CN110277292B - 一种中低温真空热电转换器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中低温真空热电转换器件及其制备方法，所述中低温真空热电转换器件包括阴极结构和阳极结构；所述阴极结构包括依次层叠设置的阴极基板、底栅电极、介电薄膜和阴极电极，所述介电薄膜的厚度为0.5～10nm，所述底栅电极与阴极电极之间施加栅极电压；所述阳极结构包括层叠设置的阳极电极和阳极基板。本发明提供的中低温真空热电转换器件的阴极结构基于金属‑绝缘体‑金属(MIM)结构，不需要额外的光源，能够在中低温下获得更大的热发射电流，实现高输出功率的真空热电转换，而且结构简单，容易制备。另外，基于二维原子晶体的MIM阴极中的隧穿电子是直接隧穿的，电子因散射损失的能量较少，具有更高的电子发射效率。

Description

一种中低温真空热电转换器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及热电转换器件技术领域，更具体地，涉及一种中低温真空热电转 换器件及其制备方法。
背景技术
能源危机是二十一世纪人类社会发展面临的一个重要议题。废热利用是解决 该问题的一种重要途径。热电转换器件能够利用废热产生电能，有利于缓解能源 危机。与固态热电器件相比，真空热电器件由于不存在热传导，因此在热电转换 效率上有明显优势。
然而，由于传统的真空热电器件是基于阴极的热电子发射来工作的，而热电 子发射一般所需要的温度较高，因此，该器件仅能在高温环境下形成有效的输出 功率。要扩大真空热电器件的应用范围，需要降低其工作温度。一般来说，通过 降低阴极的表面功函数能够降低热发射温度。但是，目前已知的低功函数阴极材 料仍不能满足条件(六硼化镧是目前已知的稳定的低功函数材料，其热发射温度 仍大于1000K)。另一个方法则是采用光增强热电子发射来增加阴极在低温下热 发射电流。然而，该方法需要额外的光源，不适用于没有光源的应用场合。
因此，需要研发出工作温度较低且不需要额外光源的真空热电转换器件。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的工作温度较高或者需要额外光源来增加 阴极在低温下发射电流的缺陷，提供一种中低温真空热电转换器件，提供的中低 温真空热电转换器件的阴极结构基于金属-绝缘体-金属结构，不需要额外的光源， 能够在中低温下获得更大的热发射电流，实现高输出功率的真空热电转换，而且 结构简单，容易制备。
本发明的另一目的在于提供上述中低温真空热电转换器件的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种中低温真空热电转换器件，包括阴极结构和阳极结构；
所述阴极结构包括依次层叠设置的阴极基板、底栅电极、介电薄膜和阴极电 极，所述介电薄膜的厚度为0.5～10nm，所述底栅电极与阴极电极之间施加栅极 电压；
所述阳极结构包括层叠设置的阳极电极和阳极基板；
所述阳极结构位于所述阴极结构的阴极电极一侧；所述阴极结构位于所述阳 极结构的阳极电极一侧。
所述底栅电极、介电薄膜和阴极电极组成金属-绝缘体-金属结构，简称为 MIM结构。
工作原理：本发明的中低温真空热电转换器件工作时，将阴极结构置于热端， 将阳极结构置于冷端，并且在阴极结构的底栅电极与阴极电极之间施加一定负电 压作为栅极电压。本发明第一次将MIM结构用于热电转换器件中。本发明的中 低温真空热电转换器件利用阴极基板上的MIM结构来产生高能量的场致热电子， 从而在中低温下获得增强的热发射电流，提高热电输出功率。更多的热发射电子 能够从热源吸收更多的能量，使得该器件结构能够在中低温下实现高输出功率的 真空热电转换。
综上，上述中低温真空热电转换器件的阴极结构基于金属-绝缘体-金属结构， 不需要额外的光源，能够在中低温下获得更大的热发射电流，实现高输出功率的 真空热电转换，而且结构简单，容易制备。
优选地，所述介电薄膜由氮化硼、氮化硅、二氧化硅、氧化铝或二氧化铪中 的一种或两种以上构成。
更优选地，所述介电薄膜由六方氮化硼构成。
优选地，所述介电薄膜的厚度为5nm。
优选地，所述阴极基板为绝缘基板。
优选地，所述阴极基板由玻璃、陶瓷、表面镀有绝缘层的硅片、金属钼或金 属钨中的一种或两种以上构成。
优选地，所述底栅电极由石墨烯和/或第一金属材料构成；所述第一金属材 料为铬、铜、钨或钼中的一种或两种以上的组合。
优选地，所述底栅电极厚度为100nm以下。
优选地，所述阴极电极由石墨烯和/或第二金属材料构成；所述第二金属材 料为金、铜、钨或铬中的一种或两种以上的组合。
更优选地，所述阴极电极由石墨烯构成。
优选地，所述阴极电极的厚度为10nm以下。
更优选地，所述阴极电极的厚度为单原子层厚度。
上述采用MIM结构的阴极可以称为MIM阴极。
要实现上述中低温真空热电转换器件的可持续使用，其热电输出功率需要大 于MIM阴极的驱动功率。因此，MIM阴极中的隧穿电子需要直接隧穿过介电薄 膜和阴极电极。考虑到电子能在二维原子晶体中弹道输运，要实现上述直接隧穿 的MIM阴极，介电薄膜可优选地采用六方氮化硼等二维原子晶体来构成，阴极 电极可优选地采用石墨烯等二维原子晶体来构成。
基于二维原子晶体的MIM阴极中的隧穿电子是直接隧穿的，电子因散射损 失的能量较少，因此具有更高的电子发射效率。
因此，优选地，所述介电薄膜由六方氮化硼构成，所述阴极电极由石墨烯构 成。
优选地，所述阳极基板由玻璃、陶瓷、硅片或金属板中的一种或两种以上构 成。
优选地，所述金属板为铜、不锈钢或钨中的一种或两种以上的组合。
所述阳极电极可以为低功函数材料。优选地，所述阳极电极为石墨烯和/或 六硼化镧。
本发明同时保护上述中低温真空热电转换器件的制备方法，所述制备方法包 括如下步骤：
S1.准备阴极基板和阳极基板；
S2.在所述阴极基板上制备底栅电极；
S3.在所述底栅电极上制备介电薄膜；
S4.在所述介电薄膜上制备阴极电极；
S5.在所述阳极基板上制备阳极电极。
具体制备方法均为现有技术，可由本领域技术人员根据现有技术进行常规选 择得到。
优选地，步骤S1.包括清洗阴极基板和阳极基板的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的中低温真空热电转换器件的阴极结构基于金属-绝缘体-金属 结构，不需要额外的光源，能够在中低温下获得更大的热发射电流，实现高输出 功率的真空热电转换，而且结构简单，容易制备。
另外，介电薄膜由六方氮化硼构成、阴极电极由石墨烯构成时，得到基于二 维原子晶体的MIM阴极，基于二维原子晶体的MIM阴极中的隧穿电子是直接 隧穿的，电子因散射损失的能量较少，具有更高的电子发射效率。
附图说明
图1为本发明的中低温真空热电转换器件的结构示意图。其中，图1(a) 为阴极结构和阳极结构的主视图，图1(b)为阴极结构和阳极结构的左视图。 图中“旋转90度”是指，器件沿水平方向旋转90°后，视图由图1(a)转变为 图1(b)。
图2为传统真空热电转换器件示意图。图2依据现有技术文献(Khalid K AA,Leong T J,Mohamed K.Review on Thermionic Energy Converters[J].IEEETransactions on Electron Devices,2016,63(6):2231-2241.)得到。
图3为本发明实施例2的中低温真空热电转换器件的制备方法的示意图。其 中，图3(b)和图3(c)表示同一结构的不同视图，图3(b)为主视图，图3 (c)为左视图。图中“旋转90度”是指，器件沿水平方向旋转90°后，视图 由图3(b)转变为图3(c)。
图4为本发明的中低温真空热电器件与传统真空热电器件在不同阴极温度 下的最大热电转换效率和最大输出功率密度的模拟计算结果。其中，实线和虚线 分别代表本发明和传统器件的结果。
图5为本发明的中低温真空热电器件在不同MIM阴极能带结构下的最大热 电转换效率和输出功率密度的模拟计算结果。其中，图5(a)为最大热电转换 效率；图5(b)为最大输出功率密度。
图1～3中，1为阴极基板，2为底栅电极，3为介电薄膜，4为阴极电极，5 为阳极基板，6为阳极电极。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明 的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、 “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是 为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有 特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于 示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，主要是用于区分不同 的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于 表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量，而不能理解为指 示或者暗示相对重要性。
实施例中的原料均可通过市售得到；
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方 法和设备。
实施例1
一种中低温真空热电转换器件，如图1所示，包括阴极结构和阳极结构。阴 极结构包括依次层叠设置的阴极基板1、底栅电极2、介电薄膜3和阴极电极4。 底栅电极2与阴极电极4之间施加栅极电压。阳极结构包括层叠设置的阳极电极 6和阳极基板5。阳极结构位于阴极结构的阴极电极4一侧；阴极结构位于阳极 结构的阳极电极6一侧。
图2给出了传统真空热电转换器件的结构示意图。其基本结构包括阴极基板 1、阴极电极4、阳极基板5及阳极电极6。
图1和图2两种器件正常工作时，其阴极基板和阳极基板需分别置于热端和 冷端，阴极与阳极之间输出功率。不同于传统真空热电器件，本发明的中低温真 空热电转换器件需要在底栅电极与阴极电极之间施加一定负电压以产生高能场 致热电子。
(1)基于图1的中低温真空热电转换器件与图2的传统真空热电转换器件 的最大热电转换效率和最大输出功率密度的模拟计算结果比较。
模拟计算在MATLAB中进行。在计算程序中，传统真空热电转换效率η0和 输出功率密度P0通过以下公式来获得，
Figure BDA0002053598210000051
P0＝(Jc-Ja)(Φc-Φa)/e
其中，Jc和Ja为阴极和阳极的热发射电流密度，Tc和Ta为阴极和阳极温度，Φc和Φa为阴极和阳极的表面功函数，e为电子电量，k为波尔兹曼常数。
由于本发明的基于MIM阴极的真空热电器件需要额外输入电能以驱动MIM 阴极，因此其热电转换效率ηFTEC和输出功率密度PFTEC通过以下公式来获得，
Figure BDA0002053598210000061
PFTEC＝(JFTE-Ja)(Φc-Φa)/e-JTFNV0
其中，JFTE为MIM阴极的热发射电流密度，V0为MIM阴极的驱动电压，JTFN为驱动MIM阴极的隧穿电流密度，JTFNV0为MIM阴极的驱动功率密度。
考虑到JTFN与MIM阴极中的介电薄膜厚度t，栅极和介电薄膜的接触势垒 Φ0以及驱动电压V0有关，其计算公式可表示为，
Figure BDA0002053598210000062
其中，F＝V0/εrt为介电薄膜中的电场强度，εr为介电薄膜的相对介电常数，m 为电子有效质量，h为普朗克常数。
另一方面，只有当阴极中的电子能量大于其表面势垒时，才能产生电流密度 JFTE，因此，
Figure BDA0002053598210000063
其中，真空能级设为零，N(E)为电子在阴极的能量分布。考虑MIM阴极中的电 子能直接隧穿到真空，N(E)＝jTFN(E-eV0-Φ0+Φc)，而jTFN为JTFN的电子能 量分布。
设定图1器件中的介电薄膜为5nm厚的六方氮化硼，底栅电极与二氧化硅 的接触势垒Φ0为1.5eV，阳极所处冷端的温度为300K，数值计算了栅极电压、 阴极和阳极功函数分别在0到-10V、2.5到5.5eV和0到5.5eV的范围内，该器 件的热电转换效率和输出功率密度的最大极值随阴极温度(600到1200K)的变 化情况。需要指出的是热电转换效率与输出功率密度的最大极值点能够在相同条 件下同时获得。图4中的实线和虚线分别代表本发明器件与传统器件在不同阴极 功函数下的最大热电转换效率和输出功率密度的模拟结果。可以看到，与传统真 空热电转换器件相比，本发明的中低温真空热电器件在转换效率上虽然有超过一 半以上的下降，但是该器件能够产生高于十个数量级以上的输出功率密度。该增 强作用在低温下更为显著。因此，本发明提出的基于直接隧穿型MIM阴极的真 空热电转换器件能够在中低温下实现有效的真空热电转换。
(2)基于图1的中低温真空热电转换器件的最大热电转换效率和输出功率 密度与MIM阴极的能带结构关系的模拟计算结果。
采用与图4相同的计算程序，把阴极温度固定为700K，阳极温度固定为300 K，数值计算了不同厚度六方氮化硼薄膜及不同MIM阴极接触势垒对器件最大 热电转换效率和输出功率密度的关系。图5a和图5b分别对应转换效率和输出功 率密度的结果。可以看到随着六方氮化硼厚度及其与底栅接触势垒的增加，最大 热电转换效率增加，而输出功率密度则下降。以一台四缸汽车中的废热利用为例， 要获得1kW以上的输出功率，需要热电器件的输出功率密度大于12500W/m2。 通过对MIM阴极进行合适的能带设计，当六方氮化硼厚度为9nm，接触势垒为 1.25eV，阴极功函数为2.5eV，阳极功函数为0.5eV，栅极电压为-1.5V时，该 器件能够在输出功率密度为14000W/m2的情况下，获得17％的热电转换效率(阴 极温度：700K；阳极温度：300K)。
实施例2
一种中低温真空热电转换器件的制备方法，如图3所示，首先准备一表面生 长有二氧化硅的硅片作为阴极基板1(图3a)；然后在其上沉积钼薄膜作为底栅 电极2(图3b和图3c)；接着在底栅电极上制备5nm厚的六方氮化硼介电薄膜 3(图3d)；最后在介电薄膜上制备石墨烯阴极电极4(图3e)。在阴极制备中需 保证在垂直方向上，石墨烯电极存在与底栅电极没有重叠的区域以用于引线。
本发明中基于其它新型低维纳米材料的MIM阴极的制作可按照实施例2的 基本步骤进行。
需要特别指出的是，图1中的中低温真空热电转换器件结构并不仅仅局限于 图中所示的单个结构，还可以在多个结构之间串联应用以提高输出电压。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进 等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中低温真空热电转换器件，其特征在于，包括阴极结构和阳极结构；
所述阴极结构包括依次层叠设置的阴极基板(1)、底栅电极(2)、介电薄膜(3)和阴极电极(4)，所述介电薄膜(3)的厚度为0.5～10nm，所述底栅电极(2)与阴极电极(4)之间施加栅极电压，电压方向为由阴极电极到底栅电极；
所述阳极结构包括层叠设置的阳极电极(6)和阳极基板(5)；
所述阳极结构位于所述阴极结构的阴极电极(4)一侧；所述阴极结构位于所述阳极结构的阳极电极(6)一侧。
2.根据权利要求1所述的中低温真空热电转换器件，其特征在于，所述介电薄膜(3)由氮化硼、氮化硅、二氧化硅、氧化铝或二氧化铪中的一种或两种以上构成。
3.根据权利要求2所述的中低温真空热电转换器件，其特征在于，所述介电薄膜(3)由六方氮化硼构成。
4.根据权利要求1～3任一项所述的中低温真空热电转换器件，其特征在于，所述介电薄膜(3)的厚度为5nm。
5.根据权利要求1所述的中低温真空热电转换器件，其特征在于，所述阴极基板(1)由玻璃、陶瓷或表面镀有绝缘层的硅片、金属钼、金属钨中的一种或两种以上构成。
6.根据权利要求1所述的中低温真空热电转换器件，其特征在于，所述底栅电极(2)由石墨烯和/或第一金属材料构成；所述第一金属材料为铬、铜、钨或钼中的一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求1所述的中低温真空热电转换器件，其特征在于，所述阴极电极(4)由石墨烯和/或第二金属材料构成；所述第二金属材料为金、铜、钨或铬中的一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求1所述的中低温真空热电转换器件，其特征在于，所述阳极基板(5)由玻璃、陶瓷、硅片或金属板中的一种或两种以上构成。
9.根据权利要求1所述的中低温真空热电转换器件，其特征在于，所述阳极电极(6)为石墨烯和/或六硼化镧。
10.权利要求1～9任一项所述中低温真空热电转换器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.准备阴极基板和阳极基板；
S2.在所述阴极基板上制备底栅电极；
S3.在所述底栅电极上制备介电薄膜；
S4.在所述介电薄膜上制备阴极电极；
S5.在所述阳极基板上制备阳极电极。
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