能与微半导体器件工艺兼容 热电薄膜材料产业化前景广阔

时间:2020-09-18 10:14:37 来源: 科普时报


热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料,具有绿色环保的优点,热电材料在很多领域有着重要的作用。在能源危机趋于严重的今天,进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。热电材料薄膜不仅能够通过低维结构调控其热电特性,且能与目前的微半导体器件工艺兼容,具有广泛的应用前景。

通常而言,热电材料的应用主要通过热电器件来实现。我和课题组自2009年开始采用具有产业化特性的物理气相沉积技术,研发传统Bi-Sb-Te体系及新型Zn-Sb、Co-Sb等体系的热电薄膜,并探索其相关物理机制。经过近十年的不懈探索,最终研制成功一种新型双面膜结构的薄膜热电发电器(薄膜温差电池)。

薄膜热电发电器结构不管在电极的制备连接上,还是在器件的封装上,都较传统结构的薄膜温差电池更容易实现,为高性能热电薄膜的产业化规模生产奠定了坚实的基础。而采用此结构在柔性衬底上进一步开发,则可得到具有更广泛应用领域的柔性薄膜温差电池,制备出转换效率达12.3%的单体电池与转换效率大于10%的电池组。这种热电发电设备不仅能在低温差的条件下提供足够高的电压,而且寿命长、耗材少、制作成本低,符合工业生产的需要,在各领域均具有广阔的应用前景。

热电薄膜材料不但可以制作成薄膜温差电池,同时还可以制作成各种探头以及系数测试仪,在工业生产中具有广泛的用途:

在测量冶炼及热处理炉高温的过程中,对于温度传感器的超小体积、超快速测量、特殊测试环境及特殊安装方式的应用需求越来越迫切。然而,传统的温度传感器都存在体积大、耗材多、热容量大与响应速度慢等问题。我们创新性地采用超薄又柔软的基底材料和薄膜化的热电极材料,便克服了薄膜热电极材料在高温下易氧化及薄膜热电极与输出导线之间的连接工艺两大技术难题,新探头具有优越的响应特性和应用灵活性,满足新型集成式应用需求。

工业生产中激光焊接、激光切割、激光打孔等等这些环节广泛应用的激光功率测试设备是热电材料较为常见的应用场景,但传统结构热电式激光功率测试探头的体积大与应用灵活性差也是困扰技术发展的一大问题。针对这一难题,我们开发拥有自主专利技术结构,热电堆方向与激光方向相平行的新型热电激光功率测试探头,核心性能参数均达到了国际先进水平,而体积仅为传统结构功率探头的十五分之一,满足工业自动化的小体积集成需求。目前为止研发的激光功率计涵盖所有波长激光,测试功率可从0.1毫瓦至6千瓦。

热电材料是利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接转换,在这个热能和电能转换过程中,对热电性质的测试是非常关键的一个环节。我们课题组通过自主设计,成功开发出了一款可同时满足热电薄膜及块体材料测试的“Seebeck系数测试仪”。测试样机采用了分离式探针结构,保证了各个参量测量的准确性;还采用了双重加热模式,可极大减少温度稳定时间,提高测量效率。该仪器也具备了测量热电薄膜器件输出特性的模块,实现了薄膜材料到器件测量的一体化集成,填补了国内的技术空白。其测量精度可与市场现有设备相比肩,但制造价格仅为同款设备的一半,具有广阔的市场前景。

热电材料薄膜具有广泛的应用领域与市场前景,我们将继续深耕这一研究领域,重视材料与理论的研究,同时开发出更多适用于产业化的热电薄膜器件。(范平)

关键词:半导体

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