大尺寸纳米结构材料以及用于通过烧结纳米线来制作它的方法技术

一种热电固体材料及其方法。热电固体材料包括多个纳米线。多个纳米线的各纳米线对应于等于或大于10的纵横比(例如纳米线的长度与纳米线的直径的比率)，以及多个纳米线的各纳米线在各纳米线的至少两个位置以化学方式接合到一个或多个其他纳米线。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】相关串请的交叉引用本申请要求共同转让美国临时申请N0.61/719639(2012年10月29日提交)和美国临时申请N0.61/801611 (2013年3月15日提交)的优先权，为了所有目的，通过引用结合到本文中。另外，本申请涉及美国专利申请号13/299179和13/308945，为了所有目的，通过引用将其结合到本文中。
本专利技术针对纳米结构材料。更具体来说，按照某些实施例，本专利技术通过烧结(sinter)纳米线来提供大尺寸(bulk_size)纳米结构固体材料。只作为举例，本专利技术适用于制作热电装置。但是会理解，本专利技术具有相当大范围的适用性。
技术介绍
纳米结构半导块状材料已经表明具有用于制作高性能热电装置的良好热电优值系数(thermoelectric figures of merit)ZT0例如，娃纳米线、纳米孔和纳米网格已经形成，并且产生具有纳米尺寸特征的材料。这些常规结构的一部分是长度与直径的纵横比大于10:1的纳米线。例如，与相同材料的块状(bulk)单晶体或者多晶体相比，纳米线已经表明具有更低的热导率并且因此具有更高的热电优值系数ZT。在另一示例中，纳米线的直径范围是从I至250nm。在又一示例中，纳米线具有粗糙或多孔特征，其尺寸范围是从I至lOOnm。类似地，这些常规结构的一部分是与丝带相似的薄膜。例如，丝带已经表明小于10微米宽并且小于10微米长、数十至数百纳米厚，丝带中具有孔。在另一示例中，孔的直径范围是从Inm至lOOnm。这些常规结构证明纳米结构的如下基本能力:通过在没有极大地影响电性质的同时降低热导率来影响声子热传输，由此改进热电优值系数ZT，表示为ZT =S2o/k，其中S是材料的热电力，σ是电导率，以及k是热导率。但是，这些纳米结构材料中的纳米尺寸特征常常限制材料在电力生成的情况下将大量电流从一个电极传输到另一个的方面的能力，其中温度梯度施加到热电材料，并且塞贝克效应用来驱动电压的梯度并且又驱动电流的流动。例如，纳米线的小集合不会提供足够材料体积来传输将要在实际应用中使用的足够能量。在另一个示例中，长度小于100 μ m的纳米线或薄膜纳米带的使用在使用常规热交换器技术跨这些纳米线或纳米带保持可观温度梯度的能力方面造成限制。相反，具有纳米尺寸特征的这些常规纳米结构材料还对用于施加了电流、通过珀耳帖效应携带可观热量的材料施加限制。图1A是示出不同类型的纳米级结构(nano-scale structure)和/或微米级结构(micro-scale structure)经混合以通过火花等离子体烧结过程来形成随机或部分排序混合物的简化图。如图1A所示，一种类型的纳米级或微米级结构1410(例如，一种类型的纳米粒或纳米线)以及另一种类型的纳米级或微米级结构1420 (例如，另一种类型的纳米粒或纳米线)经混合以通过火花等离子体烧结过程来形成随机或部分排序混合物。例如，微观级和/或纳米级微粒和/或其他微观级和/或纳米级材料的随机或部分排序混合物能够提供防止烧结产品的体积中的任何较大尺寸颗粒的形成的有益效果。在另一个示例中，随机或部分排序混合物用来在纳米结构粉末(例如硅纳米线粉末)的烧结期间阻止热电材料的颗粒生长。图1B是示出不同类型的纳米级结构或微观级微粒经混合以通过火花等离子体烧结过程来形成交互混合物的简化图。如图1B所示，一种类型的纳米级或微米级结构1430(例如，一种类型的纳米粒或纳米线)以及另一种类型的纳米级或微米级结构1440(例如，另一种类型的纳米粒或纳米线)经混合以通过火花等离子体烧结过程来形成交互混合物。例如，微观级和/或纳米级微粒和/或其他微观级和/或纳米级材料的交互混合物能够提供防止烧结产品的体积中的任何较大尺寸颗粒的形成的有益效果。在另一个示例中，交互混合物用来在纳米结构粉末(例如硅纳米线粉末)的烧结期间阻止热电材料的颗粒生长。因此，极期望创建这样的块状材料(bulk materials)，其能够以改进传输效率来传输大量热和电流。
技术实现思路
本专利技术针对纳米结构材料。更具体来说，按照某些实施例，本专利技术通过烧结纳米线来提供大尺寸纳米结构固体材料。只作为举例，本专利技术适用于制作热电装置。但是会理解，本专利技术具有相当大范围的适用性。按照一个实施例，热电固体材料包括多个纳米线。多个纳米线的各纳米线对应于等于或大于10的纵横比(例如纳米线的长度与纳米线的直径的比率)，以及多个纳米线的各纳米线在各纳米线的至少两个位置以化学方式接合到一个或多个其他纳米线。按照另一个实施例，热电固体材料包括多连接结构，其中包括多个结构元件和多个连接元件。多个结构元件通过多个连接元件来连接。多个结构元件和多个连接元件包括一个或多个第一材料，多个连接元件的各连接元件对应于等于或大于10的纵横比(例如连接元件的长度与连接元件的宽度的比率)，多个连接元件的各连接元件通过一个或多个空隙与结构元件或者另一个连接元件分隔，以及一个或多个空隙对应于小于5W/H1-K的热导率。热电固体材料与第一体积相关，多个结构元件和多个多个连接元件与第二体积相关，以及第二体积与第一体积的比率范围是从20%至99.9%。热电固体材料与大于0.1的热电优值系数ZT相关。按照又一实施例，热电固体材料包括多个硅颗粒。多个硅颗粒的各颗粒在任何维度小于250nm，以及多个硅颗粒的各颗粒对应于等于或大于10的纵横比(例如，硅颗粒的长度与硅颗粒的宽度的比率)。按照又一实施例，热电固体材料包括多个纳米结构。热电固体材料与大于零但小于三的豪斯多夫维数相关，以及热电固体材料与大于0.1的热电优值系数ZT相关。按照又一实施例，一种用于制作热电固体材料的方法提供多个纳米线。多个纳米线的各纳米线与多个纳米线的至少另一个纳米线相接触。另外，该方法包括在高于25°C的温度下或者在高于760托的压力下烧结多个纳米线，以形成热电固体材料。按照又一实施例，热电固体材料通过某个过程来制作。该过程包括:提供多个纳米线，多个纳米线的各纳米线与多个纳米线的至少另一个纳米线相接触；以及在高于25°C的温度下或者在高于760托的压力下烧结多个纳米线，以形成热电固体材料。根据本实施例，可实现一个或多个有益效果。参照以下详细描述和附图，能够全面理解本专利技术的这些有益效果以及各种附加目的、特征和优点。【附图说明】图1A是示出不同类型的纳米级结构和/或微米级结构经混合以通过火花等离子体烧结过程来形成随机或部分排序混合物的简化图。图1B是示出不同类型的纳米级结构或微观级微粒经混合以通过火花等离子体烧结过程来形成交互混合物的简化图。图2A和图2B是示出按照本专利技术的某些实施例的烧结纳米线的SEM图像。图3A是示出按照本专利技术的一个实施例、通过烧结纳米线所形成的大尺寸纳米结构材料的侧视图的简化图。图3B是示出按照本专利技术的另一个实施例、通过烧结纳米线所形成的大尺寸纳米结构团粒(pellet)的简化图。图4是示出按照本专利技术的一个实施例、包括通过烧结纳米线所形成的一个或多个大尺寸层的大尺寸固体材料的侧视图的简化图。图5A和图5B是示出按照本专利技术的一个实施例、包括通过烧结纳米线所形成的一个或多个外壳和一个或多个核心的大尺寸固体材料的顶视截面和侧视截面的简化图。图6A是示出按照本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电固体材料，所述热电固体材料包括：多个纳米线，其中：所述多个纳米线的各纳米线对应于等于或大于10的纵横比；以及所述多个纳米线的各纳米线在所述各纳米线的至少两个位置以化学方式接合到一个或多个其他纳米线。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·赖芬贝格，萨尼亚·勒布朗，马修·斯卡林，
申请(专利权)人：阿尔法贝特能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US