ABSTRACTHIGH EFFICIENCY THERMOELECT

ABSTRACT
HIGH EFFICIENCY THERMOELECTRIC DEVICES FABRICATED
USING QUANTUM WELL CONFINEMENT TECHNIQUES
Experimental results are presented of thermoelectric materials, specifically two-dimensional quantum well confinement structures, formed by ion beam sputter deposition methods. Applications of these thermoelectric devices include nearly any system that generates heat including waste heat. The targeted applications of this research include harvesting of waste heat from stand-alone generator systems and automobiles. Thermoelectric generator modules based on an in-plane orientation of nano-scale, thin-film, superlattices have demonstrated very high performance and are appropriate for a wide range of waste heat recovery applications. In this project, a fast, ion-beam-based deposition process was developed for producing Si/SiC (n-type) and B4C/B9C (p-type) superlattices. The deposition process uses low-cost powder targets, a simplified substrate holder with embedded heater, a QCM deposition rate monitor, and stepper-motor-controlled masks. Deposition times for individual layers are shown to be significantly shorter than those achieved in magnetron-based systems. As an example of the speed of the process, a 10-nm thick Si layer can be deposited in as little as 20 sec while a SiC layer can be deposited in less than 100 sec. Electrical resistivities, thermal conductivities and Seebeck coefficients are reported for the deposited films as well as their respective non-dimensional figures of merit (zT). Figures of merit (zT) approaching 20 at modest temperatures of ~600 K were observed. These measurements are made in-plane where enhanced Seebeck values and reduced electrical resistivities have also been reported in the literature. A method for directly measuring thermal conductivity in the
plane of the superlattice is described that uses MEMs-based SiN cantilevers. Results are presented for various deposition variables, including film thickness, temperature, deposition energy, and material. Scanning white light interferometry (SWLI) and scanning electron microscopy (SEM) were used to characterize film thickness. In addition to the experimental effort, an analysis was performed to predict the performance of a thermoelectric module fabricated with the superlattice films deposited on ceramic substrates. Thermal efficiencies approaching 15% are predicted for modest cold and hot side temperatures. Thermal conduction through the substrate was found to be the largest factor limiting the performance of the modeled thermoelectric module.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

บทคัดย่ออุปกรณ์แบบเทอร์โมอิเล็กทริกส์ประสิทธิภาพสูงหลังสร้างใช้เทคนิคควอนตัมเข้าดีมีแสดงผลการทดลองของวัสดุแบบเทอร์โมอิเล็กทริกส์ โดยเฉพาะสองควอนตัมเข้าดีโครงสร้าง เกิดขึ้น โดยวิธีการสะสม sputter คานไอออน โปรแกรมประยุกต์ของอุปกรณ์เหล่านี้แบบเทอร์โมอิเล็กทริกส์รวมเกือบระบบใด ๆ ที่สร้างความร้อนรวมถึงความร้อนเสีย โปรแกรมประยุกต์เป้าหมายของงานวิจัยนี้มีความร้อนทิ้งจากระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบสแตนด์อโลนและรถเก็บเกี่ยว ตามคำแนะนำในเครื่องบินแบบฟิล์ม superlattices นาโนสเกลโมเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเทอร์โมอิเล็กทริกส์ได้แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพสูงมาก และเหมาะสมสำหรับโปรแกรมประยุกต์การกู้คืนความร้อนเสีย ในโครงการ กระบวนการสะสมอย่างรวดเร็ว ไอออนบีมใช้ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อผลิต SiC ศรี (n-ประเภท) และ superlattices B9C B4C (p-ประเภท) การสะสมใช้เป้าหมายต้นทุนต่ำผง ยึดพื้นผิวที่เรียบง่ายกับฝังตัวฮีตเตอร์ จอภาพอัตราสะสม QCM และมาสก์ stepper มอเตอร์ควบคุม แสดงเวลาสะสมในแต่ละชั้นให้สั้นลงอย่างมีนัยสำคัญกว่าประสบความสำเร็จในระบบที่ใช้ magnetron เป็นตัวอย่างของความเร็วของกระบวนการ สามารถเป็นฝากชั้น 10 nm หนาศรีในเวลาเพียง 20 วินาทีในขณะที่ชั้น SiC สามารถฝากเงินน้อยกว่า resistivities ไฟฟ้า 100 วินาที การนำความร้อน และค่าสัมประสิทธิ์ Seebeck รายงานสำหรับฟิล์มนำฝากเป็นตัวเลขไม่ใช่มิติลำดับบุญ (zT) เลขบุญ (zT) 20 ที่อุณหภูมิเจียมเนื้อเจียมตัวของ K ~ 600 กำลังถูกสังเกต วัดเหล่านี้จะทำในเครื่องบินซึ่งค่า Seebeck เพิ่มและ resistivities ลดไฟฟ้ายังถูกรายงานในวรรณคดี วิธีการวัดโดยตรงในการนำความร้อนเครื่องบินของ superlattice ที่จะอธิบายที่ใช้ cantilevers MEMs จากบาป มีแสดงผลสำหรับตัวแปรสะสมต่าง ๆ รวมทั้งความหนาของฟิล์ม อุณหภูมิ สะสมพลังงาน และวัสดุ สแกน interferometry แสงสีขาว (SWLI) และสแกน microscopy อิเล็กตรอน (SEM) ถูกใช้เพื่อกำหนดลักษณะความหนาของฟิล์ม นอกจากพยายามทดลอง การวิเคราะห์ได้ทำการทำนายประสิทธิภาพการทำงานของโมดูลแบบเทอร์โมอิเล็กทริกส์หลังสร้างกับภาพยนตร์ superlattice ฝากในพื้นผิวเซรามิก ประสิทธิภาพความร้อนกำลัง 15% มีการคาดการณ์สำหรับอุณหภูมิด้านร้อน และเย็นที่เจียมเนื้อเจียมตัว การนำความร้อนผ่านพื้นผิวที่พบเป็น ตัวที่ใหญ่ที่สุดของโมสร้างแบบจำลองแบบเทอร์โมอิเล็กทริกส์จำกัด

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

บทคัดย่อที่มีประสิทธิภาพสูงอุปกรณ์เทอร์โมประดิษฐ์โดยใช้เทคนิคQUANTUM ดีคุมขังผลการทดลองจะถูกนำเสนอวัสดุเทอร์โมโดยเฉพาะสองมิติโครงสร้างการคุมขังเดียวกับควอนตัมที่เกิดขึ้นจากไอออนคานปะทุวิธีการสะสม การประยุกต์ใช้งานของอุปกรณ์เหล่านี้รวมถึงเทอร์โมเกือบระบบใด ๆ ที่สร้างความร้อนรวมทั้งการสูญเสียความร้อน โปรแกรมการกำหนดเป้าหมายของการวิจัยนี้รวมถึงการเก็บเกี่ยวของความร้อนเหลือทิ้งจากระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบสแตนด์อะโลนและรถยนต์ โมดูลเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมบนพื้นฐานของการวางแนวทางในระนาบของนาโนขนาดฟิล์มบาง superlattices ได้แสดงให้เห็นผลการดำเนินงานที่สูงมากและมีความเหมาะสมสำหรับหลากหลายของการใช้งานการกู้คืนความร้อนเหลือทิ้ง ในโครงการนี้ได้อย่างรวดเร็วและไอออนบีมตามกระบวนการสะสมได้รับการพัฒนาสำหรับการผลิตศรี / SiC (n-พิมพ์) และ B4C / B9C (ชนิดพี) superlattices ขั้นตอนการให้การของพยานที่ใช้ต้นทุนต่ำเป้าหมายผงผู้ถือพื้นผิวที่เรียบง่ายด้วยเครื่องทำน้ำอุ่นที่ฝังตัวการตรวจสอบอัตราการสะสม QCM และหน้ากาก stepper มอเตอร์ควบคุม ครั้งสะสมสำหรับแต่ละชั้นจะมีการแสดงที่จะมีนัยสำคัญน้อยกว่าผู้ที่ประสบความสำเร็จในระบบแมกตาม เป็นตัวอย่างของความเร็วของกระบวนการที่หนา 10 นาโนเมตรชั้นศรีสามารถฝากในการเป็นเพียง 20 วินาทีในขณะที่ชั้น SiC สามารถฝากในเวลาน้อยกว่า 100 วินาที ความต้านทานไฟฟ้า, การนำความร้อนและค่าสัมประสิทธิ์ Seebeck จะมีการรายงานสำหรับภาพยนตร์ฝากเช่นเดียวกับตนไม่ใช่ตัวเลขมิติของบุญ (zT) ตัวเลขของบุญ (zT) ใกล้ 20 ที่อุณหภูมิเจียมเนื้อเจียมตัวของ ~ 600 K ถูกตั้งข้อสังเกต วัดเหล่านี้จะทำในเครื่องบินที่เพิ่มขึ้นค่า Seebeck และลดความต้านทานไฟฟ้านอกจากนี้ยังได้รับรายงานในวรรณคดี วิธีการวัดโดยตรงสำหรับการนำความร้อนในระนาบของ superlattice อธิบายที่ใช้ MEMS-based cantilevers SiN ผลการค้นหาจะนำเสนอสำหรับตัวแปรการสะสมต่าง ๆ รวมทั้งความหนาของฟิล์มอุณหภูมิการสะสมพลังงานและวัสดุ สแกนอินเตอร์เฟอแสงสีขาว (SWLI) และการสแกนกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (SEM) ถูกนำมาใช้เพื่ออธิบายลักษณะความหนาของฟิล์ม นอกจากนี้ยังมีความพยายามทดลองการวิเคราะห์ที่ได้ดำเนินการที่จะคาดการณ์ผลการดำเนินงานของโมดูลเทอร์โมประดิษฐ์กับภาพยนตร์ superlattice วางลงบนพื้นผิวเซรามิก ประสิทธิภาพความร้อนใกล้ 15% ที่คาดว่าอุณหภูมิด้านเย็นและร้อนเจียมเนื้อเจียมตัว การนำความร้อนผ่านพื้นผิวถูกพบว่าเป็นปัจจัยที่ใหญ่ที่สุดในการ จำกัด การทำงานของโมดูลเทอร์โมจำลองที่

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

นามธรรม

ใช้อุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง เทอร์โม สร้างบ่อควอนตัมจำกัดเทคนิค
ผลนำเสนอวัสดุเทอร์โม โดยเฉพาะสองมิติโครงสร้างบ่อควอนตัมจำกัด ก่อตั้งขึ้นโดยไอออนบีมละล่ำละลักคำให้การของพยานด้วยวิธี . การใช้งานของอุปกรณ์ เทอร์โม เหล่านี้รวมถึงเกือบทุกระบบที่สร้างความร้อนรวมทั้งความร้อนเสียเป้าหมายการประยุกต์งานวิจัยนี้รวมถึงการเก็บความร้อนทิ้งจากระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบสแตนด์อโลนและรถยนต์ เทอร์โมไฟฟ้าโมดูลขึ้นอยู่กับระนาบของฟิล์มบางระดับนาโน , ปฐมนิเทศ , superlattices ได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพสูงมาก และเหมาะสำหรับช่วงกว้างของการเสียความร้อนกู้คืนโปรแกรมประยุกต์ ในโครงการนี้อย่างรวดเร็วขั้นตอนการใช้ลำแสงไอออนที่ถูกพัฒนาขึ้นสำหรับผลิตศรี / SIC ( ทั่วไป ) และ b4c / b9c ( พี ) superlattices . ขั้นตอนการใช้เป้าหมายผงต้นทุนต่ำ ง่าย พื้นผิวยึดกับเครื่องที่มีจอภาพอัตราการสะสม QCM และมอเตอร์ควบคุมการใส่หน้ากากเวลาฝากเงินแต่ละชั้นจะแสดงเป็นอย่างมากที่สั้นกว่านั้นประสบความสำเร็จในตรอนที่ใช้ระบบนี้ ตัวอย่างของความเร็วของกระบวนการ 10 nm หนาศรีชั้นสามารถฝากในเล็กน้อยเป็น 20 วินาที ในขณะที่ชั้นกัดสามารถฝากน้อยกว่า 100 วินาที resistivities ไฟฟ้า ,conductivities สัมประสิทธิ์วัดความร้อนและรายงานสำหรับฝากภาพยนตร์รวมทั้งของตนไม่ใช่มิติตัวเลขของบุญ ( คูน ) ข้อดีของร่าง ( คูน ) ใกล้ 20 ที่อุณหภูมิที่เจียมเนื้อเจียมตัวของ ~ 600 K พบว่า วัดนี้เป็นวัดที่เพิ่มขึ้นในค่าและไฟฟ้าที่ลดลง resistivities ยังได้รับรายงานในวรรณคดีA method for directly measuring thermal conductivity in the
plane of the superlattice is described that uses MEMs-based SiN cantilevers. ผลลัพธ์จะถูกนำเสนอสำหรับตัวแปรแบบต่าง ๆ รวมทั้งความหนาฟิล์ม , อุณหภูมิ , วัสดุการสะสมพลังงานและ สแกนอินเตอร์เฟอโรเมทรีแสงสีขาว ( swli ) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ( SEM ) ถูกใช้เพื่อวิเคราะห์ความหนาของฟิล์มนอกจากความพยายามในการทดลอง , การวิเคราะห์ทำนายประสิทธิภาพของโมดูล เทอร์โม ประดิษฐ์กับซูเปอร์แลตทิซฟิล์มฝากบนพื้นผิวเซรามิก ประสิทธิภาพทางความร้อนใกล้ 15% คาดว่าสำหรับเจียมเนื้อเจียมตัวเย็นและอุณหภูมิด้านร้อน