公开了在隧穿、热隧穿、二极管、热电子、热电、热－光伏及其他器件中的电极之间保持纳米间距的改良设计。至少一个电极具有弯曲形状。与现有技术相比，所有的实施方式均降低了两个电极之间的热传导。一些实施方式提供了围绕小接触区域的大隧穿区域。另一些实施方式将接触区域完全去除。最终结果是一电子器件，该电子器件具有两个间隔紧密的处于稳定平衡状态的平行电极，以简单的结构在大面积上具有彼此之间的纳米间隙，以实现简单的工艺性，并用于将热转换为电，或由电转换为冷却。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术关于二极管、热电子、隧穿、以及被设计为在电极之间具有非常小的间距以 及在一些情况下也要求电极之间的热隔离的其他器件。本专利技术可以应用到热隧穿发生器和 热泵中，并且可以应用到使用热电子和热电方法的类似系统中。这些热隧穿发生器和热泵 将热能转换成为电能，并且可以反向操作以提供致冷。本专利技术还可以应用到需要两个电极 具有紧密、平行间隔且在它们之间施加或产生电压的任何器件中。
技术介绍
已经将从一个导体(发射极)到另一个导体(集电极)的高能电子流动的现象应 用在了许多电子器件中，并且用于多种目的。例如，真空管二极管就是采用的这种方式，并 且该物理现象被称为热电子发射。因为由相对较大的可用物理间隔所施加的限制，这些二 极管需要在很高的温度下工作(大于1000开氏度)。为了使电子获得穿过到达集电极的大 距离并克服高量子势垒的足够能量，热电极需要非常热。然而，真空管允许构建电子二极管 和随后的放大器。随着时间的过去，通过使用诸如铯等碱金属、或氧化物涂覆电极，致力于 降低工作温度，这些器件得到优化。尽管热电子发生的温度仍然大大高于室温，但是这种功 率产生方法已经在将燃烧或太阳能集中器得到的热转换为电的转换过程方面产生效用。随后，已经发现，如果发射极和集电极彼此之间非常接近，在如2至20纳米的原子 间距的量级，那么电子可以在非常低的温度，甚至在室温下流动。在这种小间距下，两个电 极的原子的电子云如此接近以致于在没有物理传导的情况下就可以实际上使热电子从发 射极团流动到集电极团。在电子云相交但是电极并不物理接触时，这种类型的电流被称为 隧道效应。例如，扫描隧道显微镜使用了尖锐的、被设置为与导电表面非常接近的导电触 针，并且随着触针在该表面上进行扫描，可以通过标绘电流的流动，来绘制此表面的原子轮 廓。美国专利4343993 (Binning等人)示教了应用于扫描隧道显微镜的这种方法。在本行业已知，如果可以在大面积(例如1平方厘米乃至1平方毫米)上保持 这种原子间距，那么通过单个二极管之类的器件能够将大量的热转换为电，并且这些器 件将在作为致冷器或在从各种来源中回收废热能方面产生效用。参见由Y.Hishiruma， Τ. H. Geballe, B. Y. Moyzhes VX R Τ. W. Kenny PJf M W Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum :Use of Nanometer Scale Design (Applied Physics Letters,第 78 卷，第 17 期，2001 年 4 月 23 日)；由 Y. Hishinuna, T. H. Geballe,B. Y. Moyzhes所著的 Vacuum Thermionic Refrigeration with a Semiconductor Heterojunction Structure(Applied Physics Letters,第 81 卷，第 22 期，2002 年 11 月 25 日)；以及由 Y. Hishinuma, T. H. Geballe,B. Y. Moyzhes 以及 T. W. Kenny 所著的Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission AcrossNanometer Gap (Journal of Applied Physics，第 94 卷，第 7 期，2003 年 10 月 1 日)。电 极之间的间距必须足够小以允许“热”电子(具有大于费米能级的能量的电子)流动，但并 不会紧密到允许常态传导(等于或小于费米能级的电子的流动)。在一些情况下，可以使用 真空间隙最小化由晶格声子振动引起的热导率，并且热电子的过滤可以在与该间隙邻近的 半导体或热电材料中发生，如在由相同专利技术者提出的国际PCT申请PCT/US07/77042中所示 例的。存在在0. 5和20纳米之间的间隔距离的可工作范围，其允许从电能到致冷的每平方 厘米数千瓦特的转换。参见由Y. Hishinuna, T. H. Geballe,B. Y. Moyzhes以及T. W. Kenny所 著白勺 Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum :Use of Nanometer Scale Design (Applied Physics Letters,第 78卷，第 17 期，2001年4月23日)。这些参考文献还提出在发射电极上提供碱金属或其他材质的涂层 或单层以便获得在从一个电极到另一电极的电子传输中的低功函数的优越性。此涂层或者 单层进一步降低了工作温度并为那些结构提高了转换效率，而无需设置电子过滤的单独手 段。Mahan证实了采用具有0. 7eV的功函数及500K冷却温度的电子，热电子 致冷器的理论效率高于卡诺效率的80 %。参见由G. D. Mahan所著的Thermionic Refrigeration (Journal of Applied Physics，第 76 卷，第 7 期，1994 年 10 月 1 日)。此 夕卜，参见由 G. D. Mahan, J. A. Sofao 以及 M. Bartkoiwak 所著的 Multilayer Thermionic Refrigerator (Journal of Applied Physics，第 83 卷，第 9 期，1998 年 5 月 1 日)。通过 类比，电子隧穿过程的转换效率被预期为同样是高比例的卡诺效率。卡诺效率表示热能转 换的可实现效率的上限。在大面积上将电极间距保持在原子尺寸上已经成为构建可从导体移除热量的器 件时的唯一的、最重要的问题。例如，扫描隧道显微镜需要不存在振动的特殊实验室环 境，并且它的操作局限在几平方纳米的区域。在一运作设备中冷却的测量被局限在几平 方纳米的面积上。参见由 Y. Hishinuma, T. H. Geballe, B. Y. Moyzhes 以及 T. W. Kenny 所著 的 Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap (Journal of Applied Physics，第 94 卷，第 7 期，2003 年 10 月 1 日)。更近期地，在PCT/US07/77042中，利用在真空室中测试的一对双金属电极，构建 了实现毫瓦或几分之一瓦的更大的能量转换量的器件。在由相同专利技术人提出的此专利申请 中所描述的器件已经成功地用于在一钟罩真空设备中形成纳米间隙，从而使得在该间隙任 一侧的许多材料可以被探测或测量。此外，采用PCT/US07/77042的该成功间隙形成方法 的全封装器件也将在此提出，并且此器件可用作在真空设备外部可用的全功能能量转换产PΡΠ本文档来自技高网...
【技术保护点】
包括具有对向表面的第一和第二电极或电极组件的器件，其中通过允许电子或光子隧穿的距离，所述电极或电极组件的至少一个具有一个与另一电极对向表面弯曲远离的电极对向表面。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：塔雷克马坎斯，
申请(专利权)人：坦普罗尼克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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