KR20140031863A - IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 박막 헤테로 구조 열전재료 - Google Patents

IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 박막 헤테로 구조 열전재료 Download PDF

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알렌 엘. 그래이
로버트 조세프 테리언
패트릭 존 맥캔
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포노닉 디바이시즈, 인크.
더 보드 오브 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 오클라호마
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Abstract

박막 헤테로 구조 열전 재료 및 그의 제작 방법들의 실시예들이 개시된다. 일반적으로, 열전 재료는 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성된다. 열전 재료는 에픽택셜 헤테로 구조를 포함하고 에픽택셜 헤테로 구조의 적절한 제작 및 적절한 최적화를 통해 넓은 온도 범위들에 걸쳐 제벡 계수, 전기 전도도, 및 열 전도도에 관한 높은 열 펌핑 및 성능 지수 달성을 나타낸다.

Description

IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 박막 헤테로 구조 열전재료{THIN-FILM HETEROSTRUCTURE THERMOELECTRICS IN A GROUP IIA AND IV-VI MATERIALS SYSTEM}
본 발명은 ARPA-E가 수여한 계약 번호 AR0000033 하에 정부 자금으로 실시되었다. 미국 정부는 본 발명의 권리들을 가질 수 있다.
본 출원은 2011년 2월 28일자로 출원된 가특허 출원 일련번호 제61/447,459호의 이득을 청구하며, 그 개시내용은 본 명세서에 그 전체가 참고로 포함된다.
본 개시는 열전 재료들(thermoelectric materials)에 관한 것이다.
최근에, 글로벌 에너지 사용 및 환경에 대한 그의 영향, 특히, 지구 온난화에 대한 관심의 증가는 전력을 발생시키는 신규한 기술들에 관한 폭넓은 연구를 초래했다. 열전 발전기들(thermoelectric power generators)은 그들의 분명한 장점들로 인해 유망한 대안적인 녹색 기술로 부각되었다. 일반적으로, 열전 발전기들은 열 에너지 입력의 비용과 관계없이 폐열 에너지의 전력으로의 직접 변환시에 잠재적 애플리케이션을 제공한다.
열전 디바이스(thermoelectric device)는 열전 발전기 또는 열전 냉각기로서 사용될 수 있다. 이러한 디바이스들의 애플리케이션들은, 예를 들어, 전자 열 관리 및 고체 상태 냉장에서 폐열원들로부터의 발전에 이르기까지 다양하다. 열전 발전기는 온도 기울기로 인한 열 에너지(열)로부터 소위 "제벡 효과(Seebeck effect)"에 기초한 전기 에너지로의 직접 에너지 변환을 제공하는 고체 상태 디바이스이다. 열전 전력 사이클은, 작동 유체의 역할을 하는 전하 캐리어들(전자들)에 의해, 기본 열역학 법칙을 따르고, 종래의 열기관의 전력 사이클과 친밀하게 유사하다. 열전 발전기들은, 예를 들어, 고신뢰성, 소형 풋프린트를 포함하지만, 대면적 애플리케이션들(large area applications), 경량(lightweight), 유연성(flexibility), 및 비-위치 의존성(non-position dependency)을 충족시키기 위해 포텐셜 스케일링(potential scaling)을 이용하는 다른 기술들에 비해 여러 개의 분명한 장점들을 제공한다.
열전 디바이스들의 주요 과제는 일반적으로 ~5%인 그들의 비교적 낮은 변환 효율이다. 이는, 전력 발생 및 열 관리에 있어서의 그들의 사용을, 공간 및 신뢰성이 프리미엄인 전문 분야들로 제한하는 주요 원인이었다.
열전 재료의 성능 지수(figure-of-merit; ZT)는 다양한 재료들의 효율들을 비교하기 위해 사용되는 무차원 단위이다. ZT는 3개의 물리적 파라미터들: 즉, 열전력(α)(제벡 계수로도 공지됨), 전기 전도도(σ), 및 열 전도도(k = ke + kph)에 의해 결정되며, 여기서 ke 및 kph는 각각 전자들 및 포논들의 열 전도도들이고; T는 절대 온도이다:
Figure pct00001
벌크 열전 재료들에서의 최대 ZT는 재료계의 고유 속성들에 의해 지배된다. 제벡 계수와 전기 전도도 사이의 역 관계 때문에, 대부분의 후보들은 증대된 ZT를 위한 구동력으로서 낮은 열 전도도를 필요로 한다. 제벡 계수와 전기 전도도 사이의 이러한 상호 의존 및 결합은, 거의 50년의 연구에도 불구하고, ZT를 1보다 크게 증가시키는 것을 어렵게 한다. 이러한 값을 2.0 이상으로 증가시키는 것은 기존 기술들을 와해할 것이고, 궁극적으로 열전 시스템들의 더 광범위한 사용을 가능하게 할 것이다.
L.D. Hicks 및 M.S. Dresselhaus의 Effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit, Phvs. Rev. B, 제47권, 19호, 12727-12731(1993년 5월 15일)에서, Hicks 및 Dresselhaus는 제벡 계수 및 전기 전도도를 독립적으로 최적화함으로써 ZT를 상당히 증가시킬 수 있는 양자 제한 구조들(quantum confined structures)의 개념을 개척했다. 그 이후에, 다수의 연구 그룹들은 ZT를 증가시키기 위해 나노-구조 접근법들을 채택했고, 개선은 계면들에서 산란하는 포논으로부터의 감소된 열 전도도에서 기인한다고 궁극적으로 결정했다. J. P. Heremans, V. Jovovic, E.S. Toberer, A. Saramat, K. Kurosaki, A. Charoenphakdee, S. Yamanaka, 및 G.J. Snyder의 Enhancement of Thermoelectric Efficiency in PbTe by Distortion of the Electronic Density of States, Science, 제321권, 554-557(2008년 7월 25일)에서, Heremans는 불순물 레벨들의 사용을 통해 전자 상태 밀도의 왜곡에 의한 제벡 계수의 상당한 개선을 제시했다.
나노-구조 재료들을 사용하여 열전 성능을 개선하기 위해 최근에 조사되는 대안적 접근법은 열이온 방출을 통한 핫 캐리어 수송이다. 설계 기준들은 높은 에너지의 "핫" 캐리어들을 선택적으로 수송하기 위해 여러 개의 kBT(여기서 k는 볼츠만 상수이고, T는 온도임)의 전위 장벽을 필요로 한다. 페르미 레벨에 대한 장벽 높이보다 더 큰 에너지에서 핫 캐리어들의 분포는 제벡 계수를 정의하고, 이러한 분포의 적분은 전도도를 정의한다. 제벡 계수의 개선은 여러 개의 재료계들에 대한 핫 캐리어 수송에 의해 관찰되었다. 보다 소수의 캐리어들이 수송에 참여하므로 이러한 개선은 전기 전도도에 있어서의 감소에 의해 어느 정도로 오프셋될 것이다. 따라서, ZT에 대한 전체 영향은 재료계에 크게 의존적이 될 것이다.
열전자 방출을 통한 핫 캐리어 수송을 통해 ZT를 최대화하거나, 적어도 상당히 개선하는 재료계에서 형성되는 나노-구조 열전 재료에 대한 필요성이 존재한다.
박막 헤테로 구조 열전 재료 및 그의 제작 방법들에 대한 실시예들이 개시된다. 일반적으로, 열전 재료는 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성된다. 열전 재료는 에픽택셜 헤테로 구조를 포함하고, 에픽택셜 헤테로 구조의 적절한 엔지니어링 및 신중한 최적화를 통해 넓은 온도 범위들에 걸쳐 제벡 계수, 전기 전도도, 및 열 전도도의 견지에서 높은 열 펌핑 및 성능 지수 수행을 보인다.
에픽택셜 헤테로 구조는 열전자 방출(thermonic emission)에 의해 캐리어 열 수송을 돕는 하나 이상의 전위 장벽들을 형성한다. 더 구체적으로, 하나의 실시예에서, 에픽택셜 헤테로 구조는 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되고, 제1 우물 층, 제1 우물 층의 표면 상의 장벽 층, 및 제1 우물 층과 대향하는 장벽 층의 표면 상의 제2 우물 층을 포함하며, 여기서, 제1 우물 층, 장벽 층, 및 제2 우물 층 중 적어도 하나는 IIa 및 IV-VI 족 재료를 포함한다. 장벽 층의 밴드갭은 제1 및 제2 우물 층들 각각의 밴드갭보다 더 크다.
또 다른 실시예에서, 에픽택셜 헤테로 구조는 다수의 우물 층들에 의해 분리되는 다수의 장벽 층들을 포함한다. 각각의 우물 층의 밴드갭은 에픽택셜 헤테로 구조 내의 모든 인접 장벽 층들의 밴드갭 미만이다. 에픽택셜 헤테로 구조 내의 우물 층들 및 장벽 층들은 모두 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성된다.
하나의 실시예에서, 다수의 장벽 층들 각각은 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 제1 재료의 하나 이상의 층들을 포함하고, 다수의 우물 층들 각각은 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 제2 재료의 하나 이상의 층들을 포함하며, 여기서, 각각의 장벽 층의 밴드갭은 에픽택셜 헤테로 구조 내의 모든 인접한 우물 층들의 밴드갭보다 더 크다. 하나의 특정한 실시예에서, 각각의 장벽 층은 Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 재료의 하나 이상의 층들을 포함하고, 각각의 우물 층은 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료의 하나 이상의 층들을 포함하며, 여기서, Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 재료의 밴드갭은 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료의 밴드갭보다 더 크다.
또 다른 실시예에서, 에픽택셜 헤테로 구조 내의 다수의 장벽 층들 중 적어도 하나는 단주기 초격자이다. 초격자는 초격자 우물 층들에 의해 분리되는 다수의 초격자 장벽 층들을 포함하며, 여기서, 초격자의 유효 밴드갭은 에픽택셜 헤테로 구조 내의 모든 인접한 우물 층들의 밴드갭보다 더 크다. 하나의 특정한 실시예에서, 초격자 장벽 층들은 Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 재료 층들이고, 초격자 우물 층들은 Pb(1-x'-y')Srx'Sny'Se(0 < x'< 1 ; 0 < y' < 1) 재료 층들이며, 여기서, 각각의 Pb(1-x-y)SrxSnySe 재료 층의 밴드갭은 모든 인접 Pb(1- x' -y')Srx'Sny'Se 재료 층들의 밴드갭보다 더 크다. 초격자 내의 초격자 장벽 층들과 초격자 우물 층들 사이의 계면들에서 포논들을 산란시키기 위해, 초격자의 주기 두께는 주어진 동작 온도에서 터널링 확률 길이 미만이다. 더욱이, 또 다른 실시예에서, 초격자 내의 초격자 장벽 층들 및 초격자 우물 층들의 두께들은, 초격자에 걸쳐 에너지 그레이딩을 생성하여 교차 평면 유효 캐리어 밀도 수송을 증가시키기 위해 달라진다.
또 다른 실시예에서, 에픽택셜 헤테로 구조 내의 우물 층들 중 적어도 하나는 단주기 초격자이다. 초격자는 초격자 우물 층들에 의해 분리되는 다수의 초격자 장벽 층들을 포함하며, 여기서, 초격자의 유효 밴드갭은 에픽택셜 헤테로 구조 내의 모든 인접한 장벽 층들의 밴드갭 미만이다. 하나의 특정한 실시예에서, 초격자 우물 층들은 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료 층들이고, 초격자 장벽 층들은 Pb(1-a'-b')Sra'Snb'Se(0 < a' < 1 ; 0 < b' < 1) 재료 층들이며, 여기서, 각각의 Pb(1-a'-b')Sra'Snb'Se 재료 층의 밴드갭은 모든 인접한 Pb(1-a-b)SraSnbSe 재료 층들의 밴드갭보다 더 크다. 초격자 내의 초격자 장벽 층들 및 초격자 우물 층들 사이의 계면들에서 포논들을 산란시키기 위해, 초격자의 주기 두께는 주어진 동작 온도에서 터널링 확률 길이 미만이다. 더욱이, 또 다른 실시예에서, 초격자에 걸쳐 에너지 그레이딩을 생성하여 교차 평면 유효 캐리어 밀도 수송을 증가시키기 위해 초격자 내의 초격자 장벽 층들 및 초격자 우물 층들의 두께들이 달라진다.
또 다른 실시예에서, 에픽택셜 헤테로 구조 내의 장벽 층들 중 적어도 하나는 단주기 초격자이고, 에픽택셜 헤테로 구조 내의 우물 층들 중 적어도 하나는 단주기 초격자이다.
당업자들은 첨부 도면과 관련하여 바람직한 실시예들의 이하의 상세한 설명을 읽은 후에 본 개시의 범위를 인정하고 그의 부가적 양태들을 인식할 것이다.
본 명세서에 통합되고 그의 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 개시의 여러 수개의 양태들을 도시하고, 본 설명과 함께 본 개시의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 개시의 하나의 실시예에 따른 우물 층 및 장벽 층을 포함하는 에픽택셜 헤테로 구조를 갖는 박막 열전 재료를 도시한다.
도 2는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 우물 층들에 의해 분리되는 다수의 장벽 층들을 포함하는 에픽택셜 헤테로 구조를 갖는 박막 열전 재료를 도시한다.
도 3은 본 개시의 하나의 실시예에 따른 장벽 층이 단주기 초격자를 포함하는 도 1 및 2의 열전 재료에 대한 장벽 층의 일 실시예를 도시한다.
도 4는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 장벽 층이 단주기 초격자를 포함하는 도 1 및 2의 열전 재료에 대한 장벽 층의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 본 개시의 하나의 실시예에 따른 장벽 층 및 인접한 우물 층들에 대한 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 6은 증가하는 에너지 그레이딩을 생성하여 교차 평면 유효 캐리어 밀도 수송을 증가시키는 단주기 초격자에 의해 장벽 층이 형성되는 하나의 예시적인 실시예에 따른 장벽 층 및 인접한 우물 층들에 대한 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 7은 본 개시의 하나의 실시예에 따른 우물 층이 단주기 초격자를 포함하는 도 1 및 도 2의 열전 재료에 대한 우물 층의 일 실시예를 도시한다.
도 8은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 우물 층이 단주기 초격자를 포함하는 도 1 및 도 2의 열전 재료에 대한 우물 층의 일 실시예를 도시한다.
도 9는 증가하는 에너지 그레이딩들을 생성하여 교차 평면 유효 캐리어 밀도 수송을 증가시키는 단주기 초격자들에 의해 우물 층들이 형성되는 하나의 예시적 실시예에 따른 장벽 층 및 인접한 우물 층들에 대한 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 10은 증가하는 에너지 그레이딩들을 생성하여 교차 평면 유효 캐리어 밀도 수송을 증가시키는 단주기 초격자들에 의해 장벽 층 및 우물 층들이 형성되는 하나의 예시적 실시예에 따른 장벽 층 및 인접한 우물 층들에 대한 에너지 밴드 다이어그램이다.
아래에 진술되는 실시예들은 당업자들이 실시예들을 실시하고 실시예들을 실시하는 최상의 모드를 도시할 수 있게 하기 위해 필요한 정보를 나타낸다. 첨부 도면을 고려하여 이하의 설명을 읽으면, 당업자들은 본 개시의 개념들을 이해할 것이고, 본 명세서에서 구체적으로 어드레스되지 않은 이러한 개념들의 애플리케이션들을 인식할 것이다. 이러한 개념들 및 애플리케이션들은 본 개시 및 첨부한 청구항들의 범위 내에 있다는 점이 이해되어야 한다.
반도체 박막 열전으로부터의 고열 펌핑 용량 및 고변환 효율의 생성은 이러한 디바이스들의 간편하고 효율적인 속성들 때문에 매우 매력적이다. 이러한 디바이스들의 애플리케이션들은, 예를 들어, 전자 반도체 칩 냉각, 고체 상태 냉장에서 폐열원들로부터의 발전에 이르기까지 다양하다. 많은 연구원들이 디바이스 제작, 디바이스 물리학, 및 시스템 애플리케이션들에 집중한, 과거 수년에 걸쳐 박막 열전에 있어서 많은 진보들이 있어 왔다.
도 1은 본 개시의 하나의 실시예에 따른 박막 열전 재료(10)(이하 "열전 재료(thermoelectric material; 10)")를 도시한다. 일반적으로, 열전 재료(10)는 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "IIa 및 IV-VI 족 재료계(Group IIa and IV-VI materials system)"는 IIa 족 재료들, IV-VI 족 재료들, 및 IIa 및 IV-VI 족 재료들의 계이다. 하나의 바람직한 실시예에서, IIa 및 IV-VI 족 재료계는 Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 재료들로 정의되며, 여기서 x 및 y는 원자 종들(atomic species)의 상대 몰 분율(relative mole fraction)을 나타낸다. 대조적으로, IIa 족 재료는 IIa 족 원소들(예를 들어, 스트론튬)만을 포함하는 재료이고, IV-VI 족 재료는 IV 족 및 VI 족 원소들(예를 들어, PbSe)만을 포함하는 재료이며, IIa 및 IV-VI 족 재료들은 IIa, IV, 및 VI 족 원소들(예를 들어, PbSrSe)을 포함하는 재료들이다.
도시된 바와 같이, 열전 재료(10)는 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 헤테로 구조(heterostructure; 12)를 포함한다. 헤테로 구조(12)는 우물 층(14), 우물 층(14)의 표면 상의 장벽 층(16), 및 우물 층(14)에 대향하는 장벽 층(16)의 표면 상의 또 다른 우물 층(18)을 포함한다. 우물 층(14), 장벽 층(16), 및 우물 층(18)은 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되고, 우물 층(14), 장벽 층(16), 및 우물 층(18)의 적어도 하나 및 잠재적으로 모두는 IIa 및 IV-VI 족 재료를 포함한다. 현저하게, 우물 층들(14 및 18)은 동일한 낮은 밴드갭 재료로 형성될 수 있거나 형성되지 않을 수 있다. 헤테로 구조(12)는 임의의 적절한 에픽택셜 성장 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
일반적으로, 장벽 층(16)의 밴드갭은, 본 명세서에서 장벽 층(16)의 인접한 우물 층들로 지칭되는, 우물 층들(14 및 18)의 밴드갭들보다 더 크다. 우물 층들(14 및 18) 및 장벽 층(16)을 참조할 때, 장벽 층(16)의 "높은 밴드갭" 재료는 인접한 우물 층들(14 및 18)의 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 "낮은 밴드갭" 재료의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 갖는 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 재료인 점이 주목되어야 한다. 마찬가지로, 우물 층들(14 및 18)의 "낮은 밴드갭" 재료는 인접 장벽 층(16)의 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 "높은 밴드갭" 재료의 밴드갭 미만인 밴드갭을 갖는 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 재료이다.
하나의 실시예에서, 우물 층(14)은 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내에서 동일한 낮은 밴드갭 재료의 하나 이상의 층들에 의해 형성된다. 장벽 층(16)은 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내에서 동일한 높은 밴드갭 재료의 하나 이상의 층들에 의해 형성된다. 마지막으로, 우물 층(18)은 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내에서 동일한 낮은 밴드갭 재료의 하나 이상의 층들에 의해 형성된다. 또한, 우물 층(14)에 사용되는 낮은 밴드갭 재료는 우물 층(18)에 사용되는 낮은 밴드갭 재료와 동일하거나 상이할 수 있다.
상세히 후술되는 바와 같이, 또 다른 실시예에서, 장벽 층(16)은 원하는 유효 또는 결합 밴드갭을 장벽 층(16)을 위해 함께 제공하는 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 다수의 교대하는 높은 밴드갭 및 낮은 밴드갭 층들을 갖는 단주기 초격자이다. 초격자를 참조할 때, "높은 밴드갭" 재료 층들은 초격자 내의 인접한 "낮은 밴드갭" 재료 층들보다 더 큰 밴드갭들을 갖는 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 재료 층들이고, "낮은 밴드갭" 재료 층들은 초격자 내의 인접한 "높은 밴드갭" 재료 층들의 밴드갭들 미만인 밴드갭들을 갖는 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 재료 층들인 점에 주목한다. 초격자의 주기 두께는 포논들을 초격자 내의 교대하는 높은 밴드갭 및 낮은 밴드갭 재료 층들 사이의 계면들에서 산란시키기 위해 주어진 동작 온도에서 터널링 확률 길이 미만이다. 더욱이, 또한 아래에 논의되는 바와 같이, 초격자를 가로질러 에너지 그레이딩을 생성하여 교차 평면 유효 캐리어 밀도 수송(cross-plane effective carrier density transport)을 증가시키기 위해 초격자 내의 높은 밴드갭 및 낮은 밴드갭 재료 층들의 두께들이 달라질 수 있다.
장벽 층(16)과 같이, 우물 층(14)은 원하는 유효 밴드갭을 우물 층(14)을 위해 함께 제공하는 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 다수의 교대하는 높은 밴드갭 및 낮은 밴드갭 재료 층들을 갖는 단주기 초격자일 수 있다. 또한, 초격자를 참조할 때, "높은 밴드갭" 재료 층들은 초격자 내의 인접한 "낮은 밴드갭" 재료 층들의 밴드갭들보다 더 큰 밴드갭들을 갖는 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 재료 층들이고, "낮은 밴드갭" 재료 층들은 초격자 내의 인접한 "높은 밴드갭" 재료 층들의 밴드갭들 미만인 밴드갭들을 갖는 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 재료 층들인 점에 주목한다. 초격자의 주기 두께는 포논들을 초격자 내의 교대하는 높은 밴드갭 및 낮은 밴드갭 재료 층들 사이의 계면들에서 산란시키기 위해 주어진 동작 온도에서 터널링 확률 길이 미만이다. 더욱이, 또한 아래에 논의되는 바와 같이, 우물 층(14)을 가로질러 에너지 그레이딩을 생성하여 교차 평면 유효 캐리어 밀도 수송을 증가시키기 위해 초격자 내의 높은 밴드갭 및 낮은 밴드갭 재료 층들의 두께들이 달라질 수 있다. 유사한 방식으로, 우물 층(18)은 단주기 초격자일 수 있다. 특정 구현에 따라, 우물 층(14), 장벽 층(16), 및/또는 우물 층(18)은 초격자로서 구현될 수 있다는 점에 주목한다.
하나의 바람직한 실시예에서, 장벽 층(16)은 높은 밴드갭 Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 재료이거나 이 재료를 적어도 포함하며, 여기서 x 및 y는 원자 종들의 상대 몰 분율을 나타내고, 우물 층들(14 및 18)은 낮은 밴드갭 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료이거나 이 재료를 포함하며, 여기서 a 및 b는 원자 종들의 상대 몰 분율을 나타낸다. 장벽 층(16)의 높은 밴드갭 Pb(1-x-y)SrxSnySe 재료의 밴드갭은 인접한 우물 층들(14 및 18)의 낮은 밴드갭 Pb(1-a-b)SraSnbSe 재료의 밴드갭보다 더 크다.
높은 밴드갭 Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 재료는 반도체 재료이고, n-형 또는 p-형 중 어느 하나로 도핑된다. 하나의 실시예에서, 높은 밴드갭 Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 재료의 도핑 농도는 입방 센티미터(cm3) 당 1×1017 및 5×1019 도펀트들의 범위에 있고 이 도펀트들을 포함하며, Eg1의 밴드갭을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 높은 밴드갭 Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 재료의 도핑 농도는 cm3 당 1×1018 및 1×1019 도펀트들의 범위에 있고 이 도펀트들을 포함하며, Eg1의 밴드갭을 갖는다. 유사하게, 낮은 밴드갭 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료는 반도체 재료이고, n-형 또는 p-형 중 어느 하나로 도핑된다. 하나의 실시예에서, 낮은 밴드갭 Pb(i-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료의 도핑 농도는 cm3 당 1×1017 및 5×1019 도펀트들의 범위에 있고 이 도펀트들을 포함하며, Eg1 미만인 밴드갭(Eg2)을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 낮은 밴드갭 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료의 도핑 농도는 cm3 당 1×1018 및 1×1019 도펀트들의 범위에 있고 이 도펀트들을 포함하며, Eg1 미만인 Eg2의 밴드갭을 갖는다.
하나의 실시예에서, 장벽 층(16)은 동일한 높은 밴드갭 Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 재료의 하나 이상의 층들에 의해 형성된다. 또 다른 실시예에서, 장벽 층(16)은 전도대 프로파일 및 가전자대 프로파일을 엔지니어하기 위해 가변 화학양론의 필름으로 구성된다. 더 구체적으로, 장벽 층(16)은, 상세히 후술되는 바와 같이, 단주기 초격자를 형성하는 교대하는 높은 밴드갭 Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 재료 및 낮은 밴드갭 Pb(1- X' - y' )Srx'Sny'Se(0 < x' < 1 ; 0 < y' < 1) 재료의 다수의 층들을 포함할 수 있다.
유사하게, 하나의 실시예에서, 우물 층(14)은 동일한 낮은 밴드갭 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료의 하나 이상의 층들에 의해 형성된다. 또 다른 실시예에서, 우물 층(14)은 전도대 프로파일 및 가전자대 프로파일을 엔지니어하기 위해 가변 화학양론의 필름으로 구성된다. 더 구체적으로, 우물 층(14)은, 상세히 후술되는 바와 같이, 단주기 초격자를 형성하는 교대하는 낮은 밴드갭 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료 및 높은 밴드갭 Pb(1- a' - b' )Sra'Snb'Se(0 < a' < 1 ; 0 < b' < 1) 재료의 다수의 층들을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 하나의 실시예에서, 우물 층(18)은 동일한 낮은 밴드갭 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료의 하나 이상의 층들에 의해 형성된다. 또 다른 실시예에서, 우물 층(18)은 전도대 프로파일 및 가전자대 프로파일을 엔지니어하기 위해 가변 화학양론의 필름으로 구성된다. 더 구체적으로, 우물 층(18)은, 상세히 후술되는 바와 같이, 단주기 초격자를 형성하는 교대하는 낮은 밴드갭 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료 및 높은 밴드갭 Pb(1- a' - b' )Sra'Snb'Se(0 < a' < 1 ; 0 < b' < 1) 재료의 다수의 층들을 포함할 수 있다.
IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 헤테로 구조(12)는 종래의 재료계들에서 형성되는 유사한 헤테로 구조들에 걸쳐 개선된 성능 지수(ZT) 값들을 제공한다. 이것은 제벡 계수를 증가시키는 것 및 열 전도도를 감소시키는 것 둘 다로 인한 것이다. 비교되는 재료계에 따라, 헤테로 구조(12)는 ZT 값에 있어서 2x 내지 10x 개선 및 아마 그 이상을 제공한다. Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 및 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료들이 상술한 것에 언급될지라도, IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 다른 재료들이 헤테로 구조(12) 내의 우물 및 장벽 층들(14 내지 18)에 사용될 수 있다는 점에 주목한다. 예를 들어, 하나의 대안적 실시예에서, 장벽 층(16)은 PbSrSe이거나 PbSrSe를 포함하고, 우물 층들(14 및 18)은 PbSe이거나 PbSe를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 장벽 층(16)은 PbSe이거나 PbSe를 포함하고, 우물 층들(14 및 18)은 PbSnSe이거나 PbSnSe를 포함한다. 모든 실시예들에서, 장벽 층(16)의 두께는 주어진 동작 온도에서 터널링 확률 길이보다 더 길어야 한다. 터널링 확률 길이는 다음과 같이 정의된다:
Figure pct00002
여기서, L tunnel 은 최소 두께이고, m*는 장벽 재료의 유효 질량이고, q는 전자 전하(1.6×10-19 C)이고, φ는 볼트(V)인 장벽 높이이고, kB는 볼츠만 상수이고, T는 켈빈 온도이며, h는 플랑크 상수이다.
Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 및 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1)와 같은 납-칼코제나이드 재료들은 다른 재료계들에 비해, 본질적으로 낮은 열 전도도, 높은 캐리어 n 및 p-형 이동도, 및 넓은 밴드갭 동조 범위를 갖는다. 게다가, IV-VI 족 재료들은 다이아몬드, 실리콘, 게르마늄 및 III-V 족(GaAs, InAs, AlAs, GaP 등)이나 II-VI 족 반도체들(CdTe, ZnTe 등)과 같은 사면체로 배열된 IV 족 반도체들과 대조적으로, 암염 구조로 결정화된다. 그 결과, 본 명세서에 설명되는 IIa 및 IV-VI 족 재료계의 많은 물리적 및 전자적 속성들은 사면체로 결합된 반도체들과는 다르다. 또한, 납염 화합물들은 그들의 사면체로 결합된 대응물들보다 기계적으로 훨씬 더 소프트해서 격자 변형 및 열 팽창 불일치에 대해 더 높은 허용오차를 야기한다.
도 2는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 열전 재료(10)를 도시한다. 이 실시예에서, 하나의 장벽 층(16)을 갖는 것보다 오히려, 헤테로 구조(12)는 대응하는 우물 층들(14-1 내지 14-N)에 의해 분리되는 다수의 장벽 층들(16-1 내지 16-N)을 포함한다. 헤테로 구조(12)는 우물 층들, 즉 우물 층(14-1) 및 우물 층(18)에 의해 양단부들에서 종결된다. 수(N)는 1 이상의 정수이다. 예를 들어, 수(N)는 1 내지 1000의 범위이고 1 내지 1000을 포함하는 정수일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 도 2의 헤테로 구조(12)는 열전자 방출을 통해 제벡 계수를 증가시키고, 우물 층들(14-1 내지 14-N 및 18)과 인접 장벽 층들(16-1 내지 16-N) 사이의 계면들에서 산란하는 계면을 통해 열 전도도를 감소시킨다.
장벽 층(16)에 대해 앞서 논의된 바와 같이, 장벽 층들(16-1 내지 16-N)은 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 높은 밴드갭 재료이거나 높은 밴드갭 재료를 포함한다. 하나의 실시예에서, 장벽 층들(16-1 내지 16-N) 각각은 동일한 높은 밴드갭 Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 재료의 하나 이상의 층들에 의해 형성된다. 또 다른 실시예에서, 장벽 층들(16-1 내지 16-N) 중 적어도 하나, 및 잠재적으로 장벽 층들(16-1 내지 16-N)의 모두는 전도대 프로파일 및 가전자대 프로파일을 엔지니어하기 위해 가변 화학양론의 필름으로 구성된다. 더 구체적으로, 장벽 층들(16-1 내지 16-N) 중 적어도 하나는, 상세히 후술되는 바와 같이, 교대하는 높은 밴드갭 Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0 < y < 1) 재료 및 낮은 밴드갭 Pb(1- x' -y')Srx'Sny'Se(0 < x' < 1 ; 0 < y' < 1) 재료의 다수의 층들을 포함하는 단주기 초격자일 수 있다.
유사하게, 하나의 실시예에서, 우물 층들(14-1 내지 14-N)은 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 낮은 밴드갭 재료이거나 낮은 밴드갭 재료를 포함한다. 하나의 실시예에서, 우물 층들(14-1 내지 14-N) 각각은 동일한 낮은 밴드갭 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료의 하나 이상의 층들에 의해 형성된다. 또 다른 실시예에서, 우물 층들(14-1 내지 14-N) 중 적어도 하나, 및 잠재적으로 우물 층들(14-1 내지 14-N)의 모두는 전도대 프로파일 및 가전자대 프로파일을 엔지니어하기 위해 가변 화학양론의 필름으로 구성된다. 더 구체적으로, 우물 층들(14-1 내지 14-N) 중 적어도 하나는, 상세히 후술되는 바와 같이, 교대하는 낮은 밴드갭 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료 및 높은 밴드갭 Pb(1- a' - b' )Sra'Snb'Se(0 < a' < 1 ; 0< b' < 1) 재료의 다수의 층들을 포함하는 초격자일 수 있다.
도 3은 도 2의 장벽 층들(16-1 내지 16-N)(이하 장벽 층(16-X)으로 지칭됨) 중 하나를 도시하며, 여기서, 장벽 층(16-X)은 본 개시의 하나의 실시예에 따른 단주기 초격자(20)이다. 이 논의는 도 1의 장벽 층(16)에 동일하게 적용가능하다는 점에 주목한다. 편의상, 초격자(20)는 본 명세서에서 장벽 초격자(20)로 지칭된다. 장벽 초격자(20)는 초격자(SL) 우물 층들(24-1 내지 24-(N-1))에 의해 분리되는 다수의 초격자(SL) 장벽 층들(22-1 내지 22-N)을 포함한다. 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-N)은 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되고 밴드갭(Eg,SLB)을 갖는 높은 밴드갭 재료 층들이다. 바람직하게는, 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-N)은 높은 밴드갭 Pb(1-x-y)SrxSnySe(0 < x < 1 ; 0< y < 1) 재료 층들이다. 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-N)은 모두 동일한 높은 밴드갭 재료일 수 있거나 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-N) 중 2개 이상은 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상이한 높은 밴드갭 재료들일 수 있다.
초격자 우물 층들(24-1 내지 24-(N-1))은 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되고 밴드갭(Eg,SLW)을 갖는 낮은 밴드갭 재료 층들이며, 여기서, Eg , SLW < Eg , SLB이다. 바람직하게는, 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-(N-1))은 낮은 밴드갭 Pb(1- x' -y')Srx'Sny'Se(0 < x' < 1 ; 0 < y' < 1) 재료 층들이다. 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-(N-1))은 모두 동일한 낮은 밴드갭 재료일 수 있거나 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-(N-1)) 중 2개 이상은 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상이한 낮은 밴드갭 재료들일 수 있다. 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-N) 및 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-(N-1))의 유효 또는 결합 밴드갭은 장벽 층(16-X)의 밴드갭이며, 이 밴드갭은 앞서 논의된 바와 같이 열전 재료(10)에 대한 헤테로 구조(12) 내의 모든 인접한 우물 층(들)의 밴드갭보다 더 크다.
장벽 초격자(20)를 참조할 때, 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-N)을 형성하는 "높은 밴드갭" 재료 층들은 인접 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-(N-1))을 형성하는 "낮은 밴드갭" 재료 층들의 밴드갭들보다 더 큰 밴드갭들을 갖는 재료 층들인 점이 주목되어야 한다. 마찬가지로, 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-(N-1))을 형성하는 "높은 밴드갭" 재료 층들은 인접 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-N)을 형성하는 "높은 밴드갭" 재료 층들의 밴드갭들 미만인 밴드갭들을 갖는 재료 층들이다.
도 3의 장벽 초격자(20)에서, 장벽 초격자(20)의 초격자 주기 두께(26)는 주어진 동작 온도에서 터널링 확률 길이 미만이다. 게다가, 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-N) 및 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-(N-1))은 모두 동일한 두께이어서 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-N)의 밴드갭들 및 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-(N-1))의 밴드갭들은 거리에 걸쳐 일정하다. 장벽 초격자(20)는 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-N)과 인접 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-(N-1)) 사이의 계면들에서 산란하는 포논에 의해 열 전도도를 감소시킨다.
장벽 초격자(20)는 장벽 층(16-X)의 구조이므로, 장벽 초격자(20)는 초격자 장벽 층들, 즉 초격자 장벽 층들(22-1 및 22-N)에 의해 양단부들 상에 종결되는 것이 바람직하다는 점이 주목되어야 한다. 그러나, 장벽 초격자(20)는 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 장벽 초격자(20)는 대안적으로 초격자 우물 층들에 의해 종결되거나 초격자 장벽 층에 의해 일단부에서 종결되고 초격자 우물 층에 의해 타단부에서 종결될 수 있다. 초격자 우물 층에 의해 종결되면, 초격자 우물 층은 열전 재료(10)의 헤테로 구조(12) 내의 인접한 우물 층의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다.
도 4는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 장벽 초격자(20)를 도시한다. 도 4의 장벽 초격자(20)는 도 3의 것과 유사하다. 그러나, 이 실시예에서, 장벽 초격자(20)는 도시된 바와 같이 배열되는 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-4) 및 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-4)을 포함하며, 여기서, 장벽 층(16-X)을 가로질러 에너지 그레이딩을 생성하여 교차 평면 유효 캐리어 밀도 수송을 증가시키기 위해 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-4)의 두께들 및 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-4)의 두께들이 달라진다. 더 구체적으로, 초격자 주기 두께(26)는 주어진 동작 온도에서 터널링 확률 길이 미만이다. 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-4)의 두께들이 증가할수록, 장벽 초격자(20)의 밴드갭이 또한 증가한다.
이 예에서, 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-4)의 두께들은 장벽 초격자(20)의 일단부로부터 장벽 초격자(20)의 타단부로 선형으로 증가한다. 그 결과, 장벽 초격자(20)의 밴드갭은 동일한 방식으로 선형으로 증가한다. 이 예에서 장벽 초격자(20)의 밴드갭의 선형 증가를 캐리어 흐름 방향으로 제공하기 위해 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-4) 및 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-4)의 두께들이 달라지는 한편, 장벽 초격자(20)의 밴드갭을 임의의 원하는 선형 또는 비선형 방식으로(예를 들어, 지수적으로(exponentially), 단계적으로(step-wise) 등) 증가시키기 위해 초격자 장벽 층들(22-1 내지 22-4) 및 초격자 우물 층들(24-1 내지 24-4)의 두께들이 달라질 수 있다는 점에 주목한다.
도 5는 본 개시의 하나의 실시예에 따른 도 2의 헤테로 구조(12)의 장벽 층들(16-X) 중 하나 및 2개의 인접한 우물 층들(우물 층들(14-X 및 14-Y)로 지칭됨)에 대한 에너지 밴드 다이어그램이다. 이 실시예에서, 장벽 층(16-X)은 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 동일한 높은 밴드갭 재료의 하나 이상의 층들로 형성되거나 도 3에 따른 초격자이다. 그 결과, 장벽 층(16-X)의 밴드갭(Eg,BARRIER)은 장벽 층(16-X)의 두께를 가로질러 일정하다. 이 에너지 밴드 다이어그램은 도 1의 헤테로 구조(12)의 일 실시예에 동일하게 적용가능하다.
우물 층들(14-X 및 14-Y)은 밴드갭(Eg,WELL)에 대응하고, 장벽 층(16-X)은 밴드갭(Eg,BARRIER)에 대응한다. 장벽 층(16-X)과 인접한 우물 층들(14-X 및 14-Y) 사이의 각각의 계면에서의 유효 장벽 높이 또는 전위(φ)는 장벽 층(16-X)의 밴드갭(Eg,BARRIER)과 우물 층들(14-X 및 14-Y)의 밴드갭(Eg,WELL) 사이의 차이로 정의되고, 우물 및/또는 장벽 층들(14-X, 14-Y, 및 16-X) 내의 합금 조성 또는 도핑 프로파일을 변경함으로써 조정될 수 있다. 전위 장벽에 걸친 일방향 측면 캐리어 수송을 촉진하도록 장벽 높이(φ1)가 선택된다. 바람직하게는, 장벽 층 전도대에 대한 페르미 에너지 레벨은 0.5kBT 내지 1 kBT 내이고, 합금 조성 및 도핑 레벨을 조정함으로써 설정된다. 하나의 비제한 예에서, 우물 층들(14-X 및 14-Y)은 PbSe로 형성되고, 장벽 층(16-X)은 Pb0.92Sr0.08Se로 형성된다. 이 예시적 다이어그램에서, 거리가 증가하더라도 장벽 높이(φ1)는 일정하다. 일반적인 장벽 높이들은 동작 온도에 따라 0.005와 0.3 전자 볼트(eV) 사이에서 달라진다.
도 6은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 도 2의 헤테로 구조(12)의 장벽 층들(16-X) 중 하나 및 2개의 인접한 우물 층들(14-X 및 14-Y)에 대한 에너지 밴드 다이어그램이다. 이 실시예에서, 장벽 층(16-X)은 도 4에 따른 초격자이다. 그 결과, 장벽 층(16-X)의 밴드갭(Eg,BARRIER)은 장벽 층(16-X)의 두께를 가로질러 원하는 캐리어 흐름 방향으로 증가한다.
우물 층들(14-X 및 14-Y)은 밴드갭(Eg,WELL)에 대응하고, 장벽 층(16-X)은 장벽 층(16-X)을 가로질러 거리에 따라 달라지는 밴드갭(Eg,BARRIER)에 대응한다. 더 구체적으로, 장벽 층(16-X)의 밴드갭(Eg,BARRIER)은 원하는 캐리어 흐름 방향으로 증가한다. 그 결과, 캐리어 흐름 방향으로 장벽 층(16-X)과 인접한 우물 층(14-X) 사이의 제1 계면에서의 유효 장벽 높이 또는 전위(φ1)는 캐리어 흐름 방향으로 장벽 층(16-X)과 인접한 우물 층(14-X) 사이의 제2 계면에서의 유효 장벽 높이 또는 전위(φ2) 미만이다. 원하는 캐리어 흐름 방향과 대향하는 방향으로의 전위 장벽에 걸친 측면 캐리어 수송을 막으면서 원하는 캐리어 흐름 방향으로의 전위 장벽에 걸친 측면 캐리어 수송을 촉진하도록 장벽 높이들(φ1 및 φ2)이 선택된다. 하나의 비제한적 예에서, 장벽 층(16-X)은 장벽 층(16-X)을 가로질러 x가 8%에서 13%로 달라지는 Pb1-xSrxSe로 형성될 수 있다(Pb는 또한 그에 따라 감소함).
도 7 및 도 8은 도 3 및 도 4와 유사하고, 우물 층들(14-1 내지 14-N) 중 하나의 초격자 실시예들을 도시한다. 더 구체적으로, 도 7은 도 2의 우물 층들(14-1 내지 14-N)(이하 우물 층(14-X)으로 지칭됨) 중 하나를 도시하는데, 여기서, 우물 층(14-X)은 본 개시의 하나의 실시예에 따른 단주기 초격자(28)이다. 이 논의는 도 1의 우물 층(14 또는 18)에 동일하게 적용가능하다는 점에 주목한다. 편의상, 초격자(28)는 본 명세서에서 우물 초격자(well superlattice; 28)로 지칭된다. 우물 초격자(28)는 초격자(SL) 장벽 층들(32-1 내지 32-(N-1))에 의해 분리되는 다수의 초격자(SL) 우물 층들(30-1 내지 30-N)을 포함한다. 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-N)은 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되고 밴드갭(Eg , SLW)을 갖는 낮은 밴드갭 재료 층들이다. 바람직하게는, 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-N)은 낮은 밴드갭 Pb(1-a-b)SraSnbSe(0 < a < 1 ; 0 < b < 1) 재료 층들이다. 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-N)은 모두 동일한 낮은 밴드갭 재료일 수 있거나, 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-N) 중 2개 이상은 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상이한 낮은 밴드갭 재료들일 수 있다.
초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-(N-1))은 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되고 밴드갭(Eg , SLB)을 갖는 높은 밴드갭 재료 층들이며, 여기서 Eg , SLW < Eg , SLB이다. 바람직하게는, 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-(N-1))은 높은 밴드갭 Pb(1-a'-b')Sra'Snb'Se(0 < a' < 1 ; 0 < b' < 1) 재료 층들이다. 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-(N-1))은 모두 동일한 높은 밴드갭 재료일 수 있거나, 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-(N-1)) 중 2개 이상은 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상이한 높은 밴드갭 재료들일 수 있다. 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-N) 및 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-(N-1))의 유효 또는 결합 밴드갭은 우물 층(14-X)의 밴드갭이며, 이 밴드갭은 앞서 논의된 바와 같이 열전 재료(10)를 위한 헤테로 구조(12) 내의 모든 인접 장벽 층(들)의 밴드갭 미만이다.
우물 초격자(28)를 참조할 때, 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-(N-1))을 형성하는 "높은 밴드갭" 재료 층들은 인접 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-N)을 형성하는 "낮은 밴드갭" 재료 층들의 밴드갭들보다 더 큰 밴드갭들을 갖는 재료 층들인 점이 주목되어야 한다. 마찬가지로, 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-N)을 형성하는 "높은 밴드갭" 재료 층들은 인접 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-(N-1))을 형성하는 "높은 밴드갭" 재료 층들의 밴드갭들 미만인 밴드갭들을 갖는 재료 층들이다.
도 7의 우물 초격자(28)에서, 우물 초격자(28)의 초격자 주기 두께(34)는 주어진 동작 온도에서 터널링 확률 길이 미만이다. 게다가, 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-N) 및 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-(N-1))은 모두 동일한 두께이어서 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-(N-1))의 밴드갭들 및 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-N)의 밴드갭들은 거리에 걸쳐 일정하다. 우물 초격자(28)는 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-N)과 인접 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-(N-1)) 사이의 계면들에서 산란하는 포논에 의해 열 전도도를 감소시킨다.
우물 초격자(28)는 우물 층(14-X)의 구조이므로, 우물 초격자(28)는 초격자 우물 층들, 즉 초격자 우물 층들(30-1 및 30-N)에 의해 양단부들 상에 종결되는 것이 바람직하다는 점이 주목되어야 한다. 그러나, 우물 초격자(28)는 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 우물 초격자(28)는 대안적으로 초격자 장벽 층들에 의해 종결되거나, 초격자 장벽 층에 의해 일단부에서 종결되고 초격자 우물 층에 의해 타단부에서 종결될 수 있다. 초격자 장벽 층에 의해 종결되면, 초격자 장벽 층은 열전 재료(10)의 헤테로 구조(12) 내의 인접 장벽 층의 밴드갭 미만인 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다.
도 8은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 우물 초격자(28)를 도시한다. 우물 초격자(28)는 도 7의 것과 유사하다. 그러나, 이 실시예에서, 우물 층(14-X)을 가로질러 에너지 그레이딩을 생성하여 교차 평면 유효 캐리어 밀도 수송을 증가시키기 위해 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-4)의 두께들 및 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-4)의 두께들이 달라진다. 더 구체적으로, 초격자 주기 두께(34)는 주어진 동작 온도에서 터널링 확률 길이 미만이다. 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-4)의 두께들이 증가할수록, 우물 초격자(28)의 밴드갭이 또한 증가한다.
이 예에서, 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-4)의 두께들은 우물 초격자(28)의 일단부로부터 우물 초격자(28)의 타단부로 선형으로 증가한다. 그 결과, 우물 초격자(28)의 밴드갭은 동일한 방식으로 선형으로 증가한다. 이 예에서 우물 초격자(28)의 밴드갭의 선형 증가를 캐리어 흐름 방향으로 제공하기 위해 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-4) 및 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-4)의 두께들이 달라지는 한편, 우물 초격자(28)의 밴드갭을 임의의 원하는 선형 또는 비선형 방식으로(예를 들어, 지수적으로, 단계적으로 등) 초격자 장벽 층들(32-1 내지 32-4) 및 초격자 우물 층들(30-1 내지 30-3)의 두께들이 달라질 수 있다는 점에 주목한다.
도 9는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 도 2의 헤테로 구조(12)의 우물 층들(14-X) 중 하나 및 2개의 인접 장벽 층들(16-X 및 16-Y)에 대한 에너지 밴드 다이어그램이다. 이 실시예에서, 우물 층(14-X)은 도 8에 따른 초격자이다. 그 결과, 우물 층(14-X)의 밴드갭(Eg,WELL)은 우물 층(14-X)의 두께를 가로질러 원하는 캐리어 흐름 방향으로 증가한다.
장벽 층들(16-X 및 16-Y)은 밴드갭(Eg,BARRIER)에 대응하고, 우물 층(14-X)은 우물 층(14-X)을 가로질러 거리에 따라 달라지는 밴드갭(Eg,WELL)에 대응한다. 더 구체적으로, 우물 층(14-X)의 밴드갭(Eg,WELL)은 원하는 캐리어 흐름 방향으로 증가한다. 그 결과, 캐리어 흐름 방향에서 우물 층(14-X)과 인접 장벽 층(16-X) 사이의 제1 계면에서의 유효 장벽 높이 또는 전위(φ1)는 캐리어 흐름 방향에서 우물 층(14-X)과 인접 장벽 층(16-Y) 사이의 제2 계면에서의 유효 장벽 높이 또는 전위(φ2)보다 더 크다. 원하는 캐리어 흐름 방향과 대향하는 방향으로의 전위 장벽에 걸친 측면 캐리어 수송을 막으면서 원하는 캐리어 흐름 방향으로의 전위 장벽에 걸친 측면 캐리어 수송을 촉진하도록 장벽 높이들(φ1 및 φ2)이 선택된다.
도 10은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 도 2의 헤테로 구조(12) 내의 일련의 인접한 우물 및 장벽 층들(14 및 16)의 에너지 밴드 다이어그램이다. 이 실시예에서, 장벽 층들(16) 및 우물 층들(14) 둘 다는 도 4 및 도 8 각각에 대해 상술된 바와 같은 초격자들로 형성된다. 또한, 원하는 캐리어 흐름 방향과 대향하는 방향으로의 전위 장벽에 걸친 측면 캐리어 수송을 막으면서 원하는 캐리어 흐름 방향으로의 전위 장벽에 걸친 측면 캐리어 수송을 촉진하도록 장벽 높이들이 선택된다.
본 명세서에 설명되는 열전 재료(10)의 실시예들은 다수의 장점들을 갖는 한편, 일부 비제한 예들은 다음과 같다:
1. a. n-형 재료들에서 p-형 재료들에 걸친 광범위한 도핑 전체에 걸쳐 안정적인 다른 재료계들에 비해 본질적으로 낮은 열 전도도를 갖고,
b. 거의 동일한 대역의 전도대 및 가전자대 오프셋들을 갖고 - n-형 및 p-형 재료는 유사한 수송 속성들을 가짐 - ,
c. III-V 족, II-VI 족, 및 IV 족 결합 대응물들보다 기계적으로 훨씬 더 소프트해서 격자 변형 및 열 팽창 불일치에 대해 더 높은 허용오차를 야기하는 PbSe-계 재료들을 사용하는 실시예들;
2. 캐리어 수송을 증가시키는 헤테로 구조 설계로서, 핫 캐리어 수송은 벌크 재료들에 비해 ZT를 증가시키는 실시예들;
3. 우물 및/또는 장벽 층들(14 및 16)이 단주기 초격자들로 구성되어 계면들에서 산란하는 포논에 의해 열 전도도를 감소시키는 실시예들; 및
4. 고농도로 도핑된 우물 및/또는 장벽 층들이 전자-포논 산란 메커니즘들을 통해 열 전도도를 감소시키는 실시예들.
본 발명의 상술한 설명은 당업자가 그의 최상의 모드인 것으로 현재 고려되는 것을 제조 및 사용하게 할 수 있을지라도, 당업자들은 본 명세서에서 특정 실시예, 방법, 및 예들의 변형들, 조합들, 및 등가물들의 존재를 이해 및 인식할 것이다. 그러므로, 본 발명은 상술한 실시예, 방법, 및 예들에 의해 제한되는 것이 아니라, 청구된 바와 같은 본 발명의 범위 및 사상 내의 모든 실시예들 및 방법들에 의해 제한되어야 한다.
당업자들은 본 개시의 바람직한 실시예들에 대한 개선들 및 수정들을 인식할 것이다. 모든 그러한 개선들 및 수정들은 본 명세서에 개시된 개념들의 범위 및 이어지는 청구항들 내에서 고려된다.

Claims (32)

  1. 박막 열전 재료(thin-film thermoelectric material)로서,
    제1 우물 층;
    상기 제1 우물 층의 표면 상의 장벽 층 - 상기 장벽 층은 상기 제1 우물 층의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 가짐 - ; 및
    상기 제1 우물 층과 대향하는 상기 장벽 층의 표면 상의 제2 우물 층 - 상기 제2 우물 층은 상기 장벽 층의 상기 밴드갭 미만인 밴드갭을 가짐 -
    을 포함하고,
    상기 제1 우물 층, 상기 장벽 층, 및 상기 제2 우물 층 중 적어도 하나는 IIa 및 IV-VI 족 재료를 포함하는 박막 열전 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 헤테로 구조를 포함하며, 상기 헤테로 구조는 상기 제1 우물 층 및 제2 우물 층을 포함하는 복수의 우물 층들에 의해 분리되는 상기 장벽 층을 포함하는 복수의 장벽 층들을 포함하여 상기 복수의 장벽 층들 및 상기 복수의 우물 층들이 교대하는 일련의 장벽 층들 및 우물 층들을 형성하는 박막 열전 재료.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 우물 층들의 각각의 우물 층은 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 제1 재료의 하나 이상의 층들을 포함하고, 상기 복수의 장벽 층들의 각각의 장벽 층은 상기 헤테로 구조 내의 모든 인접한 우물 층들의 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상기 제1 재료의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 갖는 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 제2 재료의 하나 이상의 층들을 포함하는 박막 열전 재료.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 장벽 층들 각각의 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상기 제2 재료는 Pb(1-x-y)SrxSnySe 재료이며, 여기서 0 < x < 1 및 0 < y < 1이고, 상기 복수의 우물 층들 각각의 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상기 제1 재료는 Pb(1-a-b)SraSnbSe 재료이며, 여기서 0 < a < 1 및 0 < b < 1인 박막 열전 재료.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 장벽 층들의 모든 장벽 층들은 동일한 Pb(1-x-y)SrxSnySe 재료의 하나 이상의 층들을 포함하며, 여기서 0 < x < 1 및 0 < y < 1인 박막 열전 재료.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 장벽 층들 중 적어도 2개의 장벽 층들은 상이한 Pb(1-x-y)SrxSnySe 재료들을 포함하며, 여기서 0 < x < 1 및 0 < y < 1인 박막 열전 재료.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 우물 층들의 모든 우물 층들은 동일한 Pb(1-a-b)SraSnbSe 재료의 하나 이상의 층들을 포함하며, 여기서 0 < a < 1 및 0 < b < 1인 박막 열전 재료.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 장벽 층들 중 적어도 2개의 장벽 층들은 상이한 Pb(1-a-b)SraSnbSe 재료를 포함하며, 여기서 0 < a < 1 및 0 < b < 1인 박막 열전 재료.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 장벽 층들 중 적어도 하나의 장벽 층은 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 단주기 초격자를 포함하는 박막 열전 재료.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단주기 초격자는 복수의 초격자 우물 층들에 의해 분리되는 복수의 초격자 장벽 층들을 포함하여 상기 복수의 초격자 장벽 층들 및 상기 복수의 초격자 우물 층들이 교대하는 일련의 초격자 장벽 층들 및 초격자 우물 층들을 형성하는 박막 열전 재료.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 우물 층들의 각각의 초격자 우물 층은 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 제1 재료의 하나 이상의 층들을 포함하고, 상기 복수의 초격자 장벽 층들의 각각의 초격자 장벽 층은 상기 단주기 초격자 내의 모든 인접한 초격자 우물 층들의 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상기 제1 재료의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 갖는 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 제2 재료의 하나 이상의 층들을 포함하는 박막 열전 재료.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 장벽 층들의 각각의 초격자 장벽 층에 대해, 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상기 제2 재료는 Pb(1-x-y)SrxSnySe 재료이며, 여기서 0 < x < 1 및 0 < y < 1이고, 상기 복수의 초격자 우물 층들의 각각의 초격자 우물 층에 대해, 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상기 제1 재료는 Pb(1- x' - y' )Srx'Sny'Se 재료이며, 여기서 0 < x' < 1 및 0 < y' < 1인 박막 열전 재료.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 장벽 층들의 모든 초격자 장벽 층들은 동일한 Pb(1-x-y)SrxSnySe 재료의 하나 이상의 층들을 포함하며, 여기서 0 < x < 1 및 0 < y < 1인 박막 열전 재료.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 장벽 층들 중 적어도 2개의 초격자 장벽 층들은 상이한 Pb(1-x-y)SrxSnySe 재료들을 포함하며, 여기서 0 < x < 1 및 0 < y < 1인 박막 열전 재료.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 우물 층들의 모든 초격자 우물 층들은 동일한 Pb(1- x' -y')Srx'Sny'Se 재료의 하나 이상의 층들을 포함하며, 여기서 0 < x' < 1 및 0 < y' < 1인 박막 열전 재료.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 우물 층들 중 적어도 2개의 초격자 우물 층들은 상이한 Pb(1-x'-y')Srx'Sny'Se 재료를 포함하며, 여기서 0 < x' < 1 및 0 < y' < 1인 박막 열전 재료.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 장벽 층들의 두께들은 실질적으로 동일하여 상기 복수의 장벽 층들 중 적어도 하나의 장벽 층은 상기 적어도 하나의 장벽 층의 두께에 걸쳐 실질적으로 일정한 밴드갭을 갖는 박막 열전 재료.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 장벽 층들의 두께들은 교차 평면 유효 캐리어 밀도 수송을 증가시키는 밴드갭 에너지 기울기를 생성하기 위해 상기 단주기 초격자를 가로질러 달라지는 박막 열전 재료.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 장벽 층들의 두께들은 상기 단주기 초격자를 가로질러 증가함으로써, 상기 복수의 장벽 층들 중 적어도 하나의 장벽 층의 밴드갭을 원하는 캐리어 흐름 방향으로 거리에 걸쳐 증가시키는 박막 열전 재료.
  20. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 우물 층들 중 적어도 하나의 우물 층은 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 단주기 초격자를 포함하는 박막 열전 재료.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 단주기 초격자는 복수의 초격자 우물 층들에 의해 분리되는 복수의 초격자 장벽 층들을 포함하여 상기 복수의 초격자 장벽 층들 및 상기 복수의 초격자 우물 층들이 교대하는 일련의 초격자 장벽 층들 및 초격자 우물 층들을 형성하는 박막 열전 재료.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 우물 층들의 각각의 초격자 우물 층은 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 제1 재료의 하나 이상의 층들을 포함하고, 상기 복수의 초격자 장벽 층들의 각각의 초격자 장벽 층은 상기 단주기 초격자 내의 모든 인접한 초격자 우물 층들의 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상기 제1 재료의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 갖는 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 제2 재료의 하나 이상의 층들을 포함하는 박막 열전 재료.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 장벽 층들의 각각의 초격자 장벽 층에 대해, 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상기 제2 재료는 Pb(1- a' - b' )Sra'Snb'Se(0 < a' < 1 ; 0 < b' < 1) 재료이며, 여기서 0 < a' < 1 및 0 < b' < 1이고, 상기 복수의 초격자 우물 층들의 각각의 초격자 우물 층에 대해, 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계 내의 상기 제1 재료는 Pb(1-a-b)SraSnbSe 재료이며, 여기서 0 < a < 1 및 0 < b < 1인 박막 열전 재료.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 장벽 층들의 모든 초격자 장벽 층들은 동일한 Pb(1- a' -b')Sra'Snb'Se 재료의 하나 이상의 층들을 포함하며, 여기서 0 < a' < 1 및 0 < b' < 1인 박막 열전 재료.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 장벽 층들 중 적어도 2개의 초격자 장벽 층들은 상이한 Pb(1-a'-b')Sra'Snb'Se 재료들을 포함하며, 여기서 0 < a' < 1 및 0 < b' < 1인 박막 열전 재료.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 우물 층들의 모든 초격자 우물 층들은 동일한 Pb(1-a-b)SraSnbSe 재료의 하나 이상의 층들을 포함하며, 여기서 0 < a < 1 및 0 < b < 1인 박막 열전 재료.
  27. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 우물 층들 중 적어도 2개의 초격자 우물 층들은 상이한 Pb(1-a-b)SraSnbSe 재료를 포함하며, 여기서 0 < a < 1 및 0 < b < 1인 박막 열전 재료.
  28. 제22항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 장벽 층들의 두께들은 실질적으로 동일하여 적어도 하나의 장벽 층은 상기 적어도 하나의 장벽 층의 두께에 걸쳐 실질적으로 일정한 밴드갭을 갖는 박막 열전 재료.
  29. 제22항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 장벽 층들의 두께들은 교차 평면 유효 캐리어 밀도 수송을 증가시키는 밴드갭 에너지 기울기를 생성하기 위해 상기 단주기 초격자를 가로질러 달라지는 박막 열전 재료.
  30. 제22항에 있어서,
    상기 복수의 초격자 장벽 층들의 두께들은 상기 단주기 초격자를 가로질러 증가함으로써, 상기 적어도 하나의 장벽 층의 밴드갭을 원하는 캐리어 흐름 방향으로 거리에 걸쳐 증가시키는 박막 열전 재료.
  31. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 장벽 층들 중 적어도 하나의 장벽 층은 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 단주기 초격자를 포함하고, 상기 복수의 우물 층들 중 적어도 하나의 우물 층은 상기 IIa 및 IV-VI 족 재료계에서 형성되는 단주기 초격자를 포함하는 박막 열전 재료.
  32. 박막 열전 재료의 제작 방법으로서,
    제1 우물 층을 형성하는 단계;
    상기 제1 우물 층의 표면 상에 장벽 층을 형성하는 단계 - 상기 장벽 층은 상기 제1 우물 층의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 가짐 - ; 및
    상기 제1 우물 층과 대향하는 상기 장벽 층의 표면 상에 제2 우물 층을 형성하는 단계 - 상기 제2 우물 층은 상기 장벽 층의 밴드갭 미만인 밴드갭을 가짐 -
    를 포함하고,
    상기 제1 우물 층, 상기 장벽 층, 및 상기 제2 우물 층 중 적어도 하나는 IIa 및 IV-VI 족 재료를 포함하는 박막 열전 재료의 제작 방법.
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