RU2376681C1

RU2376681C1 - Thermoelectric cell

Info

Publication number: RU2376681C1
Application number: RU2008140273/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Яковлевич Вуль (RU); Александр Яковлевич Вуль; Евгений Давыдович Эйдельман (RU); Евгений Давыдович Эйдельман
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Priority date: 2008-10-06
Filing date: 2008-10-06
Publication date: 2009-12-20

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: invention relates to thermoelectric instrument engineering, particularly to structures and materials used in thermoelectric cell (TEC) and thermoelectric batteries (TEB). Materials have different rates of electric and thermal conductivity. Carbon material with sp3 atomic bonds hybridisation is used as a main material. Carbon material with sp2 bond hybridisation is used as an additional material. Depth d, width b of grooves and distance 1 between the nearest of them satisfy the formula: 2 nmëñdëñ10 nm, 1ëñ1/bëñ100. Electric contacts are located along groove bottom and on the opposite surface of additional material. ^ EFFECT: high efficiency factor; thermoelectric element consists of main material having extended parallel recesses such as grooves and additional material placed into grooves, and electric contacts to additional material. ^ 2 dwg

Description

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям и материалам, используемым в термоэлектрических элементах (ТЭЭ) и термоэлектрических батареях (ТЭБ).The invention relates to thermoelectric instrumentation, in particular to structures and materials used in thermoelectric elements (TEE) and thermoelectric batteries (TEB).

Генерация электрической энергии с помощью термоэлементов используется в технике, и постоянно продолжаются разработки, направленные на увеличение коэффициента термоэлектрического преобразования. По существу, любой термоэлемент является обратимым преобразователем электрической энергии в тепловую и обратно.The generation of electrical energy using thermoelements is used in technology, and developments are constantly ongoing to increase the coefficient of thermoelectric conversion. Essentially, any thermocouple is a reversible converter of electrical energy into thermal energy and vice versa.

Термоэлектричество является одним из альтернативных способов в технологии получения холода, который не использует химикаты, разрушающие озоновый слой Земли, и дает много дополнительных преимуществ, включая использование только твердотельных устройств, электронный контроль действия, обратимость производства нагревания и охлаждения. Термоэлектрические преобразователи используются в системах, утилизирующих тепло. Однако охлаждение с помощью термоэлектричества не имеет широкого распространения из-за низкой, по сравнению с парожидкостным сжатием, эффективностью.Thermoelectricity is one of the alternative methods in the technology of producing cold, which does not use chemicals that destroy the ozone layer of the Earth, and provides many additional advantages, including the use of only solid-state devices, electronic control of the action, reversibility of the production of heating and cooling. Thermoelectric converters are used in heat recovery systems. However, cooling by thermoelectricity is not widespread due to the low efficiency compared with vapor-liquid compression.

Термоэлектрическая эффективность (коэффициент преобразования тепловой и электрической энергий друг в друга) зависит от термоэлектрического параметра Z того материала, из которого термоэлектрическое устройство выполнено. Этот параметр состоит из квадрата коэффициента термоЭДС S, умноженного на коэффициент электропроводности σ и деленного на коэффициент теплопроводности X.Thermoelectric efficiency (coefficient of conversion of thermal and electric energies into each other) depends on the thermoelectric parameter Z of the material from which the thermoelectric device is made. This parameter consists of the squared coefficient of thermopower S multiplied by the coefficient of electrical conductivity σ and divided by the coefficient of thermal conductivity X.

Вследствие развития производства полупроводников появились ТЭЭ и ТЭБ, состоящие из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных элементов полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника, соответственно, р- и n-типов проводимости /например, патент РФ №2289869/.As a result of the development of semiconductor manufacturing, TEE and TEB appeared, consisting of semiconductor thermoelements connected in series to an electric circuit by means of switching elements, each of which is formed by two branches made of semiconductor, p- and n-types of conductivity, respectively / for example, RF patent No. 2289869 / .

Недостатком такой конструкции является громоздкость коммутационных электрических и тепловых контактов и недостаточно высокий коэффициент полезного действия.The disadvantage of this design is the bulkiness of the switching electrical and thermal contacts and the insufficiently high coefficient of efficiency.

Аналогом предлагаемого технического решения является ТЭЭ /патент JP 10173243/, в котором, по крайней мере, как один из материалов термоэлектрического элемента используется кристаллический углерод. Термоэлектрический элемент, в частности, состоит из ветвей n-типа проводимости из графита (кристаллического углерода) и p-типа проводимости в виде слоистой структуры из графита и FeC. Одни электроды (медные пластины) присоединены с помощью углеродной пасты к первым конечным поверхностям ветвей n-типа и p-типа, а другой электрод - общая медная пластина - присоединена к другим оконечным поверхностям упомянутых ветвей Применение таких материалов для ветвей ТЭЭ уменьшает его стоимость и загрязнение окружающей среды.An analogue of the proposed technical solution is a TEE / patent JP 10173243 /, in which at least one of the materials of the thermoelectric element uses crystalline carbon. The thermoelectric element, in particular, consists of branches of n-type conductivity of graphite (crystalline carbon) and p-type conductivity in the form of a layered structure of graphite and FeC. Some electrodes (copper plates) are attached using carbon paste to the first end surfaces of the n-type and p-type branches, and the other electrode, a common copper plate, is attached to the other end surfaces of the mentioned branches. The use of such materials for TEE branches reduces its cost and pollution the environment.

Недостатками этого аналога являются невысокая термоэлектрическая эффективность.The disadvantages of this analogue are low thermoelectric efficiency.

Известен термоэлектрический элемент /патент РФ №2223573/, содержащий многослойное тело, состоящее из двух или более ламинарных тел, выполненных из металла, причем ламинарные тела имеют среднюю толщину от 0,3 до 100 нм, а термоэлектрический элемент используется посредством приложения тока в направлении толщины многослойного тела или при наличии разности температур между обоими концами в направлении толщины многослойного тела.Known thermoelectric element / RF patent No. 2223573 / containing a multilayer body consisting of two or more laminar bodies made of metal, and laminar bodies have an average thickness of from 0.3 to 100 nm, and the thermoelectric element is used by applying current in the direction of thickness a multilayer body or in the presence of a temperature difference between both ends in the direction of the thickness of the multilayer body.

Достигаемым положительным эффектом является то, что разработанный для термоэлемента термоэлектрический материал имеет более высокий коэффициент Зеебека, чем в традиционных полупроводниках и соответственно больший коэффициент преобразования мощности, а также высокую ударопрочность, сопротивление температурной деформации и способность к формоизменению.Achievable positive effect is that the thermoelectric material developed for the thermocouple has a higher Seebeck coefficient than in traditional semiconductors and, accordingly, a higher power conversion coefficient, as well as high impact resistance, temperature deformation resistance, and formability.

Однако величина термоэлектрической эффективности Z является недостаточной для многих технических применений.However, the value of thermoelectric figure of merit Z is insufficient for many technical applications.

Известно /Кода Т., Rabin О., Dresselhaus M.S., Termoelectric figure of merit ofKnown / Koda T., Rabin O., Dresselhaus M.S., Termoelectric figure of merit of

Bi/Pb_1-xEU_xTe superlattices, Physical Review B, v.62, p.16703/, что для однородных материалов наибольшее значение термоэлектрического параметра - Z≅0,003IC¹ - при комнатной температуре (300 К) имеет сплав Вi₂Те₃. Такой сплав обладает рекордным для однородного материала термоэлектрическим параметром вследствие того, что в электропроводящих материалах, наряду с обычным диффузионным механизмом перераспределения электронов между горячими и холодными областями, возможен гораздо более эффективный механизм увлечения электронов тепловым потоком (фононами) (эффект Гуревича /Гуревич Л.Э. Термоэлектрические свойства проводников. Журнал экспериментальной и теоретической физики, т.16, в 3, с.193-227, 1946/). Поток фононов увлекает электроны в сторону горячего конца образца, и это дает вклад в коэффициент термоЭДС В легированном висмуте (Вi₂Те₃) этот эффект определяет общий коэффициент термоЭДС, который создает упомянутый выше рекордный термоэлектрический параметр.Bi / Pb _1-x EU _x Te superlattices, Physical Review B, v.62, p.16703 /, that for homogeneous materials the highest value of the thermoelectric parameter - Z≅0.003IC ¹ - at room temperature (300 K) has the alloy Bi ₂ Those ₃ . Such an alloy has a thermoelectric parameter that is record-breaking for a homogeneous material due to the fact that in electrically conductive materials, along with the usual diffusion mechanism of electron redistribution between hot and cold regions, a much more efficient mechanism of electron capture by the heat flux (phonons) is possible (Gurevich / Gurevich L.E effect Thermoelectric properties of conductors. Journal of Experimental and Theoretical Physics, vol. 16, 3, pp .93-227, 1946 /). The phonon flux carries electrons towards the hot end of the sample, and this contributes to the thermoelectric coefficient in doped bismuth (Bi ₂ Te ₃ ), this effect determines the overall thermoelectric coefficient, which creates the above-mentioned record thermoelectric parameter.

ТЭЭ в прототипе /United States Patent №6670539/ содержит дополнительный материал висмут, сплав с висмутом, висмут в других металлах и смеси вышеперечисленных материалов (возможно, включающих дополнительные добавки), помещенный в протяженные параллельно расположенные поры основного пористого материала с размерами пор 5÷15 нм. Этот основной материал - не окисленный пористый алюминий, пористое стекло или пористый силикагель. Основной материал используется в форме объемного материала. Электрические контакты присоединяются к торцовым поверхностям дополнительного материала в порах основного.The TEE in the prototype / United States Patent No. 6670539 / contains additional bismuth material, an alloy with bismuth, bismuth in other metals and mixtures of the above materials (possibly including additional additives), placed in elongated parallel pores of the main porous material with pore sizes of 5 ÷ 15 nm This base material is non-oxidized porous aluminum, porous glass or porous silica gel. The base material is used in the form of bulk material. Electrical contacts attach to the end surfaces of the additional material in the pores of the core.

Однако рекордное на данный момент значение параметра Z=0,08K^-1 (при температуре 77К), достигнутое в прототипе, недостаточно для многих применений.However, the current record value of the parameter Z = 0.08K ^-1 (at a temperature of 77K), achieved in the prototype, is not enough for many applications.

Поэтому недостатком прототипа можно считать недостаточно высокий коэффициент полезного действия.Therefore, the disadvantage of the prototype can be considered insufficiently high efficiency.

На устранение этого недостатка направлено предлагаемое изобретение.To eliminate this drawback, the invention is directed.

Задача решается с помощью термоэлектрического элемента, состоящего из основного материала, имеющего протяженные параллельные углубления, и расположенного в них дополнительного материала, имеющих различные электропроводности и теплопроводности, и электрических контактов к дополнительному материалу, причем в качестве основного материала термоэлектрического элемента взят углеродный материал с sp³ гибридизацией атомных связей, а в качестве дополнительного материала - углеродный материал с sp² гибридизацией связей, при этом упомянутые углубления выполнены в виде канавок, глубина, ширина которых и расстояние между осями ближайших канавок удовлетворяют соотношениям:The problem is solved by using a thermoelectric element consisting of a base material having extended parallel recesses and additional material located in them having various electrical and thermal conductivities and electrical contacts to the additional material, and carbon material with sp ^{3 is} taken as the main material of the thermoelectric element hybridization of atomic bonds, and as an additional material, a carbon material with sp ² hybridization of bonds, while the recesses are made in the form of grooves, the depth, the width of which and the distance between the axes of the nearest grooves satisfy the relations:

2 нм≤d≤10 нм;2 nm≤d≤10 nm;

1≤l/b≤100,1≤l / b≤100,

где а - глубина канавки, нм,where a is the groove depth, nm,

b - ширина канавки, нм,b is the width of the groove, nm,

l - расстояние между осями ближайших канавок, нм,l is the distance between the axes of the nearest grooves, nm,

а электрические контакты расположены вдоль дна канавок и на противоположной поверхности дополнительного материала.and electrical contacts are located along the bottom of the grooves and on the opposite surface of the additional material.

Авторами было обнаружено, что при увлечении не хаотически движущимися фононами, как в известной работе /Гуревич Л. Термоэлектрические свойства проводников. Журнал экспериментальной и теоретической физики, т.16, в.3, с.193-227, 1946/, а фононами, которые движутся преимущественно в одном направлении, так называемыми квазибаллистическими, коэффициент преобразования термоЭДС может быть существенно выше. Процесс происходит следующим образом. Фонон, движущийся от горячей части структуры, поглощается электроном. Затем электрон, поглотивший фонон, движется в направлении первоначального движения поглощенного фонона. Наконец, электрон испускает на новом месте фонон с теми же параметрами, что и у поглощенного фонона, но со случайным направлением движения. При увлечении хаотически движущимися фононами электрон может в следующем акте «поглощение-движение-испускание» получить импульс в обратном направлении, то есть, в направлении к точкам с более высокой температурой. При увлечении баллистическими фононами такие процессы исключены, и термоэлектрическая эффективность существенно увеличивается.The authors found that when carried away by non-randomly moving phonons, as in the well-known work / Gurevich L. Thermoelectric properties of conductors. Journal of Experimental and Theoretical Physics, v.16, c.3, p.193-227, 1946 /, and phonons that move mainly in one direction, the so-called quasi-ballistic, the conversion coefficient of thermoEMF can be significantly higher. The process is as follows. A phonon moving from the hot part of the structure is absorbed by an electron. Then the electron that has absorbed the phonon moves in the direction of the initial motion of the absorbed phonon. Finally, the electron emits in a new place a phonon with the same parameters as the absorbed phonon, but with a random direction of motion. When carried away by chaotically moving phonons, the electron can in the next act “absorption-motion-emission” receive a pulse in the opposite direction, that is, in the direction to points with a higher temperature. When carried away by ballistic phonons, such processes are excluded, and the thermoelectric efficiency increases significantly.

В предлагаемом изобретении ТЭЭ включает сочетание материалов, представляющих собой основной углеродный материала с sp³ гибридизациями атомных связей и дополнительный углеродный материал с sp² гибридизациями атомных связей. При этом материал с гибридизацией sp² по своим свойствам близок к графиту. Это полуметалл, он имеет сравнительно высокую электропроводность и низкую теплопроводность. Материал с sp³ гибридизацией атомных связей по своим свойствам близок к алмазу. Это широкозонный полупроводник, он имеет очень низкую электропроводность и весьма высокую теплопроводность. Именно эта высокая теплопроводность и сопряжение основного и дополнительного материалов создают возможность отвода фононов испущенных электронами после совместного движения.In the present invention, the TEE includes a combination of materials that are the main carbon material with sp ³ hybridizations of atomic bonds and an additional carbon material with sp ² hybridizations of atomic bonds. Moreover, the material with sp ² hybridization is close in its properties to graphite. This is a semimetal, it has a relatively high electrical conductivity and low thermal conductivity. Material with sp ³ hybridization of atomic bonds is similar in properties to diamond. This is a wide-gap semiconductor, it has a very low electrical conductivity and very high thermal conductivity. It is this high thermal conductivity and conjugation of the main and additional materials that make it possible to remove phonons emitted by electrons after joint motion.

Для обеспечения в предлагаемой системе поддержания баллистического режима распространения фононов в дополнительном материале, как определено авторами, он должен располагаться в параллельных протяженных (длина много больше их ширины) канавках, сделанных в основном материале, с глубиной d, лежащей в интервале от 2 до 10 нм. Условие d больше или равно 2 нм определяется тем, что при меньших размерах будет велико влияние квантово-размерных эффектов, которые приводят к невозможности увлечения электронов фононами. Условие d меньше или равно 10 нм определяется тем, что при больших размерах неизбежно происходит хаотизация фононов и появляются фононы с направлением распространения, противоположным направлению от «горячего» к «холодному», что приводит к уменьшению эффекта увлечения электронов фононами. Таким образом, выход за пределы интервала 2 нм≤d≤10 нм, указанного в формуле изобретения, уменьшает термоэлектрический коэффициент преобразования (кпд).To ensure the proposed system for maintaining the ballistic regime of phonon propagation in additional material, as determined by the authors, it should be located in parallel extended (length much greater than their width) grooves made in the main material, with a depth d lying in the range from 2 to 10 nm . The condition d is greater than or equal to 2 nm is determined by the fact that, at smaller sizes, the influence of quantum-size effects will be great, which will lead to the impossibility of electron drag by phonons. The condition d is less than or equal to 10 nm is determined by the fact that at large sizes phonon randomization inevitably occurs and phonons appear with a propagation direction opposite to that from “hot” to “cold”, which leads to a decrease in the effect of electron drag by phonons. Thus, going beyond the range of 2 nm≤d≤10 nm specified in the claims reduces the thermoelectric conversion coefficient (efficiency).

Другим условием поддержания баллистического режима распространения фононов в дополнительном материале в канавках является связь размера канавки и отдаленности канавок друг от друга. Ширина канавки b и минимальное расстояние l между канавками (между их продольными осями) должно выбираться из соотношения 1≤l/b≤100. Условие l/b больше или равно единице определяется тем, что, как определили авторы, при меньшем соотношении l/b отсутствует разность температур между границами с контактами к дополнительному материалу и, как следствие, исчезает термоэлектрический эффект (затрудняется баллистический режим распространения фононов в материале канавок). Условие l/b меньше или равно 100 определяется тем, что при увеличении этого отношения разность температур между границами с контактами к дополнительному материалу не увеличивается, термоэлектрический эффект остается неизменным при ухудшении конструктивных параметров, что делает выполнение такой конструкции нецелесообразным.Another condition for maintaining the ballistic regime of phonon propagation in additional material in the grooves is the relationship between the size of the groove and the distance between the grooves. The width of the groove b and the minimum distance l between the grooves (between their longitudinal axes) should be selected from the ratio 1≤l / b≤100. The condition l / b is greater than or equal to unity is determined by the fact that, as the authors determined, with a smaller ratio l / b there is no temperature difference between the boundaries with the contacts to the additional material and, as a result, the thermoelectric effect disappears (the ballistic mode of phonon propagation in the groove material is hindered ) The condition l / b is less than or equal to 100 is determined by the fact that with an increase in this ratio, the temperature difference between the boundaries with the contacts to the additional material does not increase, the thermoelectric effect remains unchanged when the structural parameters deteriorate, which makes such a design impractical.

Конструкция ТЭЭ изображена на фиг.1 (фронтальная проекция) и фиг.2 (сечение вдоль канавки),The design of the TEE is shown in figure 1 (frontal projection) and figure 2 (section along the groove),

где 1 - основной материал;where 1 is the main material;

2 - канавка с дополнительным материалом,2 - groove with additional material,

3 - контакт на дне канавки,3 - contact at the bottom of the groove,

4 - контакт на поверхности дополнительного материала,4 - contact on the surface of the additional material,

5 - шины выводов контактов 3 и 4,5 - bus terminals pin 3 and 4,

6 - пластина из материалов, выбираемых из требований технологии изготовления ТЭЭ,6 - a plate of materials selected from the requirements of the manufacturing technology of the TEE,

7 - пластина из материалов, выбираемых из требований технологии изготовления ТЭЭ,7 - a plate of materials selected from the requirements of the manufacturing technology of the TEE,

8 - стрелка, указывающая направление охлаждения при работе в режиме термоэлектрического генератора;8 is an arrow indicating the direction of cooling when operating in the thermoelectric generator mode;

9 - стрелка, указывающая направление нагрева при работе в режиме термоэлектрического генератора,9 is an arrow indicating the direction of heating when operating in the thermoelectric generator mode,

10 - стрелка, указывающая направление охлаждения при работе в режиме термоэлектрического холодильника,10 is an arrow indicating the direction of cooling when operating in the thermoelectric refrigerator mode,

11 - стрелка, указывающая направление нагрева при работе в режиме термоэлектрического холодильника,11 is an arrow indicating the direction of heating when operating in the thermoelectric refrigerator mode,

ТЭЭ состоит из основного материала 1, в котором размещены канавки 2 с дополнительным материалом. На фиг.1 и 2 канавки изображены в виде параллелепипедов с прямыми осевыми линиями, однако они могут иметь любую форму осевой, например змейкой, но должны быть параллельными (гомотетичными) Важно, чтобы при этом были выдержаны соотношения: глубина канавки d не меньше двух нм и не больше десяти нм, а отношение расстояния между канавками 1 к ширине канавки b - 1/b - не меньше единицы и не больше ста. На дно канавки помещен контакт 3, а сверху на дополнительном материале размещен контакт 4. Контакты 3 и 4 должны обеспечивать электрическую связь с дополнительным материалом, размещенным в канавке 2. Далее контакты выведены на общие шины 5. Собственно ТЭЭ, состоящий из основного материала 1, из канавок 2 с дополнительным материалом и контактов 3 и 4, покрыт с двух сторон пластинами 6 и 7 из других материалов, которые должны выбираться из требований технологии изготовления ТЭЭ /А.С.Охотин, А.А.Ефремов, В.С.Охотин, А.С.Пушкарский Термоэлектрические генераторы. - М.: Атомиздат, 1971 /.TEE consists of the main material 1, in which the grooves 2 with additional material are placed. 1 and 2, the grooves are depicted in the form of parallelepipeds with straight axial lines, however, they can have any axial shape, for example, a snake, but must be parallel (homothetic). It is important that the relations are maintained: the groove depth d is not less than two nm and not more than ten nm, and the ratio of the distance between the grooves 1 to the width of the groove b - 1 / b - not less than one and not more than one hundred. Contact 3 is placed at the bottom of the groove, and contact 4 is placed on top of the additional material. Contacts 3 and 4 should provide electrical connection with additional material placed in the groove 2. Further, the contacts are connected to the common buses 5. In fact, the TEE, consisting of the main material 1, from grooves 2 with additional material and contacts 3 and 4, covered on both sides by plates 6 and 7 from other materials that must be selected from the requirements of the manufacturing technology of TEE / A.S. Okhotin, A.A. Efremov, V.S. Okhotin , A.S. Pushkarsky Thermoelectric Ge eratory. - M .: Atomizdat, 1971 /.

Работа устройства.The operation of the device.

Устройство начинает работать при приложении разности температур между контактами 3 и 4. Стрелки 8 и 10 на фиг.1 показывают направление охлаждения, а стрелки 9 и 11 - направления нагрева. Если охлаждение направлено так, как показано стрелкой 8, а нагрев, так как показано стрелкой 9, то с шин 5 можно снимать электрический ток ТЭЭ, при этом работает в режиме термоэлектрического генератора Если по шинам 5 пропускать электрический ток, то охлаждение будет происходить так, как это показано стрелкой 10, а нагрев, так как показывает стрелка 11. ТЭЭ при этом работает в режиме термоэлектрического холодильникаюThe device starts to work when applying the temperature difference between contacts 3 and 4. Arrows 8 and 10 in figure 1 show the direction of cooling, and arrows 9 and 11 indicate the direction of heating. If cooling is directed as shown by arrow 8, and heating, as shown by arrow 9, then TEC electric current can be removed from buses 5, while it works in the thermoelectric generator mode. If electric current is passed through buses 5, then cooling will occur as as shown by arrow 10, and heating, as shown by arrow 11. In this case, the thermoelectric generator operates in the thermoelectric mode

Примеры конкретного исполненияExamples of specific performance

Пример 1Example 1

Был создан ТЭЭ согласно формуле изобретения.A TEE was created according to the claims.

На пластину 6 из кремния наносился методом химического осаждения из газовой фазы основной материал 1 (алмазная пленка). Затем в основном материале изготавливались канавки 2 прямоугольного сечения шириной b и глубиной d с расстоянием между канавками I. Канавки имели параллельные осевые линии. На дне канавок выполнялся контакт 3, затем на этом контакте размещался дополнительный материал - углеродная пленка с sp² гибридизацией атомов углерода толщиной d и шириной b и на дополнительном материале - контакт 4. При этом были выдержаны соотношения d=4 нм и l/b=20. Контакты 3 и 4 обеспечивали электрическую связь с дополнительным материалом 2. Далее контакты были выведены на шины 5. Вся эта система покрывалась сверху пластиной 7 из аморфизированного кремния. В результате была достигнута эффективность термоэлектрического преобразования Z=0,2 К^-1 (при Т=77К), что, по оценке авторов, в 2,5 раза больше, чем в прототипе.On the plate 6 of silicon was applied by chemical vapor deposition from the gas phase, the main material 1 (diamond film). Then, grooves 2 of rectangular section with a width b and depth d with a distance between grooves I were made in the main material. The grooves had parallel axial lines. Contact 3 was made at the bottom of the grooves, then additional material was placed on this contact — a carbon film with sp ² hybridization of carbon atoms of thickness d and width b, and contact 4 on the additional material. The ratios d = 4 nm and l / b = twenty. Contacts 3 and 4 provided electrical connection with additional material 2. Further, the contacts were brought out onto busbars 5. The whole system was covered on top with an amorphized silicon wafer 7. As a result, the efficiency of thermoelectric conversion was achieved Z = 0.2 K ^-1 (at T = 77 K), which, according to the authors, is 2.5 times more than in the prototype.

Пример 2. В другом варианте исполнения размеры структуры термоэлемента составляли d=10 нм, а соотношение l/b=1. Все остальные параметры системы оставались прежними. Получена величина Z=0,082 К^-1, что немного больше, чем в прототипе.Example 2. In another embodiment, the dimensions of the structure of the thermocouple were d = 10 nm, and the ratio l / b = 1. All other system parameters remained the same. The value obtained is Z = 0.082 K ^-1 , which is slightly larger than in the prototype.

Пример 3. В третьем варианте исполнения размеры структуры термоэлемента составляли d=2 нм, а соотношение l/b=1. Все остальные параметры системы оставались прежними. Полученная величина Z=0,084 К^-1, что несколько больше, чем в прототипе.Example 3. In the third embodiment, the dimensions of the thermocouple structure were d = 2 nm, and the ratio l / b = 1. All other system parameters remained the same. The resulting value of Z = 0,084 K ^-1 , which is slightly larger than in the prototype.

Использование предлагаемой конструкции позволяет повысить коэффициент полезного действия ТЭЭ за счет высокой термоэлектрической эффективности, а также обеспечивает миниатюризацию устройства, т.к. манометрические размеры канавок и менее чем микрометрические размеры расстояния между канавками позволяют создавать из таких термоэлементов мини - термоэлектрические батареи, удовлетворяющие требованиям пользователей.Using the proposed design allows you to increase the efficiency of TEE due to the high thermoelectric figure of merit, and also provides miniaturization of the device, because the manometric dimensions of the grooves and less than the micrometric dimensions of the distance between the grooves make it possible to create mini-thermoelectric batteries from such thermoelements that meet the requirements of users.

Claims

A thermoelectric element consisting of a base material having extended parallel recesses and additional material located therein having different electrical and thermal conductivities and electrical contacts to an additional material, characterized in that a carbon material with sp ³ hybridization is taken as the main material of the thermoelectric element atomic bonds, and as an additional material - carbon material with sp ² hybridization of bonds, while the mentioned recesses flaxen in the form of grooves, the depth, the width of which and the distance between the axes of the nearest grooves satisfy the relations:
2 nm≤d≤10 nm,
1≤l / b≤100,
where d is the depth of the groove, nm;
b is the width of the groove, nm;
l is the distance between the axes of the nearest grooves, nm,
and electrical contacts are located along the bottom of the grooves and on the opposite surface of the additional material.