热电材料结构的制作方法

本实用新型关于一种材料结构，特别关于一种热电材料(thermoelectric material)结构。

背景技术：

由于近年来，地球暖化及环保意识等议题备受重视，如何节能减碳及提高能源使用效率一直是研究的主要项目。「热电材料」是一种能够在没有其他特定外力或机件的协助下，使热能转换为电能的功能性材料。在目前的产业中，热电材料可应用于例如热能致冷器、半导体芯片冷却、热电发电机、太空应用、或其他热能转换电能的领域中。

热电材料的能量转换效率一般取决于材料的热电优质系数(thermoelectric figure of merit，一般以ZT值来表示)，其公式如下所示：

其中，α为西贝克系数(Seebeck coefficient)，σ为电导率(electrical conductivity)，k为热导率，其为电子热导率ke(electron thermal conductivity)与声子热导率kL(Phonon thermal conductivity)的和，而T为操作温度(绝对温度)。当ZT越高时，表示热电材料的性能越佳，热电转换效率越高。

由上式中可得知，通过提高西贝克系数α及电导率σ，或是降低热导率k，可提高ZT值。于常规熟知的技术中，大都通过提高西贝克系数α或电导率σ来提升ZT值，其中又以提高西贝克系数α的效果较为明显。

技术实现要素：

本实用新型的目的为提供一种有别于常规熟知的利用提高西贝克系数或电导率来提升ZT值的热电材料结构。本实用新型提出的热电材料结构，除了具有较低的成本之外，更可因应不同的应用而制作不同特性的热电材料结构，以得到较高的热电转换效率。

为达上述目的，本实用新型提出一种热电材料结构，包括一基板、至少一个间隔层以及至少一个二维材料层。基板具有一表面。二维材料层与间隔层重叠设置于基板的表面上，且二维材料层于垂直基板的表面的方向上的热导率小于10W/mK。

在一实施例中，间隔层或二维材料层包含导电材料。

在一实施例中，间隔层为二维材料所构成的膜层、纳米粒子、或纳米结构所构成的膜层。

在一实施例中，间隔层的材料为石墨烯、还原氧化石墨烯、碳基与硼基系材料、硫族化合物、磷烯、硅烯、二维材料、热电材料、C60团簇纳米粒子、导电纳米粒子、导电纳米复合材料粒子、或其组合。

在一实施例中，二维材料层的材料为石墨烯、还原氧化石墨烯、碳基与硼基系材料、硫族化合物、磷烯、硅烯、热电材料、导电材料、或其组合。

在一实施例中，间隔层设置于二维材料层与基板之间。

在一实施例中，二维材料层设置于间隔层与基板之间。

在一实施例中，间隔层设置于两个二维材料层之间。

在一实施例中，多个二维材料层重叠后再与间隔层重叠设置。

在一实施例中，该些间隔层与该些二维材料层交错设置。

在一实施例中，该些间隔层的数量与该些二维材料层的数量相同。

在一实施例中，该些间隔层的数量与该些二维材料层的数量不相同。

在一实施例中，热电材料结构为软板或透明板。

承上所述，因本实用新型的热电材料结构中，包含至少一个间隔层与至少一个二维材料层，而二维材料层与间隔层重叠设置于基板的表面上，且二维材料层于垂直基板表面的方向上的热导率小于

10W/mK。因此，通过上述的结构设计，可使本实用新型有别于常规熟知的利用提高西贝克系数或电导率来提升ZT值的技术。另外，本实用新型除了具有较低的成本外，更可因应不同的应用需求而制作出定制化且特性不同的热电材料结构，以得到较高的热电转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型较佳实施例的一种热电材料结构的示意图。

图2A至图3D分别为本实用新型不同实施例的热电材料结构的示意图。

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明本实用新型较佳实施例的热电材料结构，其中相同的组件将以相同的参照符号加以说明。

在常规熟知的技术中，为了使热电材料有较好的能量转换效率，大都通过提高西贝克系数α或电导率σ来提升热电转换材料的ZT值。但是，本实用新型的热电材料结构则是通过降低转换材料的热导率k来提升其ZT值，由此使热电材料结构具有较高的能量转换效率。

以下的「二维材料」指的是长、宽、高三维中，仅有高(厚)度是纳米尺度，亦即形状是平面，但高度为纳米等级(例如但不限于1～100纳米之间)的材料。

请参照图1所示，其为本实用新型较佳实施例的一种热电材料结构1的示意图。

热电材料结构1包括一基板11、至少一个间隔层12以及至少一个二维材料层13。

基板11具有一表面111。于此，表面111为基板11的上表面。基板11的材料可例如但不限于玻璃、石英(Quartz)、金属、非金属、或其他材料所构成的基材；或者，基板11亦可为硬板(例如印刷电路板)、软板、透明板、或其他可供设置间隔层12与二维材料层13的基材，本实用新型并不限制其材料。本实施例是以一层间隔层12与一层二维材料层13重叠后设置于基板11的表面111，而且间隔层12设置于二维材料层13与基板11之间为例，然并不以此为限，在不同的实施例中，二维材料层13亦可位于间隔层12与基板11之间。

间隔层12可为纳米粒子或纳米结构所构成的膜层而具有复数纳米粒子(纳米粒子层)。如图1所示，间隔层12的材料可为C₆₀团簇(clusters)纳米粒子、导电纳米粒子、导电纳米复合材料粒子或其组合。其中，导电纳米粒子可包含金属(例如Au)纳米粒子、合金纳米粒子、金属氧化物(例如CuO或Cu₂O)纳米粒子、金属核心(Core-shell)纳米粒子、或半导体导电纳米粒子。金属核心纳米粒子可例如为金属核心外围包覆氧化物或包覆聚合物，并不限定。本实施例的间隔层12是以具有复数纳米粒子121的导电纳米粒子层为例。在一些实施例中，如图2A所示，于间隔层12中的纳米粒子中，多颗的纳米粒子121也可粘附成团状物，本实用新型并不限制。

或者，在另一些实施例中，间隔层12亦可为二维材料所构成的膜层(二维材料层)。如图2B所示，间隔层12的材料也可为石墨烯(Graphene)、还原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,rGO)、碳基与硼基系(B-C-N)材料、硫族化合物(Chalcogenides，例如二硫化钼(MoS₂))、磷烯(Phosphorene)、硅烯(Silicene)、热电材料(例如Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、或其他热电材料)、或其组合，本实用新型皆不限制。

间隔层12或二维材料层13包含导电材料。本实施例是以间隔层12与二维材料层13均具有导电材料为例。具体来说，间隔层12与二维材料层13均为电的良导体或半导体，电子容易于间隔层12或二维材料层13本身，或间隔层12与二维材料层13之间跨层(cross-plane)传输。于此，跨层方向就是垂直基板11的表面111的方向D1。本实施例的间隔层12的厚度亦为纳米等级时(例如直径在50纳米以下)，能允许电流跨层传播，但是会阻挡热能跨层传播。因此，跨层方向(方向D1)的电子热导率ke与声子热导率kL较低，使得热电材料结构1的整体热导率k较低。具体来说，本实施例的间隔层12可允许电子跨层传播(可导电)，但对于热量来说，并不易跨层传播，亦即间隔层12的跨层导热效果很差，具有绝热效果。

二维材料层13于垂直基板11的表面111的方向D1上的热导率小于10瓦特/公尺-K(W/mk)。顾名思义，二维材料层13的厚度是纳米等级，且于跨层方向上的热导率小于10W/mK。因此，由基板11的下表面(表面112)传输至基板11的上表面(表面111)的热量不易往二维材料层13(的上表面)传输，因此，二维材料层13亦具有绝热的效果。

二维材料层13的材料可为石墨烯(Graphene)、还原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,rGO)、碳基与硼基系(B-C-N)材料、硫族化合物(Chalcogenides)、磷烯(Phosphorene)、硅烯(Silicene)、热电材料(例如Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、其他热电材料)、导电材料、或其组合。而导电材料例如为金属导电材料、合金导电材料、或半导体导电材料，并不限制。在一些实施例中，二维材料层13的材料例如为石墨烯，其跨层方向(方向D1)的热导率小于0.001W/Mk(石墨烯于平行基板11之表面111的方向D2上的热导率却相当高，例如大于200W/mK)。在一些实施例中，基板11的下表面(表面112)可具有较高的温度，使得热量可由基板11的表面112往基板11的表面111传递，但是，由于二维材料层13于方向D1的热导率较小，因此，热量也不易由基板11的表面111往二维材料层13(的上表面)传输，故使得整体的热电材料结构1具有很低的热导率k。

此外，在制造的工艺上，可例如但不限于以化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)法将石墨烯材料制作成二维材料层，由此，可降低热电材料结构1的制作成本。

请参照图3A至图3D所示，其分别为本实用新型不同实施例的热电材料结构1a～1d的示意图。

如图3A所示，热电材料结构1a与图1的热电材料结构1主要的不同在于，热电材料结构1a的二维材料层13是设置于间隔层12与基板11之间，而且间隔层12设置于两个二维材料层13之间。具体来说，本实施例由下而上依序为一层二维材料层13、一层间隔层12与另一层二维材料层13重叠设置后，设置于基板11的表面111上。因此，间隔层12的数量(1)与二维材料层13的数量(2)不相同。此外，本实施例的间隔层12亦为二维材料所构成的膜层(简称为另一二维材料层)。不过，在不同的实施例中，亦可将由二维材料构成的间隔层12更换成具有纳米粒子、或纳米结构的间隔层12，并不限制。

在一实施例中，基板11可为石英板，两个二维材料层13的材料可分别为石墨烯，且间隔层12为二硫化钼(MoS₂)的二维材料膜层，经实际量测的结果(于室温量测)，其ZT值可达到1.58。

另外，如图3B所示，本实施例的热电材料结构1b为多个二维材料层13重叠后再与间隔层12重叠设置。具体来说，本实施例由下而上依序为一层间隔层12、一层二维材料层13、另一层二维材料层13、一层间隔层12与另一层二维材料层13重叠设置，再设置于基板11的表面上。因此，间隔层12的数量(2)与二维材料层13的数量(3)不相同。另外，本实施例的间隔层12亦为纳米粒子所构成的膜层。不过，在不同的实施例中，亦可将部分或全部的纳米粒子构成的间隔层12更换成二维材料的间隔层12，并不限制。此外，本实施例是二层的二维材料层13重叠之后再与一间隔层12重叠，当然，在不同的实施例中，亦可三层或三层以上的二维材料层13重叠之后再与间隔层12重叠，并不限制。

另外，如图3C所示，本实施例的热电材料结构1c为多层的间隔层12与多层的二维材料层13交错设置。具体来说，本实施例由下而上分别为三层的间隔层12与二维材料层13交错且重叠设置后，设置于基板11的表面上。因此，间隔层12的数量(3)与二维材料层13的数量(3)相同。在不同的实施例中，亦可将部分或全部的纳米粒子构成的间隔层12更换成二维材料的间隔层12，并不限制。

在一实施例中，于热电材料结构1c中，基板11可为玻璃板，二维材料层13的材料为石墨烯，且间隔层12的材料为氧化铜(CuO)纳米粒子，经实际量测的结果(于室温量测)，其ZT值可介于0.23与0.29之间。特别说明的是，因为是室温量测(可能不是热电材料结构1c适合的工作温度)，故量测得到的ZT值较低。此外，在另一实施例中，基板11为玻璃板，二维材料层13的材料为石墨烯，且间隔层12的材料为金(Au)纳米粒子，经实际量测的结果(于室温量测)，其ZT值可达到1.08。

另外，如图3D所示，本实施例的热电材料结构1d亦为多层的间隔层12与多层的二维材料层13交错设置。具体来说，本实施例由下而上分别为五层的间隔层12与二维材料层13交错且重叠设置，再设置于基板11的表面上。因此，间隔层12的数量(5)与二维材料层13的数量(5)亦相同。在不同的实施例中，亦可将部分或全部的纳米粒子构成的间隔层12更换成二维材料的间隔层12。或者，将更多层的间隔层12与更多层的二维材料层13交错设置于基板11上，本实用新型皆不限制。

在一实施例中，于热电材料结构1d中，基板11可为玻璃板，二维材料层13的材料为石墨烯，且间隔层12的材料为C₆₀团簇纳米粒子，经实际量测的结果(于室温量测)，其ZT值可达到介于1.21与1.27之间。

此外，热电材料结构1a～1d的基板11、间隔层12与二维材料层13的其他技术特征可参照热电材料结构1的相同组件，不再赘述。

由上述中可知，本实用新型提出的热电材料结构具有广泛的不同材料组合，而且可依据用户的需求而用于不同的应用上，利用间隔层与二维材料层的不同材料、不同数量且层叠而设置于基板上，可使整体的热电材料结构具有较低的热导率，由此制作出具有不同特性(不同ZT值)的热电转换材料结构。由于不同的热电材料结构可能会有不同的最佳操作温度，因此，设计者可以依据不同的操作温度与应用需求，利用层叠结构而制作自定义且具有较高ZT值的热电材料结构，以得到较高的热电转换效率。

另外，由于间隔层与二维材料层皆相当薄而可透光，因此，在一些实施例中，若搭配透光的基板(例如透明玻璃)时，则使热电材料结构成为可透光的透明板。或者，由于间隔层与二维材料层皆相当薄而具有可挠性，因此，也可贴附于可挠性的基板上，使得热电材料结构成为软板而应用于非平面的设备上。

举例来说，当应用于建筑时，可依据其应用需求(不同操作温度下的ZT值需求)将间隔层与二维材料层重叠后贴附于房屋的玻璃(基板)上，由此，除了不会阻碍光线进入室内外，也可利用热电材料结构具有较高的ZT值的特性来提升其热电转换效率。在另一些应用例中，由于太阳光线照射到太阳能电池时，只有少部分的能量可用以发电，大部分的能量会变成热能而散失，因此，若将本结构设计中具有较高ZT值的热电材料结构应用于太阳能电池时，则可提升太阳能电池的转换效率。

承上所述，本实用新型的热电材料结构的成本较低，而且可因应不同应用而制作不同特性的热电转换材料。本实用新型是透过降低材料的热导率k来提高热电优质系数(ZT值)，由此得到较高的热电转换效率。此外，将本实用新型的结构应用在适当的操作温度环境下，则可因较高的ZT值而可提升热能转换成电压的转换效率。

综上所述，因本实用新型的热电材料结构中，包含至少一个间隔层与至少一个二维材料层，而二维材料层与间隔层重叠设置于基板的表面上，且二维材料层于垂直基板表面的方向上的热导率小于10W/mK。因此，通过上述的结构设计，可使本实用新型有别于常规熟知的利用提高西贝克系数或电导率来提升ZT值的技术。另外，本实用新型除了具有较低的成本外，更可因应不同的应用需求而制作出定制化且特性不同的热电材料结构，以得到较高的热电转换效率。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本实用新型的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于权利要求中。