MX2008014245A

MX2008014245A - Termoelectricos de baja dimension fabricados por grabado de placa semiconductora.

Info

Publication number: MX2008014245A
Application number: MX2008014245A
Authority: MX
Inventors: Fazila Seker; Fred Sharifi
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2008-11-14
Also published as: EP2020042A2; WO2007133894A9; RU2008148931A; WO2007133894A2; CA2650855A1; BRPI0710422A2; WO2007133894A3; AU2007249609A8; US20070261730A1; AU2007249609A1; CN101449403A

Abstract

En algunas modalidades, la presente invención está dirigida a dispositivos termoeléctricos que comprenden elementos termoeléctricos nano-estructurados, tales termoeléctricos nano-estructurados se forman al grabar placas semi-conductoras impurificadas. La presente invención también está dirigida a métodos para fabricar y hacer uso de tales dispositivos termoeléctricos, así como con sistemas que emplean tales dispositivos. Tales dispositivos y su fabricación son únicos ya que emplean un enfoque "descendente" en la formación de materiales termoeléctricos de baja dimensión o nano-estructurados utilizados en los mismos.

Description

TERMOELÉCTRICOS DE BAJA DIMENSIÓN FABRICADOS POR G RABADO DE PLACA SEMICON DUCTORA Cam po de la I nvención La presente invención se relaciona en general con dispositivos de transferencia de calor y de generación de energ ía y más en particular, con dispositivos de transferencia de calor de estado sólido.

Antecedentes de la I nvención Los dispositivos de transferencia de calor se pueden utilizar para una variedad de sistemas de calentamiento/enfriamiento y de sistemas de recuperación de calor/generación de energía, tal como refrigeración, acondicionamiento de aire, enfriamiento de electrónicos, control industrial de temperatura , y generación de energ ía a través de la recuperación de calor por desech s. Estos dispositivos de transferencia de calor también son escalables para alcanzar las necesidades del manejo térmico de un sistema y ambiente particular. Sin embargo, los dispositivos de transferencia de calor existentes, tal como aquéllos que confían en los ciclos de refrigeración , no son amigables con el ambiente, tienen una vida útil limitada y son estorbosos debido a los componentes mecánicos, tales como com presores y el uso de refrigerantes. Por el contrario, los dispositivos de transferencia de energía de estado sólido ofrecen ciertas ventajas, tal como alta confiabilidad , peso y tamaño red ucidos, ruido reducido, bajo mantenim iento y un dispositivo más amigable con el ambiente. Por ejemplo, los dispositivos termoeléctricos transfieren calor por el flujo de carga a través de pares de termoelementos semiconductores de tipo n y de tipo p, lo que forma estructuras que están conectadas en forma eléctrica en serie (o paralela) y térmicamente, en paralelo. Sin embargo, debido al costo relativamente alto y a la baja eficiencia de los dispositivos termoeléctricos existentes, están restringidos a aplicaciones de pequeña escala, tal como enfriadores de asientos de automóviles, generadores en satélites y sondas espaciales y para manejo local de calor en dispositivos electrónicos. A una temperatura operativa determinada, la eficiencia de transferencia de calor de los d ispositivos termoeléctricos se puede caracterizar con una figura de mérito que depende del coeficiente Seebeck, conductividad eléctrica y conductividad térmica de los materiales termoeléctricos empleados para tales dispositivos. Se han utilizado muchas técnicas para incrementar la eficiencia de la transferencia de calor de los dispositivos termoeléctricos a través de mejorar el valor de la figura de mérito, muchos de ellos se enfocan en estructuras termoeléctricas de baja dimensión . Por ejemplo, en algunos de los dispositivos de transferencia de calor se han empleado materiales termoeléctricos de super-red de dos dimensiones, para incrementar el valor del factor de energ ía de tales dispositivos (consultar, por ejemplo, Hicks et. al. , "Experimental study of the effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit" , Phys. Rev. B. vol 53 ( 1 6) , R1 0493-R1 0496, 1 996) . Tales dispositivos requieren la deposición de los materiales termoeléctricos de super-red de dos dimensiones a través de técnicas, tales como epitaxia de haces moleculares o deposición de fase de vapor. Otros dispositivos han empleado sistemas de nano-varillas de una dimensión (consultar la Solicitud de Patente de Estados Unidos No. de Serie 11/138,615, presentada el 26 de mayo de 2005). Todos estos dispositivos, sin embargo, se fabrican con el uso de métodos de deposición "descendente". De conformidad con esto, la fabricación con éxito de tales dispositivos requieren un desarrollo importante de las técnicas de deposición, de modo que alcancen suficiente control de impurificación, cristalinidad, pureza y otros parámetros relevantes para generar un funcionamiento termoeléctrico altamente confiable. De conformidad con esto, existe la necesidad de proporcionar un dispositivo de transferencia térmica que tenga una eficiencia mejorada alcanzada a través de una figura de mérito mejorada del dispositivo de transferencia térmica, y métodos para fabricar tales dispositivos en forma económica. Sería conveniente proporcionar un dispositivo que sea escalable para satisfacer las necesidades de manejo térmico de un sistema y ambiente particulares.

Breve Descripción de la Invención En algunas modalidades, la presente invención está dirigida a dispositivos termoeléctricos que comprenden elementos termoeléctricos nano-estructurados, tales como termoelementos nano-estructurados a ser formados por el grabado de placas semiconductoras impurificadas, muchas de las cuales están comercialmente disponibles. La presente invención también está dirigida a los métodos para fabricar y hacer uso de tales dispositivos termoeléctricos, así como de los sistemas que emplean tales dispositivos. Tales dispositivos y su fabricación son únicos en que emplean un enfoque descendente para la formación de materiales termoeléctricos de baja dimensión o nano-estructurados utilizados en los mismos, lo cual emplea materiales de técnicas bien documentadas y establecidas, lo cual proporciona un dispositivo de espesor correcto y un dispositivo con calidad de pureza. En algunas de las modalidades antes mencionadas, la presente invención está dirigida a un dispositivo termoeléctrico que comprende: (a) un primer substrato térmicamente conductor que tiene un primer electrodo con patrón dispuesto en el mismo; (b) un segundo substrato térmicamente conductor que tiene un segundo electrodo con patrón dispuesto en el mismo, en donde el primer y el segundo substratos térmicamente conductores están arreglados de tal forma que el primer y segundo electrodos con patrón forman un circuito continuamente eléctrico; (c) una pluralidad de elementos termoeléctricos colocados entre el primer y el segundo electrodos con patrón, en donde los elementos termoeléctricos comprenden nano-estructuras, y en donde las nano-estructuras están formadas por un material semi-conductor de grabado electroquímico; y (d) un material de unión dispuesto entre la pluralidad de elementos termoeléctricos y por lo menos uno del primer y del segundo electrodos con patrón. En algunas de las modalidades antes mencionadas, la presente invención está dirigida a un método para fabricar un dispositivo termoeléctrico, el método comprende los pasos de: (a) proporcionar un primer substrato térmicamente conductor, que tiene un primer electrodo con patrón dispuesto en el mismo; (b) proporcionar un segundo substrato térmicamente conductor que tiene un segundo electrodo con patrón dispuesto en el mismo; (c) establecer una pluralidad de elementos termoeléctricos colocados entre el primer y el segundo electrodos con patrón, en donde los elementos termoeléctricos comprenden nano-estructuras y en donde las nano-estructuras se forman por la semi-conducción de grabado electroquímico, y (d) disponer un material de unión entre la pluralidad de elementos termoeléctricos y el primer y segundo electrodos con patrón. Lo anterior ha marcado ampliamente las características de la presente invención con el fin de que la descripción detallada de la invención que sigue a continuación se pueda comprender mejor. Las características y ventajas adicionales de la invención serán descritas de aquí en adelante, y forman parte de la material de las reivindicaciones de la invención.

Breve Descripción de los Dibujos Para una mejor comprensión de la presente invención y de las ventajas de la misma, se hace ahora referencia a la descripción tomada junto con los dibujos acompañantes, en los cuales: La Figura 1 es una ilustración en diagrama de un sistema que tiene un dispositivo de transferencia térmica de conformidad con algunas modalidades de la presente invención . La Figura 2 es una ilustración en diagrama de un sistema de generación de energía que tiene un dispositivo de transferencia de calor, de conformidad con algunas modalidades de la presente invención . La Figura 3 es una vista en sección transversal de una unidad de transferencia térmica, de conformidad con algunas modalidades de la presente invención. La Figura 4 ilustra un proceso mediante el cual una placa semiconductora impurificada se graba en forma electroqu ímica para producir un elemento termoeléctrico nano-estructurado, de conformidad con algunas modalidades de la presente invención. La Fig ura 5 es una imagen de microscópica de exploración de electrones (SEM) q ue ilustra un elemento termoeléctrico nano-estructurado que comprende una morfolog ía dendrítíca, de conformidad con algunas modalidades de la presente invención . La Figura 6 es una imagen SEM que ilustra un elemento termoeléctrico nano-estructurado que comprende una morfolog ía triang ular, de conformidad con algunas modalidades de la presente invención . La Figura 7 es una vista lateral en diagrama que ilustra un módulo ensamblado de un dispositivo de transferencia térmica que tiene una pluralidad de unidades de transferencia térmica, de conformidad con algunas modalidades de la presente invención. La Figura 8 es una vista en perspectiva que ¡lustra un módulo que tiene un arreglo de dispositivos de transferencia térmica, de conformidad con algunas modalidades de la presente invención.

Descripción Detallada de la Invención En algunas modalidades, la presente invención está dirigida a dispositivos termoeléctricos que comprenden elementos termoeléctricos nano-estructurados, tal como termoelementos nano-estructurados a ser formados por el grabado de placas semiconductoras impurificadas. La presente invención también está dirigida a métodos para fabricar y utilizar dispositivos termoeléctricos, así como a sistemas que emplean tales dispositivos. Tales dispositivos y su fabricación son únicos, ya que emplean un enfoque descendente en la formación de materiales termoeléctricos de baja dimensión o nano-estructurados. El término "baja dimensión", como se utiliza aquí, por lo general se refiere a estructuras que tienen características que son electrónicamente de dos dimensiones o de una dimensión, según se define por el establecimiento de bandas de energía discontinuas (pocas) en una pequeña dimensión. El término "nano-estructurado" se relaciona con los termoelementos de la presente invención, e incorpora características que son nano-escalables en por lo menos una dimensión, por ejemplo, nano-varillas o nano-alambres o nano-redes. Típicamente, tales estructuras son confinadas cuánticamente, lo que significa que poseen características con tamaños por debajo de los cuales ocurren los estados de energía discontinua. En la siguiente descripción, se establecen los detalles específicos, tales como tamaños, cantidades, etc., específicos, para así, proporcionar una cabal comprensión de la presente invención. Sin embargo, será evidente para las personas experimentadas en la técnica que la presente invención se puede practicar sin tales detalles específicos. En muchos casos, los detalles referentes a las consideraciones y sus similares han sido omitidos, ya que tales detalles no son necesarios para obtener una comprensión cabal de la presente invención y se encuentran dentro de las habilidades de las personas experimentadas en la técnica. Con referencia a los dibujos en general, se debe entender que los dibujos tienen el propósito de describir una modalidad particular de la invención y no tienen la intención de limitar la invención a la misma. La Figura 1 ilustra un sistema 10 que tiene una pluralidad de dispositivos de transferencia térmica de conformidad con ciertas modalidades de la presente invención. Como se ilustra, el sistema 10 incluye un módulo de transferencia térmica, tal como el representado con el número 12 de referencia, compuesto de elementos 18 y 20 termoeléctricos, que transfiere calor desde un área u objeto 14 a otra área u objeto 16 que puede funcionar como un sumidero de calor para disipar el calor transferido. El módulo 12 de transferencia térmica se puede utilizar para generar energía o para proporcionar el calor o enfriamiento de los componentes. Además, los componentes para generar calor, tal como el objeto 14 puede generar calor de bajo grado o calor de alto grado. Como se describe más adelante, el primer y segundo objetos 14 y 16 pueden ser componentes de un vehículo, una turbina o un material de una aeronave o una celda de combustible de óxido, sólido o un sistema de refrigeración.

Se debe observar que el término "vehículo" como se utiliza aquí, se puede referir a un medio de transportación de base terrestre, de base aérea o de base marítima. En esta modalidad, el módulo 12 de transferencia térmica incluye una pluralidad de dispositivos termoeléctricos. Se debe observar que los módulos de transferencia térmica comprenden por lo menos un par de tales termoelementos, uno de tipo pata semiconductora tipo n y el otro del tipo pata semiconductora tipo p. En la modalidad antes descrita, el módulo 12 termoeléctrico comprende patas 18 semi-conductoras tipo n y patas 20 semi-conductoras tipo p, que funcionan como termoelementos, por lo cual la diferencia en temperatura entre el objeto 14 y el objeto 16 produce una diferencia de voltaje en los termoelementos en contacto con estos objetos, lo que permite el flujo de corriente, y genera electricidad. En esta modalidad, las patas semi-conductoras tipo n y tipo p (termoelementos) 18 y 20 están dispuestas en los electrodos 22 y 24 con patrón que se acoplan con el primer y segundo objetos 14 y 16, respectivamente. En ciertas modalidades, los electrodos 22 y 24 con patrón pueden estar dispuestos en substratos térmicamente conductores (no mostrados) que se pueden acoplar con el primer y con el segundo objetos 14 y 16. Además, las capas de interfaz 26 y 28 pueden emplearse para conectar en forma eléctrica los pares de las patas 18 y 20 semi-conductoras tipo n y tipo p en los electrodos 22 y 24 con patrón. En la modalidad antes descrita y como se ilustra en la Figura 1, las patas 128 y 20 semi-conductoras tipo-n y tipo-p se acoplan en forma eléctrica en serie y térmicamente en paralelo. En ciertas modalidades, una pluralidad de pares de semi-conductores 18 y 20 tipo-n y tipo-p se pueden utilizar para formar termo-acoplamientos que se conectan en forma eléctrica en serie y térmicamente en paralelo para facilitar la transferencia de calor. En la operación, una fuente 30 de voltaje de entrada proporciona un flujo de corriente a través de los semi-conductores 18 y 20 tipo-n y tipo-p. Como resultado, los portadores de carga positiva y negativa transfieren energía de calor desde el primer electrodo 22 al segundo electrodo 24. De este modo, el módulo 12 termoeléctrico facilita la transferencia de calor lejos del objeto 14 y hacia el objeto 16 por un flujo de portadores 32 de carga entre el primer y el segundo electrodos 22 y 24. En ciertas modalidades, la polaridad de la fuente 30 de voltaje de entrada en el sistema 10 se puede invertir para permitir a los portadores de carga que fluyan desde el objeto 16 al objeto 14, lo cual enfría el objeto 16 y provoca que el objeto 14 funcione como un sumidero de calor. Como se describe antes, el módulo 12 termoeléctrico puede emplearse para calentar o enfriar los objetos 14 y 16. Además, el módulo 12 termoeléctrico puede ser empleado para calentar o enfriar objetos en una variedad de aplicaciones, tal como acondicionamiento de aire y sistemas de refrigeración, enfriamiento de varios componentes en aplicaciones tales como un motor de una aeronave, o un vehículo, una turbina y demás. En ciertas modalidades, el dispositivo 12 termoeléctrico puede emplearse para la generación de energía al mantener un gradiente de temperatura entre el primer y segundo objetos 14 y 16, respectivamente, lo cual será descrito más tarde. La Figura 2 ilustra un sistema 34 de generación de energía que tiene un dispositivo 36 de transferencia térmica de conformidad con los aspectos de la presente invención. El dispositivo 26 de transferencia térmica incluye una pata 38 tipo-p y una pata 40 tipo-n configuradas para generar energía al mantener un gradiente de temperatura entre el primer substrato 42 y el segundo substrato 44. En esta modalidad, las patas 38 y 40 tipo-p y tipo-n se acoplan en forma eléctrica en serie y térmicamente en paralelo una con otra. Durante la operación, el calor se bombea dentro de la primera interfase 42, como se representa con el número 46 de referencia y se emite desde la segunda interfase 44, como se representa por el número 48 de referencia. Como resultado, se genera un voltaje 50 eléctrico proporcional al gradiente de temperatura entre el primer substrato 42 y el segundo substrato 44, debido al efecto Seebeck que se puede utilizar también para energizar una variedad de aplicaciones, que serán descritas más adelante. Los ejemplos de tales aplicaciones incluyen, sin limitar, al uso en un vehículo, una turbina o en el motor de una aeronave. Además, tales dispositivos termoeléctricos pueden acoplarse con celdas de combustible de óxido sólido o fotovoltáicas que generan calor incluyendo calor de bajo grado y calor de alto grado, lo cual mejora el sistema general. Se debe notar que se pueden emplear una pluralidad de termo-acoplamientos que tienen termoelementos 38 y 40 tipo-n y tipo-p, con base en la capacidad de generación de energía deseada del sistema 34 de generación de energía. Además, la pluralidad de termo-acoplamientos se pueden acoplar en forma eléctrica en serie, para usarse en ciertas aplicaciones. La Figura 3 ilustra una vista en sección transversal de una configuración 60 ejemplificativa del dispositivo de transferencia térmica de las Figuras 1 y 2. El dispositivo o unidad 60 de transferencia térmica incluye un primer substrato 62 térmicamente conductor que tiene un primer electrodo 64 con patrón dispuesto en el primer substrato 62 térmicamente conductor. El dispositivo 60 de transferencia térmica también incluye un segundo substrato 66 térmicamente conductor que tiene un segundo electrodo 68 con patrón dispuesto en el mismo. En esta modalidad, el primer y segundo substratos 62 y 66 térmicamente conductores comprenden cerámica térmicamente conductora y eléctricamente aislante. Por ejemplo, se puede utilizar nitruro de aluminio eléctricamente aislante o cerámica de carburo de silicio para el primer y segundo substratos 62 y 66 térmicamente conductores. Sin embargo, se pueden emplear otros materiales eléctricamente aislantes y térmicamente conductores para el primer y segundo substratos 62 y 66 térmicamente conductores. En ciertas modalidades, los electrodos 64 y 68 con patrón incluyen un metal, como aluminio, cobre y demás. En ciertas modalidades, los electrodos con patrón pueden incluir semi-conductores altamente impurificados. Además, el patrón de los electrodos 64 y 66 en el primer y segundo substratos 62 y 66 térmicamente conductores pueden alcanzarse con el uso de técnicas tales como el grabado, patrón de fotorresistencia, enmascarado de sombra, litografía y otras técnicas de formación de patrón semi-conductor estándares. En una configuración contemplada en la actualidad, el primer y segundo substratos 62 y 66 térmicamente conductores están arreglados de tal forma que el primer y el segundo electrodos 64 y 68 con patrón son paralelos y están desplazados en forma lateral uno de otro para formar un circuito eléctricamente continuo. Además, una pluralidad de termoelementos 74 y 76 (elementos termoeléctricos) se establece entre el primer y el segundo electrodos 64 y 68 con patrón . Además, cada uno de la pluralidad de termoelementos 74 y 76 se forma de un material termoeléctrico, en donde el material es un material semi-conductor impurificado y en donde los termoelementos 74 se im purifican-p y los termoelementos 76 se impurifican-n (o viceversa). Los ejem plos de materiales termoeléctricos apropiados incluyen , sin lim itar, a I n P, I nAs, I nSb, aleaciones con base de germanio-silicio, aleaciones con base de antimonio-bismuto, aleaciones con base de telurio-plomo, aleaciones con base de telurio-bismuto u otros semi-conductores l l l-V, IV, IV-VI y l l-VI , o cualquier combinación o combinación de aleaciones que tengan una figura de mérito termoeléctrica esencialmente alta. Los materiales apropiados adicionales incluyen semiconductores de compuesto de orden terciario, cuaternario o de alto orden . El dispositivo 60 de transferencia térmica también incluye un material 78 de unión dispuesto entre la pluralidad de termoelementos 74 y 76 y el primer y el segundo electrodos 64 y 68 con patrón para reducir la resistencia térmica y eléctrica de la interfase. En ciertas modalidades, el material 78 de unión entre los termoelementos 74 y 76 y el primer electrodo 64 con patrón puede ser diferente al material 78 de unión entre los termoelementos 74 y 76 y el segundo electrodo 68 con patrón . En una modalidad , el material 78 de unión incluye epoxi de plata. Se debe notar q ue se pueden emplear otros adhesivos conductores como el material 78 de unión . En particular, el material 78 de unión está dispuesto entre el substrato 72 y el electrodo 64 con patrón. En algunas otras modalidades, los termoelementos 74 y 76 pueden unirse con los electrodos 64 y 68 con patrón por unión de difusión a través de difusión atómica de materiales en la interfase de unión y otras técnicas tales como la unión por fusión de placas para interfases semiconductoras. Como lo podrán apreciar las personas experimentadas en la técnica, la unión por difusión provoca la micro-deformación de las características de la superficie, lo cual lleva a un contacto suficiente en una escala atómica para provocar que dos materiales se unan. En ciertas modalidades, se puede utilizar oro como una entrecapa para la unión y las uniones por difusión se pueden alcanzar a temperaturas relativamente bajas de aproximadamente 300°C. En ciertas otras modalidades, se puede emplear indio o aleaciones de indio como la entrecapa para la unión a temperaturas de aproximadamente 100°C a 150°C. Además, un paso típico de limpieza con solvente se puede aplicar en las superficies para alcanzar superficies planas y limpias para aplicar la unión por difusión. Los ejemplos de solventes para el paso de limpieza incluyen acetona, isopropanol, metanol y demás. También, se pueden aplicar revestimientos de metal en las superficies superior e inferior de los termolementos 74 y 76 y en el substrato 72 para facilitar la unión entre los termoelementos y el primer y el segundo substratos 62 y 66. En una modalidad, los termoelementos 74 y 76 se pueden unir con los electrodos 64 y 68 con patrón a través de una unión de difusión directa. De manera alternativa, los termoelementos 74 y 76 se pueden unir a los electrodos 64 y 68 con patrón a través de una entrecapa, tal como oro, metal y otra hoja de aleación de metal de soldadura. En ciertas modalidades, la unión entre los termoelementos 74 y 76 y el primer y segundo substratos 62 y 66 se puede alcanzar a través de una capa de interfase tal como de epoxi de plata. Sin embargo, se pueden emplear otros métodos de unión para alcanzar la unión entre los termoelementos 74 y 76 y el primer y segundo substratos 62 y 66. En la configuración contemplada en la actualidad, los termoelementos 74 y 76 comprenden morfologías nano-estructuradas en donde los efectos de confinamiento quantum son dominantes. Típicamente, esto involucra nano-estructuras con dimensiones por debajo de los 30 nm, y tales nano-estructuras, por lo general, están formadas con el uso de un proceso de grabado electroquímico. Además, la densidad electrónica de los estados de los portadores de carga y las características de transmisión de fonones se pueden controlar al alterar la morfología y composición de los termoelementos 74 y 76, lo cual mejora la eficiencia de los dispositivos termoeléctricos que se caracteriza por la figura de mérito del dispositivo termoeléctrico. Como se utiliza aquí, el término "figura de mérito" (ZT) se refiere a una medición del desempeño de un dispositivo termoeléctrico y está representado por la ecuación: ZT = a2T/pKT En donde a es el coeficiente Seebeck; T es la temperatura absoluta; p es la resistividd eléctrica del material termoeléctrico; y KT es la conductividad térmica del material termoeléctrico.

En algunas modalidades, el dispositivo de transferencia térmica de las Figuras 1-3 puede incluir múltiples capas, cada una de las capas tiene una pluralidad de termoelementos para proporcionar la composición apropiada de los materiales y las concentraciones de impurificación para igualar el gradiente de temperatura entre los lados caliente y frío para alcanzar la máxima figura de mérito (ZT) y la eficiencia. Al contrario de los métodos previos para fabricar dispositivos termoeléctricos nano-estructurados, con el uso de un enfoque "descendente" para la formación de nano-estructuras (consultar la Solicitud de Patente de Estados Unidos, No. de Serie 11/138,615, presentada el 26 de mayo de 2005), la presente invención emplea un enfoque "ascendente". Con referencia a la Figura 4, en algunas modalidades, una placa 92 semiconductora impurificada de n o de p (precursor para los termoelementos 74 y 76) se graba en forma electroquímica para producir un material 94 nano-estructurado que comprende estructuras de baja dimensión o nano-estructuras que hacen al material apropiado para usarse como un termoelemento en un dispositivo termoeléctrico. Como se menciona antes, tales nano-estructuras presentan un desempeño termoeléctrico mejorado con relación al material en masa correspondiente típicamente comprende características con dimensiones por debajo de los 30 nm. Al fabricar los termoelementos antes mencionados, en algunas modalidades se selecciona una placa impurificada de un espesor dentro del orden de cientos de micrómetros, en donde las densidades de impurificación se seleccionan para un desempeño termoeléctrico particular (típicamente, tal como densidades de impurificación son de ca. 1017 - 1020 cm"3). La placa entonces se graba mediante la anodización (ca. Unos cuantos voltios (V)). Dependiendo del material de placa y las condiciones de anodización la placa se vuelve nano-estructurada después del grabado. Las nano-estructuras pueden ser una de una variedad de morfologías, incluyendo, sin limitar, morfología dendrítica, morfología triangular, poros cilindricos verticales, nano-malla y combinaciones de los mismos. Como ejemplo de la fabricación de un termoelemento antes descrito, para una placa de n-lnP (100)-orientada (resistividad de 1.07 x 10'3 ohm-cm; 380-420 m de espesor de placa), con el uso de un TiW/Au recubierta con pulverización con iones como un contacto trasero, se obtiene una morfología triangular para los potenciales de anodización menores a 1.6V contra SCE (electrodo de calomelanos saturado como referencia) y se observó la morfología dendrítica para los potenciales mayores a 1.6 V contra SCE. Todas las anodizaciones ejemplificativas se condujeron en una solución de 1M HCI, son o sin ácido nítrico añadido (3 mL ácido nítrico en 200 mL en una solución de 1M de HCI) y en una manera similar a la descrita en Fujikara et.al., "Electromechanical Formation of Uniform and Straight Nano-Pore Arrays on (001) InP Surfaces and Their Photoluminiscence Characteristics", Jpn., J. Appl. Phys. Vol 39, pp 4616-4620 , 2000. Se debe observar que ambas morfologías pueden presentar potencialmente un desempeño termoeléctrico mejorado dado que el tamaño de las características de nanoescala están por debajo de las cuales se presentan los estados de energía discontinuos. La Figura 5 es una imagen microscópica de exploración de electrones (SEM) que ilustra un elemento termoeléctrico nano-estructurado InP que comprende una morfología dendrítica, mientras la Figura 6 ilustra el mismo con una morfología triangular. Para detalles adicionales en el grabado anódico de InP, consultar Langa et.al., "Formation of Porous Layers with Different Morphologies During Anodic Etching of n-lnP", Electrochemical and Solid-State Lett., 3(11), 514-516 (2000). Los elementos termoeléctricos nano-estructurados se incorporan como se ilustra en la Figura 3. Específicamente, los termoelementos nano-estructurados se unen con los electrodos con patrón con el uso de un material y proceso de unión apropiados (consultar arriba). Las variaciones en las modalidades del método antes descrito incluyen: (A) un segundo paso preparativo que involucra el grabado en húmedo de la placa anodinada para crear nano-alambres u otras nano-estructuras; (B) un paso de pasivación de superficie para reducir los estados de defecto electrónico; y (C) llenar el espacio vacío de la placa 94 nano-estructurada con un material aislante (por ejemplo, polímero) para un soporte mecánico añadido. La Figura 7 ilustra una vista lateral en sección transversal de un dispositivo de transferencia térmica o un módulo 140 ensamblado que tiene una pluralidad de dispositivos de transferencia térmica o unidades 60 de transferencia térmica, de conformidad con las modalidades de la presente técnica. En la modalidad ilustrada, las unidades 60 de transferencia térmica están montadas entre los substratos 142 y 144 opuestos y se acoplan en forma eléctrica para crear al módulo 140 ensamblado. De esta manera, los dispositivos 60 de transferencia térmica proporcionan, en forma cooperativa, una capacidad de calentamiento o enfriamiento deseada, que se puede utilizar para transferir calor desde un objeto o área a otro o para proporcionar una capacidad de generación de energía al absorber calor desde una superficie a temperaturas más altas y emitir el calor absorbido a un sumidero de calor a temperaturas más bajas. En ciertas modalidades, la pluralidad de unidades 60 de transferencia térmica pueden acoplarse a través de un material de unión conductivo, tal como un epoxi lleno de plata o una aleación de metal. El material de unión conductivo o la aleación de metal para acoplar la pluralidad de dispositivos 60 de transferencia térmica se puede seleccionar con base en la técnica de procesamiento deseada o la temperatura operativa deseada del dispositivo de transferencia térmica. Por último, el módulo 60 ensamblado se acopla con una fuente de voltaje de entrada a través de las guías 146 y 148. Durante la operación, la fuente de voltaje de entrada proporciona un flujo de corriente a través de las unidades 60 de transferencia térmica, lo cual crea un flujo de cargas a través de un mecanismo termoeléctrico entre los substratos 142 y 144. Como resultado de este flujo de cargas, los dispositivos 60 de transferencia térmica facilitan la transferencia de calor entre los substratos 142 y 144. De manera similar, los dispositivos 60 de transferencia térmica se pueden emplear para la generación de energía y/o para la recuperación de calor en diferentes aplicaciones al mantener el gradiente termoeléctrico entre los dos substratos 142 y 144. La Figura 8 ilustra una vista en perspectiva del módulo 150 de transferencia térmica que tiene un arreglo de termoelementos 104 de transferencia térmica de conformidad con las modalidades de la presente técnica. En esta modalidad, los dispositivos 104 de transferencia térmica se emplean en un arreglo bi-dimensional para satisfacer la necesidad del manejo termoeléctrico de un ambiente o aplicación. Los dispositivos 104 de transferencia térmica pueden ensamblarse dentro del módulo 150 de transferencia térmica, en donde los dispositivos 104 se acoplan en forma eléctrica en serie y térmicamente en paralelo para permitir el flujo de cargas desde el primer objeto 14 en el módulo 150 hasta el segundo objeto 16, lo cual facilita la transferencia de calor entre el primer y el segundo objetos 14 y 16 en el módulo 150. Se debe notar que la fuente 30 de voltaje puede tener un diferencial de voltaje que se aplica para alcanzar el calentamiento o enfriamiento del primer y del segundo objetos 14 y 16. De manera alternativa, la fuente 30 de voltaje puede representar un voltaje eléctrico generado por el módulo 150 cuando se utiliza en una aplicación de generación de energía. Varios aspectos de las técnicas antes descritas encuentran utilidad en varios sistemas de calentamiento/enfriamiento, como refrigeración, acondicionamiento de aire, enfriamiento de electrónicos, control industrial de temperatura, y demás. Los dispositivos de transferencia térmica como se describen antes se pueden emplear en acondicionadores de aire, en enfriadores de agua, en asientos controlados con clima y en sistemas de refrigeración que incluyen la refrigeración industrial y doméstica. Por ejemplo, los dispositivos de transferencia térmica se pueden emplear para la refrigeración criogénica, tal como en dispositivo de gas natural licuado (LNG) o en dispositivos superconductores. Además, los dispositivos de transferencia térmica como se describen antes se pueden emplear para el enfriamiento de componentes en varios sistemas, tales como sin limitar, vehículos, turbinas y motores de aeronaves. Por ejemplo, un dispositivo de transferencia térmica se puede acoplar con un componente de un motor de aeronave, por ejemplo, un ventilador, un compresor, un combustor o una caja de turbina. Una corriente eléctrica se puede pasar a través del dispositivo de transferencia térmica para crear un diferencial de temperatura para proporcionar el enfriamiento de tales componentes. De manera alternativa, el dispositivo de transferencia térmica descrito aquí puede utilizar una fuente de calor fabricada o natural para generar energía. Por ejemplo, los dispositivos de transferencia térmica aquí descritos pueden utilizarse junto con fuentes de calor con base geotérmica, en donde el diferencial de temperatura entre la fuente de calor y el ambiente (ya sea agua, aire, etc.) facilitan la generación de energía. De manera similar, en un motor de aeronave, la diferencia de temperatura entre la corriente de flujo de aire del núcleo del motor y la corriente de aire de flujo de aire exterior resulta en un diferencial de temperatura a través de la caja del motor, el cual, se puede utilizar para generar energía. Tal energía se puede utilizar para operar o complementar la operación de sensores, accionados o en cualquier otra aplicación de energía para un motor de aeronave. Los ejemplos adicionales de aplicaciones dentro de las cuales se pueden utilizar los dispositivos termoeléctricos descritos aquí incluyen turbinas de gas, turbinas de vapor, vehículos y demás. Tales dispositivos termoeléctricos se pueden acoplar con celdas de combustible de óxido sólido o fotovoltáicas que generan calor, lo cual mejora el sistema general. Los dispositivos de transferencia térmica aquí descritos se pueden emplear para la conversión de energía térmica y para el manejo termoeléctrico. Se debe notar que los materiales y las técnicas de fabricación utilizados para el dispositivo de transferencia térmica se pueden seleccionar con base en una necesidad de manejo termoeléctrico deseado de un objeto. Tales dispositivos pueden utilizarse para enfriar sistemas microelectrónicas tal como un microprocesador y circuitos integrados. Además, los dispositivos de transferencia térmica se pueden emplear para el manejo termoeléctrico de dispositivos semiconductores, dispositivos fotónicos y sensores infrarrojos. Una ventaja principal de la presente invención sobre los métodos existentes es que por lo menos para algunas modalidades, la presente invención permite el uso de placas semi-conductoras de propiedades eléctricas, estructurales y térmicas conocidas, disponibles a partir de los proveedores de placas, como un material de inicio para la fabricación, a través del grabado electroquímico, de las estructuras termoeléctricas de baja dimensión aquí descritas. Los métodos de la presente invención permiten la fabricación rápida, económica y reproducible de los termoeléctricos de baja dimensión que se pueden integrar fácilmente en dispositivos prácticos. Los siguientes ejemplos están incluidos para demostrar las modalidades particulares de la presente invención. Las personas experimentadas en la técnica podrán apreciar que los métodos descritos en los siguientes ejemplos solamente representan las modalidades ejemplificativas de la presente invención. Sin embargo, las personas experimentadas en la técnica, a la luz de la presente invención, apreciarán que se pueden realizar muchos cambios en las modalidades específicas descritas y que aún así se obtienen resultados similares sin apartarse del espíritu y del alcance de la presente invención.

EJ E M P LO 1 Este ejemplo sirve para ilustrar el grabado de una placa semiconductora para formar elementos termoeléctricos nano-estructurados o de baja dimensión para usarse en dispositivos termoeléctricos, de conformidad con algunas modalidades de la presente i vención. U na placa de I n P con orientación de placa (( 1 00) , 500 de espesor, de 1 01 7-1 01 8 cm"3 de impurificación, tipo-n) se puso en contacto eléctrico con un contacto de respaldo Pt. El electrodo I nP así preparado se sumergió en una solución electrólita acuosa de 1 m de HCI . U na ventana de 4 m m2 del electrodo I n P quedó expuesta a anodización en oscuro a una tem peratura ambiente con el uso de una configuración de 3 electrodos a potenciales de ánodo de 1 a 2 V con respecto a un electrodo de referencia. Dependiendo de las condiciones del voltaje y de la solución utilizados, se uti lizaron tiempos de anodización apropiados para proporcionar las profundidades de grabado, lo cual proporciona un alto nivel de control sobre la formación de nano-estructuras.

EJ EM P LO 2 Este ejemplo sirve para ilustrar la incorporación de una placa sem iconductora grabada dentro de un dispositivo termoeléctrico, de conformidad con algunas modalidades de la presente invención .

Al construir un dispositivo que incorpora una placa grabada del EJEMPLO 1, se pueden tomar los siguientes pasos: (1) La placa se puede grabar a >50% del espesor total de la placa, lo cual desarrolla la morfología deseada sobre una fracción importante de la placa; (2) en un paso posterior, el espacio vacío de la estructura grabada puede llenarse, opcionalmente, con un material aislante (por ejemplo, un polímero) para proporcionar un soporte mecánico añadido con el uso de técnicas conocidas (es decir, moldeo por giro del llenador a partir de una solución, o por procesos de deposición de vapor); (3) El dispositivo después se ensambla al unir números iguales de placas grabadas tipo-n y tipo-p con los electrodos de metal de los substratos 62 y 66 térmicamente conductores, con patrón en el dispositivo 60 antes descrito, con el uso de técnicas de unión conocidas, como se describe aquí. Las placas grabadas tipo-n y tipo-p comprenden termoelementos del dispositivo y están arregladas en forma alternada, como se muestra en las Figuras 1 y 3. Se debe entender que ciertas de las estructuras, funciones y operaciones antes descritas de las modalidades anteriores no son necesariamente para practicar la presente invención y están incluidas con el fin de completar las modalidades. Además, se debe entender que las estructuras, funciones y operaciones específicas aquí establecidas en las patentes y publicaciones citadas se pueden practicar junto con la presente invención, pero no son esenciales para su práctica. Por lo tanto, se debe entender que la invención se puede practicar de otra forma diferente a la descrita específicamente, sin apartarse del espíritu y del alcance de la presente invención, como se define por las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVI N DICAC ION ES 1 . U n dispositivo termoeléctrico caracterizado porque comprende: a) un primer substrato térmicamente conductor que tiene un primer electrodo con patrón dispuesto en el mismo; b) un segundo substrato térmicamente conductor q ue tiene un segundo electrodo con patrón dispuesto en el mismo, en donde el primer y el segundo substratos térmicamente conductores se arreg lan de modo que el primer y el segundo electrodos con patrón queden conectados para formar un circuito eléctrico continuo; c) una pluralidad de elementos termoeléctricos colocados entre el primer y el segundo electrodos con patrón, en donde los elementos termoeléctricos comprenden una pluralidad de nano-estructuras y en donde las nano-estructuras se forman por un método semi-conductor impurificado, con grabado electroquímico; y d) un material de unión dispuesto entre la pluralidad de elementos termoeléctricos y por lo menos uno del primer y del segundo electrodos. 2. El dispositivo termoeléctrico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el primer y segundo substratos térmicamente conductores comprenden una cerámica de nitruro de alum inio, eléctricamente aislante o un material de carbu ro de silicio eléctricamente aislante. 3. El dispositivo termoeléctrico de conformidad con la reivind icación 1 , caracterizado porq ue el material semi-conductor del cual se forman las nano-estructuras es un material termoeléctrico seleccionado del g rupo que consiste de aleaciones con base de germanio-silicio, aleaciones con base de antimonio-bismuto, aleaciones con base de telurio-plomo, aleaciones con base de telurio-bismuto u otros semi-conductores l l l-V, IV, IV-VI y l l-VI , y combinaciones de aleaciones terciarias y cuaternarias de los mismos. 4. El dispositivo termoeléctrico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el material semi-conductor del cual se forman las nano-estructuras es un semi-conductor del grupo l l l-V seleccionado del grupo que consiste de I nP, I nAs, I nSb y combinaciones de los mismos. 5. El dispositivo termoeléctrico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la pl uralidad de nano-estructuras comprende una morfología seleccionada del grupo que consiste de morfologías dendríticas, morfolog ías triangulares, poros cil indricos verticales, nano-redes, y combinaciones de los mismos. 6. El dispositivo termoeléctrico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque cada uno de la pluralidad de elementos termoeléctricos comprenden ya sea material tipo p o un material tipo n. 7. El dispositivo termoeléctrico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la pluralidad de elementos termoeléctricos se organizan en una pluralidad de unidades de transferencia térmica, en donde la pluralidad de unidades de transferencia térmica se acoplan en forma eléctrica entre los substratos opuestos. 8. El dispositivo termoeléctrico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo se configura para generar energía al mantener esencialmente un gradiente de temperatura entre el primer y el segundo substratos térmicamente conductores. 9. El dispositivo termoeléctrico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la introducción de un flujo de corriente entre el primer y el segundo substratos térmicamente conductores permite la transferencia de calor entre el primer y el segundo substratos térmicamente conductores a través de un flujo de carga entre el primer y el segundo substratos térmicamente conductores. 10. El dispositivo termoeléctrico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los elementos termoeléctricos se conectan en forma eléctrica en serie y térmicamente en paralelo. 11. El dispositivo termoeléctrico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo es una parte integrada de un sistema seleccionado del grupo que consiste de un vehículo, una fuente de energía, un sistema de calentamiento, un sistema de enfriamiento y combinaciones de los mismos. 12. Un método para fabricar un dispositivo termoeléctrico, el método está caracterizado porque comprende los pasos de: a) proporcionar un primer substrato térmicamente conductor que tiene un primer electrodo con patrón dispuesto en el mismo; b) proporcionar un segundo substrato térmicamente conductor que tiene un segundo electrodo con patrón dispuesto en el mismo; c) establecer una pluralidad de elementos termoeléctricos colocados entre el primer y segundo electrodos con patrón, en donde los elementos termoeléctricos comprenden una pluralidad de nano-estructuras, y en donde las nano-estructuras se forman al grabar en forma electroqu ímica un material semi-conductor impurificado; y d) disponer un material de unión entre la pluralidad de elementos termoeléctricos y el primer y segundo electrodos con patrón . 1 3. El método de conformidad con la reivindicación 1 2 , caracterizado porq ue el primer y segundo substratos térmicamente conductores comprenden una cerámica de nitruro de alum inio, eléctricamente aislante o un material de carburo de silicio eléctricamente aislante. 14. El método de conformidad con la reivindicación 1 2, caracterizado porque el material semi-conductor del cual se forman las nano-estructuras es un material termoeléctrico seleccionado del grupo que consiste de aleaciones con base de germanio-silicio, aleaciones con base de antimonio-bismuto, aleaciones con base de telurio-plomo, aleaciones con base de telurio-bism uto u otros sem i-conductores l l l-V, IV, IV-VI y I I-VI , y combinaciones de aleaciones terciarias y cuaternarias de los mismos. 1 5. El método de conformidad con la reivindicación 1 2, caracterizado porque el material semi-conductor del cual se forman las nano-estructuras es un semi-conductor del grupo l l l-V seleccionado del g rupo que consiste de I nP, I nAs, I nSb y combinaciones de los mismos. 1 6. El método de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque las nano-estructuras comprenden una morfolog ía seleccionada del grupo que consiste de morfolog ías dendríticas, morfolog ías triangulares, poros cil indricos verticales, nano-redes, y combi naciones de los mismos. 1 7. El método de conformidad con la reivindicación 1 2, caracterizado porque cada uno de la pluralidad de elementos termoeléctricos com prenden ya sea material tipo p o un material tipo n . 1 8. Un sistema caracterizado porque comprende: a) una fuente de calor; b) un sumidero de calor; y c) un dispositivo termoeléctrico acoplado entre la fuente de calor y el sum idero de calor y configurado para proporcionar el enfriamiento o para generar energ ía, el dispositivo comprende: i) un primer substrato térmicamente conductor que tiene un primer electrodo con patrón dispuesto en el mismo; ii) un segundo substrato térmicamente conductor que tiene un segundo electrodo con patrón dispuesto en el mismo, en donde el primer y el segundo substratos térmicamente conductores se arreglan de modo que el primer y el segundo electrodos con patrón queden conectados para formar un circuito eléctrico continuo; ¡ii) una pluralidad de elementos termoeléctricos colocados entre el primer y el segundo electrodos con patrón, en donde los elementos termoeléctricos comprenden una pluralidad de nano-estructuras y en donde las nano-estructuras se forman al grabar un material semi-conductor im purificado, con grabado electroquím ico; y d) un material de unión dispuesto entre la plural idad de elementos termoeléctricos y por lo menos uno del primer y del segundo electrodos con patrón . 1 9. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 8, caracterizado porq ue el primer y segundo substratos térmicamente conductores comprenden una cerámica de nitruro de aluminio, eléctricamente aislante o un material de carburo de silicio eléctricamente aislante. 20. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 8, caracterizado porque el material semi-conductor del cual se forman las nano-estructuras es un material termoeléctrico seleccionado del grupo q ue consiste de aleaciones con base de germanio-silicio, aleaciones con base de antimonio-bismuto, aleaciones con base de telurio-plomo, aleaciones con base de telurio-bismuto u otros sem i-conductores l l l-V, IV, IV-VI y I I-VI , y combinaciones de aleaciones terciarias y cuaternarias de los mismos. 21 . El sistema de conformidad con la reivindicación 1 8, caracterizado porque la pluralidad de nano-estructuras comprende u na morfolog ía seleccionada del grupo que consiste de morfolog ías dendríticas, morfologías triangulares, poros cilindricos verticales , nano-redes, y combinaciones de los mismos. 22. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 8, caracterizado porque cada uno de la pluralidad de elementos termoeléctricos com prenden ya sea material tipo p o un material tipo n .