、56在与上述一侧不同的另一侧与相邻的n型热电转换材料单元53连接。
由此，所有的p型热电转换材料单元52和n型热电转换材料单元53都串联连接。
低温侧绝缘体基板66被设置在板状形状的低温侧电极55、56的主表面侧，所述主表面侧在与p型热电转换材料单元52和n型热电转换材料单元53接触的一侧的相反侧。
一个低温侧绝缘体基板66被设置用于多个(所有)低温侧电极55、56。高温侧绝缘体基板67被设置在板状形状的高温侧电极54的一侧，该侧在与p型热电转换材料单元52和n型热电转换材料单元53接触的一侧的相反侧。一个高温侧绝缘体基板67被设置用于多个(所有)高温侧电极54。
配线68和69分别与跟串联连接的p型热电转换材料单元52和n型热电转换材料单元53中位于两端处的p型热电转换材料单元52或者n型热电转换材料单元53接触的高温侧电极54或者低温侧电极55、56连接。当在高温侧绝缘体基板67侧的高温与低温侧绝缘体基板66侧的低温之间形成温差时，与上述π型热电转换元件51的情况相同，电流沿箭头α方向流过串联连接的p型热电转换材料单元52和n型热电转换材料单元53。由此，在发电模块65中，利用温差通过热电转换来发电。
(实施方式3)
接下来，作为使用本公开的热电转换材料的热电转换元件的另一个实施方式，描述作为光学传感器的红外线传感器。
图10是显示红外线传感器71的结构的一个实例的示意图。参照图10，红外线传感器71包含被布置成彼此相邻的p型热电转换单元72和n型热电转换单元73。p型热电转换单元72和n型热电转换单元73形成在基板74上。
红外线传感器71包含基板74、蚀刻停止层75、n型热电转换材料层76、n+型欧姆接触层77、绝缘体层78、p型热电转换材料层79、n侧欧姆接触电极81、p侧欧姆接触电极82、吸热垫83、吸收体84和保护膜85。
基板74由诸如二氧化硅的绝缘体构成。在基板74中形成凹部86。以覆盖基板74的表面的方式形成蚀刻停止层75。蚀刻停止层75例如由诸如氮化硅的绝缘体构成。在蚀刻停止层75与基板74中的凹部86之间形成空隙。
在蚀刻停止层75的主表面上形成n型热电转换材料层76，所述主表面在基板74的相反侧。n型热电转换材料层76例如由实施方式1的热电转换材料构成，其中在所述热电转换材料中调节成分组成以将导电类型设定为n型。例如通过用产生作为多数载流子的n型载流子(电子)的n型杂质对构成n型热电转换材料层76的实施方式1的热电转换材料进行掺杂而将n型热电转换材料层76的导电类型设定为n型。在n型热电转换材料层76的主表面上形成n+型欧姆接触层77，所述主表面在蚀刻停止层75的相反侧。例如用产生作为多数载流子的n型载流子(电子)的n型杂质对n+型欧姆接触层77进行掺杂而使n型杂质的浓度高于n型热电转换材料层76中的浓度。因此，n+型欧姆接触层77的导电类型为n型。
n侧欧姆接触电极81被设置成与n+型欧姆接触层77的主表面的中央部分接触，所述主表面在n型热电转换材料层76的相反侧。n侧欧姆接触电极81由可以与n+型欧姆接触层77进行欧姆接触的材料如金属构成。由诸如二氧化硅的绝缘体构成的绝缘体层78被设置在n+型欧姆接触层77的主表面上，所述主表面在n型热电转换材料层76的相反侧。绝缘体层78被设置在n+型欧姆接触层77的主表面上，当从n侧欧姆接触电极81观察时，所述主表面在p型热电转换单元72侧。
在n+型欧姆接触层77的主表面上还设置有保护膜85，所述主表面在n型热电转换材料层76的相反侧。所述保护膜85设置在n+型欧姆接触层77的主表面上，当从n侧欧姆接触电极81观察时，所述主表面在p型热电转换层72的相反侧。另一个n侧欧姆接触电极81设置在n+型欧姆接触层77的主表面上，所述主表面在n型热电转换材料层76的相反侧，所述另一个n侧欧姆接触电极81以保护膜85在其与上述n侧欧姆接触电极81之间的方式设置在上述n侧欧姆接触电极81的相反侧。
p型热电转换材料层79设置在绝缘体层78的主表面上，所述主表面在n+型欧姆接触层77的相反侧。p型热电转换材料层79由实施方式1的热电转换材料构成，其中在所述热电转换材料中调节成分组成以将导电类型设定为p型。例如通过用产生作为多数载流子的p型载流子(空穴)的p型杂质对构成p型热电转换材料层79的实施方式1的热电转换材料进行掺杂而将p型热电转换材料层79的导电类型设定为p型。
保护膜85设置在p型热电转换材料层79的主表面上的中央部分中，所述主表面在绝缘体层78的相反侧。与保护膜85侧面相接的一对p侧欧姆接触电极82设置在p型热电转换材料层79的主表面上，所述主表面在绝缘体层78的相反侧。p侧欧姆接触电极82由可以与p型热电转换材料层79进行欧姆接触的材料如金属构成。在这对p侧欧姆接触电极82中，n型热电转换单元73侧的p侧欧姆接触电极82与n侧欧姆接触电极81连接。
吸收体84被设置成覆盖彼此连接的p侧欧姆接触电极81和n侧欧姆接触电极82的主表面，所述主表面在n+型欧姆接触层77的相反侧。吸收体84例如由钛构成。吸热垫83被设置成与不与n侧欧姆接触电极82连接的p侧欧姆接触电极81的顶部接触。吸热垫83被设置成与不与p侧欧姆接触电极81连接的n侧欧姆接触电极82的顶部接触。构成吸热垫83的材料的实例是金(Au)/钛(Ti)。
当向红外线传感器71施加红外线时，吸收体84吸收红外线的能量。由此，吸收体84的温度升高。同时，抑制吸热垫83的温度升高。由此，在吸收体84与吸热垫83之间形成温差。由此，在p型热电转换材料层79中，p型载流子(空穴)从吸收体84朝向吸热垫83迁移。同时，在n型热电转换材料层76中，n型载流子(电子)从吸收体84朝向吸热垫83迁移。然后，提取由于载流子从n侧欧姆接触电极81和p侧欧姆接触电极82的迁移而产生的电流并且由此检测到红外线。
本实施方式的红外线传感器71采用通过充分降低热导率来增加ZT值的实施方式1的热电转换材料作为构成p型热电转换材料层79和n型热电转换材料层76的材料。因此，红外线传感器71显示出高灵敏度。
本文公开的实施方式在所有方面都是示例性的，并且在任何方面都不应当被理解为是限制性的。本发明的范围不是由以上描述限定，而是由权利要求限定，并且旨在包含权利要求和其等同方案的含义内的所有改变和修改。
标号说明
11 多层体
12 蓝宝石基板
13 非晶硅层
14、16 非晶锗层
15 Au层
17 多层单元
21 热电转换材料
22 母相
23 纳米粒子
31、34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h、34i、34j、34k、34l、34m 峰
32 实线
33 虚线
36a、36b、36c 直线
51 π型热电转换元件
52 p型热电转换材料单元
53 n型热电转换材料单元
54 高温侧电极
55 第一低温侧电极(低温侧电极)
56 第二低温侧电极(低温侧电极)
57、68、69 配线
61、62、63、64端部
65 发电模块
66 低温侧绝缘体基板
67 高温侧绝缘体基板
71 红外线传感器
72 p型热电转换单元
73 n型热电转换单元
74 基板
75 蚀刻停止层
76 n型热电转换材料层
77 n+型欧姆接触层
78 绝缘体层
79 p型热电转换材料层
81 n侧欧姆接触电极
82 p侧欧姆接触电极
83 吸热垫
84 吸收体
85 保护膜

Claims (9)

1.一种热电转换材料，其包含：
由半导体构成的母相；和
设置在所述母相中的纳米粒子，
其中所述纳米粒子具有0.0055以上的晶格常数分布Δd/d。
2.根据权利要求1所述的热电转换材料，其中所述母相是非晶质的。
3.根据权利要求1或2所述的热电转换材料，其中所述纳米粒子具有0.04以下的晶格常数分布Δd/d。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热电转换材料，其中所述纳米粒子具有20nm以下的粒径。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热电转换材料，其中所述半导体为含有Si和Ge的SiGe类材料、含有Al、Mn和Si的AlMnSi类材料或者含有Bi和Te的BiTe类材料。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的热电转换材料，其含有Au、Cu、Al、B、Ni和Fe中的至少一种作为添加元素。
7.一种热电转换元件，其包含：
热电转换材料单元；
设置成与所述热电转换材料单元接触的第一电极；和
设置成与所述热电转换材料单元接触并且与所述第一电极相隔的第二电极，
其中所述热电转换材料单元由根据权利要求1至6中任一项所述的热电转换材料构成，所述热电转换材料具有被调节为将导电类型设定为p型或n型的成分组成。
8.一种热电转换模块，其包含多个根据权利要求7所述的热电转换元件。
9.一种光学传感器，其包含根据权利要求8所述的热电转换模块。
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