本實(shí)用新型關(guān)于一種材料結(jié)構(gòu)，特別關(guān)于一種熱電材料(thermoelectric material)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

由于近年來(lái)，地球暖化及環(huán)保意識(shí)等議題備受重視，如何節(jié)能減碳及提高能源使用效率一直是研究的主要項(xiàng)目?！笩犭姴牧稀故且环N能夠在沒(méi)有其他特定外力或機(jī)件的協(xié)助下，使熱能轉(zhuǎn)換為電能的功能性材料。在目前的產(chǎn)業(yè)中，熱電材料可應(yīng)用于例如熱能致冷器、半導(dǎo)體芯片冷卻、熱電發(fā)電機(jī)、太空應(yīng)用、或其他熱能轉(zhuǎn)換電能的領(lǐng)域中。

熱電材料的能量轉(zhuǎn)換效率一般取決于材料的熱電優(yōu)質(zhì)系數(shù)(thermoelectric figure of merit，一般以ZT值來(lái)表示)，其公式如下所示：

其中，α為西貝克系數(shù)(Seebeck coefficient)，σ為電導(dǎo)率(electrical conductivity)，k為熱導(dǎo)率，其為電子熱導(dǎo)率ke(electron thermal conductivity)與聲子熱導(dǎo)率kL(Phonon thermal conductivity)的和，而T為操作溫度(絕對(duì)溫度)。當(dāng)ZT越高時(shí)，表示熱電材料的性能越佳，熱電轉(zhuǎn)換效率越高。

由上式中可得知，通過(guò)提高西貝克系數(shù)α及電導(dǎo)率σ，或是降低熱導(dǎo)率k，可提高ZT值。于常規(guī)熟知的技術(shù)中，大都通過(guò)提高西貝克系數(shù)α或電導(dǎo)率σ來(lái)提升ZT值，其中又以提高西貝克系數(shù)α的效果較為明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的為提供一種有別于常規(guī)熟知的利用提高西貝克系數(shù)或電導(dǎo)率來(lái)提升ZT值的熱電材料結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型提出的熱電材料結(jié)構(gòu)，除了具有較低的成本之外，更可因應(yīng)不同的應(yīng)用而制作不同特性的熱電材料結(jié)構(gòu)，以得到較高的熱電轉(zhuǎn)換效率。

為達(dá)上述目的，本實(shí)用新型提出一種熱電材料結(jié)構(gòu)，包括一基板、至少一個(gè)間隔層以及至少一個(gè)二維材料層。基板具有一表面。二維材料層與間隔層重疊設(shè)置于基板的表面上，且二維材料層于垂直基板的表面的方向上的熱導(dǎo)率小于10W/mK。

在一實(shí)施例中，間隔層或二維材料層包含導(dǎo)電材料。

在一實(shí)施例中，間隔層為二維材料所構(gòu)成的膜層、納米粒子、或納米結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的膜層。

在一實(shí)施例中，間隔層的材料為石墨烯、還原氧化石墨烯、碳基與硼基系材料、硫族化合物、磷烯、硅烯、二維材料、熱電材料、C60團(tuán)簇納米粒子、導(dǎo)電納米粒子、導(dǎo)電納米復(fù)合材料粒子、或其組合。

在一實(shí)施例中，二維材料層的材料為石墨烯、還原氧化石墨烯、碳基與硼基系材料、硫族化合物、磷烯、硅烯、熱電材料、導(dǎo)電材料、或其組合。

在一實(shí)施例中，間隔層設(shè)置于二維材料層與基板之間。

在一實(shí)施例中，二維材料層設(shè)置于間隔層與基板之間。

在一實(shí)施例中，間隔層設(shè)置于兩個(gè)二維材料層之間。

在一實(shí)施例中，多個(gè)二維材料層重疊后再與間隔層重疊設(shè)置。

在一實(shí)施例中，該些間隔層與該些二維材料層交錯(cuò)設(shè)置。

在一實(shí)施例中，該些間隔層的數(shù)量與該些二維材料層的數(shù)量相同。

在一實(shí)施例中，該些間隔層的數(shù)量與該些二維材料層的數(shù)量不相同。

在一實(shí)施例中，熱電材料結(jié)構(gòu)為軟板或透明板。

承上所述，因本實(shí)用新型的熱電材料結(jié)構(gòu)中，包含至少一個(gè)間隔層與至少一個(gè)二維材料層，而二維材料層與間隔層重疊設(shè)置于基板的表面上，且二維材料層于垂直基板表面的方向上的熱導(dǎo)率小于

10W/mK。因此，通過(guò)上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使本實(shí)用新型有別于常規(guī)熟知的利用提高西貝克系數(shù)或電導(dǎo)率來(lái)提升ZT值的技術(shù)。另外，本實(shí)用新型除了具有較低的成本外，更可因應(yīng)不同的應(yīng)用需求而制作出定制化且特性不同的熱電材料結(jié)構(gòu)，以得到較高的熱電轉(zhuǎn)換效率。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的一種熱電材料結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2A至圖3D分別為本實(shí)用新型不同實(shí)施例的熱電材料結(jié)構(gòu)的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將參照相關(guān)附圖，說(shuō)明本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的熱電材料結(jié)構(gòu)，其中相同的組件將以相同的參照符號(hào)加以說(shuō)明。

在常規(guī)熟知的技術(shù)中，為了使熱電材料有較好的能量轉(zhuǎn)換效率，大都通過(guò)提高西貝克系數(shù)α或電導(dǎo)率σ來(lái)提升熱電轉(zhuǎn)換材料的ZT值。但是，本實(shí)用新型的熱電材料結(jié)構(gòu)則是通過(guò)降低轉(zhuǎn)換材料的熱導(dǎo)率k來(lái)提升其ZT值，由此使熱電材料結(jié)構(gòu)具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。

以下的「二維材料」指的是長(zhǎng)、寬、高三維中，僅有高(厚)度是納米尺度，亦即形狀是平面，但高度為納米等級(jí)(例如但不限于1～100納米之間)的材料。

請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，其為本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的一種熱電材料結(jié)構(gòu)1的示意圖。

熱電材料結(jié)構(gòu)1包括一基板11、至少一個(gè)間隔層12以及至少一個(gè)二維材料層13。

基板11具有一表面111。于此，表面111為基板11的上表面?；?1的材料可例如但不限于玻璃、石英(Quartz)、金屬、非金屬、或其他材料所構(gòu)成的基材；或者，基板11亦可為硬板(例如印刷電路板)、軟板、透明板、或其他可供設(shè)置間隔層12與二維材料層13的基材，本實(shí)用新型并不限制其材料。本實(shí)施例是以一層間隔層12與一層二維材料層13重疊后設(shè)置于基板11的表面111，而且間隔層12設(shè)置于二維材料層13與基板11之間為例，然并不以此為限，在不同的實(shí)施例中，二維材料層13亦可位于間隔層12與基板11之間。

間隔層12可為納米粒子或納米結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的膜層而具有復(fù)數(shù)納米粒子(納米粒子層)。如圖1所示，間隔層12的材料可為C₆₀團(tuán)簇(clusters)納米粒子、導(dǎo)電納米粒子、導(dǎo)電納米復(fù)合材料粒子或其組合。其中，導(dǎo)電納米粒子可包含金屬(例如Au)納米粒子、合金納米粒子、金屬氧化物(例如CuO或Cu₂O)納米粒子、金屬核心(Core-shell)納米粒子、或半導(dǎo)體導(dǎo)電納米粒子。金屬核心納米粒子可例如為金屬核心外圍包覆氧化物或包覆聚合物，并不限定。本實(shí)施例的間隔層12是以具有復(fù)數(shù)納米粒子121的導(dǎo)電納米粒子層為例。在一些實(shí)施例中，如圖2A所示，于間隔層12中的納米粒子中，多顆的納米粒子121也可粘附成團(tuán)狀物，本實(shí)用新型并不限制。

或者，在另一些實(shí)施例中，間隔層12亦可為二維材料所構(gòu)成的膜層(二維材料層)。如圖2B所示，間隔層12的材料也可為石墨烯(Graphene)、還原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,rGO)、碳基與硼基系(B-C-N)材料、硫族化合物(Chalcogenides，例如二硫化鉬(MoS₂))、磷烯(Phosphorene)、硅烯(Silicene)、熱電材料(例如Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、或其他熱電材料)、或其組合，本實(shí)用新型皆不限制。

間隔層12或二維材料層13包含導(dǎo)電材料。本實(shí)施例是以間隔層12與二維材料層13均具有導(dǎo)電材料為例。具體來(lái)說(shuō)，間隔層12與二維材料層13均為電的良導(dǎo)體或半導(dǎo)體，電子容易于間隔層12或二維材料層13本身，或間隔層12與二維材料層13之間跨層(cross-plane)傳輸。于此，跨層方向就是垂直基板11的表面111的方向D1。本實(shí)施例的間隔層12的厚度亦為納米等級(jí)時(shí)(例如直徑在50納米以下)，能允許電流跨層傳播，但是會(huì)阻擋熱能跨層傳播。因此，跨層方向(方向D1)的電子熱導(dǎo)率ke與聲子熱導(dǎo)率kL較低，使得熱電材料結(jié)構(gòu)1的整體熱導(dǎo)率k較低。具體來(lái)說(shuō)，本實(shí)施例的間隔層12可允許電子跨層傳播(可導(dǎo)電)，但對(duì)于熱量來(lái)說(shuō)，并不易跨層傳播，亦即間隔層12的跨層導(dǎo)熱效果很差，具有絕熱效果。

二維材料層13于垂直基板11的表面111的方向D1上的熱導(dǎo)率小于10瓦特/公尺-K(W/mk)。顧名思義，二維材料層13的厚度是納米等級(jí)，且于跨層方向上的熱導(dǎo)率小于10W/mK。因此，由基板11的下表面(表面112)傳輸至基板11的上表面(表面111)的熱量不易往二維材料層13(的上表面)傳輸，因此，二維材料層13亦具有絕熱的效果。

二維材料層13的材料可為石墨烯(Graphene)、還原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,rGO)、碳基與硼基系(B-C-N)材料、硫族化合物(Chalcogenides)、磷烯(Phosphorene)、硅烯(Silicene)、熱電材料(例如Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、其他熱電材料)、導(dǎo)電材料、或其組合。而導(dǎo)電材料例如為金屬導(dǎo)電材料、合金導(dǎo)電材料、或半導(dǎo)體導(dǎo)電材料，并不限制。在一些實(shí)施例中，二維材料層13的材料例如為石墨烯，其跨層方向(方向D1)的熱導(dǎo)率小于0.001W/Mk(石墨烯于平行基板11之表面111的方向D2上的熱導(dǎo)率卻相當(dāng)高，例如大于200W/mK)。在一些實(shí)施例中，基板11的下表面(表面112)可具有較高的溫度，使得熱量可由基板11的表面112往基板11的表面111傳遞，但是，由于二維材料層13于方向D1的熱導(dǎo)率較小，因此，熱量也不易由基板11的表面111往二維材料層13(的上表面)傳輸，故使得整體的熱電材料結(jié)構(gòu)1具有很低的熱導(dǎo)率k。

此外，在制造的工藝上，可例如但不限于以化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法將石墨烯材料制作成二維材料層，由此，可降低熱電材料結(jié)構(gòu)1的制作成本。

請(qǐng)參照?qǐng)D3A至圖3D所示，其分別為本實(shí)用新型不同實(shí)施例的熱電材料結(jié)構(gòu)1a～1d的示意圖。

如圖3A所示，熱電材料結(jié)構(gòu)1a與圖1的熱電材料結(jié)構(gòu)1主要的不同在于，熱電材料結(jié)構(gòu)1a的二維材料層13是設(shè)置于間隔層12與基板11之間，而且間隔層12設(shè)置于兩個(gè)二維材料層13之間。具體來(lái)說(shuō)，本實(shí)施例由下而上依序?yàn)橐粚佣S材料層13、一層間隔層12與另一層二維材料層13重疊設(shè)置后，設(shè)置于基板11的表面111上。因此，間隔層12的數(shù)量(1)與二維材料層13的數(shù)量(2)不相同。此外，本實(shí)施例的間隔層12亦為二維材料所構(gòu)成的膜層(簡(jiǎn)稱為另一二維材料層)。不過(guò)，在不同的實(shí)施例中，亦可將由二維材料構(gòu)成的間隔層12更換成具有納米粒子、或納米結(jié)構(gòu)的間隔層12，并不限制。

在一實(shí)施例中，基板11可為石英板，兩個(gè)二維材料層13的材料可分別為石墨烯，且間隔層12為二硫化鉬(MoS₂)的二維材料膜層，經(jīng)實(shí)際量測(cè)的結(jié)果(于室溫量測(cè))，其ZT值可達(dá)到1.58。

另外，如圖3B所示，本實(shí)施例的熱電材料結(jié)構(gòu)1b為多個(gè)二維材料層13重疊后再與間隔層12重疊設(shè)置。具體來(lái)說(shuō)，本實(shí)施例由下而上依序?yàn)橐粚娱g隔層12、一層二維材料層13、另一層二維材料層13、一層間隔層12與另一層二維材料層13重疊設(shè)置，再設(shè)置于基板11的表面上。因此，間隔層12的數(shù)量(2)與二維材料層13的數(shù)量(3)不相同。另外，本實(shí)施例的間隔層12亦為納米粒子所構(gòu)成的膜層。不過(guò)，在不同的實(shí)施例中，亦可將部分或全部的納米粒子構(gòu)成的間隔層12更換成二維材料的間隔層12，并不限制。此外，本實(shí)施例是二層的二維材料層13重疊之后再與一間隔層12重疊，當(dāng)然，在不同的實(shí)施例中，亦可三層或三層以上的二維材料層13重疊之后再與間隔層12重疊，并不限制。

另外，如圖3C所示，本實(shí)施例的熱電材料結(jié)構(gòu)1c為多層的間隔層12與多層的二維材料層13交錯(cuò)設(shè)置。具體來(lái)說(shuō)，本實(shí)施例由下而上分別為三層的間隔層12與二維材料層13交錯(cuò)且重疊設(shè)置后，設(shè)置于基板11的表面上。因此，間隔層12的數(shù)量(3)與二維材料層13的數(shù)量(3)相同。在不同的實(shí)施例中，亦可將部分或全部的納米粒子構(gòu)成的間隔層12更換成二維材料的間隔層12，并不限制。

在一實(shí)施例中，于熱電材料結(jié)構(gòu)1c中，基板11可為玻璃板，二維材料層13的材料為石墨烯，且間隔層12的材料為氧化銅(CuO)納米粒子，經(jīng)實(shí)際量測(cè)的結(jié)果(于室溫量測(cè))，其ZT值可介于0.23與0.29之間。特別說(shuō)明的是，因?yàn)槭鞘覝亓繙y(cè)(可能不是熱電材料結(jié)構(gòu)1c適合的工作溫度)，故量測(cè)得到的ZT值較低。此外，在另一實(shí)施例中，基板11為玻璃板，二維材料層13的材料為石墨烯，且間隔層12的材料為金(Au)納米粒子，經(jīng)實(shí)際量測(cè)的結(jié)果(于室溫量測(cè))，其ZT值可達(dá)到1.08。

另外，如圖3D所示，本實(shí)施例的熱電材料結(jié)構(gòu)1d亦為多層的間隔層12與多層的二維材料層13交錯(cuò)設(shè)置。具體來(lái)說(shuō)，本實(shí)施例由下而上分別為五層的間隔層12與二維材料層13交錯(cuò)且重疊設(shè)置，再設(shè)置于基板11的表面上。因此，間隔層12的數(shù)量(5)與二維材料層13的數(shù)量(5)亦相同。在不同的實(shí)施例中，亦可將部分或全部的納米粒子構(gòu)成的間隔層12更換成二維材料的間隔層12?；蛘?，將更多層的間隔層12與更多層的二維材料層13交錯(cuò)設(shè)置于基板11上，本實(shí)用新型皆不限制。

在一實(shí)施例中，于熱電材料結(jié)構(gòu)1d中，基板11可為玻璃板，二維材料層13的材料為石墨烯，且間隔層12的材料為C₆₀團(tuán)簇納米粒子，經(jīng)實(shí)際量測(cè)的結(jié)果(于室溫量測(cè))，其ZT值可達(dá)到介于1.21與1.27之間。

此外，熱電材料結(jié)構(gòu)1a～1d的基板11、間隔層12與二維材料層13的其他技術(shù)特征可參照熱電材料結(jié)構(gòu)1的相同組件，不再贅述。

由上述中可知，本實(shí)用新型提出的熱電材料結(jié)構(gòu)具有廣泛的不同材料組合，而且可依據(jù)用戶的需求而用于不同的應(yīng)用上，利用間隔層與二維材料層的不同材料、不同數(shù)量且層疊而設(shè)置于基板上，可使整體的熱電材料結(jié)構(gòu)具有較低的熱導(dǎo)率，由此制作出具有不同特性(不同ZT值)的熱電轉(zhuǎn)換材料結(jié)構(gòu)。由于不同的熱電材料結(jié)構(gòu)可能會(huì)有不同的最佳操作溫度，因此，設(shè)計(jì)者可以依據(jù)不同的操作溫度與應(yīng)用需求，利用層疊結(jié)構(gòu)而制作自定義且具有較高ZT值的熱電材料結(jié)構(gòu)，以得到較高的熱電轉(zhuǎn)換效率。

另外，由于間隔層與二維材料層皆相當(dāng)薄而可透光，因此，在一些實(shí)施例中，若搭配透光的基板(例如透明玻璃)時(shí)，則使熱電材料結(jié)構(gòu)成為可透光的透明板?；蛘?，由于間隔層與二維材料層皆相當(dāng)薄而具有可撓性，因此，也可貼附于可撓性的基板上，使得熱電材料結(jié)構(gòu)成為軟板而應(yīng)用于非平面的設(shè)備上。

舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)應(yīng)用于建筑時(shí)，可依據(jù)其應(yīng)用需求(不同操作溫度下的ZT值需求)將間隔層與二維材料層重疊后貼附于房屋的玻璃(基板)上，由此，除了不會(huì)阻礙光線進(jìn)入室內(nèi)外，也可利用熱電材料結(jié)構(gòu)具有較高的ZT值的特性來(lái)提升其熱電轉(zhuǎn)換效率。在另一些應(yīng)用例中，由于太陽(yáng)光線照射到太陽(yáng)能電池時(shí)，只有少部分的能量可用以發(fā)電，大部分的能量會(huì)變成熱能而散失，因此，若將本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有較高ZT值的熱電材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池時(shí)，則可提升太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。

承上所述，本實(shí)用新型的熱電材料結(jié)構(gòu)的成本較低，而且可因應(yīng)不同應(yīng)用而制作不同特性的熱電轉(zhuǎn)換材料。本實(shí)用新型是透過(guò)降低材料的熱導(dǎo)率k來(lái)提高熱電優(yōu)質(zhì)系數(shù)(ZT值)，由此得到較高的熱電轉(zhuǎn)換效率。此外，將本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)應(yīng)用在適當(dāng)?shù)牟僮鳒囟拳h(huán)境下，則可因較高的ZT值而可提升熱能轉(zhuǎn)換成電壓的轉(zhuǎn)換效率。

綜上所述，因本實(shí)用新型的熱電材料結(jié)構(gòu)中，包含至少一個(gè)間隔層與至少一個(gè)二維材料層，而二維材料層與間隔層重疊設(shè)置于基板的表面上，且二維材料層于垂直基板表面的方向上的熱導(dǎo)率小于10W/mK。因此，通過(guò)上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使本實(shí)用新型有別于常規(guī)熟知的利用提高西貝克系數(shù)或電導(dǎo)率來(lái)提升ZT值的技術(shù)。另外，本實(shí)用新型除了具有較低的成本外，更可因應(yīng)不同的應(yīng)用需求而制作出定制化且特性不同的熱電材料結(jié)構(gòu)，以得到較高的熱電轉(zhuǎn)換效率。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本實(shí)用新型的精神與范疇，而對(duì)其進(jìn)行的等效修改或變更，均應(yīng)包含于權(quán)利要求中。