TWI499101B - 熱電轉換結構及使用其之散熱結構 - Google Patents

熱電轉換結構及使用其之散熱結構 Download PDF

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Description

熱電轉換結構及使用其之散熱結構
本提案係關於一種散熱結構，尤其是一種使用熱電轉換結構之散熱結構。
目前散熱的技術中，大多有利用風扇及熱管等方式進行散熱者。然而，上述方法皆只能讓所要散熱的物體維持在室溫或是室溫之上的溫度，無法將其溫度降至室溫以下。
因此，有業者利用帕耳帖效應，製造出能夠主動將熱引導至特定方向的主動式致冷元件。如此致冷元件之原理，是在二種不同的金屬材料接合成的線路上通以直流電，其中一介面端會放熱而另一介面端則會吸熱。由於是藉由電流或電子流主動移動熱量，而使得吸熱端材料所降低的溫度能夠低於室溫。其熱通量為Q=Π I。Π為帕耳帖係數，I為外加電流。將電子元件放置於吸熱端材料附近，能夠使電子元件的熱被帶走。由於此種致冷元件具有安靜、不需要動件以及可靠度高的特性，且製程可與積體電路整合，而適合應用在電子及光電元件的冷卻。此外，還有業者將此致冷元件應用於迷你冰箱、迷你保溫杯及迷你除濕機內的冷凝結構中。
然而，由於致冷元件是由數個熱電單元在電性上串聯、熱性上並聯而成，因此金屬以及熱電單元之介面會存在電阻以及熱阻。當熱電單元之厚度降低時，此介面阻抗對致冷元件的惡化將 更顯著。介面電阻將造成焦耳熱，而熱阻將使得熱回流的現象加劇，均導致熱電致冷能力降低。
有鑑於上述問題，本提案提供一種熱電轉換結構及使用其之散熱結構，藉由導電阻熱層阻隔聲子，但電子仍得以穿隧，並藉由導電散熱層迅速帶走熱量，以避免熱回流，進而增進熱電轉換結構及使用其之散熱結構之散熱效率。
本提案提供一種熱電轉換結構，包括一熱電轉換單元、一第一電極、一導電阻熱層、一第二電極及一導電散熱層。熱電轉換單元具有相對的一第一端及一第二端。第一電極設置於熱電轉換單元之第一端。導電阻熱層設置於熱電轉換單元及第一電極之間。電子能穿隧導電阻熱層，但聲子會被導電阻熱層阻隔。第二電極設置於熱電轉換單元之第二端。導電散熱層設置於熱電轉換單元及第二電極之間。導電散熱層能迅速帶走介面的熱，以避免熱回流。
本提案還提供一種散熱結構，包括彼此相鄰排列的至少一第一熱電轉換單元及至少一第二熱電轉換單元、至少第一電極、一第二電極、多個導電阻熱層及多個導電散熱層。第一熱電轉換單元具有相對的一第一吸熱端及一第一放熱端。第二熱電轉換單元具有相對的一第二吸熱端及一第二放熱端。第一電極銜接第一吸熱端及第二吸熱端。第二電極銜接第一放熱端及第二放熱端。多個導電阻熱層分別設置於第一熱電轉換單元與第一電極之間，以 及設置於第二熱電轉換單元與第一電極之間。導電散熱層分別設置於第一熱電轉換單元與第二電極之間，以及設置於第二熱電轉換單元與第二電極之間。
根據本提案之熱電轉換結構及散熱結構，因電子仍能穿隧導電阻熱層，維持熱電轉換結構及散熱結構之導電率。且能藉由導電阻熱層使聲子在介面因材料不匹配，產生散射機制，降低整體熱傳導率。同時藉由導電散熱層使到達熱電轉換單元與導電散熱層介面的熱可以迅速傳導至第二電極，避免熱經由熱電轉換單元回流至第一電極。藉此，使得第一電極的溫度能夠降得更多且更快。
以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本提案之精神與原理，並且提供本提案之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本提案之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本提案之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本提案相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本提案之觀點，但非以任何觀點限制本提案之範疇。
請參照第1圖，繪示本提案之實施例之熱電轉換結構10之剖視圖。本提案之熱電轉換結構10，包括一熱電轉換單元11、一第 一電極12及一導電阻熱層13。熱電轉換結構10還包括一第二電極14、一導電散熱層15。第一電極12設置於熱電轉換單元11之一第一端111。導電阻熱層13設置於熱電轉換單元11及第一電極12之間。電子及電洞之載子能穿隧導電阻熱層13，但聲子會被導電阻熱層13阻隔。其中，由於導電阻熱層13足以使載子(電子及電洞)穿隧導電阻熱層13，因此不會影響電子及電洞的傳導。導電阻熱層13之厚度小於或與聲子平均自由路徑(phonon mean free path)相近時，會產生尺寸效應，由於兩種材料界面不匹配(mismatch)而能造成聲子在邊界發生碰撞散射的行為更加明顯，可降低導電阻熱層13之等效熱傳導率(effective thermal conductivity)，並降低熱電轉換結構10之整體的熱傳導率。
於本實施例中，第二電極14設置於熱電轉換單元11之相對於第一端111之一第二端112。導電散熱層15設置於熱電轉換單元11及第二電極14之間。導電散熱層15能使電子傳導及聲子穿透。其中，第一電極12接觸一熱源16，第二電極14接觸一散熱件17。因此，第一端111能為吸熱端，第二端112能為放熱端。
於本實施例中，熱電轉換單元11能例如以N型半導體或P型半導體構成。第一電極12及第二電極14能分別選自鉑、金、鎳、鈀、銅、鋁、銀、鈦、鉭、鎢、鉬、鉻、鈷、鐵、鋯、鉿、釩、銥、鉑合金、金合金、鎳合金、鈀合金、銅合金、鋁合金、銀合金、鈦合金、鉭合金、鎢合金、鉬合金、鉻合金、鈷合金、鐵合金、鋯合金、鉿合金、釩合金、銥合金及其組合所構成之群組之 其中之一，但不限於此。第一電極12及第二電極14之製造方法包含物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)、化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)、原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)及電鍍法，但並不限於上述方法。
於本實施例中，導電散熱層15之厚度能小於100 nm。導電散熱層15能選自石墨烯、奈米碳管、奈米線及其組合所構成之群組之其中之一，但不限於此。更甚者，導電散熱層15能以單層的石墨烯構成。導電散熱層15的製造方式能利用化學氣相沉積法，機械剝離法、磊晶成長法或氧化石墨烯化學還原法，但不限於此。
於本實施例中，導電阻熱層13之厚度為電子可穿隧導電阻熱層13之厚度，因此不影響熱電轉換結構10的導電性。此外，導電阻熱層13之厚度小於或與聲子的平均自由路徑相近，以使得聲子在導電阻熱層13產生邊界散射，降低整體熱傳導率。導電阻熱層13能利用原子層沉積、化學氣相沉積法或物理氣相沉積法成長，但並不限於上述方法。
請參照第2A圖，繪示第1圖之導電阻熱層13之剖視圖。於本實施例中，導電阻熱層13之結構包括一第一子層131，但不限定於此。第一子層131的材質能選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構成之群組之其中之一。第一子層131之厚度能夠小於10 nm。
於其他實施例中，導電阻熱層能包括多個子層，此些子層能以相異或相同之材質堆疊構成。請參照第2B圖，繪示本提案之另 一實施例之導電阻熱層之剖視圖。導電阻熱層13b之結構包括一第一子層131及一第二子層132，但不限定於此。第一子層131的材質能選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構成之群組之其中之一。第一子層131之厚度能夠小於10 nm。第二子層132的材質選自金屬矽化物、金屬氮化物、金屬氮矽化物、金屬碳化物、金屬碳矽化物、非晶形合金及其組合所構成之群組之其中之一。第二子層132之厚度能夠小於100 nm。舉例而言，導電阻熱層13b之結構中，第一子層131的材質能為氧化物，第二子層132的材質能為金屬氮化物，但不限於此。
請參照第2C圖，繪示本提案之另一實施例之導電阻熱層之剖視圖。導電阻熱層13c之結構包括一第一子層131及一第一子層131’，但不限定於此。第一子層131、131’的材質能各自選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構成之群組之其中之一。第一子層131及第一子層131’之各自的材質能夠相異。第一子層131、131’之總厚度能夠小於10 nm。舉例而言，導電阻熱層13c之結構中，第一子層131的材質能為氧化物，第一子層131’的材質能為氮化物，但不限於此。
請參照第2D圖，繪示本提案之另一實施例之導電阻熱層之剖視圖。導電阻熱層13d之結構包括一第一子層131、一第二子層132及一第一子層131’，但不限定於此。第一子層131、131’的材 質能各自選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構成之群組之其中之一。第一子層131及第一子層131’之各自的材質能夠相異。第一子層131、131’之各自的厚度能夠小於10 nm。第二子層132的材質選自金屬矽化物、金屬氮化物、金屬氮矽化物、金屬碳化物、金屬碳矽化物、非晶形合金及其組合所構成之群組之其中之一。第二子層132之厚度能夠小於100 nm。舉例而言，導電阻熱層13d之結構中，第一子層131的材質能為氧化物，第二子層132的材質能為金屬矽化物。第一子層131’的材質能為氮化物，但不限於此。
請參照第3圖，繪示第1圖之熱電轉換結構有無外加導電阻熱層之電流-電壓曲線圖(I-V)。此實驗係比較不同的熱電轉換結構的導電性。其中第一熱電轉換結構具有第1圖中之第一電極12、導電阻熱層13、熱電轉換單元11及第二電極14。第二熱電轉換結構僅具有第1圖中之第一電極12、熱電轉換單元11及第二電極14。此實驗中之第一電極12以鎳製成，導電阻熱層13以2 nm厚的二氧化矽(SiO2 )製成，熱電轉換單元11以360 nm厚的碲化鉛(PbTe)製成，第二電極14以100 nm厚的氮化鉭(TaN)製成。但此實驗中不設置導電散熱層15。於第一電極12及第二電極14外加一電壓，測試第一及第二熱電轉換結構在施加不同電壓時所流經之電流大小。第3圖中，實線L1代表具有導電阻熱層13之第一熱電轉換結構的實驗結果，虛線L2代表省略設置導電阻熱層13之第二熱電轉換結構的實驗結果。二者的曲線幾乎重合，表 示熱電轉換結構10即使設置了導電阻熱層13，對導電性的影響並不大。
熱電轉換結構的熱電轉換效率和熱電優值ZT(figure of merit)相關，ZT可表示為，ZT=(S2 σ/κ)T，其中κ為熱傳導率，σ為導電率、T為絕對溫度、S為席貝克(Seebeck)係數。因此，席貝克係數及導電率愈高，熱傳導率愈低，則轉換效率愈佳。在聲子散射而使得聲子傳遞速度減慢的情況下，熱傳導率能夠下降，使得熱電優值ZT可上升。因此，本提案能藉由導電阻熱層13而維持導電性以及降低熱傳導率，故可提升熱電優值ZT。
導電阻熱層13的熱傳導率，以及熱電轉換單元11和導電阻熱層13之厚度比值，兩者與整體熱傳導率的關係，將以下列舉例說明。請參照第4A圖，繪示熱電轉換單元11、導電阻熱層13及整體之熱傳導率的關係圖。以碲化鉍為基底(BiTe-based)熱電材料為例。於碲化鉍為基底熱電材料所製成的熱電轉換單元11的厚度為1 μm時，熱電轉換單元11的熱傳導率k2大約為1 W/mK。故在只有熱電轉換單元11而無導電阻熱層13時，整體熱傳導率k0為1 W/mK。當導電阻熱層13的厚度為奈米尺度時，導電阻熱層13的厚度愈薄，導電阻熱層13之熱傳導率k1隨之下降。將導電阻熱層13的厚度降低至1 nm時，導電阻熱層13的熱傳導率k1約為0.01 W/mK。於第4A圖中，將導電阻熱層13設置於熱電轉換單元11時，理想上可使熱電轉換結構整體的熱傳導率k0從只有熱電轉換單元11時的1 W/mK降低至0.91 W/mK。因此，導電 阻熱層13的設置能夠使整體的熱傳導率k0下降。與未設置導電阻熱層13的熱電轉換結構相比，設置了導電阻熱層13的熱電轉換結構能具有較低的熱傳導率。當導電阻熱層13之厚度為電子可穿隧的厚度時，導電阻熱層13不會影響熱電轉換結構的導電性。因此，在不影響導電率的情況下，設置導電阻熱層13能提升熱電優值ZT。
請參照第4B圖，繪示熱電轉換單元及導電阻熱層之厚度比值與整體之熱傳導率的關係圖。厚度X2為熱電轉換單元之厚度，厚度X1為導電阻熱層之厚度。熱電轉換單元之厚度X2及導電阻熱層之厚度X1的比值能為100至10000之範圍。當熱電轉換單元之厚度X2及導電阻熱層之厚度X1的比值由10000降低至1000甚至降低至100時，熱電轉換結構整體的熱傳導率k0可以再降低。當導電阻熱層之厚度為電子可穿隧的厚度時，導電阻熱層不會影響熱電轉換結構的導電性。在設置有熱電轉換單元及導電阻熱層時，又能比單獨僅有熱電轉換單元時具有更低的熱傳導率。更甚者，若是再降低熱電轉換單元及導電阻熱層之厚度比值，更能降低熱傳導率。因此，本提案能藉由維持導電性以及降低熱傳導率，而提升熱電優值ZT。
舉例而言，於本實施例中，熱電轉換單元11例如以N型半導體所構成。於第一電極12及第二電極14施加偏壓，而使第一電極12之電位低於第二電極14之電位。電子流會從第一電極12移動至熱電轉換單元11，再移動至第二電極14。電子從第一電極12 移動至熱電轉換單元11時，能把第一電極12的熱一併移動至熱電轉換單元11。電子從熱電轉換單元11移動至第二電極14時，能把熱電轉換單元11的熱一併移動至第二電極14。藉此，熱源16之熱，能夠藉由電子的移動，從第一電極12移動至熱電轉換單元11，再移動至第二電極14，最後從散熱件17逸散。
其中，由電子攜帶而移動至熱電轉換單元11與導電散熱層15介面之熱量，會經由高熱傳導率(大於300 W/mK)之導電散熱層15，而在導電散熱層15之水平方向迅速傳遞。且聲子能夠穿透導電散熱層15至第二電極14，而可避免聲子因溫差的驅動力回流至熱電轉換單元11。即使部分的聲子回流至熱電轉換單元11與導電阻熱層13之介面，由於導電阻熱層13之低熱傳導率(小於0.1 W/mK)造成熱電轉換結構10之整體的熱傳導率降低，故可減少聲子回流至第一電極12。
另外，再舉例而言，於本實施例中，熱電轉換單元11例如以P型半導體所構成。於第一電極12及第二電極14施加偏壓，而使第一電極12之電位高於第二電極14之電位。電流會從第一電極12移動至熱電轉換單元11，再移動至第二電極14。電洞從第一電極12移動至熱電轉換單元11時，能把第一電極12的熱一併移動至熱電轉換單元11。電洞從熱電轉換單元11移動至第二電極14時，能把熱電轉換單元11的熱一併移動至第二電極14。藉此，熱源16之熱，能夠藉由電流的移動，從第一電極12移動至熱電轉換單元11，再移動至第二電極14，最後從散熱件17逸散。
其中，由電洞攜帶而移動至熱電轉換單元11與導電散熱層15介面之熱量，會經由高熱傳導率(大於300 W/mK)之導電散熱層15，而在導電散熱層15之水平方向迅速傳遞。且聲子能夠穿透導電散熱層15至第二電極14，而可避免聲子因溫差的驅動力回流至熱電轉換單元11。即使部分的聲子回流至熱電轉換單元11與導電阻熱層13之介面時，由於導電阻熱層13之低熱傳導率(小於0.1 W/mK)，造成熱電轉換結構10之整體的熱傳導率降低，故可減少聲子回流至第一電極12。
請參照第5A圖，繪示本提案之實施例之散熱裝置之剖視圖。本提案之散熱裝置，用以將一熱源31之熱量傳遞至一散熱件32。散熱裝置由多個散熱結構20以電性串連且熱性並聯之方式所組成。散熱結構20將詳述如下。
請參照第5B圖，繪示本提案之實施例之散熱結構20之剖視圖。散熱結構20包括彼此相鄰排列的一第一熱電轉換單元21及一第二熱電轉換單元26、第一電極22及22a、一第二電極24、導電阻熱層23及23a及導電散熱層25及25a。第一熱電轉換單元21具有相對的一第一吸熱端211及一第一放熱端212。第二熱電轉換單元26具有相對的一第二吸熱端261及一第二放熱端262。第一電極22及22a分別銜接第一吸熱端211及第二吸熱端261。第二電極24銜接第一放熱端212及第二放熱端262。導電阻熱層23設置於第一熱電轉換單元21與第一電極22之間。導電阻熱層23a設置於第二熱電轉換單元26與第一電極22a之間。
於本實施例中，第一電極22及22a設置於熱源31，以帶走熱源31的熱。第一電極22及22a與熱源31之間能設置一絕緣導熱隔層33，如果熱源31與第一電極22及22a之接觸面具有絕緣導熱的功效，亦可以不加此絕緣導熱隔層33。第二電極24設置於散熱件32，以逸散熱量。第二電極24與散熱件32之間能設置一絕緣導熱隔層33a，如果散熱件32與第二電極24之接觸面具有絕緣導熱的功效，亦可不加此絕緣導熱隔層33a。
第一熱電轉換單元21及第二熱電轉換單元26具有相異的極性。第一熱電轉換單元21設置於第一電極22及第二電極24之間。導電阻熱層23設置於第一電極22及第一熱電轉換單元21之間。第二熱電轉換單元26設置於第一電極22a及第二電極24之間。導電阻熱層23a設置於第一電極22a及第二熱電轉換單元26之間。導電阻熱層23及23a的結構與第1、2A至2D圖中之導電阻熱層13、13b、13c、13d類似。故在此不再贅述。另外，導電阻熱層23及23a所構成之材料、層數、厚度及製造方法，能夠彼此相同或是相異。導電散熱層25設置於第一熱電轉換單元21及第二電極24之間。導電散熱層25a設置於第二熱電轉換單元26及第二電極24之間。導電散熱層25及25a的結構與第1圖中之導電散熱層15類似。故在此不再贅述。
於本實施例中，第一熱電轉換單元21以N型半導體所構成，第二熱電轉換單元26以P型半導體所構成，但不以此為限，而可彼此交換。第一電極22、第一電極22a及第二電極24能選自鉑、 金、鎳、鈀、銅、鋁、銀、鈦、鉭、鎢、鉬、鉻、鈷、鐵、鋯、鉿、釩、銥、鉑合金、金合金、鎳合金、鈀合金、銅合金、鋁合金、銀合金、鈦合金、鉭合金、鎢合金、鉬合金、鉻合金、鈷合金、鐵合金、鋯合金、鉿合金、釩合金、銥合金及其組合所構成之群組之其中之一，但不限於此。而且，第一電極22、第一電極22a及第二電極24能以相同或是相異的材料構成。第一電極22、第一電極22a及第二電極24之製造方法包含物理氣相沉積、化學氣相沉積、原子層沉積及電鍍法，但並不限於上述方法。而且，第一電極22、第一電極22a及第二電極24能以相同或是相異的方法製造。
於本實施例中，電子可穿隧導電阻熱層23及23a，而不影響導電性。導電阻熱層23及23a之厚度小於或與聲子的平均自由路徑相近，以使得聲子在導電阻熱層23及23a產生邊界散射，降低整體熱傳導率。本提案能藉由維持導電性以及降低熱傳導率，可以提升熱電優值ZT。
於本實施例中，導電散熱層25及25a之厚度能小於100 nm。導電散熱層25及25a能選自石墨烯、奈米碳管、奈米線及其組合所構成之群組之其中之一，但不限於此。更甚者，導電散熱層25及25a能以單層的石墨烯構成。導電散熱層25及25a的製造方式能利用化學氣相沉積法，機械剝離法、磊晶成長法或氧化石墨烯化學還原法，但不限於此。導電散熱層25及25a所構成之材料、層數、厚度及製造方法，能夠彼此相同或是相異。在第一熱電轉 換單元21及第二熱電轉換單元26共用一個第二電極24時，於其他實施例中，導電散熱層所構成之材料、層數、厚度及製造方法彼此相同時能合為同一層。
舉例而言，於本實施例中，第一熱電轉換單元21例如以N型半導體所構成。第二熱電轉換單元26例如以P型半導體所構成。於使用散熱結構20時，能對第一電極22及22a能施加偏壓，而使第一電極22之電位低於第一電極22a之電位，並使第一電極22a、第二熱電轉換單元26、第二電極24、第一熱電轉換單元21及第一電極22形成迴路。
如第5B圖之右側所示，電子流會從第一電極22移動至第一熱電轉換單元21，再移動至第二電極24。電子從第一電極22移動至第一熱電轉換單元21時，能把第一電極22的熱一併移動至第一熱電轉換單元21。電子從第一熱電轉換單元21移動至第二電極24時，能把第一熱電轉換單元21的熱一併移動至第二電極24。藉此，圖中熱源31右側之熱，能夠藉由電子流的移動，從第一電極22移動至第一熱電轉換單元21，再移動至第二電極24，最後從散熱件32逸散。
如第5B圖之左側所示，電流會從第一電極22a移動至第二熱電轉換單元26，再移動至第二電極24。電洞從第一電極22a移動至第二熱電轉換單元26時，能把第一電極22a的熱一併移動至第二熱電轉換單元26。電洞從第二熱電轉換單元26移動至第二電極24時，能把第二熱電轉換單元26的熱一併移動至第二電極24。 藉此，熱源31左側之熱，能夠藉由電流的移動，從第一電極22a移動至第二熱電轉換單元26，再移動至第二電極24，最後從散熱件32逸散。
其中，熱量會由載子攜帶而移動至第一熱電轉換單元21與導電散熱層25之介面以及第二熱電轉換單元26與導電散熱層25a之介面，並會經由高熱傳導率(大於300 W/mK)之導電散熱層25及25a，而在導電散熱層25及25a的水平方向迅速傳遞。且聲子能夠穿透導電散熱層25及25a至第二電極24，避免聲子因溫差的驅動力回流至第一熱電轉換單元21以及第二熱電轉換單元26。即使部分的聲子回流至第一熱電轉換單元21與導電阻熱層23之介面以及第二熱電轉換單元26與導電阻熱層23a之介面時，由於導電阻熱層23及23a之低熱傳導率(小於0.1 W/mK)，造成散熱結構20整體之熱傳導率降低，故可減少聲子回流至第一電極22及22a。
本提案所述之氧化物，能包含氧化矽，但不限於此。氮化物能包含氮化矽但不限於此。氮氧化物包含氮氧化矽，但不限於此。碳化物能包含碳化矽、氮碳化矽，但不限於此。碳氧化物包含氧化石墨稀、碳氧化矽，但不限於此。金屬碳化物能包含碳化鈦、碳化鉿、碳化鋯、碳化鉭、碳化釩、碳化鈮、碳化鉻、碳化鉬、氮化鎢，但不限於此。金屬氮化物能包含氮化鈦、氮化鉭、氮化鉑、氮化鎢、氮化鉬、氮化鋯、氮化鉻、氮化銅、氮化鋅、氮化鐵，但不限於此。金屬矽化物能包含矽化鎳、矽化鉑、矽化鉭、 矽化鈦、矽化鎢、矽化鈷、矽化鉬、矽化鐵、矽化錳、矽化鉿、矽化金，但不限於此。金屬氮矽化物能包含氮矽化鉭，但不限於此。金屬碳矽化物能包含碳矽化鈦，但不限於此。金屬氧化物能包含氧化鉿、氧化鈦、氧化鉭、氧化鋁、氧化釔、氧化銦、氧化釩、氧化鑭、氧化鋯，但不限於此。金屬氮氧化物能包含氮氧化鉿、氮氧化鉭、氮氧化鋁鉭、氮氧化鋁、氮氧化鈦，但不限於此。
綜上所述，本提案因導電阻熱層所具有之厚度而使電子穿隧，維持熱電轉換結構及使用其之散熱結構之導電率，且能藉由導電阻熱層使聲子阻隔，降低整體熱電轉換結構之熱傳導率，而已被引導至熱電轉換單元與導電散熱層之間的熱，則因導電散熱層迅速帶走熱的能力，降低熱回流至第一電極。藉此，使得第一電極的溫度能夠降得更多且更快，進而增進熱電轉換結構之熱電轉換效率。
雖然本提案以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案。在不脫離本提案之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本提案之專利保護範圍。關於本提案所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
10‧‧‧熱電轉換結構
11‧‧‧熱電轉換單元
111‧‧‧第一端
112‧‧‧第二端
12‧‧‧第一電極
13、13b、13c、13d、23、23a‧‧‧導電阻熱層
131、131’‧‧‧第一子層
132‧‧‧第二子層
14‧‧‧第二電極
15、25、25a‧‧‧導電散熱層
16、31‧‧‧熱源
17、32‧‧‧散熱件
20‧‧‧散熱結構
21‧‧‧第一熱電轉換單元
211‧‧‧第一吸熱端
212‧‧‧第一放熱端
22、22a‧‧‧第一電極
24‧‧‧第二電極
26‧‧‧第二熱電轉換單元
261‧‧‧第二吸熱端
262‧‧‧第二放熱端
33、33a‧‧‧隔層
k0、k1、k2‧‧‧熱傳導率
L1‧‧‧實線
L2‧‧‧虛線
X1、X2‧‧‧厚度
第1圖繪示本提案之實施例之熱電轉換結構之剖視圖。
第2A圖繪示第1圖之導電阻熱層之剖視圖。
第2B圖繪示本提案之另一實施例之導電阻熱層之剖視圖。
第2C圖繪示本提案之另一實施例之導電阻熱層之剖視圖。
第2D圖繪示本提案之另一實施例之導電阻熱層之剖視圖。
第3圖繪示第1圖之熱電轉換結構有無外加導電阻熱層之電流-電壓曲線圖(I-V)。
第4A圖繪示熱電轉換單元、導電阻熱層及整體之熱傳導率的關係圖。
第4B圖繪示熱電轉換單元及導電阻熱層之厚度比值與整體之熱傳導率的關係圖。
第5A圖繪示本提案之實施例之散熱裝置之剖視圖。
第5B圖繪示本提案之實施例之散熱結構之剖視圖。
10‧‧‧熱電轉換結構
11‧‧‧熱電轉換單元
111‧‧‧第一端
112‧‧‧第二端
12‧‧‧第一電極
13‧‧‧導電阻熱層
14‧‧‧第二電極
15‧‧‧導電散熱層
16‧‧‧熱源
17‧‧‧散熱件

Claims (18)

  1. 一種熱電轉換結構，包括：一熱電轉換單元，具有相對的一第一端及一第二端；一第一電極，設置於該熱電轉換單元之該第一端；以及一導電阻熱層，設置於該熱電轉換單元及該第一電極之間；其中，該熱電轉換單元之厚度及該導電阻熱層之厚度之比值為100至10000之範圍。
  2. 如請求項1所述之熱電轉換結構，其中該第一端為吸熱端，該第二端為放熱端。
  3. 如請求項1所述之熱電轉換結構，其中該導電阻熱層包括：至少一第一子層，該第一子層的材質選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構成之群組之其中之一。
  4. 如請求項3所述之熱電轉換結構，其中該第一子層之總厚度小於10nm。
  5. 如請求項1所述之熱電轉換結構，其中該導電阻熱層包括：至少一第一子層，該第一子層的材質選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構成之群組之其中之一；以及至少一第二子層，該第二子層的材質選自金屬矽化物、金屬氮化物、金屬氮矽化物、金屬碳化物、金屬碳矽化物、非晶 形合金及其組合所構成之群組之其中之一。
  6. 如請求項5所述之熱電轉換結構，其中該第一子層之厚度小於10nm，該第二子層之厚度小於100nm。
  7. 如請求項1所述之熱電轉換結構，其中該第一電極選自鉑、金、鎳、鈀、銅、鋁、銀、鈦、鉭、鎢、鉬、鉻、鈷、鐵、鋯、鉿、釩、銥、鉑合金、金合金、鎳合金、鈀合金、銅合金、鋁合金、銀合金、鈦合金、鉭合金、鎢合金、鉬合金、鉻合金、鈷合金、鐵合金、鋯合金、鉿合金、釩合金、銥合金及其組合所構成之群組之其中之一。
  8. 如請求項1所述之熱電轉換結構，其中還包括：一第二電極，設置於該熱電轉換單元之該第二端；以及一導電散熱層，設置於該熱電轉換單元及該第二電極之間。
  9. 如請求項8所述之熱電轉換結構，其中該導電散熱層選自石墨烯、奈米碳管、奈米線及其組合所構成之群組之其中之一。
  10. 如請求項8所述之熱電轉換結構，其中該第二電極選自鉑、金、鎳、鈀、銅、鋁、銀、鈦、鉭、鎢、鉬、鉻、鈷、鐵、鋯、鉿、釩、銥、鉑合金、金合金、鎳合金、鈀合金、銅合金、鋁合金、銀合金、鈦合金、鉭合金、鎢合金、鉬合金、鉻合金、鈷合金、鐵合金、鋯合金、鉿合金、釩合金、銥合金及其組合所構成之群組之其中之一。
  11. 一種散熱結構，包括： 彼此相鄰排列的至少一第一熱電轉換單元及至少一第二熱電轉換單元，該第一熱電轉換單元具有相對的一第一吸熱端及一第一放熱端，該第二熱電轉換單元具有相對的一第二吸熱端及一第二放熱端；至少一第一電極，銜接該第一吸熱端及該第二吸熱端；至少一第二電極，銜接該第一放熱端及該第二放熱端；以及多個導電阻熱層，分別設置於該第一熱電轉換單元與該第一電極之間，以及設置於該第二熱電轉換單元與該第一電極之間；其中，該第一熱電轉換單元之厚度及各該導電阻熱層之厚度之比值為100至10000之範圍，該第二熱電轉換單元之厚度及各該導電阻熱層之厚度之比值為100至10000之範圍。
  12. 如請求項11所述之散熱結構，其中各該導電阻熱層包括：至少一第一子層，該第一子層的材質選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構成之群組之其中之一。
  13. 如請求項12所述之散熱結構，其中該第一子層之總厚度小於10nm。
  14. 如請求項11所述之散熱結構，其中各該導電阻熱層包括：至少一第一子層，該第一子層的材質選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物 及其組合所構成之群組之其中之一；以及至少一第二子層，該第二子層的材質選自金屬矽化物、金屬氮化物、金屬氮矽化物、金屬碳化物、金屬碳矽化物、非晶形合金及其組合所構成之群組之其中之一。
  15. 如請求項14所述之散熱結構，其中該第一子層之厚度小於10nm，該第二子層之厚度小於100nm。
  16. 如請求項11所述之散熱結構，其中該第一電極及該第二電極分別選自鉑、金、鎳、鈀、銅、鋁、銀、鈦、鉭、鎢、鉬、鉻、鈷、鐵、鋯、鉿、釩、銥、鉑合金、金合金、鎳合金、鈀合金、銅合金、鋁合金、銀合金、鈦合金、鉭合金、鎢合金、鉬合金、鉻合金、鈷合金、鐵合金、鋯合金、鉿合金、釩合金、銥合金及其組合所構成之群組之其中之一。
  17. 如請求項11所述之散熱結構，其中還包括：多個導電散熱層，分別設置於該第一熱電轉換單元與該第二電極之間，以及設置於該第二熱電轉換單元與該第二電極之間。
  18. 如請求項17所述之散熱結構，其中該些導電散熱層選自石墨烯、奈米碳管、奈米線及其組合所構成之群組之其中之一。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104868045B (zh) * 2014-02-21 2017-10-24 清华大学 光电转换器件及其应用
US9847151B2 (en) * 2014-07-08 2017-12-19 King Abdulaziz University Method of making and using flexible elastic nanotube composite
JP2016111091A (ja) * 2014-12-03 2016-06-20 株式会社安永 シリサイド系熱電発電素子
JP6794732B2 (ja) * 2015-09-28 2020-12-02 三菱マテリアル株式会社 熱電変換モジュール及び熱電変換装置
US9899590B2 (en) * 2015-11-03 2018-02-20 Electronics And Telecommunications Research Institute Thermoelectric element and thermoelectric module
KR102092403B1 (ko) * 2015-11-03 2020-03-24 한국전자통신연구원 열전 소자 및 열전 모듈
TWI624087B (zh) * 2015-11-27 2018-05-11 Xie Yue Zheng Layered structure of green energy chip device
CN112164746B (zh) * 2020-09-01 2022-12-06 西安交通大学 温差发电器件

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995017020A1 (fr) * 1993-12-16 1995-06-22 Mitsubishi Materials Corporation Element de conversion thermoelectrique, reseau d'elements de conversion thermoelectrique et convertisseur de deplacement thermique
US7342169B2 (en) * 2001-10-05 2008-03-11 Nextreme Thermal Solutions Phonon-blocking, electron-transmitting low-dimensional structures

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3859143A (en) * 1970-07-23 1975-01-07 Rca Corp Stable bonded barrier layer-telluride thermoelectric device
US6403876B1 (en) 2000-12-07 2002-06-11 International Business Machines Corporation Enhanced interface thermoelectric coolers with all-metal tips
US6608250B2 (en) 2000-12-07 2003-08-19 International Business Machines Corporation Enhanced interface thermoelectric coolers using etched thermoelectric material tips
AU2002323388A1 (en) * 2001-08-24 2003-03-10 Mcnc Research & Development Institute Through-via vertical interconnects, through-via heat sinks and associated fabrication methods
US6812395B2 (en) * 2001-10-24 2004-11-02 Bsst Llc Thermoelectric heterostructure assemblies element
US20050016575A1 (en) 2003-06-13 2005-01-27 Nalin Kumar Field emission based thermoelectric device
US20050150535A1 (en) 2004-01-13 2005-07-14 Nanocoolers, Inc. Method for forming a thin-film thermoelectric device including a phonon-blocking thermal conductor
US20050150537A1 (en) 2004-01-13 2005-07-14 Nanocoolers Inc. Thermoelectric devices
US20100126547A1 (en) 2004-07-08 2010-05-27 Gennadiy Gusamovich Gromov Thermoelectric module
DE102004048219A1 (de) * 2004-09-30 2006-04-06 Basf Ag Kontaktierung thermoelektrischer Materialien
US8063298B2 (en) 2004-10-22 2011-11-22 Nextreme Thermal Solutions, Inc. Methods of forming embedded thermoelectric coolers with adjacent thermally conductive fields
US9048380B2 (en) 2004-11-16 2015-06-02 Japan Science And Technology Agency Thermoelectric conversion material and production method for thermoelectric conversion material
CN1822354A (zh) 2005-02-18 2006-08-23 财团法人工业技术研究院 固态冷却结构与其整合至封装元件的形成方法
US7928561B2 (en) 2005-09-09 2011-04-19 General Electric Company Device for thermal transfer and power generation
JP4273137B2 (ja) * 2005-09-26 2009-06-03 Ｔｄｋ株式会社 熱電素子
CN1992240A (zh) 2005-12-28 2007-07-04 技嘉科技股份有限公司 热源转移致冷***
US7679203B2 (en) 2006-03-03 2010-03-16 Nextreme Thermal Solutions, Inc. Methods of forming thermoelectric devices using islands of thermoelectric material and related structures
US20070277866A1 (en) * 2006-05-31 2007-12-06 General Electric Company Thermoelectric nanotube arrays
US20080017237A1 (en) 2006-07-19 2008-01-24 James William Bray Heat transfer and power generation device
US7696668B2 (en) 2007-10-29 2010-04-13 Ut-Battelle, Llc Solid state transport-based thermoelectric converter
CN101978517A (zh) 2008-03-19 2011-02-16 史泰克公司 金属芯热电冷却和动力产生装置
US20110139207A1 (en) 2008-05-21 2011-06-16 Geoffrey Alan Edwards Thermoelectric Element
EP2459341A1 (de) * 2009-07-27 2012-06-06 Basf Se Thermoelektrische module mit verbesserter kontaktanbindung
TWI485266B (zh) 2009-07-27 2015-05-21 Univ Tokyo Sci Educ Found Aluminum-magnesium-silicon composite material and method for manufacturing the same, and thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module using the composite material
KR20110102693A (ko) 2010-03-11 2011-09-19 삼성전자주식회사 빈 격자 클러스터가 형성된 열전체를 포함하는 열전 소자
US8692105B2 (en) 2010-04-16 2014-04-08 The Regents Of The University Of California III-V nitride-based thermoelectric device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995017020A1 (fr) * 1993-12-16 1995-06-22 Mitsubishi Materials Corporation Element de conversion thermoelectrique, reseau d'elements de conversion thermoelectrique et convertisseur de deplacement thermique
US7342169B2 (en) * 2001-10-05 2008-03-11 Nextreme Thermal Solutions Phonon-blocking, electron-transmitting low-dimensional structures

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Kucherov et al.,"Importance of barrier layers in thermal diodes for energy conversion", J. Appl. Phys. Lett. 97, 2005 *

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