TWI478405B

TWI478405B - 熱電薄膜結構

Info

Publication number: TWI478405B
Application number: TW101147271A
Authority: TW
Inventors: Ming Sheng Leu; Tai Sheng Chen; Chih Chao Shih
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2015-03-21
Also published as: CN105977371A; CN103872236A; US9385291B2; US20160005943A1; US9166137B2; CN103872236B; US20140166065A1; CN105977371B; TW201424065A

Description

熱電薄膜結構

本發明是有關於一種薄膜結構，且特別是一種熱電薄膜結構。

在傳統的熱電應用領域中要判斷一物質是否為良好的熱電材料，主要是觀察其熱電優值(Figure of Merit，ZT值)，ZT值主要與塞貝克係數(Seebeck coefficient)、導電率和熱傳導係數相關，以上三種參數也直接影響一材料是否擁有良好的熱電性質，可否應用在熱電效應上。ZT值越高，熱電效應則越顯著，其關係式為：

上式中α為塞貝克係數；σ為導電率；k為熱傳導係數；T為絕對溫度。由關係式中可看出，一個好的熱電材料除了需要有良好的塞貝克係數外，還要有高導電率以及低熱傳導係數。

由於自然界中材料的物性通常導電率與熱傳導率為相依關係，因此一般材料難以同時具有良好的導電率以及低熱傳導係數，使得最後加總之後的ZT值無法有效提升，因此材料的導電率與熱傳導係數之控制即成為提升熱電性能的關鍵點，但是以目前技術而言其亦為材料發展的瓶頸所在。

再者，熱電元件的效能，除了上述ZT值之外，介面接合時所產生的熱、電阻抗，電極材料的熱、電阻抗，以及基材的熱阻抗等，皆會對熱電元件整體造成影響。

本發明提供一種熱電薄膜結構，藉由改變類鑽碳層鍵結結構而控制熱電薄膜結構的電阻分佈。

本發明的一實施例提出一種熱電薄膜結構，適於配置在物件上，以控制物件的溫度。熱電薄膜結構包括熱電基材與一對第一類鑽碳層。第一類鑽碳層配置在熱電基材的相對兩表面上且具有導電性。

本發明的一實施例提出一種熱電薄膜結構，包括熱電基材以及一對類鑽碳層，其中類鑽碳層配置在熱電基材的相對兩表面上。熱電基材的厚度為2微米(μm)至200微米(μm)。各類鑽碳層的厚度為100奈米(nm)至100微米(μm)。各類鑽碳層的電阻率為10^-4 Ω-cm至10^-1 Ω-cm。

本發明的一實施例提出一種熱電薄膜結構，包括熱電基材、一對類鑽碳層、一對金屬介面層以及一對金屬層。類鑽碳層配置在熱電基材的相對兩表面上。金屬介面層分別配置在類鑽碳層上且位在遠離熱電基材的一側。金屬層配置在金屬介面層上且位在遠離類鑽碳層的一側，其中熱電基材、類鑽碳層、金屬介面層與金屬層相互電性導通。

基於上述，在本發明的實施例中，熱電薄膜結構藉由類鑽碳層作為其組成結構，因而能藉由控制類鑽碳層的結構特徵而達到調整類鑽碳層之電阻值的效果。此舉讓熱電薄膜結構除能藉由類鑽碳層達到較佳的導熱效果外，亦同時能依據需求而使類鑽碳層具有導電或絕緣的特質，進一步地以類鑽碳層作為熱電薄膜的複合結構，而能有效簡化熱電元件的結構組成並達到所需的熱電特性。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依據本發明一實施例的一種熱電薄膜結構的示意圖。請參考圖1，在本實施例中，熱電薄膜結構100包括熱電基材110與一對第一類鑽碳層120、130，其中第一類鑽碳層120、130配置在熱電基材110的相對兩表面上。

在此，熱電基材110包括可將熱轉換為電的材料，其可為P型熱電材料或是N型熱電材料。例如，BiSbTe、BiSeTe、CsBi4Te6、Bi₂ Te₃ 、Bi₂ Te₃ /Se₂ Te₃ 超晶格、PbTeSeTe/PbTe量子點或超晶格、Zn₄ Sb₃ 合金、Ce(Fe,Co)₄ Sb₁₂ 、PbTe合金、CoSb₃ 、SiGe合金、AgSbTe₂ /GeTe、Bi₂ Sr₂ Co₂ O_y 、Ca₃ Co₄ O₉ 、Mg₂ Si、Na_x CoO₂ 、La₂ Te₃ 、MnSi1.75、SnTe、TAGS(tellurium,antimony,germanium and silver)、Y₃ Fe₅ O₁₂ 等。熱電基材110的結構非本案所強調，且可參考現有熱電元件的對應結構，因而便不再贅述。

再者，第一類鑽碳層120、130包括純碳或摻雜氫、氮或金屬原子的四面體非晶碳，且第一類鑽碳層120、130堆疊在熱電基材110的方式包括電鍍程序、無電鍍程序、濺鍍、離子蒸鍍或化學氣相沈積程序等，在此並未限制其堆疊方式。惟需注意的是，在本實施例中，熱電基材110的厚度為2微米(μm)至200微米(μm)，而堆疊後的各第一類鑽碳層120、130的厚度為100奈米(nm)至100微米(μm)，且各第一類鑽碳層120、130的電阻率為10^-4 Ω-cm至10^-1 Ω-cm。

由上可知，此時堆疊在熱電基材110上的第一類鑽碳層120、130具有低電阻，即高導電性，因此能作為熱電薄膜結構100的導電電極之用，而得以取代習知的金屬電極。此優勢即在於現有以金屬材質製成的電極與熱電基材110之間的熱及電阻抗，不若類鑽碳材料與熱電基材110之間的阻抗小。如此，具有上述第一類鑽碳層120、130的熱電薄膜結構100便得以克服前述介面接合倒置的熱、電阻抗，而同時兼具較佳的熱傳特性與導電性。

圖2是圖1的熱電薄膜結構的應用示意圖。請參考圖2，與上述實施例不同的是，為讓熱電薄膜結構200能配置在物件10上，以對該物件10進行熱傳作用，熱電薄膜結構200還包括第二類鑽碳層140，配置在物件10上且位在第一類鑽碳層120與物件10之間。

詳細而言，第一類鑽碳層120、130與第二類鑽碳層140的材質相同，但兩者的組成結構已改變(即兩者的SP2/SP3鍵結比例並不相同，SP2比例較高者，電阻率較低；SP3比例較高者，電阻率較高)，且第二類鑽碳層的厚度為100奈米(nm)至10微米(μm)，因而導致第二類鑽碳層140的電阻率為10⁰ Ω-cm至10¹⁰ Ω-cm。換句話說，此時的第二類鑽碳層140為絕緣層，用以避免物件10與熱電薄膜結構200之間發生電性導通的情形。同樣地，在第一類鑽碳層130背離熱電基材110的一側亦可同時配置具有高電阻的第二類鑽碳層150。

基於上述，相較於習知需在熱電元件與物件之間另行設置絕緣層，本實施例藉由改變類鑽碳層的鍵結結構，而使第一類鑽碳層120、130具有金屬電極所需的高導電性，並讓第二類鑽碳層140、150具有絕緣層所需的高電阻特性。

另一方面，本實施例的第一類鑽碳層120與第二類鑽碳層140為一體化結構，而其電阻率為10^-4 Ω-cm至10¹⁰ Ω-cm。進一步地說，藉由製程控制，本實施例可在物件10上直接配置類鑽碳層C1，且類鑽碳層C1同時包含上述第一類鑽碳層120與第二類鑽碳層140的結構特徵，(同樣地，類鑽碳層C2同時包含上述第一類鑽碳層130與第二類鑽碳層150的結構特徵，在圖2中以虛線作為第一類鑽碳層130與第二類鑽碳層150的區隔，及第一類鑽碳層120與第二類鑽碳層140的區隔)，並使其電阻依序從熱電基材110、第一類鑽碳層120至第二類鑽碳層140為連續且遞增。如此，更能簡化現有需設置金屬電極與絕緣層的熱電元件，並因其為一體化結構而有效地降低因介面接合所造成的熱、電阻抗問題，以提高熱電薄膜結構100的效能。

圖3是本發明另一實施例的一種熱電薄膜結構的示意圖。請參考圖3，在本實施例中，熱電薄膜結構300包括熱電基材110、第一類鑽碳層160、170、金屬介面層310、320與金屬層330、340。第一類鑽碳層160、170配置在熱電基材110的相對兩表面。金屬介面層310、320分別配置在第一類鑽碳層160、170上且位在遠離熱電基材110的一側。金屬層330、340配置在金屬介面層310、320上且位在遠離第一類鑽碳層160、170的一側。由於熱電基材110、第一類鑽碳層160、170與上述實施例相同，在此便不再贅述。再者，金屬介面層310、320，例如是以金屬碳化物製成，其厚度小於1微米(μm)，而電阻率為10^-3 Ω-cm至10^-4 Ω-cm。金屬層330、340的厚度小於100微米(μm)，而電阻率為10^-5 Ω-cm至10^-6 Ω-cm，亦即熱電基材110、第一類鑽碳層160、170、金屬介面層310、320與金屬層330、340相互電性導通。

如此一來，金屬層330、340得以藉由第一類鑽碳層160、170與金屬介面層310、320而提高與熱電基材110的接合度，更能因第一類鑽碳層160、170的高導熱性與高導電性，而提高本實施例之熱電薄膜結構300的熱電效能。

圖4是圖3的熱電薄膜結構的應用示意圖。與上述圖2的實施例類似，本實施例的熱電薄膜結構400能配置在物件10上，以對該物件10進行熱傳作用。熱電薄膜結構 400還包括第二類鑽碳層180、190，其中第二類鑽碳層180配置在物件10上且位在金屬層330與物件10之間，而第二類鑽碳層190配置在金屬層340背離金屬介面層320的一側。此舉讓熱電薄膜結構400亦能達到與上述圖2之實施例中等同絕緣層的效果。

綜上所述，在本發明的上述實施例中，熱電薄膜結構藉由類鑽碳層作為其組成結構，因而能藉由控制類鑽碳層的結構特徵而達到調整類鑽碳層之電阻值的效果。此舉讓熱電薄膜結構除能藉由類鑽碳層達到較佳的導熱效果外，亦同時能依據需求而使類鑽碳層具有導電或絕緣的特質。

再者，類鑽碳層藉由一體化結構並同時控制其電阻為連續，即導電性亦為連續，因而得以避免接合介面導致的熱、電阻抗，並讓熱電薄膜結構能順利地配置在物件上，故而能在有效簡化的結構組成下達到所需的熱電特性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧物件

100、200、300、400‧‧‧熱電薄膜結構

110‧‧‧熱電基材

120、130、160、170‧‧‧第一類鑽碳層

140、150、180、190‧‧‧第二類鑽碳層

310、320‧‧‧金屬介面層

330、340‧‧‧金屬層

C1、C2‧‧‧類鑽碳層

圖1是依據本發明一實施例的一種熱電薄膜結構的示意圖。

圖2是圖1的熱電薄膜結構的應用示意圖。

圖3是本發明另一實施例的一種熱電薄膜結構的示意圖。

圖4是圖3的熱電薄膜結構的應用示意圖。

100‧‧‧熱電薄膜結構

110‧‧‧熱電基材

120、130‧‧‧第一類鑽碳層

Claims

一種熱電薄膜結構，適於配置在一物件上，以控制該物件的溫度，熱電薄膜結構包括：一熱電基材；一對第一類鑽碳層，配置在該熱電基材的相對兩表面上，其中該第一類鑽碳層具有導電性；以及至少一第二類鑽碳層，配置在該物件上且位在該第一類鑽碳層與該物件之間，其中該熱電薄膜結構的電阻依序沿該熱電基材、該第一類鑽碳層至該第二類鑽碳層為連續且遞增。
如申請專利範圍第1項所述的熱電薄膜結構，其中該熱電基材的厚度為2微米(μm)至200微米(μm)。
如申請專利範圍第1項所述的熱電薄膜結構，其中該熱電基材包括BiSbTe、BiSeTe、CsBi4Te6、Bi₂ Te₃ 、Bi₂ Te₃ /Se₂ Te₃ 超晶格、PbTeSeTe/PbTe量子點或超晶格、Zn₄ Sb₃ 合金、Ce(Fe,Co)₄ Sb₁₂ 、PbTe合金、CoSb₃ 、SiGe合金、AgSbTe₂ /GeTe、Bi₂ Sr₂ Co₂ O_y 、Ca₃ Co₄ O₉ 、Mg₂ Si、Na_x CoO₂ 、La₂ Te₃ 、MnSi1.75、SnTe、TAGS(tellurium,antimony,germanium and silver)、Y₃ Fe₅ O₁₂ 。
如申請專利範圍第1項所述的熱電薄膜結構，其中該第一類鑽碳層與該第二類鑽碳層各包括純碳或摻雜氫、氮或金屬原子的四面體非晶碳。
如申請專利範圍第1項所述的熱電薄膜結構，其中該第一類鑽碳層的厚度為100奈米(nm)至100微米 (μm)，而該第一類鑽碳層的電阻率為10^-4 Ω-cm至10^-1 Ω-cm。
如申請專利範圍第1項所述的熱電薄膜結構，其中該第二類鑽碳層的厚度為100奈米(nm)至10微米(μm)，而該第二類鑽碳層的電阻率為10⁰ Ω-cm至10¹⁰ Ω-cm。
如申請專利範圍第1項所述的熱電薄膜結構，其中該第一類鑽碳層與該第二類鑽碳層為一體化結構，且其電阻率為10^-4 Ω-cm至10¹⁰ Ω-cm。
如申請專利範圍第1項所述的熱電薄膜結構，包括一對第二類鑽碳層，分別配置在該對第一類鑽碳層上，其中一第二類鑽碳層配置在該物件上且位在該第一類鑽碳層與該物件之間，其中另一第二類鑽碳層位在該第一類鑽碳層遠離該物件的一側。
如申請專利範圍第1項所述的熱電薄膜結構，還包括：一對金屬介面層，分別配置在該第一類鑽碳層上且位在遠離該熱電基材的一側；以及一對金屬層，配置在該金屬介面層上且位在遠離該第一類鑽碳層的一側，其中該第二類鑽碳層位在其中一金屬層與該物件之間。
如申請專利範圍第9項所述的熱電薄膜結構，其中該金屬介面層的厚度小於1微米(μm)，而電阻率為10^-3 Ω-cm至10^-4 Ω-cm。
如申請專利範圍第9項所述的熱電薄膜結構，其中該金屬介面層為金屬碳化物。
如申請專利範圍第9項所述的熱電薄膜結構，其中該金屬層的厚度小於100微米(μm)，而電阻率為10^-5 Ω-cm至10^-6 Ω-cm。
一種熱電薄膜結構，包括：一熱電基材；以及一對類鑽碳層，配置在該熱電基材的相對兩表面上，其中該熱電基材的厚度為2微米(μm)至200微米(μm)，各該類鑽碳層的厚度為100奈米(nm)至100微米(μm)，而各該類鑽碳層的電阻率為10^-4 Ω-cm至10^-1 Ω-cm，其中該對類鑽碳層形成該熱電薄膜結構的導電電極。
如申請專利範圍第13項所述的熱電薄膜結構，其中該熱電基材包括BiSbTe、BiSeTe、CsBi4Te6、Bi₂ Te₃ 、Bi₂ Te₃ /Se₂ Te₃ 超晶格、PbTeSeTe/PbTe量子點或超晶格、Zn₄ Sb₃ 合金、Ce(Fe,Co)₄ Sb₁₂ 、PbTe合金、CoSb₃ 、SiGe合金、AgSbTe₂ /GeTe、Bi₂ Sr₂ Co₂ O_y 、Ca₃ Co₄ O₉ 、Mg₂ Si、Na_x CoO₂ 、La₂ Te₃ 、MnSi1.75、SnTe、TAGS(tellurium,antimony,germanium and silver)、Y₃ Fe₅ O₁₂ 。
如申請專利範圍第13項所述的熱電薄膜結構，其中各該類鑽碳層包括純碳或摻雜氫、氮或金屬原子的四面體非晶碳。
一種熱電薄膜結構，包括：一熱電基材；以及一對類鑽碳層，配置在該熱電基材的相對兩表面上；一對金屬介面層，分別配置在該類鑽碳層上且位在遠離該熱電基材的一側，其中各該金屬介面層為金屬碳化物；以及一對金屬層，配置在該金屬介面層上且位在遠離該類鑽碳層的一側，其中該熱電基材、該類鑽碳層、該金屬介面層與該金屬層相互電性導通。
如申請專利範圍第16項所述的熱電薄膜結構，其中該熱電基材的厚度為2微米(μm)至200微米(μm)。
如申請專利範圍第16項所述的熱電薄膜結構，其中該熱電基材包括BiSbTe、BiSeTe、CsBi4Te6、Bi₂ Te₃ 、Bi₂ Te₃ /Se₂ Te₃ 超晶格、PbTeSeTe/PbTe量子點或超晶格、Zn₄ Sb₃ 合金、Ce(Fe,Co)₄ Sb₁₂ 、PbTe合金、CoSb₃ 、SiGe合金、AgSbTe₂ /GeTe、Bi₂ Sr₂ Co₂ O_y 、Ca₃ Co₄ O₉ 、Mg₂ Si、Na_x CoO₂ 、La₂ Te₃ 、MnSi1.75、SnTe、TAGS(tellurium,antimony,germanium and silver)、Y₃ Fe₅ O₁₂ 。
如申請專利範圍第16項所述的熱電薄膜結構，其中該類鑽碳層包括純碳或摻雜氫、氮或金屬原子的四面體非晶碳。
如申請專利範圍第16項所述的熱電薄膜結構，其中該類鑽碳層的厚度為100奈米(nm)至100微米(μm)，而該類鑽碳層的電阻率為10^-4 Ω-cm至10^-1 Ω-cm。
如申請專利範圍第16項所述的熱電薄膜結構，其中該金屬介面層的厚度小於1微米(μm)，而電阻率為10^-4 Ω-cm。
如申請專利範圍第16項所述的熱電薄膜結構，其中該金屬層的厚度小於100微米(μm)，而電阻率為10^-5 Ω-cm至10^-6 Ω-cm。