Объемный наноструктурный термоэлектрик

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович Залесский Валерий Борисович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Объемный наноструктурный термоэлектрик, содержащий как минимум две двухмерные наноструктуры с шероховатой поверхностью, выполненные из легированного полупроводникового материала, включающего элементы , , многокомпонентные термоэлектрические соединения или их комбинацию, электрически соединенные с электродами, имеющими разные температуры, отличающийся тем, что содержит нелегированную пористую подложку, на которой с обеих сторон на диэлектрике расположены двухмерные наноструктуры, а в подложке и диэлектрике параллельно электродам выполнены наноразмерные углубления, внутри которых двухмерные наноструктуры разделены нанозазорами. 2. Объемный наноструктурный термоэлектрик по п. 1, отличающийся тем, что ширина нанозазоров не превышает длину волны де Бройля для используемых полупроводниковых материалов. 3. Объмный наноструктурный термоэлектрик по п. 1, отличающийся тем, что нанозазоры заполнены термостойким диэлектриком. 93712013.08.30 Полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована при разработке высокоэффективных термоэлектрических преобразователей, в том числе и многоканальных в интегральном исполнении. Известен нанокомпозитный термоэлектрик 1, образованный совокупностью нанокристаллов термоэлектрика и распределенных среди них легирующих молекул фуллеренов,забирающих электроны из этих нанокристаллов и являющихся квантовыми ловушками для электронов, причем легирующие молекулы фуллеренов состоят из молекул фуллерена С 60. Описанное устройство имеет невысокую эффективность преобразования тепловой энергии в электричество, вызванную захватом электронов молекулами фуллеренов и соответствующим снижением проводимости нанокомпозитного термоэлектрика по отношению к исходному материалу. Наиболее близким по технической сущности является устройство 2, п. 28, содержащее одну или более двухмерных (2) наноструктур, имеющих в своем составе шероховатую поверхность, где каждая наноструктура содержит полупроводник, необязательно легированный, который содержит элементы , , соединения , , , ,23,и т.д. или их комбинацию, и каждая наноструктура контактирует с электродами, имеющими разные температуры (пп. 31, 32, 37, 38). Данное устройство имеет недостаточно высокую термоэлектрическую добротность,вызванную незначительным поперечным сечением двухмерных полупроводниковых наноструктур, что снижает силу тока через них. Техническая задача - увеличение эффективности преобразования тепловой энергии в электричество. Поставленная техническая задача решается тем, что объемный наноструктурный термоэлектрик, содержащий как минимум две двухмерные наноструктуры с шероховатой поверхностью, выполненные из легированного полупроводникового материала, включающего элементы , , многокомпонентные термоэлектрические соединения или их комбинацию, электрически соединенные с электродами, имеющими разные температуры, содержит нелегированную пористую подложку, на которой с обеих сторон на диэлектрике расположены двухмерные наноструктуры, а в подложке и диэлектрике параллельно электродам выполнены наноразмерные углубления, внутри которых двухмерные наноструктуры разделены нанозазорами. Для эффективного решения поставленной технической задачи ширина нанозазоров не превышает длину волны де Бройля для используемых полупроводниковых материалов. Для эффективного решения поставленной технической задачи нанозазоры заполнены термостойким диэлектриком. Совокупность указанных признаков позволяет решить техническую задачу за счет уменьшения теплопроводности трехмерной наноструктуры при сохранении ее электропроводности. Сущность полезной модели поясняется на фигуре, где 1 - подложка,2 - диэлектрик,3 - положительный электрод,4 - отрицательный электрод,5 - двухмерная наноструктура,6 - нанозазор,7 - наноразмерные углубления. В объемном наноструктурном термоэлектрике на нелегированной пористой подложке 1 с обеих сторон на диэлектрике 2 расположены как минимум две двухмерные наноструктуры 5 с шероховатой поверхностью. В подложке 1 и в диэлектрике 2 выполнены наноразмерные углубления 7 параллельно электродам 3 и 4. Двухмерные наноструктуры 5 2 93712013.08.30 одними концами подключены к положительному электроду 3, а другими - к отрицательному электроду 4. В наноразмерных углублениях 7 двухмерные наноструктуры 5 разделены нанозазорами 6. При реализации на одной стороне подложки 1 двух и более двухмерных наноструктур 5 наноразмерные углубления 7 выполняются только в диэлектрике 2 предыдущих двухмерных наноструктур 5. В конкретном исполнении подложка 1 выполнена травлением из пористого кремния с низкой теплопроводностью. Диэлектрик 2 выполнен по стандартной технологии из 2. Положительный 3 и отрицательный 4 электроды выполнены гальванически из металлов. Двухмерная наноструктура 5 выполнена изпо вакуумной технологии. Наноразмерное углубление 7 получено травлением на наноглубину, не превышающую 100 нм, с использованием стандартной фотолитографии. Нанозазор 6 получен в результате напыления под углом к поверхности подложки 1 или к диэлектрику 2 двухмерных наноструктур 5 толщиной меньше, чем глубина наноразмерного углубления 7. Принцип работы объемного наноструктурного термоэлектрика основан на эффекте Зеебека. При появлении перепада температур на его электродах 3 и 4 на положительном электроде 3 носители заряда будут иметь большие энергии и скорости по сравнению с отрицательным электродом 4, что обусловит возникновение в каждой двухмерной наноструктуре 5 объемного наноструктурного термоэлектрика их потока от электрода 3 к электроду 4. Так как ширина нанозазора 6 меньше, чем длина волны де Бройля используемых полупроводниковых материалов, то электропроводность их практически не изменяется, а теплопроводность из-за изменения их структуры существенно уменьшается. Более того, наличие наноразмерных углублений 7 в двухмерных наноструктурах 5 также уменьшает теплопроводность за счет рассеяния фононов теплового поля в них. В результате на обоих электродах будут накапливаться заряды - отрицательный на электроде 4 и положительный на электроде 3. При этом параллельное электрическое объединение двухмерных наноструктур 5 в объемном наноструктурном термоэлектрике снижает его сопротивление и тем самым также повышает эффективность преобразования. Предложенная полезная модель позволяет повысить эффективность преобразования тепловой энергии в электричество за счет уменьшения теплопроводности каждой отдельной двухмерной наноструктуры 5 путем нарушения упорядоченности ее структуры при уменьшении или сохранении электрического сопротивления предложенного объемного наноструктурного термоэлектрика. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3