專利名稱：基于碳納米管薄膜的三維異質(zhì)結(jié)同位素電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微型同位素電池，特別涉及一種三維的基于碳納米管異質(zhì)結(jié)的同位素電池及其制備方法，屬于微機(jī)械電子系統(tǒng)中的微能源領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(簡稱MEMS)是以微/納米量級的設(shè)計(jì)和制造為基礎(chǔ)，將微傳感器、微執(zhí)行器和控制、接口以及電源等電路集成在一起的微型系統(tǒng)。過去幾十年微機(jī)電系統(tǒng)正在飛速發(fā)展，而隨著電子系統(tǒng)的尺寸減小，研制體積小、重量輕、能量密度高、高壽命并能持續(xù)供能的微能源系統(tǒng)對微機(jī)電系統(tǒng)具有重要的意義。目前，微能源系統(tǒng)正成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一，如微型燃料電池、環(huán)境能量拾取器、微型太陽能電池等。但燃料電池需要在工作過程中補(bǔ)充燃料，微型太陽能電池需要光照，環(huán)境能量拾取器的能量轉(zhuǎn)換率太低，這些能源使用在MEMS系統(tǒng)中都具有一定的局限性。同位素電池又稱為核電池，是將放射性同位素的衰變能直接或間接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。放射性同位素的能量密度高達(dá)1-lOOMJ/cc (傳統(tǒng)燃料能量密度為l-20kj/cc)，壽命長達(dá)1-100年，受環(huán)境條件影響小。因此，同位素電池的研究引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。
同位素電池按能量轉(zhuǎn)換機(jī)制分類，包括直接充電型同位素電池、接觸勢型同位素電池、p-n結(jié)同位素電池、熱動力型同位素電池、熱電轉(zhuǎn)換同位素電池、熱離子發(fā)射同位素電池、壓電轉(zhuǎn)換型同位素電池等。在上述這些同位素電池中，熱電轉(zhuǎn)換同位素電池應(yīng)用最為廣泛，而P-n結(jié)同位素電池的理論效率高達(dá)40%，是用在微機(jī)電系統(tǒng)中最理想的能量轉(zhuǎn)換方式之一。
20世紀(jì)50年代，研究發(fā)現(xiàn)同位素衰變產(chǎn)生的P粒子能在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對,此現(xiàn)象被稱為3輻射伏特效應(yīng)。3輻射伏特效應(yīng)在原理上和光生伏特效應(yīng)很相似，差別在于3輻射伏特效應(yīng)是用3粒子轉(zhuǎn)化能量，而光生伏特效應(yīng)使用的則是光子。帶有一定能量的P粒子撞擊半導(dǎo)體材料，通過力電效應(yīng)在pn結(jié)的耗盡區(qū)附近產(chǎn)生電子空穴對，同時在pn結(jié)的內(nèi)建電場作用下，實(shí)現(xiàn)對電子空穴對的分離，在器件終端形成電流。近年來，國內(nèi)外研究者或者通過改變硅基Pn結(jié)的結(jié)構(gòu)來提高電池的開路電壓和短路電流，或者通過使用抗輻照材料如GaN、SiC等來提高器件的抗輻照性，但效果都不是很顯著。
跟傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比，碳納米管具有獨(dú)特的納米一維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)。碳納米管的一維納米結(jié)構(gòu)使其電子可以沿著管軸橫波傳輸且具有量子效應(yīng)，同時使碳納米管具有高的載流子遷移率和彈道傳輸特點(diǎn)。碳納米管的管徑和螺旋度決定了其能帶結(jié)構(gòu)，其能隙寬度可以從零變化到與硅相等。同時，碳納米管薄膜的多孔結(jié)構(gòu)使其具有很大的比表面積。這些特點(diǎn)使基于碳納米管的異質(zhì)結(jié)成為理想的P輻射電池結(jié)構(gòu)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于碳納米管薄膜的異質(zhì)結(jié)為換能結(jié)構(gòu)的三維同位素電池，利用碳納米管納米材料的特有性質(zhì)以及襯底的三維結(jié)構(gòu)來改善電池的性能。這種同位素電池體積小，轉(zhuǎn)換效率高，而且結(jié)構(gòu)和工藝簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可以長時間工作，并能工作于各種復(fù)雜的環(huán)境。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種基于碳納米管薄膜的三維異質(zhì)結(jié)同位素電池，包括換能結(jié)構(gòu)和源結(jié)構(gòu)兩部分，其中換能結(jié)構(gòu)包括第一襯底，位于第一襯底背面的背電極，以及位于第一襯底正面的圖形化的絕緣層和絕緣層上的正面電極；所述第一襯底的正面具有三維陣列結(jié)構(gòu)，表面沉積有碳納米管薄膜；該碳納米管薄膜與第一襯底的接觸部分形成異質(zhì)結(jié)，與正面電極形成歐姆接觸；源結(jié)構(gòu)包括第二襯底和位于第二襯底表面的放射性同位素膜；源結(jié)構(gòu)和換能結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)封接在一起，二者相接觸的部位之間電學(xué)隔離，而源結(jié)構(gòu)的放射性同位素膜和換能結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)相對，位于封接形成的空腔內(nèi)。
所述第一襯底是換能結(jié)構(gòu)的襯底，也是與碳納米管薄膜形成異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體，其可以是硅片、砷化鎵片、碳化硅片或氮化鎵片等，其正面表面的絕緣層的材料可以為二氧化硅或氮化硅等。絕緣層是為了防止正面電極與襯底直接接觸。
所述絕緣層上的正面電極需要與碳納米薄膜形成歐姆接觸，可以選自下列金屬的一種或多種Au、Pd和Pt等。
所述絕緣層和正面電極經(jīng)過圖形化形成一定的圖案，第一襯底正面在未覆蓋絕緣層和正面電極的部分刻蝕出凹槽，形成三維陣列結(jié)構(gòu)。所述凹槽可以是倒金字塔形或矩形寸。
所述第一襯底背面的背電極材料可以選擇下列多種金屬的一種Au、Al、Pt等。
所述第二襯底是源結(jié)構(gòu)的襯底，其可以是金屬襯底，例如鎳片和銅片等，也可以是非金屬襯底，例如硅片和玻璃片等。
上述基于碳納米管薄膜的三維異質(zhì)結(jié)同位素電池可以通過下述方法制備
1)根據(jù)下述步驟a_d制備換能結(jié)構(gòu)
a、在第一襯底的正面形成圖形化的絕緣層和正面電極；
b、在第一襯底的正面形成三維陣列結(jié)構(gòu)；
C、在第一襯底的背面制作背電極；
d、將碳納米管薄膜沉積在第一襯底正面，使碳納米管薄膜與第一襯底形成異質(zhì)結(jié)，并與正面電極形成歐姆接觸；
2)制備源結(jié)構(gòu)在第二襯底上淀積放射性同位素膜；
3)使源結(jié)構(gòu)的放射性同位素膜面對換能結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)，將源結(jié)構(gòu)和換能結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)封接在一起，并在二者相接觸的部位實(shí)現(xiàn)電學(xué)隔離。
上述步驟l)a在第一襯底正面先形成絕緣層，然后在絕緣層上采用濺射、蒸發(fā)或電鍍等方法制備正面金屬電極，通過光刻定義電極圖形，采用腐蝕或剝離等方法實(shí)現(xiàn)金屬圖形化；再通過光刻與正面電極圖形對準(zhǔn)，經(jīng)干法刻蝕或者濕法腐蝕實(shí)現(xiàn)絕緣層圖形化。
上述步驟l)b所述三維陣列可以通過濕法腐蝕或者干法刻蝕未覆蓋絕緣層和正面電極的第一襯底部分的方式來制備。
上述步驟l)c所述背電極為金屬電極，可以采用濺射、蒸發(fā)或電鍍等方法來制備。
上述步驟l)d所述碳納米管薄膜可以通過直接蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法、印刷法、 電泳法以及濾膜法等來制備。
上述步驟2)中放射性同位素膜的制備可以采用電鍍或分子鍍或化學(xué)鍍等方法。
上述步驟3)中換能結(jié)構(gòu)和源結(jié)構(gòu)的封接方法可以用粘結(jié)劑將二者粘結(jié)，也可以用外加固定結(jié)構(gòu)將二者固定在一起。
上述步驟3)中換能結(jié)構(gòu)和源結(jié)構(gòu)之間相接觸部位的絕緣隔離可以利用位于二者之間的絕緣墊圈或者直接制作于源結(jié)構(gòu)或換能結(jié)構(gòu)上的絕緣結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，也可以通過使用硅膠或環(huán)氧樹脂等各類絕緣粘結(jié)劑將源結(jié)構(gòu)和換能結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明是基于碳納米管薄膜的三維異質(zhì)結(jié)同位素電池，其結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，體積小；三維結(jié)構(gòu)可有效增大器件作用面積，提高器件性能；采用碳納米管薄膜與其他半導(dǎo)體材料接觸形成的異質(zhì)結(jié)，可以產(chǎn)生高的輸出電壓、輸出電流以及電流放大系數(shù)，提高了同位素電池的轉(zhuǎn)換效率。其制造過程大多采用標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝，工藝簡單、可批量制造、成本低、成品率高、可靠性高；碳納米管薄膜以及源的制備過程也較容易與MEMS工藝相兼容。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例制備的換能結(jié)構(gòu)的俯視圖，顯示了第一襯底的三維結(jié)構(gòu)，碳納米管薄膜與第一襯底形成的異質(zhì)結(jié)以及正面電極的引出；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例制備的同位素電池器件的截面圖3(a)-圖3(f)為本發(fā)明實(shí)施例制備三維的基于碳納米管薄膜-硅異質(zhì)結(jié)同位素電池的工藝流程其中，I-換能結(jié)構(gòu)襯底，2-換能結(jié)構(gòu)絕緣層，3-正面電極，4-背電極，5-碳納米管薄膜，6-源結(jié)構(gòu)襯底，7-放射性同位素膜，8-隔離層。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述
如圖I和圖2所示，本實(shí)施例所制備的同位素電池包括換能結(jié)構(gòu)和源結(jié)構(gòu)兩部分， 二者封接在一起，接觸處通過隔離層8電學(xué)隔離。所述換能結(jié)構(gòu)包括第一襯底(換能結(jié)構(gòu)襯底)1，在第一襯底I上表面(正面)上依次層疊有經(jīng)過圖形化的絕緣層2和正面電極3; 第一襯底I正面經(jīng)過圖形化和腐蝕后具有三維陣列結(jié)構(gòu)，在三維陣列結(jié)構(gòu)或整個第一襯底的表面沉積有碳納米管薄膜5 ;第一襯底I的背面是金屬背電極4。所述源結(jié)構(gòu)則包括第二襯底(源結(jié)構(gòu)襯底)6和位于其下表面的放射性同位素膜7。
上述同位素電池是根據(jù)如下方法制備的
I)換能結(jié)構(gòu)的制備
a、取單晶硅片一片(雙拋硅片，厚度400 iim)作為換能結(jié)構(gòu)襯底(第一襯底)1，首先熱氧化在第一襯底I表面形成300nm厚的二氧化硅，然后去除背面的二氧化硅，保留上表面的二氧化硅作為絕緣層2，然后在上表面的二氧化硅上先濺射粘附層金屬Cr，厚度15nm， 再濺射金屬Au，厚度150nm，作為正面電極3，見圖3(a)。
b、對正面電極3和絕緣層2光刻腐蝕出圖形，在第一襯底I正面形成 80iimX80iim的矩形陣列，參見圖3(b)。
C、通過KOH各向異性腐蝕，在第一襯底I正面形成倒金字塔凹槽的三維陣列，并在第一襯底I背面派射金屬Cr/Au 15nm/150nm做背電極4,合金使背電極4與第一襯底I形成歐姆接觸，見圖3(c)。
d、利用直接蒸發(fā)法在硅襯底1正面形成碳納米管薄膜，具體方法如下
將碳納米管溶解于二甲基甲酰胺有機(jī)溶劑制成濃度為5μ g/ml的碳納米管懸浮液，將溶液超聲超過池，將已形成倒金字塔三維陣列結(jié)構(gòu)的第一襯底1放在加熱板上加熱至100°C，將碳納米管懸浮液滴在硅襯底1上，溶劑揮發(fā)形成碳納米管薄膜5，如圖3(d)所7J\ ο
2)源結(jié)構(gòu)的制作
取鎳片作為源結(jié)構(gòu)襯底(第二襯底)6，在其正面電鍍2mCi的放射性同位素膜 Ni-63，形成源結(jié)構(gòu)，見圖3(e)。
3)將源結(jié)構(gòu)和換能結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)，并利用絕緣硅膠作為隔離層8將二者粘結(jié)在一起， 形成三維的基于碳納米管薄膜-硅異質(zhì)結(jié)的同位素電池，見圖3(f)。
本實(shí)施例提供了一種三維的基于碳納米管薄膜-硅異質(zhì)結(jié)的同位素電池的結(jié)構(gòu)和制備方法，本發(fā)明不僅局限于此實(shí)施例，可以根據(jù)實(shí)際需要和設(shè)計(jì)要求做出相應(yīng)的修改。
本實(shí)施例中作為絕緣層2的二氧化硅可以是其他絕緣體，如氮化硅，厚度也可調(diào)節(jié)。
本實(shí)施例中的正面電極Cr/Au可以為其他金屬，如Au、Pd和Pt。
本實(shí)施例中的背電極Cr/Au可以為其他金屬，如Al、Pt等。
本實(shí)施例中的正面和背面金屬采用濺射法制備，也可以采用蒸發(fā)、電鍍等方法。
本實(shí)施例中碳納米管薄膜制備方法為直接蒸發(fā)法，其也可以利用方法制備，例如化學(xué)氣相沉積法、印刷法、電泳法以及濾膜法等
本實(shí)施例中碳納米管懸浮液的溶劑、濃度均可調(diào)，直接蒸發(fā)時的溫度也可調(diào)。
本實(shí)施例中源結(jié)構(gòu)可以用金屬作為源結(jié)構(gòu)襯底，如鎳片或銅片等金屬片，也可以用非金屬半導(dǎo)體或絕緣體做襯底，如玻璃等。如果用金屬或半導(dǎo)體作為襯底，那么將換能結(jié)構(gòu)與源結(jié)構(gòu)組裝在一起時需要在二者之間插入絕緣層。
本實(shí)施例中放射性同位素可以使用電鍍，分子鍍或者化學(xué)鍍的方式獲得，放射性同位素的放射性強(qiáng)度可調(diào)。
本實(shí)施例中換能結(jié)構(gòu)與源結(jié)構(gòu)相接觸隔離層可以是絕緣墊圈，或者是硅膠或環(huán)氧樹脂等各類絕緣粘結(jié)劑形成的粘結(jié)層，或者是直接制作于源結(jié)構(gòu)或者換能結(jié)構(gòu)上的絕緣結(jié)構(gòu)層。
本實(shí)施例中換能結(jié)構(gòu)和源結(jié)構(gòu)的封接方法可以是利用粘結(jié)劑將二者粘結(jié)，也可以用外加固定結(jié)構(gòu)將二者固定在一起。
以上通過實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明所提供的基于碳納米管異質(zhì)結(jié)的同位素電池， 本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明做一定的變形或修改；其制備方法也不限于實(shí)施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種三維異質(zhì)結(jié)同位素電池，包括換能結(jié)構(gòu)和源結(jié)構(gòu)兩部分，其中換能結(jié)構(gòu)包括第一襯底，位于第一襯底背面的背電極，以及位于第一襯底正面的圖形化的絕緣層和絕緣層上的正面電極;所述第一襯底的正面具有三維陣列結(jié)構(gòu)，表面沉積有碳納米管薄膜；該碳納米管薄膜與第一襯底的接觸部分形成異質(zhì)結(jié)，與正面電極形成歐姆接觸;源結(jié)構(gòu)包括第二襯底和位于第二襯底表面的放射性同位素膜;源結(jié)構(gòu)和換能結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)封接在一起，二者相接觸的部位之間電學(xué)隔離，而源結(jié)構(gòu)的放射性同位素膜和換能結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)相對，位于封接形成的空腔內(nèi)。
2.如權(quán)利要求I所述的三維異質(zhì)結(jié)同位素電池，其特征在于，所述第一襯底是硅片、砷化鎵片、碳化硅片或氮化鎵片；所述絕緣層材料是二氧化硅或氮化硅；所述正面電極材料選自下列金屬的一種或多種Au、Pd和Pt ;所述背電極材料選自下列金屬的一種或多種 Au、Al 和 Pt。
3.如權(quán)利要求I所述的三維異質(zhì)結(jié)同位素電池，其特征在于，所述第一襯底正面在未覆蓋絕緣層和正面電極的部分刻蝕出凹槽，形成三維陣列結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求I所述的三維異質(zhì)結(jié)同位素電池，其特征在于，所述凹槽為倒金字塔形或矩形。
5.權(quán)利要求I 4任一所述三維異質(zhì)結(jié)同位素電池的制備方法，包括以下步驟.1)根據(jù)下述步驟a-d制備換能結(jié)構(gòu)a、在第一襯底的正面形成圖形化的絕緣層和正面電極；b、在第一襯底的正面形成三維陣列結(jié)構(gòu)；C、在第一襯底的背面制作背電極；d、將碳納米管薄膜沉積在第一襯底正面，使碳納米管薄膜與第一襯底形成異質(zhì)結(jié)，并與正面電極形成歐姆接觸；.2)制備源結(jié)構(gòu)在第二襯底上淀積放射性同位素膜；.3)使源結(jié)構(gòu)的放射性同位素膜面對換能結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)，將源結(jié)構(gòu)和換能結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)封接在一起，并在二者相接觸的部位實(shí)現(xiàn)電學(xué)隔離。
6.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟I)a在第一襯底正面先形成絕緣層，然后在絕緣層上采用濺射、蒸發(fā)或電鍍的方法制備正面金屬電極；通過光刻定義電極圖形，采用腐蝕或剝離方法實(shí)現(xiàn)金屬圖形化；再通過光刻與正面電極圖形對準(zhǔn)，經(jīng)干法刻蝕或濕法腐蝕實(shí)現(xiàn)絕緣層圖形化。
7.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟I)b在第一襯底正面濕法腐蝕或干法刻蝕未覆蓋絕緣層和正面電極的部分，形成三維陣列結(jié)構(gòu)。
8.權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟l)c采用濺射、蒸發(fā)或電鍍的方法制作金屬背電極。
9.權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟I)d通過直接蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法、印刷法、電泳法或?yàn)V膜法制備碳納米管薄膜；步驟2)采用電鍍或分子鍍或化學(xué)鍍的方法中制作放射性同位素膜。
10.權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟3)換能結(jié)構(gòu)和源結(jié)構(gòu)相接觸部位的電學(xué)隔離通過下述方法I)或II)實(shí)現(xiàn)1)在二者之間設(shè)置絕緣墊圈或者直接制作于源結(jié)構(gòu)或換能結(jié)構(gòu)上的絕緣結(jié)構(gòu)，再將二者封接在一起；11)使用絕緣粘結(jié)劑將源結(jié)構(gòu)和換能結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于碳納米管薄膜的三維異質(zhì)結(jié)同位素電池及其制備方法。該同位素電池的換能結(jié)構(gòu)包括襯底、背電極、以及圖形化的絕緣層和絕緣層上的正面電極；換能結(jié)構(gòu)襯底的正面具有三維陣列結(jié)構(gòu)，表面沉積有碳納米管薄膜；碳納米管薄膜與襯底的接觸部分形成異質(zhì)結(jié)，與正面電極形成歐姆接觸；源結(jié)構(gòu)包括襯底和襯底表面的放射性同位素膜；源結(jié)構(gòu)和換能結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)封接在一起，二者相接觸的部位之間電學(xué)隔離，而源結(jié)構(gòu)的放射性同位素膜和換能結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)相對，位于封接形成的空腔內(nèi)。該同位素電池中的三維結(jié)構(gòu)有效增大了器件作用面積，提高了器件性能；碳納米管薄膜與其他半導(dǎo)體材料接觸形成的異質(zhì)結(jié)提高了同位素電池的轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號B81C1/00GK102543239SQ20121000477
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者劉鵬, 常一陽, 張錦文, 陳長串 申請人:北京大學(xué)