(57)【要約】  若干の実施形態では、本発明は熱電材料からなるナノチューブを含む熱電素子を含んでなる熱電装置に関する。本発明はまた、かかる熱電素子及び装置の製造方法であって、特にナノチューブがテンプレート中に電気化学的に形成される方法にも関する。本発明はまた、かかる装置を組み込んだシステム及びかかる装置を使用する用途にも関する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電装置であって、
（ａ）その上に配設された第１のパターン化電極を有する第１の熱伝導性基板、
（ｂ）その上に配設された第２のパターン化電極を有する第２の熱伝導性基板、
（ｃ）第１及び第２のパターン化電極の間に配置された複数の熱電素子であって、ドープト半導体材料からなる複数のナノチューブ構造体を含む熱電素子、並びに
（ｄ）複数の熱電素子と第１及び第２のパターン化電極の少なくとも一方との間に配設された接合材料を含んでなり、第１及び第２の熱伝導性基板は第１及び第２のパターン化電極が接続されて連続した電気回路を形成するように配列されている、熱電装置。
【請求項２】
第１及び第２の熱伝導性基板が電気絶縁性窒化アルミニウムセラミック又は電気絶縁性炭化シリコン材料からなる、請求項１記載の熱電装置。
【請求項３】
ナノチューブを形成するドープト半導体材料が、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、シリコンゲルマニウム系合金、アンチモン化ビスマス系合金、テルル化鉛系合金、テルル化ビスマス系合金、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族、Ｖ族、ＩＶ−ＶＩ族及びＩＩ−ＶＩ族半導体、並びにこれらの組合せからなる群から選択されるバルク熱電材料からなる、請求項１記載の熱電装置。
【請求項４】
ナノチューブを形成するドープト半導体材料が、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ及びこれらの組合せからなる群から選択されるドープトＩＩＩ−Ｖ族半導体である、請求項１記載の熱電装置。
【請求項５】
特定の熱電素子を構成する複数のナノチューブが多孔質テンプレート中に存在する、請求項１記載の熱電装置。
【請求項６】
多孔質テンプレートが、陽極処理酸化アルミニウム、ナノチャネルガラス、自己組織化ブロックコポリマー及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項５記載の熱電装置。
【請求項７】
複数の熱電素子の各々が実質的にｐ型材料又はｎ型材料からなるナノチューブを含む、請求項１記載の熱電装置。
【請求項８】
複数の熱電素子が複数の伝熱ユニットに組織化され、複数の伝熱ユニットが向かい合った基板の間で電気的に接続されている、請求項１記載の熱電装置。
【請求項９】
ナノチューブが電気化学的手段によって多孔質テンプレート中に形成される、請求項６記載の熱電装置。
【請求項１０】
ナノチューブが、電気化学的共堆積、電気化学的原子層エピタキシー及びこれらの組合せからなる群から選択される方法によって堆積される、請求項９記載の熱電装置。
【請求項１１】
ナノチューブが約１ｎｍ以上で約２０ｎｍ以下の肉厚及び約５ｎｍ以上で約５００ｎｍ以下の外径を有する、請求項１記載の熱電装置。
【請求項１２】
ナノチューブが約１０μｍ以上で約５００μｍ以下の長さを有する、請求項１記載の熱電装置。
【請求項１３】
当該装置が、第１及び第２の熱伝導性基板の間に温度勾配を実質的に維持することで発電を行うように構成されている、請求項１記載の熱電装置。
【請求項１４】
第１及び第２の熱伝導性基板の間に電流を導入すれば、第１及び第２の基板間における電荷の流れによって第１及び第２の熱伝導性基板間における熱伝達が可能になる、請求項１記載の熱電装置。
【請求項１５】
熱電素子が電気的には直列に接続され、熱的には並列に接続されている、請求項１記載の熱電装置。
【請求項１６】
当該装置が、車両、電源、加熱システム、冷却システム及びこれらの組合せからなる群から選択されるシステムの一体部分である、請求項１記載の熱電装置。
【請求項１７】
熱電素子の製造方法であって、
ａ）厚さを有しかつ複数の細孔を含む実質的に平面状の多孔質テンプレートであって、細孔がテンプレートの平面に対して概して垂直でありかつテンプレートの厚さを通して延在する細孔壁を有する多孔質テンプレートを用意する段階、
ｂ）細孔壁が被覆されるようにして多孔質テンプレート上に金属層を一様に堆積させる段階、
ｃ）被覆細孔壁を用いて細孔壁の内部に熱電材料をナノチューブとして電気化学的に堆積させる段階、及び
ｄ）エッチングにより金属層を選択的に除去してテンプレート中に複数の熱電ナノチューブを得る段階
を含んでなる方法。
【請求項１８】
多孔質テンプレートが、陽極処理酸化アルミニウム、ナノチャネルガラス、自己組織化ブロックコポリマー及びこれらの組合せからなる群から選択される材料からなる、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
金属層が、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｉ及びこれらの組合せからなる群から選択される金属からなる、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
金属層が無電解法によって堆積される、請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
金属層が原子層堆積法によって堆積される、請求項１７記載の方法。
【請求項２２】
ナノチューブを構成する熱電材料がドープト半導体材料であり、バルク材料がＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、シリコンゲルマニウム系合金、アンチモン化ビスマス系合金、テルル化鉛系合金、テルル化ビスマス系合金、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族、Ｖ族、ＩＶ−ＶＩ族及びＩＩ−ＶＩ族半導体、並びにこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１７記載の方法。
【請求項２３】
ナノチューブが約１ｎｍ以上で約２０ｎｍ以下の肉厚及び約５ｎｍ以上で約５００ｎｍ以下の外径を有する、請求項１７記載の方法。
【請求項２４】
ナノチューブが約１０μｍ以上で約５００μｍ以下の長さを有する、請求項１７記載の方法。
【請求項２５】
金属層が、湿式化学エッチング、乾式エッチング及びこれらの組合せからなる群から選択される選択エッチング法によって除去される、請求項１７記載の方法。
【請求項２６】
多孔質テンプレートが支持体上に存在する、請求項１７記載の方法。
【請求項２７】
熱電装置の製造方法であって、
ａ）その上に配設された第１のパターン化電極を有する第１の熱伝導性基板を用意する段階、
ｂ）その上に配設された第２のパターン化電極を有する第２の熱伝導性基板を用意する段階、
ｃ）第１及び第２のパターン化電極の間に配置された複数の熱電素子を設置する段階であって、熱電素子は複数のナノチューブ構造体を含みかつ熱電素子は請求項１７記載の方法に従って製造される段階、並びに
ｄ）複数の熱電素子と第１及び第２のパターン化電極との間に接合材料を配設する段階
を含んでなる方法。
【請求項２８】
第１及び第２の熱伝導性基板が電気絶縁性窒化アルミニウムセラミック又は電気絶縁性炭化シリコン材料からなる、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
ナノチューブが、シリコンゲルマニウム系合金、アンチモン化ビスマス系合金、テルル化鉛系合金、テルル化ビスマス系合金、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族、Ｖ族、ＩＶ−ＶＩ族及びＩＩ−ＶＩ族半導体、並びにこれらの組合せからなる群から主として選択される熱電材料からなる、請求項２７記載の方法。
【請求項３０】
ナノチューブが、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ及びこれらの組合せからなる群から選択されるＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる、請求項２７記載の方法。
【請求項３１】
特定の熱電素子を構成する複数のナノチューブが多孔質テンプレート中に存在する、請求項２７記載の方法。
【請求項３２】
複数の熱電素子の各々がｐ型材料又はｎ型材料からなるナノチューブを主として含む、請求項２７記載の方法。
【請求項３３】
ａ）熱源、ｂ）ヒートシンク、及びｃ）熱源とヒートシンクとの間に結合されかつ冷却又は発電を行うように構成された熱電装置を含んでなるシステムであって、熱電装置は
ｉ）その上に配設された第１のパターン化電極を有する第１の熱伝導性基板、
ii）その上に配設された第２のパターン化電極を有する第２の熱伝導性基板、
iii）第１及び第２のパターン化電極の間に配置された複数の熱電素子であって、複数のナノチューブを含む熱電素子、並びに
iv）複数の熱電素子と第１及び第２のパターン化電極の少なくとも一方との間に配設された接合材料を含んでなり、第１及び第２の熱伝導性基板は第１及び第２のパターン化電極が接続されて連続した電気回路を形成するように配列されている、システム。
【請求項３４】
第１及び第２の熱伝導性基板が電気絶縁性窒化アルミニウムセラミック又は電気絶縁性炭化シリコン材料からなる、請求項３３記載のシステム。
【請求項３５】
ナノチューブが、シリコンゲルマニウム系合金、アンチモン化ビスマス系合金、テルル化鉛系合金、テルル化ビスマス系合金、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族、Ｖ族、ＩＶ−ＶＩ族及びＩＩ−ＶＩ族半導体、並びにこれらの組合せからなる群から主として選択される熱電材料からなる、請求項３３記載のシステム。
【請求項３６】
特定の熱電素子を構成する複数のナノチューブが多孔質テンプレート中に存在する、請求項３３記載のシステム。
【請求項３７】
複数の熱電素子の各々が実質的にｐ型材料又はｎ型材料からなるナノチューブを含む、請求項３３記載のシステム。
【請求項３８】
熱電素子が請求項１７記載の方法に従って製造される、請求項３３記載のシステム。
【請求項３９】
熱電装置の製造方法であって、
ａ）その上に配設された第１のパターン化電極を有する第１の熱伝導性基板を用意する段階、
ｂ）その上に配設された第２のパターン化電極を有する第２の熱伝導性基板を用意する段階、
ｃ）第１及び第２のパターン化電極の間に配置された複数の熱電素子を設置する段階であって、熱電素子は複数のナノチューブ構造体を含む段階、並びに
ｄ）複数の熱電素子と第１及び第２のパターン化電極との間に接合材料を配設する段階
を含んでなる方法。
【請求項４０】
第１及び第２の熱伝導性基板が電気絶縁性窒化アルミニウムセラミック又は電気絶縁性炭化シリコン材料からなる、請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
ナノチューブが、シリコンゲルマニウム系合金、アンチモン化ビスマス系合金、テルル化鉛系合金、テルル化ビスマス系合金、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族、Ｖ族、ＩＶ−ＶＩ族及びＩＩ−ＶＩ族半導体、並びにこれらの組合せからなる群から主として選択される熱電材料からなる、請求項３９記載の方法。
【請求項４２】
ナノチューブが、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ及びこれらの組合せからなる群から選択されるＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる、請求項３９記載の方法。
【請求項４３】
特定の熱電素子を構成する複数のナノチューブが多孔質テンプレート中に存在する、請求項３９記載の方法。
【請求項４４】
複数の熱電素子の各々がｐ型材料又はｎ型材料からなるナノチューブを主として含む、請求項３９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には伝熱及び発電装置に関し、さらに詳しくは固体伝熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝熱装置は、冷凍、空気調和、電子機器冷却、工業用温度制御、廃熱回収及び発電のような各種の加熱／冷却システム及び発電／熱回収システムのために使用できる。これらの伝熱装置はまた、特定のシステム及び環境の熱管理要件を満たすようにスケールアップすることもできる。しかし、冷凍サイクルに頼るもののような既存の伝熱装置は、環境にやさしくなく、限られた耐用年数を有し、しかも圧縮機のような機械的部品及び冷媒の使用のためにかさばっている。
【０００３】
それとは対照的に、固体伝熱装置は、高い信頼度、サイズや重量の減少、ノイズの減少、少ない保守、及び環境に一層やさしい装置のようないくつかの利点を有している。例えば熱電装置は、電気的には直列に接続されかつ熱的には並列に接続された構造体を形成するｐ型及びｎ型半導体のペアを通しての電子及び正孔の流れによって熱を伝達する。しかし、既存の熱電装置はコストが比較的高くかつ効率が低いので、自動車のシートクーラ、人工衛星や宇宙観測ロケット内の発電機、及び電子デバイスにおける局部熱管理のような小規模用途に限定されている。
【０００４】
一定の運転温度では、熱電装置の伝熱効率は、かかる装置のために使用される熱電材料のゼーベック係数、導電率及び熱伝導率に依存する。かかる効率は、下記の式１で定義される性能指数（ＺＴ）によって特徴づけることができ。
【０００５】
ＺＴ＝Ｓ2σＴ／ｋ                          （１）
式中、Ｓは熱電力又はゼーベック係数、σは導電率、ｋは熱伝導率、Ｔは絶対温度である。
【０００６】
通常の冷凍機及び発電機に対抗するためには、ＺＴ＞３を有する材料を開発しなければならない。しかし、５０年間で、バルク半導体の室温ＺＴはわずかしか（およそ０．６から１までしか）増加しなかった。問題は、変数Ｓ、σ及びｋのすべてが互いに依存し（即ち、１つを変化させると他も変化し）、したがって最適化が極めて難しいことにある。
【０００７】
性能指数値を向上させることで熱電装置の伝熱効率を高めるための多くの技法が使用されてきたが、これらの多くは低寸法又はナノスケールの熱電構造体に焦点を合わせていた（例えば、Ｍａｊｕｍｄａｒ，“Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ  ｉｎ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．３０３，ｐｐ．７７７−７７８，２００４を参照されたい）。例えば、若干の伝熱装置では、かかる装置の性能指数値を高めるために二次元超格子熱電材料が使用されてきた（例えば、Ｖｅｎｋａｔａｓｕｂｒａｍａｎｉａｎ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｆｉｇｕｒｅｓ  ｏｆ  ｍｅｒｉｔ”，Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４１３，ｐｐ．５９７−６０２，２００１、及びＨａｒｍａｎ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ”，Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２９７，ｐｐ．２２２９−２２３２，２００２を参照されたい）。かかる装置では、分子線エピタキシー又は気相堆積のような技法による二次元超格子熱電材料の堆積が必要となることがある。他の装置では、一次元ナノロッド又はナノワイヤ系が使用されてきた（２００５年５月２６日に提出された米国特許出願第１１／１３８，６１５号を参照されたい）。しかし、バルクに比べて熱電ナノワイヤ特性を向上させるためには、ワイヤ直径を２０ｎｍ未満（若干の材料については５ｎｍ未満）に減少させることが一般に必要である。残念ながら、効率的な熱電装置にとって必要であるように、ワイヤの長さに沿って制御された組成を有する厚い（数十ないし数百ミクロンの）ナノワイヤアレイを製造することは極めて難しい。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／２６２６３６号明細書
【非特許文献１】Ｍａｊｕｍｄａｒ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３，７７７−７７８（２００４）
【非特許文献２】Ｖｅｎｋａｔａｓｕｂｒａｍａｎｉａｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４１３，５９７−６０２（２００１）
【非特許文献３】Ｈａｒｍａｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．２９７，２２２９−２２３２（２００２）
【非特許文献４】Ｓｔｉｃｋｎｅｙ  ｅｔ  ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｖｏｌ．２１，７５−２０９（１９９９）
【非特許文献５】Ｋｕ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｖｏｌ．１２６，１５０２２−１５０２３（２００４）
【非特許文献６】Ｅｌａｍ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．，Ｖｏｌ．１５，３５０７−３５１７（２００３）
【非特許文献７】Ｂｒｕｍｌｉｋ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｖｏｌ．１１３，３１７４−３１７５（１９９１）
【非特許文献８】Ｙｕａｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｄｖ．Ｆｕｎｃｔ．Ｍａｔｅｒ．，Ｖｏｌ．１５（５），８０３−８０９（２００５）
【非特許文献９】Ｌｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３４（７），９３０−９３１（２００５）
【非特許文献１０】Ｌｅｅ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．，Ｖｏｌ．４４，６０５０−６０５４（２００５）
【非特許文献１１】Ｙｏｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ，Ｖｏｌ．５０（２２），４３７１−４３７７（２００５）
【非特許文献１２】Ｋｏｈｌｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｎａｎｏｓｃｉ．Ｎａｎｏｔｅｃｈ．，Ｖｏｌ．４，６０５−６１０（２００３）
【非特許文献１３】Ｚｈｕ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｖｏｌ．５８５，８３−８８（２００５）
【非特許文献１４】Ｍｕ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，Ｖｏｌ．１６（１７），１５５０−１５５３（２００４）
【非特許文献１５】Ｓｎｙｄｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．２，５２８−５３１（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、伝熱装置の性能指数の向上によって高められた効率を有する伝熱装置の提供に対するニーズ、及びかかる装置の経済的な製造方法に対するニーズが今なお存在している。また、特定のシステム及び環境の熱管理要件を満たすようにスケールアップできる装置を提供することも有利であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
若干の実施形態では、本発明は熱電材料のナノチューブからなる熱電素子を含んでなる熱電装置に関する。本発明はまた、かかる熱電素子及び装置の製造方法であって、特にナノチューブがテンプレート中に電気化学的に形成される方法にも関する。本発明はまた、かかる装置を組み込んだシステム及びかかる装置を使用する用途にも関する。
【００１０】
若干のかかる上述した実施形態では、本発明は、熱電装置であって、（ａ）その上に配設された第１のパターン化電極を有する第１の熱伝導性基板、（ｂ）その上に配設された第２のパターン化電極を有する第２の熱伝導性基板、（ｃ）第１及び第２のパターン化電極の間に配置された複数の熱電素子であって、ドープト半導体材料からなる複数のナノチューブ構造体を含む熱電素子、並びに（ｄ）複数の熱電素子と第１及び第２のパターン化電極の少なくとも一方との間に配設された接合材料を含んでなり、第１及び第２の熱伝導性基板は第１及び第２のパターン化電極が接続されて連続した電気回路を形成するように配列されている熱電装置に関する。
【００１１】
若干のかかる上述した実施形態では、本発明は、熱電素子の製造方法であって、（ａ）複数の細孔を含む実質的に平面状の多孔質テンプレートであって、細孔がテンプレートの平面に対して概して垂直でありかつテンプレートの厚さ（即ち、高さ）を通して延在する細孔壁を有する多孔質テンプレートを用意する段階、（ｂ）細孔壁が被覆されるようにして多孔質テンプレート上に金属層を一様に堆積させる段階、（ｃ）被覆細孔壁を用いて細孔壁の内部に熱電材料をナノチューブとして電気化学的に堆積させる段階、及び（ｄ）エッチングにより金属層を選択的に除去してテンプレート中に複数の熱電ナノチューブを得る段階を含んでなる方法に関する。
【００１２】
以上、以下に示す本発明の詳細な説明を一層よく理解できるようにするため、本発明の特徴をむしろ大まかに略述した。本発明の特許請求の範囲の主題をなす本発明の追加の特徴及び利点は以後に記載する。
【００１３】
添付の図面を参照しながら以下の説明を読むことで、本発明及びその利点は一層完全に理解できよう。
【００１４】
図面の簡単な説明
図１は、本発明の若干の実施形態に係る伝熱装置を有するシステムの略図である。
【００１５】
図２は、本発明の若干の実施形態に係る伝熱装置を有する発電システムの略図である。
【００１６】
図３は、本発明の若干の実施形態に係る伝熱ユニットの断面図である。
【００１７】
図４は、本発明の若干の実施形態に係る熱電ナノチューブアレイの製造方法を段階的に示す平面図である。
【００１８】
図５は、本発明の若干の実施形態に係る熱電ナノチューブアレイの製造方法を段階的に示す断面図である。
【００１９】
図６は、本発明の若干の実施形態に係る熱電ナノチューブアレイの製造方法を段階的に示す斜視図である。
【００２０】
図７は、本発明の若干の実施形態に従い、複数の伝熱ユニットを有する伝熱装置の集成モジュールを示す概略側面図である。
【００２１】
図８は、本発明の若干の実施形態に従い、伝熱装置のアレイを有するモジュールを示す斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
若干の実施形態では、本発明は熱電材料のナノチューブからなる熱電素子を含んでなる熱電装置に関する。本発明はまた、かかる熱電素子及び装置の製造方法であって、特にナノチューブがテンプレート中に電気化学的に形成される方法にも関する。本発明はまた、かかる装置を組み込んだシステム及びかかる装置を使用する用途にも関する。
【００２３】
ナノチューブを含む上述の熱電素子及び装置に関しては、最も重要なナノ構造体寸法はチューブ肉厚であるから、チューブ外径はそれほど重要でなく、アレイは非常に細い直径のナノワイヤより作製するのが簡単である。本発明の若干の実施形態に係る方法は、チューブ肉厚及び組成に対する優れた制御を可能にする。このアプローチはまた、大きい面積にわたって高密度のナノチューブアレイを製造するためにも適しており、これは実用的な装置の製造にとって重要である。加えて、広範囲の熱電ナノチューブ材料を加工できるので、対象となる特定の温度範囲に合わせて材料を選択することを可能にする。
【００２４】
以下の説明では、本発明の実施形態の完全な理解を可能にするため、特定の数量、サイズなどの具体的な詳細が示されている。しかし、かかる具体的な詳細がなくても本発明を実施できることは当業者にとって自明であろう。多くの場合、かかる考慮事項などに関する詳細は省いてある。これは、かかる詳細が本発明の完全な理解を得るために不必要であり、しかも当業者のスキルの範囲内にあるからである。
【００２５】
図面全般について言えば、これらの図は本発明の特定の実施形態を説明するためのものであり、本発明をそれに限定するものではないことが理解されよう。
【００２６】
図１は、本発明のある種の実施形態に係る複数の伝熱装置を有するシステム１０を示している。図示の通り、システム１０は、熱電素子１８及び２０から構成され、領域又は物体１４から（伝達された熱を放散させるためのヒートシンクとして機能し得る）別の領域又は物体１６に熱を伝達する（参照数字１２で表されるような）伝熱モジュールを含んでいる。伝熱モジュール１２は、発電のため或いは部品の加熱又は冷却を可能にするために使用できる。さらに、熱を発生するための部品（例えば、物体１４）は低品位の熱又は高品位の熱を発生することがある。後述の通り、第１及び第２の物体１４及び１６は、車両、タービン、航空機エンジン、固体酸化物燃料電池又は冷凍システムの部品であり得る。本明細書中で使用する「車両」という用語は、陸上、空中又は海上の輸送手段を意味し得ることに注意すべきである。この実施形態では、伝熱モジュール１２は複数の熱電装置を含んでいる。一般にかかる伝熱モジュールは、一方がｎ型半導体脚部でありかつ他方がｐ型半導体脚部である少なくとも１対のかかる熱電素子を含むことに注意されたい。
【００２７】
上述した実施形態では、熱電モジュール１２はｎ型半導体脚部１８及びｐ型半導体脚部２０を含んでいる。これらが熱電素子として機能する結果、電荷輸送によって発生する熱は物体１４から物体１６に向かって伝達される。この実施形態では、ｎ型及びｐ型半導体の脚部（熱電素子）１８及び２０は、それぞれ第１及び第２の物体１４及び１６に結合されたパターン化電極２２及び２４上に配設されている。ある種の実施形態では、第１及び第２の物体１４及び１６に結合し得る熱伝導性基板（図示せず）上にパターン化電極２２及び２４を配設することができる。さらに、インターフェース層２６及び２８を用いて、パターン化電極２２及び２４上のｎ型及びｐ型半導体脚部１８及び２０のペアが電気的に接続される。
【００２８】
上記に記載しかつ図１に示した実施形態では、ｎ型及びｐ型半導体脚部１８及び２０は、電気的には直列に接続され、熱的には並列に接続されている。ある種の実施形態では、ｎ型及びｐ型半導体１８及び２０の複数のペアを用いて熱電対を形成できるが、かかる熱電対は熱伝達を容易にするため電気的には直列に接続されかつ熱的には並列に接続されている。動作に当たっては、入力電圧源３０がｎ型及びｐ型半導体１８及び２０を通して電流の流れを引き起こす。その結果、正及び負の電荷キャリヤーが熱エネルギーを第１の電極２２から第２の電極２４上に移動させる。かくして、熱電モジュール１２は、第１及び第２の電極２２及び２４間における電荷キャリヤー３２の流れによって物体１４から物体１６へ向かう熱伝達を促進する。ある種の実施形態では、システム１０内の入力電圧源３０の極性を逆転させることで電荷キャリヤーが物体１６から物体１４に流れるようにし、かくして物体１４を加熱して物体１４をヒートシンクとして機能させることもできる。上述の通り、熱電モジュール１２は物体１４及び１６の加熱又は冷却のために使用できる。さらに、熱電モジュール１２は、空気調和及び冷凍システムのような各種の用途における物体の加熱又は冷却のため、航空機エンジンや車両やタービンのような用途における各種部品の冷却のためなどに使用できる。ある種の実施形態では、熱電モジュール１２は、後述するように第１及び第２の物体１４及び１６間に温度勾配を維持することで発電のために使用できる。
【００２９】
図２は、本発明の態様に係る伝熱装置３６を有する発電システム３４を示している。伝熱装置３６は、第１の基板４２と第２の基板４４との間に温度勾配を維持することで発電を行うように構成されたｐ型脚部３８及びｎ型脚部４０を含んでいる。この実施形態では、ｐ型及びｎ型脚部３８及び４０は、電気的には直列に接続され、熱的には互いに並列に接続されている。動作に当たっては、熱は参照数字４６によって示されるように第１のインターフェース４２に注入され、参照数字４８によって示されるように第１のインターフェース４４から放出される。その結果、ゼーベック効果によって第１の基板４２と第２の基板４４との間の温度勾配に比例した電圧５０が発生し、これはさらに後記に詳述される各種の用途への電力供給のために使用できる。かかる用途の例には、特に限定されないが、車両、タービン及び航空機エンジンでの使用がある。さらに、かかる熱電装置は低品位熱及び高品位熱を含む熱を発生する光起電セル又は固体酸化物燃料電池に結合でき、それによって総合システム効率を高めることができる。発電システム３４の所望発電能力に基づき、ｐ型及びｎ型熱電素子３８及び４０を有する複数の熱電対を使用できることに注意すべきである。さらに、ある種の用途で使用するためには、複数の流熱電対を電気的に直列に接続できる。
【００３０】
図３は、図１及び図２の伝熱装置の例示的な構成６０を示す断面図である。伝熱装置又はユニット６０は、その上に配設された第１のパターン化電極６４を有する第１の熱伝導性基板６２を含んでいる。伝熱装置６０はまた、その上に配設された第２のパターン化電極６８を有する第２の熱伝導性基板６６も含んでいる。この実施形態では、第１及び第２の熱伝導性基板６２及び６６は熱伝導性で電気絶縁性のセラミックからなっている。しかし、第１及び第２の熱伝導性基板６２及び６６として他の熱伝導性で電気絶縁性の材料を使用することもできる。例えば、第１及び第２の熱伝導性基板６２及び６６として電気絶縁性の窒化アルミニウム又は炭化ケイ素セラミックが使用できる。ある種の実施形態では、パターン化電極６４及び６８はアルミニウム、銅などの金属を含んでいる。ある種の実施形態では、パターン化電極は高度にドープした半導体を含み得る。さらに、第１及び第２の熱伝導性基板６２及び６６上の電極６４及び６８のパターン化は、エッチング、ホトレジストパターニング、シャドーマスキング、リソグラフィー又は他の標準的パターニング技法のような技法を用いて達成できる。現時点で想定される構成では、第１及び第２の熱伝導性基板６２及び６６は、第１及び第２のパターン化電極６４及び６８が電気的に連続した回路を形成するように配列されている。
【００３１】
その上、第１及び第２のパターン化電極６４及び６８の間には複数の熱電素子７４及び７６が設けられている。さらに、複数の熱電素子７４及び７６の各々は、熱電材料からなるナノチューブ７０のアレイ（即ち、複数のナノチューブ７０）を含んでいる。この場合、熱電材料はドープト半導体材料であって、熱電素子７４はｐドープト材料のナノチューブを含み、熱電素子７６はｎドープト材料のナノチューブを含む（或いはその逆であってもよい）。好適な熱電材料の例には、特に限定されないが、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、シリコンゲルマニウム系合金、アンチモン化ビスマス系合金、テルル化鉛系合金（例えば、ＰｂＴｅ）、テルル化ビスマス系合金（例えば、Ｂｉ2Ｔｅ3）、或いは他のＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族、ＩＶ−ＶＩ族及びＩＩ−ＶＩ族半導体又は実質的に高い熱電性能指数を有するこれらの任意の組合せ、並びに上述のものの組合せがある。通例、熱電素子７４及び７６はさらに、その中にナノチューブ７０を電着させた多孔質テンプレート７５を含んでいる。かかる多孔質テンプレート７５は、任意には支持体７２を含むことができる。
【００３２】
テンプレート７５に関しては、それが細孔を提供するという要件を除けば、テンプレート材料は特に限定されない。好適な材料には、特に限定されないが、陽極処理酸化アルミニウム（ＡＡＯ）、ナノチャネルガラス、自己組織化ジブロックコポリマーなどがある。通例、テンプレートは実質的に二次元の平面状テンプレートである。細孔は（互いに）実質的に整列しており、テンプレートの平面に対して概して垂直である。若干の実施形態では、細孔はほぼ円柱状の形状を有し、一般に約５〜約５００ｎｍの直径を有する。テンプレートの厚さは一般に約１０〜約５００μｍである。テンプレート中の細孔密度は一般に約１０9〜約１０12／ｃｍ2である。
【００３３】
ナノチューブ７０に関しては、ナノチューブは一般にテンプレート７５の細孔中に電気化学的に堆積される（後述）。したがって、テンプレートアレイ中におけるその寸法及び密度は細孔のものとほぼ同等である。ナノチューブは一般に約５〜約５００ｎｍの外径を有すると共に、約１〜約２０ｎｍのチューブ肉厚を有する。その高さは一般に約１０〜約５００μｍであり、テンプレート中におけるその密度は一般に約１０9〜約１０12／ｃｍ2である。上述の通り、組成的には、ナノチューブ７０はドープト半導体材料からなっている。その本体としては、特に限定されないが、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、シリコンゲルマニウム系合金、アンチモン化ビスマス系合金、テルル化鉛系合金（例えば、ＰｂＴｅ）、テルル化ビスマス系合金（例えば、Ｂｉ2Ｔｅ3）、或いは他のＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ族、ＩＶ−ＶＩ族及びＩＩ−ＶＩ族半導体又は実質的に高い熱電性能指数を有するこれらの任意の組合せ（例えば、三元及び四元半導体を含む）、並びに上述のものの組合せがある。特定の熱電素子（即ち、ナノチューブアレイ）中では、ナノチューブはｎドープト又はｐドープト半導体組成物からなる。ナノチューブは、１つの溶液から複合材料を堆積させる電気化学的共堆積によって堆積させることができる。別法として、ナノチューブは、別々の浴から各元素の単原子層又はサブ原子層を順次に堆積させる電気化学的原子層エピタキシー（ＥＣＡＬＥ）によって堆積させることもできる。フィルム厚さに対する制御に優れた平滑なフィルムを得るためには、ＥＣＡＬＥは共堆積に比べて顕著な利点を与える。薄膜のＥＣＡＬＥの例については、Ｓｔｉｃｋｎｅｙ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｅｐｉｔａｘｙ”，Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｖｏｌ．２１，ｐｐ．７５−２０９，１９９９を参照されたい。
【００３４】
伝熱装置６０はまた、インターフェースの電気抵抗及び熱抵抗を低減させるため、複数の熱電素子７４及び７６と第１及び第２のパターン化電極６４及び６８との間に配設された接合材料７８を含んでいる。ある種の実施形態では、熱電素子７４及び７６と第１のパターン化電極６４との間の接合材料７８は、熱電素子７４及び７６と第２のパターン化電極６８との間の接合材料７８と異なっていてもよい。一実施形態では、接合材料７８は銀エポキシ樹脂を含む。他の導電性接着剤も接合材料７８として使用できることに注意すべきである。特に、接合材料７８は支持体７２とパターン化電極６４との間に配設される。
【００３５】
若干の他の実施形態では、熱電素子７４及び７６は、接合界面での材料の原子拡散による拡散接合或いは半導体界面用のウェーハ融着のような他の技法でパターン化電極６４及び６８に結合できる。当業者には容易に理解される通り、拡散接合は表面フィーチャーの微小変形を引き起こし、２種の材料を結合するのに十分な原子スケールの接触をもたらす。ある種の実施形態では、接合用の中間層として金を使用することができ、拡散接合は約３００℃という比較的低い温度で達成できる。ある種の他の実施形態では、約１００〜約１５０℃の温度での接合用の中間層としてインジウム又はインジウム合金を使用できる。さらに、拡散接合を適用するための平坦で清浄な表面を得るため、表面に典型的な溶剤洗浄工程を適用できる。洗浄工程用の溶剤の例には、アセトン、イソプロパノール、メタノールなどがある。さらに、熱電素子と第１及び第２の基板６２及び６６との結合を容易にするため、熱電素子７４及び７６並びに支持体７２の上面及び下面に金属被膜を配設できる。一実施形態では、直接拡散接合によって熱電素子７４及び７６をパターン化電極６４及び６８に結合できる。別法として、金箔、金属箔又ははんだ合金箔のような中間層を介して熱電素子７４及び７６をパターン化電極６４及び６８に結合できる。ある種の実施形態では、熱電素子７４及び７６と第１及び第２の基板６２及び６６との結合は、銀エポキシ樹脂のような中間層を介して達成できる。しかし、他の接合方法を用いて熱電素子７４及び７６と第１及び第２の基板６２及び６６との結合を達成することもできる。
【００３６】
理論によって束縛されることは望まないが、現時点で想定される構成では、熱電素子７４及び７６は、量子効果（例えば、量子又は表面閉込め）が優勢となるような肉厚を有するナノチューブを含む。通例、これは約１〜約２０ｎｍの肉厚を要求する。さらに、熱電素子７４及び７６中のナノチューブの寸法及び組成を変化させることで電荷キャリヤーの電子密度又は状態及びフォノン透過特性を制御でき、それによって熱電装置の性能指数（ＺＴ）で特徴づけられる熱電装置の効率を高めることができる。
【００３７】
若干の実施形態では、図１〜３の伝熱装置は、高温側と低温側との間の温度勾配に合わせて最大のＺＴ及び効率を達成するために適切な材料組成及びドーピング濃度を与えるため、それぞれが複数の熱電素子を有する複数の層を含むことができる。
【００３８】
図４〜６は、上述した熱電素子７４及び７６の製造方法に関する。図４について説明すれば、かかる方法は、（段階（ａ））複数の細孔８０を含む実質的に平面状の多孔質テンプレート７５であって、細孔がテンプレートの平面に対して概して垂直でありかつテンプレートの厚さを通して延在する細孔壁を有する多孔質テンプレート７５を用意する段階、（段階（ｂ））細孔壁が被覆されるようにして多孔質テンプレート上に金属層８２を一様に堆積させる段階、（段階（ｃ））被覆細孔壁を用いて細孔壁の内部に熱電材料をナノチューブ７０として電気化学的に堆積させる段階、及び（段階（ｄ））エッチングにより金属層を選択的に除去してテンプレート中に複数の熱電ナノチューブを得る段階を含んでいる。図５及び図６の段階（ａ）〜（ｄ）は、図４に示した段階の断面図及び斜視図にそれぞれ相当している。
【００３９】
金属層は、細孔内に熱電ナノチューブを電着させるための電極として役立つようにテンプレート表面上にコンフォーマルに堆積させることができる任意の金属又は金属の組合せであり得る。好適な材料には、特に限定されないが、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）及びこれらの組合せがある。通例、この金属層は無電解手段によって堆積され、該層は一般に約１０〜約１００ｎｍの厚さを有する。ナノチューブ堆積後における金属層の除去は、特に限定されないが、ヨウ化カリウム／ヨウ素溶液による金の湿式化学エッチング、塩化鉄溶液による銅又はニッケルの湿式化学エッチング、又は乾式エッチング法などの選択エッチング技法によって達成できる。多孔質（ポリマー）膜中における金属の電気化学的堆積に関する一般的な（具体的でない）議論については、Ｋｕ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｎａｎｏｃａｂｌｅｓ  ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｉｎｓｉｄｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ”，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，ｖｏｌ．１２６，ｐｐ．１５０２２−１５０２３，２００４を参照されたい。テンプレート及びナノチューブ材料に関する詳細については上記を参照されたい。別法として、原子層堆積（ＡＬＤ）のような気相法によって金属を堆積させることもできる。ＡＬＤを使用すれば、銅、鉄、ニッケル、金などの金属層、或いは電極として作用し得る他のタイプの導電性材料（例えば、酸化インジウムスズ）を多孔質テンプレート上に堆積させることができる。これらの気相堆積電極は、熱電材料を堆積させた後には、湿式又は乾式の選択化学エッチングによって除去できる。陽極処理アルミナテンプレート上にＡＬＤで堆積されるナノチューブの例については、Ｅｌａｍ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｃｏｎｆｏｒｍａｌ  Ｃｏａｔｉｎｇ  ｏｎ  Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−Ａｓｐｅｃｔ−Ｒａｔｉｏ  Ｎａｎｏｐｏｒｅｓ  ｏｆ  Ａｎｏｄｉｃ  Ａｌｕｍｉｎａ  ｂｙ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．，ｖｏｌ．１５，ｐｐ．３５０７−３５１７，２００３を参照されたい。
【００４０】
若干の実施形態では、金属層で被覆されたセラミックテンプレートの代わりに全金属製テンプレートを使用することが想定されている。かかる実施形態では、機械的安定性を得るため、ナノチューブ堆積後に全金属製テンプレートを除去し、セラミック又はポリマーのような絶縁材料で置き換えなければならない。
【００４１】
若干の実施形態又は他の実施形態では、上述した実施形態の１以上に対する変形例を用いて、或いは上述したものとは異なる方法を用いてナノチューブ７０が形成される。例えば、若干の実施形態では、金属層で被覆されたテンプレートではなく、金属ナノ粒子シード層又は機能性分子層で被覆された細孔壁を有するテンプレート中への電着によってナノチューブを堆積させることができる。例えば、Ｂｒｕｍｌｉｋ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｔｅｍｐｌａｔｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ”，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，ｖｏｌ．１１３，ｐｐ．３１７４−３１７５，１９９１を参照されたい。他の実施形態では、非常に高速の電着により、多孔質テンプレート中にナノワイヤではなくナノチューブを堆積させることができる。例えば、Ｙｕａｎ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｈｉｇｈｌｙ  Ｏｒｄｅｒｅｄ  Ｐｌａｔｉｎｕｍ−Ｎａｎｏｔｕｂｕｌｅ  Ａｒｒａｙｓ  ｆｏｒ  Ａｍｐｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  Ｇｌｕｃｏｓｅ  Ｓｅｎｓｉｎｇ”，Ａｄｖ．Ｆｕｎｃｔ．Ｍａｔｅｒ．，ｖｏｌ．１５（５），ｐｐ．８０３−８０９，２００５を参照されたい。若干の実施形態又は他の実施形態では、テンプレート細孔の片側のみを電極層で被覆することで、細孔内におけるナノチューブの電気化学的堆積が可能になる。例えば、Ｌｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ａ  Ｆａｃｉｌｅ  Ｒｏｕｔｅ  ｔｏ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅ  Ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ａｎｔｉｍｏｎｙ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ａｒｒａｙｓ”，Ｃｈｅｍ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３４（７），ｐｐ．９３０−９３１，２００５、及びＬｅｅ  ｅｔ  ａｌ．，“Ａ  Ｔｅｍｐｌａｔｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉｓｅｇｍｅｎｔｅｄ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ”，Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．，ｖｏｌ．４４，ｐｐ．６０５０−６０５４，２００５を参照されたい。さらに他の実施形態では、テンプレートを犠牲層（例えば、炭素ナノチューブ又はポリマー）で被覆し、金属ナノワイヤで満たす。次いで、犠牲層を除去し、得られたテンプレートの開放空間内にナノチューブを電着する。例えば、Ｍｕ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｕｎｉｆｏｒｍ  Ｍｅｔａｌ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ａｒｒａｙｓ  ｂｙ  Ｍｕｌｔｉｓｔｅｐ  Ｔｅｍｐｌａｔｅ  Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，ｖｏｌ．１６，ｐｐ．１５５０−１５５３，２００４を参照されたい。
【００４２】
かかる上述した熱電素子の製造に当たっては、若干の実施形態では、特定の熱電性能を得るためナノチューブ中に特定のドーピング密度が選択される（通例、かかるドーピング密度は約１０17〜１０18ｃｍ-3である）。ドーピングは、化合物の元素の１種を過剰に生成させる真性ドーピングによって達成できる。例えば、Ｂｉ2Ｔｅ3堆積中に過剰のＴｅが存在すればｎ型材料が得られる（例えば、Ｙｏｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ  ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ  ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｎ−ｔｙｐｅ  Ｂｉ2Ｔｅ3  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ，ｖｏｌ．５０（２２），ｐｐ．４３７１−４３７７，２００５を参照されたい）。元素の１種を過剰に得るためには、例えば、堆積電位をはじめとする電着条件を変化させればよい。別法として、少量のドーパント前駆体を電気化学的堆積溶液に添加するか、或いはドーパント用のサイクルを堆積プロセス中に組み込むことで、外来ドーパントをナノチューブ中に導入できる。
【００４３】
上述の通り、上述したナノチューブの熱電特性に関する決定的寸法はチューブ肉厚である。制御堆積プロセスを用いてナノチューブ壁を堆積させることにより、ナノチューブ肉厚をサブナノメートルの分解能で制御できる。ナノメートル肉厚が決定的寸法であるので、テンプレート中における細孔径の分布はあまり重要でない（これは、太いワイヤが装置の挙動を支配する傾向を示す、多孔質テンプレート中へのナノワイヤのコンフォーマル堆積とは対照的である）。非常に小さい細孔径（例えば、＜１０ｎｍ）をもったテンプレートを作製する必要はない。決定的寸法が肉厚であるので、大きくて形成の容易な寸法（例えば、＞１０ｎｍ）をもった（テンプレートの細孔径に対応する）チューブ外径を使用することが可能である。これもまた、コンフォーマル堆積のため、通例１０〜２０ｎｍ未満である決定的な熱電特性寸法に対応する細孔径をもったテンプレートの作製が必要となるナノワイヤに比べての利点である。熱電材料は全表面を覆う薄いフィルムとして同時に堆積するので、堆積物の組成は綿密に制御できる。これにより、非常に高いアスペクト比（例えば、直径＜１０ｎｍ×高さ＞１００μｍ）のナノワイヤを堆積させる場合に予想されるように、ナノワイヤの長さに沿って組成が変動するという潜在的な問題が回避される。テンプレートの表面上にナノチューブをコンフォーマルに堆積させることで、ほぼ１００％の細孔中にナノチューブを得ることが可能である。これにより、高アスペクト比の構造体に関して高い細孔充填率を得るのが潜在的に困難であるナノワイヤの堆積に関して見られることがある難点が回避される。さらに、かかる電気化学的堆積技法は容易にスケールアップできる。
【００４４】
図７は、本技術の実施形態に従って複数の伝熱装置又は伝熱ユニット６０を有する伝熱装置又は集成モジュール１４０の側断面図を示している。図示された実施形態では、伝熱ユニット６０は対向する基板１４２及び１４４の間に取り付けられかつ電気的に接続された集成モジュール１４０を形成する。このようにすれば、伝熱装置６０は協同して、ある物体又は領域から別の物体又は領域に熱を伝熱するため、或いは高温の一表面から熱を吸収しかつ吸収した熱を低温のヒートシンクに放出することで発電能力を生み出すために使用できる所望の加熱又は冷却能力を与える。ある種の実施形態では、銀充填エポキシ樹脂のような導電性接合材料又は合金によって複数の伝熱ユニット６０を接続できる。複数の伝熱ユニット６０を接続するための導電性接合材料又は合金は、伝熱装置の所望加工技法及び所望動作温度に基づいて選択できる。最後に、集成モジュール６０をリード１４６及び１４８によって入力電圧源に接続する。動作に当たっては、入力電圧源が伝熱ユニット６０を通して電流の流れを引き起こし、それによって基板１４２及び１４４の間に熱電機構に基づく電荷の流れを生み出す。このような電荷の流れの結果、伝熱装置６０は基板１４２及び１４４の間における熱伝達を促進する。同様に、伝熱装置６０は、２枚の基板１４２及び１４４の間に温度勾配を維持することにより、異なる用途において発電及び／又は熱回収のために使用できる。
【００４５】
図８は、本発明の実施形態に従って伝熱用熱電素子１０４のアレイを有する伝熱モジュール１５０の斜視図を示している。この実施形態では、伝熱装置１０４は環境又は用途の熱管理要件を満たすために二次元アレイとして使用されている。伝熱装置１０４は伝熱モジュール１５０内に集成され、そこにおいて装置１０４を電気的には直列に接続しかつ熱的には並列に接続することでモジュール１５０中の第１の物体１４から第２の物体１６へ向かう電荷の流れを生み出し、それによってモジュール１５０中の第１及び第２の物体１４及び１６間における熱伝達を促進する。電圧源３０は、第１又は第２の物体１４又は１６の加熱又は冷却を達成するために印加される電位差であり得る。別法として、モジュール１５０を発電用途で使用する場合、電圧源３０はモジュール１５０によって発生される電圧を表すことができる。
【００４６】
上述した技術の様々な態様は、冷凍、空気調和、電子機器冷却、工業用温度制御などのような各種の加熱／冷却システムにおいて有用である。上述したような伝熱装置は、空気調和機、冷水器、気候制御座席、及び家庭用冷蔵庫や工業用冷凍機を含む冷凍システムで使用できる。例えば、かかる伝熱装置は、液化天然ガス（ＬＮＧ）又は超伝導装置のような極低温凍結のために使用できる。さらに、上述したような伝熱装置は、車両、タービン及び航空機エンジンような各種システムにおいて部品の冷却のために使用できる。例えば、ファン、圧縮機、燃焼器又はタービンケースのような航空機エンジン部品に伝熱装置を結合できる。伝熱装置に電流を流すことにより、温度差を生み出してかかる部品の冷却を行うことができる。
【００４７】
別法として、本明細書中に記載した伝熱装置は、天然又は人造の熱源を利用して発電を行うことができる。例えば、本明細書中に記載した伝熱装置は地熱由来の熱源と共に使用できる。この場合には、熱源と周囲環境（例えば、水、空気など）との温度差が発電を促進する。同様に、航空機エンジンでは、エンジンコアの空気流と外側の空気流との間の温度差がエンジンケーシングを通して温度差を生みだし、これを用いて発電を行うことができる。かかる電力は、航空機エンジン又は航空機用のセンサ、アクチュエータ又はその他任意の電力用途に関する動作又は動作補助のために使用できる。本明細書中に記載した熱電装置を使用できる用途の追加例には、ガスタービン、蒸気タービン、車両などがある。かかる熱電装置は熱を発生する光起電セル又は固体酸化物燃料電池に結合でき、それによって総合システム効率を高めることができる。
【００４８】
上述した伝熱装置はまた、熱エネルギー変換又は熱管理のためにも使用できる。伝熱装置用の材料及び製造技法は、物体の所望熱管理要件に基づいて選択すればよいことに注意すべきである。。かかる装置は、マイクロプロセッサ及び集積回路のような超小型電子システムの冷却のために使用できる。さらに、伝熱装置は半導体デバイス、光子デバイス及び赤外センサの熱管理のために使用できる。
【実施例】
【００４９】
以下の実施例は、本発明の特定の実施形態を実証するために示されている。以下の実施例中に開示される方法が本発明の例示的な実施形態を表すにすぎないことは、当業者には容易に理解されるはずである。しかし、本開示内容に照らせば、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなしに記載された特定の実施形態に多くの変更を加えることができ、それでも同様又は類似の結果が得られることが当業者には理解されるはずである。
【００５０】
実施例１
この実施例は、本発明の若干の実施形態に従い、熱電装置で使用するためのナノチューブを含む熱電素子を形成し得ることを例示するために役立つ。
【００５１】
アルミニウム箔の陽極処理によってナノ多孔質アルミナテンプレートを作製する。陽極処理中に生み出された細孔は互いにほぼ平行であり、テンプレートの長さを通して延在している。平均細孔径及び間隔は、電位、酸などを含む陽極処理条件によって決定される（これは十分に確立された操作である）。無電解めっき法を用いて、陽極処理アルミナ膜の細孔を金で被覆する（Ｋｏｈｌｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｔｅｍｐｌａｔｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｇｏｌｄ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ  ｉｎ  ａｎ  Ａｎｏｄｉｃ  Ａｌｕｍｉｎａ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ”，Ｊ．Ｎａｎｏｓｃｉ．Ｎａｎｏｔｅｃｈ．，ｖｏｌ．４，ｐｐ．６０５−６１０，２００３）。次に、高速無電解めっきによって膜の片側を厚い金電極層で被覆する。次いで、膜を電気化学的フローセル内に配置し、膜の金ナノチューブ上に熱電ナノチューブを同心的に堆積させる。熱電材料は電気化学的原子層エピタキシー法によって堆積させる。例えばＢｉ2Ｔｅ3は、Ｚｈｕ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｂｉｓｍｕｔｈ  ｔｅｌｌｕｒｉｄｅ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ  ｕｓｉｎｇ  ＥＣＡＬＥ”，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，５８５，８３−８８，２００５に記載された方法の変法を用いて堆積させることができる。その場合には薄いフィルムが堆積する。高アスペクト比の金ナノチューブの表面を覆うフィルムを堆積させるためには、堆積サイクル時間などを増加させることが必要となる場合がある。熱電ナノチューブの堆積後、膜の片側又は両側に金属フィルムを堆積させる。次いで、選択化学エッチングによって金ナノチューブを除去する。残った構造体は、ナノ多孔質アルミナテンプレートの細孔中に埋め込まれかつ堆積した金属層によって上側及び下側で接続された熱電ナノチューブからなる。
【００５２】
実施例２
この実施例は、本発明の若干の実施形態に従い、電気化学的に堆積させたナノチューブを含む複数の熱電素子を熱電装置の製造中に組み込む方法を例示するために役立つ。
【００５３】
標準的なフォトリソグラフィーを用いて、２枚の熱伝導性基板（ＡｌＮ又はＳｉＣ）上で金属電極（Ｃｕ又はＡｌ）をパターン化する。各基板上における金属電極のパターン化は、熱電素子を挟みながら２枚の基板を互いに対面させた場合、電極及び熱電素子が第１の基板の一方のコーナから第２の基板の反対側のコーナまで電気的に直列になるように行う。熱電素子を金属電極に接続するためには、インジウム箔を接合層として使用する。インジウム箔の小片を金属電極と熱電素子との間に挟み、次いで基板／熱電素子アセンブリ全体に圧力及び熱を加えることで、インジウム箔を基板上の金属電極と各熱電素子の両端の金属層との間で拡散接合させる。この最終熱電モジュールでは、各基板上のパターン化電極は、２枚の基板間に挟まれた接合層並びに交互にｎ型及びｐ型の熱電素子によって電気的に直列に接続されている。熱電素子は、熱的には２枚の基板間で並列に接続されている。
【００５４】
上述した実施形態の上述した構造、機能及び動作の一部は本発明を実施するために必要でなく、単に例示的な実施形態を完全なものにするため記載中に含めてあることが理解されよう。加えて、上記に引用した特許及び出版物中に記載された特定の構造、機能及び動作は本発明と共に実施できるが、本発明の実施にとって必須ではないことも理解されよう。したがって、本発明は、特許請求の範囲によって定義された本発明の技術思想及び技術的範囲から実際に逸脱することなく、詳細に記載されたやり方とは異なるやり方で実施できることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の若干の実施形態に係る伝熱装置を有するシステムの略図である。
【図２】本発明の若干の実施形態に係る伝熱装置を有する発電システムの略図である。
【図３】本発明の若干の実施形態に係る伝熱ユニットの断面図である。
【図４】本発明の若干の実施形態に係る熱電ナノチューブアレイの製造方法を段階的に示す平面図である。
【図５】本発明の若干の実施形態に係る熱電ナノチューブアレイの製造方法を段階的に示す断面図である。
【図６】本発明の若干の実施形態に係る熱電ナノチューブアレイの製造方法を段階的に示す斜視図である。
【図７】本発明の若干の実施形態に従い、複数の伝熱ユニットを有する伝熱装置の集成モジュールを示す概略側面図である。
【図８】本発明の若干の実施形態に従い、伝熱装置のアレイを有するモジュールを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  システム
１２  伝熱モジュール又は熱電モジュール
１４  物体
１６  物体
１８  ｎ型半導体脚部
２０  ｐ型半導体脚部
２２  第１の電極
２４  第２の電極
２６  インターフェース層
２８  インターフェース層
３０  入力電圧源
３２  電荷キャリヤー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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