一种基于碳纳米管的热电制冷芯片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种热电制冷芯片的制作方法。该热电制冷片至少包含四个部分，分别是n型导电的碳纳米管与有机绝热材料的热电复合材料、p型导电的碳纳米管与聚合物的热电复合材料、陶瓷导热绝缘基板及电极结构。数对n型导电与p型导电的热电复合材料在传热方面并联、在导电方面串联从而得到热电制冷芯片。其中，电极结构的制备可采用丝网印刷、磁控溅射镀膜、热蒸发镀膜及电子束蒸发镀膜等；所述热电复合材料结构的制备可以采用直接转移、丝网印刷及喷墨打印等。该热电制冷芯片采用廉价的碳纳米管与有机绝热材料的复合材料，有助于降低热电制冷芯片的成本并实现大面积生产。
【专利说明】一种基于碳纳米管的热电制冷芯片
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子制冷芯片制作领域，具体涉及到一种基于碳纳米管材料的热电制 冷芯片的制作方法。
【背景技术】
[0002] 热电制冷技术是利用帕尔帖效应即温差电现象为基础的制冷技术。对具有热电 能量转换特性的材料，在通过直流电时可以将材料一端的热量传导至另一端，故称热电制 冷。目前，市场上的热电制冷芯片大多基于η型导电的締化秘（Bi 2Te3)及p型导电的締化 锑（Sb2Te3)，其材料价格比较昂贵并且也具有一定的毒性，因而在一定程度上限制了这种芯 片的广泛应用。
[0003] 碳纳米管是一种径向尺寸为纳米量级、轴向尺寸为微米量级的一维量子材料，具 有良好的导电性。近来有研究表明利用碳纳米管的良好导电性以及某些有机绝热材料良 好的热绝缘性，得到的基于碳纳米管与有机绝热材料的复合材料，具有良好的热电性能 (C. A. Hewitt, A. B. Kaiser, S. Roth, M. Craps, R. Czerw and D. L. Carroll, Varying the concentration of single walled carbon nanotubes in thin film polymer composites, and its effect on thermoelectric power, APPLIED PHYSICS LETTERS98,183110, 2011)。此外，基于n型导电的碳纳米管及p型导电碳纳米管的水平结构的温差发电器件 也成功得到研制（C. A. Hewitt，A. B. Kaiser，S. Roth，M. Craps，R. Czerw and D. L. Carroll， Multilayered Carbon Nanotube/Polymer Composite Based Thermoelectric Fabrics, NANO LETTERS12,1307, 2012)。
【发明内容】
[0004] 本发明提出一种基于碳纳米管材料的垂直结构的热电制冷芯片的制作方法。
[0005] 本发明提供的技术方案为：一种基于碳纳米管的热电制冷芯片的制作方法，至少 包含的材料有η型导电的碳纳米管、p型导电的碳纳米管、有机绝热材料、导热绝缘板、电极 材料。
[0006] 所述有机绝热材料为热绝缘性较好的有机绝热材料，包括聚偏氟乙烯（PVDF)、环 氧树脂等材料，至少使用其中的一种材料。
[0007] 所述导热绝缘极为陶瓷导热绝缘板，其材质包括氧化铝、氮化铝、氮化硼等，至少 使用其中的一种材料。
[0008] 电极材料包括铜、铝、银等金属材料，至少使用其中的一种材料。
[0009] 本发明提出的热电制冷芯片从结构上来说至少包含四个部分：
[0010] (1)η型导电的碳纳米管与有机绝热材料的热电复合材料，见附图中结构1 ;
[0011] (2)ρ型导电的碳纳米管与有机绝热材料的热电复合材料，见附图中结构2 ;
[0012] (3)陶瓷导热绝缘板，包括下板与上板两部分，见附图中结构3 ;
[0013] (4)电极,见附图中结构4。
[0014] 所述电极按一定图案分别设置于下陶瓷导热绝缘板与上陶瓷导热绝缘板上，其制 备方法包括丝网印刷、磁控溅射镀膜、热蒸发镀膜及电子束蒸发镀膜等。
[0015] 所述η型导电的碳纳米管与有机绝热材料的热电复合材料及p型导电的碳纳米管 与有机绝热材料的热电复合材料分别按照一定规则设置于电极/陶瓷导热绝缘板（下板或 上板）上，其制备方法包括直接转移、丝网印刷及喷墨打印等。
[0016] 将未设置热电复合材料的电极/陶瓷导热绝缘板与设置了热电复合材料的电极/ 陶瓷导热绝缘板组装后得到本发明所述的热电制冷芯片。
[0017] 所述热电制冷芯片中，数对η型导电与ρ型导电的热电复合材料在传热方面并联， 在导电方面串联。
[0018] 与现有技术相比较，本发明的光学扩散片有如下优点：
[0019] (1)本发明采用导电碳纳米管与有机绝热材料的复合材料作为热电材料，相对已 商业化的热电材料如碲化铋、碲化锑具有较大的价格优势。
[0020] (2)所述热电器件中图形化的电极及热电复合材料的制备均兼容较廉价的丝网印 刷、喷墨打印技术，具有较大的价格成本优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任 何限制。
[0022] 图1为含有一组芯片的热电制冷器件侧面图。
[0023] 图2为含有三组芯片的热电制冷器件侧面图。
[0024] 图3为实施例中下陶瓷导热绝缘板中的电极结构图。
[0025] 图4为实施例中上陶瓷导热绝缘板中的电极结构图。
[0026] 图5为实施例一中热电复合材料放置于电极/下陶瓷导热绝缘板上的结构图。
[0027] 图6为实施例二中热电复合材料放置于电极/下陶瓷导热绝缘板上的结构图。
[0028] 图7为实施例二中热电复合材料放置于电极/上陶瓷导热绝缘板上的结构图。
[0029] 图中，1为η型导电的碳纳米管与有机绝热材料的热电复合材料；2为ρ型导电的 碳纳米管与有机绝热材料的热电复合材料；3为陶瓷导热绝缘板；4为电极。
【具体实施方式】
[0030] 下面通过对一些具体实施案例对本发明做进一步的阐述，其目的在于更好的理解 本发明的内容，但并不构成对本发明的任何限制。
[0031] 以下关于化学药品的浓度和比例，器件结构等条件，在实施上可以选择多种数值。 以下实施例给出其中一种配额。
[0032] 实施例1 :
[0033] -种基于碳纳米管热电制冷芯片的制作方法，包括以下步骤：
[0034] (1)选取两块大小尺寸相同的氧化铝导热绝缘基板。利用丝网印刷的方法在两块 氧化铝导热绝缘基板上分别印刷如图3与图4所示的电极图案，所用电极材料为银。
[0035] (2)按质量比例1 : 1分别量取η型碳纳米管与聚偏氟乙烯以及ρ型碳纳米管与 聚偏氟乙烯；分别将其分散在富马酸二甲酯（DMF)溶液中，并用超声仪分别对其超声分散 一小时。
[0036] (3)将制得的一号分散液（η型碳纳米管与聚偏氟乙烯）与二号分散液（p型碳纳 米管与聚偏氟乙烯）依次采用丝网印刷的方法印刷在图3所示的电极/氧化铝导热绝缘基 板上，得到如图5所示的图案。
[0037] (4)将制得的图4中的电极/氧化铝导热绝缘基板与制得的图5中所示的图案面 对面贴在一起，l〇〇°C退火后得到热电制冷芯片。
[0038] 实施例2 :
[0039] -种基于碳纳米管热电制冷芯片的制作方法，包括以下步骤：
[0040] (1)选取两块大小尺寸相同的氧化铝导热绝缘基板。利用丝网印刷的方法在两块 氧化铝导热绝缘基板上分别印刷如图3与图4所示的电极图案，所用电极材料为银。
[0041] (2)按质量比例1 : 1分别量取η型碳纳米管与聚偏氟乙烯以及ρ型碳纳米管与 聚偏氟乙烯；分别将其分散在富马酸二甲酯（DMF)溶液中，并用超声仪分别对其超声分散 一小时。
[0042] (3)将制得的一号分散液（η型碳纳米管与聚偏氟乙烯）采用丝网印刷的方法在图 3的电极/氧化铝导热绝缘基板上印刷如图6所示的图案。
[0043] (4)将制得的二号分散液（ρ型碳纳米管与聚偏氟乙烯）采用丝网印刷的方法在图 4的电极/氧化铝导热绝缘基板上印刷如图7所示的图案。
[0044] (5)将制得的图6与图7中的器件面对面贴在一起，KKTC退火后得到热电制冷芯 片。
【权利要求】
1. 一种热电制冷芯片，至少包含四个部分，分别是η型导电的碳纳米管与有机物的热 电复合材料、Ρ型导电的碳纳米管与有机物的热电复合材料、陶瓷导热绝缘基板及电极结 构。其特征在于该器件可以在电的驱动下使得热量从一端传导至另一端，从而达到制冷的 效果。
2. 根据权利要求1，η型导电的碳纳米管与有机绝热材料的热电复合材料的制备采用 将η型碳纳米管与有机绝热材料混合超声分散的方法制备；ρ型导电的碳纳米管与有机绝 热材料的热电复合材料的制备采用将Ρ型碳纳米管与有机绝热材料混合超声分散的方法 制备。
3. 根据权利要求2,所采用的有机绝热材料可以为偏氟乙烯（PVDF)、环氧树脂等高绝 热有机物。
4. 根据权利要求1，所述陶瓷导热绝缘基板可以为氧化铝、氮化铝、氮化硼等基板材 料。
5. 根据权利要求1，所述电极可以为铜、铝、银等金属材料，至少使用其中的一种材料； 所述电极按一定的图案设置于陶瓷导热基板上，制备方法可以为丝网印刷、磁控溅射镀膜、 热蒸发镀膜及电子束蒸发镀膜。
6. 根据权利要求1与权利要求5,数对η型导电的热电复合材料与ρ型导电的热电复 合材料按一定规则设置于具有一定图案的电极/导热绝缘基板上，数对η型导电与ρ型导 电的热电复合材料在传热方面并联、在导电方面串联从而得到热电制冷芯片。
【文档编号】H01L35/34GK104091881SQ201410212429
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】黄晖辉, 李 远 申请人:黄晖辉, 李 远