一種實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件及其制備方法
【專利摘要】一種實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件及其制備方法，涉及熱整流器件。熱整流器件由上方形薄膜、下方形薄膜組成，樣品設(shè)在上下方形薄膜之間；上方形薄膜上設(shè)有2個方形孔，上方形薄膜的厚度小于0.1mm，2個方形孔的長度均不超過上方形薄膜的邊長的1/3,不小于邊長的1/4；2個方形孔的寬度均不超過上方形薄膜邊長的1/7,不小于邊長的1/9；兩方形孔的中心距離上方形薄膜中心的距離為上方形薄膜邊長的1/5；下方形薄膜的中心設(shè)有方形孔，方形孔的邊長為下方形薄膜邊長的1/5。將上下方形薄膜的材料切割出大小邊長相同的方形片，在上方形薄膜上刻蝕兩個方形孔，在下方形薄膜上刻蝕一個方形孔；將上下方形薄膜貼合于樣品正反面。
【專利說明】
一種實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及熱整流器件，尤其是涉及一種實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱整流效應(yīng)是指在一個傳熱系統(tǒng)中存在一個特定的方向，在相同條件下沿此方向傳輸?shù)臒崃饕妊仄渌较騻鬏數(shù)臒崃鲝?qiáng)，熱整流的基本原理大致為兩種:第一，應(yīng)用幾種傳熱性能不同的材料結(jié)合起來，形成熱整流效應(yīng)。第二，利用幾何結(jié)構(gòu)的不對稱性，形成熱整流效應(yīng)。
[0003]文南犬(Obayashi W1Teraoka Y,Terasaki 1.An oxide thermal rectifier[J].Applied Physics Letters, 2009,95( 17): 171905)中科研人員通過實驗，利用LaCoC>3和La0.7Sn).3CO03兩種塊體材料熱傳導(dǎo)系數(shù)不同的特點，設(shè)計和制備了一個熱整流元器件，其整流效應(yīng)達(dá)到I.43。除此之外，文獻(xiàn)(Maier J, Scheer E, Leiderer P, et al.A thermald1de using phonon rectificat1n!! J].New Journal of Physics ,2011,13(11): 1367-1403)中實驗人員用聚焦離子束在硅薄膜上刻蝕出三角形和菱形的陣列，促進(jìn)熱流的單向傳導(dǎo)，從而制備出熱整流值較大的熱整流器件，其熱整流系數(shù)為1.7。以上方法制備得到的熱整流元器件，雖然效率高，但卻存在以下不足或弱點:
[0004]I)在器件的使用條件上，對于上述設(shè)計出的熱整流器件，維持其正常工作所需的溫度卻只能在-263?173°C的范圍內(nèi)，實用性有限。使器件的實際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的可能性降低。
[0005]2)從器件的制備成本考慮，相應(yīng)器件使用的LaCo03和La0.7 Sr0.3Co03兩種塊體材料制備復(fù)雜，成本較高，不利于實際的工業(yè)生產(chǎn)。
[0006]3)用聚焦離子束在硅薄膜上刻蝕，工藝也較為復(fù)雜，成本很高，并且不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有制備熱整流器件所需材料和器件使用溫度范圍受到限制，成本較高等問題，提供結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、并能大規(guī)模地制備在不同溫度下都可以實現(xiàn)材料良好熱整流效應(yīng)的一種實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件及其制備方法。
[0008]所述實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件由上方形薄膜、下方形薄膜組成，樣品設(shè)在上方形薄膜與下方形薄膜之間；所述上方形薄膜上設(shè)有2個平行的方形孔，上方形薄膜的厚度小于0.1mm，2個方形孔的長度均不超過上方形薄膜的邊長的1/3，并不小于上方形薄膜的邊長的1/4;2個方形孔的寬度均不超過上方形薄膜邊長的1/7，并不小于上方形薄膜邊長的I/9;2個方形孔的兩邊均與上方形薄膜的兩邊平行，且兩方形孔的中心距離上方形薄膜中心的距離為上方形薄膜邊長的1/5;所述下方形薄膜的中心設(shè)有方形孔，所述方形孔的邊長為下方形薄膜邊長的1/5。
[0009]所述樣品為具有導(dǎo)熱能力的導(dǎo)熱材料。
[0010]所述實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件的制備方法，包括以下步驟:
[0011]I)準(zhǔn)備上方形薄膜和下方形薄膜的材料，標(biāo)記樣品的正反面。
[0012]2)將上方形薄膜和下方形薄膜的材料切割出大小邊長相同的方形片，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與樣品的大小一致。
[0013]3)在上方形薄膜上刻蝕兩個方形孔，在下方形薄膜上刻蝕一個方形孔；
[0014]4)將上方形薄膜和下方形薄膜分別貼合于樣品的正反面，即得實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件。
[0015]在步驟2)中，所述切割可采用激光切割、等離子切割或機(jī)械切割等。
[0016]在步驟3)中，所述刻蝕可采用等離子體刻蝕等。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點為:
[0018]首次提出了一種通過疊加薄膜片從而實現(xiàn)材料熱整流的方法。該方法設(shè)計出的器件，可應(yīng)用于無熱整流的材料，從而實現(xiàn)其熱整流效應(yīng);本發(fā)明適用于器件材料及其應(yīng)用材料能承受的所有溫度范圍，擴(kuò)展了器件的溫度使用范圍，提高了器件的實用性。且該器件可用多種材料設(shè)計，放寬了器件本身材料的限制，拓展材料的選擇，從而降低生產(chǎn)成本。綜上所述，本發(fā)明設(shè)計出的熱整流器件，突破了傳統(tǒng)熱整流器件的設(shè)計原理，具有很好的實用性和可行性。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明實施例的上方形薄膜結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0021 ]圖3為本發(fā)明實施例的下方形薄膜結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0022]圖4為各個溫度下加上本發(fā)明器件前后的熱整流值對比圖。
【具體實施方式】
[0023]為了設(shè)計出可以實現(xiàn)材料熱整流的元器件，本發(fā)明提供了一種通過外加特定的薄膜片從而實現(xiàn)熱整流效應(yīng)，或增大熱整流效應(yīng)的方法，制備出在常溫下可實現(xiàn)材料熱整流的元器件。
[0024]參見圖1?3，所述實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件實施例由上方形薄膜1、下方形薄膜2組成，樣品3設(shè)在上方形薄膜I與下方形薄膜2之間；所述上方形薄膜I上設(shè)有2個平行的方形孔11，上方形薄膜I的厚度小于0.lmm，2個方形孔11的長度均不超過上方形薄膜I的邊長的1/3，并不小于上方形薄膜I的邊長的1/4; 2個方形孔11的寬度均不超過上方形薄膜I邊長的1/7，并不小于上方形薄膜I邊長的1/9; 2個方形孔11的兩邊均與上方形薄膜I的兩邊平行，且兩方形孔的中心距離上方形薄膜I中心的距離為上方形薄膜I邊長的1/5;所述下方形薄膜2的中心設(shè)有方形孔21，所述方形孔21的邊長為下方形薄膜2邊長的1/5。
[0025]所述樣品3為具有導(dǎo)熱能力的導(dǎo)熱材料。
[0026]所述實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件的制備方法，包括以下步驟:
[0027]I)準(zhǔn)備上方形薄膜I和下方形薄膜2的材料，標(biāo)記樣品3的正反面;上方形薄膜I和下方形薄膜2的材料可采用銅片。
[0028]2)將上方形薄膜I和下方形薄膜2的材料采用激光切割、等離子切割或機(jī)械切割方法切割出大小邊長相同的方形片，得上方形薄膜I和下方形薄膜2，上方形薄膜I和下方形薄膜2的大小與樣品3的大小一致。
[0029]3)在上方形薄膜I上采用等離子體刻蝕的方法刻蝕兩個方形孔11，在下方形薄膜2上刻蝕一個方形孔21;
[0030]4)將上方形薄膜I和下方形薄膜2分別貼合于樣品3的正反面，即得實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件。
[0031]對樣品可分別測試樣品3從正面到反面以及反方向的熱導(dǎo)率，再將正反兩組數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并求出各個溫度下兩熱導(dǎo)率的比值即熱整流值a。
[0032]分別測量設(shè)計出的元器件從正面到反面，以及反方向的熱導(dǎo)率;再將正反兩組數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并求出各個溫度下兩熱導(dǎo)率的比值即熱整流值b。
[0033]將各個溫度下的熱整流值a與熱整流值b進(jìn)行比較，明顯觀察到經(jīng)過本發(fā)明方法的改進(jìn)后，熱整流效率大大提升。參見圖4。
【主權(quán)項】
1.一種實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件，其特征在于由上方形薄膜、下方形薄膜組成，樣品設(shè)在上方形薄膜與下方形薄膜之間；所述上方形薄膜上設(shè)有2個平行的方形孔，上方形薄膜的厚度小于0.lmm，2個方形孔的長度均不超過上方形薄膜的邊長的1/3，并不小于上方形薄膜的邊長的1/4;2個方形孔的寬度均不超過上方形薄膜邊長的1/7，并不小于上方形薄膜邊長的1/9; 2個方形孔的兩邊均與上方形薄膜的兩邊平行，且兩方形孔的中心距離上方形薄膜中心的距離為上方形薄膜邊長的1/5;所述下方形薄膜的中心設(shè)有方形孔，所述方形孔的邊長為下方形薄膜邊長的1/5。2.如權(quán)利要求1所述實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)準(zhǔn)備上方形薄膜和下方形薄膜的材料，標(biāo)記樣品的正反面； 2)將上方形薄膜和下方形薄膜的材料切割出大小邊長相同的方形片，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與樣品的大小一致； 3)在上方形薄膜上刻蝕兩個方形孔，在下方形薄膜上刻蝕一個方形孔； 4)將上方形薄膜和下方形薄膜分別貼合于樣品的正反面，即得實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件。3.如權(quán)利要求2所述實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述切割采用激光切割、等離子切割或機(jī)械切割。4.如權(quán)利要求2所述實現(xiàn)材料熱整流的熱整流器件的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述刻蝕采用等離子體刻蝕。
【文檔編號】H01L21/48GK105914190SQ201610289374
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月4日
【發(fā)明人】鄭金成, 蔡云萍, 王惠瓊
【申請人】廈門大學(xué)