低热导率材料的制作方法
【专利摘要】提供了具有低法向热导率的材料的实施方案。优选地，所述材料为热电材料。通常，热电材料设计为阻断声子，其降低或消除了由晶格振动导致的传热，并且由此降低或消除了法向热导率。通过降低热电材料的热导率，改善了热电材料的优值(ZT)。在一个实施方案中，热电材料包括阻断或反射多个声子波长的多个超晶格周期。
【专利说明】低热导率材料
[0001]相关申请
本申请要求2011年7月8日提交的临时专利申请系列号61/505，723的优先权，其公开内容在此通过引用以其整体并入本文。
【技术领域】
[0002]本公开涉及低热导率材料，并且特别是涉及低热导率热电材料。
【背景技术】
[0003]基于半导体材料和器件的技术具有显著的商业成就记录。硅基固态电子学给我们带来了在超过四十年内每两年就性能加倍的计算技术(摩尔定律)。另外，化合物半导体光电子学，主要是砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)基II1-V半导体激光二极管，给我们带来了每九个月就使来自光纤的数据加倍的通讯技术(Butter光子学定律)。现在，半导体技术已经应用于能量和能效。基于硅和其他半导体材料的太阳能电池设备近来经历了显著的商业成功。然而，广泛认识到对于太阳能电池功率产生效率方面几乎不存在显著改善的空间。换言之，太阳能电池似乎没有与摩尔定律类型的改善相当的机会。相反，用于从热源产生功率的热电材料越来越被认为具有在清洁【技术领域】产生摩尔定律类型的持续性能改善的潜力。热电材料可用于形成热电发电机和热电冷却器。
[0004]热电材料的优值(ZT)是用于比较各种热电材料的功效的无量纲单位。优值(ZT)是由三个物理参数决定的:热能α (还称为赛贝克系数)、电导率σ和热导率k = ke + kph，其中和kph分别为电子和声子的热导率；和绝对温度T:
7Ψ= ^ T.0
[0005]提高该值至2.0或更高将`破坏现有技术并将最终使热电系统实现更广泛的应用。从上述公式可以看出优值(ZT)与热电材料的热导率成反比。因此，降低热电材料的热导率将增加优值(ZT)。因此，亟需低热导率热电材料。
[0006]发明概述
提供了具有低法向热导率的材料的实施方案。优选地，该材料是热电材料。通常，热电材料设计为阻断声子，声子会降低或消除由晶格振动导致的传热并由此降低或消除热导率。通过降低热电材料的热导率，改善了热电材料的优值(ZT)。在一个实施方案中，热电材料包括阻断或反射多个声子波长的多个超晶格周期。对于要阻断的各个声子波长，超晶格周期包括各自具有约等于声子波长的四分之一的厚度的一种材料组合物的层和各自具有约等于声子波长的四分之一的厚度的另一材料组合物的层。各自具有约等于声子波长的四分之一的厚度的一种材料组合物的层和各自具有约等于声子波长的四分之一的厚度的另一材料组合物的层一起阻断或反射声子波长。
[0007]在一个实施方案中，各个超晶格周期阻断不同声子波长。更具体地，对于各个声子波长，相应的超晶格周期包括交替的一系列各自具有约等于声子波长的四分之一的厚度的第一材料组合物层和各自具有约等于声子波长的四分之一的厚度的第二材料组合物层。在一个实施方案中，超晶格周期的数量和由此阻断的不同声子波长的数量大于2，大于3，大于5,大于7,或大于10。在一个实施方案中，各个超晶格周期的大小大于或等于10,在10-200的范围内并且包括10和200，或在100-150的范围内并且包括100和150。超晶格周期的大小是超晶格周期中的交替的材料组合物被重复的次数。在一个实施方案中，对于各个超晶格周期，第一和第二材料组合物为第IV-VI族半导体材料。在另一实施方案中，对于各个超晶格周期，第一和第二材料组合物为较低和较高带隙的第IV-VI族半导体材料。
[0008]在另一实施方案中，对于至少两个声子波长中的每一个，在一个超晶格周期中包括各自具有约等于声子波长的四分之一的厚度的第一材料组合物层，并且另一不同的超晶格周期中包括各自具有约等于声子波长的四分之一的厚度的第二材料组合物层。在一个实施方案中，超晶格周期的数量和由此阻断的不同声子波长的数量大于2，大于3，大于5，大于7，或大于10。在一个实施方案中，各个超晶格周期的大小大于或等于10，在10-200的范围内并且包括10和200，或在100-150的范围内并且包括100和150。在一个实施方案中，对于各个超晶格周期，第一和第二材料组合物为第IV-VI族半导体材料。在另一实施方案中，对于各个超晶格周期，第一和第二材料组合物为较低和较高带隙的第IV-VI族半导体材料。
[0009]在联系附图阅读优选实施方案的以下详细说明之后，本领域技术人员将能领会本公开的范围并且认识到其更多的方面。
[0010]附图简述
并入并构成本说明书的一部分的附图阐明了本公开的若干方面，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。
[0011]图1显示了根据本公开的一个实施方案的低导热率热电材料；
图2显示了根据本公开的另一实施方案的低导热率热电材料；和 图3A和3B显示了图1的热电材料的两个实施例。
[0012]详细说明
下面列出的实施方案给出了使本领域技术人员能够实施实施方案的必要信息并且例示了实施这些实施方案的最佳方式。在根据附图阅读下列描述后，本领域技术人员将理解本公开的概念并且将认识到这些概念的在本文中未特别提及的应用。应当理解这些概念和应用落入本公开和所附权利要求书的范围内。
[0013]应当理解，虽然可以在本文中使用术语第一、第二等等来描述各种要素，这些要素不应被这些术语限制。这些术语仅用于区别一种要素与另一种要素。例如，第一要素可被称为第二要素，并且类似地，第二要素可被称为第一要素，而不偏离本公开的范围。在本文中使用时，术语“和/或”包括一种或多种相关列出项的任何和所有组合。
[0014]应当理解，当要素，例如层、区域或基材，被称为在另一要素“上”或延伸到另一要素“上”，其可以直接在另一要素上或直接延伸到另一要素上，也可以存在介入要素。相反，当要素被称为“直接在另一要素上”或“直接延伸到另一要素上”，则不存在介入要素。还可以理解，当要素被称为与另一要素“连接”或“结合”时，其可以直接与另一要素连接或结合，也可以存在介入要素。相反，当要素被称为与另一要素“直接连接”或“直接结合”时，则不存在介入要素。[0015]关系术语，例如“低于”或“高于”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”，在本文可以用于描述一个要素、层或区域与另一要素、层或区域的关系，如图中所例示的。应当理解，这些术语和上面讨论的那些意在除了图中描述的取向之外还包括设备的不同取向。
[0016]本文使用的术语仅是为了描述特定实施方案的目的，并且不意在限制本公开。除非上下文清楚地另外指出，在本文中使用时，单数形式〃 一 〃、〃 一个〃和〃所述〃还意在包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语〃包括(comprises)"、〃包括(comprising) 〃、〃 包含(includes) 〃和 / 或〃包含(including) 〃 规定了指定特征、整数、步骤、操作、要素和/或组分的存在，但并不排除一种或多种其他特征、整数、步骤、操作、要素、组分和/或其群组的存在或加入。
[0017]除非另外定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域技术人员通常理解的相同含义。还应当理解，本文使用的术语应解释为具有与本说明书上下文和相关领域中其含义一致的含义，并且不以理想化或过于形式的意义解释，除非在本文中明确如此定义。
[0018]图1显示了根据本公开的一个实施方案的低热导率热电材料10 (下文中称作“热电材料10”)。请注意，尽管本文所述的实施方案集中于热电材料10，但本文所述的观点并不限于热电材料。通常，热电材料10包括多个超晶格周期12-1至12-M (有时统称为超晶格周期12)，其中M大于或等于2。更优选地，M大于或等于3，大于或等于5，大于或等于7，或者大于或等于10。超晶格周期12-1至12-M设计为阻断或者反射M个声子波长。在该特定实施方案中，各个超晶格周期12-1至12-M设计为阻断不同声子波长。通过阻断M个声子波长，所有或至少大部分的声子谱(即，热电材料10中的所有声子波长)被阻断，其进而降低或最小化由晶格振动导致的传热并由此降低或最小化热电材料10的法向热导率。由于热电材料的优值(ZT)与该热电材料的热导率成反比，所以通过降低或最小化热电材料10的热导率，增大了热电材料10的优值(ZT)。
[0019]在该特定实施方案中，超晶格周期12-1阻断或反射声子波长λ1()声子波长A1与由其他超晶格周期12-2至12-Μ阻断的声子波长入2至λΜ不同。如显示的，超晶格周期12-1包括交替的第一材料组合物层和第二材料组合物层。在该特定实施方案中，超晶格周期12-1包括硒化铅(PbSe)层14-1至H-N1和硒化锡铅(PbSnSe)层16_1至W-N1，其布置为形成交替的一系列PbSe层和PbSnSe层。然而，请注意可以使用其他材料。在一个实施方案中，超晶格周期12-1由交替的一系列第IV-VI族半导体材料形成。在另一实施方案中，超晶格周期12-1由交替的一系列较低和较高带隙第IV-VI族半导体材料形成，例如交替的PbSe层和硒化锶铅(PbSrSe)层，交替的碲化铅(PbTe)层和碲化锡铅(PbSnTe)层，或者交替的PbTe层和碲化锶铅(PbSrTe)层。特别地，在本文中N1称为超晶格周期12_1的大小。换目之，超晶格周期12-1的大小为超晶格周期12_1中PbSe层和PbSnSe层被重复的次数。
[0020]PbSe层14-1至H-N1和PbSnSe层16_1至16_&各自具有等于或至少约等于待被超晶格周期12-1阻断的声子波长λ 1四分之一的厚度(tl)。此外，PbSe层14-1至H-N1和PbSnSe层16-1至W-N1的数量(N1)优选大于或等于10，更优选在10-200的范围内并且包括10和200，并且进一步更优选在100-150的范围内。优选地，PbSe层14_1至H-Ni和PbSnSe层16-1至Ie-N1的数量(N1)使得对于声子波长λ i，超晶格周期12_1提供大于或等于90%的反射率，更优选对于声子波长λ i提供大于或等于95%的反射率，进一步更优选对于声子波长λ i提供大于或等于99%的反射率。对于PbSe/PbSnSe，当N1约等于100时，存在约99%的期望声子波长的反射率。
[0021]以类似方式，超晶格周期12-2阻断或反射声子波长λ2。声子波长入2与被其他超晶格周期12-1和12-3 (未显示)至12-Μ阻断的声子波长λ i和λ 3 (未显示)至λ Μ不同。如所示的，超晶格周期12-2包括交替的第一材料组合物层和第二材料组合物层。在该特定实施方案中，超晶格周期12-2包括PbSe层18-1至18_Ν2和PbSnSe层20_1至20_Ν2，其布置为形成交替的一系列PbSe层和PbSnSe层。然而,请注意可以使用其他材料。在一个实施方案中，超晶格周期12-2由交替的一系列第IV-VI族半导体材料形成。在另一实施方案中，超晶格周期12-2由交替的一系列较低和较高带隙第IV-VI族半导体材料形成，例如交替的PbSe层和PbSrSe层，交替的PbTe层和PbSnTe层，或者交替的PbTe层和PbSrTe层。特别地，在本文中N2称为超晶格周期12-2的大小。换言之，超晶格周期12-2的大小为超晶格周期12-2中PbSe层和PbSnSe层被重复的次数。
[0022]PbSe层18-1至18_Ν2和PbSnSe层20_1至20_Ν2各自具有等于或至少约等于待被超晶格周期12-2阻断的声子波长λ 2的四分之一的厚度(t2)。此外，PbSe层18-1至IS-N2和PbSnSe层20-1至20_N2的数量(N2)优选大于或等于10，更优选在10-200的范围内并且包括10和200，并且进一步更优选在100-150的范围内。优选地，PbSe层18_1至18_N2和PbSnSe层20-1至20_N2的数量(N2)使得对于声子波长λ 2，超晶格周期12_2提供大于或等于90%的反射率，更优选对于声子波长λ 2提供大于或等于95%的反射率，进一步更优选对于声子波长λ 2提供大于或等于99%的反射率。对于PbSe/PbSnSe，当N2约等于100时，存在约99%的期望声子波长的反射率。
[0023]同样地，超晶格周期12-M阻断或反射声子波长λ Μ。声子波长λ μ与被其他超晶格周期12-1至12-Μ-1阻断的声子波长入1至Xsh不同。如所示的，超晶格周期12-Μ包括交替的第一材料组合物层和第二材料组合物层。在该特定实施方案中，超晶格周期12-Μ包括PbSe层22-1至22-Νμ和PbSnSe层24_1至24_ΝΜ，其布置为形成交替的一系列PbSe层和PbSnSe层。然而，请注意可以使用其他材料。在一个实施方案中，超晶格周期12-Μ由交替的一系列第IV-VI族半导体材料形成。在另一实施方案中，超晶格周期12-Μ由交替的一系列较低和较高带隙的第IV-VI族半导体材料形成，例如交替的PbSe层和PbSrSe层，交替的PbTe层和PbSnTe层，或者交替的PbTe层和PbSrTe层。特别地，在本文中Nm称为超晶格周期12-Μ的大小。换言之，超晶格周期12-Μ的大小为超晶格周期12-Μ中PbSe层和PbSnSe层被重复的次数。
[0024]PbSe层22-1至22_ΝΜ和PbSnSe层24_1至24_ΝΜ各自具有等于或至少约等于待被超晶格周期12-Μ阻断的声子波长λ μ的四分之一的厚度(tM)。此外，PbSe层22-1至22-Nm和PbSnSe层24-1至24_NM的数量(Nm)优选大于或等于10，更优选在10-200的范围内并且包括10和200，并且进一步更优选在100-150的范围内。优选地，PbSe层22_1至22_NM和PbSnSe层24-1至24_NM的数量(Nm)使得对于声子波长λ Μ，超晶格周期12-Μ提供大于或等于90%的反射率，更优选对于声子波长λ Μ提供大于或等于95%的反射率，进一步更优选对于声子波长λ μ提供大于或等于99%的反射率。对于PbSe/PbSnSe，当Nm约等于100时，存在约99%的期望声子波长的反射率。[0025]最后，尽管在该特定实施方案中层14-1至14-&、18-1至18_N2，和22_1至22_NM由相同的材料组合物形成，但热电材料10不限于此。作为替代，层14-1至H-N1，和/或层18-1至18-N2，和/或层22-1至22-NM可以由不同的材料组合物形成。例如，层14_1至H-N1可以由PbSe形成，而层18-1至18_N2可以由PbTe形成。同样地，尽管在该特定实施方案中，层16-1至16-&、20-1至20-N2，和24_1至24_NM由相同的材料组合物形成，但热电材料10不限于此。作为替代，层16-1至16鳴，和/或层20-1至20-N2,和/或层24-1至24-NM可以由不同的材料组合物形成。例如，层16-1至W-N1可以由PbSnSe形成，而层18-1至18-N2可以由PbSrSe形成。还应注意到,在一个实施方案中，N1 = N2 =…，=NM。然而，本公开不限于此。具体地，N1至Nm可以为任何期望值并且它们中的某些、全部可以相等，或者它们全不相等。
[0026]作为层14-1 至 14-Ν”16-1 至 16鳴，18_1 至 18_Ν2、20_1 至 20_Ν2、22_1 至 22_ΝΜ和 24-1 至 24-Νμ 的厚度 U1 至 tM)，和层 14-1 至 14鳴、16_1 至 16鳴，18-1 至 18_N2、20_1至20-Ν2、22-1至22-NM和24_1至24_NM的不同材料组合物之间的界面的结果，超晶格周期12-1至12-M阻断了声子波长(λ i至λ M)。如上所讨论的，阻断声子波长降低或最小化由晶格振动导致的传热，其进而降低或最小化热电材料10的热导率。因此，增大了热电材料10的优值(ZT)。
[0027]图2例示了根据本公开的另一实施方案的热电材料10。一般而言，对于各个厚度U1至tM)，不同材料组合物的层不必在相同超晶格周期中。对于所有或某些厚度U1至tM)，不同材料组合物的层可以分布在超晶格周期12-1至12-M之中。
[0028]在该实施方案中，超晶格周期12-1包括交替的第一材料组合物层和第二材料组合物层，其中第一材料组合物层的厚度等于或至少约等于一种声子波长的四分之一，并且第二材料组合物层的厚度等于或至少约等于另一声子波长的四分之一。此外，超晶格周期12-1包括PbSe层14-1至H-N1和PbSnSe层16-1至16鳴，其布置为形成交替的一系列PbSe层和PbSnSe层。在该特定实施方案中，PbSe层14_1至H-N1各自具有等于或至少约等于声子波长X1的四分之一的 厚度(^,PbSnSe层16-1至Ie-N1各自具有等于或至少约等于声子波长λΜ的四分之一的厚度(tM)。
[0029]请注意尽管PbSe和PbSnSe为该实施方案中的材料组合物，但也可以使用其他材料。在一个实施方案中，超晶格周期12-1由交替的一系列第IV-VI族半导体材料形成。在另一实施方案中，超晶格周期12-1由交替的一系列较低和较高带隙的第IV-VI族半导体材料形成，例如交替的PbSe层和PbSrSe层，交替的PbTe层和PbSnTe层，或者交替的PbTe层和 PbSrTe 层。
[0030]以类似方式，超晶格周期12-2包括交替的第一材料组合物层和第二材料组合物层，其中第一材料组合物层的厚度等于或至少约等于一种声子波长的四分之一，并且第二材料组合物层的厚度等于或至少约等于另一声子波长的四分之一。此外，超晶格周期12-2包括PbSe层18-1至18-N2和PbSnSe层20_1至20_N2，其布置为形成交替的一系列PbSe层和PbSnSe层。在该特定实施方案中，PbSe层18_1至18_N2各自具有等于或至少约等于声子波长λ 2的四分之一的厚度(t2)，PbSnSe层20-1至20-队各自具有等于或至少约等于声子波长Xsh的四分之一的厚度(tH)。
[0031]请注意尽管PbSe和PbSnSe为该实施方案中的材料组合物，但也可以使用其他材料。在一个实施方案中，超晶格周期12-2由交替的一系列第IV-VI族半导体材料形成。在另一实施方案中，超晶格周期12-2由交替的一系列较低和较高带隙的第IV-VI族半导体材料形成，例如交替的PbSe层和PbSrSe层，交替的PbTe层和PbSnTe层，或者交替的PbTe层和 PbSrTe 层。
[0032]同样地，超晶格周期12-M包括交替的第一材料组合物层和第二材料组合物层，其中第一材料组合物层的厚度等于或至少约等于一种声子波长的四分之一，并且第二材料组合物层的厚度等于或至少约等于另一声子波长的四分之一。此外，超晶格周期12-M包括PbSe层22-1至22-Nm和PbSnSe层24_1至24_NM，其布置为形成交替的一系列PbSe层和PbSnSe层。在该特定实施方案中，PbSe层22-1至22-NM各自具有等于或至少约等于声子波长λΜ的四分之一的厚度(tM)，PbSnSe层24-1至24-ΝΜ各自具有等于或至少约等于声子波长X1的四分之一的厚度(tl)。
[0033]请注意尽管PbSe和PbSnSe为该实施方案中的材料组合物，但也可以使用其他材料。在一个实施方案中，超晶格周期12-M由交替的一系列第IV-VI族半导体材料形成。在另一实施方案中，超晶格周期12-M由交替的一系列较低和较高带隙的第IV-VI族半导体材料形成，例如交替的PbSe层和PbSrSe层，交替的PbTe层和PbSnTe层，或者交替的PbTe层和 PbSrTe 层。
[0034]图2的热电材料10包括在超晶格周期12-M中的具有厚度&的PbSe层14_1至H-N1，其与在超晶格周期12-M中的具有厚度&的PbSnSe层24_1至24_NM—起阻断声子波长λ lt)热电材料10还包括在超晶格周期12-2中的具有厚度t2的PbSe层18_1至18_N2，其与在超晶格周期12-M-1 (未显示)中的具有厚度t2的PbSnSe层一起阻断声子波长入2。同样地，热电材料10还包括在超晶格周期12-M中的具有厚度tM的PbSe层22_1至22_NM，其与在超晶格周期12-1中的具有厚度tM的PbSnSe层16_1至W-N1 —起阻断声子波长λ M。以类似方式，其他PbSe层和PbSnSe层起阻断任何其他声子波长的作用。
[0035]更一般地说，图2的热电材料10包括超晶格周期12-1至12_M，其中对于要阻断的各个声子波长入1至λ M，超晶格周期12-1至12-M包括各自具有等于或至少约等于该声子波长的四分之一的厚度的一种材料组合物层，和各自具有等于或至少约等于该声子波长的四分之一的厚度的另一材料组合物层。具有等于或至少约等于特定声子波长的四分之一的厚度的不同材料组合物层一起起到阻断该声子波长的作用，而不管它们在热电材料10中的位置如何。所以，在该特定实施方案中，对于任何特定声子波长，相应的PbSe层和PbSnSe层可以为同一超晶格周期12中的交替层。或者，PbSe层可以位于一个超晶格周期12，而PbSnSe层可以位于另一超晶格周期12。
[0036]应当注意，对于各个厚度U1至tM)，具有所述厚度的PbSe层的数量优选等于具有相同厚度的PbSnSe层的数量。所以，在该特定实施方案中，具有厚度h的PbSe层14_1至H-N1的数量(N1)优选等于具有厚度&的PbSnSe层24_1至24_NM的数量(Nm)。同样地，具有厚度t2的PbSe层18-1至18-N2的数量(N2)优选等于具有厚度t2的超晶格周期12_Mm_i中的PbSnSe层的数量(Nsh)，并且具有厚度tM的PbSe层22_1至22_NM的数量(Nm)优选等于具有厚度tM的PbSnSe层16-1至16-&的数量(N1)。
[0037]此外，对于各个厚度U1至tM)，具有所述厚度的PbSe层的数量和具有所述厚度的PbSnSe层的数量优选大于或等于10，更优选在10-200的范围内并且包括10和200，并且进一步更优选在100-150的范围内。优选地，对于各个厚度U1至tM)，具有所述厚度的PbSe层的数量和具有所述厚度的PbSnSe层的数量使得PbSe层和PbSnSe层一起对于相应的声子波长提供大于或等于90%的反射率，更优选对于相应的声子波长提供大于或等于95%的反射率，并且进一步更优选对于相应的声子波长提供大于或等于99%的反射率。对于PbSe/PbSnSe,当存在相应厚度的大约100个PbSe层和100个PbSnSe层时，存在约99%的期望声子波长的反射率。
[0038]尽管在图2的特定实施方案中，层14-1至14鳴、18_1至18_N2，和22_1至22_NM由相同材料组合物形成，但热电材料10不限于此。作为替代，层14-1至H-N1，和/或层18-1至18-N2，和/或层22-1至22-NM可以由不同材料组合物形成。例如，层14_1至H-N1可以由PbSe形成,而层18-1至18-N2可以由PbTe形成。同样地，尽管在该特定实施方案中，层16-1至16-&、20-1至20-N2，和24_1至24_NM由相同材料组合物形成，但热电材料10不限于此。作为替代，层16-1至W-N1，和/或层20-1至20-N2，和/或层24_1至24_NM可以由不同材料组合物形成。例如，层16-1至W-N1可以由PbSnSe形成,而层18_1至18_N2可以由PbSrSe形成。还应注意,在一个实施方案中，N1 = N2 =…，=NM。然而,本公开不限于此。
[0039]最后，应注意尽管在图2的实施方案中各个超晶格周期12-1至12-M包括一种厚度的PbSe层和另一厚度的PbSnSe层，但热电材料10不限于此。某些超晶格周期12_1至12-M可以包括相同厚度的PbSe层和PbSnSe层，而其他超晶格周期12_1至12-M可以包括不同厚度的PbSe层和PbSnSe层。此外，尽管在图2中显示了一种特定的层布置，但热电材料10不限于此。热电材料10的层可以以任何期望的方式布置，只要热电材料10对于各个期望的厚度U1至tM)包括不同材料组合物的层。
[0040]作为层14-1 至 14-Ν”16-1 至 16鳴，18_1 至 18_Ν2、20_1 至 20_Ν2、22_1 至 22_ΝΜ和 24-1 至 24-Νμ 的厚度 U1 至 tM)，和层 14-1 至 14鳴、16_1 至 16鳴，18-1 至 18_N2、20_1至20-Ν2、22-1至22-NM和24_1至24_NM的不同材料组合物之间的界面的结果，超晶格周期12-1至12-M阻断了声子波长(λ i至λ M)。如上所讨论的，阻断声子波长降低或最小化由晶格振动导致的传热，其进而降低或最小化热电材料10的热导率。因此，增大了热电材料10的优值(ZT)。
[0041]图3Α和3Β显示了热电材料10的两个实施例。请注意这些实施方案仅是实施例并且不意在限制本公开的范围。更具体地，图3Α显示了热电材料10的实施例，其与图1的类似，其包括三个超晶格周期12-1至12-3 ( 即，Μ=3)，其中I1约等于1.2纳米(nm)，t2约等于1.8 _，和&约等于2.4 _，且& = 250, N2 = 167，和％ = 125。类似地，图3B显示了热电材料10的实施例，其与图1的类似，其包括五个超晶格周期12-1至12-5 (即，M=5)，其中h约等于0.8纳米(nm), t2约等于1.7 nm, t3约等于2.6 nm, t4约等于3.4 nm,和t5约等于 4.3 _，且& = 150, N2 = 75, N3 = 50, N4 = 38 和 N5 = 30。图 3A 的热电材料 10 的热导率经试验确定为1.1瓦特每米开尔文(W/mK) (ke = 0.3胃/1111(和1^ = 0.8 ff/mK)，并且图3B的热电材料10的热导率经试验确定为0.6 W/mK (ke = 0.3 WAiI^Pk1 = 0.3 W/mK)。作为比较，1.5微米厚的PbSe层的热导率经试验确定为2.2 ff/mk (ke = 0.3 W/mK和Ii1 =1.9 W/mK)。从该试验数据可以看出，本公开的热电材料10具有降低的热导率，并由此具有改善的优值(ZT)。[0042]本领域技术人员将认识到本公开的优选实施方案的改进和修改。所有这种改进和修改均认为在本文公开的概念和后附的权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.一种材料,其包括: 适于阻断多个声子波长的多个超晶格周期，所述多个超晶格周期包括，对于所述多个声子波长中的各个声子波长，各自具有约等于声子波长的四分之一的厚度的一种材料组合物的多个层，和各自具有约等于声子波长的四分之一的厚度的另一材料组合物的多个层。
2.权利要求1的材料，其中所述多个超晶格周期为至少两个超晶格周期，并且所述多个声子波长为至少两个声子波长。
3.权利要求1的材料，其中所述多个超晶格周期为至少三个超晶格周期，并且所述多个声子波长为至少三个声子波长。
4.权利要求1的材料，其中所述多个超晶格周期为至少五个超晶格周期，并且所述多个声子波长为至少五个声子波长。
5.权利要求1的材料，其中所述多个超晶格周期为至少七个超晶格周期，并且所述多个声子波长为至少七个声子波长。
6.权利要求1的材料，其中所述多个超晶格周期为至少十个超晶格周期，并且所述多个声子波长为至少十个声子波长。
7.权利要求1的材料，其中对于所述多个声子波长中的各个声子波长，所述约等于声子波长的四分之一的厚度为在0.5-10纳米的范围内并且包括0.5纳米和10纳米的不同厚度。
8.权利要求1的材料，其中所述多个超晶格周期中的各个超晶格周期包括交替的一系列第一材料组合物层和第 二材料组合物层。
9.权利要求8的材料，其中所述第一材料组合物在所有所述多个超晶格周期中相同，并且所述第二材料组合物在所有所述多个超晶格周期中相同。
10.权利要求8的材料，其中所述第一材料组合物为硒化铅，并且所述第二材料组合物为硒化锡铅。
11.权利要求8的材料，其中至少一个所述多个超晶格周期中的第一材料组合物与至少另一个所述多个超晶格周期中的第一材料组合物不同，并且至少一个所述多个超晶格周期中的第二材料组合物与至少另一个所述多个超晶格周期中的第二材料组合物不同。
12.权利要求8的材料，其中对于所述多个超晶格周期中的各个超晶格周期，第一材料组合物和第二材料组合物为不同的第IV-VI族半导体材料。
13.权利要求8的材料，其中对于所述多个超晶格周期中的各个超晶格周期，第一材料组合物和第二材料组合物为较高和较低带隙的第IV-VI族半导体材料。
14.权利要求8的材料，其中对于所述多个超晶格周期中的各个超晶格周期: 第一材料组合物为由硒化铅和碲化铅组成的组中的一个；和 第二材料组合物为由硒化锡铅、硒化锶铅、碲化锡铅和碲化锶铅组成的组中的一个。
15.权利要求1的材料，其中对于所述多个超晶格周期中的各个超晶格周期，超晶格周期的大小为至少10。
16.权利要求1的材料，其中对于所述多个超晶格周期中的各个超晶格周期，超晶格周期的大小在10-200的范围内并且包括10和200。
17.权利要求1的材料，其中对于所述多个超晶格周期中的各个超晶格周期，超晶格周期的大小在100-150的范围内并且包括100和150。
18.权利要求1的材料，其中对于所述多个声子波长中的各个声子波长，所述一种材料组合物的多个层和另一材料组合物的多个层为相应的一个所述多个超晶格周期中的交替层。
19.权利要求1的材料，其中对于至少两个所述多个声子波长中的各个声子波长，所述一种材料组合物的多个层和另一材料组合物的多个层在不同的所述多个超晶格周期中。
20.权利要求1的材料,其中所述材料为热电材料。
21.一个材料，其包括: 多个超晶格周期，所述多个超晶格周期包括，对于在0.5-10纳米的范围内并且包括0.5纳米和10纳米的多个不同厚度中的各个厚度，各自具有约等于所述厚度的厚度的一种材料组合物的多个层，和各自具 有 约等于所述厚度的厚度的另一材料组合物的多个层。
【文档编号】H01L35/26GK103828080SQ201280034026
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年6月29日 优先权日:2011年7月8日
【发明者】P.J.麦肯 申请人:俄克拉荷马州大学评议会