專利名稱：能量轉(zhuǎn)換器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于二極管、熱電子、隧穿、以及被設(shè)計(jì)為在電極之間具有非常小的間距以 及在一些情況下也要求電極之間的熱隔離的其他器件。本發(fā)明可以應(yīng)用到熱隧穿發(fā)生器和 熱泵中，并且可以應(yīng)用到使用熱電子和熱電方法的類似系統(tǒng)中。這些熱隧穿發(fā)生器和熱泵 將熱能轉(zhuǎn)換成為電能，并且可以反向操作以提供致冷。本發(fā)明還可以應(yīng)用到需要兩個(gè)電極 具有緊密、平行間隔且在它們之間施加或產(chǎn)生電壓的任何器件中。
背景技術(shù)：
已經(jīng)將從一個(gè)導(dǎo)體(發(fā)射極)到另一個(gè)導(dǎo)體(集電極)的高能電子流動的現(xiàn)象應(yīng) 用在了許多電子器件中，并且用于多種目的。例如，真空管二極管就是采用的這種方式，并 且該物理現(xiàn)象被稱為熱電子發(fā)射。因?yàn)橛上鄬^大的可用物理間隔所施加的限制，這些二 極管需要在很高的溫度下工作(大于1000開氏度)。為了使電子獲得穿過到達(dá)集電極的大 距離并克服高量子勢壘的足夠能量，熱電極需要非常熱。然而，真空管允許構(gòu)建電子二極管 和隨后的放大器。隨著時(shí)間的過去，通過使用諸如銫等堿金屬、或氧化物涂覆電極，致力于 降低工作溫度，這些器件得到優(yōu)化。盡管熱電子發(fā)生的溫度仍然大大高于室溫，但是這種功 率產(chǎn)生方法已經(jīng)在將燃燒或太陽能集中器得到的熱轉(zhuǎn)換為電的轉(zhuǎn)換過程方面產(chǎn)生效用。隨后，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果發(fā)射極和集電極彼此之間非常接近，在如2至20納米的原子 間距的量級，那么電子可以在非常低的溫度，甚至在室溫下流動。在這種小間距下，兩個(gè)電 極的原子的電子云如此接近以致于在沒有物理傳導(dǎo)的情況下就可以實(shí)際上使熱電子從發(fā) 射極團(tuán)流動到集電極團(tuán)。在電子云相交但是電極并不物理接觸時(shí)，這種類型的電流被稱為 隧道效應(yīng)。例如，掃描隧道顯微鏡使用了尖銳的、被設(shè)置為與導(dǎo)電表面非常接近的導(dǎo)電觸 針，并且隨著觸針在該表面上進(jìn)行掃描，可以通過標(biāo)繪電流的流動，來繪制此表面的原子輪 廓。美國專利4343993 (Binning等人)示教了應(yīng)用于掃描隧道顯微鏡的這種方法。在本行業(yè)已知，如果可以在大面積(例如1平方厘米乃至1平方毫米)上保持 這種原子間距，那么通過單個(gè)二極管之類的器件能夠?qū)⒋罅康臒徂D(zhuǎn)換為電，并且這些器 件將在作為致冷器或在從各種來源中回收廢熱能方面產(chǎn)生效用。參見由Y.Hishiruma， Τ. H. Geballe, B. Y. Moyzhes VX R Τ. W. Kenny PJf M W Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum :Use of Nanometer Scale Design (Applied Physics Letters,第 78 卷，第 17 期，2001 年 4 月 23 日)；由 Y. Hishinuna, T. H. Geballe,B. Y. Moyzhes所著的 Vacuum Thermionic Refrigeration with a Semiconductor Heterojunction Structure(Applied Physics Letters,第 81 卷，第 22 期，2002 年 11 月 25 日)；以及由 Y. Hishinuma, T. H. Geballe,B. Y. Moyzhes 以及 T. W. Kenny 所著的Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission AcrossNanometer Gap (Journal of Applied Physics，第 94 卷，第 7 期，2003 年 10 月 1 日)。電 極之間的間距必須足夠小以允許“熱”電子(具有大于費(fèi)米能級的能量的電子)流動，但并 不會緊密到允許常態(tài)傳導(dǎo)(等于或小于費(fèi)米能級的電子的流動)。在一些情況下，可以使用 真空間隙最小化由晶格聲子振動引起的熱導(dǎo)率，并且熱電子的過濾可以在與該間隙鄰近的 半導(dǎo)體或熱電材料中發(fā)生，如在由相同發(fā)明者提出的國際PCT申請PCT/US07/77042中所示 例的。存在在0. 5和20納米之間的間隔距離的可工作范圍，其允許從電能到致冷的每平方 厘米數(shù)千瓦特的轉(zhuǎn)換。參見由Y. Hishinuna, T. H. Geballe,B. Y. Moyzhes以及T. W. Kenny所 著白勺 Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum :Use of Nanometer Scale Design (Applied Physics Letters,第 78卷，第 17 期，2001年4月23日)。這些參考文獻(xiàn)還提出在發(fā)射電極上提供堿金屬或其他材質(zhì)的涂層 或單層以便獲得在從一個(gè)電極到另一電極的電子傳輸中的低功函數(shù)的優(yōu)越性。此涂層或者 單層進(jìn)一步降低了工作溫度并為那些結(jié)構(gòu)提高了轉(zhuǎn)換效率，而無需設(shè)置電子過濾的單獨(dú)手 段。Mahan證實(shí)了采用具有0. 7eV的功函數(shù)及500K冷卻溫度的電子，熱電子 致冷器的理論效率高于卡諾效率的80 %。參見由G. D. Mahan所著的Thermionic Refrigeration (Journal of Applied Physics，第 76 卷，第 7 期，1994 年 10 月 1 日)。此 夕卜，參見由 G. D. Mahan, J. A. Sofao 以及 M. Bartkoiwak 所著的 Multilayer Thermionic Refrigerator (Journal of Applied Physics，第 83 卷，第 9 期，1998 年 5 月 1 日)。通過 類比，電子隧穿過程的轉(zhuǎn)換效率被預(yù)期為同樣是高比例的卡諾效率?？ㄖZ效率表示熱能轉(zhuǎn) 換的可實(shí)現(xiàn)效率的上限。在大面積上將電極間距保持在原子尺寸上已經(jīng)成為構(gòu)建可從導(dǎo)體移除熱量的器 件時(shí)的唯一的、最重要的問題。例如，掃描隧道顯微鏡需要不存在振動的特殊實(shí)驗(yàn)室環(huán) 境，并且它的操作局限在幾平方納米的區(qū)域。在一運(yùn)作設(shè)備中冷卻的測量被局限在幾平 方納米的面積上。參見由 Y. Hishinuma, T. H. Geballe, B. Y. Moyzhes 以及 T. W. Kenny 所著 的 Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap (Journal of Applied Physics，第 94 卷，第 7 期，2003 年 10 月 1 日)。更近期地，在PCT/US07/77042中，利用在真空室中測試的一對雙金屬電極，構(gòu)建 了實(shí)現(xiàn)毫瓦或幾分之一瓦的更大的能量轉(zhuǎn)換量的器件。在由相同發(fā)明人提出的此專利申請 中所描述的器件已經(jīng)成功地用于在一鐘罩真空設(shè)備中形成納米間隙，從而使得在該間隙任 一側(cè)的許多材料可以被探測或測量。此外，采用PCT/US07/77042的該成功間隙形成方法 的全封裝器件也將在此提出，并且此器件可用作在真空設(shè)備外部可用的全功能能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)
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ΡΠ O因此，還有對于全封裝器件的需求，其在封裝件中成本有效地且有效率地將熱能 轉(zhuǎn)換為電能，該封裝件方便用于作為輸入的熱源、以及作為輸出的需要電力的電路這兩者。 充裕的熱源，包括廢熱，可以容易地變成電來源。采用這種器件的實(shí)例將有利于環(huán)境、節(jié)約 資金或兩者兼?zhèn)?，包?1)比當(dāng)前使用的光伏器件更成本有效地將太陽的熱和光轉(zhuǎn)換成為電。(2)將如在汽車中所使用的內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的熱量回收回來，成為有用的動力。一 些現(xiàn)今可用的稱之為油電混合汽車的汽車可以使用電能或內(nèi)部燃燒來產(chǎn)生動力。在現(xiàn)今的內(nèi)燃機(jī)中，汽油中的大約75%的能量被轉(zhuǎn)換成為廢熱。隧穿轉(zhuǎn)換器件可以從混合汽車的發(fā) 動機(jī)中回收大量的這種熱能，并將它送到電池中以供隨后使用。美國專利6651760 (Cox等 人)示教了對來自燃燒室的熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)換并儲存能量或?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)換為動力的一種方法。(3)降低了向大氣中排放有害氣體的需求。較高能量效率的混合汽車是可以降低 逸入大氣的有害廢氣的一顯明實(shí)例。對混合引擎的引擎廢熱進(jìn)行轉(zhuǎn)換并隨后在混合電池中 儲存或產(chǎn)生電能的器件可以進(jìn)一步提高混合汽車的效率，并降低有害氣體排放需求。在致 冷機(jī)中所使用的冷凍劑是移除熱量所必需的有害氣體的其他實(shí)例，而隧穿轉(zhuǎn)換器件可以降 低對有害氣體排放的這種需求。(4)在可得到時(shí)對熱能進(jìn)行回收，然后將它作為化學(xué)能儲存在電池中，以及然后在 不能得到時(shí)將它重新使用。隧穿轉(zhuǎn)換器件在白天期間可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，然后將其 儲存在電池中。在夜間，所儲存的電池電力可以用于產(chǎn)生電能。(5)通過地?zé)崮馨l(fā)電。熱存在于地球表面的許多地方，并且在地球內(nèi)部深處實(shí)質(zhì)上 是無限充裕的。高效率的隧穿轉(zhuǎn)換器件可以利用這種能量供應(yīng)。(6)通過小型、靜音和穩(wěn)固的固態(tài)器件制造致冷機(jī)，在此這種隧穿器件可以為空調(diào) 設(shè)備或致冷機(jī)提供冷卻，以代替對于笨重的風(fēng)動機(jī)械和壓縮機(jī)的需求。(7)通過體溫發(fā)電。人體產(chǎn)生大約100瓦特的熱量，這種熱量可被轉(zhuǎn)換成為對于如 手機(jī)、無繩電話、音樂播放器、個(gè)人數(shù)字助理和手電筒等手持產(chǎn)品有用的電源。在本公開中 提出的一種熱轉(zhuǎn)換器件可以從通過與人體局部接觸所施加的熱中，為這些手持產(chǎn)品生成進(jìn) 行工作或?qū)﹄姵爻潆姷淖銐螂娏Α?8)來自燃燒燃料的電能。木材爐產(chǎn)生數(shù)萬瓦特的熱量。這種隧穿器件可以通過 這些熱量產(chǎn)生1或2千瓦的電力，其足夠?yàn)橐黄胀彝サ碾娖鞴┮詣恿Αｎ愃茟?yīng)用可能通 過燃燒其他燃料，如天然氣、煤以及其他來實(shí)現(xiàn)。于是在偏遠(yuǎn)地區(qū)的家庭可以不必連接到電 力輸送網(wǎng)或有噪音的發(fā)電機(jī)來獲取現(xiàn)代化的便利。在PCT/US07/77042 以及在由 E T Enikov 和 T Makansi 所著的"Analysis of nanometer vacuum gap formation in thermo-tunneling devices" (Nanotechnology Journal，2008年)中，充分描述了在小于20. 0納米的間隔間隙內(nèi)將兩個(gè)平行電極設(shè)置在一 起時(shí)的問題以及由此發(fā)明者和其他人提出的解決方案。在這里，我們將集中關(guān)注具有其自 己的真空室的全封裝器件，其可以以低成本大規(guī)模生產(chǎn)，并且相對于壓縮機(jī)、渦輪以及發(fā)電 機(jī)在價(jià)格上具有競爭力。此器件在其內(nèi)包括了在PCT/US07/77042中所概述的形成間隙的 雙金屬電極設(shè)計(jì)。已經(jīng)通過使用在這些距離上非常精確的反饋控制系統(tǒng)的排列，提高了這種在1平 方厘米的面積上將兩個(gè)導(dǎo)體分隔開大約2. 0至20. 0納米的技術(shù)。控制系統(tǒng)包括用于測 量實(shí)際間隔的反饋裝置，將該實(shí)際間隔與預(yù)想間隔相比較，還包括為了保持該預(yù)想間隔而 使各元件靠近或者遠(yuǎn)離的移動裝置。該反饋裝置可以測量兩個(gè)電極之間的電容，該電容 隨著間隔的減小而增大。在技術(shù)發(fā)展水平下，用于這些尺寸的移動裝置是通過壓電、磁致 伸縮或者電致伸縮現(xiàn)象而產(chǎn)生移動的致動器。美國專利6720704(Tavkhelidze等人)和 7253549 (Tavkhelidze等人)以及美國專利申請?zhí)?007/0033782 (Tavkhelidze等人)均描 述了這樣一種設(shè)計(jì)，其包括使用另一表面來形成一個(gè)表面的形狀，然后使用反饋控制系統(tǒng) 在使用前完成平行性。由于在相對于另一表面形成一個(gè)表面的形狀以及為了保持平行性而使用多個(gè)反饋控制系統(tǒng)時(shí)涉及復(fù)雜的處理，因此該設(shè)計(jì)方法在低成本制造方面存在問題。在美國專禾Ij6774003 (Tavkhelidze 等人)禾口 7140102 (Taliashvili 等人)以 及美國專利申請 2002/0170172 (Tavkhelidze 等人)、2006/0038290 (Tavkhelidze 等 人)和2001/0046749 (Tavkhelidze等人)中記錄了其他方法，這些方法涉及在制造期 間在電極之間插入“犧牲層”。然后將該犧牲層蒸發(fā)，以在電極之間制造出接近2到20 納米的預(yù)想間距的間隙。如在美國專利申請?zhí)?005/0189871 (Tavkhelidze等人)和 2007/0056623 (Tavkhelidze等人)中所描述的，這三種方法或者由于電極之間的翹曲或熱 膨脹差異而容易發(fā)生制造后波動，或者需要致動器的排列以補(bǔ)償這種波動。隨著時(shí)間的過去，在美國專利6876123 (Martinovsky等人)、 7305839 (Weaver)和 6946596 (Kucherov 等人)以及在美國專利申請?zhí)?2004/0050415、 2006/0192196(Tavkhelidze ^ A )>2003/0042819(Martinovsky ^ 人)、 2006/0207643 (Weaver 等人),2007/0069357 (Weaver 等人)以及 2008/0042163 (Weaver)中 記錄了實(shí)現(xiàn)并保持預(yù)想間隔的其他方法，其通過使用介電襯墊，以非常類似于支柱支撐起 帳篷的方式，保持柔性電極的間距。這些介電襯墊的一個(gè)缺點(diǎn)是它們從一個(gè)電極向另一個(gè) 傳遞熱，這降低了轉(zhuǎn)換過程的效率。此方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是隨著時(shí)間的過去，在大靜電力的 存在下，該柔性電極可能在襯墊之間伸展或變形，并且該柔性電極可能緩慢地向著允許傳 導(dǎo)而非隧穿或熱電子發(fā)射的間距遷移。在由Marco Aimi,Mehmet Arik，James Bray,Thomas Gorczyca, Darryl Michael,禾口 Stan Weaver 所著的 ‘‘Thermotunneling Based Cooling Systems for High Efficiency Buildings，，(General Electric Global Research Center, DOE Report Identifier DE-FC26-04NT42324，2007年)中概述了利用這些方法形成納米間 隙的一些難題。在美國專利申請?zhí)?004/0195934(Tanielian) ,2006/0162761 (Tanielian), 2007/0023077 (Tanielian) ,2007/0137687 (Tanielian)和 2008/0155981 (Tanielian)中透 露了用于獲得電極之間的預(yù)想真空間距的另一方法，在該方法中，在兩個(gè)接合晶片的界面 處產(chǎn)生小空隙。這些空隙小到足以允許電子熱隧穿越過幾個(gè)納米的間隙。盡管這些間隙可 以支持熱隧穿，但在該些間隙周圍發(fā)生了不需要的熱傳導(dǎo)，并且難以控制電極間距的一致 性。另外，如在美國專利申請2006/0000226中所述，用于實(shí)現(xiàn)熱隧穿間隙的另一方法 是通過促使兩個(gè)晶片的對向表面相接觸，然后使用致動器以將它們牽引分離開幾個(gè)納米。 盡管此方法可以產(chǎn)生熱隧穿間隙，但是此方法受到數(shù)個(gè)致動器的成本以及在間隙區(qū)域外部 的晶片之間的熱傳導(dǎo)的不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
本公開內(nèi)容在封裝、制造方面提供了改進(jìn)，并提供了在PCT/US07/77042中描述的 間隙形成設(shè)計(jì)的更詳細(xì)的實(shí)施細(xì)節(jié)。提供了四種封裝設(shè)計(jì)方法，每種設(shè)計(jì)方法在成本上折 衷，并具有獨(dú)特的可靠性。第一種且優(yōu)選的封裝設(shè)計(jì)采用柔性玻璃和柔性硅以同時(shí)作為真 空壁、電極基板，和可選地用作用于互連的電路。第二種封裝設(shè)計(jì)完全采用具有金屬插入物 的玻璃基板。第三種封裝設(shè)計(jì)采用了柔性塑料材料，該材料是真空相容的，其具有低成本， 但是也具有由于塑料逸氣性(out-gassing)而引起的低可靠性、以及低壁面剛性和某些多孔性。第四種封裝設(shè)計(jì)采用非柔性的厚玻璃壁，并且因此該間隙形成機(jī)制較少受到外部振 動或沖擊的干擾。然而，此設(shè)計(jì)制造起來更為昂貴。對于該四種設(shè)計(jì)中的每一種，均可以有兩種實(shí)施方式。在一種實(shí)施方式中，每一隧 穿結(jié)具有其自己的真空室，并且需要單獨(dú)的連接器來提供多個(gè)結(jié)的互連。在第二種實(shí)施方 式中，多個(gè)結(jié)共享真空室，在其中也包含互連結(jié)構(gòu)。附圖中將示出多個(gè)結(jié)的實(shí)施方式，但不 是做出限制，其中單個(gè)結(jié)的實(shí)施方式是一個(gè)子集?？梢酝ㄟ^行業(yè)已知的多種技術(shù)中的任一種，實(shí)現(xiàn)小于1. 0納米的表面粗糙度。即 使硅和玻璃晶片通常是被拋光至亞納米粗糙度，但是金屬膜的沉積會因成核和顆粒形成而 產(chǎn)生額外的粗糙度。然后，此表面粗糙度可以通過如下方式來消除(1)利用后拋光工藝， 例如稱為CMP的化學(xué)機(jī)械拋光(2)在沉積期間冷卻基板，以防止顆粒形成或使其最小化，或 (3)將該表面壓向已知光滑表面，如未加工晶片的表面。為了在金屬、半導(dǎo)體和其他材料上 獲得小于1. 0納米的表面粗糙度，可在本行業(yè)中容易地獲得這些及其他拋光技術(shù)。經(jīng)研究下面的附圖和詳細(xì)說明書，其他系統(tǒng)、器件、所公開器件和方法的特征和益 處對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是或?qū)⒆兊蔑@而易見。意圖是所有額外的系統(tǒng)、器件、特征以 及益處應(yīng)包括在本說明書內(nèi)，屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)，并通過所附權(quán)利要求來保護(hù)。


參考附圖，可以更好的理解所公開的器件和方法的許多方面。附圖中的部件不一 定按照比例，而是重點(diǎn)放在了清楚闡明本發(fā)明的原理。而且，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記無 需在所有這些附圖中具有對應(yīng)部件。在結(jié)合附圖公開示例性實(shí)施方式的同時(shí)，并不意圖將 公開內(nèi)容限制在此處公開的各實(shí)施方式。正相反，其意圖是覆蓋所有的替換方案、改進(jìn)方案 和等效方案。圖Ia和圖Ib圖示了本發(fā)明的單一結(jié)，一個(gè)彎曲電極和一個(gè)平板電極在中心區(qū)域 相接觸；圖Ia是剖面圖，以及圖Ib圖示了內(nèi)部表面的各區(qū)域；圖2a和圖2b圖示了單一結(jié)，但是為了在特定工作條件下將中心接觸替換為納米 間隙而加入了角柱。圖2a是剖面圖，以及圖2b圖示了內(nèi)部表面的各區(qū)域；圖3a示出了圖Ia和Ib或者圖2a和2b的結(jié)在電激發(fā)時(shí)可如何用于提供致冷，以 及圖3b替代地示出了這些相同器件可如何用于將熱轉(zhuǎn)換為電；圖4a至圖4d示出了電氣串聯(lián)連接的多個(gè)結(jié)可如何聚集在單一的真空封裝內(nèi)，在 這里硅用作柔性基板又用作部真空壁，以及柔性玻璃用作熱隔離物還用作其余的真空壁；圖5a和圖5b以包括用于產(chǎn)生熱電結(jié)并將它們連接到一起的膜疊層的剖面圖形式 示出了圖4器件的更多細(xì)節(jié)；圖6示出了圖5a和圖5b的替代實(shí)施方式，其采用柔性玻璃作為基板和真空壁，并 且在玻璃中具有金屬插入物以改善遠(yuǎn)離結(jié)的熱傳導(dǎo)；圖7示出了圖5a和圖5b的另一替代實(shí)施方式，其采用柔性的、真空相容的塑料作 為真空壁，并采用分立的硅小片作為基板；圖8a和圖8b示出了圖5a和圖5b的另一替代實(shí)施方式，其采用剛性玻璃作為真 空壁并采用柔性硅作為基板；圖9a圖示了通過移除某種材料以降低雙金屬結(jié)構(gòu)的中心的曲率的布局(這進(jìn)而增大了隧穿的活性區(qū))，其可以應(yīng)用在圖1至圖8的任何或所有實(shí)施方式中；圖9b繪制了曲率半徑和孔半徑的圖表；圖IOa和圖IOb示出了在提供與用于電子流動的較大隧穿區(qū)域組合的小的接觸區(qū) 域時(shí)，與圖Ia和圖Ib以及圖2a和圖2b可類比的其他幾何結(jié)構(gòu)；圖11圖示了與圖2a所示出的相似的器件；以及圖12是珀耳帖系數(shù)相對于芯片溫度的圖表。
具體實(shí)施例方式熱電器件的品質(zhì)因數(shù)是ZT = α 2T/KRα是以伏特每度溫差為單位的塞貝克系數(shù)，T是以開氏溫標(biāo)為單位的溫度，K是以 瓦特每度溫差為單位的熱導(dǎo)率，以及R是電阻。電阻R可以進(jìn)一步表示成R=P L/Aeρ是熱電材料的電阻率，L是在此材料中電子必須行進(jìn)的長度，以及Ae是電子流 的橫截面積。熱導(dǎo)率K可以進(jìn)一步表示成K = ( κ 人+ κ ^1) /LL還是該材料的該長度。對于金屬或半導(dǎo)體中的熱傳導(dǎo)，存在兩種機(jī)制，一種歸因 于電子流動，而另一種歸因于聲子流動。歸因于聲子流動的熱傳導(dǎo)也可以被稱為晶格熱傳 導(dǎo)。在此等式中，κ e是歸因于電子的熱導(dǎo)率分量，以及如前所述沭是電子可以流動穿過的 橫截面積。K1是歸因于聲子的熱導(dǎo)率分量，以及A1是聲子可以流動穿過的橫截面積。將R 與K的表達(dá)式代入到ZT的公式中，得到如下等式ZT = α 2TAe/ [ρ (κ eAe+ κ ^1)]在熱電材料中并且對于傳統(tǒng)的熱電器件，Ae = A1，那么因此KR = κ ρ。在熱電器件中，為了降低電損耗，將電阻最小化是所期望的，其對效率產(chǎn)生影響。 將熱傳導(dǎo)最小化也是所期望的，從而使得由于從熱的一側(cè)到冷的一側(cè)的熱逆流而導(dǎo)致的損 耗被最小化。傳統(tǒng)的熱電器件僅允許電子傳導(dǎo)穿過熱電活性材料。在圖Ia和圖Ib圖示出 的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，電子和聲子傳導(dǎo)通過橫截面積的一部分，但是僅電子可以隧 穿通過大得多的面積。由于電子流動的面積大于聲子流動的面積，因此可以明顯地提升該 器件的性能。本發(fā)明的一個(gè)重要部分是其中A1可以小于Ae的器件，并且此差值導(dǎo)致更大的 ZT以及更高的效率和性能。在圖2所圖示的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，聲子傳輸是不可能的，但是電子仍 舊可以隧穿通過整個(gè)橫截面積，甚至比圖Ia和圖Ib所圖示的更進(jìn)一步地提高了性能和效 率。在這種情形下，A1是零，從而導(dǎo)致了甚至更大的ΖΤ、效率和性能。更具體地參考附圖，在其中相同附圖標(biāo)記在所有這些視圖中表示相同部件，在圖 1-12中圖示出本公開的器件和方法的示例性實(shí)施方式。在圖Ia中示出了兩個(gè)電極，一個(gè)是彎曲的而另一個(gè)基本是平坦的。一片單晶硅 100用作基板，并且此基板被重?fù)诫s到0. 001至0. Olohm-cm的程度，以得到從頂部到底部 的電傳導(dǎo)性。不限于此，其他半導(dǎo)體也可以用于基板100，比如碳化硅、鍺以及砷化鎵。兩 種類型的金屬層101和102都用于傳播電流，以允許該電流流動通過硅基板100的全部面
10積，從而降低了從器件的頂部到底部的電流的電阻。與金屬層102相比，金屬層101較厚， 或者橫向較大，或者既厚又在橫向上較大。層103是熱電活性材料。在升高的溫度下將金 屬層101沉積或者粘附到硅基板100上，形成了彎曲的上部電極。當(dāng)沉積或粘附之后將這 一對層100和101冷卻至室溫時(shí)，金屬層101相對于硅層100的較大熱收縮引入了機(jī)械應(yīng) 力，從而引起了所示的彎曲形狀。這種彎曲在兩個(gè)橫向維度上都發(fā)生，形成圓頂彎曲形狀， 不過圖Ia僅示出了剖面圖。不限于此，可包括能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲表面的其他布局，比如微機(jī)械 加工，或內(nèi)部真空空腔的牽引力。在操作中，圖Ia中的兩個(gè)電極被彈簧支承，以向彼此推動，并且將此圖中的裝置 安置在真空室中。為了致使器件冷卻，在最頂部101和最底部金屬層102之間施加電壓。此 電壓使得電流流動通過熱電活性層103，并且如果材料103是ρ-型，則該電流在與電流相同 的方向上傳送熱量，或者如果材料103是η-型，則該電流在與電流相反的方向上傳送熱量。 為了致使器件產(chǎn)生電力，熱量施加到下部電極，從而在下部和上部電極之間產(chǎn)生溫度梯度， 并且此梯度在頂部和底部電極之間產(chǎn)生被稱為塞貝克電壓的電壓。圖Ia所圖示的本發(fā)明的中心部分107除一個(gè)獨(dú)特的例外之外與傳統(tǒng)熱電器件相 似，該例外是本發(fā)明的關(guān)鍵之處。在標(biāo)準(zhǔn)熱電器件中，位于中心部分107中的活性層103從 頂部至底部是連續(xù)的。而在該發(fā)明的器件中，如圖Ib所圖示，活性層103具有垂直貫穿接 觸區(qū)域104的某種連續(xù)性。在此接觸區(qū)域104中，電子和聲子均可以傳導(dǎo)熱，并且電子可以 傳導(dǎo)電。包圍接觸區(qū)域104的區(qū)域105具有特殊的目的。該器件的幾何形狀被設(shè)計(jì)為使得 電子可以在非接觸真空間隙區(qū)域105中隧穿，但是由于真空層導(dǎo)致的晶格斷裂，聲子完全 不能流動。因此電子流動區(qū)域105大于聲子流動區(qū)域104。區(qū)域106是硅基板的全部區(qū)域， 其可以包括由于真空間隙過大以致電子無法隧穿而導(dǎo)致電子和聲子均不能流動的區(qū)域。為了估算出圖Ia的器件的品質(zhì)因數(shù)ZT的改善，將活化層材料103假定為最廣泛 使用的熱電材料Bi2Te3。此外，將工作溫度T假定為室溫或300K。對于這種材料充分公布 了下面的參數(shù)值α = 260微伏每開氏度，P=O. 001歐姆-厘米，Ke = O. 4瓦/米-開 氏度，K1 = 1.6瓦/米-開氏度。對于傳統(tǒng)的熱電器件，Α。=、。將這些數(shù)值代入到ZT的 公式中ZT = α 2TAe/ [ρ (κ eAe+ κ ^1)]ZT的公式計(jì)算得到數(shù)值1. 04，該數(shù)值是當(dāng)Ae = A1時(shí)對于Bi2Te3器件被公布和被 普遍引用的ZT性能。如果我們現(xiàn)在參考圖Ia和圖lb，并且假定聲子流動區(qū)域104具有的 半徑是電子流動區(qū)域105的半徑的四分之一，那么A1Ae是1/16，其可以由該等式得到ZT = 4. 06。因此我們看到，對于圖Ia和圖Ib所圖示出的實(shí)施方式，用于熱電性能的品質(zhì)因數(shù)ZT 可以大約是傳統(tǒng)器件的四倍。不限于此，更復(fù)雜的熱電材料可以替換Bi2Te315復(fù)雜熱電材料 的一個(gè)實(shí)例是超晶格，其是包括多個(gè)非常薄的膜層的熱電膜，其邊界降低了晶格熱傳導(dǎo)。復(fù) 雜熱電材料的其他實(shí)例包括籠形化合物(Clathrates)和硫族化合物(Chalcogenides)。在 由 G. Jeffery Snyder 禾口 Erie S. Tober 所著的 Complex Thermoelectric Materials (Nature Materials，第7卷，2008年2月)中提供了復(fù)雜熱電材料的全面評論。圖2a和圖2b示出了圖Ia和圖Ib中的實(shí)施方式的一種變型，其中在四個(gè)角落中 的每一個(gè)中的電極之間設(shè)置了四個(gè)隔離物108。由于圖2a是剖面圖，因此僅示出了這些隔 離物中的兩個(gè)。這些隔離物可以由玻璃或者其他介電材料制成，優(yōu)選是具有低的熱和電傳
11導(dǎo)率。隔離物108的高度被選擇為使得在上部電極加熱時(shí)，硅與金屬的熱膨脹差異促使上 部電極變平，由于角落隔離物成為支撐物，最終在中心形成一間隙。如果圖2a的間隙被控 制為在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生Inm或更小的真空層，那么在圖Ib中所圖示的接觸區(qū)域104被消 除，所有的聲子流動被阻塞。然而，電子可以在區(qū)域105中隧穿。在此情況下，A1 = O,并且 ZT的公式 ZT = α 2TAe/ [ρ (κ eAe+ κ ^1)]對于Bi2Te3以及在室溫下對于上面所定量的材料參數(shù)得到5. 07的ΖΤ。迄今所提出的本發(fā)明的ZT計(jì)算采用了現(xiàn)今廣泛使用在傳統(tǒng)熱電器件中的熱電材 料Bi2Te3的特性。在圖2a和圖2b所圖示的實(shí)施方式的情況中，由于真空間隙區(qū)域105阻 止了所有聲子流動，因此熱電材料的晶格熱傳導(dǎo)率是不相關(guān)的。圖Ia和圖Ib所圖示的中 心接觸方法阻止了大多數(shù)的聲子流動。由于這些原因，用于該發(fā)明的最佳熱電材料可能不 是對于傳統(tǒng)器件來說已經(jīng)成為最佳選擇的Bi2Te3。包括具有大或者更大晶格熱傳導(dǎo)率的那 些材料可以增大用于本發(fā)明器件的候選材料的空間。由于許多原因，這些新材料可能性是 很重要的。在周期表中具有低晶格熱傳導(dǎo)率的元素是那些具有相對大的原子量的元素。具 有相對大的原子量的半導(dǎo)體和金屬趨向于具有下列的非期望屬性(1)毒性，(2)放射性， ⑶高成本，⑷在自然界或人造方式下稀缺，以及(5)沒有耐受更高溫度的能力。例如，對于傳統(tǒng)熱電材料，毒性是大問題。用在傳統(tǒng)器件中的碲和例如銻的類似元 素是有毒性的。硅和鍺是沒有毒性、豐富并且廉價(jià)的半導(dǎo)體。然而，硅和鍺并不用在傳統(tǒng)熱 電器件中，因?yàn)樗鼈兊木Ц駸醾鲗?dǎo)率是碲和銻的幾倍。硅和鍺僅在圖2a和圖2b的實(shí)施方 式中工作良好，這是因?yàn)橥ㄟ^真空間隙將晶格熱傳導(dǎo)最小化。并且，為了將熱電器件應(yīng)用在發(fā)電上，非常期望在高溫下操作它們。熱力學(xué)狀態(tài)的 定律是，引擎中的溫度S越高，該引擎的效率就越高。維持高效率發(fā)電機(jī)要求接近于1000K 的非常高的溫度，并且這些溫度通常是在靠煤、燃?xì)饣蚝四芴峁┤剂系陌l(fā)電廠中使用。為了 與現(xiàn)有的發(fā)電廠競爭，熱電器件需要維持同樣的這些溫度。鉍、碲和銻分別具有555K、723K 和904Κ的熔點(diǎn)。由于這些低熔點(diǎn)，傳統(tǒng)熱電器件的工作溫度被限制在500Κ。如果該器件的 熱側(cè)面是500Κ而冷側(cè)面被冷卻到室溫或300Κ，那么理論最大效率是40%，并且其假定了一 個(gè)無限大的ΖΤ。然而，硅和鍺具有1693Κ和1211Κ的熔點(diǎn)，因此可以承受在熱力學(xué)效率方 面與現(xiàn)有的發(fā)電廠競爭所需要的高達(dá)1000Κ的溫度。關(guān)于硅_鍺的熱電性能的細(xì)節(jié)，參見 由 I. Yonenaga 等人所著的 Thermal and electrical properties of Czochralski grown GeSi single crystals (Journal of Physics and Chemical of Solids 2001)。對于關(guān)于 這些材料的表面行為的詳情，參見由H. Choi，J. Bae, D. Soh以及S. HONG所著的“Selective Epitaxial Growth of SiGe on a SOI Substrate by Using Ultra—High—Vacuum Chemical Vapor Deposition，，(Journal of the Korean Physical Society,第 48 卷，第 4 期，2006 年 4 月，第 648-652 頁)以及由 H. Yin 等人所著的 “Strain relaxation of SiGe islands
on compliant oxide，，(Journal of Applied Physics,第 91 卷，第 12 其月，2002 年 6 月 15日)。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是能夠在一溫度范圍上操作。對于傳統(tǒng)熱電器件，Bi2Te3和類 似的材料是在低溫下使用的(較低的晶格熱傳導(dǎo)率，但是較低的熔點(diǎn))，而其他材料如SiGe 是在較高溫度下使用的(較高的晶格熱傳導(dǎo)率但是較高的熔點(diǎn))。由于晶格熱傳導(dǎo)被圖Ia和圖Ib以及圖2a和圖2b所圖示出的真空間隙部分地或全部的消除，因此本發(fā)明允許在完 全溫度范圍上使用諸如SiGe等材料。熱電器件通常是可逆式的，這意味著電流流動通過該器件將會導(dǎo)致致冷，而相反 地，將熱施加在一側(cè)將會產(chǎn)生電壓。本發(fā)明的器件也是可逆式的，并且圖3a和圖3b示出用 于這兩種工作模式中的每一種的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。圖3a示出了用于致冷的優(yōu)選結(jié)構(gòu)，以及圖3b 示出了用于通過熱量發(fā)電的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。在圖3a中，具有厚銅層的彎曲雙金屬電極113是熱側(cè)面。電壓源109通過電線 110將電壓供給到器件的頂部和底部。在該器件的中心，此電壓產(chǎn)生通過熱電材料的電流， 并且當(dāng)假定所采用的熱電材料是η-型時(shí)，此電流將熱從底部電極遷移到頂部電極。不限于 此，通過使施加的電壓109反向，并且采用ρ-型材料，可以得到類似的圖表，不過電流反向 流動，熱量將仍然從底部電極流動到頂部電極。當(dāng)圖3a的器件被關(guān)掉時(shí)，電壓109是零，并在兩個(gè)電極之間存在中心接觸。電流 的流動使熱遷移到頂部電極，從而升高它的溫度。該升高的溫度導(dǎo)致頂部電極變平，其在中 心最終產(chǎn)生間隙，并且頂部電極現(xiàn)在采用角落隔離物用于支撐。中心處的間隙將在尺寸上 增大，直到它達(dá)到一平衡值。如果干擾導(dǎo)致間隙變得大于平衡值，那么由于該間隙斷開了兩 個(gè)電極之間的電路，因此較小電流流動。較小電流意味著較少熱量遷移到上部電極，使得它 的溫度降低，并且朝著底部電極背向彎曲直到平衡重新建立。相反地，如果干擾導(dǎo)致間隙小 于平衡值，那么較大電流流動，使得更多熱量遷移，升高頂部電極的溫度，并使其彎曲遠(yuǎn)離 底部電極直到平衡再次重新建立。通過將活性層103選擇為熱電敏感材料，圖3a的器件可以應(yīng)用到熱電冷卻方法 中，其也被稱為珀耳帖效應(yīng)。不限于此，已知碲化鉍、碲化鉍銻、碲化鉛、硅鍺以及許多其他 材料都呈現(xiàn)熱電效應(yīng)。在將熱電方法應(yīng)用到圖3a的器件的情況下，該間隙可以是無勢壘 的，這意味著電子不必為了橫穿間隙而高于平均能量。熱電材料103的帶隙的量子勢壘已 經(jīng)過濾了能夠使熱遷移的較高能量電子。因而，在這種情況下，在兩個(gè)活性層103之間的納 米間隙僅僅需要中斷晶格熱傳導(dǎo)。通過將活性層103選擇為低功函數(shù)材料，圖3a的器件還 可以應(yīng)用到熱隧穿冷卻方法中。低功函數(shù)材料的實(shí)例是銫、鋇、鍶以及它們的氧化物。層 103可以采用單層、亞單層、多個(gè)單層或沉積膜層的形式。在應(yīng)用到圖3a器件中的熱隧穿方 法的情況下，間隙長度引入僅更高能量的電子可以越過的勢壘。在熱隧穿應(yīng)用中，納米間隙 用作過濾電子的量子勢壘，還用作晶格熱傳導(dǎo)的障礙。在圖3b中的用于發(fā)電的優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，注意到彎曲的、雙金屬電極現(xiàn)在是冷側(cè)面。 來自于熱源111的熱被施加到平板電極。由于在工作期間熱源的溫度可能是變化的，例如 在聚光型太陽能應(yīng)用中，優(yōu)選的是將熱施加到不會將間隙自它的最佳數(shù)值改變的側(cè)面。正 如在熱電器件中所常見的，熱源111在熱電敏感材料中產(chǎn)生溫度梯度，這隨后產(chǎn)生可以通 過配線Iio傳遞到需要電力的電路112中的電壓。當(dāng)在熱源111處沒有施加熱量時(shí)，在兩個(gè)電極之間存在中心接觸。由于熱源是開 啟的，該熱量中一些將流動通過該中心接觸，升高頂部電極113的溫度。升高的溫度導(dǎo)致頂 部電極113變平，因?yàn)轫敳侩姌O隨后被支撐在角落隔離物108上，因此最終在中心產(chǎn)生間 隙。類似于在致冷的情況中，形成平衡間隙。如果干擾導(dǎo)致間隙變得大于平衡值，則因?yàn)檩^ 少熱量橫穿該間隙，因此頂部電極冷卻下來，這導(dǎo)致頂部電極113朝向底部電極彎曲，并且
13重新建立了平衡。如果干擾導(dǎo)致間隙變得小于平衡值，則在中心增大的熱傳導(dǎo)將升高頂部 電極的溫度，從而導(dǎo)致它彎曲遠(yuǎn)離中心，直到平衡間隙被重新建立。通過將活性層材料103選擇為熱電敏感材料，圖3b的器件可以應(yīng)用到熱電發(fā)電效 應(yīng)中，其也可以稱為塞貝克效應(yīng)。同樣，不限于此，先前提到的呈現(xiàn)珀耳帖效應(yīng)的相同材料 也呈現(xiàn)該熱電效應(yīng)。通過將活性層103選擇為低功函數(shù)材料，圖3b的器件還可以應(yīng)用于熱 隧穿發(fā)電。不限于此，對于熱隧穿冷卻有用的相同材料也對熱隧穿發(fā)電有效。通過將下部 的活性層材料103選擇為光發(fā)射性的，并將上部的層103選擇為感光性的，圖3b的器件還 可以應(yīng)用到熱_光伏方法中。光發(fā)射材料響應(yīng)于熱的施加而發(fā)射光子。感光性材料在接收 到光子時(shí)產(chǎn)生電。光子也能夠隧穿跨越真空間隙，如圖3b所圖示的真空間隙，因此在保持 熱隔離的同時(shí)，將熱轉(zhuǎn)換為電。光子隧穿所必需的間隙長度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長。對于可見 光，波長是400至700納米，因此Inm到200nm的間隙長度對于有效的電子隧穿是足夠小 的。不限于此，光發(fā)射材料的實(shí)例是鎢和鈦。同樣，不限于此，感光性材料的實(shí)例包括諸如 硅、鍺、碲、鎘及其組合之類的光伏材料。對于熱_光伏方法的概述，參見由R. DiMatteo等 人所著的 Microri_gap ThermoPhotoVoltaics (MTPV) (Thermophotovoltaic Generation of Electricity, American Institute of Physics,2004)。以前的圖1至圖3示出了用于單一熱電結(jié)的優(yōu)選實(shí)施方式。圖4a到圖4d示出了 如何能夠具有沉積金屬膜層的標(biāo)準(zhǔn)硅基板制造多個(gè)結(jié)，其中使用標(biāo)準(zhǔn)晶片結(jié)合工藝及設(shè)備 將熱和冷側(cè)面真空密封在一起。圖4a示出了如何將頂部基板115與底部基板116接合在一起，而其間設(shè)置有玻璃 框架114。這三個(gè)組件115、116和114還包括真空室的各壁。利用玻璃粉或其他真空密封 粘合劑沿著重疊周界，將頂層115以及底層116各自粘附到玻璃框架114。為了暴露出電連 接120，底部基板116延伸出玻璃框架并超過真空封條。這些電連接使得器件能夠連接到電 源以進(jìn)行致冷，或者連接到電氣負(fù)載以進(jìn)行發(fā)電。圖4d中的底部硅基板116用作熱電疊層 118和203以及關(guān)聯(lián)的互連電路117的載體?，F(xiàn)在注意到，與圖Ia和圖Ib以及圖2a和圖 2b對比，在圖4a和圖4b中的電流不必流動通過硅基板。為了防止硅變得短路，在圖4a和 圖4b的這個(gè)實(shí)施方式中所采用的硅基板是未摻雜的或輕微摻雜的。圖4d的此基板116還 用作真空封裝的底部。圖4c中的頂部硅基板115具有厚金屬墊101。這些墊在高溫下被沉 積或粘附到硅基板115，從而在室溫以及在工作溫度下，在厚金屬101與硅基板115之間存 在由雙金屬應(yīng)力引起的局部曲率。頂部基板還具有熱電疊層，其面對著圖4d中的底部基板 103和118的熱電疊層。在圖4c中，用于頂部基板的該熱電疊層是不可見的。因?yàn)椴ＡЬ?有大大低于硅的熱傳導(dǎo)率，因此圖4b中的玻璃框架114的主要作用是使熱側(cè)面和冷側(cè)面之 間的熱傳導(dǎo)最小化。頂部和底部硅基板的直接面對面的周邊結(jié)合將具有高的熱傳導(dǎo)，從而 降低了性能。圖4b中的玻璃框架114的側(cè)面寬度可被選擇為獲得熱隔離的期望量。圖5a示出了圖4中的器件的剖面圖，包括有關(guān)膜層疊層的細(xì)節(jié)。圖5b中的插圖 是圖5a的放大圖。利用周邊密封劑121將玻璃框架114結(jié)合并真空密封到頂部基板115， 該周邊密封劑121可以是玻璃粉、焊料、壓力粘結(jié)劑或其他合適的材料。類似的周邊密封劑 121將玻璃框架114結(jié)合到底部基板。為了電連接的目的，將墊120暴露在外。吸氣劑122 安置在真空腔中，以在器件壽命周期期間與任何殘留的、逸氣的或泄漏進(jìn)去的氣體進(jìn)行反 應(yīng)，以幫助保持接近于理想真空條件。電連線117將熱電墊彼此連接，以及連接到外部墊。
14當(dāng)在形成間隙時(shí)的操作期間，可選的玻璃柱108用作每一個(gè)熱電疊層的角落隔離物。當(dāng)該 器件被關(guān)掉時(shí)，熱電疊層的中心接觸提供了對抗將頂部與底部電極牽引到一起的真空壓力 的支撐。膜層101是具有高于基板115的熱膨脹系數(shù)的厚膜。因?yàn)橹八枋龅脑?，?膜層101在升高的溫度下沉積或結(jié)合到基板115。銅、鋁、錫以及許多其他金屬和合金均適 用于膜層101。膜層119是其他金屬的薄層，比如鈦、鎢或在厚膜101與基板115之間提供 良好粘著的其他合金。不限于此，其他粘附層是本領(lǐng)域已知的。現(xiàn)在將描述沉積在器件內(nèi)部的膜層。粘附層102在基板115或116與膜層102之 間提供了優(yōu)良的粘著，其具有高的電傳導(dǎo)率。膜層102承載了從一個(gè)熱電疊層到下一個(gè)熱 電疊層以及到外部連接的電流中的大多數(shù)。膜層118是熱電活性層，如前所述，其可以是半 導(dǎo)體、氧化物、或者低功函數(shù)材料、感光性或光發(fā)射性的層。由于低電壓和高電流是熱電結(jié)的特點(diǎn)，因此大多數(shù)熱電器件內(nèi)部串聯(lián)連接到各 結(jié)。通過具有許多串聯(lián)連接的結(jié)，因此可用的供電或負(fù)載電壓可以更好地與各個(gè)結(jié)電壓的 總體相匹配。這些串聯(lián)連接意味著熱必須在P-型結(jié)中隨著電流一起流動，或在η-型結(jié)中 逆著電流流動。對于圖4d的熱電膜層103的優(yōu)選材料，在冷卻結(jié)構(gòu)中，對于η-型疊層是碲化鉍， 對于P-型疊層是碲化鉍銻。圖4d和圖5b中的膜層118顯示了與η-型材料103對比的如 何使用P-型材料的實(shí)例。對于發(fā)電操作，用于膜層103和118的優(yōu)選材料是硅鍺，它們各 自具有不同組分。不限于此，用于膜層103的材料還可以是超晶格熱電材料、量子阱、適當(dāng) 摻雜的半導(dǎo)體或者其他熱電材料。圖6示出了圖4a和圖4b以及圖5a和圖5b的器件的替換實(shí)施方式。玻璃124用 作頂部和底部基板兩者。因?yàn)榕c硅(150瓦特/米-度)相比，玻璃具有低得多的熱傳導(dǎo)率 (1瓦特/米-度)，另一種手段對于將熱從熱電結(jié)傳導(dǎo)到外部是有益的。玻璃基板124中 的金屬插入物123提供了這種手段，并且現(xiàn)在存在從熱電結(jié)到外部的高度熱傳導(dǎo)路徑。通 過使用金屬連線117，金屬插入物123也可選地提供了將熱電結(jié)連接到一起的電路徑。這些 金屬連線可以被設(shè)置在由基板頂部與底部限定的真空腔的內(nèi)部或外部上。如前所述，厚金 屬墊101提供了雙金屬結(jié)構(gòu)，并且產(chǎn)生了彎曲。根據(jù)圖4a和圖4b以及圖5a和圖5b中的 非常相似的圖示，可清楚獲知圖6的器件的各部件和操作的其余部分。圖7示出了采用柔性塑料真空壁127的圖4a和圖4b以及圖5a和圖5b的器件的 另一替換實(shí)施方式。已知類似聚酰亞胺(polyimide)和卡普頓(Kapton)的柔性塑料材料 的逸氣性非常低，因此適宜用于真空環(huán)境。在圖7中，如前所述，采用了硅基板100、可選的 玻璃柱108以及雙金屬結(jié)構(gòu)。聚酰亞胺真空壁127具有電連線117，其使用通孔126和焊 料墊125提供了在熱電疊層之間的連接以及到外部連接的連接，以實(shí)現(xiàn)與配線的簡單電連 接。圍繞周界提供了真空密封125。實(shí)現(xiàn)此周界真空密封的一種方式是放置銅或者類似的 金屬連線128，并采用焊料125作為密封劑。不限于此，還可以應(yīng)用其他密封技術(shù)。已知聚 酰亞胺是多孔的，并且可能需要無孔材質(zhì)的薄層(未示出)，比如金屬膜層或二氧化硅或其 他膜層。圖4至圖7中所示的所有實(shí)施方式均使用柔性材料作為真空壁。對于一些實(shí)施方 式，特別是在苛刻環(huán)境中，可能期望或需要剛性封裝。圖8a和圖8b示出替換實(shí)施方式，其 中真空壁是剛性玻璃基板129。剛性硅基板100通過玻璃中的孔131暴露出，以提供到外
15部的電和熱連接。在制造圖8a和圖8b的器件時(shí)，上部和下部基板129由具有孔131的玻 璃晶片開始。這些基板用作真空腔的頂部和底部，但除了孔131中，在所述孔131中，圍繞 這些孔的周界真空密封該硅基板100。玻璃柵格130被插入到上部與下部基板之間，并且 被真空密封周邊粘合。所述雙金屬結(jié)構(gòu)是通過中間硅小片100與它的厚金屬層101組合實(shí) 現(xiàn)的，并且通過金屬凸塊134與剛性硅小片電連接。柔性熱界面層132被設(shè)置在柔性硅小 片與剛性硅小片之間，從而在撓曲期間在允許順從性的同時(shí)允許熱量流動。不限于此，熱界 面層132可以是石墨?？蛇x的玻璃柱108起到與之前所述相同的作用。在圖8a中的虛線 是切割線，其示出了在何處使用晶片鋸、超聲波鋸、激光燒蝕器或類似的機(jī)器切割出單個(gè)器 件。圖8b示出了一旦切割完畢后的一個(gè)最終封裝件。除去通過通孔131暴露出的金屬之 外，該封裝件的整個(gè)外部均是剛性玻璃。這些金屬被沉積在剛性硅基板上。注意，圖8b的 頂部和底部源自圖8a的頂部與底部硅基板晶片129，并且圖8b的側(cè)墻是在這些相同的玻璃 基板晶片之間插入的玻璃柵格130的一半。根據(jù)在前的討論，以下是品質(zhì)因數(shù)ZT的公式ZT = α 2TAe/ [ρ (κ eAe+ κ ^1)]顯然，相對于聲子隧穿或接觸面積A1更高的電子隧穿面積Ae有益于得到更高的 ΖΤ，并提高器件性能。在圖1至圖8中示出的之前的實(shí)施方式中，面積Ae和A1由雙金屬的 曲率決定，而雙金屬的曲率又是用于基板和厚金屬膜層的材料屬性以及幾何形狀(厚度和 寬度)的函數(shù)。圖9a圖示出了在不改變所使用的材料或電極尺寸的同時(shí)進(jìn)一步減小曲率的 結(jié)構(gòu)。在雙金屬厚膜層135中心區(qū)域的金屬層或者被移除，或者不被沉積，或者在基板136 上沉積小得多的厚度，從而留下位于137處的空隙。最終結(jié)果是器件在中心具有較小曲率， 或等效地，在中心具有更高的曲率半徑。圖9b示出了 Y軸138為曲率半徑以及X軸139為 孔137的半徑的曲線圖。在該曲線圖中的數(shù)值140是使用ANSYS軟件通過計(jì)算機(jī)模擬而生 成的。如通過該曲線圖所表明的，隨著孔直徑的增大，在中心的雙金屬的曲率半徑增大。在 此模擬中，在圖9a中的方形雙金屬結(jié)構(gòu)的橫向尺寸是10毫米。隨著孔半徑向雙金屬的寬 度的一半增大，中心的曲率半徑141無限增大，這表明采用此方法可以實(shí)現(xiàn)非常低的中心 曲率。圖IOa和圖IOb示出了用于實(shí)現(xiàn)被隧穿區(qū)域包圍的局部接觸區(qū)域的其他類似幾何 結(jié)構(gòu)。在圖10a，隧穿區(qū)域是圍繞所接觸的較薄環(huán)孔的環(huán)孔。在圖10b，隧穿區(qū)域是圍繞所 接觸的較薄帶的線狀帶。應(yīng)用圖Ia和圖Ib以及圖2a和圖2b所圖示出的相同原理，可以 存在更多其他類似的幾何結(jié)構(gòu)。圖11圖示出了與圖2a非常相似的裝置，該裝置被構(gòu)造為用以檢驗(yàn)本發(fā)明的原理。 每個(gè)電極為1平方厘米。雙金屬結(jié)構(gòu)由125微米厚的且被焊接到270微米厚的硅小片204 上的黃銅板200組成。角落隔離物208由厚度為60微米的紙制成，并且每一個(gè)角落隔離物 208均由大約1平方毫米的角落接觸面積構(gòu)成。通過重復(fù)地沉積10納米的鉍以及隨后沉積 15納米的碲，直到獲得1微米的總厚度，來形成熱電層。銅膜層202和206為3. 0微米厚， 并且用作電流傳播器，以允許電流傳導(dǎo)通過硅小片204的整個(gè)面積。鈦粘著層203和205 在硅小片204的頂部和底部兩者上均被布置在銅層和硅層之間。在保持在高真空壓力的電 子束蒸發(fā)系統(tǒng)中，利用從純凈元素源的熱蒸發(fā)，按順序沉積在硅小片204上的所有層。在制 造之后，完成的電極在200攝氏度下烘焙大約1小時(shí)，以將Bi2Te3膜層退火。底部電極在制造上與頂部電極相同，僅是如圖11所示的進(jìn)行顛倒放置。圖11所圖示的整個(gè)電極被放置在真空鐘罩中的彈簧式電連接器之間。將來自DC 電源的電壓施加在彈簧式連接器上。伏特計(jì)能夠讀出黃銅板上的電壓值，以及兩個(gè)小的熱 耦合能夠讀出在每一黃銅板上的溫度?？梢詮碾娫瓷系膬x表上讀出流動通過該器件的電流。在實(shí)驗(yàn)期間，所施加的電壓是逐漸增大的，并且在多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)處測量每一電極的 電壓、電流和溫度。隨著供應(yīng)電壓的增大，電流增大，并且器件的電阻導(dǎo)致兩個(gè)電極均升溫。 隨著電極對升溫至大約50攝氏度，納米間隙開始形成。圖12圖示出所形成的納米間隙以及通過納米真空間隙的形成而增強(qiáng)的熱電效 應(yīng)。在圖12中，珀耳帖系數(shù)軸211被表示為相對于平均電極溫度軸212的幾個(gè)讀數(shù)。珀耳 帖系數(shù)與塞貝克系數(shù)成比例。當(dāng)器件升溫到大約57攝氏度時(shí)，開始形成間隙，并且珀耳帖 系數(shù)迅速升高，這提供了本發(fā)明的間隙形成方法具有優(yōu)越性的證據(jù)。圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)213表明 沿著與方形數(shù)據(jù)點(diǎn)214相反的方向的電流。此實(shí)驗(yàn)的ZT被估算為0. 2。在用于這些測量的儀器中所存在的許多局限性阻礙了證實(shí)ZT優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的 1. 04的ZT。膜層沉積工藝中的不均勻化學(xué)計(jì)量法在間隙形成前導(dǎo)致了低劣的珀耳帖和熱 電系數(shù)。對于Bi2Te3W期望的珀耳帖系數(shù)值為大約0.06瓦特/安培。在此實(shí)驗(yàn)中，在不 具有間隙的情況下測得的數(shù)值為大約0. 015瓦特/安培。該較低的測量數(shù)值可能歸因于來 自交替層的不均勻計(jì)量法，因?yàn)殓甓禂?shù)強(qiáng)烈地依賴于對于這種材料的正確的化學(xué)計(jì)量 法。表面粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需要的1納米。焊接到硅小片上的黃銅板的曲率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在半 導(dǎo)體車間中采用熱基板沉積所能獲得的曲率。最后，與優(yōu)選實(shí)施方式中的玻璃隔離物相比， 紙質(zhì)間隔物引入了大的多的熱回流。可以利用半導(dǎo)體工藝，將玻璃間隔物制造成橫向?yàn)?5 微米，而不是在此實(shí)驗(yàn)中采用的紙質(zhì)隔離物的1000微米。在不具有這些局限性的情況下， 能夠預(yù)期將相對于現(xiàn)有技術(shù)的ZT具有明顯提高。為了實(shí)現(xiàn)更高級別的能量轉(zhuǎn)換或者為了使電壓與電源或電負(fù)載相匹配，可以將此 器件的多個(gè)單元并聯(lián)或串聯(lián)連接在一起。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，以上所描述的本器件和方法的實(shí)施方式，特別是“優(yōu)選”實(shí)施方式， 僅是實(shí)施方案的可能實(shí)例，并且僅是為了清楚理解本發(fā)明的原理而提出的。在不脫離本發(fā) 明的精神和范圍的情況下，可以設(shè)計(jì)和/或制造此處所描述的隧穿和自定位電極器件的許 多不同實(shí)施方式。在此，意圖是將所有這些修改方案或變型包含在本公開的范圍內(nèi)，并受到 所附權(quán)利要求的保護(hù)。因此除非在所附權(quán)利要求中表明，否則本發(fā)明的范圍不被限制。
1權(quán)利要求
包括具有對向表面的第一和第二電極或電極組件的器件，其中通過允許電子或光子隧穿的距離，所述電極或電極組件的至少一個(gè)具有一個(gè)與另一電極對向表面彎曲遠(yuǎn)離的電極對向表面。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其中該距離小于1.0納米，以允許從具有高功函數(shù)的表面 發(fā)生無勢壘的電子隧穿。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，其中該距離在1.0與10. 0納米之間，以允許從具有低功 函數(shù)的電極表面發(fā)生電子熱隧穿。
4.如權(quán)利要求1所述的器件，其中該距離在1.0與200納米之間，以允許光子隧穿。
5.如權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的器件，其中將半導(dǎo)體材料沉積在所述電極的對向 表面上。
6.如權(quán)利要求5所述的器件，其中該半導(dǎo)體材料包括熱電材料。
7.如權(quán)利要求6所述的器件，其中該熱電材料由從由碲化鉍、碲化鉍銻、碲化鉛、硅鍺、 鉈、籠形化合物、硫族化合物、或交替層的超晶格所組成的群組中選取的材料形成。
8.如權(quán)利要求3所述的器件，其中該低功函數(shù)表面從由銫、鋇、鍶或這些中任何一種的 氧化物所組成的群組中選取。
9.如權(quán)利要求4所述的器件，其中所述電極的一個(gè)是感光性的，另一個(gè)是光發(fā)射性的。
10.如權(quán)利要求9所述的器件，其中所述感光性材料是光伏材料。
11.如權(quán)利要求9所述的器件，其中所述感光性材料從由硅、鍺、碲、鎘和其組合物或混 合物組成的群組中選取。
12.如權(quán)利要求9所述的器件，其中所述光發(fā)射材料從鎢、鈦和其混合物中選取。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述第一和第二電極的一些部分相 互接觸。
14.如權(quán)利要求13所述的器件，其中所述第一和第二電極形成具有中心的接觸區(qū)域， 一個(gè)或兩個(gè)電極彎曲遠(yuǎn)離該中心區(qū)域。
15.如權(quán)利要求13所述的器件，其中所述第一和第二電極形成圓形接觸區(qū)域，一個(gè)或 兩個(gè)電極在形成圍繞該圓形的環(huán)孔的區(qū)域中彎曲遠(yuǎn)離。
16.如權(quán)利要求13所述的器件，其中第一和第二電極以線的形式形成接觸區(qū)域，一個(gè) 或兩個(gè)電極在圍繞該線的矩形區(qū)域中彎曲遠(yuǎn)離。
17.如權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的器件，其中通過在與計(jì)劃工作溫度不同的溫度 下將具有不同熱膨脹系數(shù)的兩個(gè)層結(jié)合在一起，來形成彎曲表面。
18.如權(quán)利要求17所述的器件，其中一個(gè)層是單晶半導(dǎo)體，另一層是金屬或金屬合金。
19.如權(quán)利要求17所述的器件，其中一個(gè)層是玻璃，另一層是金屬或金屬合金。
20.如權(quán)利要求18所述的器件，其中該半導(dǎo)體從由硅、鍺、碳化硅以及砷化鎵組成的群 組中選取。
21.如權(quán)利要求17所述的器件，包括位于隧穿區(qū)域外部的隔離物，其用于支撐所述兩 個(gè)電極。
22.如權(quán)利要求21所述的器件，其中該隔離物由玻璃形成。
23.如權(quán)利要求21所述的器件，其中當(dāng)達(dá)到一溫度的時(shí)候，所述隔離物支撐所述兩個(gè) 電極，消除所述接觸區(qū)域，但仍保留所述隧穿區(qū)域。
24.如權(quán)利要求23所述的器件，其中所述溫度升高是通過珀耳帖效應(yīng)熱傳遞、電阻、光 子吸收或其組合而導(dǎo)致的。
25.如權(quán)利要求23所述的器件，其中所述溫度升高是通過在消除接觸區(qū)域之前在該接 觸區(qū)域中的熱量傳導(dǎo)而導(dǎo)致的，所述熱量源自于根據(jù)塞貝克效應(yīng)、熱隧穿效應(yīng)或熱-光伏 效應(yīng)來產(chǎn)生電的熱源。
26.多個(gè)如權(quán)利要求1至25中任一項(xiàng)所述的器件，其中一組電極在一公共基板上成層， 并且相應(yīng)的對向電極在另一公共基板上成層。
27.如權(quán)利要求26所述的器件，其在真空封裝中。
28.如權(quán)利要求26所述的器件，包括框架，其中一個(gè)基板被結(jié)合并被密封到該框架的 內(nèi)周界上，而對向基板被結(jié)合并被密封到該框架的外周界上。
29.如權(quán)利要求28所述的器件，其中該框架由低熱傳導(dǎo)率材料形成。
30.如權(quán)利要求29所述的器件，其中該框架材料由玻璃形成。
31.如權(quán)利要求30所述的器件，其中所述玻璃組分在含有的雜質(zhì)方面變動，以使得它 的熱膨脹系數(shù)與基板材料的熱膨脹系數(shù)相匹配。
32.如權(quán)利要求28所述的器件，其中在真空室中進(jìn)行所述結(jié)合和密封，從而當(dāng)從該室 中移出時(shí)，該器件內(nèi)部被抽空。
33.如權(quán)利要求26所述的器件，其中該基板由柔性玻璃形成。
34.
35.如權(quán)利要求33所述的器件，進(jìn)一步包括設(shè)置于或接近于隧穿區(qū)域并具有高熱和電 傳導(dǎo)率的插入物。
36.如權(quán)利要求35所述的器件，其中該插入物具有的熱膨脹系數(shù)基本上與玻璃基板的 熱膨脹系數(shù)匹配。
37.如權(quán)利要求36所述的器件，其中該插入物材料是鎢。
38.如權(quán)利要求27所述的器件，其中該真空封裝是剛性玻璃，其具有將電與熱路徑暴 露出的孔。
39.如權(quán)利要求38所述的器件，進(jìn)一步包括結(jié)合并密封到所述孔的內(nèi)表面周界的硅小 片基板。
40.如權(quán)利要求28所述的器件，其中所述結(jié)合和密封材料是玻璃粉。
41.如權(quán)利要求28所述的器件，其中所述結(jié)合和密封是陽極處理。
42.如權(quán)利要求28所述的器件，其中所述結(jié)合和密封是通過壓縮形成的。
43.如權(quán)利要求27所述的器件，其中所述真空封裝包括真空相容的或者涂覆有無孔真 空相容膜層的彈性的柔性塑料。
44.如權(quán)利要求43所述的器件，其中該塑料包括聚酰亞胺。
45.如權(quán)利要求43所述的器件，其中包括金屬連線，(a)用于將電極電連接到一起，(b) 用于連接到外部電源或電負(fù)載，和/或(c)用作用于真空密封的焊墊，且包括這些的任一組 合的焊接。
46.如權(quán)利要求26所述的器件，包括吸氣劑。
47.如權(quán)利要求46所述的器件，其中該吸氣劑從由鈦、銫、鋇、鉀、鈉和其中兩種或更多 種的組合物所組成的群組中選取。
48.用于將熱轉(zhuǎn)換為電能的方法，包括使權(quán)利要求1至25中任一項(xiàng)所述的器件承受溫差。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其中熱源從輻射源、來自于環(huán)境的熱量、地?zé)崮?、以?由引擎或動物新陳代謝生成的熱量中選取。
50.如權(quán)利要求48所述的方法，其中所述熱源是有生命的人體。
51.如權(quán)利要求48所述的方法，其中所述熱源是有生命的人體，并且該器件是手持器件。
52.如權(quán)利要求48所述的方法，其中所述熱源選自于電、蒸汽或內(nèi)燃引擎、燃燒的燃料 或它們的廢氣。
53.如權(quán)利要求48所述的方法，其中所述熱源選自于內(nèi)燃引擎或它的廢氣，并且該器 件作為散熱器被并入到引擎或排氣線路中。
54.如權(quán)利要求48所述的方法，在自然溫度下操作。
55.如權(quán)利要求48所述的方法，其中該器件在致冷器、空調(diào)設(shè)備、冷卻墊層、冷卻罩或 者接觸到或包括在人類或動物身體中的冷卻裝置。
56.包括權(quán)利要求1至25中任一項(xiàng)所述的器件的多個(gè)單元的裝置，其中所述電極被布 置在具有周期性間隔的多個(gè)層中。
57.包括權(quán)利要求1至25中任一項(xiàng)所述的器件的多個(gè)單元的裝置，其被串聯(lián)組裝。
58.包括權(quán)利要求1至25中任一項(xiàng)所述的器件的多個(gè)單元的裝置，其被并聯(lián)組裝。
全文摘要
公開了在隧穿、熱隧穿、二極管、熱電子、熱電、熱-光伏及其他器件中的電極之間保持納米間距的改良設(shè)計(jì)。至少一個(gè)電極具有彎曲形狀。與現(xiàn)有技術(shù)相比，所有的實(shí)施方式均降低了兩個(gè)電極之間的熱傳導(dǎo)。一些實(shí)施方式提供了圍繞小接觸區(qū)域的大隧穿區(qū)域。另一些實(shí)施方式將接觸區(qū)域完全去除。最終結(jié)果是一電子器件，該電子器件具有兩個(gè)間隔緊密的處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)的平行電極，以簡單的結(jié)構(gòu)在大面積上具有彼此之間的納米間隙，以實(shí)現(xiàn)簡單的工藝性，并用于將熱轉(zhuǎn)換為電，或由電轉(zhuǎn)換為冷卻。
文檔編號G01R31/302GK101939661SQ200980104239
公開日2011年1月5日 申請日期2009年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月15日
發(fā)明者塔雷克·馬坎斯 申請人:坦普羅尼克斯公司