Наноструктуры с высокими термоэлектрическими свойствами

Наноструктуры с высокими термоэлектрическими свойствами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

СВЕДЕНИЯ О ПРАВИТЕЛЬСТВЕННОЙ ПОДДЕРЖКЕ

Описываемое и заявляемое в данном документе изобретение было сделано частично с использованием фондов, поддерживаемых Министерством энергетики США, согласно Договору № DE-AC02-05CH11231. Правительство имеет определенные права на это изобретение.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится, в общем, к наноструктурам.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящее время приблизительно 90 процентов всей мощности в мире (~10¹³ ватт или 10 ТВт) генерируется тепловыми двигателями, в которых для получения теплоты используется сгорание ископаемого топлива, и эффективность работы которых составляет обычно 30-40 процентов, так что примерно 15 ТВт теплоты теряется в окружающей среде. Термоэлектрические модули потенциально могут преобразовать эту низкопотенциальную отработанную теплоту в электричество, что может давать существенную экономию топлива и уменьшение выбросов углерода. Их эффективность зависит от термоэлектрической добротности (ZT) компонентов используемого материала, определяемой как ZT=S² σ T/k, где S, σ, k, и Т - соответственно коэффициент Зеебека, удельная электропроводность, удельная теплопроводность и абсолютная температура. Однако так как параметры ZT являются, в общем, взаимозависимыми, то на протяжении прошедших пяти десятилетий достижение ZT>1 являлось трудной задачей. В области наноструктурированных термоэлектрических материалов на основе соединений Bi, Те, Pb, Sb и Ag уже продемонстрировано достижение ZT>1.

В патентах США №6882051 и №6996147 раскрываются одномерные наноструктуры, имеющие постоянные диаметры, составляющие менее чем около 200 нм. Эти наноструктуры включают в себя как монокристаллические гомоструктуры, так и гетероструктуры, по меньшей мере, двух монокристаллических материалов, имеющих различные химические составы.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Объектом изобретения является новая наноструктура, содержащая шероховатую поверхность, при этом наноструктура содержит легированный или нелегированный полупроводник.

Объектом изобретение также является устройство, содержащее наноструктуру, содержащую шероховатую поверхность, при этом наноструктура содержит легированный или нелегированный полупроводник, и наноструктура контактирует с первым электродом и со вторым электродом.

Объектом изобретения также является способ вырабатывания электрического тока, содержащий: создание устройства согласно настоящему изобретению; и установление температурного градиента между первым и вторым электродами, так что вырабатывается электрический ток, протекающий от первого электрода к наноструктуре и через наноструктуру - ко второму электроду.

Дополнительным объектом изобретения является устройство, содержащее: первый электрод; второй электрод; третий электрод; первое множество наноструктур, каждая из которых имеет шероховатую поверхность, при этом каждая наноструктура содержит Si, Ge или их комбинацию, легированную трехвалентным элементом (так что наноструктура содержит полупроводник p-типа); и второе множество наноструктур, каждая из которых имеет шероховатую поверхность, при этом каждая наноструктура содержит Si, Ge или их комбинацию, легированную пятивалентным элементом (так что наноструктура содержит полупроводник n-типа); причем первое множество наноструктур контактирует с первым электродом и с третьим электродом, второе множество наноструктур контактирует с первым электродом и со вторым электродом, а второй электрод электрически связан с третьим электродом, так что когда первый электрод имеет более высокую температуру, чем второй и третий электроды, вырабатывается электрический ток, протекающий от второго электрода ко второму множеству наноструктур, через второе множество наноструктур - к первому электроду, через первый электрод - к первому множеству наноструктур и через первое множество наноструктур - к третьему электроду.

Дополнительным объектом изобретения является способ вырабатывания электрического тока, содержащий: создание устройства, согласно настоящему изобретению, имеющему первое множество наноструктур и второе множество наноструктур; и повышение температуры первого электрода, так что вырабатывается электрический ток, протекающий от второго электрода ко второму множеству наноструктур, через второе множество наноструктур - к первому электроду, через первый электрод - к первому множеству наноструктур и через первое множество наноструктур - к третьему электроду.

Объектом изобретения является также способ снижения температуры участка, содержащий: создание устройства согласно настоящему изобретению; и обеспечение протекания электрического тока через устройство, так что температура первого электрода снижается, причем первый электрод находится на или вблизи участка, а температура второго и третьего электродов повышается.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Указанные выше и другие признаки изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники из приводимого ниже описания, которое ведется со ссылками на чертежи, иллюстрирующие примеры осуществления изобретения.

Фигура 1 иллюстрирует структуру шероховатых кремниевых нанопроволок. На фигуре 1А представлен SEM-снимок (сделанный сканирующим электронным микроскопом) среза массива нанопроволок из Si, полученных методом ЕЕ (беэлектролизного травления). Виден рост дендритов Ag в массиве, являющихся продуктом восстановления Ag⁺ на подложке во время реакции. После синтеза Ag было подвергнуто травлению в азотной кислоте, и анализ следов элементов подтверждает его полное растворение. На фигуре 1В представлено светлопольное TEM-изображение (в просвечивающем электронном микроскопе) сегмента нанопроволоки из Si, полученной методом ЕЕ. На поверхности проволоки ясно видна шероховатость. SAED-картина (электронной дифракции выбранного участка) (на вставке) указывает на монокристалличность проволоки по всей ее длине. На фигуре 1C представлено HRTEM-изображение (в просвечивающем электронном микроскопе высокого разрешения) нанопроволоки из Si, полученной методом ЕЕ. Шероховатость ясно видна на границе раздела между ядром кристаллического Si и аморфным собственным оксидом на поверхности и по волнообразному изменению толщины светлых/темных полос вблизи края. На фигуре 1D представлено HRTEM-изображение нанопроволоки из Si, выращенной методом VLS (″пар-жидкость-кристалл″). Длина масштабных линеек составляет соответственно 10 мкм, 20 нм, 4 нм и 3 нм.

Фигура 2 иллюстрирует удельную теплопроводность шероховатых кремниевых нанопроволок. На фигуре 2А представлено SEM-изображение нанопроволоки из Si, полученной методом ЕЕ и соединенной с помощью Pt (снимок которого сделан под углом наклона 52°). Петли тонкой пленки Pt вблизи обоих концов соединительной проволоки являются частью резистивных нагревательных и измерительных катушек на расположенных одна против другой подвешенных мембранах. Длина масштабной линейки составляет 2 мкм. На фигуре 2В представлены графики температурной зависимости k нанопроволок, полученных методом VLS (воспроизведенной по публикации Li, D. с соавт. «Thermal conductivity of individual silicon nanowires» («Удельная теплопроводность отдельных кремниевых нанопроволок»), Appl. Phys. Lett. 83, 2934-2936 (2003)) и методом ЕЕ, (обозначенные закрашенными квадратами). Максимального значения k нанопроволок, полученных метдом VLS, достигает приблизительно при 175-200 К, a k нанопроволок, полученных методом ЕЕ, - при более 250 К. Данные на этом графике соответствуют нанопроволокам, полученным методом ЕЕ в результате синтеза из низколегированных подложек. На фигуре 2С представлены графики температурной зависимости k нанопроволок из Si, полученных методом ЕЕ, при различных концентрациях легирующей примеси: 10¹⁴ и 10¹⁸ см³, (обозначенные закрашенными квадратами). С целью сравнения график k объемного аморфного кремния вычерчен незакрашенными квадратами. Нанопроволоки из Si, полученные методом ЕЕ при более низких концентрациях легирующей примеси, имеют k, приближающуюся к k изоляционного стекла, что говорит о чрезвычайно короткой длине свободного пробега фононов.

На фигуре 3 представлены результаты оценки добротности для шероховатой кремниевой нанопроволоки. Фигура 3А иллюстрирует отношение k объемного Si к k нанопроволоки из Si диаметром 75 нм, полученной методом ЕЕ. С уменьшением температуры отношение k_bulk/k_NW резко увеличивается от 100 при 300 К до почти 40000 при 25 К. Фигура 1В иллюстрирует ZT, рассчитанную для нанопроволоки диаметром 75 нм, полученной методом ЕЕ при чрезвычайно высокой концентрации легирующей примеси, в сравнении с ZT, полученной по данным для объемного Si, легированного до состояния вырождения, приведенным в публикации Weber, L. и Gmelin, E. «Transport properties of silicon» («Транспортные свойства кремния»), Appl. Phys. 53, 136-140 (1991).

Фигура 4 иллюстрирует результаты экспериментов по FIB-соединению (с использованием сфокусированного ионного пучка) нанопроволоки и контрольных экспериментов. На фигуре 4А представлено TEM-изображение при избыточном осаждении Pt-C на нанопроволоку на удалении от облучаемой области. Как видно на SEM-снимке, в результате осаждения происходит увеличение диаметра проволоки, поэтому все вычисления осуществлялись на основе диаметра, определенного перед соединением с помощью Pt. Длина масштабной линейки составляет 10 нм. Фигура 4В иллюстрирует теплопроводность нанопроволоки из Si, полученной методом ЕЕ, после соединения с помощью Pt в FIB (закрашенные квадраты). Образец был подвергнут разрыву вблизи одной из контактных площадок и повторно соединен на концах при осаждении существенного количества Pt-C поверх зазора. Результаты измерений проводимости после этого повторного соединения (незакрашенные квадраты) совпадают с результатами первых измерений. Следовательно, осаждение Pt на концах проволоки служит для хорошего термического крепления, но не оказывает значительного влияния на теплопроводность вдоль проволоки. Фигура 4С иллюстрирует k нанопроволок из SiO₂ диаметром 197 и 257 нм (соответственно незакрашенные квадраты и незакрашенные треугольники) в количественном сравнении с k объемного SiO₂ (закрашенные квадраты).

На фигуре 5 представлены результаты измерений электрических характеристик. Нанопроволоки обозначены заштрихованными прямоугольниками. Фигура 5А иллюстрирует удельное сопротивление подложки из Si (100), легированного As, использованной для синтеза нанопроволок из Si с высокой концентрацией легирующей примеси, полученных методом ЕЕ. Фигура 5В иллюстрирует коэффициент Зеебека подложки из Si (100), легированного As, использованной для синтеза нанопроволок из Si с высокой концентрацией легирующей примеси, полученных методом ЕЕ.

На фигуре 6 представлено устройство, содержащее нанопроволоку, которая может быть использована для вырабатывания электрического тока. Первое множество нанопроволок показано заштрихованными прямоугольниками. Второе множество нанопроволок показано прямоугольниками, заполненными точками. На фигуре 6А представлен элемент устройства. Фигура 6В иллюстрирует электрический ток, вырабатываемый устройством.

На фигуре 7 представлено устройство, содержащее два множества нанопроволок, которые могут быть использованы для вырабатывания электрического тока. На фигуре 7А представлены элементы устройства. Фигура 7В иллюстрирует электрический ток, вырабатываемый устройством. Первое множество нанопроволок (40) легировано примесью p-типа. Второе множество нанопроволок (50) легировано примесью n-типа.

На фигуре 8 представлен термоэлектрический охладитель, включающий в себя устройство согласно настоящему изобретению, показанное на фиг.7. Заштрихованными прямоугольниками обозначены электроды, контактирующие с наноструктурами.

На фигуре 9 представлены термоэлектрический охладитель (фигура 9А) и термоэлектрический генератор (фигура 9В), включающие в себя устройство согласно настоящему изобретению, показанное на фиг.7. Стрелки указывают направление протекания электрического тока.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Перед описанием настоящего изобретения следует указать на то, что это изобретение не ограничивается конкретными описываемыми примерами осуществления, и в него, само собой, могут быть внесены изменения. Следует также иметь в виду, что используемая в данном документе терминология предназначена исключительно для описания конкретных примеров осуществления и не ограничивает объема настоящего изобретения, определяемого исключительно прилагаемой формулой изобретения.

В случае указания диапазона значений следует иметь в виду, в частности, раскрытие каждого промежуточного значения до десятой единицы нижнего предела, если в контексте ясно не указывается на иное, между верхним и нижним пределами этого диапазона. Каждый меньший диапазон между любым установленным значением или промежуточным значением в установленном диапазоне и любым другим установленным или промежуточным значением в этом установленном диапазоне включен в изобретение. Верхние и нижние пределы этих меньших диапазонов могут быть независимо включены или исключены из диапазона, и каждый диапазон, в котором один или ни один или оба предела не включены в меньшие диапазоны, также включены в изобретение, подчиненного любому, в частности, исключенному пределу в установленном диапазоне. В случае, когда установленный диапазон включает в себя один или оба из пределов, диапазоны, за исключением одного или обеих из этих включенных пределов, также включены в изобретение.

Все технические и научные термины, используемые в данном документе, за исключением случаев приведения специальных определений, имеют одно и то же значение, общепринятое среди специалистов в данной области техники, к которой относится это изобретение. Несмотря на возможность использования любых способов и материалов, подобных или эквивалентных описываемым в данном документе, на практике или при испытании настоящего изобретения, в документе приводится описание предпочтительных способов и материалов. Все упоминаемые в данном документе публикации включены в него путем ссылки с целью раскрытия и описания способов и/или материалов, в связи с которыми эти публикации цитируются.

Следует отметить, что в данном документе и в прилагаемой формуле изобретения все формы единственного числа и союз ″и″, если не указывается на иное, включают в себя также формы множественного числа и продолжение перечисления. Таким образом, например, ссылка на ″нанопроволоку″ включает в себя множество таких нанопроволок и т.д.

Эти и другие цели, преимущества и признаки изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники из приводимого ниже подробного описания изобретения.

Наноструктура

Наноструктура согласно настоящему изобретению имеет шероховатую поверхность, где Наноструктура содержит любой удовлетворяющий предъявляемым требованиям легированный или нелегированный полупроводник, при условии, что Наноструктура не является кремниевой нанопроволокой, полученной путем погружения очищенных кремниевых подложек p-типа с ориентацией (111) в водный раствор HF/AgNO₃ на 20 минут при 50°С как, например, кремниевые нанопроволоки, описываемые в публикациях: Peng с соавт. «Synthesis of large-area silicon nanowire arrays via self-assembling nanochemistry» («Синтез массивов кремниевых нанопроволок большой площади на основе нанохимии самоорганизации»), Adv. Mater. 14, 1164-1167 (2002); Peng с соавт. «Dendrite-assisted growth of silicon nanowires in electroless metal deposition» («Стимулируемый дендритами рост кремниевых нанопроволок при безэлектролизной металлизации»), Adv. Funct. Mater. 13, 127-132 (2003); и Peng с соавт. «Uniform, axial-orientation alignment of one- dimensional single-crystal silicon nanostructure arrays» («Равномерное аксиально-ориентационное упорядочение массивов одномерных нанструктур из монокристаллического кремния»), Angew. Chem. Int. Edit. 44, 2737 (2005). Наноструктура согласно настоящему изобретению содержит следующие характеристики: ограничение и инженерию поверхности (или инженерию границы раздела).

Объектом изобретения также является устройство, содержащее наноструктуру, имеющую шероховатую поверхность, где наноструктура содержит легированный или нелегированный полупроводник, и наноструктура контактирует с первым электродом и со вторым электродом. В некоторых примерах осуществления устройство содержит одну или более наноструктур, где каждая наноструктура контактирует с первым электродом и со вторым электродом.

Наноструктура является одномерной (1D) или двумерной (2D).

Определение ″ограничение″ означает, что наноструктура является одномерной (1D) или двумерный (2D) и имеет, по меньшей мере, один размер, величина которого ограничена от 1 нм до 1000 нм. 1D-наноструктуры включают в себя, но не ограничиваются этим, нанопроволоки. 2D-наноконструкторы включают в себя, но не ограничиваются этим, планарные структуры. Например, для 1D-наноструктуры диаметр или толщина нанопроволоки составляет от 1 нм до 1000 нм. Например, для 2D-наноструктуры толщина планарной структуры составляет от 1 нм до 1000 нм.

Определение ″инженерия поверхности″ означает, что часть или вся поверхность из числа, по меньшей мере, одной или более поверхностей наноструктуры является шероховатой, имеет дефекты и/или определенный химический состав.

В некоторых примерах осуществления изобретения поверхность наноструктуры имеет шероховатость, при которой расстояние от самой высокой точки до самой нижней точки относительно поверхности составляет от более чем 0 до 5 нм.

В некоторых примерах осуществления изобретения поверхность наноструктуры является ″шероховатой″, когда отношение (в дальнейшем, ″отношение r″) площади действительной поверхности к площади поверхности в случае гладкой поверхности составляет более чем 1. В некоторых примерах осуществления отношение r составляет 2 или более, 3 или более, 4 или более, 5 или более, 10 или более, 20 или более или 50 или более. При наличии ″шероховатой″ поверхности объект должен рассеивать достаточное число фононов и обеспечивать уменьшение k при низких температурах как, например, при комнатной температуре или между приблизительно 20°С и приблизительно 30°С. Придать ″шероховатость″ поверхности можно в процессе изготовления в результате беспорядочного оксидирования в горизонтальном направлении и/или травления коррозионным водным раствором или медленного травления в HF и/или в результате фасетирования в процессе синтеза наноструктуры.

В некоторых примерах осуществления изобретения поверхность наноструктуры является ″шероховатой″, когда коэффициент шероховатости поверхности составляет более чем 1,0. Коэффициент шероховатости определяется как отношение площади реальной поверхности наноструктуры к площади поверхности наноструктуры в случае атомно-гладкой поверхности. В некоторых примерах осуществления изобретения коэффициент шероховатости наноструктуры, по меньшей мере, равен или превышает 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9 или 2,0. В других примерах осуществления коэффициент шероховатости наноструктуры, по меньшей мере, равен или превышает 2,5, 3,0, 5,0, 7,0 или 10,0. В некоторых примерах осуществления коэффициент шероховатости наноструктуры, по меньшей мере, равен или превышает коэффициент шероховатости одной из нанопроволок, описываемой в Примерах 1 и 2.

Наноструктура и легирующие материалы могут быть выбраны из групп II, III, IV, V, VI или т.п. и могут включать в себя четверные и тройные соединения, а также оксиды. В некоторых примерах осуществления полупроводник содержит один или более легированных полупроводников II-VI групп, полупроводников III-V групп, полупроводников II-IV групп и т.п. В некоторых примерах осуществления полупроводник содержит один или более легированных полупроводников II-VI групп, полупроводников III-V групп, полупроводников II-IV групп и т.п. и может необязательно включать в себя четверные и тройные соединения, а также оксиды. В некоторых примерах осуществления наноструктура содержит элементы Si, Ge, соединения GaAs, CdSe, GaN, AlN, Bi₂Te₃, ZnO и т.п. или их комбинацию и необязательно легирована пятивалентным элементом (для легирования примесью n-типа) или трехвалентным элементом (для легирования примесью p-типа). В некоторых примерах осуществления наноструктура содержит элементы Si, Ge или их комбинацию и необязательно легирована пятивалентным элементом (для легирования примесью n-типа) или трехвалентным элементом (для легирования примесью p-типа). Удовлетворяющие предъявляемым требованиям легирующие примеси включают в себя В, Р, As, In, Al и т.п. Удовлетворяющие предъявляемым требованиям пятивалентные элементы включают в себя Р, As, Sb или т.п. Удовлетворяющие предъявляемым требованиям трехвалентные элементы включают в себя В, Al, Ga или т.п. В некоторых примерах осуществления легирующая примесь может замещать от более чем 0% до 100% Si или Ge или сплава Si-Ge наноструктуры. Наноструктура может быть кристаллической.

В некоторых примерах осуществления изобретения каждая наноструктура является однородной по своему составу, например, любая легирующая примесь распределена по всей наноструктуре практически однородно, и/или наноструктура не содержит примеси p-типа на одном конце и примеси n-типа на другом конце.

В некоторых примерах осуществления изобретения наноструктура содержит 1D-наноструктуру как, например, нанопроволоку, имеющую удлиненную форму с первым концом и со вторым концом и шероховатую поверхность, где 1D-наноструктура содержит элементы Si, Ge или их комбинацию, необязательно легированную пятивалентным элементом или трехвалентным элементом.

В некоторых примерах осуществления 1D-наноструктура имеет практически постоянный диаметр. В определенных примерах осуществления этот практически постоянный диаметр составляет менее чем приблизительно 200 нм. В определенных примерах осуществления множество наноструктур имеет совокупность 1D-наноструктур, имеющих, практически монодисперсное распределение диаметров и/или длин. Термин ″диаметр″ означает эффективный диаметр, определяемый средним значением между диаметрами по большой и малой осям поперечного сечения структуры.

В некоторых примерах осуществления 1D-наноструктура имеет диаметр менее чем приблизительно 200 нм в точке его максимального значения, и в предпочтительном варианте изменение диаметра вдоль продольной оси в сечении с максимальным изменением диаметра составляет менее чем приблизительно 10%. Кроме того, 1D-наноструктуры могут иметь различные формы поперечного сечения, включающие в себя, но не ограничивающиеся этим, круглое, квадратное, прямоугольное и шестиугольное поперечные сечения. Например, 1D-наноструктуры из ZnO имеют шестиугольное поперечное сечение, 1D-наноструктуры из SnO₂ имеют прямоугольное поперечное сечение, 1D-наноструктуры из PbSe имеют квадратное поперечное сечение, a 1D-наноструктуры из Si или Ge имеют круглое поперечное сечение.

Диаметр 1D-наноструктуры, как правило, составляет менее чем приблизительно 200 нм в точке его максимального значения и в предпочтительном варианте находится в диапазоне от приблизительно 5 нм до приблизительно 50 нм. Кроме того, изменение диаметра проволок в массиве проволок, синтезированных в рамках одного процесса, является относительно сильным, так что разброс диаметров составляет, как правило, меньше чем приблизительно 50%, меньше чем приблизительно 20% или меньше чем приблизительно 10%. В случае некруглого поперечного сечения нанопроволоки термин ″диаметр″ в этом контексте относится к среднему значению между диаметрами по большой и малой осям поперечного сечения 1D-наноструктуры плоскостью, перпендикулярной к продольной оси 1D-наноструктуры.

В некоторых примерах осуществления в 1D-наноструктуре, как правило, наблюдается высокое постоянство диаметра от конца к концу. В определенных примерах осуществления максимальное изменения диаметра по сечению 1D-наноструктуры не превышает приблизительно 10%, приблизительно 5% или приблизительно 1%. Изменение диаметра может быть задано формулой (d_max-d_min)/d_min. Специалистам в данной области техники должно быть ясно, что на концах 1D-наноструктуры наблюдается резкое изменение диаметра, возможно даже проявление бесконечной крутизны, при которой описываемое выше измерение предполагается проводить на участке, удаленном от концов 1D-наноструктуры. В предпочтительном варианте измерение проводится на участке, удаленном от конца, по меньшей мере, на 5% или, по меньшей мере, на 10% от общей длины 1D-наноструктуры. В определенных примерах осуществления изменение диаметра оценивается по длине 1D-наноструктуры, которая меняется от приблизительно 1% до приблизительно 25%, до приблизительно 75% или до приблизительно 90% от общей длины 1D-наноструктуры.

1D-наноструктура как, например, нанопроволока может иметь цилиндрическую форму с шероховатой поверхностью вдоль оси. Диаметр нанопроволоки цилиндрической формы составлять приблизительно 5 нм или больше, приблизительно 10 нм или больше, приблизительно 20 нм или больше, приблизительно 50 нм или больше, или приблизительно 75 нм или больше. Диаметр нанопроволоки цилиндрической формы может быть не больше чем приблизительно 100 нм, не больше чем приблизительно 200 нм или не больше чем приблизительно 300 нм. Множество 1D-наноструктур может иметь множество диаметров 1D-наноструктур, меняющихся от приблизительно 5 нм или больше до не больше чем приблизительно 300 нм. В некоторых примерах осуществления изобретения множестве 1D-наноструктур может иметь множество диаметров 1D-наноструктур, меняющихся от приблизительно 10 нм или больше или приблизительно 20 нм или больше, до не больше чем приблизительно 300 нм.

В некоторых примерах осуществления наноструктуры согласно изобретению имеют k, составляющую приблизительно 2,0 Вт·м^-1·К^-1 или меньше, и/или ZT, составляющую приблизительно 0,1 или больше приблизительно при комнатной температуре или при 25°С. В определенных примерах осуществления наноструктуры согласно изобретению имеют k, составляющую приблизительно 1,0 Вт·м^-1·К^-1 или меньше, и/или ZT, составляющую приблизительно 0,8 или больше приблизительно при комнатной температуре или при 25°С. В других примерах осуществления наноструктуры согласно изобретению имеют k, составляющую приблизительно 0,5 Вт·м^-1·К^-1 или меньше, и/или ZT, составляющую приблизительно 3 или больше приблизительно при комнатной температуре или при 25°С.

Объектом изобретения является синтез массивов наноструктур большой площади, которые имеют k ≤ приблизительно 1,0 Вт·м^-1·К^-1, а ZT ≥ приблизительно 0,8. При встраивании границ раздела, рассеивающих фононы, при различных масштабах длин появляется возможность подавления теплопередачи и увеличения ZT. В некоторых примерах осуществления k Si в нанопроволоках уменьшается в 100 раз по сравнению с объемным Si при комнатной температуре. Шероховатость поверхностей нанопроволок обеспечивает эффективное рассеяние фононов и дополнительное уменьшение k при низких температурах.

В одном примере осуществления наноструктура является нанопроволокой из Si. Объектом изобретения является синтез массивов нанопроволок из Si большой площади, которые имеют k, составляющую 1,0 Вт·м^-1·К^-1, и большую ZT=0,8. При встраивании границ раздела, рассеивающих фононы, при различных масштабах длин появляется возможность подавления теплопередачи и увеличения ZT. В этом случае k Si в нанопроволоках уменьшается в 100 раз по сравнению с объемным Si при комнатной температуре. Шероховатость поверхностей нанопроволок обеспечивает эффективное рассеяние фононов и дополнительное уменьшение k при низких температурах. Несмотря на то, что объемный Si не является эффективным термоэлектрическим материалом, значительное уменьшение k, не оказывающее влияния на другие параметры, может обеспечить возможность использования массивов нанопроволок из Si в качестве высокоэффективных и недорогих термоэлектрических материалов бытового применения.

В некоторых примерах осуществления изобретения множество наноструктур сгруппировано, например, в массив. В некоторых массивах все наноструктуры размещены параллельно одна другой.

Синтез наноструктуры

1D-наноструктуры и множество 1D-наноструктур могут быть синтезированы любым удовлетворяющим предъявляемым требованиям способом. Такие способы включают в себя способы, описываемые в Примерах 1 и 2, приводимых в данном документе (см. публикации: Peng с соавт. «Synthesis of large-area silicon nanowire arrays via self-assembling nanochemistry» («Синтез массивов кремниевых нанопроволок большой площади на основе нанохимии самоорганизации»), Adv. Mater. 14, (16): 1164-1167 (2002) и Peng с соавт. «Aligned single-crystalline Si nanowire arrays for photovoltaic applications» («Упорядоченные массивы нанопроволок из монокристаллического Si для фотовольтаических приборов»), малотиражное издание, 1(11):1062-1067 (2005), которые включены в данный документ в полном объеме путем ссылки).

Множество нанопроволок как, например, в массиве могут быть синтезированы путем безэлектролизного травления (метод ЕЕ) водным раствором (см. публикации: Peng, K.Q., Yan, Y.J., Gao, S.Р. и Zhu, J. «Synthesis of large-area silicon nanowire arrays via self-assembling nanochemistry» («Синтез массивов кремниевых нанопроволок большой площади на основе нанохимии самоорганизации»), Adv. Mater. 14, 1164-1167 (2002); Peng, K., Yan, Y., Gao, S. и Zhu, J. «Dendrite-assisted growth of silicon nanowires in electroless metal deposition» («Стимулируемый дендритами рост кремниевых нанопроволок при безэлектролизной металлизации»). Adv. Fund. Mater. 13, 127-132 (2003); Peng, K. с соавт. «Uniform, axial-orientation alignment of one-dimensional single-crystal silicon nanostructure arrays» («Равномерное аксиально-ориентационное упорядочение массивов одномерных нанструктур из монокристаллического кремния»), Angew. Chem. Int. Edit. 44, 2737 (2005), которые включены в данный документ в полном объеме путем ссылки). Подложку из Si, Ge или их комбинации подвергают следующей обработке: сначала гальваническому вытеснению Si, или Ge, или сплава Si-Ge в результате восстановления Ag⁺/Ag⁰ на поверхности подложки. Реакция протекает в водном растворе AgNO₃ и HF. Восстановление Ag⁺ на поверхности подложки из Si, Ge или Si-Ge происходит в результате инжекции дырок в валентную зону Si, Ge или Si-Ge и оксидирования окружающей кристаллической решетки, подвергающейся последующему травлению под действием HF. На начальном этапе восстановление Ag⁺ приводит к образованию наночастиц Ag на поверхности подложки и, следовательно, к ограничению участка оксидирования и травления в пространстве. Дальнейшее восстановление Ag⁺ протекает на наночастицах, а не на подложке из Si, Ge или Si-Ge, которая становится активным катодом при переносе электронов от нижележащей подложки. 2D-наноструктуры и множество 2D-наноструктур согласно настоящему изобретению могут быть синтезированы любым удовлетворяющим предъявляемым требованиям способом. Такие способы включают в себя использование процесса Langmuir-Blodgett (LB), например, описываемого в публикации «Langmuir-Blodgett silver nanowire monolayers for molecular sensing with high sensitivity and specificity» («Монослои Лэнгмюра-Блоджет из нанопроволок серебра для молекулярного считывания с высокой чувствительностью и спецификой»), A. Tao, F. Kim, С. Hess, J. Goldberger, R. He, Y. Sun, Y. Xia, P. Yang, Nano. Lett. 3, 1229, 2003 (которая включена в данный документ в полном объеме путем ссылки). Например, процесс LB позволяет без труда создавать монослойные или многослойные монодисперсные нанокристаллы. В результате сплавления такие монослойные и многослойные нанокристаллы могут образовывать шероховатые 2D-наноструктуры.

Другой удовлетворяющий предъявляемым требованиям процесс синтеза 2D-наноструктур согласно настоящему изобретению содержит: (a) физическое или химическое осаждения из паровой фазы (например, осаждение атомного слоя или молекулярная эпитаксия) для получения тонкой пленки с гладкой поверхностью, (b) распределение одного или более нанокристаллов на поверхности тонкой пленки и (c) сплавление одного или более нанкристаллов в тонкие пленки.

Устройства, содержащие наноструктуру

Объектом настоящего изобретения является устройство, содержащее наноструктуру, включающую в себя нанопроволоки, описываемые в публикациях Peng с соавт., Synthesis of large-area silicon nanowire arrays via self-assembling nanochemistry (Синтез массивов кремниевых нанопроволок большой площади на основе нанохимии самоорганизации), Adv. Mater. 14, 1164-1167 (2002); Peng с соавт., Dendrite-assisted growth of silicon nanowires in electroless metal deposition (Стимулируемый дендритами рост кремниевых нанопроволок при безэлектролизной металлизации), Adv. Fund Mater. 13, 127-132 (2003); и Peng с соавт. Uniform, axial-orientation alignment of one- dimensional single-crystal silicon nanostructure arrays (Равномерное аксиально-ориентационное упорядочение массивов одномерных нанструктур из монокристаллического кремния), Angew. Chem. Int. Edit. 44, 2737 (2005), контактирующие с первым электродом и со вторым электродом. В процессе работы устройства первый электрод и второй электрод электрически связаны один с другим.

В некоторых примерах осуществления изобретения устройство содержит одну или более 1D-наноструктур, как например, нанопроволоки, согласно настоящему изобретению, причем первый конец контактирует с первым электродом, а второй конец контактирует со вторым электродом.

В некоторых примерах осуществления изобретения способ вырабатывания электрического тока содержит: создание устройства согласно настоящему изобретению; и установление температурного градиента между первым и вторым электродами, так что вырабатывается электрический ток, протекающий от первого электрода к 1D-наноструктуре и через 1D-наноструктуру - ко второму электроду.

В некоторых примерах осуществления изобретения устройство содержит: первый электрод; второй электрод; третий электрод; первое множество 1D-наноструктур как, например, нанопроволоки, каждая из которых имеет удлиненную форму с первым концом и со вторым концом и шероховатую поверхность, где 1D-наноструктура содержит элементы Si, Ge или их комбинацию, легированную трехвалентным элементом (так что 1D-наноструктуры содержат полупроводник р-типа); и второе множество 1D-наноструктур как, например, нанопроволоки, каждая из которых имеет удлиненную форму с первым концом и со вторым концом и шероховатую поверхность, где 1D-наноструктуры содержат Si, Ge или их комбинацию, легированную пятивалентным элементом (так что 1D-наноструктуры содержат полупроводник n-типа), причем первый конец первого множества 1D-наноструктур контактирует с первым электродом, второй конец первого множества 1D-наноструктур контактирует с третьим электродом, первый конец второго множества 1D-наноструктур контактирует с первым электродом, а второй конец второго множества 1D-наноструктур контактирует со вторым электродом, так что когда первый электрод имеет более высокую температуру, чем второй и третий электроды, вырабатывается электрический ток, протекающий от второго электрода ко второму множеству 1D-наноструктур, через второе множество 1D-наноструктур - к первому электроду, через первый электрод - к первому множеству 1D-наноструктур и через первое множество 1D-наноструктур - к третьему электроду.

В некоторых примерах осуществления изобретения способ вырабатывания электрического тока содержит: создание устройства согласно настоящему изобретению, имеющего первое множество 1D-наноструктур как, например, нанопроволоки, и второе множество 1D-наноструктур как, например, нанопроволоки, и повышение температуры первого электрода, так что вырабатывается электрический ток, протекающий от второго электрода ко второму множеству 1D-наноструктур, через второе множество 1D-наноструктур - к первому электроду, через первый электрод - к первому множеству 1D-наноструктур и через первое множество 1D-наноструктур - к третьему электроду.

В некоторых примерах осуществления изобретения способ снижения температуры участка содержит: создание устройства согласно настоящему изобретению; и обеспечение протекания электрического тока через устройство, так что температура первого электрода снижается, причем первый электрод находится на или вблизи участка, а температура второго и третьего электродов повышается.

В некоторых примерах осуществления устройство является таким, что первый электрод содержит первый светонепроницаемый материал, а второй электрод содержит второй светонепроницаемый материал, причем первый и второй светонепроницаемые материалы являются одним и тем же материалом или разными материалами. В некоторых примерах осуществления электроды яв