RU2654305C1 - Термоэлектрическое устройство для точечного охлаждения - Google Patents
Термоэлектрическое устройство для точечного охлаждения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2654305C1 RU2654305C1 RU2016147710A RU2016147710A RU2654305C1 RU 2654305 C1 RU2654305 C1 RU 2654305C1 RU 2016147710 A RU2016147710 A RU 2016147710A RU 2016147710 A RU2016147710 A RU 2016147710A RU 2654305 C1 RU2654305 C1 RU 2654305C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanowires
- contacts
- matrix
- conductivity
- cooling
- Prior art date
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 7
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Использование: для охлаждения малых объектов. Сущность изобретения заключается в том, что термоэлектрическое устройство для точечного охлаждения характеризуется тем, что выполнено в виде матрицы полупроводниковых нанопроводов, сформированных в регулярных нанопорах диэлектрика и снабженных контактами того же типа проводимости, так, что границы между контактами и нанопроводами представляют собой гетеропереходы, в которых нанопровода являются потенциальными барьерами для основных носителей заряда. Технический результат - обеспечение возможности создания устройства для точечного охлаждения токопроводящих объектов. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии, основанного на эффекте Пельтье, и может быть использовано при охлаждении малых объектов.
Известны термоэлектрические устройства (патенты США №3006979, опубликован 31.10.1961, №3409475, опубликован 05.11.1968, №4859250, опубликован 22.08.1989), выполненные из пары или нескольких пар электродов, изготовленных из материалов с разными работами выхода для электронов. При пропускании электрического тока через такие соединения вследствие эффекта Пельтье в области одного из контактов (группы контактов) разнородных материалов происходит поглощение тепла, а в области другого контакта (группы контактов) имеет место выделение тепла. Вариантом устройства для охлаждения на основе эффекта Пельтье являются многокаскадные элементы (патенты США № 5040381, опубликован 20.08.1991, №4833889, опубликован 30.05.1989, №5385022, опубликован 31.01.1995).
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является термоэлектрический охлаждающий модуль (патент РФ №2117362, опубликован 10.08.1998). Модуль содержит полупроводниковые ветви n- и p-типов проводимости, соединенные коммутационными шинами. Каждая коммутационная шина, расположенная по крайне мере на одной теплообменной пластине, присоединена к ней посредством теплоконтактного соединения, выполненного в виде слоя, изготовленного из упругого клеевого компаунда.
Недостатком приведенных аналогов является наличие в устройстве теплопереноса вдоль охлаждаемой поверхности за счет теплопереноса перпендикулярно охлаждающим электродам, что не позволяет точечно охлаждать поверхность.
Технической результатом, на получение которого направлено изобретение, является создание устройства для точечного охлаждения токопроводящих объектов.
Технический результат достигается в устройстве, которое выполнено в виде матрицы нанопроводов с электронным или дырочным типом проводимости, сформированных в регулярных нанопорах диэлектрика и снабженных контактами того же типа проводимости, при этом границы между контактами и нанопроводами представляют собой гетеропереходы, в которых нанопровода являются потенциальными барьерами для основных носителей заряда. Технический результат достигается при присоединении внешнего источника напряжения.
Предпочтительно в качестве диэлектрика с регулярными порами использовать пористую матрицу анодного оксида алюминия.
Предпочтительно в качестве материала для формирования нанопроводов использовать антимонид индия (InSb).
Предпочтительно использовать матрицу анодного алюминия с диаметром пор в диапазоне от 35 нм до 100 нм.
Предпочтительно использовать матрицу анодного алюминия с плотностью нанопроводов 109 - 1010 проводов/см2.
Предпочтительно использовать матрицу анодного алюминия, изготовленную с помощью темплетного метода электрохимического осаждения InSb в поры.
На фиг.1 показан потенциальный рельеф для электронов в одном нанопроводе устройства с контактами. EF – энергия Ферми в электронах, E1 – первый разрешенный уровень энергии электронов в нанопроводе.
На фиг.2 показаны зависимости температуры охлаждения эмиттера Te от напряжения, приложенного к контактам устройства, при Т=300 К. Приведены кривые для различной концентрации электронов в эмиттерном контакте.
На фиг.3 показан схема устройства и его электрического подключения. 1 - коллекторный контакт, 2 - эмиттерный контакт, 3 – нанопровод, 4 – источник питания.
Технический результат реализуется следующим устройством.
Термоэлемент представляет собой матрицу нанопроводов с электронным или дырочным типом проводимости, расположенных в регулярных нанопорах диэлектрика и снабженных внешним источником напряжения и контактами того же типа проводимости, сформированных таким образом, что границы между контактами и нанопроводами представляют собой гетеропереходы, в которых нанопровода являются потенциальными барьерами для основных носителей заряда, как показано на фиг. 1.
При выполнении этого условия между энергией Ферми электронов в контактах EF и первым разрешенным уровнем их энергии в нанопроводе E1 возникает энергетическая щель
∆=E1–EF>0.
Величина ∆ представляет собой нижнюю границу энергии, которая может быть поглощена либо испущена электронами при переходе из состояния с энергией не выше энергии Ферми в состояние с энергией, разрешенной в проводящем канале.
Если поперечные размеры нанопровода L⊥ меньше длины размерного квантования Ldq материала, из которого он изготовлен:
Ldq(T) = (3h2/8m*kBT)1/2
(здесь h – постоянная Планка, m* - эффективная масса носителей заряда в материале нанопровода, kB – постоянная Больцмана), то величина энергетической щели ∆ может регулироваться поперечными размерами нанопроводов. Чем меньше L⊥, тем больше ∆.
Для достаточно длинных нанопроводов (10 нм и больше) туннелированием электронов через потенциальный барьер, показанный на фиг. 1, можно пренебречь. При протекании тока через структуру значительная часть электронов попадает в нанопровода за счет инжекции из эмиттерного контакта.
По своему физическому смыслу эта инжекция эквивалентна испарительной эмиссии и приводит к охлаждению эмиттерного контакта. На противоположном коллекторном контакте происходит конденсация электронов и соответствующее нагревание коллекторного контакта.
Температуру охлаждения можно регулировать приложенным напряжением, при этом охлаждение будет тем больше, чем больше напряжение и концентрация электронов в эмиттерном контакте. Экспериментальные результаты показаны на фиг.2.
В качестве материала для нанопроводов может быть выбран, например, антимонид индия, имеющий малую ширину запрещенной зоны и высокую подвижность электронов. Кроме того, наноструктуры из InSb имеют максимальную для полупроводников группы АIIIBV длину размерного квантования электронов, составляющую 58 нм при комнатной температуре.
Применение темплетного метода электрохимического осаждения антимонида индия в нанопористые матрицы анодного оксида алюминия позволяет формировать нанопровода с большим аспектным отношением их длины к диаметру (диаметр определяется размером пор, а длина - длительностью процесса осаждения). Это обеспечивает отвод тепла от охлаждаемого объекта на значительное расстояние.
Массив идентичных нанопроводов формируется в пористой матрице анодного оксида алюминия, на противоположных сторонах которого формируются эмиттерный и коллекторный контакты из меди, алюминия или золота, как показано на фиг. 3. В зависимости от параметров технологического процесса диаметр нанопроводов может изменяться в пределах от 35 нм до 100 нм. Плотность нанопроводов в матрице в зависимости от их диаметра составляет 109 - 1010 проводов/см2.
Примером конкретного исполнения предлагаемого изобретения в качестве охладителя может служить единичный термоэлемент, состоящий из матрицы вертикально ориентированных нанопроводов из InSb диаметром 35 нм, соединенных между собой подслоем меди. Нанопровода выращены темплетным методом электрохимического осаждения. Под каждым контактом находится около 108 нанопроводов. Матрицы дополнительно снабжены алюминиевыми контактами к подложке и к пористому верхнему слою оксида алюминия. Такой термоэлемент позволяет охладить терморегулируемую область на 25°С. Поскольку поперечный теплоперенос в анодном оксиде алюминия отсутствует, а поперечное сечение нанопровода может рассматриваться в макроустройствах как точечное, фактически осуществляется точечное охлаждение поверхности вблизи каждого отдельного нанопровода.
Таким образом, достигается заявляемый технический результат изобретения, позволяющий осуществлять точечное охлаждение контактов.
Claims (9)
1. Термоэлектрическое устройство для точечного охлаждения, характеризующееся тем, что выполнено в виде матрицы полупроводниковых нанопроводов, сформированных в регулярных нанопорах диэлектрика и снабженных контактами того же типа проводимости, так, что границы между контактами и нанопроводами представляют собой гетеропереходы, в которых нанопровода являются потенциальными барьерами для основных носителей заряда.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нанопровода выполнены с электронным типом проводимости.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нанопровода выполнены с дырочным типом проводимости.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве диэлектрика с регулярными порами использована пористая матрица анодного оксида алюминия.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала для формирования нанопроводов использован антимонид индия (InSb).
6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что матрица анодного алюминия выполнена с диаметром пор в диапазоне от 35 до 100 нм.
7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что матрица анодного алюминия выполнена с плотностью нанопроводов 109-1010 проводов/см2.
8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что выполнено с применением темплетного метода электрохимического осаждения InSb в поры матрицы анодного алюминия.
9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что контакты выполнены из меди, и/или из алюминия, и/или из золота.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016147710A RU2654305C1 (ru) | 2016-12-06 | 2016-12-06 | Термоэлектрическое устройство для точечного охлаждения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016147710A RU2654305C1 (ru) | 2016-12-06 | 2016-12-06 | Термоэлектрическое устройство для точечного охлаждения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2654305C1 true RU2654305C1 (ru) | 2018-05-17 |
Family
ID=62152823
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016147710A RU2654305C1 (ru) | 2016-12-06 | 2016-12-06 | Термоэлектрическое устройство для точечного охлаждения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2654305C1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8258393B2 (en) * | 2008-12-12 | 2012-09-04 | Industrial Technology Research Institute | Nanowire thermoelectric device |
| US20140342488A1 (en) * | 2011-11-24 | 2014-11-20 | Industry-Academic Cooperation Foundation, Younsei University | Preparation Method of Manufacturing Thermoelectric Nanowires Having Core/Shell Structure |
| RU2561659C1 (ru) * | 2012-05-31 | 2015-08-27 | Джапан Сайенс Энд Текнолоджи Эдженси | Термоэлектрический материал, способ его получения и модуль для термоэлектрического преобразования с использованием этого материала |
-
2016
- 2016-12-06 RU RU2016147710A patent/RU2654305C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8258393B2 (en) * | 2008-12-12 | 2012-09-04 | Industrial Technology Research Institute | Nanowire thermoelectric device |
| US20140342488A1 (en) * | 2011-11-24 | 2014-11-20 | Industry-Academic Cooperation Foundation, Younsei University | Preparation Method of Manufacturing Thermoelectric Nanowires Having Core/Shell Structure |
| RU2561659C1 (ru) * | 2012-05-31 | 2015-08-27 | Джапан Сайенс Энд Текнолоджи Эдженси | Термоэлектрический материал, способ его получения и модуль для термоэлектрического преобразования с использованием этого материала |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Г.Г. Горох, И.А. Обухов, А.А. Лозовенко, Массивы нанопроводов из антимонида индия для перспективных термоэлектрических устройств, Новые компоненты для электронной аппаратуры, Технология и конструирование в электронной аппаратуре, стр. 3-12, N 1, 2015. * |
| Г.Г. Горох, И.А. Обухов, А.А. Лозовенко, Массивы нанопроводов из антимонида индия для перспективных термоэлектрических устройств, Новые компоненты для электронной аппаратуры, Технология и конструирование в электронной аппаратуре, стр. 3-12, N 1, 2015. Е.А. Смирнова, И.А. Обухов, Г.Г. Горох, А.А. Лозовенко, Матрицы нанопроводов и их применение, Сборник тезисов VII ежегодной конференции Нанотехнологического общества России, 2 марта 2016, Москва. * |
| Е.А. Смирнова, И.А. Обухов, Г.Г. Горох, А.А. Лозовенко, Матрицы нанопроводов и их применение, Сборник тезисов VII ежегодной конференции Нанотехнологического общества России, 2 марта 2016, Москва. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xie et al. | High conductance 2D transport around the hall mobility peak in electrolyte-gated rubrene crystals | |
| US20120261673A1 (en) | SiC Semiconductor Power Device | |
| Roddaro et al. | Hot-electron effects in InAs nanowire Josephson junctions | |
| US20130014795A1 (en) | Thermoelectric module | |
| US20190165102A1 (en) | Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device | |
| Xian et al. | Forward bias degradation and thermal simulations of vertical geometry β-Ga2O3 Schottky rectifiers | |
| JPWO2004090990A1 (ja) | ゲートターンオフサイリスタ | |
| US8866155B2 (en) | Silicon carbide semiconductor device | |
| Wu et al. | Perylene-based molecular device: Multifunctional spintronic and spin caloritronic applications | |
| Molina-Valdovinos et al. | Low-dimensional thermoelectricity in graphene: The case of gated graphene superlattices | |
| RU2654305C1 (ru) | Термоэлектрическое устройство для точечного охлаждения | |
| US20110175628A1 (en) | Triple-gate or multi-gate component based on the tunneling effect | |
| JP2017011319A5 (ru) | ||
| Kaneko et al. | Controlling the formation process and atomic structures of single pyrazine molecular junction by tuning the strength of the metal–molecule interaction | |
| US8614108B2 (en) | Electronic device having thermally managed electron path and method of thermal management of very cold electrons | |
| Cheng et al. | Organic base modulation triodes and their inverters on flexible substrates | |
| KR101046130B1 (ko) | 열전소자 | |
| US3872489A (en) | Electron emission from a cold cathode | |
| Goldman et al. | Ion transport phenomena in oxide layer on the silicon surface and electron–ion exchange effects at the SiO 2/Si interface | |
| JP2007036135A (ja) | 炭化珪素半導体装置及びその製造方法 | |
| Berdnikov et al. | Conductivity switching effect in MIS structures with silicon-based insulators, fabricated by low-frequency plasma-enhanced chemical vapor deposition methods | |
| Zaitsev-Zotov et al. | Zero-temperature limits of nonlinear conduction of the quasi-one-dimensional conductor TaS 3 with charge-density waves | |
| Andresen et al. | Evidence for a reentrant metal-insulator transition in quantum-dot arrays | |
| CN110600606A (zh) | 一种隔热的半导体热电/电热转换元件 | |
| KR101399195B1 (ko) | 가변 에너지 그래핀 발광 투과 트랜지스터 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201207 |