一种实现材料热整流的热整流器件及其制备方法

摘要

一种实现材料热整流的热整流器件及其制备方法，涉及热整流器件。热整流器件由上方形薄膜、下方形薄膜组成，样品设在上下方形薄膜之间；上方形薄膜上设有2个方形孔，上方形薄膜的厚度小于0.1mm，2个方形孔的长度均不超过上方形薄膜的边长的1/3,不小于边长的1/4；2个方形孔的宽度均不超过上方形薄膜边长的1/7,不小于边长的1/9；两方形孔的中心距离上方形薄膜中心的距离为上方形薄膜边长的1/5；下方形薄膜的中心设有方形孔，方形孔的边长为下方形薄膜边长的1/5。将上下方形薄膜的材料切割出大小边长相同的方形片，在上方形薄膜上刻蚀两个方形孔，在下方形薄膜上刻蚀一个方形孔；将上下方形薄膜贴合于样品正反面。

权利要求

1.一种实现材料热整流的热整流器件，其特征在于由上方形薄膜、下方形薄膜组成，样品设在上方形薄膜与下方形薄膜之间；所述上方形薄膜上设有2个平行的上方形孔，上方形薄膜的厚度小于0.1mm，2个上方形孔的长度均不超过上方形薄膜的边长的1/3,并不小于上方形薄膜的边长的1/4；2个上方形孔的宽度均不超过上方形薄膜边长的1/7,并不小于上方形薄膜边长的1/9；2个上方形孔的两边均与上方形薄膜的两边平行，且两上方形孔的中心距离上方形薄膜中心的距离为上方形薄膜边长的1/5；所述下方形薄膜的中心设有下方形孔，所述下方形孔的边长为下方形薄膜边长的1/5。

2.如权利要求1所述实现材料热整流的热整流器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)准备上方形薄膜和下方形薄膜的材料，标记样品的正反面；

2)将上方形薄膜和下方形薄膜的材料切割出大小边长相同的方形片，得上方形薄膜和下方形薄膜，上方形薄膜和下方形薄膜的大小与样品的大小一致；

3)在上方形薄膜上刻蚀两个方形孔，在下方形薄膜上刻蚀一个方形孔；

4)将上方形薄膜和下方形薄膜分别贴合于样品的正反面，即得实现材料热整流的热整流器件。

3.如权利要求2所述实现材料热整流的热整流器件的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述切割采用激光切割、等离子切割或机械切割。

4.如权利要求2所述实现材料热整流的热整流器件的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述刻蚀采用等离子体刻蚀。

说明书

一种实现材料热整流的热整流器件及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及热整流器件，尤其是涉及一种实现材料热整流的热整流器件及其制备方法。

背景技术

[0002] 热整流效应是指在一个传热系统中存在一个特定的方向,在相同条件下沿此方向传输的热流要比沿其它方向传输的热流强，热整流的基本原理大致为两种：第一，应用几种传热性能不同的材料结合起来，形成热整流效应。第二，利用几何结构的不对称性，形成热整流效应。

[0003] 文献(Obayashi W,Teraoka Y,Terasaki I.An oxide thermal rectifier[J].Applied Physics Letters,2009,95(17):171905)中科研人员通过实验，利用LaCoO3和La0.7Sr0.3CoO3两种块体材料热传导系数不同的特点，设计和制备了一个热整流元器件，其整流效应达到1.43。除此之外，文献(Maier J,Scheer E,Leiderer P,et al.A thermal diode using phonon rectification[J].New Journal of Physics,2011,13(11):1367-1403)中实验人员用聚焦离子束在硅薄膜上刻蚀出三角形和菱形的阵列，促进热流的单向传导，从而制备出热整流值较大的热整流器件，其热整流系数为1.7。以上方法制备得到的热整流元器件，虽然效率高，但却存在以下不足或弱点：

[0004] 1)在器件的使用条件上，对于上述设计出的热整流器件，维持其正常工作所需的温度却只能在-263～173℃的范围内，实用性有限。使器件的实际应用和产业化的可能性降低。

[0005] 2)从器件的制备成本考虑，相应器件使用的LaCoO3和La0.7Sr0.3CoO3两种块体材料制备复杂，成本较高，不利于实际的工业生产。

[0006] 3)用聚焦离子束在硅薄膜上刻蚀，工艺也较为复杂,成本很高，并且不适合大规模生产。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于针对现有制备热整流器件所需材料和器件使用温度范围受到限制，成本较高等问题，提供结构简单、使用方便、并能大规模地制备在不同温度下都可以实现材料良好热整流效应的一种实现材料热整流的热整流器件及其制备方法。

[0008] 所述实现材料热整流的热整流器件由上方形薄膜、下方形薄膜组成，样品设在上方形薄膜与下方形薄膜之间；所述上方形薄膜上设有2个平行的方形孔，上方形薄膜的厚度小于0.1mm，2个方形孔的长度均不超过上方形薄膜的边长的1/3,并不小于上方形薄膜的边长的1/4；2个方形孔的宽度均不超过上方形薄膜边长的1/7,并不小于上方形薄膜边长的1/9；2个方形孔的两边均与上方形薄膜的两边平行，且两方形孔的中心距离上方形薄膜中心的距离为上方形薄膜边长的1/5；所述下方形薄膜的中心设有方形孔，所述方形孔的边长为下方形薄膜边长的1/5。

[0009] 所述样品为具有导热能力的导热材料。

[0010] 所述实现材料热整流的热整流器件的制备方法，包括以下步骤：

[0011] 1)准备上方形薄膜和下方形薄膜的材料，标记样品的正反面。

[0012] 2)将上方形薄膜和下方形薄膜的材料切割出大小边长相同的方形片，得上方形薄膜和下方形薄膜，上方形薄膜和下方形薄膜的大小与样品的大小一致。

[0013] 3)在上方形薄膜上刻蚀两个方形孔，在下方形薄膜上刻蚀一个方形孔；

[0014] 4)将上方形薄膜和下方形薄膜分别贴合于样品的正反面，即得实现材料热整流的热整流器件。

[0015] 在步骤2)中，所述切割可采用激光切割、等离子切割或机械切割等。

[0016] 在步骤3)中，所述刻蚀可采用等离子体刻蚀等。

[0017] 本发明的优点为：

[0018] 首次提出了一种通过叠加薄膜片从而实现材料热整流的方法。该方法设计出的器件，可应用于无热整流的材料，从而实现其热整流效应；本发明适用于器件材料及其应用材料能承受的所有温度范围，扩展了器件的温度使用范围，提高了器件的实用性。且该器件可用多种材料设计，放宽了器件本身材料的限制，拓展材料的选择，从而降低生产成本。综上所述，本发明设计出的热整流器件，突破了传统热整流器件的设计原理，具有很好的实用性和可行性。

附图说明

[0019] 图1为本发明实施例的结构组成示意图。

[0020] 图2为本发明实施例的上方形薄膜结构组成示意图。

[0021] 图3为本发明实施例的下方形薄膜结构组成示意图。

[0022] 图4为各个温度下加上本发明器件前后的热整流值对比图。

具体实施方式

[0023] 为了设计出可以实现材料热整流的元器件，本发明提供了一种通过外加特定的薄膜片从而实现热整流效应，或增大热整流效应的方法，制备出在常温下可实现材料热整流的元器件。

[0024] 参见图1～3，所述实现材料热整流的热整流器件实施例由上方形薄膜1、下方形薄膜2组成，样品3设在上方形薄膜1与下方形薄膜2之间；所述上方形薄膜1上设有2个平行的方形孔11，上方形薄膜1的厚度小于0.1mm，2个方形孔11的长度均不超过上方形薄膜1的边长的1/3,并不小于上方形薄膜1的边长的1/4；2个方形孔11的宽度均不超过上方形薄膜1边长的1/7,并不小于上方形薄膜1边长的1/9；2个方形孔11的两边均与上方形薄膜1的两边平行，且两方形孔的中心距离上方形薄膜1中心的距离为上方形薄膜1边长的1/5；所述下方形薄膜2的中心设有方形孔21，所述方形孔21的边长为下方形薄膜2边长的1/5。

[0025] 所述样品3为具有导热能力的导热材料。

[0026] 所述实现材料热整流的热整流器件的制备方法，包括以下步骤：

[0027] 1)准备上方形薄膜1和下方形薄膜2的材料，标记样品3的正反面；上方形薄膜1和下方形薄膜2的材料可采用铜片。

[0028] 2)将上方形薄膜1和下方形薄膜2的材料采用激光切割、等离子切割或机械切割方法切割出大小边长相同的方形片，得上方形薄膜1和下方形薄膜2，上方形薄膜1和下方形薄膜2的大小与样品3的大小一致。

[0029] 3)在上方形薄膜1上采用等离子体刻蚀的方法刻蚀两个方形孔11，在下方形薄膜2上刻蚀一个方形孔21；

[0030] 4)将上方形薄膜1和下方形薄膜2分别贴合于样品3的正反面，即得实现材料热整流的热整流器件。

[0031] 对样品可分别测试样品3从正面到反面以及反方向的热导率，再将正反两组数据导出，并求出各个温度下两热导率的比值即热整流值a。

[0032] 分别测量设计出的元器件从正面到反面，以及反方向的热导率；再将正反两组数据导出，并求出各个温度下两热导率的比值即热整流值b。

[0033] 将各个温度下的热整流值a与热整流值b进行比较，明显观察到经过本发明方法的改进后，热整流效率大大提升。参见图4。