CN113963835A - 一种金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池，包括：β放射源提供载能β粒子；金刚石慢化体将纯β放射源出射的高能β粒子慢化获得低能β粒子；金刚石肖特基二极管吸收载能β粒子并将其能量转换为电能；电池外壳保护电池内部结构并屏蔽未能利用的载能β粒子和次生γ射线。由于金刚石材料具有禁带宽度大、抗辐照性能强、高掺杂金刚石电学性能优良、耐高温、耐高压和极高的化学惰性等特点，基于金刚石材料的β辐射伏特效应微型核电池的能量转化效率高、输出稳定、使用寿命长并且防护简单。
Description
技术领域
本发明涉及利用半导体器件将放射性核素的衰变能转化为电能的电池装置，属于核能利用技术领域。
背景技术
近年来，随着科技的进步，微机电系统的研发和应用得到了飞速的发展。它们一般都具有体积小、功率小、质量轻、便于移动、性能稳定、成本低和可植入性等特点。但是，微机电系统的进一步发展却受到了缺乏微型电源的限制。常见的微型电源包括微型燃料电池、微型化学电池、微型内燃机和微型太阳能电池。不过，这些微型电池都不能很好地满足微机电设备对微型电源的要求。首先，微型燃料电池、微型化学电池和微型内燃机需要不断地从外界补充燃料或是间断性充电。同时，它们的能量转化效率低并且难于微型化到微机电系统所要求的微米甚至纳米量级。其次，虽然太阳能电池具有清洁、安全、技术成熟等特点并且采用微纳米加工工艺可将其微型化到微米甚至纳米量级，但是，它们在黑暗或者阳光不稳定的环境中是无法正常工作的。最后，核电池因具有微型化、集成化、能量密度高、使用寿命长和不依赖外界能量等特点成为微机电系统电源理想的选择。
目前，基于半导体器件(PN结，PIN结和肖特基二极管)的β辐射伏特效应微型核电池已经在航空航天探测、深海深地探测、高山极地等环境恶劣地区气象监测、医疗仪器等领域得到了应用。这种类型核电池的工作原理是：当载能β粒子与半导体材料相互作用时会产生大量的电子-空穴对，半导体器件的内建电场会将耗尽层内的辐生电子-空穴对分离后全部扫出该区域，电荷收集效率为100％。耗尽层外的辐生电子-空穴对只有扩散到耗尽层内才能被分离而后被正负电极分别收集，所以，耗尽层以外区域的电荷收集效率较低。β辐射伏特效应微型核电池中的放射源一般都是纯β衰变并且其释放的β粒子能量比较低。纯净金刚石是良好的绝缘体，电阻率很高，但是掺杂后的金刚石电阻率会下降很多数量级而使其成为典型的半导体材料，它具有禁带宽度大，饱和载流子(电子和空穴)迁移率高，热导率以及化学惰性好，电子密度大，抗辐照性能强等优点。研究结果表明：金刚石材料的这些优点有助于提高β辐射伏特效应微型核电池的使用寿命和能量转化效率。特别地，金刚石肖特基二极管是β辐射伏特效应微型核电池理想的选择。
发明内容
本发明提供了一种基于金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池，利用成熟的制备工艺将纯β放射源，金刚石慢化体和金刚石肖特基二极管加工集成为一种将放射源的衰变能转化为电能的装置。这种类型的核电池因其能量转化效率高、抗辐照性能强、输出稳定并且使用寿命长而成为微机电系统理想的微型电源。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池(见附图1和附图说明)。
所述纯β放射源(1)为薄片状圆柱形固态放射源。选为氚源(3HXTi)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶/钇-90源(90Sr/90Y)。进一步地，考虑β放射源自吸收效应，氚源(3HXTi)的厚度小于2μm；镍-63源(63Ni)的厚度小于3μm；钷-147源(147Pm2O3)的厚度小于43μm；锶/钇-90源(90Sr/90Y)的厚度小于1cm。
所述可拆卸金刚石慢化体(2)为圆柱形，其半径与纯β放射源(1)的半径相同。改变金刚石慢化体(2)的厚度将纯β放射源出射的高能β粒子慢化获得低于金刚石肖特基二极管抗辐射损伤的能量阈值并满足微机电系统输出功率要求的低能β粒子。进一步地，所述氚源(3HXTi)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶/钇-90源(90Sr/90Y)对应的核电池中，金刚石慢化体(2)的厚度分别小于0.2μm、23μm、50μm和3.2mm。其中，金刚石慢化体(2)主要应用于钷-147源(147Pm2O3)和锶/钇-90源(90Sr/90Y)对应的核电池中。
所述金刚石肖特基二极管为圆柱形，其半径与纯β放射源(1)的半径相同，其内部依次层叠设置为P型高掺杂金刚石衬底层(3)、P型低掺杂金刚石缓冲层(4)、本征金刚石层(5)和肖特基电极层(6)。
所述P型高掺杂金刚石衬底层(3)为(001)取向硼掺杂金刚石层，厚度小于200nm，掺杂硼原子浓度NA>1×1018cm-3；进一步地，P型高掺杂金刚石衬底层(3)为所述核电池的植入式前置电极。
所述P型低掺杂金刚石缓冲层(4)为(001)取向金刚石外延层，掺杂硼原子浓度NA<1×1014cm-3，厚度小于20nm。
所述氚源(3HXTi)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶/钇-90源(90Sr/90Y)对应的核电池中，本征金刚石(5)的厚度的厚度分别小于0.2μm、23μm、50μm和3.2mm。
肖特基电极层(6)为场板结构，厚度小于30nm。进一步地，肖特基电极层(6)为单一金属层或由多种金属形成多个单一金属层构成的金属复合层。更进一步地，肖特基电极层(6)中与本征金刚石层(5)接触的金属层中金属材料功函数小于金刚石禁带宽度。
所述的P型高掺杂金刚石衬底层(3)和肖特基电极(6)上分别对应设置第一引线和第二引线，进行退火后封装得到金刚石肖特基二极管。
所述电池外壳(7)及其可拆卸部分(8)是正方体结构。进一步地，所述电池外壳(7)及其可拆卸部分(8)是由密度小的高分子聚乙烯塑料构成，厚度小于1.5cm。
综上所述，结合放射源的自吸收效应、放射源在换能材料中的电离作用范围、金刚石肖特基二极管的制备技术及辐射防护，本发明提供了一种金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池的技术方案。该技术方案大大提高了核电池的能量转换效率和能量输出功率，同时延长核电池的使用寿命，核电池性能稳定。
附图说明
图1是所述一种金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池的轴剖面示意图。
图2是所述一种金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池的俯视图。
具体实施方式
β辐射伏特效应微型核电池研究的主要内容包括：β放射源的自吸收效应，载能β粒子在材料表面的反散射，载能β粒子在换能材料中的电离作用范围，核电池制备工艺及核电池输出性能研究。研究结果表明：金刚石肖特基二极管是β辐射伏特效应微型核电池理想的换能器件。
β放射源衰变的载能β粒子与放射源自身发生相互作用产生自吸收现象。此现象导致随着β放射源厚度的增加，其表面出射功率先是不断增加而后趋于饱和值。一般地，氚源(3HXTi)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶/钇-90源(90Sr/90Y)的表面出射功率达到饱和值时放射源对应的厚度分别为2μm、3μm、43μm和1cm左右。因此，本发明中所述圆柱形固态薄片状纯β放射源(1)的厚度小于其表面出射功率达到饱和值时对应的厚度。也就是说，所述氚源(3HXTi)的厚度小于2μm；镍-63源(63Ni)的厚度小于3μm；钷-147源(147Pm2O3)的厚度小于43μm和锶/钇-90源(90Sr/90Y)的厚度小于1cm。
为了将纯β放射源出射的高能β粒子慢化获得低于金刚石肖特基二极管抗辐射损伤的能量阈值并满足微机电系统输出功率要求的低能β粒子，所述核电池中设置金刚石慢化体。一般地，氚源(3HXTi)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶/钇-90源(90Sr/90Y)在金刚石材料内的电离作用范围分别为0.2μm、23μm、50μm和3.2mm左右。因此，本发明中所述氚源(3HXTi)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶/钇-90源(90Sr/90Y)对应的核电池中，厚度可调的金刚石慢化体(2)的厚度分别小于0.2μm、23μm、50μm和3.2mm。更进一步地，金刚石慢化体(2)主要应用于钷-147源(147Pm2O3)和锶/钇-90源(90Sr/90Y)对应的核电池中。
为了优化基于金刚石肖特基二极管型β辐射伏特效应微型核电池的性能，本发明所述的一种金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池中利用P型高掺杂金刚石薄膜作为植入式电极来降低载能β粒子在核电池换能器件表面的反散射能量损失；进一步地，相比于N型金刚石薄膜，利用P型金刚石薄膜作为所述核电池的发射层可以有效地提高核电池内部的电荷收集效率；更进一步地，将β放射源在换能器件内部的电离作用范围与其本征层区域相匹配是提高所述核电池的关键性问题。最后，相比于功函数较高的金属，功函数较低的金属将有利于提高P-M型金刚石肖特基势垒高度，降低金刚石肖特基二极管的漏电流，提高所述核电池的开路电压和能量转化效率。
所述金刚石肖特基二极管内部依次层叠设置为P型高掺杂金刚石衬底层(3)、P型低掺杂金刚石缓冲层(4)、本征金刚石层(5)和肖特基电极层(6)，其主要制备方法如下：
步骤1：采用化学气相沉积技术合成P型高掺杂金刚石衬底层(3)，其晶向为(001)，厚度小于200nm，硼原子掺杂浓度NA>1×1018cm-3。进一步地，P型高掺杂金刚石衬底层(3)为所述核电池的植入式前置电极。
步骤2：采用化学气相沉积技术在P型高掺杂金刚石衬底层(3)上外延生长P型低掺杂金刚石缓冲层(4)，掺杂硼原子浓度NA<1×1014cm-3，厚度小于20nm。
步骤3：采用化学气相沉积技术在步骤2中制备完成的P型低掺杂金刚石缓冲层(4)上外延生长一层本征金刚石层(5)。进一步地，将本征金刚石层(5)与所述纯β放射源在金刚石中的电离作用范围相匹配，因此，所述氚源(3HXTi)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶/钇-90源(90Sr/90Y)对应的核电池中，本征金刚石层(5)的厚度分别小于0.2μm、23μm、50μm和3.2mm。
步骤4：将步骤3中制备完成的本征金刚石层(5)进行表面处理形成氧终止表面状态。进一步地，利用丙酮、去离子水和超声波进行表面清洗。
步骤5：肖特基电极层6为场板结构，厚度小于30nm。采用电子束蒸发镀膜技术在步骤4中制备完成的本征金刚石层(5)表面沉积功函数小于金刚石禁带宽度的金属单一金属层(如金属铪)形成肖特基电极层(6)，或在功函数小于金刚石禁带宽度的金属层(如金属铪)上沉积多个单一金属层(如钛、镍、铂、金、铝)的金属复合层构成肖特基电极层(6)。
步骤6：所述的P型高掺杂金刚石衬底层(3)和肖特基电极(6)上分别对应设置第一引线和第二引线。进一步地，在氮气气氛保护下完成所述金刚石PIM肖特基二极管退火处理。更进一步地，将所述金刚石PIM肖特基二极管进行封装。
所述电池外壳(7)及其可拆卸部分(8)是正方体结构。进一步地，所述电池外壳(7)及其可拆卸部分(8)是由密度小的高分子聚乙烯塑料构成，厚度小于1.5cm。
本发明所述的具体实施例详细说明了一种金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池设计的理论基础和具体的技术方案。需要说明的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，它并不用于限制本发明所述核电池的设计和制备。进一步地，凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等均包括在本发明的保护范围之内。更进一步地，本发明说明书中为了阐述简单和清晰，附图只是对一般性结构进行说明，省略了部分众所周知的结构以避免不必要的模糊表达，附图的横截面并非严格按照实际比例绘制。
附图标记说明
[本发明]
(1)：纯β放射源
(2)：可拆卸金刚石慢化体
(3)：P型高掺杂金刚石衬底层
(4)：P型低掺杂金刚石缓冲层
(5)：本征金刚石层
(6)：肖特基电极层
(7)：电池外壳
(8)：电池外壳可拆卸部分。
Claims (9)
1.一种金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池，其特征在于，包括：
β放射源；
可拆卸金刚石慢化体；
金刚石肖特基二极管，其内部依次层叠设置为P型高掺杂金刚石衬底层、P型低掺杂金刚石缓冲层、本征金刚石层、肖特基电极层；
具有可拆卸部分的电池外壳。
2.如权利要求1所述的金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池，其特征在于，所述β放射源为厚度小于2μm的氚源(3HXTi)、厚度小于3μm的镍-63源(63Ni)、厚度小于43μm的钷-147源(147Pm2O3)或厚度小于1cm的锶/钇-90源(90Sr/90Y)。
3.如权利要求1所述的金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池，其特征在于，所述可拆卸金刚石慢化体的厚度在氚源(3HXTi)对应的核电池中小于0.2μm、所述可拆卸金刚石慢化体的厚度在镍-63源(63Ni)对应的核电池中小于23μm、所述可拆卸金刚石慢化体的厚度在钷-147源(147Pm2O3)对应的核电池中小于50μm、或所述可拆卸金刚石慢化体的厚度在锶/钇-90源(90Sr/90Y)对应的核电池中小于3.2mm。
4.如权利要求1所述的金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池，其特征在于，所述金刚石肖特基二极管包括采用化学气相沉积技术合成的P型高掺杂金刚石衬底层，所述P型高掺杂金刚石衬底层的厚度小于200nm，所述P型高掺杂金刚石衬底层的掺杂硼原子浓度NA>1×1018cm-3，所述P型高掺杂金刚石衬底层为所述核电池的植入式前置电极。
5.如权利要求1所述的金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池，其特征在于，所述金刚石肖特基二极管包括采用化学气相沉积技术制备P型低掺杂金刚石缓冲层，所述P型低掺杂金刚石缓冲层的掺杂硼原子浓度NA<1×1014cm-3，所述P型低掺杂金刚石缓冲层的厚度小于20nm。
6.如权利要求1所述的金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池，其特征在于，所述金刚石肖特基二极管包括采用化学气相沉积技术制备的本征金刚石层，所述本征金刚石层的厚度与所述β放射源在金刚石中的电离作用范围相匹配。
7.如权利要求6所述的金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池，其特征在于，所述本征金刚石层的厚度在所述氚源(3HXTi)对应的核电池中小于0.2μm、所述本征金刚石层的厚度在镍-63源(63Ni)对应的核电池中小于23μm、所述本征金刚石层的厚度在钷-147源(147Pm2O3)对应的核电池中小于50μm、或所述本征金刚石层的厚度在锶/钇-90源(90Sr/90Y)对应的核电池中小于3.2mm。
8.如权利要求1所述的金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型核电池，其特征在于，所述肖特基电极层为场板结构，所述肖特基电极层的厚度小于30nm；所述肖特基电极层包括采用电子束蒸发镀膜技术在所述本征金刚石层表面沉积功函数小于金刚石禁带宽度的单一金属层，或在功函数小于金刚石禁带宽度的单一金属层上沉积的金属复合层。
9.如权利要求1所述的金刚石肖特基型β辐射伏特效应微型电池，其特征在于，所述电池外壳是正方体结构，所述电池外壳由密度小的高分子聚乙烯塑料构成，所述电池外壳的厚度小于1.5cm。
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