KR100933967B1

KR100933967B1 - 포논 차단 전자 투과 소형 구조물

Info

Publication number: KR100933967B1
Application number: KR1020047004958A
Authority: KR
Inventors: 벤카타섭라마니안라마; 씨볼라에드워드; 콜피츠토마스; 오퀸브룩스
Original assignee: 넥스트림 써멀 솔루션즈, 인크.
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2009-12-28
Also published as: KR20050034582A; EP1433208A1; WO2003032408A1; CA2462093C; EP1433208A4; CA2462093A1; US7342169B2; JP2005506693A; US20030099279A1

Abstract

서로 다른 격자 상수를 가짐과 동시에 서로 접촉하게 삽입되는 적어도 제1 및 제2 재료 시스템과, 적어도 제1 및 제2 재료 시스템이 격자 부정합(lattice mismatch)으로 접합되고 제1 및 제2 재료 시스템의 구조적 무결성(structural integrity)이 실질적으로 유지되는 곳인 물리적 계면을 포함하는 열전 구조물 및 소자가 제공된다. 적어도 제1 및 제2 재료 시스템은 물리적 계면에 수직인 전하 캐리어 수송 방향을 가지며 양호하게는 초격자 구조로 주기적으로 배열되어 있다.

초격자, 격자 부정합, 캐리어 수송 방향, 열전 구조물

Description

포논 차단 전자 투과 소형 구조물{PHONON-BLOCKING, ELECTRON TRANSMITTING LOW-DIMENSIONAL STRUCTURES}

관련 문서의 상호 참조

본 출원은 2001년 10월 5일자로 미국 특허상표청에 출원된 미국 가특허출원 제60/327,030호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 본 출원은 2000년 3월 21일자로 미국 특허상표청에 출원된 미국 가특허출원 제60/190,924호에 관련되어 있으며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 본 출원은 미국 특허 제6,300,150호(B1)에 관련되어 있으며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 본 출원은 2000년 11월 29일자로 출원된 발명의 명칭이 "냉각, 감지 및 전력 발생을 위한 자발 방출 여기된 열 전달 방법 및 구조물(Spontaneous Emission Enhanced Heat Transport Method and Structures for Cooling, Sensing, and Power Generation)"인 미국 가특허출원 제60/253,743호와도 관련되어 있으며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 쿨러/히터 또는 전력 변환기 등의 열전 소자 및 그 응용에 관한 것이다. 열전 소자는 재료 물성을 향상시키고 소자 성능을 개선하기 위해 박막 및/또는 초격자 기술을 이용한다.

반도체 열전 냉각의 응용은 예를 들면 RF 수신기 전단부, 적외선(IR) 촬영기, 초고감도 자기 서명 센서, 및 초전도 전자기기 등의 전자 기기 및 센서의 성능을 향상시킬 것으로 예상된다. 일반적으로 p-Bi_XSb_2-XTe₃ 및 n-Bi₂Te_3-XSe_X 합금에 기초한 벌크 열전 재료는 열전 소자 성능을 열화시키는 성능 지수[figures-of-merit(ZT) 또는 coefficient of performance(COP)]를 갖는다.

열전 소자의 성능은 수학식 1에 의해 주어지는 재료의 성능 지수(ZT)에 의존한다.

여기서,

는 각각 제벡 계수(Seebeck coefficient), 절대 온도, 전기 전도도, 및 총 열 전도도이다. 재료 계수인 Z는 격자 열 전도도(K_L), 전자 열 전도도(K_C) 및 캐리어 이동도(μ)로 표현될 수 있으며, 주어진 캐리어 밀도(ρ) 및 그에 대응하는 α에 대해 이하의 수학식 2와 같이 된다.

여기서, L₀는 로렌츠 수(Lorenz number)로서, 비축퇴 반도체(non-degenerate semiconductor)에서는 대략

이다. 최신의 열전 소자는 200K 내지 400K의 온도 범위에 대해서는 일반적으로

및

인 합금을 이용한다. 어떤 합금의 경우, K_L이 μ보다 더 강하게 감소되어 ZT의 향상을 가져올 수 있다.

40년 전에, p형

의 ZT가 300K에서 0.75임이 보고 되었다. 예를 들어, Wright, D.A., Nature vol. 181, pp. 834(1958)을 참조하기 바란다. 그 이후로, 300K 근방에서의 열전 재료의 ZT는 그다지 진척을 보이지 않았다. 어떤 벌크 열전 재료의 300K에서의 최고 ZT가 p형

합금의 경우 대략 1.14인 것으로 나타났다. 예를 들어, Ettenberg, M.H., Jesser, W.A., & Rosi, F.D.의 "A new n-type and improved p-type pseudo-ternary

alloy for Peltier cooling", Proc. of 15th Inter. Conf. on Thermoelectrics, IEEE Catalog, No. 96TH8169, pp. 52-56(1996)을 참조하기 바란다.

ZT를 향상시키기 위해 몇가지 방법이 연구되어 왔다.

벌크 재료에 있어서, 전자 이동도를 열화시키지 않고 K_L을 감소시키기 위해 PGEC(phonon glass/electron crystal; 포논 글래스/전자 결정)을 시뮬레이션하는 새장형 구조에 대해 시험해왔다. 예를 들어, Slack, G.A. & Tsoukala, V.G., "Some properties of semiconducting IrSb₃", J. Appl. Phys. vol. 76, pp. 1665- 1671(1994)를 참조하기 바란다.

1보다 큰 ZT는 T>700K의

에서 보고 되었으며, 이는 La 충전(La-filling)으로 K_L이 감소한 것에 주로 기인한다. 예를 들면, Sales, B.C., Mandrus, D. & Williams, R.K., "Filled sketturudite antimonides: a new class of thermoelectric materials," Science vol. 272, pp. 1325-1328(1996)을 참조하기 바란다. 대략 1.35의 ZT는

에서 보고 되었으며, 이 경우 300K 근방에서 충전된 스쿠테루다이트(filled skuterrudite)의 K_L의 극적인 감소가 관찰되었지만, ZT의 향상이 관찰되었던 더 높은 온도, 즉 900K에서 La 충전은 별 역할을 하지 못한 것 같았다. 예를 들어, 미국 특허 출원 제60/190,924호인 Venkatasubramanian, R.의 "Cascade Cryogenic Thermoelectric Cooler"를 참조하기 바라며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 1보다 상당히 더 큰 ZT는 상온(300K)에서 실증된 바가 없다.

K_L의 감소와 ZT의 향상 사이의 일대일 상관관계는 확립되어 있지 않다. 보다 중요한 것은, 전자 수송을 열화시키지 않고 열 전도도를 감소시키기 위한, 따라서 ZT를 향상시키기 위한 포논 물성을 개별적으로 조정하는 개념이 본 발명 이전에는 확립되어 있지 않았다. 박막 열전 재료는 엄청난 ZT 향상을 제공하며, 3가지 일반적 방법이 공개되어 있다.

첫번째 방법에서는 페르미 에너지 근방에서 상태 밀도(density-of-state)의 향상을 얻기 위해 양자 구속 효과(quantum-confinement effect)를 사용한다. 예를 들어, Hicks, L.D. 및 Dresselhaus, M.D.의 "Effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit", Phys. Rev. B 47, pp.12727-12731(1993)을 참조하기 바란다.

두번째 방법에서는 포논 차단/전자 투과 초격자(phonon-blocking/electron transmitting superlattice)를 필요로 한다. 예를 들어, Venkatasubramanian, R.의 "Thin-film superlattice and quantum-well structures - a new approach to high-performance thermoelectric materials," Naval Res. Rev. vol. 58, pp.31-40(1996)을 참조하기 바란다. 또한, Venkatasubramanial, R. 등의 "Organometallic Epitaxy of Bi2Te3 and Related Materials and the Development of Planar, Monolithically-Interconnected, Superlattice-Structured, High-Efficiency Thermoelectric Elements", Proc. Of 1st National Thermogenic Cooler Workshop (ed. Horn, S.B.) 196-231 (Center for Night Vision and Electro-Optics, Fort Belvoir, VA, 1992)를 참조하기 바란다. 또한, Venkatasubramanian R. 및 Colpitts. T.의 Material Research Society Symposium Proceedings, Vol. 478, p. 73, (1997)을 참조하기 바란다. 또한, Venkatasubramanian R., Timmons, M.L., 및 Hutchby. J.A.의 Proc. Of 12th International Conf. On Thermoelectrics, Yokohama, ed. by K. Matsuura, 322,1 (1993)을 참조하기 바란다. 이들 구조는 KL을 감소시키기 위한 종래의 합금화를 회피하면서, 따라서 합금의 캐리어 산란(alloy scattering of carriers)을 제거할 수 있으면서 KL을 감소시키기 위해 초격자 성분들 사이의 음향 부정합(acoustic-mismatch)을 이용한다. 예 를 들어, Venkatasubramanian, R.의 Naval Res. Rev. Vol. 58, pp. 31-40 (1996), R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts, 그리고 B. O'Quinn의 18th International Conference on THERMOELECTRICS,] IEEE (1999) p. 100-103, 또한 Venkatasubramanian, R. 등의 "Low-temperature organometallic epitaxy and its application to superlattice structures in thermoelectrics," Appl. Phys. Lett. vol. 75, pp, 1104-1106, (1999)를 참조하기 바란다.

3번째 방법은 헤테로 구조(heterostructure)에서의 열전자 효과(thermionic effect)에 기초하고 있다. 예를 들어, Mahan, G. D. 및 Woods, L. M.의 "Multilayer thermionic refrigeration, "Phys. Rev. Lett. Vol. 80, pp. 4016-4019 (1998)와 Shakouri, A. 및 Bowers, J. E.의 "Heterostructure integrated thermionic coolers, "Appl. Phys. Lett. vol. 71, pp. 1234-1236 (1997)를 참조하기 바란다.

그렇지만, 이들 방법 모두에 있어서, 열전 헤테로 구조 사이의 음향 부정합도(degree of acoustic mismatch)를 열 전도 구조에 적용해보았더니, 그와 동시에 전자 수송을 열화시키거나, 그와 동시에 전자 수송을 향상시키지 못하거나 또는 그와 동시에 전기적 이방성을 제거하지 못하였으며, 따라서 상기 문헌에 개시되어 있는 결과물인 재료 및 소자의 열전 성능 향상을 상당히 제한하였다.

따라서, 본 발명의 한 목적은 개량된 열전 재료 및 이 개량된 재료를 포함하는 신규의 열전 소자를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 포논 차단 전자 투과 구조를 제작하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 상기한 포논 차단 전자 투과 구조를 이용하여 개량된 열전 쿨러와 개량된 히터 및 열전 전력 변환기를 실현하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 적어도 좌표축 중의 어느 하나를 따라 10 내지 100 범위의 주기성 크기를 갖는 주기적 나노 구조(periodic nanostructure)를 실현함으로써, 좌표축 중 적어도 하나를 따라 일어나는 포논 전파를 방해하여, 동일 방향을 따라 전자 수송을 열화시키지 않고 따라서 ZT를 향상시키면서 그 방향으로의 격자 열 전도도를 감소시키도록 하는 데 있다.

이들 및 다른 목적은 본 발명에 따라 서로 다른 격자 상수를 가짐과 동시에 서로 접촉하게 삽입되는 적어도 제1 및 제2 재료 시스템과, 적어도 제1 및 제2 재료 시스템이 격자 부정합(lattice mismatch)으로 접합되고 제1 및 제2 재료 시스템의 구조적 무결성(structural integrity)이 실질적으로 유지되는 곳인 물리적 계면을 포함하는 신규의 열전 구조를 제공함으로써 달성된다. 적어도 제1 및 제2 재료 시스템은 물리적 계면에 수직인 전하 캐리어 수송 방향을 가지며 양호하게는 초격자 구조로 주기적으로 배열되어 있다. 서로 접촉해 있는 적어도 제1 및 제2 재료 시스템은 양쪽 재료 시스템 모두에 공통인 중심축에 수직인 평면 및/또는 그에 평행인 평면에 격자 부정합을 갖는다. 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 주기성은 주기성을 따르는 방향에서 열 전도를 감소시키도록 구성되어 있다. 수직인 평면은 실질적으로 소자에서의 전기 캐리어 수송 방향에 수직하며, 격자 부정합은 음향 부정합을 제공하여 전기 캐리어 수송 방향을 따라 열 전도를 감소시킨다.

도 1은

초격자 계면을 지나는 정공 수송(hole transport)을 이해하는 데 도움이 되는 도면으로서, 도 1a는 예상된 헤테로 접합 대역 다이어그램이고, 도 1b는

주기인 경우에 관찰된 정공 이동도 이방성 대 초격자 주기를 나타낸 그래프이며, 도 1c는 다른

초격자에서의 정공 이동도 이방성을 나타낸 도면이고,

도 2는 열 전도도를 초격자 주기의 함수로서 나타낸 그래프이며,

도 3a는 4-프로브 하르만법(4-probe Harman method)에 의한 열전 재료 물성의 측정을 개략적으로 나타낸 그래프이고,

도 3b는 가변 두께 ZT 측정으로부터 도출된 열전 소자 양단의 오믹 전압과 펠티어 전압을 나타낸 그래프이며,

도 3c는 가변 두께 ZT 측정으로부터 도출된 열전 소자 양단의 오믹 전압과 펠티어 전압을 나타낸 다른 그래프이고,

도 3d는 본 발명의 5.4 미크론 두께의

초격자 재료에서 하르만법 과도구간의 오믹 전압과 펠티어 전압 결과를 나타낸 그래프이며,

도 4는 본 발명의

p-형

초격자의 Z의 온도 의존성을 최근에 보고된 몇가지 재료에 대한 Z와 비교하여 나타낸 그래프이고,

도 5는 본 발명의

n-형

초격자에 대한 가변 두께 ZT 측정으로부터 도출된 열전 소자 양단의 오믹 전압 및 펠티어 전압을 나타낸 것으로 고유 ZT(intrinsic ZT)가 1.46을 나타내고 있는 그래프이며,

도 6은 본 발명의 p-형

초격자 박막 소자에서의 냉각(cooling)을 나타낸 그래프이고,

도 7은 본 발명의 p-형

초격자 박막 소자에서의 냉각 전력 밀도(cooling power density)를 나타낸 그래프이고,

도 8은 본 발명의 박막 초격자 소자를 지나는 열 유속(heat flux)을 나타낸 그래프이며,

도 9는 본 발명의 박막 초격자 소자에서의 개회로 전압(open-circuit voltage)을 온도 차분(temperature differential)의 함수로서 나타낸 그래프이고,

도 10은 290에서 410K까지의 온도 범위에서 본 발명의 p-형

초격자 및 본 발명의 n-형

초격자에 대한 ZT를 온도의 함수로서 나타낸 그래프이며,

도 11은 본 발명의 n-형

초격자의 ZT의 온도 의존성을 나타낸 것으로 300K에서 대략 2.58의 ZT를 가지며 290K 근방에서 대략 2.93의 피크 ZT를 갖는 그래프이고,

도 12는 박막 초격자 구조로부터 본 발명의 1차원 초격자 포논 차단 구조의 형성을 나타낸 개략도이며,

도 13은 박막 초격자 구조로부터 본 발명의 양자점(quantum dot) 또는 양자 상자(quantum box) 초격자 포논 차단 구조의 형성을 나타낸 개략도이고,

도 14는 본 발명의 양자점 구조 초격자 포논 차단 구조를 나타낸 개략도이며,

도 15는 본 발명의 포논 차단 구조를 갖는 p형 및 n형 열전 소자를 이용하는 본 발명의 열전 소자의 개략도이다.

첨부 도면과 연계하여 기술되어 있는 이하의 상세한 설명을 참조하면 본 발명 및 그에 수반되는 이점들 대부분이 보다 완전하게 이해될 것이다.

본 발명은 예를 들어 초격자 구조에서 열 전도도 감소를 통해 ZT를 향상시키기 위해 포논 차단을 이용하며, 따라서 고용체 합금화(solid solution alloying)에 의지하지 않게 됨으로써 전기 전도도를 떨어뜨리는 합금 캐리어 산란을 제거하게 된다. 본 발명의 "이상적인" 초격자 구조는 격자 포논(lattice phonon)의 전파를 차단, 감소 또는 방해하지만, 전하 (즉, 전기) 캐리어에 대해서는 그러지 않는다.

본 발명의 구조에서, 이 구조의 열 전도 주축을 따라 포논 수송 장벽(phonon transport barrier)이 존재하고, 이 축을 따라 캐리어 수송에 대한 전기 장벽은 존재하지 않으며, 열 전도축에 수직인 방향에서의 전하 캐리어의 양자 구속은 이들 구조에 대한 전자 상태 밀도를 증가시킴으로써 제벡 계수, 따라서 성능 지수(ZT)를 향상시킨다. 포논 수송 장벽은 소자 동작 중에 열전 재료의 열 전도축을 따르는 열 수송을 최소화시킨다. 게다가, 초격자를 형성하는 2개의 재료 시스템 사이의 물리적 계면은 이 계면을 사이에 두고서 2개의 재료 시스템 사이의 격자 부정합을 조절한다. 계면을 사이에 두고서 격자 부정합을 조절함으로써, 예를 들면

및

초격자 등의 강하게 공유 결합된 시스템에서와 같이 초격자 시스템에서 재료들 중 어느 하나의 차후의 성장은 개재하는 물리적 계면에 대한 분리가 거의 없이 일어난다. 따라서, 본 발명에서는 격자 부정합된 초격자 재료 사이의 갑작스런 계면이 상기한 포논 수송 장벽을 형성한다. 본 명세서에서, 300K에서 대략 2.4인 p형

초격자의 열전 성능 지수(ZT)의 두드러진 향상은 물론 이와 유사하지만 덜 극적인 것으로서 ZT가 대략 1.4인 n형

초격자에 대해 기술하게 된다. 게다가, 대체 초격자 및 다른 불균질(heterogeneous) 열전 재료 구조에 대해서도 본 명세서에 개시되어 있다. 예를 들어 본 명세서에 기술된 초격자 등의 초격자의 사용은 이와 대등한 합금에서 실현되는 것에 비해 초격자 계면에 수직인 방향의 전기 전도를 실질적으로 향상시킬 수 있다. 이러한 향상은 일반적으로 헤테로 계면에서 발생되는 어떤 초격자 구조(예를 들면,

구조 등)에서의 대역 오프셋(band offset)의 제거 및/또는 전도 미소대역(conduction miniband)의 형성에 의해 일어난다. 이러한 효과는

등의 다른 초격자 재료 시스템에서도 일어날 수 있으며, 따라서 초격자의 사용은 초격자 계면에 수직인 방향의 격자 열 전도도를 감소시키는 것 이외에도 주기적 초격자 계면에 수직인 방향의 전기 수송을 크게 향상시킬 수 있다. 대역 오프셋과 관련된 전기 장벽을 제거하기 위해 이들 재료 시스템에서 특히 관심이 되는 것은 재료 성분의 하나가 서브 단위 셀(sub-unit cell) 두께인 초격자이다. 이러한 일례의 하나로는 상기한

구조가 있다. 10 옹스트롬 두께의

층 두께는 30 옹스트롬이 되는 c-축 방향의

의 단위 셀보다 더 작다.

본 명세서에 기술된 ZT 값은 하르만법을 사용하여 소자에서 측정된 것으로서, ZT를 구성하는

에 관한 파라미터는 전류가 흐르는 상황에서 동일한 장소에서 동시에 측정된다. 예를 들어, Harman, T.C., Cahn, J.H. 및 Logan, M.J.의 "Measurement of thermal conductivity by utilization of the Peltier effect,". J. Appl. Phys. 30, pp. 1351-1359 (1959)를 참조하기 바란다. 이 방법은 가변 두께 방법을 사용하여 고유 ZT 및 다른 열전 파라미터를 획득하기 위해 확장되어 왔다. 예를 들어, Venkatasubramanian, R., Siivola, E., Colpitts, T., 및 O'Quinn, B.의 "Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit," Nature, Oct. 11, 2001를 참조하기 바란다. p-형 포논 차단 초격자 소자는 353K 및 298K의 T_hot에 대해 각각 40K와 32K나 되는 상당한 저온 냉각(sub-ambient cooling) 및 700 와트/cm²의 열 유속을 제거하는 능력을 나타낸다. 포토리쏘그라픽적으로 처리된 소자 및 박막에서의 열 수송과 관련된 짧은 열 응답 시간은 소위 "anywhere, any time" (장소와 시간을 불문한) 냉각/가열의 개념을 가능하게 해준다. 예를 들면, 미국 특허 제6,300,150호 및 예를 들면 Venkatasubramanian, R.의 "Thin-film Thermoelectric Cooling and Heating Devices for DNA Genomics/Proteomics, Thermo-Optical Switching-Circuits, and IR Tags,"인 미국 특허 출원 제60/282,185호를 참조하기 바라며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

재료 시스템에서 이상적인 것일 수 있는 초격자

시스템에서 고품질 초격자가 실증되었으며, 저온 성장법을 사용하여 개별 층들 중 하나는

정도로 작다. 예를 들어, Appl. Phys. Lett. vol. 75, pp. 1104-1106, (1999) 및 미국 특허 제6,071,351호를 참조하기 바란다. 초단 주기 초격자(ultra-short-period superlattice)는 합금 산란 및 랜덤함 계면 캐리어 산란이 거의 없기 때문에 유사한 조성의 합금보다 훨씬 더 높은 평면내 캐리어 이동도(in-plane carrier mobility)를 제공한다.

본 발명에 따르면, 단층 거리 초격자(monolayer-range superlattice)에서의 캐리어 이동도 향상은 K_L의 감소와 따라서 ZT(수학식 2)의 향상이 얻어지는 어떤 초격자의 경우 교차 평면 방향에서 효과적이다. 초격자에서의 교차 평면 전기 수송의 결정에 대한 상세한 내용은 Venkatasubramanian, R., Siivola, E., Colpitts, T., 및 O'Quinn, B.의 "Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit," Nature, Oct. 11, 2001에 기술되어 있다.

이제 유사한 참조 번호가 몇개의 도면에 걸쳐 동일한 또는 대응하는 부분을 가리키는 것인 도면을 참조하면, 보다 상세하게는 도 1을 참조하여 기술한다. 단 주기/얕은 포텐셜 초격자(short-period/shallow potential superlattice)에서의 예상된 헤테로 구조(heterostructure) 대역 다이어그램이 도 1a에 도시되어 있으며, 여기서 가전자대 오프셋(valence band offset)은 캐리어의 평균 열 에너지보다 작을 것으로 예상된다. 따라서, kT가 대략 0.026eV인 300K의 경우, 원하는 가전자대 오프셋은 0.026eV보다 훨씬 더 작다.

인 경우, 초격자 주기의 함수로서의 이동도 이방성(mobility anisotropy)의 변동이 도 1b에 도시되어 있다. 유의할 점은 자유 캐리어 농도가 등방성을 가지므로, 전기 저항률 이방성의 비는 이동도 이방성과 역관계에 있다. 즉,

이다.

및

의 이동도 이방성이 도 1c에 도시되어 있다.

초격자에서 측정된 교차 평면 이동도는 초격자 계면을 지나는 미니 대역 전도와 부합되는 것으로 나타나며,

두께

인 구조에서의 가전자대 오프셋이 최대한 넓어지거나(full-developed) 더 커지게 된다. 데이터는 정성적으로

초격자에 대해 개발된 수송 모델과 유사하지만, 초격자에 서브 단위 셀 층을 갖는

시스템에서는 보고된 적이 없다. 예를 들어, Palmier, J.F.의 "Heterojunctions and Semiconductor Superlattices," Eds. Allan, G., Bastard, G., Boccara, N., Launoo, N. 및 Voos, M. (Springer-Verlag, Berlin, 1986)을 참조하기 바란다.

도 1c를 보면, 본 발명의

,

및

초격자는 평면내 값과 거의 동등한 교차 평면 전기 전도도를 나타낸다. 이들 중에서,

초격자는 평면내 방향에서 더 높은 교차 평면 전기 전도도를 제공하는 것으로 나타난다. 이것은 미국 특허 제6,300,150호에 개시된 열전 소자에 대해 극히 바람직하며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 따라서, 본 발명의 양호한 실시예에서, 50 내지

의 주기는 K_L을 최소화하기 위해 바람직하다. 따라서, ZT의 향상을 위해서는

및

초격자가 유용하다.

도 2는 열 전도도를 초격자 주기의 함수로서 나타낸 그래프이다. 본 발명의

초격자는 초격자 주기가 0인 경우의 값으로 나타낸 벌크 합금에 비해 상당히 감소된 K_L을 나타낸다.

측정 과정, 데이터 및 메카니즘에 대한 상세한 설명은 Venkatasubramanian, R.의 "Lattice thermal conductivity reduction and phonon localization like behavior in superlattice structures," Phys. Rev. B vol. 61, pp. 3091-3097 (2000)에 개시되어 있다. 본 발명의 초격자의 열적 거동은 초격자 계면에서의 포논의 코히런트 후방산란(coherent backscattering)이 야기되지만 그에 대한 상세는 더 복잡하고 미묘한 것인

초격자에서의 포논 투과 실험과 부합된다.

본 발명에 도시한 향상된 ZT의 구현은 초격자 계면에서의 포논의 코히런트 후방 산란이 전자 수송의 열화 없이 초격자 구조에서 더 낮은 K_L을 달성할 수 있음을 암시한다. 이들 초격자 계면에서의 평면내 격자 부정합이 3.6% 범위에 있을 것으로 예상된다. 그러나, 다른 재료 시스템에서 1 내지 5% 범위에 있는 격자 부정합은 유용할 것으로 예상된다. 교차 평면 격자 부정합은 4.5% 범위에 있을 것으로 예상된다. 그러나, 다른 재료 시스템에서 1 내지 100% 범위에 있는 격자 부정합은 유용할 것으로 예상된다. 본 발명에서는 평면내 격자 부정합이 더 적고 그에 따라 캐리어 산란을 야기할 수 있는 결함의 생성 가능성이 더 낮음과 동시에 교차 평면 격자 부정합이 더 많고 그에 따라 열 흐름을 따라 최대 음향 부정합(acoustic mismatch)을 제공하는 것이 바람직하다.

예를 들면

(x와 y는 같지 않음) 및

등의 종래의 열전 초격자에서는, 본 발명의

초격자에서의 계면 사이의 반데르발스 결합(Van der Waals bonding)과는 달리 모든 방향으로 공유 결합이 있다. 따라서, 종래의 열전 초격자는 초격자 재료 내의 결함을 감소시키기 위해 격자 부정합을 최소화하도록 제조된다.

초격자의 경우, Venkatasubramanian, R. in Phys. Rev. B 61, 3091-3097 (2000)는

초격자가 대략

에서 대략

인 최소값을 나타냄을 보여준다. 이 값은 동일한 c-축 방향에서의 합금의 K_L(대략 0.49W/m-K)보다 거의 2.2배 더 작다.

또는

이든지 간에

-주기 구조 모두에 대해 K_L이다. 이 값은 약 0.25W/m-K이다. K_L은 초격자 주기에 더 의존적이고 조성물의 두께에는 비교적 독립적인 것으로 보인다. 전자 수송은 조성물의 상대 두께와 주기에 의존한다(도 1b 및 도 1c). 이들 파라미터는 열전 성능의 향상을 위한 초격자 설계에서 유용한 메트릭이다. 최적의 초격자에 대한 0.22W/m-K의 K_L은 포논 평균 자유 경로(mean-free-path)에 대한 Slack의 전파장(full-wavelength) 또는 반파장(half-wavelength) 모델을 사용하여

에 대해 예측된 최소 열 전도도(K_min)와 비교할 때 알맞은 것이다. 예를 들어, Slack, G. Solid State Physics, Ed. By Eherenreich, H., Seitz, F. 및 Turnbull, D. Ser. 34, (1979) 그리고 Scherrer, H. 및 Scherrer, S. in CRC Handbook of Thermoelectrics, Ed. by Rowe, D. M. (CRC Press, New York, 1995)를 참조하기 바라며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

합금(a-b 및 c축, c축은 삼각축(trigonal axis)이라고 하며 a-b축은 c축에 수직임)의 K_L의 실험 측정을 보면 초격자에서의 K_L이 Slack과 Cahill의 모델로부터 평가한 K_min에 근접함을 알 수 있다. 모든 포논이 격자 간격(lattice spacing)과 같은 평균 자유 경로를 가질 때, K_min은 Slack과 Cahill의 모델 사이에 있을 것으로 예상된다. 운동학 이론으로부터의 포논 평균 자유 경로는 0.22 W/m-K의 K_L을 사용할 때 2.2Å의 범위에 있다. 이것은

및

에서 c축 방향에서의 원자 간 간격의 평균에 가깝다. 따라서, 이들은 열 전도도를 최소화하기 위한 이상적인 초격자의 특성이다.

가변 두께 ZT 측정

열전 재료의 ZT는 그 양단의 온도차가 도 3a에서와 같이 의사 안정 상태 전류(quasi-steady-state current)로부터의 펠티어 효과로 인해 나타나는 유니폴라 열전 소자로부터 획득될 수 있다. 소자 동작 동안, 전류(I)는 열전 소자 양단에 오믹 전압(V_R)과 펠티어 전압(V₀)이 나타나게 한다. V_R은 메사(mesa)의 벌크 저항으로부터의 전압과 2개의 접점으로부터의 전압을 포함한다(수학식 3).

여기서,

(단위: Ohm-cm²), l 및 a는 각각 초격자의 교차 평면 전기 저항률, 2개의 접점의 평균 고유 저항률, 메사 소자의 높이 및 단면적이다. 수학식 4에 주어진 V₀는 교차 평면 방향에서의 총 열 전도도 및 제벡 계수

와 관련이 있다. 전술한 바와 같이 무시할 정도의 오프셋과 미니 대역 전도를 갖는 이상적인 초격자는 초격자의 계면에 평행한 평면내 제벡 계수

와 교차 평면 제벡 계수 사이에 단지 작은 차이만을 나타낸다.

수학식 3 및 4로부터,

인 외부(extrinsic) 또는 소자(device) 성능 계수(ZT_e)는 수학식 5로부터 유도된다.

이 꽤 작은 두꺼운 (즉 , l이 큰) 벌크 소자에서, ZT_e는 수학식 1에 의해 주어진 고유 또는 재료 성능 지수(ZT_i)에 가깝다.

와

는 각각 l(또는 수학적으로 등가인

)을 사용하여 V_R과 V₀의 변동으로부터 유도 가능하다. 따라서, ZT_i는 다음과 같이 된다.

가변 메사 두께 실험으로부터의 데이터는 도 3b 및 도 3c에 도시되어 있다. ZT_i를 구하기 위한 가변 두께 방법은 보통인 것에서 양호한

모두에 대해 효과가 있다(즉, 보통인 것에서 양호한 소자 ZT_e가 도 3b와 도 3c에 각각 도시되어 있음).

도 3b에서는, 대략 1.35㎛인 최대 메사 두께에 대해 대략 0.66의 ZT_e가 얻어진다(V₀/V_R에 의해 주어짐). 그럼에도, 상기 수학식 6으로부터의 2개의 기울기의 비는 2.07의 ZT_i를 제공한다.

Il/a에 대한 V_R의 절편은 접촉 비저항(specific contact resistivity)을 획득하는 데 사용될 수 있다.

도 2b에서의 샘플에 대한 평균

는 대략

이다.

벌크 기술에서보다 열배 이상 더 작지만, 외부 ZT를 대략 0.66으로 제한하는 박막 소자에 대해서는 여전히 높다.

그렇지만, 도 3c에서, 더 두꺼운

초격자(가장 두꺼운 메사가 대략 2.67㎛임)와 개선된 접점(평균

가 대략

임)을 결합시키면 가장 두꺼운 메사의 경우 ZTe가 대략 2.04으로 된다. 이렇게 얻어진 저저항률 오믹 접점

은 초격자 재료의 높은 고유 ZT의 재료 물성을 고성능 박막(즉, 1 내지 100 미크론) 열전 소자로 용이하게 전이시켜 준다.

본 발명의 접점은

및

으로 된 다층 금속막을 포함할 수 있다. 본 발명에 사용하기 적당한 다른 도전성 금속층의 일례로는

및 이들 금속을 함유하는 합금이 있다. 금속층의 초격자 표면에 대한 보다 양호한 접착을 개선하거나 이를 달성하기 위해 Cr의 사용이 요망된다. Cr 이외에 본 발명에 사용하기 적당한 다른 접착 증진제(adhesion promoter)의 일례로는

및 이들 금속을 함유하는 합금이 있다. Ni는 열전 소자를 히트 소스 또는 히트 싱크 헤더에 결합시키는 데 필요한 것인 Pb-Sn 등의 결합 재료가 초격자로 확산하는 것을 방지하는 확산 장벽을 제공하기 위해 포함된다. Ni 이외에 본 발명에 사용하기 적당한 다른 확산 장벽의 일례로는 Cr, Pd, Fe, 및 다른 금속이 있으며, 두께는 수천 옹스트롬에서 수 미크론까지이고, 격자 구조가 초격자 재료와 다르다.

본 발명의 여러가지 오믹 금속막의 두께는

의 Cr/Au/Ni/Au와

의 Ni/Au가 있을 수 있으며, 그 위에는 두꺼운 Au 또는 Pb-Sn 등의 부가 금속이 확산 저항을 감소시키기 위해 사용될 수 있다.

도 3b에 도시된

초격자의 경우, 측정된 교차 평면 전기 저항률

은

이다. 평면내 전기 저항률

이

인 경우,

또는

는 대략 1.12이다. 도 3c의 샘플의 경우,

는

이고,

는

이며, 이방성은 대략 1.05이다. 이들은

초격자 구조에 대해 도 1c에 도시한 것과 거의 동등하며, 2개의 독립적인 TLM과 가변 메사 두께 ZT법이 서로 잘 조화됨을 암시한다.

도 3d는 대략 5.4 미크론 두께의

초격자 소자에 대한 종래의 하르만법 과도 구간을 나타낸 것이다. 2개의 전류 방향에 대한 평균 ZT_c는 300K에서

이었다. 이러한 5.4 미크론 두께의 초격자 막에 대한 재 료 파라미터는 2.59의 ZT_i를 나타내었으며, ZT_e의 측정값 2.38은 대략

의

로 환산되며, 이는 도 3c와 부합된다. 따라서, 대략 1.35㎛의 초격자 소자에서 대략 2.67㎛로, 또 대략 5.4㎛로 감에 있어서, ZT_i에는 그다지 변화가 관찰되지 않았고, 접점 저항의 역할 감소로 인해 ZT_e는 ZT_i에 근접하게 된다(수학식 5).

점검으로서, Ettenberg 등의 합금과 거의 비슷한 벌크 p-형

(x는 대략

이고, y는 대략 0.12임)으로 제조된 대략 1mm 두께의 열전 소자와 더 얇은 (5 내지 20 미크론) 열전 소자 양쪽에 대해 ZT를 측정하였다. 예를 들면, Ettenberg, M.H., Jesser, W.A., 및 Rosi, F.D.의 "A new n-type and improved p-type pseudo-ternary (Bi₂Te₃) (Sb₂Te3) (Sb₂Se₃) alloy for Peltier Cooling," Proc. of 15th Inter. Conf. on Thermoelectrics, IEEE Catalog. No. 96TH8169,52-56 (1996)를 참조하기 바란다. 가변 두께 방법은 a-b축 방향에서 300K에서 대략 1.09의 ZT_i를 나타내며 이는 Ettenberg 등의 문헌에 부합한다.

따라서, 표준 상용 재료를 박막화한 것을 단지 이용하는 것만으로는 예상치못한 이점이 관찰되지 않는다. 또한, c축 방향에서의 합금막(초격자가 아닌 구조)의 ZT 값은 대략

인 캐리어 레벨의 경우

의 범위에 있으며, 이는 벌크 재료에 대해 보고된 값과 일치한다.

p-형 초격자의

및 K_T의 측정값이 온도 의존적이고 또 전기적 이방성이 거의 없는 것에 유의하면,

p-형

초격자의 추정된 ZT_i 대 T가 도 3에 몇가지 재료의 그것과 함께 도시되어 있다.

초격자는 보다 낮은 온도에서 벌크 p-형

합금에 비해 성능 향상을 제공하는 것으로 보인다. 이것은 부분적으로 K_L을 감소시키는 초격자의 효능이 보다 낮은 온도에서 향상된다는 사실에 기인하며, 우리의 Si/Ge 초격자에서의 사전 결과와 유사하다. 예를 들면, Lee, S.M., Cahill, D.G., 및 Venkatsubramanian, R.의 Appl. Phys. Lett., vol. 70, pp. 2957-2959 (1997)를 참조하기 바라며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

보다 낮은 온도에서의 향상된 ZT는 보다 효율적인 극저온 열전 소자에 이르게 해줄 수 있다는 유리한 증거로서, 미국 특허 출원 제60/190,924호는 종횡비(l/a), 열 부하/기생 인자를 비슷하게 했을 때 210K에서

초격자 소자를 사용하여 벌크 p-형

소자와 비교하여 4배의 냉각을 달성하였다. 도 4는 p-형

초격자가 대략 210K에서

합금에 비해 향상된 ZT를 제공함을 보여준다. 예를 들면, Chung, D.Y. 등의 "A high-performance thermoelectric material for low-temperature application," Science vol. 287, pp. 1024-1027 (2000)를 참조하기 바라며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

포논 차단 전자 투과 구조

본 발명에서, 예를 들면

초격자 등의 포논 차단 전자 투과 구조는 ZT를 향상시키기 위해 포논 및 정공(전하 캐리어) 수송이 도모될 수 있음을 보여준다. 300K에서 ZT>1을 나타내었던 다른 구조로는 본 발명의

및

초격자가 있다. k-l_mfp 곱에 의해 기술되는 포논과 정공의 수송 특성은 포논과 정공에 대한 차단(또는 차단 결핍)의 정도의 척도로서 비유될 수 있으며, 여기서 k와 l_mfp는 평균 파수 벡터(wave vector)와 평균 자유 경로이다. 예를 들어, Venkatasubramanian, R. Lattice thermal conductivity reduction and phonon localization like behavior in superlattice structures. Phys. Rev. B vol. 61, pp. 3091-3097 (2000)를 참조하기 바란다.

정공의 경우, 열 속도(thermal velocity)(v_th), 드브로이 파장(deBroglie wavelength) 및 파수 벡터 크기는 각각 대략

, 대략

및 대략

으로 추정된다. 관계식

로부터

는

인 것으로 유도된다. (ZT_i가 대략 2.34인 샘플의 경우,

인

가 가변 두께 ZT로부터 획득한

로부터 추론된다.) 평균 포논 파장이 대략

이고, 정공 드브로이 파장이 대략

인경우,

는 대략 0.5이 얻어지고

는 대략 7.6이 얻어진다. 이것을 비교하면 어떤 초격자의 포 논 차단 전자 투과 성질을 포착할 수 있으며, ZT의 향상을 가져온다.

n-형 초격자 구조

본 발명의 ZT 향상 결과는 300K에서 ZT_i > 1을 나타내는 본 발명의 n-형

초격자를 사용하여 달성되었다. 도 5에 도시한 이들 n-형 초격자의 가변 두께 ZT 측정은 도 3b와 도 3c와 유사하게 300K에서 대략 1.46의 ZT_i를 나타낸다. n-형 소자에 대한 최상의 외부 ZT_e는 300K에서 대략 1.2이었다. ZT_i와 ZT_e가 비슷한 것은

가 대략

인 것에 기인한다. 다시 말하면, 저 저항률 접점이 Cr/Au/Ni/Au 또는 Ni/Au 금속막으로 달성되었다. 이들 n-형 초격자에서의 교차 평면(c축 방향 또는 삼각축 방향의) 전기 저항률은 대략

으로서,

인 평면내(a-b축 방향의) 전기 저항률보다 그다지 높지 않다. 따라서,

n-형 초격자 구조에서, 외견상 약한 구속/영에 가까운 대역 오프셋(weak-confinement/near-zero band-offset)으로 인해,

(및 다른) p-형

초격자(도 1c)와 유사하게 평면내 및 교차 평면 전기 저항률 사이의 이방성이 최소이다. 전기 전도도에서의 이러한 이방성의 결여는 또한 미니 대역 수송을 가리키며, 이는 약한 또는 무시할만한 캐리어 구속으로 인한 것이다. 고성능 p-형 및 n-형 초격자 모두에서의 전기적 이방성의 결여는, a-b 결정축과 c 결정축을 비교할 때, p-형 및 n-형 벌크 재료 양쪽 에서 관찰되는 전기적 이방성과는 현저하게 다르다.

최상의 p-형

초격자에서 300K에서의 ZT_i가 대략 2.4인 것과 비교하여

-주기의 n-형

초격자에서 300K에서의 ZT_i가 대략 1.46인 것이 덜 인상적인 이유는 K_L이 훨씬 더 높기 때문이다.

와 대략 238

인

로부터, 대략

인 교차 평면 K_T가 추정된다. Weidemann-Franz 법칙 및

인

를 사용하여, 대략

인 전자 열 전도도가 얻어진다. 따라서, 교차 평면 격자 열 전도도는 대략

이다.

이것은 벌크 합금의 c-축 K_L에 더 가까우며 Phys. Rev. B 61, pp. 3091-3097 (2000)에 보고되었던

-주기 p-형

초격자에서 관찰된 낮은 대략 2.5

보다 훨씬 더 높다. 본 발명의 이들 결과는

시스템에서의 거의 이상적인 초격자 계면을 가리키며, 여기서 Bi 또는 Sb 중 어느 하나의 조성 변경은 Te-Te 반데르발스 결합에 의해 포위된 영역 내에서 달성된다. 따라서, 본 발명의 양호한 실시예에서, 거울과 유사한(mirror-like)(즉, 혼합되지 않은(non-mixed)) 초격자 계면이 얻어져 K_L을 감소시키는 포텐셜 반사 효과(potential reflection effect)를 가져온다. 이와 반대로, Se와 Te 모두가 반데르발스 계면에 존재할 것으로 예상되는

시스템에서는, 상당 한 의도하지 않은 조성 혼합이 있을 것으로 예상된다. 따라서, 그 경우에는, 격자 열 전도도는 합금의 특성을 더 보일 것으로 예상된다. 이것은 p-형

합금에 관련하여 p-형

초격자에서 두드러진 캐리어 이동도의 향상이 있는 것과 대조적으로 (n-형

합금에 비해) n-형

초격자의 전자 이동도가 그다지 개선되지 않음을 나타내는 내부일(internal work)에 의해 확증되었다. 예를 들어, Venkatasubramanian, R. 등의 Appl. Phys. Lett. vol. 75, pp. 1104-1106, (1999)를 참조하기 바란다.

따라서, 본 발명의 n-형 초격자에서 ZT_i가 (벌크 n-형 합금의 경우 대략 1인 것에서) 1.46으로 향상됨은 c축과 관련된 일반적인 더 낮은 격자 열 전도도(a-b축 방향에서의 대략

인 것에 비해 대략 5.8

임) 및 전기적 이방성의 결여에 기인한 것일 수 있다. 본 발명에 따르면, 낮은 K_L을 갖는 보다 최적의 n-형 초격자는 반데르발스 계면에서의 조성 혼합이 최소인 격자에서 가능하다. 이들 개선은 본 발명에 따라 2개의 층의 성장 사이의 성장 중단 사이클(growth interruption cycle)을 개선시킴으로써 실현될 수 있다. 또한,

,

등의 초격자가 이용될 수 있으며,

초격자에서와 같이 무시할 정도의 상호 혼합이 도모될 수 있다.

본 발명의 초격자 재료 및 처리에 의하면 대략

의 전력속(power flux)에 노출된 마이크로소자 요소를 사용하여 40K 냉각이 가능하게 된다.

도 15는 p형 및 n형 열전 소자(10, 12)를 각각 이용하고 또 본 발명의 포논 차단 구조를 갖는 본 발명의 열전 소자의 개략도이다. 도 15에 도시한 바와 같이, 본 발명의 열전 소자는 히트 소스 플레이트(head source plate)(14), 히트 소스 플레이트(14)에 대해 높은 온도에서 동작하는 히트 싱크 플레이트(heat sink plate)(16), 본 발명의 포논 차단 구조를 포함하는 n-형 열전 소자(10), 및 포논 차단 구조를 포함하고 n-형 열전 소자(12)에 전기적으로 직렬 연결되어 전기 전하를 도전시키는 p-형 열전 소자(12)를 포함한다.

박막 초격자 소자를 사용한 전력 변환

본 발명의 박막 마이크로소자는 전력 변환 모드에서 테스트되었다.

초격자를 포함하고 두께가 5.2 미크론이며 표면적 대 높이의 종횡비로 3cm^-1를 사용하여 패턴화된 본 발명의 초격자 박막 소자는 대략

의

를 나타내는 대응하는 개회로 전압을 사용하여 소자의 양단에 70K의 ΔT를 나타냄을 알았다. ΔT는 대략 134,000K/cm의 온도 기울기(temperature gradient)로 해석될 수 있다. 일반적인 제벡 계수는 이들 기울기에서 전형적인 거동으로부터 어떤 이상한 이탈도 나타내지 않는다.

도 9에는 박막 초격자 메사 소자에서 개회로 전압 데이터를 ΔT의 함수로서 나타내어져 있다. 유의할 점은 단지 5.2 미크론의 두께이고 그에 비례하여 소자의 면적이 약

로 감소된 때 열전 소자 양단에서 70K만큼이나 되는 ΔT가 얻어진다는 것이다. 따라서, 이러한 소자 종횡비(면적/길이)는 본 발명의 박막 소자 기술에 기초한 소자를 상징하는 것이며, 미국 특허 제6,300,150호를 참조하기 바란다. 박막 소자 및 그와 관련된 높은 ZT를 사용하여, 본 발명은 도 7에 나타낸 바와 같이 낮은 ΔT에서도 알맞은 전력 변환 효율을 달성할 수 있다. 본 발명에 따르면, 경량, 고전력 밀도, 박막 전력 변환 소자 모듈이 최신의 연료 기반 휴대용 전력 변환 시스템 및 열 배기 응용(thermal scavenging application)에 유용할 것으로 기대된다.

박막 열전 기술은 모듈 방식으로 실시될 수 있다. 이것은 본 발명의 소자 기술을 여러가지 열 부하 용량에 대해 스케일링된 박막 열전 히트 펌프 유닛 또는 전력 변환 소자로 확장하는 것을 의미한다. 적절한 l/a, 저저항률 접점, 및 세부 처리 동안 성장에 의한(as grown) 나노미터 초격자의 이상 물성(extraordinary property)의 보존을 달성하기 위해 박막의 히트 싱크에 대한 접합, 기판의 제거, 포토리쏘그라피와 같은 이러한 모듈에 필요한 몇가지 개념이 본 발명의 결과에 의해 실증되었다.

본 발명에 따른

재료 시스템은 이상적인 초격자 계면이 가능한 초격자를 성장시키기 위한 재료 시스템의 일례이다. 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE) 또는 금속 유기 화학 기상 증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)(기술 분야에 공지된 것임)와 같은 박막 성정 기술이 본 발명에 따라 c축을 따라 배향된 막을 생성할 수 있으며, 물질의 c축은 기판 표면에 수직으로 정렬되어 있다.

또한

및 그와 관련된 칼코겐 화합물(chalcogenide) 재료는 삼각축 또는 c축을 따라 주기적인 반데르발스(VWB) 갭을 갖는다. 예를 들어, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Landolt-Bornstein series, Vol. 17, (Springer, Berlin, 1983)를 참조하기 바란다. 따라서, 이러한 막의 성장은 성장축(growth axis)을 따라 VWB 갭에서 일어난다. 성장축을 따라 VWB가 존재하는 것은 갑작스런 표면 종단을 얻기 위해서 아주 바람직하다. 예를 들어, O. Lang, R. Schlaf, Y. Tomm, C. Pettenkofer, 및 W. Jagermann, J. Appl. Phys. Vol. 75, pp. 7805, (1994)를 참조하기 바란다.

본 발명에 따르면, 에피택시 평면에서의 상당한 격자 부정합에도 불구하고 고품질 계면을 갖는

및 관련 칼코겐 화합물 재료가 생성될 수 있다. 본 발명에 따르면, 격자 부정합을 갖는 초격자 성분을 선택함으로써 상당한 음향 부정합이 실현된다. 동시에, 초격자 성분은 전기 캐리어의 수송을 방해하기 위해 단지 작은 대역 오프셋만 있도록 되어 있다.

접합에 대한 헤테로 접합 대역 다이어그램의 개략도가 일례로서 도 1에 도시되어 있다.

이와 유사한 최적의 헤테로 접합 재료 조합의 선택이 많은 다른 재료 시스템을 사용하여 생각될 수 있다. 본 발명에 따르면, 이들 재료 시스템에는 당업자라면 잘 알고 있는 벌크 열전 재료의 박막이 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 초격자에 합금 대신에 비합금 성분을 사용하는 것은 합금 캐리어 산란도 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 이상적인 캐리어 수송은 격자 부정합에도 불구하고 결함이 거의 생기지 않는 성장축을 따라 있는 VWB로 인해 인터페이스 캐리어 산란을 최소화함으로써 가능하게 된다. 따라서, 양호한 일 실시예에 따르면, 합금 캐리어 산란을 피하기 위해 초격자의 순수 또는 비합금 성분이 선택된다.

본 발명에 따르면, 포논 차단 및 전자 투과 구조는 이하의 것을 포함할 수 있다.

1) 에피택시의 평면에서나 에피택시 평면에 수직한 평면에서 충분한 격자 부정합을 갖는 2개의 재료 시스템. 이 부정합은 항상 음향 부정합을 가져온다. 열 흐름 방향을 따라 단위마다의 음향 부정합은 격자 열 전도도를 감소시키는 데 중요하다.

2) 포논 또는 열 수송을 감소시키는, 따라서 격자 열 전도도를 감소시키는 개념과 동시에 전기 수송을 향상시키는(또는 열화시키지 않는) 개념의 나노구조의 열전 재료. 이 둘 모두는 이러한 나노 구조가 이용되지 않는 비슷한 합금에 대해서, 비슷한 합금에 비해 향상된 3차원 성능 지수(ZT)를 달성한다.

3) 포논 또는 열 수송을 감소시키는, 따라서 격자 열 전도도를 감소시키는 개념과 동시에 전자 또는 전기 수송을 향상시키는(또는 열화시키지 않는) 개념의 나노 구조의 열전 재료. 여기서 Hicks, L.D. 및 Dresselhaus, M.D. Effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit. Phys. Rev. B 47, pp. 12727-12731 (1993)에 기술되어 있는 바와 같이 양자 구속 효과로부터 향상된 상태 밀도로 인한 제벡 계수 향상이 없음에 의해 드러난 바와 같이 양자 구속 효과가 거의 이용되지 않으며, 이 둘 모두는 이러한 나노 구조가 이용되지 않는 비 슷한 합금에 대해서, 비슷한 합금에 비해 향상된 3차원 성능 지수(ZT)를 달성한다.

4) 포논 또는 열 수송을 감소시키는 개념이 작을 수 있지만 미니 대역 형성을 통한 전기적 이방성의 제거에 의해 전기 수송을 동시에 향상시키는 개념의 나노 구조의 열전 재료. 이 둘 모두는 이러한 나노 구조가 이용되지 않는 비슷한 합금에 대해서, 비슷한 합금에 비해 향상된 3차원 성능 지수(ZT)를 달성한다.

5) 전기 또는 전하 캐리어의 흐름을 중단시키는 경향이 있는 전위(dislocation) 등의 결함이 거의 없이 격자 부정합에 대응할 수 있도록 성장축을 따라 반데르발스 유사 결합을 갖는 2가지 재료 시스템. 따라서, 이들 결함은 포논 산란의 주된 원인이 되지 않는데 그 이유는 결함은 전기 캐리어도 산란시키기 때문이다.

6) 실내 온도에서의 kT 범위 내의 에너지 오프셋과 같은 최소 대역 오프셋을 갖는 2가지 재료 시스템. 예를 들면,

초격자 시스템에서, 이 오프셋은 작다. 대역 오프셋의 효과는 또한 단위 셀의 주기는 동일하게 유지하면서

초격자에서의

또는

초격자에서의

과 같은 단위 셀보다 작은 성분 크기를 선택함으로써 감소될 수 있다. 유의할 점은

의 동일한 주기를 갖는

초격자는

또는

와 같이 유사한 포논 차단 특성을 갖지만 전기 저항률을 훨씬 더 높다는 것이다.

7) 도전 미니 대역을 갖지만 그 도전 미니 대역이 초격자에서 전기적 이방성을 극복하기 위해 VWB 방향을 따라 전류 수송을 위해 적용되는 재료 시스템.

보다 구체적으로는 양호한 실시예들에서, 본 발명은 개별적으로 또는 조합하여 이하의 것을 이용한다.

1) VWB가 성장축을 따라 있도록 C축을 따라 배향된

재료 시스템에서의 초격자.

2) 기판 제거 이전에 고품질 에피택셜 성장이 가능하도록 본 발명의 GaAs 성장 기판과

초격자 사이의

버퍼(buffer).

3) 총 열 전도도가 5 내지 12

이고 격자 기여분이 단지

이며, 제벡 계수가 대략 200 내지 250

이고, 전기 저항률이 c축을 따라 대략

내지

인 초격자 물성. 본 발명에 따르면 총 열 전도도가 5 내지 20

이고 격자 기여분이 단지 1 내지 6

이며, 제벡 계수가 대략 175 내지 350

이고, 전기 저항률이 c축을 따라 대략 0.25

내지 3

인 초격자 구조도 ZT를 향상시킨다.

4) 50 내지 60

의 양호한 범위에 있는 초격자 주기는

및

시스템에서 격자 열 전도도를 최소로 만든다. 60

-주기

초격자 구조 모두에 대한 K_L은 그것이

이든지

이든지간에 대략 0.25

이다. 그렇지만, 본 발명은 이러한 양호한 범위의 초격자 주기에 한정되는 것이 아니라, 본 명세서에 나타낸 바와 같이 주어진 초격자 재료 시스템에 있어서 격자 열 전도도를 최소화하는 것과 관련하여 주기성이 최적화되도록 실시된다. KL이 구성 성분의 두께에 독립적인 것에 대해 초격자 주기에 더 의존하고 있는 것으로 보이지만, 전자 수송은 구성 성분의 상대 두께 및 주기에 의존한다.

5) 가변 두께 ZT 측정 및 관련 측정에 의해 확인되는 제벡 계수. 교차 평면 제벡 계수는 전력 소자 데이터에 기초해 보면 평면내 제벡 계수와 거의 같다.

6) 음향 부정합이 얻어지기에 충분한 에피택시 평면에서의 격자 부정합을 갖는 초격자를 구비한 적어도 2개의 재료 시스템. 열 흐름 방향을 따라 단위마다의 음향 부정합은 격자 열 전도도를 감소시키는 데 중요하다. 여기서,

와

간의 대조에서 알 수 있는 바와 같이 K_L을 최소화하는 최적 주기는 깨끗하고 갑작스런 계면을 갖는 VWB를 제공할 것이다.

7) 성장축을 따라 반데르발스 유사 결합을 갖는 초격자 내의 적어도 2개의 재료 시스템. 이러한 시스템에서, 격자 부정합은 전기 수송을 열화시키는 결함이 거의 없이 갖추어진다.

8) 2개의 재료 시스템이 kT(여기서, k는 볼쯔만 상수임) 범위 내와 같이 최소 대역 오프셋을 갖도록 평균 절대 온도 T에서 동작하는 적어도 2개의 재료 시스템. 예를 들어,

초격자 시스템에서, 오프셋은 작다. 오프셋의 효과는 주기를 동일하게 유지하면서 구성성분 크기를

초격자에서의

또는

초격자에서의

와 같은 단위 셀보다 작 게 선택함으로써 더 감소될 수 있다. 유의할 점은 60

의 동일한 주기를 갖는

초격자가

또는

과 유사한 포논 차단 특성을 가지지만 또한 훨씬 더 높은 전기 저항률을 갖는다는 것이다. 본 발명의 초격자 구조에서 전기적 이방성을 극복하기 위해 VWB 방향을 따라 전류 수송에 미니 대역 전도가 이용될 수 있다.

10) 양호하게는 합금 캐리어 산란을 회피하기 위한 초격자의 순수한 또는 비합금 구성성분.

11) ZT를 더 향상시키기 위한 고압하에서의 포논 차단 전자 투과 구조(PBETS). 이 압력은 부정합 유발 압력(misfit-induced pressure)을 발생시키기 위해 본 발명에 따라 화학 물질 도펀트를 PBETS에 포함시킴으로써 실현될 수 있다.

12) ZT를 더 향상시키기 위한 자기장 하에서의 포논 차단 전자 투과 구조(PBETS). 이 자기장은 부정합 유발 압력(misfit-induced pressure)을 발생시키기 위해 본 발명에 따라 화학 물질 도펀트로서 자성 재료를 PBETS에 포함시킴으로써 실현될 수 있다.

13) 박막 열전 소자의 양단에 부착되는 초저 고유 접촉 저항률 오믹 접점. 전형적인 오믹 금속막으로는 Cr/Au/Ni/Au 및/또는 Ni/Au가 될 수 있다. Cr의 사용은 소자 제조 동안

합금 등의 접합 물질의 내부 확산을 감소시키기 위해 Ni가 사용되는 동안 접착에 도움이 된다. 일례로서, Cr의 두께는 100 옹스트롬 내 지 몇 미크론의 범위에 있을 수 있으며, Ni의 두께는 100 옹스트롬 내지 몇 미크론의 범위에 있을 수 있다. 소자 ZT(ZT_e)가 전술한 바와 같이 고유 ZT(ZT_i)에 근접하도록

내지

또는 그 이하의 범위에 있는 고유 접점.

14) 이들 초격자 또는 다른 열전 재료에 기초한 DRAM 칩이 SRAM 칩으로서 동작하도록 하거나 마이크로프로세서 칩, 레이저 칩, 또는 초전도 칩을 냉각시키거나 냉장 또는 공조에서와 같이 물체를 냉각시키기 위해 DRAM 칩의 배면에 위치한 박막 열전 냉각 모듈. 따라서, 열전 냉각 모듈은 냉장고 또는 에어컨 내의 열 교환기를 냉각시키는 데 사용될 수 있다.

15) DRAM 칩을 SRAM 칩으로 변환시키거나 마이크로프로세서 칩, 레이저 칩, 또는 초전도 칩을 냉각시키거나 냉장 또는 공조에서와 같이 물체를 냉각시키기 위해 이들 고성능 열전 모듈의 응용을 모놀리식 방식으로 가능하게 해주는 예를 들면 190℃ 이하에서 수행되는 미국 특허 제6,071,351호에 기술된 것과 같은 저온 성장된

초격자.

16) 양자선(quantum-wire) 및 탄소 나노 튜브(즉, 2개의 직교 축을 따라 소규모임)로 구현되는 것은 물론 양자점 또는 나노점(nano-dot) 또는 양자 상자(즉, 3개의 가능한 직교축 중 하나의 축에서 소규모임)로 구현된 초격자로 형성된 소규모(10Å 내지 100Å) 타입의 포논 차단, 전자 투과 구조. 양자선의 경우, 이들은 도 12b에 일례로서 도시된 성장 기판(22) 상에 형성된 하나 이상의 메사 구조(20) 의 집합일 수 있고, 그 메사의 단면 크기는 10 내지 1000 옹스트롬의 범위에 있으며 도 12b에 a_x와 a_y로 나타내어져 있다. 도 12a는 z축을 따른 대면적(x축 및 y축 방향) 초격자 구조(22)을 z축 방향의 배선으로 전환하여 나타낸 것이다. 유의할 점은 z축 방향의 열 전도도를 감소시키는 z축을 따라 있는 주기적인 초격자 구조에도 불구하고, z축 방향의 전류 흐름은 z축을 따라 방해되거나 열화되지 않는다. 따라서, 도 12a 및 도 12b 모두에서는, 초격자 구조(22) 또는 메사 구조(20) 내의 포논 차단 초격자에 의해 z축 방향으로 열이 방해되지만, 초격자를 구성하는 재료의 대역 오프셋의 적당한 선택은 z축 방향을 따라 전류 흐름이 방해되지 않도록 한다.

본 발명에 따르면, 전자(n-형) 또는 정공(p-형)의 미니 대역 전도는 z축을 따라 형성된다. 유의할 점은 도 12b에서는 도 12a와 대조적으로 측방 크기 제한(z축 및 y축 방향)은 제벡 계수 향상을 가져올 수 있다는 것이다. 따라서, 본 발명에 따르면, 작은 크기의 포논 차단 전자 투과 구조는 전류 및 열 흐름에 수직인 x축 및 y축을 따라 양자 구속을 야기한다. 이들 직교 양자 구속된 초격자 포논 차단 전자 투과 구조는 열 흐름 방향을 따라 전기 수송을 열화시키거나 그를 실제로 향상시키지 않고 열 흐름의 방향의 열 전도도 감소를 이용함과 동시에 x,y 평면에서의 측방 구속으로부터의 향상된 상태 밀도를 이용하여 제벡 계수를 향상시키는 것이다.

본 발명은 측방 구속(lateral confinement)을 제공하기 위해 a_x와 a_y의 범위 가 10 내지 1000 옹스트롬인 구조의 제조가 어려움을 알고 있다. 본 발명에 따르면, 전자빔 리쏘그라피 기반 반응성 이온 에칭법(수직벽을 형성함) 또는 자기 조립법(self-assembly process)(둘다 기술 분야에 공지됨)이 정밀한 구조를 형성하는 데 사용될 수 있다.

다른 양호한 실시예에서, 직교 양자 구속된 초격자 포논 차단 전자 투과 구조(32)는 도 13a 및 도 13b에 도시한 바와 같이 z축을 따라 적층된 초격자 포논 차단 전자 투과 구조(32)를 갖는 직교 양자 구속된 나노점 또는 양자점 또는 양자 상자(30)를 포함한다. 이들 포논 차단 전자 투과 구조는 기판(22) 상에서의 화학적 기상 증착 또는 습식 화학 공정에 의한 성장 동안 나노점 또는 양자점 또는 양자 상자(30)의 자기 조립으로 달성될 수 있다. 자기 조립은 양자 상자(30)의 층들 사이에 있는 주기적인 캡슐화 층(34)을 이용한다. 각 캡슐화 층(34)은 예를 들면 GaAs 등의 적당한 전기 및 열 전도체이다. 도 13b에 도시한 바와 같이, 캡슐화 층(34)의 전체 매트릭스에 초격자 포논 차단 전자 투과 구조(32)를 갖는 이들 직교 양자 구속된 나노점 또는 양자점 또는 양자 상자(30)의 높은 패킹 분율(40 내지 80%) 또는 체적 분율(40 내지 80%)이 바람직하다.

다른 양호한 실시예에서, 본 발명의 직교 양자 구속된 포논 차단 전자 투과 구조(42)는 도 14a 및 도 14b에 도시한 z축을 따라 있는 층들로 적층된 직교 양자 구속된 구형의 나노점 또는 양자점 또는 양자 상자(40)를 포함한다. 이들 구조는 예를 들면 GaAs 등의 적당한 전기 및 열 전도체인 주기적인 캡슐화 층(34)을 이용하여, 화학적 기상 증착 또는 습식 화학 공정에 의한 성장 동안 나노점 또는 양자 점 또는 양자 상자(40)의 자기 조립으로 달성될 수 있다. 도 14에 도시한 바와 같이, 캡슐화 층(34)의 전체 매트릭스에 포논 차단 전자 투과 구조(42)를 갖는 이들 직교 양자 구속된 구형의 나노점 또는 양자점 또는 양자 상자(30)의 높은 패킹 분율(40 내지 80%) 또는 체적 분율(40 내지 80%)이 바람직하다. 도 14의 삽입도에 도시한 바와 같이, 구형의 양자점(40)은 중심의 코어 재료(44)와 주변 재료(46)를 포함한다. 이들 재료 사이의 계면은 본 발명에 따르면 포논 차단 전자 투과 계면(48)을 구성하고, 그 배열(즉, 패킹)은 필수적인 포논 차단 전자 투과 구조(42)를 제공한다.

제1층의 수용액 성장(solution growth) 이후에 제2층의 수용액 성장을 사용하여 구형의 층상 구조가 얻어질 수 있다. 2층 프로세스는 필요한 경우 여러번 반복될 수 있다. 또한, 2번 행하면 다층 구형을 생성한다. 이들 층상 구형은 이어서 기판으로 전사되어 캡슐화 템플릿으로 덮여진다. 이 단계는 직교 양자 구속된 포논 차단 전자 투과 구조처럼 거동하는 1 내지 100 미크론 두께의 막을 생성하기 위해 여러번 반복될 수 있다.

전술한 특성 모두는 자연적 초격자 또는 자연적 양자선 또는 양자점을 형성하는 방법이 개발된다면 재구성된 벌크 재료에서 구현될 수 있다. 예를 들어, PbTe, PbSe 및 다른 유사한 재료 등의 재료는 잠재적으로 이들 구조를 자연적으로 벌크 형태로 형성할 수 있다. 이 점에서 다른 가능한 방법으로는 벌크 재료에서의 스피노달 분상(spinodal decomposition), 자연 순서부여(natural ordering) 등이 있을 수 있다. 벌크 재료에서 이들 구성을 촉진시킬 수 있는 방법으로는 안정된 메타(stable meta)-안정된 상(stable phase) 및 함유물(inclusion)을 생성하기 위한 급속 가열/급속 냉각(rapid heating/quenching)이 있을 수 있다.

본 발명에서, 대략 2.4의 ZT를 갖는 열전 소자는 단단식 냉각기(single stage cooler)에서 고온측 T_hot가 대략 100℃인 열전 냉각기로서 동작할 수 있으며, T_cold는 대략 0 내지 20℃를 여전히 유지한다. 따라서, 본 발명의 열전 냉각기는 공조 및 냉장 요구에 적용가능하며, 물의 상 변화, 통상의 아주 효율적인 열 수송 용액을 사용하여 고온측에서의 열 제거를 간단화시킨다. 예를 들면, 본 발명의 박막 마이크로 소자는 전력 변환 모드에서 테스트되었다. 두께가 5.2 미크론인 본 발명의

초격자 박막 소자는 소자의 양단에서 70K의 온도 차분, dT을 나타내며 대응하는 개회로 전압이 대략 243

의 평균 제벡 계수를 가리킴을 알았다. dT는 대략 134,000K/cm의 온도 기울기로 해석된다. 일반적인 제벡 계수는 이들 기울기에서의 전형적인 거동으로부터 특이한 이탈을 암시하지 않는다. 따라서, 본 명세서에 기술한 것과 같은 포논 차단 전자 투과 초격자 구조는 제벡 계수가 비슷한 합금과 다르지 않다는 특징을 가질 수 있다. 그렇지만, 직교 구속된 포논 차단 전자 투과 구조의 경우에 기술한 바와 같은 경우, 비슷한 합금보다 더 높은 제벡 계수를 가질 수 있다.

본 발명의 초격자는 양호하게는 높은 ZT의 경우 미국 특허 제6,071,351호에 기술된 것과 같은 저온 성장을 사용하여 MOCVD 성장 동안 형성된다. 미국 특허 제6,071,351에 기술된 것과 같은 350℃의 균열 온도로부터 50 내지 150℃ 정도 감 소되는 것이 일반적인 성장 동안의 낮은 기판 온도는 더 높은 기판 온도로 인해 서셉터(susceptor)(미국 특허 제6,071,351호에 개시되어 있음) 상에 바로 성장된

초격자의 경우 대략 5 내지 6 mW/cm-K인 것에 비해 c축을 따라 p-형

초격자의 경우 2.5 mW/cm-K의 더 낮은 격자 열 전도도를 가져온다. 게다가, 더 높은 기판 온도는 전기적 이방성의 부존재로 인해 초격자에서 c축을 따라 더 높은 전기 저항률을 가져온다. 따라서, 격자 열 전도도가 낮을수록, a-b축을 따라서보다 c축을 따라서 전기 저항률이 더 높으며, 본 발명에서 실현되는 부수적인 ZT의 증가는 성장 동안 이용되는 더 낮은 기판 온도가 유익하다는 것을 보여준다. 물론, 더 낮은 기판 온도는 당업자라면 알고 있는 많은 방법으로 달성될 수 있다.

본 발명의 여러가지 수정 및 변형이 상기한 개시 내용을 바탕으로 가능하다. 따라서, 첨부된 청구항들의 범위 내에서 본 명세서에 구체적으로 기술된 것과 다른 방법으로 본 발명이 실시될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

Claims

열전(thermoelectric) 구조물에 있어서,

서로 다른 격자 상수를 가지며 서로 접촉하여 삽입되는 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 초격자층;

상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템이 격자 부정합(lattice mismatch)으로 접합되고 상기 제1 및 제2 재료 시스템의 구조적 무결성(structural integrity)이 유지되는 곳인 물리적 계면; 및

직교 양자 구속된 초격자 양자 차단 전자 투과 구조(orthogonally-quantum-confined superlattice phonon-blocking electron-transmitting structure)물을 포함하고,

상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 초격자층은 상기 물리적 계면에 수직인 전하 캐리어 수송 방향을 갖고, 상기 초격자층은 1.35μm 이상의 두께를 가지며, 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 초격자층 및 상기 물리적 계면은 상기 계면의 격자 부정합을 갖는 초격자 구조물을 포함하고, 상기 격자 부정합은 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 에피텍셜 성장면에서 일어나고 상기 물리적 계면에 걸친 열 전도(thermal conduction)를 줄이는 음향 부정합(acoustic mismatch)을 제공하는 것인, 열전 구조물.
삭제
제1항에 있어서, 양자선, 양자점, 나노점, 및 양자 상자 중 적어도 하나를 포함하는 열전 구조물.
삭제
제3항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템에 포함되고 양자선을 포함하는 탄소 나노튜브를 포함하는 열전 구조물.
제1항에 있어서, 직교 양자 구속된 나노점, 양자점, 또는 양자 상자를 포함하는 열전 구조물.
삭제
열전 소자에 있어서,

히트 소스 플레이트(heat source plate);

상기 히트 소스 플레이트에 비하여 더 높은 온도에서 동작하는 히트 싱크 플레이트(heat sink plate);

적어도 하나의 n-형 열전 요소(thermoelectric element); 및

상기 적어도 하나의 n-형 열전 요소에 전기적으로 직렬 연결되는 적어도 하나의 p-형 열전 요소를 포함하고,

상기 적어도 하나의 n-형 열전 요소는,

상이한 격자 상수를 가지며 서로 접촉하여 삽입되는 적어도 제1 및 제2의 n-형 재료 시스템의 n-형 초격자층-상기 적어도 제1 및 제2의 n-형 재료 시스템의 초격자층은 상기 물리적 계면에 수직인 전하 캐리어 수송 방향을 가짐-과,

상기 적어도 제1 및 제2의 n-형 재료 시스템이 격자 부정합으로 접합되고 상기 제1 및 제2의 n-형 재료 시스템의 구조적 무결성이 유지되는 곳인 물리적 계면을 포함하고,

상기 적어도 하나의 p-형 열전 요소는,

상이한 격자 상수를 가지며 서로 접촉하여 삽입되는 적어도 제1 및 제2의 p-형 재료 시스템의 p-형 초격자층-상기 적어도 제1 및 제2 p-형 재료 시스템의 초격자층은 상기 물리적 계면에 수직인 전하 캐리어 수송 방향을 가지며, 상기 p-형 초격자층은 1.35μm 이상의 두께를 가짐-과,

상기 적어도 제1 및 제2의 p-형 재료 시스템이 격자 부정합으로 접합되고 상기 제1 및 제2의 p-형 재료 시스템의 구조적 무결성이 유지되는 곳인 물리적 계면을 포함하고,

상기 n-형 초격자층 및 상기 p-형 초격자층 중 적어도 하나는 에피택셜 초격자층을 포함하는 것인, 열전 소자.
제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 n-형 열전 요소 및 상기 적어도 하나의 p-형 열전 요소에 대한 오믹 접점(ohmic contact)을 더 포함하는 열전 소자.
제9항에 있어서, 상기 오믹 접점은 Cr를 포함하는 것인 열전 소자.
제9항에 있어서, 상기 오믹 접점은 적어도 하나의 접착 증진제를 포함하는 것인 열전 소자.
삭제
제11항에 있어서, 상기 접착 증진제는 Cr, NiCr, Ti, Mo, W, 및 이들 금속을 함유하는 합금 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 것인 열전 소자.
제9항에 있어서, 상기 오믹 접점은 적어도 하나의 확산 장벽을 포함하는 것인 열전 소자.
제14항에 있어서, 상기 확산 장벽은 Ni, Cr, NiCr, Pd, Fe, 및 이들 금속을 함유하는 합금 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 것인 열전 소자.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
제15항에 있어서, 상기 오믹 접점은
보다 작은 저항률(resistivity)을 갖는 것인 열전 소자.
제9항에 있어서, 상기 오믹 접점은 Cr, Au, Ni, 및 Au 중 적어도 하나로 된 오믹 금속막(Ohmic metallization)을 포함하는 것인 열전 소자.
제22항에 있어서, 상기 오믹 금속막은 Au, Cu, Ni, Ag, Pd, Pt, Al, Ga, In, 및 이들 금속을 함유하는 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 것인 열전 소자.
제23항에 있어서, 상기 오믹 접점은
보다 작은 저항률을 갖는 것인 열전 소자.
삭제
제8항에 있어서, 상기 열전 소자는 열전 냉각기인 것인 열전 소자.
제26항에 있어서, 상기 열전 냉각기는 냉장고 및 에어컨 중 적어도 하나를 포함하는 것인 열전 소자.
삭제
제8항에 있어서, 상기 열전 소자는 전력 변환 소자인 것인 열전 소자.
제8항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 열전 나노 구조물에 화학 물질 도펀트(chemical dopant)를 포함하는 가압 메카니즘(pressurizing mechanism)을 더 포함하며,

상기 화학 물질 도펀트는 상기 열전 구조물에 부정합 유발된 압력(misfit-induced pressure)을 생성하도록 구성되어 있는 것인 열전 소자.
제8항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 열전 나노 구조물에 화학 물질 도펀트를 포함하는 자화 메카니즘을 더 포함하며,

상기 화학 물질 도펀트는 자성 재료를 포함하는 것인 열전 소자.
적어도 하나의 냉각기로서 구성된 제8항, 제30항 및 제31항 중 어느 한 항의 열전 소자를 포함하는 동적 랜덤 액세스 메모리.
제32항에 있어서, 상기 동적 랜덤 액세스 메모리는 정적 랜덤 액세스 메모리로서 구성되어 있는 것인 동적 랜덤 액세스 메모리.
제8항에 있어서, 상기 p-형 초격자층은 2.67μm 내지 5.4μm의 범위의 두께를 갖는 것인 열전 소자.
제8항에 있어서, 상기 p-형 초격자층은 2.67μm 이상의 두께를 갖는 것인 열전 소자.
열전 전력 변환 소자에 있어서,

서로 다른 격자 상수를 가지며 서로 접촉하여 삽입되어 있는 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 초격자층;

상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템이 격자 부정합(lattice mismatch)으로 접합되고 상기 제1 및 제2 재료 시스템의 구조적 무결성(structural integrity)이 유지되는 곳인 물리적 계면;

상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 초격자층에 연결된 히트 싱크;

상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 초격자층을 통해 상기 히트 싱트에 연결된 히트 소스;

상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 초격자층에 연결되고 열전 전압을 출력하도록 구성되어 있는 전극; 및

상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 열전 나노 구조물에 자성 재료를 포함하는 화학 물질 도펀트를 포함하는 자화 메카니즘을 포함하고,

상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 초격자층은 상기 물리적 계면에 수직인 전하 캐리어 수송 방향을 가지며 두께가 1.35μm 이상인 것인 열전 전력 변환 소자.
제36항에 있어서, 상기 히트 싱크는 250K 내지 310K의 저온측(cold side)을 포함하고, 상기 히트 소스는 310K 내지 450K의 고온측(hot side)을 포함하는 것인 열전 전력 변환 소자.
제36항에 있어서, 상기 열전 소자는 1.4 이상의 성능 지수(ZT, figures-of-merit)를 갖는 것인 열전 전력 변환 소자.
제36항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 열전 나노 구조물에 화학 물질 도펀트(chemical dopant)를 포함하는 가압 메카니즘(pressurizing mechanism)을 더 포함하며,

상기 화학 물질 도펀트는 상기 열전 구조물에 부정합 유발된 압력(misfit-induced pressure)을 생성하도록 구성되어 있는 것인, 열전 전력 변환 소자.
제36항에 있어서, 상기 히트 싱크는 냉장 유닛에서의 열 교환기로서 구성되어 있는 것인 열전 전력 변환 소자.
삭제
제36항에 있어서, 상기 히트 싱크는 에어컨 유닛에서의 열 교환기로서 구성되어 있는 것인 열전 전력 변환 소자.
삭제
삭제
제36항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템 사이의 격자 부정합은 1 내지 100 퍼센트 범위 내에 있는 것인 열전 전력 변환 소자.
제45항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템 사이의 격자 부정합은 1 내지 5 퍼센트 범위 내에 있는 것인 열전 전력 변환 소자.
제36항에 있어서, 상기 초격자층의 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템은 주기적으로 배열되어 있는 것인 열전 전력 변환 소자.
제36항에 있어서, 상기 초격자층은 2.67μm 내지 5.4μm 범위 내의 두께를 갖는 것인 열전 전력 변환 소자.
삭제
제36항에 있어서, 상기 초격자층은 2.67μm 이상의 두께를 갖는 것인 열전 전력 변환 소자.
열전 가열 및 냉각 소자로서,

서로 다른 격자 상수를 가지며 서로 접촉하여 삽입되어 있는 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 초격자층;

상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템이 격자 부정합(lattice mismatch)으로 접합되고 상기 제1 및 제2 재료 시스템의 구조적 무결성(structural integrity)이 실질적으로 유지되는 곳인 물리적 계면;

상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 초격자층에 연결된 적어도 하나의 히트 싱크 및 히트 소스;

냉각을 위한 상기 히트 싱크와 가열을 위한 상기 히트 소스 중 적어도 하나로 전하를 수송시키도록 구성되어 있는 상기 열전 소자; 및

상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 열전 나노 구조물에 자성 재료를 포함하는 화학 물질 도펀트를 포함하는 자화 메카니즘을 포함하고,

상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 초격자층은 상기 물리적 계면에 수직인 전하 캐리어 수송 방향을 가지며 1.35μm 이상의 두께를 갖는 것인 열전 가열 및 냉각 소자.
제51항에 있어서, 상기 히트 싱크는 250K 내지 310K의 저온측(cold side)을 포함하고,

상기 히트 소스는 310K 내지 450K의 고온측(hot side)을 포함하는 것인 열전 가열 및 냉각 소자.
제51항에 있어서, 상기 열전 소자는 1.4 이상의 성능 지수(ZT)를 갖는 것인 열전 가열 및 냉각 소자.
제51항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템의 열전 나노 구조물에 화학 물질 도펀트(chemical dopant)를 포함하는 가압 메카니즘(pressurizing mechanism)을 더 포함하며,

상기 화학 물질 도펀트는 상기 구조물에 부정합 유발된 압력(misfit-induced pressure)을 생성하도록 구성되어 있는 것인 열전 가열 및 냉각 소자.
제51항에 있어서, 상기 히트 싱크는 마이크로프로세서 칩, 레이저 칩, 및 초전도 칩 중 적어도 하나에 연결되도록 구성되어 있는 것인 열전 가열 및 냉각 소자.
제51항에 있어서, 상기 히트 소스는 마이크로프로세서 칩, 레이저 칩, 및 초전도 칩 중 적어도 하나의 구성 요소에 연결되도록 구성되어 있는 것인 열전 가열 및 냉각 소자.
제51항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템 사이의 격자 부정합은 1 내지 100 퍼센트 범위 내에 있는 것인 열전 가열 및 냉각 소자.
제57항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템 사이의 격자 부정합은 1 내지 5 퍼센트 범위 내에 있는 것인 열전 가열 및 냉각 소자.
제51항에 있어서, 상기 초격자층의 상기 적어도 제1 및 제2 재료 시스템은 주기적으로 배열되어 있는 것인 열전 가열 및 냉각 소자.
제51항에 있어서, 상기 초격자층은 2.67μm 내지 5.4μm 범위 내의 두께를 갖는 것인 열전 가열 및 냉각 소자.
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