基于拓扑绝缘体的热电结构与装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请案要求题为"基于拓扑绝缘体的热电结构与装置"的，2013年12月2日提 交的第61/910, 541号美国临时申请，以及2014年3月12日提交的第14/207, 478号美国 临时申请的权益，所述申请案以引用方式并入本文中。
技术领域
[0002] 所公开的实施例主要涉及热电结构与装置。更明确地说，是基于拓扑绝缘体的热 电结构与装置。
【背景技术】
[0003] 全世界对于能源的需求在迅速增长。同时，人们也越来越关注由于燃烧天然气、油 和煤等传统化学能源所引起的环境问题。最近几年，有大量的研宄正在寻求可以替代的绿 色能源。人们在很久以前就已经发现，热电效应可以直接实现热和电的相互转换，提供一 个可行的发电或制冷的替代途径。寻求有效进行热-电转化的高性能热电材料，是材料科 学领域长期追求的目标。[Electronic refrigeration，vol. 76 (Pion London，1986) ;adv. Mater. 19,1043(2007) ；Nat. Mater. 7,105 (2008)]
[0004] 热电转换效率依赖热电材料的热电品质因子zT。而zT值是一些相互冲突的物理 量的组合。在标准的定义中，zT被表述成
[0005]
【主权项】
1. 一种热电结构，其特征在于，包括： 拓扑绝缘体，所述拓扑绝缘体包含具有绝缘能隙的体态及没有能隙、不会因受任何时 间反演不变微扰而被破坏的边缘态； 横断面积为A ; W及 沿着长度方向，具有长度L的电与热输运路径，其中拓扑绝缘体的电导G不满足欧姆标 度定律，该欧姆标度定律即G与A/L成正比，并且当L增加和A减少时，热电结构的热电品 质因子ZT会提高。
2. 如权利要求1所述的热电结构，其特征在于，所述的拓扑绝缘体是二维拓扑绝缘体， 其边缘态为受拓扑保护的一维边沿态，并且宽度为拓扑绝缘体的边缘态局域化宽度C的 大约S倍。
3. 如权利要求2所述的热电结构，其特征在于zT值大于3。
4. 如权利要求2所述的热电结构，其特征在于，所述的拓扑绝缘体是从一组材料中选 取的，所述的一组材料包含；异质结构的化Te/CdTe和InAs/Ga訊，与薄膜结构的娃，错，锡， 铺，饿，Bi2TeI，ZrTe5和HfTe5,而且宽度在大约10至Ij 100纳米之间。
5. 如权利要求2所述的热电结构，其特征在于，所述的拓扑绝缘体是合金薄膜，其中合 金成分至少是Bi2Te3,訊2Te3和Bi2Se3中之一种。
6. 如权利要求1所述的热电结构，进一步包括： 化学渗杂，其特征在于，通过引入化学渗杂，使得对于P型拓扑绝缘体，则所述拓扑绝 缘体的费米能级低于其体态价带最大值大约0至3倍kBT，或者对于N型拓扑绝缘体，则所 述拓扑绝缘体的费米能级高于其体态导带最小值大约0至3倍kBT，其中kB为玻尔兹曼常 量，T为所述拓扑绝缘体的平均温度。
7. 如权利要求1所述的热电结构，其特征在于，所述的拓扑绝缘体由材料 炬王义訊^分2了63所组成，其中X大于或等于0,而且小于或等于1，使得对于P型拓扑绝缘 体，则所述拓扑绝缘体的费米能级低于其体价电带最大值大约0至3kBT，或者对于N型拓扑 绝缘体，则所述拓扑绝缘体的费米能级高于其体导电带最小值大约0至3kBT，其中kB为玻 尔兹曼常量，T为所述拓扑绝缘体的平均温度。
8. 如权利要求7所述的热电结构，其特征在于，对于P型拓扑绝缘体，则X在大约0与 0. 1之间，对于N型拓扑绝缘体，则X在大约0. 9与1之间。
9. 如权利要求2所述的热电结构，其特征在于，所述拓扑绝缘体是化学功能基团修饰 的蜂窝晶格的单层锡，所述用于化学修饰的功能基团是从包含氣、氯、漠、舰和哲基的组中 选出。
10. 如权利要求9所述的热电结构，其特征在于，所述拓扑绝缘体的宽度约为10纳米。
11. 如权利要求1所述的热电结构，其特征在于，进一步包括： 远离拓扑绝缘体边缘区域的无序，所述无序散射声子及体态电子，同时对边缘态电子 几乎没有影响。
12. 如权利要求1所述的热电结构，其特征在于，增加L到至少大于所述拓扑绝缘体的 非弹性平均自由程A，可W提高其zT值。
13. 如权利要求1所述的热电结构，其特征在于，所述拓扑绝缘体为=维拓扑绝缘体， 其边缘态为受拓扑保护的二维表面态，其厚度为所述拓扑绝缘体的边缘态局域化宽度写 的大约s倍。
14. 一个方法，其特征在于，包括W下步骤： 取得拓扑绝缘体边缘态的非弹性平均自由程A，其中的拓扑绝缘体包含具有绝缘能隙 的体态及没有能隙、不会因受任何时间反演不变微扰而被破坏的边缘态； 取得拓扑绝缘体边缘态的局域化宽度写。 基于A与I，相对于体态，将边缘态对热电输运的相对贡献调至最大，用W提升拓扑 绝缘体的热电品质因子zT值。
15. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述拓扑绝缘体有横断面A，W及沿着长 度方向，长度为L的热与电输运路径，并且，提升zT包括增加L到至少大于入。
16. 如权利要求14所述的方法，所述拓扑绝缘体是二维拓扑绝缘体，具有受拓扑保护 的一维边沿态，则其特征在于，其宽度为C的大约S倍。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括： 对于P型拓扑绝缘体，调整所述拓扑绝缘体的费米能级至低于其体态价带最大值大 约0至3倍kBT ;或者对于N型拓扑绝缘体，调整所述拓扑绝缘体的费米能级至高于其体态 导带最小值大约0至3倍kBT，其中kB为玻尔兹曼常量，T为所述拓扑绝缘体的平均温度。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，使用口电压来调控费米能级。
19. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，添加化学渗杂来调控费米能级。
20. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括： 在远离拓扑绝缘体边缘的区域加入无序，所述无序散射声子及体态电子，同时对边缘 态电子几乎没有影响。
21. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述拓扑绝缘体为=维拓扑绝缘体，其边 缘态为受拓扑保护的二维表面态，并且提升zT值的方法包括减少所述拓扑绝缘体的厚度 为C的大约S倍。
【专利摘要】基于拓扑绝缘体的热电结构与装置，本发明描述了一些方法和设备，用以提升基于拓扑绝缘体的热电结构与装置的热电品质因子(zT)。本发明中，一个新颖的方面是，透过优化拓扑绝缘体的几何尺寸来提升其zT值。在一个实施例中，将拓扑绝缘体的长度加长至超过其非弹性平均自由程长度。在另一个实施例中，减少二维拓扑绝缘体的宽度，或是减少三维拓扑绝体的厚度，至大约其边缘态局域化宽度的三倍，用以提升其zT值。本发明另一个新颖的方面是，相对于体态，提高边缘态对热电输运的相对贡献至最大，用以提升其zT值。
【IPC分类】H01L35-32
【公开号】CN104681707
【申请号】CN201410422586
【发明人】徐勇, 甘中学, 张首晟
【申请人】新奥科技发展有限公司
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2014年8月26日
【公告号】US20150155464