技术领域
[0001] 本
发明属于柔性
电子技术领域，涉及一种可弯曲折叠的异质柔性热电转换器件，特别涉及一种在柔性衬底上生长的二维
半导体晶体材料-
石墨烯的异质柔性热电转换器件。
背景技术
[0002] 由于便携式电子产品日益增长的微型化趋势，推动了小型化电源的研究和发展。热电发生器作为一种自给自足的
能源，它通过赛贝克效应将
热能直接转换为
电能，成为一种能源领域的高新技术。另一方面，由于便携式电子产品日益增长的微型化趋势，小型化电源的研究和发展成为热点。
[0003] 由于
石墨烯与二维半导体晶体材料的
塞贝克系数不同，可以将两者组合在一起共同构成
异质结构，形成热电转换器件。当
接触热
辐射源时，器件中石墨烯和二维半导体晶体材料因其塞贝克系数不同，两者的交叠区域产生
温度梯度，引起
塞贝克效应，并产生开路
电压，同时开路电压线性地正比于温度差：ΔV＝α(α二维半导体-α石墨烯)ΔT，其中，αs为塞贝克系数，也称为热电功率。如上所述，当外界热源存在时，石墨烯和二维半导体晶体材料之间塞贝克系数之差而引起的热能转换则具有广泛应用前景。
[0004] 同时，由于石墨烯与二维半导体晶体材料具有独特的二维平面结构，能够与现代微纳加工技术衔接，可以很好地实现热电器件的高
密度集成。另一方面，两种材料都具有可伸展、可弯曲的特点，将两者形成的
异质结构生长到任意柔性材料衬底上，可实现随之弯曲、折叠的特性。对两种材料柔性特征的应用，可获得随意弯曲折叠的热电转换器件，能满足某些特殊情况的应用需求，更可满足便携式电子产品对小型化电源的技术需求。
[0005] 然而，目前将石墨烯与二维半导体晶体材料结合使用，共同用于制备柔性热电转换器件的技术鲜有报道。
发明内容
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述
现有技术存在的
缺陷而提供一种基于二维半导体材料-石墨烯异质结构的柔性热电转换器件，用以提高热电转换效率，并提高器件集成度及便携性。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008] 一种可弯曲折叠的异质柔性热电转换器件，该异质柔性热电转换器件包括柔性衬底、依次生长在柔性衬底上的介质层及异质结构，所述的异质结构包括由下向上交叠设置的石墨烯层及二维半导体晶体层，所述的石墨烯层一端生长第一金属
电极，所述的二维半导体晶体层一端生长第二金属电极，并且所述的第一金属电极与第二金属电极之间相互隔离；
[0009] 工作时，在外界热源的辐射下，所述的石墨烯层与二维半导体晶体层的交叠区域产生温度梯度，引起塞贝克效应，产生开路电压，并进行热电转换。
[0010] 所述的柔性衬底的材质为超薄玻璃、高分子
聚合物或金属箔片中的一种。
[0011] 所述的超薄玻璃的厚度为10um以内。
[0012] 所述的高分子聚合物为聚酰亚胺、聚
萘二
甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。
[0013] 所述的介质层为
二氧化
硅介质层，该
二氧化硅介质层的厚度为10-100nm。
[0014] 所述的石墨烯层与二维半导体晶体层垂直交叠设置。
[0015] 所述的石墨烯层的厚度为10-20nm，并且所述的二维半导体晶体层的厚度为1-50nm
[0016] 所述的二维半导体晶体层的材质为过渡金属二硫属化合物，该过渡金属二硫属化合物包括MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、TiS2或VSe2中的一种。
[0017] 所述的第一金属电极的厚度为10-200nm，并且所述的第一金属电极的材质包括金、
银、
铝或
钛中的一种。
[0018] 所述的第二金属电极的厚度为10-200nm，并且所述的第二金属电极的材质包括金、银、铝或钛中的一种。
[0019] 本发明热电转换器件采用柔性材料形成柔性衬底，在柔性衬底上依次生长二氧化硅介质层、石墨烯层以及二维半导体晶体层，其中，石墨烯层与二维半导体晶体层交叠设置，共同构成异质结构，同时，在石墨烯层一端生长第一金属电极，在二维半导体晶体层一端生长第二金属电极，并且第一金属电极和第二金属电极之间无任何交叠。由于石墨烯与二维半导体晶体的塞贝克系数不同，当接触热辐射源时，热电转换器件中石墨烯层与二维半导体晶体层的交叠区域产生温度梯度，引起塞贝克效应，产生开路电压，并进行热电转换。
[0020] 在实际制备过程中，在柔性衬底先淀积一层二氧化硅介质层，以增加石墨烯与柔性衬底之间的粘附性；随后，可以通过气相沉积法(CVD)直接生长或通过标准机械剥离工艺获得石墨烯，再转移至二氧化硅介质层上，石墨烯可以为
单层或数层石墨烯；在石墨烯层上制备二维半导体晶体层时，可以采用机械剥离法、化学液相合成或气相沉积法制备二维半导体晶体层，然后通过转移技术转移至石墨烯层上，或者在石墨烯层上直接采用气相沉积法生长一层二维半导体晶体层；最后，通过
磁控溅射方法、
电子束蒸发法或热蒸发方法，分别在石墨烯层的一端、二维半导体晶体层的一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极及第二金属电极。
[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下特点：
[0022] 1)外界热源存在时，石墨烯和二维半导体晶体之间塞贝克系数不同，产生热电压，器件结构具有超高的塞贝克系数及热电价值，引起的热能转换具有广泛应用前景；
[0023] 2)采用的石墨烯和二维半导体晶体均具有独特的二维平面结构，能够与现代高科技的微纳加工技术相衔接，能很好地实现热电器件的高密度集成；
[0024] 3)整体结构简单、紧凑，采用柔性衬底，而石墨烯和二维半导体晶体都具有可伸展、可弯曲的特点，制成的热电转换器件具有可随意弯曲折叠的特点，在弯折后，器件的电学性能保持不变，满足某些特殊情况的应用需求，更可满足便携式电子产品对小型化电源的技术需求，具有很好的应用前景。
附图说明
[0025] 图1为本发明立体结构示意图；
[0026] 图中标记说明：
[0027] 1—柔性衬底、2—介质层、3—石墨烯层、4—二维半导体晶体层、5—第一金属电极、6—第二金属电极。
具体实施方式
[0028] 下文结合特定实例说明的实施方式，此处的
实施例及各种特征和有关细节将参考附图中图示以及以下描述中详述的非限制性实施例而进行更完整的解释。省略众所周知的部件和处理技术的描述，以免不必要的使此处的实施例难以理解。在制作所述结构时，可以使用半导体工艺中众所周知的传统工艺。此处使用的示例仅仅是为了帮助理解此处的实施例可以被实施的方式，以及进一步使得本领域技术人员能够实施此处的实施例。因而，不应将此处的示例理解为限制此处的实施例的范围。
[0029] 需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0030] 实施例1：
[0031] 如图1所示，一种可弯曲折叠的异质柔性热电转换器件，该异质柔性热电转换器件包括柔性衬底1、依次生长在柔性衬底1上的介质层2及异质结构，异质结构包括由下向上交叠设置的石墨烯层3及二维半导体晶体层4，石墨烯层3一端生长第一金属电极5，二维半导体晶体层4一端生长第二金属电极6，并且第一金属电极5与第二金属电极6之间相互隔离；工作时，在外界热源的辐射下，石墨烯层3与二维半导体晶体层4的交叠区域产生温度梯度，引起塞贝克效应，产生开路电压，并进行热电转换。
[0032] 其中，柔性衬底1的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯，介质层2为二氧化硅介质层，该二氧化硅介质层的厚度为100nm。
[0033] 在异质结构中，石墨烯层3与二维半导体晶体层4垂直交叠设置，石墨烯层3的厚度为20nm，并且二维半导体晶体层4的厚度为10nm，二维半导体晶体层4的材质为MoS2。
[0034] 在实际制备过程中，在柔性衬底1先淀积一层二氧化硅介质层，以增加石墨烯与柔性衬底1之间的粘附性；石墨烯层3通过气相沉积法(CVD)直接生长二氧化硅介质层上，其中，石墨烯层3中的石墨烯为单层石墨烯；随后，在石墨烯层3上直接采用气相沉积法生长一层二维半导体晶体层4；最后，通过磁控溅射方法分别在石墨烯层3的一端、二维半导体晶体层4的一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极5及第二金属电极6。
[0035] 本实施例中，第一金属电极5与第二金属电极6的厚度均为200nm，材质均为钛。
[0036] 实施例2：
[0037] 本实施例中，柔性衬底1的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯，介质层2为二氧化硅介质层，该二氧化硅介质层的厚度为80nm；石墨烯层3的厚度为15nm，并且二维半导体晶体层4的厚度为50nm，二维半导体晶体层4的材质为MoSe2。
[0038] 制备时，通过标准机械剥离工艺获得石墨烯层3，再转移至二氧化硅介质层上，石墨烯层3中的石墨烯为多层石墨烯，随后，采用机械剥离法制备二维半导体晶体层4，通过转移技术转移至石墨烯层3上，最后，通过
电子束蒸发法分别在石墨烯层3的一端、二维半导体晶体层4的一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极5及第二金属电极6。
[0039] 本实施例中，第一金属电极5与第二金属电极6的厚度均为100nm，材质均为铝。其余同实施例1。
[0040] 实施例3：
[0041] 本实施例中，柔性衬底1的材质为聚酰亚胺，介质层2为二氧化硅介质层，该二氧化硅介质层的厚度为60nm；石墨烯层3的厚度为16nm，并且二维半导体晶体层4的厚度为32nm，二维半导体晶体层4的材质为WS2。
[0042] 制备时，通过标准机械剥离工艺获得石墨烯层3，再转移至二氧化硅介质层上，石墨烯层3中的石墨烯为多层石墨烯，随后，采用化学液相合成法制备二维半导体晶体层4，通过转移技术转移至石墨烯层3上，最后，通
过热蒸发方法分别在石墨烯层3的一端、二维半导体晶体层4的一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极5及第二金属电极6。
[0043] 本实施例中，第一金属电极5与第二金属电极6的厚度均为80nm，材质均为银。其余同实施例1。
[0044] 实施例4：
[0045] 本实施例中，柔性衬底1的材质为金属箔片，介质层2为二氧化硅介质层，该二氧化硅介质层的厚度为30nm；石墨烯层3的厚度为12nm，并且二维半导体晶体层4的厚度为6nm，二维半导体晶体层4的材质为WSe2。
[0046] 制备时，通过标准机械剥离工艺获得石墨烯层3，再转移至二氧化硅介质层上，石墨烯层3中的石墨烯为多层石墨烯，随后，采用气相沉积法制备二维半导体晶体层4，通过转移技术转移至石墨烯层3上，最后，通过磁控溅射方法分别在石墨烯层3的一端、二维半导体晶体层4的一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极5及第二金属电极6。
[0047] 本实施例中，第一金属电极5与第二金属电极6的厚度均为50nm，材质均为铝。其余同实施例1。
[0048] 实施例5：
[0049] 本实施例中，柔性衬底1的材质为超薄玻璃，该超薄玻璃的厚度为10μm，介质层2为二氧化硅介质层，该二氧化硅介质层的厚度为10nm；石墨烯层3的厚度为10nm，并且二维半导体晶体层4的厚度为1nm，二维半导体晶体层4的材质为TiS2。
[0050] 本实施例中，第一金属电极5与第二金属电极6的厚度均为10nm，材质均为金。其余同实施例1。
[0051] 实施例6：
[0052] 本实施例中，柔性衬底1的材质为超薄玻璃，该超薄玻璃的厚度为6μm，介质层2为二氧化硅介质层，该二氧化硅介质层的厚度为15nm；石墨烯层3的厚度为15nm，并且二维半导体晶体层4的厚度为10nm，二维半导体晶体层4的材质为VSe2。
[0053] 本实施例中，第一金属电极5与第二金属电极6的厚度均为20nm，材质均为金。其余同实施例1。
[0054] 以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述所述的方法及技术内容做出些许的更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术发案的内容，依据本发明的技术实质对以上实例所做的任何简单
修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
