用于使用預(yù)平衡彈道電荷載流子折射的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】公開了用于使用預(yù)平衡彈道電荷載流子折射的系統(tǒng)和方法。用于使用預(yù)平衡彈道電荷載流子折射的方法和系統(tǒng)包括制造一個(gè)或多個(gè)固態(tài)電發(fā)生器。該固態(tài)電發(fā)生器包括化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器和熱離子固態(tài)電發(fā)生器中的一個(gè)或多個(gè)。在固態(tài)結(jié)中使用具有第一電荷載流子有效質(zhì)量的第一材料。在該固態(tài)結(jié)中使用具有大于第一電荷載流子有效質(zhì)量的第二電荷載流子有效質(zhì)量的第二材料。第二有效質(zhì)量與第一有效質(zhì)量之間的電荷載流子有效質(zhì)量比率大于等于2。
【專利說明】用于使用預(yù)平衡彈道電荷載流子折射的系統(tǒng)和方法
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?00780049294.5 (國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2007/088972)，申請(qǐng)日為2007年12月27日，題為“用于使用預(yù)平衡彈道電荷載流子折射的系統(tǒng)和方法”的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明的領(lǐng)域總體上涉及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，更具體地，涉及一種用于使用預(yù)平衡彈道電荷載流子折射的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]近來已經(jīng)以若干新穎的方法和手段展示了使用固態(tài)結(jié)來將彈道電荷載流子運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)換為電。如圖1-A中的橫截面所示，在每種情況下，使用光電激勵(lì)材料或使用與熱梯度相結(jié)合的熱量而通過激勵(lì)劑12A (例如利用或不利用導(dǎo)電催化劑的化學(xué)反應(yīng))在導(dǎo)電表面IOA上或在導(dǎo)電表面IOA附近對(duì)電荷載流子(最常見的是電子)進(jìn)行激勵(lì)。在每種情況下，電荷載流子從導(dǎo)體IOA彈道運(yùn)動(dòng)到半導(dǎo)體或電介質(zhì)IlA中。導(dǎo)體IOA薄得以至于電子以彈道方式有效地行進(jìn)通過導(dǎo)體10A，而不損失能量或與另一電子或原子碰撞。結(jié)果是獲得跨正端子17A和負(fù)端子16A的電壓14A。在圖1-A中，電介質(zhì)結(jié)15A是被特殊地選擇用于創(chuàng)建電勢(shì)電壓勢(shì)壘的半導(dǎo)體結(jié)，其旨在阻礙電子彈道運(yùn)動(dòng)，如圖1-B中的IlB所示。圖1-B示出了裝置中的電勢(shì)，其為沿著裝置的距離的函數(shù)。如圖2-A所示，在導(dǎo)體表面22A處的電子21A具有大于電勢(shì)電壓勢(shì)壘的最高點(diǎn)的能量。這些電子21A穿過電壓勢(shì)壘，并且在它們駐留到半導(dǎo)體導(dǎo)帶25A之前將能量損失為熱量24A，半導(dǎo)體導(dǎo)帶25A分離導(dǎo)體-電介質(zhì)結(jié)兩端的電荷。逆著電勢(shì)電壓勢(shì)壘行進(jìn)的電子將一些彈道電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電勢(shì)能27A。其余的彈道電子動(dòng)能變成熱量24A。所產(chǎn)生的電壓27A是一側(cè)28A上的導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)與另一側(cè)26A上的電介質(zhì)導(dǎo)體電極的費(fèi)米能級(jí)之間的差。當(dāng)電荷分離時(shí)，產(chǎn)生電壓V (伏特)。
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)在薄的導(dǎo)體表面上吸收含能量的化學(xué)物時(shí)，與圖1-A、1_B和2-A所表示的情況相類似地，在傳感器中檢測(cè)到具有大于約0.5eV的電壓勢(shì)壘的能量的電子。然而，能量分布按指數(shù)規(guī)律下降超過?0.leV，從而呈現(xiàn)出對(duì)于能量轉(zhuǎn)換和能量生成而言無益的結(jié)果。此外，在這些傳感器中，量級(jí)為lm_e的金屬導(dǎo)體IOA的有效電子質(zhì)量遠(yuǎn)大于量級(jí)為l/3m_e的半導(dǎo)體IlA (典型地為硅)中的有效電子質(zhì)量。這導(dǎo)致了大部分生成的電子被反射離開半導(dǎo)體/金屬界面15A并因此未被收集到。尚未公開或者詳述電子有效質(zhì)量的作用的關(guān)聯(lián)性或效用。該方案還需要對(duì)二極管進(jìn)行低溫冷卻以減少熱噪聲。該方案的效率低，以至于只能以短路模式測(cè)量電流。該系統(tǒng)只能用作化學(xué)傳感器，并且該系統(tǒng)不是有用的電發(fā)生器。
[0005]在現(xiàn)有系統(tǒng)中，在導(dǎo)電催化劑表面上或在導(dǎo)電催化劑表面附近的締合反應(yīng)對(duì)高度振動(dòng)激勵(lì)的分子進(jìn)行激勵(lì)和起動(dòng)(initialized)。振動(dòng)激勵(lì)的分子的能量被傳送給導(dǎo)體中的電子。電子能量明顯超過1.2伏特的勢(shì)壘11B。當(dāng)使用寬帶隙氧化物半導(dǎo)體TiO2時(shí)，在充分超過水的沸點(diǎn)的溫度(直到473開爾文)處觀測(cè)到有用的短路電流。在室溫和幾乎零溫度梯度的條件下觀測(cè)到有用的開路正向電壓。該正向電壓與使用相同的氧化物半導(dǎo)體在光電激勵(lì)的系統(tǒng)中所觀測(cè)到的正向電壓相類似。
[0006]非常有利的是:使用導(dǎo)致可預(yù)測(cè)的高輸出電壓和高輸出電流的制造方法，能夠選擇除了 Ti02之外的材料，在升高的溫度下操作這種轉(zhuǎn)換器，以及使用熱梯度在這種類型的裝置中生成電流。
[0007]固態(tài)熱離子的場(chǎng)使用熱梯度來激勵(lì)電荷載流子，并使用半導(dǎo)體帶隙工程來提供跨半導(dǎo)體結(jié)的電壓勢(shì)壘。在這種裝置中，電荷載流子必須彈道行進(jìn)穿過電介質(zhì)11A。在材料IOA中無需電荷載流子彈道行進(jìn)。此外，確認(rèn)電荷載流子在所有從材料IOA朝向電介質(zhì)IlA的方向上行進(jìn)。在彈道傳送期間載流子有效質(zhì)量逐步增加的效應(yīng)尚未被用于增強(qiáng)轉(zhuǎn)換效率和降低制造成本。
[0008]所有已知的相關(guān)的轉(zhuǎn)換器的構(gòu)思遭受了與所使用的結(jié)材料的未指定的且因此不受控的相對(duì)電荷載流子有效質(zhì)量直接相關(guān)的低效率。該領(lǐng)域未主張也未聲稱要求調(diào)整或控制載流子有效質(zhì)量以增強(qiáng)能量轉(zhuǎn)換效率的任何方法或知識(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]公開了使用預(yù)平衡彈道電荷載流子折射的方法和系統(tǒng)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種裝置包括一個(gè)或多個(gè)固態(tài)電發(fā)生器。該固態(tài)電發(fā)生器包括:來自包括化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器和熱離子固態(tài)電發(fā)生器的組中的一個(gè)或多個(gè)。在固態(tài)電發(fā)生器的固態(tài)結(jié)中使用具有第一電荷載流子有效質(zhì)量的第一材料。具有大于第一電荷載流子有效質(zhì)量的第二電荷載流子有效質(zhì)量的第二材料形成該固態(tài)結(jié)。第二有效質(zhì)量除以第一有效質(zhì)量的電荷載流子有效質(zhì)量比率大于等于2。
[0010]現(xiàn)在將參照附圖更具體地描述(并在權(quán)利要求中指出)包括元件的實(shí)現(xiàn)和組合的各種新穎的細(xì)節(jié)的上述的和其它的優(yōu)選特征。應(yīng)當(dāng)理解，僅通過示意方式來示出在此描述的特定方法和系統(tǒng)，而不是作為限定。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不背離此處的教導(dǎo)的范圍的情況下，可以在各種的諸多實(shí)施例中使用在此描述的原理和特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]被包括作為本說明書的一部分的附圖示出了目前優(yōu)選的實(shí)施例，并且連同上面給出的一般描述和下面給出的對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述一起用于對(duì)本教導(dǎo)的原理進(jìn)行說明和教導(dǎo)。
[0012]圖1-A示出了現(xiàn)有技術(shù)的固態(tài)電發(fā)生器。
[0013]圖1-B示出了電勢(shì)與距離的關(guān)系的現(xiàn)有技術(shù)圖示，并指示了固態(tài)結(jié)中的電壓勢(shì)壘的效果。
[0014]圖1-C示出了在具有肖特基(Schottky)勢(shì)壘的示例性固態(tài)電發(fā)生器中的電勢(shì)與距尚的關(guān)系圖。
[0015]圖1-D示出了在具有pn結(jié)勢(shì)壘的示例性固態(tài)電發(fā)生器中的電勢(shì)與距離的關(guān)系圖。
[0016]圖1-E示出了在具有導(dǎo)體-電介質(zhì)-導(dǎo)體納米電容器勢(shì)壘的示例性固態(tài)電發(fā)生器中的電勢(shì)與距離的關(guān)系圖。
[0017]圖2-A示出了電勢(shì)與距離的關(guān)系的現(xiàn)有技術(shù)圖示，并指示了能量轉(zhuǎn)換過程中的熱量的效果。
[0018]圖2-B示出了示例性固態(tài)電發(fā)生器中的電勢(shì)與距離的關(guān)系圖，其中電子經(jīng)歷能量到熱量的損耗。
[0019]圖2-C示出了固態(tài)電發(fā)生器中的電勢(shì)與距離的關(guān)系圖，其中熱量對(duì)電子進(jìn)行重新激勵(lì)以跨結(jié)而泄漏回來。
[0020]圖2-D示出了在具有熱沉的示例性固態(tài)電發(fā)生器中的電勢(shì)與距離的關(guān)系圖。
[0021]圖3-A示出了在其中預(yù)平衡彈道電荷載流子從低電荷載流子有效質(zhì)量的區(qū)域移動(dòng)到高電荷載流子有效質(zhì)量的區(qū)域的區(qū)域中的電勢(shì)與距離的關(guān)系示例圖。
[0022]圖3-B示出了折射到跨結(jié)行程的會(huì)聚角中的單個(gè)預(yù)平衡彈道電荷載流子的示例性圖示。
[0023]圖3-C示出了折射到行程的會(huì)聚角中的多個(gè)預(yù)平衡彈道電荷載流子的示例性圖
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[0024]圖3-D示出了朝向結(jié)折射回的多個(gè)電荷載流子的示例性圖示。
[0025]圖4-A、圖4-B示出了使用利用預(yù)平衡彈道折射和熱量排出的二極管預(yù)平衡能量轉(zhuǎn)換器的不例性固態(tài)電發(fā)生器。
[0026]圖5-A、圖5-B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性固態(tài)串聯(lián)化學(xué)激勵(lì)的預(yù)平衡電發(fā)生器。
[0027]圖6示出了使用利用彈道折射的預(yù)平衡能量轉(zhuǎn)換器的示例性的電堆疊和熱堆疊的熱梯度轉(zhuǎn)換器。
[0028]圖7示出了附接有預(yù)平衡彈道折射轉(zhuǎn)換器的柱狀結(jié)構(gòu)的示例性橫截面圖。
[0029]圖8示出了包括多種形式(例如彈道折射轉(zhuǎn)換器裝置所附于的皺褶、通道、洞和孔)的概括的柱狀結(jié)構(gòu)的示例性橫截面圖。
[0030]圖9示出了顯示預(yù)平衡彈道折射轉(zhuǎn)換器裝置所附于的從最冷(結(jié)構(gòu)內(nèi)部)到最熱(結(jié)構(gòu)外部)的反應(yīng)物和冷凍劑的流的示例性橫截面圖。
[0031]圖1O-A示出了顯示在支撐襯底上隨彈道折射轉(zhuǎn)換器裝置一起形成的惰性間隔區(qū)的示例性橫截面圖。
[0032]圖1O-B示出了支撐襯底上的間隔區(qū)和彈道折射轉(zhuǎn)換器裝置的示例性橫截面細(xì)節(jié)。
[0033]圖11示出了顯示包含彈道折射轉(zhuǎn)換器裝置的襯底的堆疊并顯示堆疊的元素之間的空間中的反應(yīng)物、冷卻和排氣流的示例性橫截面圖。
[0034]圖12示出了顯示跨支撐結(jié)構(gòu)的表面而串聯(lián)地電連接的預(yù)平衡彈道折射轉(zhuǎn)換器裝置的示例性橫截面圖。
[0035]圖13示出了顯示襯底的示例性橫截面圖，其中反應(yīng)物和冷卻劑流動(dòng)經(jīng)過支撐結(jié)構(gòu)，并在該結(jié)構(gòu)上的彈道折射轉(zhuǎn)換器裝置周圍流動(dòng)。
[0036]圖14示出了通過在能量轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行隧穿和物理分離而主導(dǎo)性地電連接的簇的示例性橫截面圖。
[0037]圖15-A、圖15-B示出了示例性的將對(duì)于管理導(dǎo)熱性問題有用的材料添加到低電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域。
[0038]圖16-A示出了在第一材料中具有最小勢(shì)壘或無勢(shì)壘且具有增加的電荷載流子有效質(zhì)量的示例性裝置。
[0039]圖16-B示出了在第一材料中具有最小勢(shì)壘或無勢(shì)壘且中間材料具有最低電荷載流子有效質(zhì)量的示例性裝置。
[0040]圖16-C示出了在第一材料中具有勢(shì)壘且具有增加的電荷載流子有效質(zhì)量的示例性裝置。
[0041]圖16-D示出了在兩個(gè)方向上均具有逆著電荷傳送的電勢(shì)勢(shì)壘且在中間材料中具有最小的電荷載流子有效質(zhì)量的示例性裝置。
[0042]圖17示出了納米隔熱的且接近于支撐結(jié)構(gòu)上的彈道折射轉(zhuǎn)換器裝置的活性表面的柱體上的催化加速劑的示例性橫截面。
[0043]圖18示出了包含滾動(dòng)的彈道折射轉(zhuǎn)換器和間隔區(qū)的示例性表面，該示例性表面允許反應(yīng)物和冷卻劑通過該滾動(dòng)而流動(dòng)。
【具體實(shí)施方式】
[0044]公開了用于使用預(yù)平衡彈道電荷載流子折射的方法、裝置和系統(tǒng)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種方法包括:制造一個(gè)或多個(gè)固態(tài)電發(fā)生器。該固態(tài)電發(fā)生器包括:選自包括化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器和熱離子固態(tài)電發(fā)生器的組的一個(gè)或多個(gè)。固態(tài)電發(fā)生器對(duì)第一材料中的電荷載流子的預(yù)平衡能量分布進(jìn)行激勵(lì)，其中第一材料具有第一電荷載流子有效質(zhì)量并與第二材料形成固態(tài)結(jié)。第二材料具有大于第一電荷載流子有效質(zhì)量的第二電荷載流子有效質(zhì)量。第二有效質(zhì)量除以第一有效質(zhì)量的電荷載流子有效質(zhì)量比率大于等于2。
[0045]在下面的描述中，為了說明的目的，闡述特定術(shù)語以提供對(duì)在此公開的各種發(fā)明構(gòu)思的透徹理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言顯然的是，為了實(shí)踐在此公開的各種發(fā)明構(gòu)思，并不需要這些具體細(xì)節(jié)。本方法、裝置和系統(tǒng)改進(jìn)了在固態(tài)裝置中用于生成電流的結(jié)的能量轉(zhuǎn)換效率。能量源在結(jié)的一側(cè)創(chuàng)建電荷載流子(例如電子)的不平衡的預(yù)平衡能量分布。當(dāng)凈超出的電荷載流子在從結(jié)的一側(cè)穿過到另一側(cè)時(shí)彈道行進(jìn)并超越電勢(shì)壘時(shí)，一些與運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的電荷載流子動(dòng)能被直接轉(zhuǎn)換為電勢(shì)能。發(fā)生電荷分離，并且該區(qū)域形成電容器。在無隧穿的情況下，只有接近于相對(duì)于勢(shì)壘的法線的速度分量對(duì)超越勢(shì)壘有貢獻(xiàn)。
[0046]結(jié)果是將某種預(yù)平衡能量分布轉(zhuǎn)換為充電電容器的有用形式。當(dāng)通過提供跨結(jié)的載流子有效質(zhì)量突然增加的材料而使電荷載流子的方向被折射成基本上垂直于電勢(shì)地行進(jìn)時(shí)，改進(jìn)了實(shí)施例的關(guān)鍵點(diǎn)，即，該過程的效率。如果從高電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域到低電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域地向后彈道行進(jìn)的載流子從大于相對(duì)較小的臨界角的任何角度接近于結(jié)，則它們可能經(jīng)歷整個(gè)內(nèi)反射。后向流傾向于耗盡分離的電荷。
[0047]在具有低電荷載流子有效質(zhì)量的材料中產(chǎn)生與高電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域的溫度相比較高的有效電荷載流子溫度的激勵(lì)方法定義了非等溫電荷載流子分布，并且包括電荷載流子的瞬時(shí)預(yù)平衡分布。激勵(lì)方法包括:使用化學(xué)反應(yīng)，使用光電方法，使用擴(kuò)散電磁福射和/或衰減電磁福射(propagating and/ or evanescent electromagneticradiation)，使用電庫(kù)倫耦合，使用熱流和關(guān)聯(lián)的熱梯度，使用太陽(yáng)能激勵(lì)劑，使用熱源(例如地?zé)帷⒛Σ亮秃藷嵩?，使用核激勵(lì)，使用現(xiàn)場(chǎng)電離輻射，使用放射性廢料輻射，使用火焰加熱器和催化劑加熱器，使用壓電激勵(lì)，以及使用能量化學(xué)反應(yīng)來起動(dòng)高度振動(dòng)激勵(lì)的反應(yīng)產(chǎn)物。[0048]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，本系統(tǒng)通過添加電荷載流子有效質(zhì)量要素來改進(jìn)能量轉(zhuǎn)換效率。該要素包括從較低電荷載流子有效質(zhì)量的區(qū)域到較高電荷載流子有效質(zhì)量的區(qū)域中的彈道電荷傳送中固有的納米彈道載流子折射效應(yīng)。
[0049]電荷載流子有效質(zhì)量的比率(m_e_高/m_e_低)確定了彈道電荷載流子朝向勢(shì)壘折射的程度。該彈道折射使得朝向且直接逆著勢(shì)壘的電荷載流子速度分量最大化，并使得橫穿勢(shì)壘的其它電荷載流子速度分量最小化。使其它分量最小化使得能量損耗最小。當(dāng)較低電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域細(xì)得足以成為對(duì)于電荷載流子運(yùn)動(dòng)而言是透明的時(shí)，確保了彈道傳送。較低電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域形成了電容器的納米層電極。低電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域和高電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域的結(jié)形成電容器，該電容器存儲(chǔ)電勢(shì)能作為分離的電荷。具有較高載流子有效質(zhì)量的材料是電容器的電介質(zhì)。
[0050]根據(jù)另一實(shí)施例，使得穿過結(jié)的熱量傳送最小化。彈道折射和結(jié)電勢(shì)壘反射攜帶熱量的電荷載流子而使其離開結(jié)。在低電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域中，具有小于勢(shì)壘電勢(shì)的能量的載流子從它們來自的地方被反射回到較熱區(qū)域。在高電荷載流子有效質(zhì)量側(cè)中，以大于相對(duì)較小的臨界角(相對(duì)于表面法線)接近結(jié)的載流子被反射，并且無法向后行進(jìn)到低電荷載流子有效質(zhì)量側(cè)。
[0051]附加的實(shí)施例使納米熱梯度轉(zhuǎn)換器熱并聯(lián)和/或熱串聯(lián)，并使它們電并聯(lián)和/或電串聯(lián)。所連接的轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步并聯(lián)和/或串聯(lián)。熱連接可以與電連接在物理上不同。能量和熱源包括具有獨(dú)特的空間不均勻溫度曲線、時(shí)間零散以及非恒定能量突發(fā)的能量和熱源，并且各個(gè)區(qū)域可以呈現(xiàn)出不均勻的熱流量。
[0052]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，使用輔助能量轉(zhuǎn)換過程，以通過操作介于較高溫度(例如來自主能量轉(zhuǎn)換過程的排出熱量)與周圍環(huán)境的較冷溫度熱沉之間的固態(tài)熱離子/熱電式熱機(jī)來提取電功。通過使用預(yù)平衡彈道電荷載流子(例如電子)折射(PEBCCR)來增強(qiáng)效率。利用PEBCCR的熱機(jī)裝置組件是納米熱梯度轉(zhuǎn)換器(NTGC)。以熱方式和電方式串聯(lián)的堆疊納米熱梯度轉(zhuǎn)換器提供了用于實(shí)現(xiàn)熱機(jī)的有效方式。
[0053]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，系統(tǒng)具有依次堆疊的連續(xù)的轉(zhuǎn)換器單元，每個(gè)轉(zhuǎn)換器單元具有(a)導(dǎo)體電極、(b)低電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域(也稱為納米層電極或納米電極)、(C)高電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域(也稱為電介質(zhì))、以及(d)導(dǎo)體電極。該納米電極電容器系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例從導(dǎo)體(例如具有相對(duì)長(zhǎng)的載流子平均自由路徑的金屬，如Cu，Ag, Au, Al)形成元件(b),使用氧化的Ti金屬形成材料(c)以創(chuàng)建η型TiO2,并從未氧化的Ti形成材料(a)和(d)。另一實(shí)施例包括在導(dǎo)體電極(a)與納米層電極(b)之間的重?fù)诫s的n-Si層。另一實(shí)施例使用重?fù)诫s的半導(dǎo)體(例如n-Si或SiGe合金)來形成元件(b)。通過近似于0.lev的帶偏移來形成該結(jié)的電勢(shì)壘。這有利于以最大功率密度操作。另一實(shí)施例包括在高電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域(c)與導(dǎo)體電極(d)之間的重?fù)诫s的n-Si層。
[0054]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，較低電荷載流子有效質(zhì)量的區(qū)域的厚度被形成為薄得以至于載流子主要以彈道方式有效行進(jìn)。在納米維度上以具有相對(duì)于導(dǎo)電性的較低的導(dǎo)熱性的一個(gè)或多個(gè)材料來形成較低電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域。具有有利的、增強(qiáng)的或高ZT熱電優(yōu)值系數(shù)(ZT值大于約0.05)的材料通常被認(rèn)為是至少有利的。包括最低電荷載流子有效質(zhì)量材料與其它材料的區(qū)域通常被稱為低電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域。
[0055]在跨結(jié)而施加電勢(shì)時(shí)，可以將該方法和系統(tǒng)用作制冷器或冷卻器。PEBCCR的添加既提高了冷卻效率又提高了冷卻速率。也可以使用該方法和系統(tǒng)來改變反應(yīng)速率。
[0056]一個(gè)實(shí)施例使用三維構(gòu)造和方法來用于調(diào)整熱量傳遞、冷卻和功率密度，以及用于增加每體積(測(cè)定體積的)活性面積，以增強(qiáng)通過彈道載流子折射而變?yōu)榭赡艿男阅堋?br> [0057]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，使用預(yù)平衡彈道電荷載流子折射增強(qiáng)了固態(tài)電發(fā)生器中的能量轉(zhuǎn)換效率。該實(shí)施例包括:從較低電荷載流子有效質(zhì)量的區(qū)域到較高電荷載流子有效質(zhì)量的區(qū)域的彈道電荷載流子傳送。超過約2的高電荷載流子有效質(zhì)量相對(duì)于低電荷載流子有效質(zhì)量的比率通常將提供期望的性能增強(qiáng)。超過約2的絕對(duì)高有效載流子質(zhì)量通常將提供可接受的性能增強(qiáng)。選取結(jié)區(qū)域材料以使得形成可超越的電勢(shì)，以用于電荷載流子從低電荷載流子有效質(zhì)量側(cè)行進(jìn)到高電荷載流子有效質(zhì)量側(cè)。穿過結(jié)的電荷載流子的任何預(yù)平衡有效溫度梯度使得能夠進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。
[0058]若干利用PEBCCR的結(jié)構(gòu)包括:通過化學(xué)反應(yīng)、表面化學(xué)反應(yīng)、與高度振動(dòng)激勵(lì)的分子的相互作用的產(chǎn)物、熱梯度、所有形式的電磁耦合(例如擴(kuò)散輻射(propagat ingradiation)和/或衰減福射(evanescent radiation))、通過核福射進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)激勵(lì)或其它方法來激勵(lì)的裝置。
[0059]預(yù)平衡彈道電荷載流子折射過程(PEBCCRP)
[0060]如總體上在圖3-A至圖3-D中示出的那樣，本教導(dǎo)的一個(gè)實(shí)施例使用逐步增加材料結(jié)處的電荷載流子(電子或空穴)有效質(zhì)量以及在傾向于阻礙電荷載流子行進(jìn)到結(jié)的結(jié)處的電勢(shì)壘的組合。電荷載流子有效質(zhì)量的逐步增加使得彈道行進(jìn)的方向朝向表面結(jié)的法線折射。因此減小了橫穿法線的速度分量。在固態(tài)下，這些效應(yīng)出現(xiàn)在納米狀況下，其中傳送是彈道的，并且尺寸小于電荷載流子平均自由路徑，典型地是?l_50nm，優(yōu)選地是>?lnm。大于Inm的厚度尺寸可以是可接受的。大于4nm的厚度是期望的。該過程被稱為預(yù)平衡彈道電荷載流子折射過程(PEBCCRP)。將熱梯度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的基于PEBCCRP的裝置或裝置組件被稱為納米熱梯度轉(zhuǎn)換器(NTGC)。
[0061]例如，如圖3-B中那樣，從低電子有效質(zhì)量的區(qū)域穿過到高電子有效質(zhì)量的區(qū)域的電子朝向較高電子有效質(zhì)量的區(qū)域的法線而改變方向。當(dāng)從低折射率的區(qū)域(空氣)行進(jìn)到高折射率的區(qū)域(水或玻璃)時(shí)，這相當(dāng)于光的Snell定律效應(yīng)，并且控制方程是相同的。
[0062]一個(gè)實(shí)施例提供了彈道載流子折射。電子在材料中通常在所有方向上運(yùn)動(dòng)。如圖3-C所示，低電子有效質(zhì)量材料中的從任何接近方向以彈道方式接近于界面的電子全部發(fā)現(xiàn)自身近乎完全前向地以受限的角度范圍行進(jìn)到較高電子有效質(zhì)量的區(qū)域中。如圖3-D所示，高電子有效質(zhì)量材料中的向后彈道運(yùn)動(dòng)到較低電子有效質(zhì)量的區(qū)域中的電子被反射，并且不能運(yùn)動(dòng)回去，除非它們以受限于臨界角之內(nèi)的角度接近。
[0063]回歸預(yù)平衡彈道電荷載流子折射(PEBCCR)
[0064]一個(gè)實(shí)施例提供了 一種用于回歸地連接PEBCCRP和/或納米熱梯度轉(zhuǎn)換器(NTGC)單元的方法，其中回歸系統(tǒng)的一端是最熱的，而回歸系統(tǒng)的另一端是最冷的且附連到熱沉。連接PEBCCRP和/或納米熱梯度轉(zhuǎn)換器(NTGC)單元允許將回歸系統(tǒng)中的先前PECCRP單元的較高溫度下的熱流轉(zhuǎn)換為電勢(shì)。
[0065]用于化學(xué)激勵(lì)的預(yù)平衡電發(fā)生器的電荷載流子有效質(zhì)量不連續(xù)性
[0066]為了增強(qiáng)化學(xué)激勵(lì)的預(yù)平衡電發(fā)生器的能量轉(zhuǎn)換效率，在選取用于較低電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域與具有電介質(zhì)和電勢(shì)壘的較高電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域的結(jié)的材料時(shí)，本教導(dǎo)的一個(gè)實(shí)施例使用載流子有效質(zhì)量不連續(xù)性原理。選取導(dǎo)體材料，使得與電荷載流子有效質(zhì)量與材料選項(xiàng)許可同樣高的電介質(zhì)材料相比，該導(dǎo)體材料的電荷載流子有效質(zhì)量盡可能低。
[0067]熱整流器或熱量整流器
[0068]一個(gè)實(shí)施例提供某種形式的隔熱方式以及熱整流的類似物。大多數(shù)導(dǎo)體中的幾乎所有導(dǎo)熱性與(電荷載流子)電子流相關(guān)聯(lián)，而不與光子或晶格振動(dòng)相關(guān)聯(lián)。彈道電荷載流子折射允許從低電荷載流子有效質(zhì)量側(cè)材料接近的電荷載流子將電能(并由此將熱量)直接傳送到高電荷載流子有效質(zhì)量側(cè)材料。高電荷載流子有效質(zhì)量側(cè)中的全內(nèi)反射大大減少了電能后向流動(dòng)，并因此也使得熱能后向流動(dòng)最小化。與熱力學(xué)第二定律相一致地，這類似于雙筒棱鏡的全內(nèi)反射和用于隔熱的特定反射涂覆。
[0069]熱沉和能量損失
[0070]一個(gè)實(shí)施例將一部分彈道電荷載流子運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電勢(shì)能。當(dāng)電荷在超越電勢(shì)壘之后被分離時(shí)，出現(xiàn)從彈道電荷載流子運(yùn)動(dòng)到電勢(shì)的能量轉(zhuǎn)換。可以通過任何多種方式(例如圖1-C中的肖特基勢(shì)壘、圖1-D中的p-n結(jié)以及圖1-E中的導(dǎo)體-電介質(zhì)-導(dǎo)體納米電容器)之一來形成勢(shì)魚。
[0071]前向偏置的二極管提供了用于實(shí)現(xiàn)該能量轉(zhuǎn)換納米層電極電容器的最簡(jiǎn)單的方法之一。圖1-C描述前向偏置肖特基二極管，其正端子(導(dǎo)體)是納米層電極，并且其結(jié)電容形成電容器。圖1-D描述前向偏置的P-n結(jié)二極管。納米層電極形成電容器的一側(cè)，P型半導(dǎo)體形成電容器的電介質(zhì)，η型半導(dǎo)體形成電容器的另一側(cè)。圖1-E描述導(dǎo)體-電介質(zhì)-導(dǎo)體電容器，其中納米層電極形成電容器的一側(cè)，絕緣體形成電容器的電介質(zhì)。該裝置通?？梢匀幻枋鰹槟芰哭D(zhuǎn)換的納米層電極電容器。
[0072]在所有這些能量轉(zhuǎn)換器納米層電極電容器中，使在前向偏置方向上穿過電容器的導(dǎo)電性最小化提高了能量轉(zhuǎn)換的效率。相對(duì)照地，良好的二極管使得前向偏置方向上的導(dǎo)電性最大化。
[0073]二極管的一個(gè)導(dǎo)電特性由被稱為“理想因子”(“η”)的特性來表征。理想因子1.0描述理論上優(yōu)化的二極管，并且大于I的值是較不理想的。接近于單位I的最小η對(duì)于二極管是最佳的。1.5以及更大的理想因子通常減少了前向?qū)щ娦裕⑶彝ǔ?duì)于二極管而言并不被認(rèn)為是“良好的”。良好的電容器需要二極管的精確相對(duì)，并且需要這種在前向偏置方向上的導(dǎo)電性的最小化。
[0074]用于使得用作能量轉(zhuǎn)換器的納米層電極電容器的前向偏置二極管的導(dǎo)電性最小化的一種方式是:將二極管理想特性調(diào)大以使前向電流最小化。通過以大于單位I的理想因子η來有利于二極管而實(shí)現(xiàn)使前向電流最小化。計(jì)算顯示具有與1.2同樣低的理想性的二極管可以使反應(yīng)溫度增加50攝氏度，這可以導(dǎo)致反應(yīng)速率增加量級(jí)。具有> 2的理想性的二極管可以使得反應(yīng)溫度增加多于150攝氏度。
[0075]將二極管調(diào)整為具有相對(duì)高的生成-重組(R-G)電流傾向于產(chǎn)生接近于η=2的理想因子。以由于材料相互擴(kuò)散和懸掛鍵而導(dǎo)致的大狀態(tài)密度來形成二極管是用于增加理想性的一種方式。以高缺陷密度來形成二極管產(chǎn)生具有η>2的二極管。具有顯著的Poole-Frenkel隧穿傳送以及有助于分接的隧穿傳送的二極管二者都增大η。良好的二極管并不是良好的電容器，反之亦然。我們強(qiáng)調(diào)，目的是對(duì)于能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)最高的“填充因子”。
[0076]肖特基二極管的熱離子模型使用“有效Richardson常數(shù)”作為用于二極管前向電流的乘法因子。使有效Richardson常數(shù)最小化也是一種用于使得二極管前向?qū)щ娦宰钚』姆绞?。本發(fā)明的方法包括:用于使得理想性最大化并選取已知具有相對(duì)較小的有效Richardson常數(shù)(例如小于約10amp/cm2-Kelvin2)的半導(dǎo)體的方法。例如，TiO2具有小于
0.05amp/Cm2-Kelvin2Kelvin2的Richardson常數(shù)。使用二極管結(jié)中的彈道折射可以是用于減少有效Richardson常數(shù)的有效的方法。
[0077]為了調(diào)整固態(tài)結(jié)，在優(yōu)化結(jié)的電荷分離特性時(shí)，帶隙工程、變質(zhì)摻雜、摻雜梯度以及化合物梯度是有效的?？梢哉{(diào)整勢(shì)壘，以通過對(duì)結(jié)進(jìn)行窄化和成形來增強(qiáng)通過結(jié)的隧穿和諧振隧穿。成形包括:使用量子阱超格狀結(jié)構(gòu)來形成周期或幾乎周期的電勢(shì)壘?？梢哉{(diào)整勢(shì)壘，以通過有意調(diào)整傾斜的結(jié)電勢(shì)來增強(qiáng)在電荷分離方向上的載流子擴(kuò)散。
[0078]實(shí)施例以各種方式(例如3D構(gòu)造)來除去廢熱。實(shí)施例堆疊并連接平面裝置，以使功率密度最大化。
[0079]預(yù)平衡彈道折射能量轉(zhuǎn)換器
[0080]參照?qǐng)D4，一個(gè)實(shí)施例使用作為第一能量源的化學(xué)激勵(lì)的預(yù)平衡熱載流子，并使用與熱沉相耦合的預(yù)平衡彈道電荷載流子折射過程來轉(zhuǎn)換能量。另一實(shí)施例添加一個(gè)或多個(gè)堆疊的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器，以將來自化學(xué)激勵(lì)轉(zhuǎn)換步驟的排出熱量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)。
[0081]參照?qǐng)D4，由包含催化劑的表面401所部分限定的區(qū)域中的化學(xué)反應(yīng)物可以在表面附近進(jìn)行反應(yīng)，在表面401上、表面401附近或表面401中接觸、吸收、分裂、重組或者形成反應(yīng)中間物。反應(yīng)典型地形成高度振動(dòng)激勵(lì)的中間物和產(chǎn)物。近來已經(jīng)顯示，高度振動(dòng)激勵(lì)的產(chǎn)物將它們的振動(dòng)能量的主要部分直接傳送到所遭遇的第一導(dǎo)體中的電子。
[0082]一個(gè)實(shí)施例在導(dǎo)體上或?qū)w附近對(duì)高度振動(dòng)激勵(lì)的產(chǎn)物直接進(jìn)行起動(dòng)，以對(duì)圖4和圖5505-508構(gòu)思性地示出的預(yù)平衡彈道折射能量轉(zhuǎn)換器進(jìn)行激勵(lì)。在一個(gè)實(shí)施例中，催化劑導(dǎo)體505是裝置的一部分，并且在催化劑導(dǎo)體上或催化劑導(dǎo)體附近直接促進(jìn)締合反應(yīng)。結(jié)果，在導(dǎo)體505上或?qū)w505附近對(duì)高度振動(dòng)的分子直接進(jìn)行起動(dòng)。近似地，以在各種導(dǎo)體-電介質(zhì)結(jié)中足以超越0.5-1.2ev勢(shì)壘的能量來對(duì)每締合反應(yīng)的約一個(gè)電子進(jìn)行激勵(lì)。在振動(dòng)的收縮階段期間在導(dǎo)體中彈道傳送的電子的能量分布在較高的能量附近達(dá)到峰值。吸收反應(yīng)與分子締合反應(yīng)相似，并且產(chǎn)生相似的能量傳遞，但具有指數(shù)下降的分布。與前體中介吸附締合的電荷傳遞與帶電荷的中間物(例如過氧吸附物和超過氧吸附物)締合，帶電荷的中間物在表面上具有短駐留時(shí)間，并且在某些情況下還對(duì)含能量的電子進(jìn)行激勵(lì)并且發(fā)射含能量的電子。高度振動(dòng)激勵(lì)的氣體形態(tài)傳遞振動(dòng)動(dòng)能，以對(duì)表面導(dǎo)體505中的電子進(jìn)行激勵(lì)。
[0083]與導(dǎo)體相比，該裝置中的電介質(zhì)和電勢(shì)壘材料403被選取為具有大電荷載流子有效質(zhì)量(例如半導(dǎo)體Ti02)。TiO2是已知具有大于2的電荷載流子有效質(zhì)量的至少若干半導(dǎo)體之一。已經(jīng)在各種條件下測(cè)得TiO2的電荷載流子有效質(zhì)量處于范圍5-200m_e中，可能的值是?25m_e。因此，納米導(dǎo)體402中激勵(lì)的幾乎所有載流子被折射，從而具有幾乎垂直于由導(dǎo)體導(dǎo)體402和最高電荷載流子有效質(zhì)量材料(例如TiO2介質(zhì)半導(dǎo)體403)所形成的肖特基勢(shì)壘的方向。在負(fù)電極406與正電極407之間觀測(cè)到電勢(shì)。導(dǎo)體和電極材料二者都包括從至少包括以下材料的組中選取的材料:導(dǎo)體(例如金屬)、導(dǎo)電氧化物、以及變質(zhì)摻雜和重?fù)诫s的半導(dǎo)體(例如重?fù)诫s硅)、以及半導(dǎo)體、具有高ZT優(yōu)值指數(shù)的材料。通過反應(yīng)以及肖特基結(jié)能量轉(zhuǎn)換器所生成的熱量被排入更冷溫度熱沉405。
[0084]因?yàn)樵撗b置中的反應(yīng)物400當(dāng)被提供給系統(tǒng)時(shí)通常不熱，所以該較低溫度熱沉可以包括反應(yīng)物400自身。
[0085]一個(gè)實(shí)施例包括:使用具有比單位I較高的載流子有效質(zhì)量的除了 TiO2之外的介質(zhì)或半導(dǎo)體403，包括但不限于例如金紅石TiO2、銳鈦礦TiO2、多孔銳鈦礦Ti02、SrTiO3>BaTi03、Sr_x-Ba_y-TiO_z以及LaSrVO3,以及某些有機(jī)半導(dǎo)體(例如PTCDA或3，4，9，10-茈四羧酸二酐)。按慣例，下標(biāo)x、y和z表示濃度。SrTiO3的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，其上的肖特基勢(shì)魚可以被拔去(unpinned),這與TiO2相比提供了相對(duì)較大的勢(shì)魚。
[0086]一個(gè)實(shí)施例包括:將直接熱沉405提供給介質(zhì)403。這種熱沉可以包括但不限于熱管、具有流體流的毛細(xì)系統(tǒng)，蒸發(fā)冷卻包括但不限于:使用反應(yīng)物自身、導(dǎo)熱材料和對(duì)流方法以及納米熱梯度轉(zhuǎn)換器。
[0087]納米熱梯度轉(zhuǎn)換器(NTGC)
[0088]一個(gè)實(shí)施例是基于預(yù)平衡彈道電荷載流子折射過程的裝置:納米熱梯度轉(zhuǎn)換器。在一個(gè)實(shí)施例中，在圖5中示出，元件501-503是表面納米熱梯度轉(zhuǎn)換器(SNTGC)，而圖7的元件703是體積測(cè)定的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器(VNTGC)。在材料之間提供阻礙電勢(shì)的結(jié)可以至少包括導(dǎo)體-介質(zhì)結(jié)、介質(zhì)-介質(zhì)結(jié)、或介質(zhì)-導(dǎo)體-介質(zhì)結(jié)。在此，絕緣體和半金屬被認(rèn)為是介質(zhì)和金屬的子集。圖5的元件501-503示出了納米熱梯度轉(zhuǎn)換器中的導(dǎo)體-半導(dǎo)體結(jié)的示例示意性布局。
[0089]術(shù)語“半導(dǎo)體結(jié)”包括半導(dǎo)體結(jié)、包含以金屬和/或半導(dǎo)體形成的量子阱的結(jié)、具有大帶隙和低摻雜的絕緣體、以及無定形材料、半金屬、絕緣體、無定形材料、多晶材料。術(shù)語“金屬”包括重?fù)诫s的半導(dǎo)體、金屬、半金屬、重?fù)诫s的半導(dǎo)體、電導(dǎo)體。在與預(yù)平衡電荷載流子彈道折射能量轉(zhuǎn)換過程有關(guān)的所有情況下，傳導(dǎo)原理在于，結(jié)既呈現(xiàn)出對(duì)于接近彈道電荷載流子的阻礙和可超越和/或隧穿電勢(shì)，又增大了載流子有效質(zhì)量。
[0090]參照?qǐng)D5，一個(gè)實(shí)施例將納米熱梯度轉(zhuǎn)換器501-503添加到化學(xué)激勵(lì)預(yù)平衡電發(fā)生器505-508。由較熱的化學(xué)激勵(lì)預(yù)平衡電發(fā)生器505-508 (主能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng))所排出的熱量500在納米熱梯度轉(zhuǎn)換器501-503 (輔助能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng))的輸入側(cè)501對(duì)電子進(jìn)行激勵(lì)。在通常包括其它主能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的配置中，納米熱梯度轉(zhuǎn)換器是熱串聯(lián)并且電串聯(lián)的。該被稱為“串聯(lián)-并聯(lián)”的互連不排除用于確?？煽啃缘拇⒙?lián)配置。例如，化學(xué)激勵(lì)發(fā)生器的負(fù)電極508熱耦合并且電耦合到納米熱梯度轉(zhuǎn)換器的低電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域501的正電極。熱梯度轉(zhuǎn)換器的負(fù)電極503和高載流子有效質(zhì)量材料502熱耦合到較冷熱沉510。從正電極506和負(fù)電極503取得電流，并且因?yàn)檠b置對(duì)于該示例是串聯(lián)的，所以也從正電極501和負(fù)電極503取得電流。注意，可以從任何成對(duì)的正電極和負(fù)電極捕集輸出電壓。注意，這種多輸出是非常有利的。
[0091]該配置允許化學(xué)激勵(lì)發(fā)生器在與無納米熱梯度轉(zhuǎn)換器的情況相比較高的催化劑溫度下進(jìn)行操作，允許增加反應(yīng)速率，并且因此允許較高的功率密度。升高的溫度還允許使用較寬范圍的反應(yīng)物，并且在某些反應(yīng)物的點(diǎn)火溫度下工作。
[0092]回歸納米熱梯度轉(zhuǎn)換器
[0093]參照?qǐng)D6，一個(gè)實(shí)施例回歸地重復(fù)納米熱梯度轉(zhuǎn)換器，每一納米熱梯度轉(zhuǎn)換器既電串聯(lián)又熱串聯(lián)到下一納米熱梯度轉(zhuǎn)換器。第一級(jí)601可以是通過任何很多已知方法來激勵(lì)的電發(fā)生器。
[0094]回歸重復(fù)的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602于是從第一級(jí)601的較高溫度排出熱量以及較低溫度周圍熱沉生成電流。估計(jì)表明，回歸重復(fù)的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器在其熱源溫度與熱沉溫度之間可以實(shí)現(xiàn)?80%Carnot極限效率。
[0095]再次注意，可以從任何成對(duì)的正電極和負(fù)電極分接輸出電壓。
[0096]彈道折射能量轉(zhuǎn)換器
[0097]—個(gè)一般的實(shí)施例是表面彈道折射能量轉(zhuǎn)換器。另一實(shí)施例是體積式(volumetric)彈道折射能量轉(zhuǎn)換器。還可以使用其它形式和組合。
[0098]術(shù)語“體積式”指的是其中在三維結(jié)構(gòu)上或者使用三維結(jié)構(gòu)來形成活性表面以及反應(yīng)物和冷卻劑流動(dòng)通道的配置。
[0099]表面彈道折射能量轉(zhuǎn)換器(SBREC)
[0100]一個(gè)實(shí)施例使用主能量轉(zhuǎn)換器，其附連到與熱沉附連的一系列輔助納米熱梯度轉(zhuǎn)換器。圖6示出了這種典型的表面彈道折射能量轉(zhuǎn)換器。多個(gè)輔助納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602相串聯(lián)。串聯(lián)602的一端附連到熱沉603?；陬A(yù)平衡彈道電荷載流子折射過程，串聯(lián)602的另一端連接到主能量轉(zhuǎn)換器601。可以通過化學(xué)反應(yīng)、熱梯度、光電壓或其它手段來對(duì)主能量轉(zhuǎn)換器進(jìn)行激勵(lì)。組件602的數(shù)量可以從O到期望的數(shù)量，包括O和期望的數(shù)量二者。組件602的主要功能是，將來自先前連接的能量轉(zhuǎn)換組件的一部分排出熱量能量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)。
[0101]一個(gè)實(shí)施例包括主轉(zhuǎn)換器601，其中逐步增加結(jié)材料之間的電荷載流子質(zhì)量，其中通過導(dǎo)電表面上或?qū)щ姳砻娓浇幕瘜W(xué)反應(yīng)對(duì)電子進(jìn)行激勵(lì)，具有O到期望數(shù)量的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602，納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602電串聯(lián)且熱串聯(lián)并附連到熱沉。
[0102]一個(gè)實(shí)施例包括主轉(zhuǎn)換器601，其中不逐步增加結(jié)材料之間的電荷載流子質(zhì)量，其中通過導(dǎo)電表面上或?qū)щ姳砻娓浇幕瘜W(xué)反應(yīng)對(duì)電子進(jìn)行激勵(lì)，其具有I個(gè)到期望數(shù)量的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602，納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602電串聯(lián)且熱串聯(lián)并附連到熱沉。
[0103]一個(gè)實(shí)施例包括主轉(zhuǎn)換器601，其使用光電壓能量源，逐步增加或者不逐步增加結(jié)材料之間的電荷載流子質(zhì)量，并具有一個(gè)到期望數(shù)量的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602，納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602電串聯(lián)且熱串聯(lián)并附連到熱沉。
[0104]一個(gè)實(shí)施例包括主轉(zhuǎn)換器601、熱離子能量轉(zhuǎn)換器，其中在第一材料而不是第二材料中出現(xiàn)電荷載流子彈道傳送，其具有零個(gè)到期望數(shù)量的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602，納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602電串聯(lián)且熱串聯(lián)并附連到熱沉。
[0105]一個(gè)實(shí)施例包括主轉(zhuǎn)換器601、即，具有O個(gè)到期望數(shù)量的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602的熱離子能量轉(zhuǎn)換器，其中第二材料有效電荷載流子質(zhì)量大于第一材料電荷載流子質(zhì)量，納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602電串聯(lián)且熱串聯(lián)并附連到熱沉。
[0106]一個(gè)實(shí)施例包括主轉(zhuǎn)換器601、熱離子能量轉(zhuǎn)換器，其中第二材料有效電荷載流子質(zhì)量大于第一材料電荷載流子質(zhì)量，并且其中在第一材料而不是第二材料中出現(xiàn)電荷載流子彈道傳送，具有O個(gè)到期望數(shù)量的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602，納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602電串聯(lián)且熱串聯(lián)并附連到熱沉。
[0107]—個(gè)實(shí)施例包括主轉(zhuǎn)換器601,附連到一系列納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602,該一系列納米熱梯度轉(zhuǎn)換器602中的一個(gè)或多個(gè)可以包括電介質(zhì)-導(dǎo)體-電介質(zhì)結(jié)，該電介質(zhì)-導(dǎo)體-電介質(zhì)結(jié)用于通常被稱為低載流子有效質(zhì)量區(qū)域的區(qū)域，并且電串聯(lián)且熱串聯(lián)并附連到熱沉。納米熱梯度轉(zhuǎn)換器的數(shù)量可以從O到期望的數(shù)量，包括O和期望的數(shù)量二者。
[0108]體積式彈道折射能量轉(zhuǎn)換器(VBREC)
[0109]一個(gè)實(shí)施例包括柱形形式上的體積式彈道折射能量轉(zhuǎn)換器。柱的期望特征是每長(zhǎng)度上的面積大，這導(dǎo)致由于柱的每體積上的面積相對(duì)大而獲得高體積功率密度。這種大面積柱狀物的截面可以包括深褶皺、孔和坑，所有這些形狀都是不規(guī)則的。柱狀物的截面主要受限于在其上所形成的轉(zhuǎn)換器所施加的約束，但沒有一般的約束。例如，所述截面可以是來自至少包括以下形狀的組的任何組合:類似導(dǎo)線的形式、圓形形式、類似條形形式、正方形形式、矩形形式、無規(guī)則的形式、起皺的形式、類似海綿的形式、斜截錐形形式、以及類似翅膀或其它空氣動(dòng)力學(xué)形式的截面。
[0110]參照?qǐng)D7，柱狀物自身7可以是任何材料，例如以均對(duì)于它們的長(zhǎng)度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性或任何其它期望的特性而選取的一個(gè)或多個(gè)材料所形成的繩、纖維、帶。
[0111]柱狀物將首先至少部分地被涂覆導(dǎo)體702，以形成裝置的后電極。然后在柱狀物上并在最終的主能量轉(zhuǎn)換器704下形成所需數(shù)量的輔助納米熱梯度轉(zhuǎn)換器703，逐步增加或者不逐步增加結(jié)材料之間的電荷載流子質(zhì)量?？梢酝ㄟ^熱梯度或其它手段以化學(xué)方式、光電壓方式來對(duì)主能量轉(zhuǎn)換器704進(jìn)行激勵(lì)。外部區(qū)域705是源激勵(lì)區(qū)域。單元703的數(shù)量范圍從零到所需數(shù)量，包括零和所需數(shù)量二者。正電極連接706與最終轉(zhuǎn)換器704電接觸。絕緣體707將正電極連接706與負(fù)電極連接708相分離，負(fù)電極連接708與導(dǎo)體702電接觸?？梢酝ㄟ^反應(yīng)物以及柱狀物區(qū)域705周圍的氣體或者通過可以物理連接到熱沉的襯底709來提供熱沉。
[0112]一個(gè)實(shí)施例包括主轉(zhuǎn)換器704，其中在導(dǎo)電表面上或?qū)щ姳砻娓浇ㄟ^化學(xué)反應(yīng)來對(duì)電子進(jìn)行激勵(lì)，其具有O個(gè)到期望數(shù)量的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器，納米熱梯度轉(zhuǎn)換器電串聯(lián)且熱串聯(lián)并附連到熱沉。
[0113]一個(gè)實(shí)施例包括主轉(zhuǎn)換器704，即，具有O個(gè)到期望數(shù)量的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器的光電壓能量轉(zhuǎn)換器，納米熱梯度轉(zhuǎn)換器電串聯(lián)且熱串聯(lián)并附連到熱沉。
[0114]一個(gè)實(shí)施例包括主轉(zhuǎn)換器704，即，具有O個(gè)至期望數(shù)量的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器的熱離子能量轉(zhuǎn)換器，納米熱梯度轉(zhuǎn)換器電串聯(lián)且熱串聯(lián)并附連到熱沉。
[0115]一個(gè)實(shí)施例包括長(zhǎng)平均自由路徑半導(dǎo)體以及長(zhǎng)平均自由路徑金屬作為形成最小電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域的材料?？梢允褂脦秾?duì)準(zhǔn)來形成勢(shì)壘。
[0116]一個(gè)實(shí)施例包括主轉(zhuǎn)換器704，即，使用電介質(zhì)-導(dǎo)體-電介質(zhì)結(jié)的固態(tài)熱梯度能量轉(zhuǎn)換器，該電介質(zhì)-導(dǎo)體-電介質(zhì)結(jié)附連到一系列相似的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器，該一系列相似的納米熱梯度轉(zhuǎn)換器電串聯(lián)且熱串聯(lián)并附連到熱沉。納米熱梯度轉(zhuǎn)換器的數(shù)量可以從O到期望的數(shù)量，包括O和期望的數(shù)量二者。
[0117]通常，彈道折射能量轉(zhuǎn)換器可以附連到各種物體，包括用于產(chǎn)生反應(yīng)物流、空氣流以及制冷的裝置(例如風(fēng)扇葉片)?？梢圆捎梅衔矬w的輪廓的片狀的形式。例如，轉(zhuǎn)換器可以被“涂覆”到空氣流系統(tǒng)上?；蛘?，轉(zhuǎn)換器可以被單獨(dú)制造并被“粘貼”到系統(tǒng)?；蛘咚鼈兛梢员患傻较到y(tǒng)。
[0118]在風(fēng)扇葉片上直接放置彈道折射能量轉(zhuǎn)換器使得風(fēng)扇提供冷卻、熱量傳遞以及熱量移除的效率最大。
[0119]如圖8所示，具有截面輪廓802的附著于柱狀物的彈道折射能量轉(zhuǎn)換器801可以是與用于制造彈道折射能量轉(zhuǎn)換器的需求一致的任何形狀。大的能量收集面積是期望的，并且可以通過很多方式來實(shí)現(xiàn)，包括將輪廓形成為包括長(zhǎng)、薄形式802、楔形803、通道804、不規(guī)則多邊形805、深窄通道或小孔806、完全進(jìn)入柱狀物的小孔807、對(duì)稱形式808和803、幾乎對(duì)稱的形式809、以及平滑對(duì)稱的形式810。
[0120]小孔可以采用以下形式:進(jìn)入堆疊804的深孔，或完全進(jìn)入堆疊807的孔。
[0121]線(wire)幾何形狀
[0122]一個(gè)實(shí)施例形成類似長(zhǎng)薄裝置(例如線802)的轉(zhuǎn)換器幾何形狀。轉(zhuǎn)換器導(dǎo)線可以是預(yù)成型的并被刺入表面，或者以規(guī)則或不規(guī)則的圖案另外附連到表面。
[0123]流幾何形狀
[0124]一個(gè)實(shí)施例提供用于彈道折射能量轉(zhuǎn)換器的熱沉。可以通過很多方式來實(shí)現(xiàn)用于制冷的熱沉，包括對(duì)流、相位改變或蒸發(fā)冷卻以及熱管?？梢允褂梅磻?yīng)物或反應(yīng)物成分。例如，圖9示出了使用與支撐轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的且與轉(zhuǎn)換器裝置的內(nèi)部相關(guān)聯(lián)的通道、導(dǎo)管或管道的實(shí)施例，通過它們，冷卻劑可以流動(dòng)，反應(yīng)物可以流動(dòng)，添加物可以流動(dòng)，或者這些材料的任何組合可以流動(dòng)。每種情況有其優(yōu)點(diǎn)。材料901通過小孔或孔903從冷卻器側(cè)902流動(dòng)到熱區(qū)域904。冷側(cè)902和熱側(cè)904 二者都可以包括反應(yīng)物和添加物，并且熱側(cè)既與排氣流關(guān)聯(lián)又與空氣流關(guān)聯(lián)。
[0125]反應(yīng)物901在冷側(cè)902上的蒸發(fā)以及較冷材料901的流動(dòng)導(dǎo)致冷卻。反應(yīng)物901可以集中在堆疊熱表面905附近，并且可以豐富地得到燃料。
[0126]使用在與更暖的反應(yīng)表面905接觸時(shí)變?yōu)闅怏w的液體反應(yīng)物或蒸發(fā)冷卻劑給化學(xué)激勵(lì)的熱電子過程提供了期望的氣體形態(tài)。
[0127]一個(gè)實(shí)施例在空氣動(dòng)力學(xué)表面上直接形成轉(zhuǎn)換器。這既允許直接生成電流，又允許使用通過液-氣轉(zhuǎn)換生成的氣體作為質(zhì)量流以推動(dòng)渦輪或有用的工作的其它機(jī)械提取并生成軸能量。
[0128]一個(gè)實(shí)施例使用液態(tài)空氣和其它液態(tài)氣體901，以用于它們的電發(fā)生器中的低溫度熱沉。液體空氣以及相似的惰性液態(tài)氣體可以將熱沉提供給區(qū)域902，排氣區(qū)域904中的周圍空氣可以提供熱源，并且裝置可以由此使用溫度差來直接生成電流。同時(shí)，液相/氣相過渡也可以操作機(jī)械能量轉(zhuǎn)換器(例如渦輪)。
[0129]一個(gè)實(shí)施例使用自然對(duì)流來提供空氣流。應(yīng)注意,冷卻空氣體積可以典型地是大于反應(yīng)空氣體積的量級(jí)。
[0130]基于圖9的一個(gè)實(shí)施例也可以表示一般的管幾何形狀(例如平坦管)。一般化的管被涂覆在具有彈道折射能量轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或多個(gè)面上?！肮堋痹诖酥傅氖蔷哂腥魏尾糠种锌盏膸缀涡螤睢⒕哂腥魏蜗鄬?duì)的壁厚度(包括不均勻的壁)的事物。例如，可以使管平坦以使其看起來像其間具有封閉空間的兩個(gè)片狀以允許氣體或液體流且具有在邊緣處封閉的體積。注意，圖9的構(gòu)思可以用在表面裝置以及體積式裝置(SBREC和VBREC)中。堆疊幾何形狀
[0131]參照?qǐng)D10，元件可堆疊單元被放置在包括導(dǎo)電層、導(dǎo)熱層以及結(jié)構(gòu)支撐層中的一個(gè)或多個(gè)的結(jié)構(gòu)上。
[0132]實(shí)施例連接多于一個(gè)的彈道折射能量轉(zhuǎn)換器(表面(SB RE C )、或體積測(cè)定(VBREC))裝置，并將它們堆疊在一起，以創(chuàng)建電發(fā)生器的體積，而非僅由單個(gè)轉(zhuǎn)換器裝置的表面所提供的面積。堆疊可以電串聯(lián)或電并聯(lián)。
[0133]圖10的截面中所示的元件可堆疊單元的一個(gè)實(shí)施例包括以下關(guān)鍵元件:彈道折射能量轉(zhuǎn)換器裝置1001 (其可以僅包括主能量轉(zhuǎn)換器或包括主能量轉(zhuǎn)換器和輔助能量轉(zhuǎn)換器)，其向上與正激勵(lì)側(cè)1004電連接且向下與負(fù)激勵(lì)側(cè)電連接。彈道折射能量轉(zhuǎn)換器受支撐，并與正電極連接1002、負(fù)電極連接1003相連接。結(jié)構(gòu)1003，其可以包括導(dǎo)電元件、導(dǎo)熱元件和強(qiáng)度結(jié)構(gòu)元件中的一個(gè)或多個(gè)。堆疊涉及將一個(gè)元件可堆疊單元放置在其它元件可堆疊單元上，在轉(zhuǎn)換器1001的活性表面上留下空間，以用于激勵(lì)和熱源?？梢栽谌魏慰晒ぷ鞯呐渲没虿贾弥型瓿伤鼋Y(jié)構(gòu)。
[0134]圖10所示的實(shí)施例將正電極1002連接到正電極1002之上的轉(zhuǎn)換器的負(fù)電極1003。在圖11中示出其截面。注意，圖11的每個(gè)元件結(jié)構(gòu)可以在水平方向上和/或垂直方向上被遞歸地堆疊，以形成三維元件堆疊結(jié)構(gòu)的矩陣。
[0135]為了清楚起見，圖ΙΟ-b提供了實(shí)施例中與電連接和熱連接以及已經(jīng)有意留下的界面有關(guān)的細(xì)節(jié)。
[0136]參照?qǐng)DΙΟ-b，例如，因?yàn)榛钚员砻娴湫偷厥侨菀资軗p的納米厚的結(jié)構(gòu)，所以可以如所示的那樣將正電極1002直接放置在轉(zhuǎn)換器1001的活性表面上。在實(shí)踐中，本領(lǐng)域技術(shù)人員將使用多種已知方法之一來將電極連接到轉(zhuǎn)換器。一個(gè)實(shí)施例將正電極1002放置于直接在結(jié)構(gòu)1003上形成的絕緣體1005上，然后形成電橋1006，以將正電極1002電連接到彈道折射轉(zhuǎn)換器裝置的正端和活性表面1004。結(jié)構(gòu)元件1003在實(shí)踐中將包括連接到轉(zhuǎn)換器的負(fù)側(cè)的電導(dǎo)體，并且還將包括對(duì)轉(zhuǎn)換器的熱連接。簡(jiǎn)單的實(shí)施例形成既導(dǎo)電又導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu)1003，例如5微米厚的鋁箔或銅箔。
[0137]一個(gè)實(shí)施例將圖10所示的元件可堆疊單元依次堆疊，形成電發(fā)生器能量轉(zhuǎn)換器的體積。反應(yīng)物和冷卻劑1100流入堆疊之間的空間1101，并且通過該空間排出流。
[0138]一個(gè)實(shí)施例通過在相同平面中將正電極連接到相鄰轉(zhuǎn)換器的負(fù)電極來沿著堆疊的平面串聯(lián)轉(zhuǎn)換器。可以通過若干方式來實(shí)現(xiàn)這種操作，圖12示出了其中一種方式。電連接1202是到第一轉(zhuǎn)換器1201的正側(cè)和活性表面的，并被連接到由絕緣體1204隔離的互連導(dǎo)體1203。互連1203電接觸第二轉(zhuǎn)換器的負(fù)側(cè)1205。在圖中在轉(zhuǎn)換器后構(gòu)思性地示出絕緣間隔物。
[0139]如圖13所示，一個(gè)實(shí)施例通過元件可堆疊單元的主體來提供冷卻劑和反應(yīng)物1300。例如，彈道折射能量轉(zhuǎn)換器1301和間隔物1302形成在結(jié)構(gòu)和襯底1303上，在結(jié)構(gòu)和襯底1303的內(nèi)部1304流動(dòng)反應(yīng)物和/或冷卻劑1300。參照?qǐng)D18，該實(shí)施例的裝置可以卷起，并且由間隔物1302形成的滾動(dòng)之間的空間1305允許反應(yīng)物流入空間1305，并且排氣可以從空間1305流出。為了清楚起見，圖13示出了間隔物和電互連。詳細(xì)連接也可以是類似圖12和圖ΙΟ-b中所說明的連接。
[0140]在這些實(shí)施例中的每一個(gè)中，轉(zhuǎn)換器可以采用很多形式，包括以上所描述的柱狀物形式，并且可以附著在幾乎任意形狀的許多表面上。
[0141]隧穿簇催化劑
[0142]一個(gè)實(shí)施例使用物理斷連的電隧穿連接的納米催化劑簇，以增強(qiáng)彈道折射能量轉(zhuǎn)換器的活性表面上的激勵(lì)的有效溫度梯度。圖14示意性地示出了在具有活性表面1402的轉(zhuǎn)換器1401上的、具有尺寸D以及典型的間隔S的導(dǎo)體簇催化劑結(jié)構(gòu)1400。尺寸D被形成為小于簇1400中的熱載流子的平均自由路徑，其被選取以允許載流子通過時(shí)間小于簇1400的最高晶格振動(dòng)周期，并由此將載流子溫度與晶格溫度解耦合。在例如Cu、Ag、Au、Pd和Pd的材料中，該尺寸典型地在量級(jí)4到50nm的范圍中。簇間隔D被選取為足夠小，以允許簇1400之間的電荷載流子電子隧穿。該尺寸典型地在l_20nm的范圍中。通過電導(dǎo)體觸點(diǎn)1403和1404來形成對(duì)于簇的電連接。在理想情況下，在低導(dǎo)電性和低導(dǎo)熱性的材料上形成斷連的簇。然后該簇布置可以與轉(zhuǎn)換器1401形成肖特基勢(shì)壘，從而允許該簇成為彈道折射能量轉(zhuǎn)換器的集成部分。
[0143]一個(gè)實(shí)施例使用與陶瓷襯底(例如轉(zhuǎn)換器材料)相接觸的催化劑簇的增強(qiáng)的催化劑活性。一個(gè)實(shí)施例使用增強(qiáng)的簇電子溫度來提高反應(yīng)速率，并由此增大功率輸出。一個(gè)實(shí)施例應(yīng)用已經(jīng)示出為將簇加熱到遠(yuǎn)超過襯底溫度(?300K)的溫度(?2000K-5000K)的穿過電極1403-1404的電勢(shì)，因此可以大大增大反應(yīng)功率，而不增大轉(zhuǎn)換器二極管溫度。
[0144]耦合和轉(zhuǎn)換層
[0145]一個(gè)實(shí)施例使用量子阱超晶格，以用于最低電荷載流子有效質(zhì)量材料。為了使轉(zhuǎn)換效率最大化，調(diào)整超晶格，使其濾除具有稍大于從低載流子有效質(zhì)量區(qū)域到高載流子有效質(zhì)量區(qū)域的勢(shì)壘高度的能量的載流子。
[0146]一個(gè)實(shí)施例在活性表面上形成緊密地隔開的匯流排(bussbar)，以使跨表面的歐姆損耗最小化?；瘜W(xué)惰性匯流排被形成為相隔lOOnm，并且在匯流排之間具有活性材料(例如隧穿簇催化劑)。
[0147]一個(gè)實(shí)施例使用很薄的半導(dǎo)體以用于勢(shì)壘呈現(xiàn)材料。最小厚度典型地具有5nm的量級(jí)。優(yōu)選的半導(dǎo)體厚度在20到IOOnm之間的范圍內(nèi)，盡管預(yù)期到其它厚度。
[0148]導(dǎo)熱性管理
[0149]參照?qǐng)D15，一個(gè)實(shí)施例將較低電荷載流子有效質(zhì)量區(qū)域1500-1501調(diào)整為包括用于控制且限制熱量傳遞并增強(qiáng)電荷載流子動(dòng)能的傳遞的元件。這些元件包括低導(dǎo)熱性材料、長(zhǎng)載流子平均自由路徑材料、熱二極管元件、量子限制元件和分級(jí)的載流子有效質(zhì)量元件中的一個(gè)或多個(gè)。原理是:隨著電荷載流子朝向勢(shì)壘區(qū)域彈道行進(jìn)，對(duì)于電荷載流子呈現(xiàn)增加載流子有效質(zhì)量的多個(gè)區(qū)域。圖15示出了兩個(gè)這種區(qū)域1500、1501。
[0150]參照?qǐng)D15，一個(gè)實(shí)施例使用具有如實(shí)踐那樣低的電荷載流子有效質(zhì)量的半導(dǎo)體
(S)1500 (例如具有電荷載流子有效質(zhì)量?0.3m_e的硅)，其與具有較高電荷載流子有效質(zhì)量且已知具有在?IeV的不平常的長(zhǎng)電子平均自由路徑的導(dǎo)體(C) 1501相接觸。這種導(dǎo)體1501包括例如Au (?20-100nm)、Ag (?20nm)和Cu (報(bào)告為如60nm高)以及Al (?20nm)。于是在半導(dǎo)體1500與導(dǎo)體1501之間存在彈道電荷載流子折射效應(yīng)。然后半導(dǎo)體1500可以經(jīng)由窄范圍的方向?qū)⑵漭^熱的電荷載流子注入導(dǎo)體C1501。導(dǎo)體C1501被選取為具有小于約2倍的電荷載流子平均自由路徑的厚度。行進(jìn)通過導(dǎo)體C1501的幾乎所有電荷載流子已被定向?yàn)槌虬雽?dǎo)體S勢(shì)壘1502，例如具有高于1501電荷載流子有效質(zhì)量的電荷載流子有效質(zhì)量?25m_e的TiO2。
[0151]具有小于1.1的電子有效質(zhì)量的材料以及具有相對(duì)長(zhǎng)電子平均自由路徑的材料可被用于半導(dǎo)體1500或用于最低電荷載流子有效質(zhì)量材料1500，包括但不限于:空氣、鋁、導(dǎo)電碳納米管、導(dǎo)體、銅、變質(zhì)摻雜的材料、氣體材料、金、金屬、鑰、鎳、鉬、銠、釕、銀、鉭、真空。具有大于約0.05的ZT優(yōu)值系數(shù)且通常被優(yōu)選用于熱電應(yīng)用的材料也可以用作最低電荷載流子有效質(zhì)量材料1500，包括但不限于:銻化鋁(AlSb)、砷化鋁(AlAs)、氮化鋁鎵(AlxGal-xN)、硒化鉍(Bi2Se3)、碲化鉍(Bi2Te3)、氮化硼(BN)、鎵鋁砷(GaxAlIxAs)、鋪化鎵招砷(GaxAllxAsl y)、鋪化鎵(GaSb)、鎵砷磷(GaAsyPly)、砷化鎵、鋪化鎵銦(GaxInl-xSb)、鎵銦磷(GaxlnlxP)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、鍺(Ge)、砷化銦鋁(InxAl IxAs)、鋪化銦(InSb )、砷化銦(InAs)、銦砷磷(InAsyPl-y)、砷化銦鎵招(InxGyAllxyAs)、銦嫁石申(InxGal-xAs)、鋪化銦嫁砷(InxGalxAsySBly)、銦嫁砷憐(InxGalxAsyPly)、氮化銦鎵(InxGal-xN)、銦磷、碲化鉛、碲化鉛錫(Pbx SnlxTe)、硒化汞鎘(HgxCdlxSe)、碲化萊鎘(HgxCdl-xTe)、娃鍺、娃、硒化鋅(ZnSe)、締化鋅(ZnTe),其中下標(biāo)X, y、zl_x和l_y表示每個(gè)三重或四重材料中的原子種類的相對(duì)量，并且范圍從零到1，包括O和I。
[0152]勢(shì)壘呈現(xiàn)層1502可以由包括但不限于已知具有大于2的載流子有效質(zhì)量的半導(dǎo)體的材料制成，包括但不限于:金紅石Ti02、銳鈦礦Ti02、多孔銳鈦礦Ti02、SrTi03、BaTi03、Sr_x-Ba_y-Ti0_z、LiNi0、LaSrV03、有機(jī)半導(dǎo)體 PTCDA (3，4，9，10-茈四羧酸二酐)。當(dāng)具有至少有利的ZT優(yōu)值指數(shù)且通常被優(yōu)選用于熱電應(yīng)用的以下材料和半導(dǎo)體的電荷載流子有效質(zhì)量大于為它們的結(jié)而選取的材料的電荷載流子有效質(zhì)量的兩倍時(shí)，也可以使用它們，包括但不限于:銻化鋁、鋁鎵砷、氧化鋁、硒化鉍、碲化鉍、氮化硼、銻化鎵鋁砷、銦鋁砷磷、氮化銦鎵鋁、銻化銦鎵砷、銦鎵砷磷、碲化鉛銪、碲化鉛、以及空氣、碲化鉛錫、硒化汞鎘、締化萊鎘、娃鍺、二氧化娃、硒化鋅、締化鋅。
[0153]導(dǎo)體變?yōu)楦裨趶椀纻魉偷臅r(shí)標(biāo)上逆著熱量能量傳送的絕緣體，并且在目前熱電和熱離子能量轉(zhuǎn)換器中對(duì)于電荷載流子能量傳送變?yōu)榉浅Ａ己玫囊粋€(gè)方向性導(dǎo)體。在納米尺寸內(nèi)，導(dǎo)體可以保持穿過它的有用的溫度梯度。納米夾層1500-1501-1502的熱隔離提高了電發(fā)生器過程的效率。
[0154]在較低電荷載流子有效質(zhì)量材料1500 (具有與0.02m_e同樣低的值)與最高電荷載流子有效質(zhì)量材料1502 (具有與200m_e同樣高的值，例如TiO2)之間添加低電荷載流子有效質(zhì)量材料導(dǎo)體1501擴(kuò)展了固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器中可以使用的材料的范圍。
[0155]一個(gè)實(shí)施例包括物理隔離并通過電子隧穿而電連接的催化劑塊505。塊505替換至少一些(并且在某些配置中是整個(gè)的)電勢(shì)壘(電介質(zhì))材料507的表面上的導(dǎo)體506。
[0156]另一實(shí)施例在導(dǎo)電催化劑簇、薄片、納米導(dǎo)線、納米點(diǎn)、納米管、量子點(diǎn)、層和構(gòu)造505上使用這種納米約束，以增強(qiáng)化學(xué)激勵(lì)的預(yù)平衡能量轉(zhuǎn)換器中的反應(yīng)速率。
[0157]調(diào)整電荷載流子熱耦合
[0158]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，與熱量或較熱電子源以及較冷區(qū)域接觸的材料之間的能量傳送主要受控于彈道電荷載流子傳送。參照?qǐng)D16-A至圖16-D，我們示出了使用三個(gè)材料或區(qū)域的裝置的橫截面。作為一般的控制原理，第一區(qū)域1601和第二區(qū)域1602被設(shè)計(jì)用于:阻擋熱量，并在最小能量損耗的情況下發(fā)送激勵(lì)的彈道載流子。理想條件是僅通過彈道電子(電荷載流子)而不通過熱量而將能量從區(qū)域1601、1602傳送到區(qū)域1603。作為一般的控制原理，第三區(qū)域1603被設(shè)計(jì)用于:逆著電勢(shì)壘并在電勢(shì)壘上僅使更多的含能量的彈道電荷載流子通過，并使彈道載流子的方向折射，從而使彈道載流子直接傳送到電勢(shì)。當(dāng)?shù)谌齾^(qū)域1603具有至少兩倍的導(dǎo)體區(qū)域1602的載流子有效質(zhì)量時(shí)，增強(qiáng)了折射，并且當(dāng)其至少是2倍高時(shí)是絕對(duì)如此。第一區(qū)域1601和第二區(qū)域1602通常由有利的ZT熱電優(yōu)值指數(shù)來表征。第二區(qū)域1602通常由用于發(fā)送大量彈道電子的增強(qiáng)的趨勢(shì)來表征，這通常被稱為具有相對(duì)長(zhǎng)的平均自由路徑。
[0159]第一材料1601可以具有高于、等于或低于第二材料1602的電荷載流子有效質(zhì)量。此外，第一材料1601可以對(duì)于從第二材料1602反向行進(jìn)回到第一材料1601的載流子呈現(xiàn)電勢(shì)壘，也可以不對(duì)其呈現(xiàn)電勢(shì)壘。這兩個(gè)選項(xiàng)產(chǎn)生了四種情況，每個(gè)情況具有相對(duì)的優(yōu)點(diǎn)。選擇取決于材料可用性、可制造性、成本、穩(wěn)定性和其它因素。
[0160]一個(gè)實(shí)施例包括第一種情況圖16-A，在第一材料中最少的勢(shì)壘或沒有勢(shì)壘且從左到右1601、1602、1603增加電荷載流子有效質(zhì)量的情況下，提供含能量的電子能量進(jìn)入具有最高電荷載流子有效質(zhì)量1603的勢(shì)壘材料的最快和最短的路徑傳遞。因?yàn)樗袔缀跞魏纹胀ò雽?dǎo)體都是商業(yè)上有價(jià)值的，精確地說，部分因?yàn)樗鼈兊碾姾奢d流子有效質(zhì)量全是低的(小于lm_e)，所以它們可以用作第一材料。這說明可以十分有效地使用所有已知的有利的ZT材料?？梢酝ㄟ^帶隙工程或變質(zhì)摻雜來實(shí)現(xiàn)最小勢(shì)壘。
[0161]一個(gè)實(shí)施例包括第二種情況圖16-B，在第一材料1601中最小勢(shì)壘或沒有勢(shì)壘且由于中間材料1602具有最低電荷載流子有效質(zhì)量的情況下，與允許電荷載流子從材料1601和1603進(jìn)入材料相比，它允許中間材料中的電荷載流子更容易地從材料出射。例如，具有太低能量從而無法超越材料1603中的勢(shì)壘的電子不僅被反射回到中間材料1602，而且還被快速傳送到更暖的材料1601，以用于重新加熱和重新處理。中間內(nèi)部區(qū)域1602是帶電的，因此在彈道傳送的情況下對(duì)于外部區(qū)域1601、1603是熱隔離的。這傾向于使得從電子傳遞給晶格的能量最小化，這反過來使得導(dǎo)熱性損耗最小化。背對(duì)背彈道折射傾向于隔離兩個(gè)熱槽區(qū)域1601和1603。
[0162]一個(gè)實(shí)施例包括第三種情況圖16-C，在第一材料1601中有勢(shì)壘且增大電荷載流子有效質(zhì)量的情況下，僅提供第一材料1601的最熱電荷載流子的最快傳送。
[0163]一個(gè)實(shí)施例包括第四種情況圖16-D，呈現(xiàn)逆著傳送回到較熱材料1601和較冷材料1603的電荷載流子的電勢(shì)壘，并且在中間材料1602中具有最小電荷載流子有效質(zhì)量。該配置在兩個(gè)熱槽之間幾乎可逆地傳送載流子，這是關(guān)鍵特性，并且因?yàn)閺椀纻魉?，有偏好地比晶格聲子或其它能量傳遞更快地傳送電荷載流子能量。注意，彈道傳送僅在中間區(qū)域1602中是必須的，而在周圍區(qū)域1601、1603中不是必須的。電荷載流子可以為負(fù)或正，并且勢(shì)壘被設(shè)計(jì)為阻礙傳送。區(qū)域的示例材料可以是例如用于外部區(qū)域的TiO2和用于中間區(qū)域的硅，其中帶隙對(duì)準(zhǔn)提供勢(shì)壘。中間區(qū)域1602材料可以選自至少包括具有長(zhǎng)平均自由路徑的金屬(例如Cu、Au、Ag、Al)和具有高ZT的材料的組。
[0164]一個(gè)實(shí)施例在導(dǎo)體的兩側(cè)使用相同的勢(shì)壘區(qū)域材料。
[0165]將熱激勵(lì)彈道折射能量轉(zhuǎn)換器用作制冷器的一個(gè)實(shí)施例利用一個(gè)或多個(gè)堆疊的轉(zhuǎn)換器，并且施加跨端子的正電勢(shì)而不是從用作發(fā)生器的同一裝置獲得的負(fù)電勢(shì)。熱沉于是可以比熱源更熱，并且因?yàn)閺睦鋮s后的區(qū)域有效地移除了熱電子而出現(xiàn)冷卻。相對(duì)于其中載流子主要不被定向到低電荷載流子有效質(zhì)量材料和高電荷載流子有效質(zhì)量材料的界面處的電勢(shì)中的裝置，彈道折射的使用增強(qiáng)了這種冷卻方法和裝置的效率。
[0166]實(shí)施例在集成電路上直接形成一個(gè)或多個(gè)制冷彈道折射能量轉(zhuǎn)換器，以冷卻該集成電路。類似的實(shí)施例在化學(xué)反應(yīng)表面上直接形成制冷彈道折射能量轉(zhuǎn)換器，例如用于控制反應(yīng)路徑和控制反應(yīng)。[0167]燃料、氧化劑、自動(dòng)催化劑、激發(fā)物
[0168]實(shí)施例使用包括氧化劑、自動(dòng)催化反應(yīng)加速劑、減速劑以及單元推進(jìn)劑的可存儲(chǔ)反應(yīng)物。因?yàn)橐合嗟钠療崃勘挥米骼鋮s劑，并且液態(tài)是便于存儲(chǔ)的，所以液相(例如在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度下的液態(tài)過氧化氫H2O2)是方便的。單元推進(jìn)劑(例如H2O2)和甲基肼(MMH)類似地是方便的，并且對(duì)轉(zhuǎn)換器的活性表面進(jìn)行激勵(lì)。自動(dòng)催化加速劑包括單元推進(jìn)劑(例如 H2O2) ο
[0169]一個(gè)實(shí)施例在彈道折射轉(zhuǎn)換器裝置的活性表面的附近使用熱隔離的催化劑，以增強(qiáng)反應(yīng)速率，并且將熱方面的熱實(shí)體會(huì)聚到轉(zhuǎn)換器的熱方面的熱區(qū)域。
[0170]圖17示出了其中高活性催化劑1701被放置在接近于轉(zhuǎn)換器的活性表面1703的熱隔離柱狀物結(jié)構(gòu)1702上的實(shí)施例。在催化劑附近創(chuàng)建的氣相反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行激勵(lì)。該產(chǎn)物可以包括至少高度振動(dòng)激勵(lì)的分子、活性分子以及熱氣體中的一個(gè)或多個(gè)。
[0171]實(shí)施例使用所選取的含能量反應(yīng)物來使得高含能量種類的激勵(lì)最大化，高含能量種類包括高度振動(dòng)激勵(lì)的分子(HVEM)、熱原子、帶電荷的吸附中間物(例如在前體中介游離吸附期間形成的過氧和超氧種類)，吸附參與締合反應(yīng)的Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal類型，以及反應(yīng)中間物(例如自由基、自由的自由基以及被看作催化的或自動(dòng)催化的的種類)。
[0172]實(shí)施例提供用于直接出現(xiàn)在導(dǎo)體上或?qū)w附近的激勵(lì)的手段。術(shù)語“附近”在此指的是小于特定含能量激勵(lì)的少數(shù)平均自由路徑的距離。實(shí)施例使用這些激勵(lì)來對(duì)彈道折射能量轉(zhuǎn)換器的低電荷載流子有效質(zhì)量材料進(jìn)行激勵(lì)。
[0173]使用這種反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)在金屬、導(dǎo)體、催化劑、激發(fā)物和陶瓷中以及其上產(chǎn)生包括反應(yīng)有效溫度和超過10，000開爾文的有效載流子溫度的預(yù)平衡激勵(lì)，其中載流子包括激發(fā)子、半導(dǎo)體和絕緣體的導(dǎo)帶和/或帶隙中的載流子。
[0174]一個(gè)實(shí)施例使用反應(yīng)和反應(yīng)物來對(duì)這些激發(fā)進(jìn)行激勵(lì)。這些反應(yīng)、反應(yīng)物和添加物至少包括單元推進(jìn)劑、具有氧化劑的高能量燃料、自燃混合物、以及添加物和已知產(chǎn)生自動(dòng)催化種類的反應(yīng)物的組合、被選取為加速反應(yīng)或控制反應(yīng)的反應(yīng)物、以及它們的組合。反應(yīng)物和/或添加物包括但不限于以下反應(yīng)物:
[0175]表I
[0176]比氨的可存儲(chǔ)性更好的高能燃料
[0177]胺取代的氨
[0178]二甲胺(CH3)2NH
[0179]三甲胺(CH3)3N
[0180]單乙胺(C2H5)NH2
[0181]二乙胺(C2H5)2NH)
[0182]其它更易存儲(chǔ)的類別
[0183]甲醇CH3OH
[0184]乙醇EtOH CH3CH20H
[0185]甲酸HCOOH
[0186]柴油
[0187]汽油[0188]酒精
[0189]包括固體燃料在內(nèi)的漿料
[0190]次氧化碳，C3O2,CO=C=CO
[0191]甲醛HCHO
[0192]多聚甲醛，=更好的表達(dá)為(HCHO)n，可升華為甲醛氣體。
[0193](同時(shí)可能為細(xì)胞冷卻劑)
[0194]較不易存儲(chǔ)的燃料
[0195]一氧化碳
[0196]氫
[0197]氨NH3
[0198]含氮的高能燃料
[0199]硝基甲烷CH3NO2
[0200]以甲醇“稀釋”的硝基甲燒，=模型飛機(jī)“電熱塞”引擎燃料
[0201]具有寬的燃料/空氣比率的高能量燃料
[0202]環(huán)氧乙烷，=氧雜環(huán)丙烷`或氧化乙烯CH2-CH2O
[0203]I, 3-環(huán)氧丙燒，=氧雜環(huán)丁燒或二基撐氧CH2- (CH2) -CH2O
[0204]環(huán)氧丙燒CH2- (CH2) -CH2O
[0205]乙炔C2H2
[0206]丁二炔=1，3- 丁二炔
[0207]I，3- 丁二烯 CH2=CH-CH=CH2，
[0208]較不穩(wěn)定的高能量燃料
[0209]乙醚或手術(shù)用乙醚
[0210]丙酮=二甲基酮
[0211 ]較不穩(wěn)定的易揮發(fā)性燃料
[0212]環(huán)丙烷
[0213]環(huán)丁烷
[0214]烴，例如甲烷、丙烷、丁烷、戊烷等等。
[0215]其它可存儲(chǔ)燃料
[0216]甲酸甲酯HCOO-C2H5
[0217]甲酰胺HCO-NH2
[0218]N, N, - 二甲基甲酰胺 HCO-N- (CH3) 2
[0219]乙二胺H2N_CH2_CH2_NH2
[0220]乙二醇
[0221]I, 4- 二氧六環(huán)=乙二醇的雙分子環(huán)狀醚
[0222]三聚乙醛(CH3CHO) 3乙醛的環(huán)狀三聚體
[0223]強(qiáng)大的氧化劑
[0224]四硝基甲烷C (NO2) 4，……不自發(fā)分解……在氣相中的單元的反應(yīng)表面上恰使得兩種分離的蒸氣通過
[0225]過氧化氫H2O2[0226]低引燃能量混合物
[0227]氧和環(huán)丙烷混合物=手術(shù)用麻醉劑、微焦耳引發(fā)劑
[0228]自燃物
[0229]UDMH=偏二甲肼=1，1- 二甲肼
[0230](CH3) 2NNH2
[0231 ] UDMH是通常含有N2O4的自燃物，并且是很強(qiáng)的致癌物
[0232]MMH單甲基肼(CH3) HNNH2，含任何氧化劑的自燃物，例如N2O4
[0233]腐蝕性有毒高能單元推進(jìn)劑
[0234]肼=通過催化劑容易分解的H2NNH2 (通常Pt或Pd或氧化鑰
[0235]水合肼
[0236]已經(jīng)公開了用于彈道電荷載流子折射的方法和系統(tǒng)。雖然已經(jīng)針對(duì)特定的示例和子系統(tǒng)描述了本方法和系統(tǒng)，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本方法和系統(tǒng)不限于這些特定的示例或子系統(tǒng)，而是也擴(kuò)展到其它實(shí)施方式。
【權(quán)利要求】
1.一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括: 一個(gè)或多個(gè)固態(tài)電發(fā)生器，所述一個(gè)或多個(gè)固態(tài)電發(fā)生器中的至少一個(gè)是化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器，其中，所述一個(gè)或多個(gè)固態(tài)電發(fā)生器包括: 由第一材料層和第二材料層構(gòu)成的固態(tài)結(jié)，其中，所述第一材料層包括納米簇并且在所述第二材料上方但維持與所述第二材料的充分接觸，所述第二材料是多孔的，以形成固態(tài)電發(fā)生器； 其中，所述一個(gè)或多個(gè)固態(tài)電發(fā)生器使用化學(xué)激勵(lì)的反應(yīng)物的相互作用來對(duì)在所述第一材料和所述第二材料之間的電荷載流子進(jìn)行激勵(lì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述第二材料在表面處包含微型或納米級(jí)突出物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器包括電勢(shì)壘，所述電勢(shì)壘阻礙所述電荷載流子在所述第一材料和所述第二材料之間的傳送。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述第二材料選自包括如下項(xiàng)的材料組中，所述項(xiàng)是晶體、多晶體、多孔Ti02、SrTiO3> BaTiO3^ Sr_x_Ba_y-TiO_z、碳化硼、LiNiO,LaSrVO3、以及有機(jī)半導(dǎo)體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述有機(jī)半導(dǎo)體包括PTCDA或3，4，9，10-茈四羧酸二酐。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，熱沉直接連接到所述第二材料。`
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括串聯(lián)電連接的、并聯(lián)電連接的、或者串聯(lián)和并聯(lián)組合地電連接的一個(gè)或多個(gè)固態(tài)電發(fā)生器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括:包括串聯(lián)熱連接的、并聯(lián)熱連接的、或者串聯(lián)和并聯(lián)組合地?zé)徇B接的一個(gè)或多個(gè)固態(tài)電發(fā)生器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括在所述一個(gè)或多個(gè)固態(tài)電發(fā)生器的活性表面上的匯流排，所述匯流排的尺寸大于隧穿尺寸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括連接到所述第二材料的熱沉，所述熱沉用于從所述一個(gè)或多個(gè)固態(tài)電發(fā)生器除去熱，所述熱沉具有高于環(huán)境溫度的熱沉溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述納米簇具有在所述第二材料上方的不連續(xù)的多孔覆蓋。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述第一材料層包括多個(gè)納米簇。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述納米簇包括催化劑。
14.一種化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器，包括: 包括第一材料層和第二材料層的固態(tài)結(jié)，其中，所述第一材料層包括納米簇并且在所述第二材料上方但維持與所述第二材料的充分接觸，所述第二材料是多孔的，以形成固態(tài)電發(fā)生器；并且 其中，所述化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器使用化學(xué)激勵(lì)的反應(yīng)物的相互作用來對(duì)在所述第一材料和所述第二材料之間的電荷載流子進(jìn)行激勵(lì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器，其中，所述固態(tài)結(jié)包括導(dǎo)體-電介質(zhì)結(jié)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器，其中，所述固態(tài)結(jié)包括電介質(zhì)-電介質(zhì)結(jié)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器，其中，所述固態(tài)結(jié)包括電介質(zhì)-導(dǎo)體-電介質(zhì)結(jié)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器，其中，所述固態(tài)結(jié)包括肖特基勢(shì)壘。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器，其中，所述固態(tài)結(jié)包括p-n結(jié)勢(shì)壘。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器，其中，所述納米簇具有在所述第二材料上方的不連續(xù)的多孔覆蓋。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器，其中，所述第一材料層包括多個(gè)納米簇。
22.根據(jù)權(quán)利要求14 所述 的化學(xué)激勵(lì)的固態(tài)電發(fā)生器，其中，所述納米簇包括催化劑。
【文檔編號(hào)】H01L35/00GK103500791SQ201310287471
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2007年1月5日
【發(fā)明者】安托尼·C·祖佩羅, 賈瓦哈·吉德瓦尼 申請(qǐng)人:內(nèi)奧克斯梅特有限責(zé)任公司