ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОЧЕЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H01L35/30 

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии, основанного на эффекте Пельтье, и может быть использовано при охлаждении малых объектов.

Известны термоэлектрические устройства (патенты США №3006979, опубликован 31.10.1961, №3409475, опубликован 05.11.1968, №4859250, опубликован 22.08.1989), выполненные из пары или нескольких пар электродов, изготовленных из материалов с разными работами выхода для электронов. При пропускании электрического тока через такие соединения вследствие эффекта Пельтье в области одного из контактов (группы контактов) разнородных материалов происходит поглощение тепла, а в области другого контакта (группы контактов) имеет место выделение тепла. Вариантом устройства для охлаждения на основе эффекта Пельтье являются многокаскадные элементы (патенты США № 5040381, опубликован 20.08.1991, №4833889, опубликован 30.05.1989, №5385022, опубликован 31.01.1995).

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является термоэлектрический охлаждающий модуль (патент РФ №2117362, опубликован 10.08.1998). Модуль содержит полупроводниковые ветви n- и p-типов проводимости, соединенные коммутационными шинами. Каждая коммутационная шина, расположенная по крайне мере на одной теплообменной пластине, присоединена к ней посредством теплоконтактного соединения, выполненного в виде слоя, изготовленного из упругого клеевого компаунда.

Недостатком приведенных аналогов является наличие в устройстве теплопереноса вдоль охлаждаемой поверхности за счет теплопереноса перпендикулярно охлаждающим электродам, что не позволяет точечно охлаждать поверхность.

Технической результатом, на получение которого направлено изобретение, является создание устройства для точечного охлаждения токопроводящих объектов.

Технический результат достигается в устройстве, которое выполнено в виде матрицы нанопроводов с электронным или дырочным типом проводимости, сформированных в регулярных нанопорах диэлектрика и снабженных контактами того же типа проводимости, при этом границы между контактами и нанопроводами представляют собой гетеропереходы, в которых нанопровода являются потенциальными барьерами для основных носителей заряда. Технический результат достигается при присоединении внешнего источника напряжения.

Предпочтительно в качестве диэлектрика с регулярными порами использовать пористую матрицу анодного оксида алюминия.

Предпочтительно в качестве материала для формирования нанопроводов использовать антимонид индия (InSb).

Предпочтительно использовать матрицу анодного алюминия с диаметром пор в диапазоне от 35 нм до 100 нм.

Предпочтительно использовать матрицу анодного алюминия с плотностью нанопроводов 10⁹  - 10¹⁰ проводов/см².

Предпочтительно использовать матрицу анодного алюминия, изготовленную с помощью темплетного метода электрохимического осаждения InSb в поры.

На фиг.1 показан потенциальный рельеф для электронов в одном нанопроводе устройства с контактами. E_F – энергия Ферми в электронах, E₁ – первый разрешенный уровень энергии электронов в нанопроводе.

На фиг.2 показаны зависимости температуры охлаждения эмиттера T_e от напряжения, приложенного к контактам устройства, при Т=300 К. Приведены кривые для различной концентрации электронов в эмиттерном контакте.

На фиг.3 показан схема устройства и его электрического подключения. 1 - коллекторный контакт, 2 - эмиттерный контакт, 3 – нанопровод, 4 – источник питания.

Технический результат реализуется следующим устройством.

Термоэлемент представляет собой матрицу нанопроводов с электронным или дырочным типом проводимости, расположенных в регулярных нанопорах диэлектрика и снабженных внешним источником напряжения и контактами того же типа проводимости, сформированных таким образом, что границы между контактами и нанопроводами представляют собой гетеропереходы, в которых нанопровода являются потенциальными барьерами для основных носителей заряда, как показано на фиг. 1.

При выполнении этого условия между энергией Ферми электронов в контактах E_F и первым разрешенным уровнем их энергии в нанопроводе E₁ возникает энергетическая щель

∆=E₁–E_F>0.

Величина ∆ представляет собой нижнюю границу энергии, которая может быть поглощена либо испущена электронами при переходе из состояния с энергией не выше энергии Ферми в состояние с энергией, разрешенной в проводящем канале.

Если поперечные размеры нанопровода L_⊥ меньше длины размерного квантования L_dq материала, из которого он изготовлен:

L_dq(T) = (3h²/8m*k_BT)^1/2

(здесь h – постоянная Планка, m* - эффективная масса носителей заряда в материале нанопровода, k_B – постоянная Больцмана), то величина энергетической щели ∆ может регулироваться поперечными размерами нанопроводов. Чем меньше L_⊥, тем больше ∆.

Для достаточно длинных нанопроводов (10 нм и больше) туннелированием электронов через потенциальный барьер, показанный на фиг. 1, можно пренебречь. При протекании тока через структуру значительная часть электронов попадает в нанопровода за счет инжекции из эмиттерного контакта.

По своему физическому смыслу эта инжекция эквивалентна испарительной эмиссии и приводит к охлаждению эмиттерного контакта. На противоположном коллекторном контакте происходит конденсация электронов и соответствующее нагревание коллекторного контакта.

Температуру охлаждения можно регулировать приложенным напряжением, при этом охлаждение будет тем больше, чем больше напряжение и концентрация электронов в эмиттерном контакте. Экспериментальные результаты показаны на фиг.2.

В качестве материала для нанопроводов может быть выбран, например, антимонид индия, имеющий малую ширину запрещенной зоны и высокую подвижность электронов. Кроме того, наноструктуры из InSb имеют максимальную для полупроводников группы А^IIIB^V длину размерного квантования электронов, составляющую 58 нм при комнатной температуре.

Применение темплетного метода электрохимического осаждения антимонида индия в нанопористые матрицы анодного оксида алюминия позволяет формировать нанопровода с большим аспектным отношением их длины к диаметру (диаметр определяется размером пор, а длина - длительностью процесса осаждения). Это обеспечивает отвод тепла от охлаждаемого объекта на значительное расстояние.

Массив идентичных нанопроводов формируется в пористой матрице анодного оксида алюминия, на противоположных сторонах которого формируются эмиттерный и коллекторный контакты из меди, алюминия или золота, как показано на фиг. 3. В зависимости от параметров технологического процесса диаметр нанопроводов может изменяться в пределах от 35 нм до 100 нм. Плотность нанопроводов в матрице в зависимости от их диаметра составляет 10⁹  - 10¹⁰ проводов/см².

Примером конкретного исполнения предлагаемого изобретения в качестве охладителя может служить единичный термоэлемент, состоящий из матрицы вертикально ориентированных нанопроводов из InSb диаметром 35 нм, соединенных между собой подслоем меди. Нанопровода выращены темплетным методом электрохимического осаждения. Под каждым контактом находится около 10⁸ нанопроводов. Матрицы дополнительно снабжены алюминиевыми контактами к подложке и к пористому верхнему слою оксида алюминия. Такой термоэлемент позволяет охладить терморегулируемую область на 25°С. Поскольку поперечный теплоперенос в анодном оксиде алюминия отсутствует, а поперечное сечение нанопровода может рассматриваться в макроустройствах как точечное, фактически осуществляется точечное охлаждение поверхности вблизи каждого отдельного нанопровода.

Таким образом, достигается заявляемый технический результат изобретения, позволяющий осуществлять точечное охлаждение контактов.

Использование: для охлаждения малых объектов. Сущность изобретения заключается в том, что термоэлектрическое устройство для точечного охлаждения характеризуется тем, что выполнено в виде матрицы полупроводниковых нанопроводов, сформированных в регулярных нанопорах диэлектрика и снабженных контактами того же типа проводимости, так, что границы между контактами и нанопроводами представляют собой гетеропереходы, в которых нанопровода являются потенциальными барьерами для основных носителей заряда. Технический результат - обеспечение возможности создания устройства для точечного охлаждения токопроводящих объектов. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Термоэлектрическое устройство для точечного охлаждения, характеризующееся тем, что выполнено в виде матрицы полупроводниковых нанопроводов, сформированных в регулярных нанопорах диэлектрика и снабженных контактами того же типа проводимости, так, что границы между контактами и нанопроводами представляют собой гетеропереходы, в которых нанопровода являются потенциальными барьерами для основных носителей заряда.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нанопровода выполнены с электронным типом проводимости.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нанопровода выполнены с дырочным типом проводимости.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве диэлектрика с регулярными порами использована пористая матрица анодного оксида алюминия.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала для формирования нанопроводов использован антимонид индия (InSb).

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что матрица анодного алюминия выполнена с диаметром пор в диапазоне от 35 до 100 нм.

7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что матрица анодного алюминия выполнена с плотностью нанопроводов 10⁹-10¹⁰ проводов/см².

8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что выполнено с применением темплетного метода электрохимического осаждения InSb в поры матрицы анодного алюминия.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что контакты выполнены из меди, и/или из алюминия, и/или из золота.