在器件封装前,基底的体积在热电薄膜器件中占相当大的比例。因此,基底的“柔性”决定了器件的“柔性”。根据面内型柔性热电薄膜器件的结构和功能特点,基底的选择应注意以下几点:
①绝缘性。基底作为热电薄膜的载体,必须具有良好的电绝缘性,以保证在薄膜电路中形成良好的载流子(电子和空穴)通路。
②热导率。对面内型热电器件而言,为了使热流在热电偶臂中流动,必须尽量避免热量通过基底向外界扩散,因而基底的热导率要低。而对于面外型热电器件,热量是垂直于器件表面流动的,因而基底的热导率要高,以使传递到冷端的热量能及时被扩散到外界环境中。
③玻璃转化点温度。材料在达到玻璃化点温度后,处于高弹态,会发生很大的变形。在很多薄膜制备工艺中,高温条件下制备薄膜可以提高热电薄膜的性能,因而要保证基底在高温环境下不发生变形,就要求基底有较高的玻璃转化点温度。
④弹性模量。弹性模量表征材料抵抗形变能力的大小,模量越大,材料的刚性就越大,而柔性就越小。弹性模量主要包括杨氏模量和剪切模量2种基本形变类型。
对于薄膜型器件而言,面外型热电器件往往需要上下2个基底,而且由于基底间的热电薄膜厚度仅几微米,很难在上下基底间建立较大的温差;与之相比,面内型热电薄膜器件可以自由设置热电偶臂的长度,并借以调控热电偶臂两端的温差,因而其应用范围更加广阔。国外正在研究的柔性热电薄膜器件大部分属于面内型器件,其基底应符合高绝缘性、低热导率、高玻璃转化点温度和低弹性模量等条件。目前*常用的柔性基底是聚酰亚胺(Polyimide,PI)材料,以Kapton为代表。另外聚对苯二甲酸乙二醇酯(PolyethyleneTerephthalate,PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Naphthalate,PEN)和环氧树脂材料也经常被选作柔性基底使用。
PI是综合性能**的有机高分子材料之一,耐高温达400℃以上。Kapton是DuPont公司生产的均苯型PI的品种之一,也是*早商品化的PI薄膜。其玻璃转化点温度为385℃,热导率为0.17Wm-1 K-1,杨氏模量通常为3GPa,剪切模量为2.7GPa;Kapton具有高绝缘性能,介电常数约为3.5,介电损耗仅为0.003,属F至H 级摩洛哥vs克罗地亚让球
。
PET是一种热塑性聚酯,在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能,长期使用温度可达120℃,热导率为0.25W·m-1·K-1,杨氏模量和剪切模量分别为2.9GPa和2.2GPa,且电绝缘性优良。PET材料虽然成本低、重量小,但它的玻璃转化点温度只有69℃,因此在PET基底上合成热电材料比较困难。
PEN的化学结构与PET相似,不同之处在于分子链中PEN由刚性更大的萘环代替了PET中的苯环。萘环结构使PEN比PET具有更高的物理机械性能、化学稳定性及耐热、耐紫外线、耐辐射等性能。PEN的玻璃化温度在118℃以上,长期使用温度达160 ℃;其热导率在0.15~0.24W·m-1·K-1之间。PEN 还具有优良的力学性能且性能稳定,其剪切模量和杨氏模量分别为2.3GPa和4.4GPa。另外,PEN具有与PET相当的电气性能,其介电常数、体积电阻率、导电率等均与PET接近,但其电导率随温度变化小。