CN117156945A - 一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，该系统的核心是利用一种特殊的拓扑近藤绝缘体的晶格缺陷或人工引入的缺陷，从而在材料表面构造拓扑平庸的绝缘体态与拓扑非平庸的金属态共存的区域，这些区域之间具有不同电化学势，并且可以通过热激发的电子维持其电势差；通过金属导线将不同电化学势的区域连接，可以获得持续的电能。本发明的优势在于拓扑绝缘体材料可以在拓扑相变温度附近，通过热电子的激发在绝缘体与金属区域之间维持恒定的电化学势，从而维持稳定的电势差，是一种高效的热能到电能的转换系统，可以直接将热能高效率地转换为电能。
Description
技术领域
本发明涉及利用拓扑绝缘体的非均匀性实现热能到电能转换的技术领域，尤其涉及在拓扑表面态上产生及探测不均匀电化学势领域，特别是一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统。
背景技术
拓扑绝缘体是近年来发现的一种具有新奇量子特性的物质,这类材料的特点是体内的能带具有典型的绝缘体特征，在费米能处存在着能隙，然而在这类材料的表面则总是存在着受对称性保护的穿越能隙的拓扑电子态，使得材料表面总是金属性的。
拓扑绝缘体有很多应用潜力，但是目前关于直接利用拓扑绝缘体的表面态电子态的应用方案很少，如仅有拓扑材料的结构设计，含有拓扑材料的电路设计等。
此外，目前的应用方案大多是基于弱关联的拓扑绝缘体材料提出的样品制备或应用原理，且不涉及相关材料在热能-电能转换方面的应用。
拓扑绝缘体的一个主要应用困难是弱关联拓扑绝缘体往往不够“完美”，即拓扑非平庸的表面电子态可能与拓扑平庸的体态混合，或者表面电子态的狄拉克点远离材料的费米能，又或者材料的能量尺度较高而不容易调控，这些缺陷导致了拓扑绝缘体材料应用的困难，也限制了具体应用方案的设计。
本发明提出了利用拓扑近藤绝缘体实现热能到电能的能量转换系统，作为一种类似化学电池的新型能量转换系统，实现热能到电能的直接且高效的转换。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中热能到电能的转换效率低的问题以及弱关联拓扑绝缘体难以调控的难点，提供一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统。本发明能够实现在拓扑近藤绝缘体中诱导出拓扑表面态-绝缘体态共存的区域，从而获得电能；本发明能够将热能高效率地转化为电能，尤其是低温环境下，可以持续的获得电能，在低温环境下的电路应用中具有潜力。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明提供了一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，通过金属导线连接拓扑绝缘体材料表面电化学势不同的区域，获得与化学电池类似的电势差，以实现热能到电能的转换的电路系统。
进一步地，所述拓扑绝缘体材料是具有强关联效应的拓扑近藤绝缘体，所述拓扑绝缘体材料包括但不限于六硼化钐(SmB6)、十二硼化镱(YbB12)、二锑化铁(FeSb2)和铁硅合金(FeSi)。
进一步地，所述拓扑近藤绝缘体的特征是具有通过强关联效应导致的完全打开的体态能隙，且该能隙与拓扑近藤绝缘体的费米能的距离为-20meV～20meV范围内。
进一步地，所述拓扑近藤绝缘体的拓扑表面态通过晶体缺陷及体态、表面离子注入或局域覆盖铁磁半导体薄膜，表面近邻效应产生不均匀性，以在同一材料表面构造拓扑平庸与非平庸的能带共存的结构。
进一步地，所述拓扑表面态的电化学势差异被热激发的电子维持，从而实现热能到电能的有效转换，热激发的形式包括热传导和热辐射两种方式。
进一步地，所述系统的工作温度小于等于所述拓扑绝缘体材料的拓扑表面态开始形成的温度。
进一步地，所述金属导线包括但不限于铜线和铝线等，所述金属导线通过导电胶、表面电极沉积或焊接技术连接拓扑绝缘体材料表面电化学势不同的区域。
本发明所述的热电能量转换系统由带有表面缺陷的拓扑绝缘体材料如六硼化钐(SmB6)作为能量转换单元，在拓扑表面态形成的温度区间内，拓扑绝缘体材料表面存在拓扑平庸与非平庸的两种区域，通过使用金属导线将这两种区域连接，形成的闭合回路可以获得持续的电能。
本发明所述的拓扑近藤绝缘体材料可以由公开报道的固相反应法或光学浮区炉提拉法制备得到，该公开报道可参见D.J.Kim等,Nat.Mater.13,466(2014).。
进一步地，将制备好的拓扑近藤绝缘体材料的固体样品在含有氧化铝陶瓷的抛光纸上打磨至表面粗糙度小于5纳米。
进一步地，在拓扑近藤绝缘体材料发生拓扑相变的温度区间内，即在拓扑近藤绝缘体材料的拓扑表面态形成的温度区间内，拓扑近藤绝缘体材料表面由于晶体天然缺陷或者人工引入的缺陷形成部分金属(即拓扑非平庸)与部分绝缘体(即拓扑平庸)的相分离区域，从而使得拓扑近藤绝缘体材料同一表面表现出不同的电化学势。
进一步地，所述温度区间小于20开尔文。
本发明所述的热电能量转换系统的正极需要接入拓扑近藤绝缘体材料表面容易形成拓扑表面态的纯净区域，负极需要接入缺陷较多的区域。
本发明所述的热电能量转换系统需要在打磨好的拓扑近藤绝缘体材料表面制备多个电极，在光滑的上表面制备多个电极，电极的大小小于等于100微米*100微米，同时将拓扑近藤绝缘体材料的下表面用导电金属胶均匀短路，作为负极(也称为接地参考点)。
进一步地，本发明所述热电能量转换系统的正极为拓扑近藤绝缘体材料上表面的一个电极，负极为拓扑近藤绝缘体材料下表面或者上表面中电化学势低的区域，正负极通过金属导线连接形成一个回路。
进一步地，将拓扑近藤绝缘体材料的温度降低并维持在发生拓扑相变的温度附近以获取大的电势差，电势差最大值由拓扑近藤绝缘体材料的体态能隙的大小限制，最大电流由工作时闭合回路的总电阻限制。
本发明所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，利用了拓扑绝缘体表面的不均匀性，实现热能到电能的转换。
本发明还提供了一种如上述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统在收集环境热量并转化为持续电能中的应用。
本发明的有益效果是，本发明的制备方法简单、成本低廉、易于规模生产，可以制备廉价的热能转换系统，具有优良的转换效率，在低温供电电路、航空航天器件、太空探索能源获得等方向都有良好的应用前景；本发明可以在低温环境下可持续的将能量密度低的热能转化为电能。
附图说明
图1是本发明的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统的结构示意图；
图2是图1的俯视图(上图)、剖视图(中图)及含拓扑表面态区域(下图左)与不含拓扑表面态区域(下图右)的电子能带示意图；
图3是本发明实施例1中的一号电极#1与四号电极#4之间测量到的电流随温度变化的测量结果示意图；
图4是本发明实施例1中的一号电极#1与四号电极#4之间测量到的电流随时间变化的测量结果示意图；
图5是本发明实施例2中多个电极对接地参考点之间的电压随温度的变化关系测量图；
图6是本发明实施例2中在拓扑近藤绝缘体六硼化钐材料的表面注入离子束的结果示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
参见图1，本发明的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统包含具有非均匀拓扑表面态的拓扑绝缘体材料作为能量转换单元，至少两个电极与拓扑绝缘体材料的不同区域连接。
实施例1
利用拓扑近藤绝缘体材料六硼化钐(SmB6)的天然缺陷，获得具有不同电化学势的表面，如图2所示，六硼化钐也可以用其他拓扑绝缘体材料如十二硼化镱(YbB12)、二锑化铁(FeSb2)、铁硅合金(FeSi)代替。该实施例中，制备的拓扑近藤绝缘体材料的大小为1-2平方毫米。
为了获得光滑的表面，拓扑近藤绝缘体材料六硼化钐需要用三氧化二铝抛光纸精细抛光到表面粗糙度小于5纳米。
在六硼化钐上表面利用导电银胶制备多个电极，同时将拓扑近藤绝缘体材料六硼化钐的下表面用导电金属胶粘贴到衬底上，下表面作为负极。
具体地，利用20微米直径的金线或者铂线在拓扑近藤绝缘体材料的上表面制备多个电极，使用导电银胶将金线或者铂线与拓扑近藤绝缘体材料上表面连接，电极大小小于等于100微米*100微米，本实施例中电极大小在0.01平方毫米，导线与六硼化钐表面之间的电阻小于等于50欧姆，如图1和图2所示。
另一种电极制备方案是利用光刻办法在样品上表面蒸镀若干100微米*100微米以下的金薄膜，然后利用引线键合机将20微米直径的金线或者铂线与金膜连接。
示例性地，图1展示了一种电极制备方案，在拓扑近藤绝缘体材料的上表面放置三个电极，分别是一号电极#1、二号电极#2、三号电极#3，在拓扑近藤绝缘体材料底部固定的导电胶上放置作为接地参考点的四号电极#4。应当理解的是，还可以根据实际具体情况设置拓扑近藤绝缘体材料的上表面放置的个数，负极可以设置在拓扑近藤绝缘体材料底部固定的导电胶上，也可以设置在拓扑近藤绝缘体材料的上表面中电化学势低的区域中。
之后，将制备好电极后的拓扑近藤绝缘体材料通过导电胶水与硬质衬底连接，当然，也可以用非导电粘合剂连接在硬质衬底上，衬底选择导热较好的金属或非金属材料，如铜、氧化铝陶瓷，其中，粘合剂需要在低温环境工作。至此，即可得到本发明所述的热电能量转换系统。
利用低温设备，将热电能量转换系统置于低温环境中，控制低温设备将温度从室温到10开尔文以下，在实际应用中，可由环境提供低温环境或远红外光辐射，如外太空环境等。
利用100微米直径的铜线将热电能量转换系统的电极与低温设备的测量电路连接，并通过电压表或电流表测量热电能量转换系统正负极之间的电压或电流。
随着温度的降低，当温度到达20开尔文附近，可以在正负极之间观测到非0的电流，此时，热电能量转换系统在10-20开尔文附近产生了对外输出的电流，随着温度的进一步降低，电流在6-7开尔文附近出现最大值。电流最大值可达120纳安，如图3所示。另外，在6-10开尔文的温度区间时，热电能量转换系统可以形成500微伏的电压。
观测到的额外电流或者电压可以长时间保存基本恒定，图4展示了测量电流2小时以上，热电能量转换系统都能持续稳定的对外放电。
由于拓扑表面态初始形成的不均匀性，拓扑近藤绝缘体材料表面不同位置测量到的电势差大小及其温度依赖关系会有差异。
选择电流/电压较大的电极作为可以利用的接口，将拓扑近藤绝缘体及接口进行封装，并将封装好的系统串联，形成稳定耐用的热电能量转换系统。
实施例2
在拓扑近藤绝缘体六硼化钐材料的表面的微小区域内，利用离子注入技术掺入少量杂质或磁性杂质，如钆、镱等，使得被溅射区域的表面更难形成拓扑表面态，如图6所示。较为优化的参数是溅射区域将六硼化钐表面分割成不同区域。
在处理过的六硼化钐表面，利用导电银胶制备多个电极，电极分别置于离子注入与未注入的区域，作为热电能量转换系统的正负极，其中将置于离子注入区域的电极作为负极，将置于离子未注入区域的电极作为正极。
利用20微米直径的金线或者铂线连接热电能量转换系统的正负极。金线或者铂线使用导电银胶与拓扑近藤绝缘体材料的表面连接，电极的大小小于等于100微米*100微米，导线与六硼化钐表面之间的电阻小于等于50欧姆，如图2所示。
利用低温设备，将热电能量转换系统置于低温环境中，控制低温设备将温度从室温到10开尔文以下。
利用100微米直径的铜线将热电能量转换系统的电极与低温设备的测量电路连接，并通过电压表或电流表测量热电能量转换系统正负极之间的电压或电流。
由于人工引入缺陷，拓扑表面态初始形成具有不均匀性，拓扑近藤绝缘体材料表面不同位置测量到的电势差大小及其温度依赖关系会有差异，如图5所示。
选择电流/电压较大的电极作为可以利用的接口，将拓扑近藤绝缘体及接口进行封装，并将封装好的系统串联，形成稳定耐用的热电能量转换系统。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，通过金属导线连接拓扑绝缘体材料表面电化学势不同的区域，获得与化学电池类似的电势差，以实现热能到电能的转换的电路系统。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，所述拓扑绝缘体材料是具有强关联效应的拓扑近藤绝缘体，所述拓扑绝缘体材料包括六硼化钐、十二硼化镱、二锑化铁和铁硅合金。
3.根据权利要求2所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，所述拓扑近藤绝缘体的特征是具有通过强关联效应导致的完全打开的体态能隙，且该能隙与拓扑近藤绝缘体的费米能的距离为-20meV～20meV。
4.根据权利要求2所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，所述拓扑近藤绝缘体的拓扑表面态通过晶体缺陷及体态、表面离子注入或局域覆盖铁磁半导体薄膜，表面近邻效应产生不均匀性，以在同一材料表面构造拓扑平庸与非平庸的能带共存的结构。
5.根据权利要求4所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，所述拓扑表面态的电化学势差异被热激发的电子维持，以实现热能到电能的转换，热激发的形式包括热传导和热辐射两种方式。
6.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，所述系统的工作温度小于等于所述拓扑绝缘体材料的拓扑表面态开始形成的温度。
7.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，所述金属导线包括铜线和铝线，所述金属导线通过导电胶、表面电极沉积或焊接技术连接拓扑绝缘体材料表面电化学势不同的区域。
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Publications (1)
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| CN117156945A true CN117156945A (zh) | 2023-12-01 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202311029736.7A Pending CN117156945A (zh) | 2023-08-16 | 2023-08-16 | 一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN117156945A (zh) |
-
2023
- 2023-08-16 CN CN202311029736.7A patent/CN117156945A/zh active Pending
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