專利名稱：類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置及其使用和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種從類鉆碳材料產(chǎn)生電子的裝置和方法，以及利用該 類鉆碳材料產(chǎn)生的電子的裝置和使用方法，因此本發(fā)明可應(yīng)用在物理、化 學(xué)、電子和材料科學(xué)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熱離子發(fā)射器和場效發(fā)射器是眾所周知且應(yīng)用廣泛的裝置。常見的場 效發(fā)射器有陰極射線管及場效發(fā)射顯示器。 一般而言，熱離子電子發(fā)射器 會噴射出可穿過能量障礙的熱電子，而場效發(fā)射裝置使電子穿過能量障礙。
這種裝置的實(shí)施例可參考美國專利第6, 229， 083號、第6， 204, 595號、第 6, 103， 298號、第6， 064， 137號、第6, 055， 815號、第6， 039， 471號、第 5， 994， 638號、第5, 984， 752號、第5, 981， 071號、第5， 874， 039號、第 5， 777, 427號、第5, 722, 242號、第5, 713， 775號、第5, 712， 488號、第 5， 675， 972號以及第5， 562， 781號，且每一個(gè)皆可并入本發(fā)明作參考。
熱離子發(fā)射器的電子發(fā)射性質(zhì)對溫度的敏感度比場效發(fā)射器的電子發(fā) 射器高。熱離子發(fā)射器在溫度上的增加會嚴(yán)重地影響從該熱離子發(fā)射器表 面射出的電子數(shù)量。
雖然基本上很多應(yīng)用是成功的，但由于場效發(fā)射器可輸出較高的電流， 故熱離子發(fā)射器的成功率較場效發(fā)射器低。雖然有這些關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)，但大部 分的場效發(fā)射器仍有各種不同的缺點(diǎn)，以至限制了其使用范圍，例如材料 限制、用途限制、成本效益、使用壽命限制以及能效限制等。
場效發(fā)射器可應(yīng)用多種不同的材料改善上述缺點(diǎn)，并達(dá)到以低輸入能
量轉(zhuǎn)換成高輸出電流的優(yōu)點(diǎn)。尤其鉆石是目前引起業(yè)界關(guān)注的一種材料。 特別的是，純鉆石的物理性質(zhì)包括接近真空狀態(tài)的低陰電性。鉆石摻雜一
些具有負(fù)陰電性(negative electron affinity, NEA)的低離子化能的元素， 如銫(cesium， Cs)，而該負(fù)電性可讓電子維持在軌道中，并利用最小的輸 入能量使該電子振蕩甩出。然而，鉆石具有可使其成為絕緣體的高能隙， 該能隙會阻止電子進(jìn)出鉆石。因此，修飾或降低上述的能隙是欲改善的目 標(biāo)，該修飾或降低能隙的方法可在鉆石中摻雜一些摻雜物形成特定的幾何 構(gòu)型。而這個(gè)目標(biāo)到目前為止已經(jīng)大致成功，但還是有一些性能上的限制、 能效以及成本問題依然存在。因此利用場效發(fā)射器的裝置還是局限在小規(guī) 模及低輸出電流的情形。
因此，尋找可以由能量來源吸收的低能量產(chǎn)生高輸出電流，且適用于 有實(shí)用價(jià)值設(shè)備的材料是目前研究以及工業(yè)上努力的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提出了用以轉(zhuǎn)換能量的熱電能轉(zhuǎn)換裝置的材料、裝置和 方法。其中一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種改善轉(zhuǎn)換效率并增加可靠度的類 鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置。該裝置包括一個(gè)陰極，其具有至少部分披覆有一層 類鉆碳材料的基層構(gòu)件。該電介質(zhì)中間構(gòu)件與類鉆碳材料電性耦合。而一 個(gè)陽極也電性耦合于中間構(gòu)件相對于類鉆碳材料的一側(cè)。
而另一特性是該陰極的基層構(gòu)件包括多層的結(jié)構(gòu)，配置成可改善從類 鉆碳材料發(fā)射的電子發(fā)射效率的狀態(tài)。特別是該基層構(gòu)件的第二結(jié)構(gòu)層具 有小于第一傳導(dǎo)陰極層的功函數(shù)。
在另一個(gè)更詳細(xì)的特性中，該電介質(zhì)材料可以是高分子、玻璃、陶瓷 材料或其混合物或復(fù)合物。而大部分用來做電容的材料皆可被使用；尤其 是壓電性的電介質(zhì)材料可以被使用。合適的電介質(zhì)材料的無任何限制的例 子可包括鈦酸鋇(BaTiO》、鋯鈦酸鉛(PZT)、氧化鉭(TaA)、聚對苯二甲酸
乙二酯(PET)、鋯酸鉛(PbZrO》、鈦酸鉛(PbTi03)、氯化鈉(NaCl)、氟化鋰 (LiF)、氧化鎂(MgO)、 二氧化鈦(Ti02)、氧化鋁"1203)、氧化鋇(BaO)、氯 化鉀(KC1)、硫酸鎂(Mg2S04)、熔融硅玻璃、鈉鈣硅玻璃、高鉛玻璃及其混 合物或化合物。適合作為中間構(gòu)件的材料可包括石墨以及石墨和其它材料 如陶瓷材料或其它電介質(zhì)物質(zhì)的組合物。
而另一個(gè)更詳細(xì)的特性是該陰極與陽極是可彎曲的，因此該熱電能轉(zhuǎn) 換裝置可設(shè)置在具有彎曲輪廓的表面及其它需要該彎曲特性的應(yīng)用中。
本發(fā)明的熱電能轉(zhuǎn)換裝置可裝配成電產(chǎn)生器或冷卻器任一者或二者。 而一個(gè)能量收集器可耦合于該設(shè)置陰極相對于類鉆碳材料的一側(cè)，使得該 類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置可作為一電產(chǎn)生器。這個(gè)實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)熱能或光能 向電能的轉(zhuǎn)換。另外，除了電產(chǎn)生器外，在陽極和陰極之間連接一個(gè)電壓 源，使得該類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置可作為一個(gè)冷卻器。這樣該裝置可選擇 性地控制熱能流過裝置以冷卻相鄰的結(jié)構(gòu)或空間。
本發(fā)明的熱電能轉(zhuǎn)換裝置可用許多不同的技術(shù)制成，例如氣相沉積法。 除此之外，本發(fā)明的裝置并不需要在真空環(huán)境下形成，而且整體為完全固 態(tài)的。故本發(fā)明的裝置可在減少成本下大量生產(chǎn)，并且在一段時(shí)間后還可 保持高度健全性及可靠度。
本發(fā)明的裝置的另一特性是可在經(jīng)過熱處理后強(qiáng)化界面邊界并減少材 料缺陷(defects)。
現(xiàn)在本發(fā)明僅描述出一個(gè)初步、廣大的概念以及較重要的特色，因此 在接下來的詳細(xì)說明中將更進(jìn)一步地理解，并且對于在本領(lǐng)域所做的貢獻(xiàn) 會有更佳的領(lǐng)會。而本發(fā)明的其它特征將會從接下來的詳細(xì)說明及其附圖 和申請專利范圍中變得更為清晰，也能在實(shí)行本發(fā)明時(shí)得到。


圖1為本發(fā)明的無晶鉆石材料第一實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖2為本發(fā)明的熱電能轉(zhuǎn)換裝置的一個(gè)實(shí)施例裝配成太陽能蓄電池的
圖3為本發(fā)明利用陰極電弧法所制造的無晶鉆石材料的一個(gè)實(shí)施例立 體圖。
圖4為圖3所示的無晶鉆石材料的放大剖視圖。
圖5為利用本發(fā)明的無晶鉆石產(chǎn)生器的第一實(shí)施例于不同溫度的電場
所產(chǎn)生電流的關(guān)系圖。
圖6為具有以碳-碳鍵結(jié)的規(guī)則或稱正常四面體配位的四面體鉆石立體圖。
圖7為具有以碳-碳鍵結(jié)的不規(guī)則，或稱非正常四面體配位的四面體鉆 石立體圖。
圖8為大部分物質(zhì)的電阻率與熱導(dǎo)率的關(guān)系圖。 圖9A為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例于熱處理前的原子濃度與厚度的關(guān)系圖。 圖9B為圖9A所示的實(shí)施例經(jīng)過熱處理后的原子濃度與厚度的關(guān)系圖。 圖10為在實(shí)施例3中裝配成太陽能蓄電池的熱電能轉(zhuǎn)換裝置側(cè)視圖。 該圖示將在以下詳細(xì)說明中有進(jìn)一步的闡述，而且這些圖示僅用于示
范而非用于限制本發(fā)明，尤其在大小及形狀上可不同于所述圖示中所揭示
的大小及形狀。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明揭示以及描述之前，必須了解本發(fā)明并不限制在此所述的特 定形狀、制作步驟或材料，而是擴(kuò)展至所屬技術(shù)領(lǐng)域具有通常知識者所能 推想到的等效范圍。也必須了解在此使用專有名詞的目的僅在敘述特定實(shí) 施例，并非對本發(fā)明有任何的限制。
而在開始敘述之前值得注意的是在本說明書及其申請專利范圍所使用 的單數(shù)型態(tài)字眼如"一"、"該"和"其"，皆僅是先行詞，除非在上下
文中清楚明白地指示為單數(shù)，不然這些單數(shù)型態(tài)的先行詞也包括多數(shù)對象。 因此，舉例來說，如"一層"可指一個(gè)或多個(gè)這種層，如"一個(gè)碳源"可 指一個(gè)或多個(gè)此種碳源，如"陰極電弧技術(shù)"可指一個(gè)或多個(gè)此種技術(shù)。 定義
以下是在本發(fā)明的說明及權(quán)利要求中所出現(xiàn)的專有名詞的定義。 "真空"，是指壓力小于10—2托(torr)。
"鉆石"，是指一種碳原子鍵結(jié)其它碳原子于一個(gè)四角晶格中的結(jié)晶 型態(tài)，即sp3鍵結(jié)型態(tài)。特別的是每一個(gè)碳原子被其它四個(gè)位于正四面體的 四角的碳原子圍繞并鍵結(jié)。此外，盡管實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會有微小變化，但在 室溫下實(shí)驗(yàn)后的任兩個(gè)碳原子的鍵長為1.54埃(angstrom, A)，其鍵角為 109°28'16''。形成鉆石的正常且規(guī)則的四面體中的碳-碳鍵表示在圖6。鉆 石的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，包括其物理及電學(xué)性質(zhì)已為習(xí)知的技術(shù)，故在此不贅述。
"扭曲四面體配位結(jié)構(gòu)"，是一個(gè)四面體中碳原子不規(guī)則的鍵結(jié)結(jié)構(gòu)， 或其脫離了上述正常的鉆石四面體型態(tài)。大部分的扭曲是由于一些鍵被拉 長，而另一些被縮短，而鍵角的差異也是因此而產(chǎn)生的。除此之外，這種 四面體的扭曲結(jié)構(gòu)改變了碳的特征與性質(zhì)，而該特征與性質(zhì)變成界在碳鍵 結(jié)呈印3結(jié)構(gòu)(如鉆石)以及碳鍵結(jié)呈sp2結(jié)構(gòu)(如石墨)的特性之間。 一個(gè)在 扭曲四面體中的碳原子鍵結(jié)材料的例子是無晶鉆石。而該扭曲四面體配位 結(jié)構(gòu)的碳-碳鍵結(jié)表示在圖7中。但必須了解圖7僅代表扭曲四面體的其中 一種能出現(xiàn)的配置型態(tài)，而其它多種變化通常會表現(xiàn)在無晶鉆石中。
"類鉆碳"，是指主要組成物為碳原子，且大量碳原子鍵結(jié)于一扭曲 四面配位結(jié)構(gòu)的含碳物質(zhì)。即使類鉆碳(diamond-like carbon, DLC)能利 用化學(xué)氣相沉積法(chemical vapor d印osition， CVD)或其它氣相沉積法 等方法制造，但最常使用的制造方法還是物理氣相沉積法(physical vapor d印osition， PVD)。尤其， 一些其它在類鉆碳中的元素為不純物或慘雜物， 包括但不限制為氫、硫、磷、硼、氮、硅及鎢等。 "無晶鉆石"，屬于類鉆碳的一種，其主要組成物為碳原子，且大量 碳原子鍵結(jié)于一扭曲四面配位結(jié)構(gòu)。 一方面，在無晶鉆石中的碳原子含量 至少約為90%，其中至少約20°/。的碳原子屬于扭曲四面體配位結(jié)構(gòu)，無晶鉆
石的原子密度比一般鉆石(176 atoms/cm3)高。而且無晶鉆石與鉆石會在熔 化時(shí)收縮。
"氣相沉積"，是一種藉由氣體相將物質(zhì)沉淀在基座上的方法，例如 化學(xué)氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積法(PVD)皆屬于氣相沉積法的范疇。 每一氣相沉積法的使用皆可由本領(lǐng)域具通常知識者在不改變主要原理的情 況下做變動(dòng)，例如熱絲氣相沉積法(filament CVD)、射頻化學(xué)氣相沉積法 (rf-CVD)、激光化學(xué)氣相沉積法(laser CVD, LCVD)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相 沉積法(metal-organic CVD， MOCVD)、濺鍍、蒸渡(evaporation PVD)、離 子化金屬物理氣相沉積法(ionized metal PVD， IMPVD)、電子束氣相沉積 法(electron beam PVD, EBPVD)、反應(yīng)性氣相沉積法(reactive PVD)、原 子層沉積法(atomic layer d印osition， ALD)等其它類似的方法。
"表面粗糙度"，是以表面解剖結(jié)構(gòu)的多項(xiàng)特征所評估的表面粗糙度。 許多測量方法如測量尖端的高度或其投影的高度以及凹處或凹面凹陷的深 度可用來顯示該表面粗糙度。此外，表面粗糙度的測量方法還包括測量該 表面積上所具有尖端或凹面的數(shù)量(例如峰密度或凹面密度)，以及尖端或 凹面之間的距離。
"金屬"，是指一個(gè)金屬、包含兩個(gè)以上金屬的合金。本領(lǐng)域具有通 常知識者皆通曉金屬物質(zhì)的范疇，如鋁、銅、鉻、鐵、鋼、不銹鋼、鈦、 鎢、鋅、鋯、鉬等及其合金或化合物。
"電親合力"，是指一個(gè)原子傾向去吸引或束縛一個(gè)自由電子進(jìn)入該原 子的軌道。另外，負(fù)電親合力(negative electron affinity, NEA)是指一 個(gè)原子排斥自由電子的趨勢，或有小能量輸入下，允許電子從軌道中脫離。 NEA通常是一個(gè)在導(dǎo)帶(conduction band)中真空與最低能狀態(tài)之間的能量 差，熟習(xí)該項(xiàng)技術(shù)者皆通曉具有負(fù)電親合力的材料是可通過化合物本性或不 規(guī)則結(jié)晶，如缺陷夾雜、晶粒邊界、雙晶面或上述的綜合方式而形成的。
"電介質(zhì)"，是指任何有電阻的材料。電介質(zhì)材料包含任何種類的材 料，如玻璃、高分子物質(zhì)、陶瓷材料、石墨、堿金屬鹽、堿土族金屬鹽或 其組合物或復(fù)合物。
"功函數(shù)"，是指使電子在一種材料的最大能量狀態(tài)下，從該材料中
釋放至真空環(huán)境所需的能量，通常以電子伏特(eV)表示。例如銅的功函數(shù) 約為4. 5eV，即銅需要4. 5eV的能量供電子從表面逃逸至理論上完全真空的 狀態(tài)(0eV)。
"電性耦合"，是數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)系且至少有電流在結(jié)構(gòu)之間流動(dòng)。其 包含結(jié)構(gòu)中的物理性接觸以及非物理性接觸。通常，兩種以電性耦合方式 連接的材料之間含有電位能或電流。例如，兩個(gè)由電阻器物理性耦合在一 起的平板即屬于物理性接觸，且可讓電流流通于二平板之間。相反地，由 電介質(zhì)分開的兩平板就不屬于物理性接觸，但當(dāng)其接觸交流電時(shí)，電流就 能由電容方法流過兩平板之間。此外，由于電介質(zhì)材料具有絕緣性質(zhì)，因 此當(dāng)有足夠能量時(shí)，電子可穿過或跳過該電介質(zhì)材料。
"熱電能轉(zhuǎn)換"，是將熱能轉(zhuǎn)換成電能、將電能轉(zhuǎn)換成熱能或讓熱能 流動(dòng)。而本發(fā)明的類鉆碳是在熱離子發(fā)射器下操作。如之前文中所討論過 的，熱離子發(fā)射器可在增加材料溫度時(shí)，增加電子發(fā)射量，如無晶鉆石等 的類鉆碳材料能夠在溫度遠(yuǎn)低于其它大部分材料的情況下達(dá)到相同的熱電 發(fā)射量。例如，很多材料在加熱超過110(TC時(shí)才能達(dá)到大量的熱電發(fā)射量或 其它與溫度高低有關(guān)的功效。相反，無晶鉆石的溫度從接近室溫至IOO(TC或 以上的時(shí)候，熱電發(fā)射量亦會隨著溫度的增加而增加。因此熱離子發(fā)射器 的材料如無晶材料可在溫度從低于室溫至30(TC之間達(dá)到功效。
"電產(chǎn)生器"，是指被配置成用來產(chǎn)生電的熱電能轉(zhuǎn)換裝置。
"冷卻器"，是指被配置成由提供電壓控制熱轉(zhuǎn)換的熱電能轉(zhuǎn)換裝置。
"基本上的" 一詞用來形容材料的個(gè)數(shù)或數(shù)量，或是該材料的某一特 征時(shí)，其是指一個(gè)足夠達(dá)到效果的材料或特征的量，而造成誤差的程度必 須依文章內(nèi)容作判斷。同樣地，"基本上無"等詞是指在組成中缺乏明確 數(shù)量的元素或藥劑，特別是在物質(zhì)大致沒有的情況下，其并非指在組成中 完全不存在，而是量小到無法測量。
多數(shù)個(gè)物品、結(jié)構(gòu)組件、組成元素或/和材料基于方便可出現(xiàn)在一般的 常見列舉中，然而這些列舉可解釋為列舉中的單一構(gòu)件單獨(dú)或個(gè)別地被定 義，因此，這樣列舉中的單一構(gòu)件不能視為任何單獨(dú)基于在一般族群中無 相反表示的解釋的相同列舉中實(shí)際上相等的其它構(gòu)件。
濃度、數(shù)量以及其它數(shù)值上的數(shù)據(jù)能夠以范圍的形式來加以呈現(xiàn)或表 示。而需要了解的是這種范圍形式的使用僅基于方便及簡潔的要求，因此 在解釋時(shí)，應(yīng)具有相當(dāng)?shù)膹椥?，不僅包括在范圍中明確顯示出來以作為限
制的數(shù)值，同時(shí)亦可包含所有個(gè)別的數(shù)值以及在數(shù)值范圍中的次范圍，如 同每一個(gè)數(shù)值以及次范圍被明確地引述出來一般；例如一個(gè)數(shù)值范圍"約
一微米到約五微米"應(yīng)該解釋成不僅僅包括明確引述出來的大約一微米到 大約五微米，同時(shí)還包括在此指定范圍內(nèi)的每一個(gè)數(shù)值以及次范圍，因此，
包含在此數(shù)值范圍中的每一個(gè)數(shù)值，例如2、 3及4，或例如l-3、 2-4以及 3-5等的次范圍等。
此原則適用于僅引述一系列列舉的單一數(shù)值，而且，無論是范圍幅度 的范圍或所述的特性皆適用這種解釋。
本發(fā)明
本發(fā)明是關(guān)于一種在足夠能量進(jìn)入時(shí)可產(chǎn)生電子的無晶鉆石材料。如 現(xiàn)有技術(shù)所說的， 一些材料的使用己經(jīng)被用來試圖達(dá)到這個(gè)目的，包括鉆 石材料及裝置已經(jīng)揭示在TO 01/39235、美國專利申請案第11/112， 724號 及第11/045,016號的專利案以及美國專利案號第6,806,629號的專利案 中，每一個(gè)專利案皆可并入本發(fā)明作為參考。由于其高能隙的特性，除非
經(jīng)過修飾以降低或改變這能隙，否則鉆石并不適合釋放電子。到目前為止， 改變能隙的技術(shù)，如慘雜不同的摻雜物到鉆石中和將鉆石配置成有一些幾 何構(gòu)型所生產(chǎn)出電子釋放器在使用方面還有疑慮。
目前發(fā)現(xiàn)很多類鉆碳物質(zhì)當(dāng)有適當(dāng)能量時(shí)可輕易釋放電子，這種材料 具有鉆石的負(fù)電親和力性質(zhì)，但不會遭受純鉆石因能隙所產(chǎn)生的問題，因 此電子在獲得能量而激發(fā)后可輕松地穿過類鉆碳材料，并在使用明顯比鉆 石還低的輸入能量后即可被釋放。而且，本發(fā)明的類鉆碳材料已被發(fā)現(xiàn)具 有高的能量吸收范圍，能將更廣范圍的能量都轉(zhuǎn)換成電子以增加轉(zhuǎn)換效率。
多種可提供所要的電子量的特定類鉆碳材料皆屬于本發(fā)明的范圍。在 一個(gè)特定實(shí)施例中，類鉆碳材料可為無晶鉆石材料，這種幫助釋放電子的 無晶鉆石材料是具有多數(shù)個(gè)碳原子鍵結(jié)的扭曲四面體配位結(jié)構(gòu)，四面體配 位結(jié)構(gòu)可供碳原子保有Sp3鍵結(jié)特性，此特性會幫助表面具有負(fù)電親合力 (NEA)，并且提供多數(shù)個(gè)有效的能隙，這是由于在扭曲四面體配位結(jié)構(gòu)中， 碳原子鍵結(jié)之間的鍵長不同所導(dǎo)致。因此，純鉆石所出現(xiàn)能隙的缺點(diǎn)已經(jīng) 被克服，而無晶鉆石就成為有效釋放電子的材料。其中一種情形是該無晶
鉆石材料可包含至少約90%的碳原子，其中至少約20%的碳原子是鍵結(jié)形成 扭曲四面體配位結(jié)構(gòu)。另一種情形是該無晶鉆石包含至少約95%的碳原子， 其中至少約30%的碳原子是鍵結(jié)形成扭曲四面體配位結(jié)構(gòu)。再一種情形是該 無晶鉆石包含至少約80%的碳原子，其中至少約20°/。的碳原子是鍵結(jié)形成扭 曲四面體配位結(jié)構(gòu)，而最佳的是至少約30%的碳原子是鍵結(jié)形成扭曲四面體 配位結(jié)構(gòu)。而上述的情形還可以是至少約50%的碳原子是鍵結(jié)形成扭袖四面 體配位結(jié)構(gòu)。
可幫助電子發(fā)射無晶鉆石材料的另一方面是具有某種幾何構(gòu)型。參考 圖1所示，其是以本發(fā)明制作方法所制成無晶鉆石材料5的其中一個(gè)配置 型態(tài)實(shí)施例的側(cè)視圖。具體而言，該無晶鉆石材料具有一個(gè)可接受如熱能 等能量的能量輸入表面10以及從中發(fā)射電子的發(fā)射表面15，為了進(jìn)一步幫 助電子發(fā)射，該發(fā)射表面15可配置有一能集中電子流或增強(qiáng)電流輸出，并 具有粗糙度或表面粗糙度的發(fā)射表面，該表面粗糙度以多數(shù)個(gè)尖端20或突
出部所表示，值得注意的是雖然圖l呈現(xiàn)出均一的尖端20，但其僅為了方 便，因此本發(fā)明的無晶鉆石的尖端20通常是非一致的，各個(gè)尖端20之間 的距離及尖端20的高度可如圖3及圖4所示為不一致。
而一些已知的如由多數(shù)個(gè)金字塔形物或錐形物將電子發(fā)射到發(fā)射表面 以試圖集中電子的設(shè)備，至目前為止還沒有一個(gè)設(shè)備能在合理的能源輸入 且符合經(jīng)濟(jì)效益的情況下，可達(dá)到高電流輸出的功效以使用在各種應(yīng)用上。 上述金字塔形物及錐形物等不適用的結(jié)果多半是由于密度的過大或不足， 使所需的電子無法集中以增強(qiáng)電流，這種尺寸通常在高度方面大于好幾個(gè) 微米，因此只能準(zhǔn)許突出部的密度在每一平方厘米內(nèi)有一百萬個(gè)突出部。 盡管碳納米管能達(dá)到比一般已知發(fā)射器更高的輸出電流，但碳納米管易碎、 使用壽命短，而且達(dá)到的電子程度及流量并不一致。
就本發(fā)明一方面而言，該發(fā)射表面的表面粗糙度的高度約在IO納米到 10, 000納米或10納米到1， 000納米，另一方面，該表面粗糙度的高度還可 為800納米左右。另一方面，該表面粗糙度的高度還可為100納米左右。 另外，表面粗糙度的尖端密度至少在一平方厘米的發(fā)射表面上約有一百萬 個(gè)尖端、 一億個(gè)尖端或是十億個(gè)尖端，任何達(dá)到特定發(fā)射表面粗糙度的高 度和密度的組合皆為了產(chǎn)生特定發(fā)射表面的表面粗糙度，并被要求以產(chǎn)生 所要的電流輸出。然而，表面粗糙度可包含大約800納米的尖端高度以及 至少約或大于約每一平方厘米的發(fā)射表面中約有一百萬個(gè)尖端的尖端密 度，或包含大約l，OOO納米的尖端高度以及至少約或大于約每一平方厘米 的發(fā)射表面中約有十億個(gè)尖端的尖端密度。
本發(fā)明的無晶鉆石能使用各種不同能量輸入型態(tài)以制造電子，其中適 合的能量型態(tài)包括而不限制為熱或熱能、光或光能、電或電場能，因此適 合的能量來源并不限制在可見光或任何特定的頻率范圍，而是可包括全部
的可見光、紅外線以及紫外線范圍的頻率。本領(lǐng)域具通常知識者可知的其 它能量型態(tài)，其可為能夠充分振動(dòng)在無晶鉆石材料中的電子以影響電子的 釋放以及進(jìn)出材料的移動(dòng)，另外，多種能量型態(tài)的組合亦可用來達(dá)到特定 想要的結(jié)果或符合與類鉆碳結(jié)合的特別裝置的運(yùn)作。
本發(fā)明使用的能量型態(tài)可為熱能，為此， 一個(gè)能量吸收器及收集層可 用來結(jié)合或耦合本發(fā)明的類鉆碳材料，以幫助吸收或轉(zhuǎn)換熱量至材料中； 同樣地，在所屬領(lǐng)域具有通常知識者可輕易得知該吸收器可被許多預(yù)先傾 向于吸熱的材料如碳黑等構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明，由類鉆碳材料所吸收的熱能 具有約小于50(TC的溫度。另外，光能或熱能可足夠讓陰極保持在溫度約
10(TC到180(TC左右?；旧?，從約20(TC到30(TC的能量輸入是很平常的。 另外，吸收及收集層可為吸收光能或/和熱能而被設(shè)計(jì)，如碳黑、噴灑石墨 粒子或其它暗色或黑色物體，或者，該吸收收集層具有增加的表面粗糙度 以增加所吸收的光或/和熱量，多種制造特定結(jié)構(gòu)表面的方法已為本領(lǐng)域具 通常知識者所知悉。
在本發(fā)明另一特征中，用來幫助電流的能量可為電場能(如正偏壓 (positive bias))，因此，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，正偏壓適合被用于 連接其它能源如熱或/和光，這樣的正偏壓可適用于無晶鉆石材料或/和以 下所述的中間構(gòu)件或于本領(lǐng)域具通常知識者所知的各種其它機(jī)械裝置中。 特別的是，電池的負(fù)極或其它電流來源可被連接于電極或/和無晶鉆石以及 與無晶鉆石或與置于無晶形鉆石電子發(fā)射表面和陽極之間的柵門組件連接 的正極。
本發(fā)明的類鉆碳材料可進(jìn)一步與 一些不同組件耦合或結(jié)合以制成不同 的設(shè)備。參考圖2所示，其表示本發(fā)明的類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置的其中一 個(gè)實(shí)施例是配置為電產(chǎn)生器。尤其，該陰極25披覆一類鉆碳材料層5，類 鉆碳材料層接觸于該陰極25的表面為一能量輸入表面IO。而如上所述，一 個(gè)選用的能量收集層40可耦合在陰極上相對于無晶鉆石材料層的一側(cè)，該
能量收集層可依需要而被使用，以增加熱能或光能到類鉆碳材料層上的收 集與傳遞， 一個(gè)中間構(gòu)件55是電性耦合于類鉆碳材料層5的電子發(fā)射表面
15， 一個(gè)陽極30電性耦合于與中間構(gòu)件上相對于類鉆碳材料層的一側(cè)。
在另一實(shí)施例中，類鉆碳材料層5可被披覆于陽極30而非陰極25上， 在一些配置型態(tài)中，其裝置的效能可因披覆有類鉆碳材料層的陽極而改善， 或者，每一個(gè)陽極或陰極皆可有類鉆碳材料層披覆其上。不論電子發(fā)射表 面是否有類鉆碳材料層的存在，陽極的類鉆碳材料層的使用可提供所想要 的電子釋放是已被發(fā)現(xiàn)的事，而類鉆碳材料層在陽極上比在陰極上對于電 子釋放有明顯的影響，因此，在一些實(shí)施例中陰極可以直接與中間結(jié)構(gòu)層 接觸卻沒有類鉆碳材料層，而陽極上有類鉆碳材料層形成。而粗糙表面可 被導(dǎo)引至中間結(jié)構(gòu)層，既然如此，該類鉆碳材料層與之前所討論過的陰極 相同而可沉淀在陽極上，或類鉆碳材料層可形成于中間結(jié)構(gòu)層以致該粗糙 表面被導(dǎo)引至陽極。在本實(shí)施例中，陽極可經(jīng)由任何如上所述的適當(dāng)方法 形成在類鉆碳材料層上。
就本發(fā)明來說，類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置整體為一個(gè)固體裝置，其具有 與相鄰的各結(jié)構(gòu)層和/或構(gòu)件緊密接觸的結(jié)構(gòu)層，最具特色的是陽極和陰極 實(shí)際上是平行的，故陰極和陽極之間的距離實(shí)際上就是整個(gè)裝置的距離。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可輕易得知其它可以或可能被增加到圖2的組 件中的對象，以達(dá)到特定目的或制造特定裝置。由以下例子說明所謂的對 象，但該對象并不局限于下列例子中，如一可被放置在陰極與陽極之間的 連接線50以形成一個(gè)完整的電路，并可讓電通過以被利用于運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)或多 個(gè)需要電的設(shè)備(圖中未示)或執(zhí)行其它工作，另外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 亦可輕易發(fā)現(xiàn)如輸入線、輸出線和電源(圖中未示)，皆可連接中間構(gòu)件55， 以提供誘發(fā)電場、正偏壓或其它所需組件的電流，以制成一個(gè)特定的裝置。
上述對象可采取不同的配置型態(tài)，并被不同的材料所制成，以下所述 的每一結(jié)構(gòu)層可用許多已知技術(shù)但不限制為氣相沉積法、薄膜沉積法、固
體預(yù)先制成法、粉末堆積法、絲網(wǎng)印刷法等所制成，其中，每一結(jié)構(gòu)層所
用的氣象沉積法如PVD、 CVD或其它已知的薄膜沉積法制成，而PVD法是濺 鍍法或陰極電弧法。另外，本領(lǐng)域具通常知識者可輕易得知作為陰極25和 陽極30的適當(dāng)導(dǎo)電材料及其配置，這種材料與配置部分決定于連接有組件 的裝置的功能。另外，每一結(jié)構(gòu)層可為黃銅、粘著劑或其它不會妨礙以下 所討論的熱性質(zhì)與電性質(zhì)的固定方式，雖然不同的幾何構(gòu)型以及不同的結(jié) 構(gòu)層的厚度皆可被利用，但常見作為類鉆碳發(fā)射表面的厚度可從10納米左 右到3微米左右，而作為其它結(jié)構(gòu)層的厚度約為1微米至1毫米。
該陰極25可被形成具有一個(gè)至少部分披覆有無晶鉆石材料層5的基層 構(gòu)件60，該基層構(gòu)件可被如金屬的傳導(dǎo)性電極材料制成，合適的金屬包括 但不限制于銅、鋁、鎳、其合金及相似金屬，目前適合作為基層構(gòu)件的較 佳材料為銅，另一較佳材料為鋁鎂合金或?qū)щ娦糟y膏，各種銀膏是可以商 購，或根據(jù)已知的方法制造的，銀膏可利用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷法進(jìn)行披覆。 同樣的，陽極30可用與基層構(gòu)件相同或不同的導(dǎo)電材質(zhì)制成，目前，較佳 的陰極材料為銅，如同一般所指示的陽極或/和陰極基層構(gòu)件有一個(gè)約從 3. 5eV至6.0eV的功函數(shù)，第二實(shí)施例中的功函數(shù)約從3. 5 eV至5. 0 eV，
盡管許多不同基層構(gòu)件厚度對陰極和/或陽極而言都有效果，但一般的厚度 范圍約在0. 1毫米至10毫米。
該陰極25的基層構(gòu)件60可為單一或多個(gè)結(jié)構(gòu)層，其中一個(gè)實(shí)施例中 的基層構(gòu)件為單一材料結(jié)構(gòu)層，而另一實(shí)施例中的基層構(gòu)件包含第一結(jié)構(gòu) 層與第二結(jié)構(gòu)層(圖中未示)，以至于第二結(jié)構(gòu)層是耦合于第一結(jié)構(gòu)層與無 晶鉆石層的能量輸入表面之間，該第二結(jié)構(gòu)層是用來改善電子傳導(dǎo)至無晶 鉆石層的發(fā)射表面的傳導(dǎo)度。 一般而言，當(dāng)?shù)诙Y(jié)構(gòu)層被利用作為基層構(gòu) 件的一部分時(shí)，該較佳的第二結(jié)構(gòu)層是具有數(shù)值小于第一結(jié)構(gòu)層的功函數(shù) 的材料，而該第二層具有一個(gè)具有功函數(shù)從約2.0 eV到4.0 eV的低功函 數(shù)材料，即使功函數(shù)在2.0 eV到3.0 eV也很適合，而更佳的功函數(shù)是在
1. 5 eV到3. 5 eV左右，適合作為第二結(jié)構(gòu)層的材料包含但不限制在銫(Cs)、 釤(Sm)、鋁鎂合金(A1-Mg)、鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、鈹(Be)、 鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、硼(B)、鈰(Ce)、鋁(A1)、鑭(La)、銪 (Eu)及其混合物或合金， 一種情形是第二結(jié)構(gòu)層可包含銫(Cs)、釤(Sm)、 鋁鎂合金(A1-Mg)及其合金，更特定的情況下，第二結(jié)構(gòu)層可包括鈹(Be)、 鎂(Mg)、銫(Cs)或釤(Sm)，其中最佳的是銫(Cs)。
為了改善將熱傳導(dǎo)至類鉆碳層的情形，第二結(jié)構(gòu)層是包括具熱導(dǎo)率大于 100W/mK的材料，當(dāng)與其它結(jié)構(gòu)層或組件組合時(shí)，不同厚度的第二結(jié)構(gòu)層皆 可被使用，然而，第二結(jié)構(gòu)層的厚度經(jīng)常從l微米至l毫米左右，而本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員可知典型的低功函數(shù)材料容易被氧化，因此，在利用該^"料制 作第二結(jié)構(gòu)層時(shí)，整個(gè)熱電能轉(zhuǎn)換裝置置入真空或其它惰性氣體環(huán)境中。
在不希望局限于任何特定的原理下，本發(fā)明產(chǎn)生電子的能力可被視為 與材料之間的能隙、功函數(shù)和每一結(jié)構(gòu)層層熱導(dǎo)率有關(guān)的步驟過程，特別 是在陰極的第二結(jié)構(gòu)層可由能驅(qū)使電子靠近真空能量或傳導(dǎo)帶(如降低第 一結(jié)構(gòu)層與真空能量之間的能隙)的材料所制成。另外，第二結(jié)構(gòu)層可具有 高的熱導(dǎo)率以改善電子流動(dòng)至電子發(fā)射表面的流量。在第二結(jié)構(gòu)層的電子 可被傳送至類鉆碳層，其無晶形鉆石的扭曲四面體配位結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生各種不 同的功函數(shù)與在無晶鉆石層中的能隙值(如在未被占據(jù)的導(dǎo)電帶之間)，以 致于一些電子狀態(tài)接近或超過真空能量。
用作中間構(gòu)件的材料可讓電子傳遞或"階梯式"降回陽極材料以讓熱 散失達(dá)到最小化，如此可減少在系統(tǒng)中損失的能量，例如，從無晶鉆石到 一種具有高功函數(shù)材料的一大能階可被用于本發(fā)明，然而，其中一些電能 會以熱能形式散失，因此，數(shù)量多于l的中間構(gòu)件或/和基層構(gòu)件層可結(jié)合 于裝置中以提供在各層中能隙之間不同程度的"能階躍進(jìn)"和"能階下降"， 因此，中間構(gòu)件是以多數(shù)個(gè)具有不同電性質(zhì)或熱性質(zhì)的結(jié)構(gòu)層所組成的。
另外，由于中間構(gòu)件的熱導(dǎo)率經(jīng)常被要求最小化，以使得從陰極到陽極
之間保有熱梯度，而操作溫度可依不同的應(yīng)用或能量來源而有很大的差異，
陰極溫度可從大約IOO'C至1800°C，而通常是大于30(TC左右，或者，陰極 溫度還可以小于IO(TC左右，如約從0。C至10(TC，盡管脫離這些范圍也還是 可以被使用，但這些范圍是提供說明可存在于本發(fā)明的裝置的溫度梯度。
如圖2所示， 一個(gè)中間構(gòu)件55可耦合于電子發(fā)射表面15。根據(jù)本發(fā)明， 該中間構(gòu)件55可為電介質(zhì)材料，該電介質(zhì)材料可為任何本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員能夠得知的電介質(zhì)材料，包括高分子聚合物、玻璃、陶瓷材料、無機(jī)化 合物、有機(jī)化合物或以上的混合物，例如但不限制于鈦酸鋇(BaTi03)、鋯鈦 酸鉛(PZT)、氧化鉭(TaA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、鋯酸鉛(PbZrO》、 鈦酸鉛(PbTiO》、氯化鈉(NaCl)、氟化鋰(LiF)、氧化鎂(MgO)、 二氧化鈦 (Ti02)、氧化鋁(A1A)、氧化鋇(BaO)、氯化鉀(KC1)、硫酸鎂(Mg2S04)、熔 融硅玻璃、鈉鈣硅玻璃、高鉛含量玻璃及其混合物或復(fù)合物，其中一種情 形的電介質(zhì)材料可為鈦酸鋇(BaTi03)，亦可為鋯鈦酸鉛(PZT)、鋯酸鉛 (PbZrO》或鈦酸鉛(PbTi03)。另外，電介質(zhì)材料可為石墨材料， 一些石墨材 料可具有足以承受0. 1伏特電壓的高電阻率，再者，還可利用電導(dǎo)性與熱 導(dǎo)性比石墨低的材料，如六角晶形氮化硼(hexagonal boron nitride)(約 40W/raK)、氧化鋁(alumina)、氧化鋯(zirconia)、其它陶瓷材料或者上述 電介質(zhì)材料可與具相對較高熱導(dǎo)性(約200 W/mK)的石墨混合，例如，目前 較佳實(shí)施例為中間組件可包括石墨與六角晶形氮化硼的混合物，該材料可 以提供一個(gè)堆棧的組合物或壓縮的粉狀混合物。另外，適合用在中間構(gòu)件 的材料包括但不限制為金屬基材復(fù)合物、逆金屬基材復(fù)合物、銻化鉍 (BiSb)、碲化鉍(Bi2Te)、碲化鉛(PbTe)、硅化鍺(SiGe)、碲化鉍(Bi2Te。、 銻化鋅(Zri4Sb3)、碲化鑭(U2Te3)及其混合物、復(fù)合物或組合物，金屬基材 復(fù)合(麗C)材料在具有足夠電導(dǎo)率用以保持通過中間構(gòu)件的電壓的材料中 很有用處，另外，熱導(dǎo)率和電阻率可通過改變復(fù)合物中第二材料的濃度和/ 或不同第二材料的組成來調(diào)整，通常有用的醒C材料包括一種散布有第二
材料的金屬基材材料，大部分的第二材料濃度經(jīng)常從5%到25%左右(雖然其 它不在此范圍的濃度皆可被使用)，如鋁礬土亦可如麗C 一樣被高度利用， 類似的纖維、晶須或材料微粒，例如但不限制為鋁、硅、碳化物、鋼、石
墨、碳等相似物可散布于金屬基材中，而逆麗C材料(reverse應(yīng)C)也是非 常有用的材料，這種逆畫C材料包括一個(gè)有金屬散布的非金屬基材，針對 逆麗C特別適合的例子是摻雜金屬的派熱克斯玻璃(PYREX glass)。
大部分任何可用于制造一個(gè)電容器的材料皆是有用的電介質(zhì)材料，然 而，其中一種電介質(zhì)材料可為壓電材料，出現(xiàn)在陰極的類鉆碳層讓大部分 以其它種類材料制成的中間構(gòu)件無法使用。
該電介質(zhì)材料可用任何方式配置以保持類鉆碳層與陽極之間為分開的 狀態(tài)，而類鉆碳層可電性耦合于兩電極，又該中間構(gòu)件可為單一層或是多 層。既然如此，電介質(zhì)材料可為了改善轉(zhuǎn)換效能而挑選訂做，并借著調(diào)整 材料讓電介質(zhì)材料更能接近符合鄰近材料的能隙，而優(yōu)點(diǎn)在于該電介質(zhì)層 的配置可減少因更多電價(jià)一致性散布于中間構(gòu)件，而產(chǎn)生對較佳電子流動(dòng) 路徑的影響，而且在這種多層配置型態(tài)，中間構(gòu)件可包括一個(gè)或多數(shù)個(gè)額 外添加的類鉆碳層。
電介質(zhì)層可為任何能夠讓熱能轉(zhuǎn)換成電能或達(dá)成本發(fā)明其它的目的厚 度，特別的是該中間構(gòu)件的厚度與組成可被調(diào)整以控制電阻率，另外，調(diào) 整中間構(gòu)件厚度是為了平衡電壓和電流(如效能)，例如， 一個(gè)較薄的中間 結(jié)構(gòu)層在龜壓減小時(shí)可使電流加大，特別是鉆石材料具有一個(gè)大約5eV的 能隙，在某些情況下大于5eV，這是依據(jù)鍵結(jié)在無晶鉆石材料中spVsp3結(jié) 構(gòu)的比例，而目前的太陽能蓄電池傾向于具有一個(gè)大約0.5伏特的輸出電 壓(硅材裝置具有一僅1. leV的能隙卻能產(chǎn)生約0. 6伏特的電壓)，而本發(fā) 明的太陽能蓄電池卻能增加到5.5伏特。另外，無晶鉆石材料具有較廣范 圍的能隙，因此不需要添加摻雜物，故被激發(fā)的電子一般皆可保持在一個(gè) 較高能階狀態(tài)，而不會突然掉回基態(tài)。然而，無晶鉆石不同于相互堆棧的
金屬材料，其能態(tài)是不連續(xù)的，因此電子是以如同上階梯的方法在該不連 續(xù)能態(tài)爬升，而中間結(jié)構(gòu)層的厚度可用來設(shè)計(jì)特殊應(yīng)用的熱電能轉(zhuǎn)換裝置， 在一些應(yīng)用上，該熱電能轉(zhuǎn)換裝置可被要求具有較低的電壓與較高的電流， 而其它的應(yīng)用則要求較高的電壓與較低的電流，特別的是該中間構(gòu)件可為 具有足夠厚度的固體材料，并可承受大于0.1伏特的電壓，例如從0.1伏 特到6伏特左右，較佳的范圍是從1伏特到5. 5伏特左右，如上所述，該 中間構(gòu)件的材料與厚度可影響電阻率并可承受通過中間構(gòu)件的電壓。
雖然特定材料的厚度基于實(shí)驗(yàn)及在此提出的指導(dǎo)很好地確定，但中間
構(gòu)件必須有一個(gè)厚度足以讓電阻率達(dá)到約0. 1 PQ-cm到100 cm，更佳 的是從約20 ^Q-cm到80 cm，該范圍與因不同材料而有的厚度相對 應(yīng)，但通常的范圍為約0.05微米到500微米。而在電介質(zhì)材料中，其厚度 可從0. 2微米到100微米左右，而電介質(zhì)材料層的厚度是從0. 5微米到10 微米左右。舉例來說， 一個(gè)以PZT制作的中間構(gòu)件的厚度在約1微米左右 時(shí)可產(chǎn)生較好的效果。
此外，無晶鉆石具有高輻射硬度，故可承受長時(shí)間的老化或降解，相 反的，典型的半導(dǎo)體材料會因照射到紫外光而降解，并且會因時(shí)間而降低 可靠度。如在其它地方所提及的，無晶鉆石中的電子會經(jīng)由熱電效應(yīng)而非 光電效應(yīng)而激發(fā)，因此，無晶鉆石材料存在一個(gè)會隨著溫度變化而改變的 電子釋放性質(zhì)，例如，無晶鉆石材料不論在何種溫度皆可被用來將大量熱 能轉(zhuǎn)換成電能。故當(dāng)溫度增加時(shí)可知實(shí)際上是在增加釋放的電子，轉(zhuǎn)換率 可大于30%，在利用本發(fā)明原理制成的太陽能蓄電池中大于50%，轉(zhuǎn)換率會 隨著電阻率和電壓的增加而增加，所以根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用，無晶材料意欲用 來平衡通過中間構(gòu)件的電流轉(zhuǎn)換率。
而中間構(gòu)件可被具有熱導(dǎo)率約小于200W/Mk或小于100W/Mk的材料所 制成，在很多時(shí)候約小于100 W/Mk，而中間構(gòu)件在20'C時(shí)的電阻率約小于 80 ^Q-cm,在選擇用于中間結(jié)構(gòu)層的適當(dāng)材料時(shí)，至少要考慮兩個(gè)因素
第一個(gè)因素是該材料必須讓在穿過結(jié)構(gòu)層的熱能最小化，因此希望該材料
具有相對低的熱導(dǎo)率，而該中間構(gòu)件熱導(dǎo)率約小于200W/mK左右，如約小 于80W/mK左右的材料，熱導(dǎo)率小于40W/mK左右的材料也是有用的；第二 個(gè)因素是中間構(gòu)件具有相對傳導(dǎo)性，該中間構(gòu)件溫度2(TC時(shí)具有約小于 cm的電阻率，更佳的是溫度2(TC時(shí)具有約小于10M^-cm的電阻率。 參看圖8所示，此為各種元素的電阻率與熱導(dǎo)率的相對關(guān)系圖，需要理解 的是各種合金與化合物在中間構(gòu)件中存在的特性，也是在本發(fā)明的范疇中 所被考慮的。
參考圖8所示，其表示在各元素之中，大致的趨勢是電阻率增加(傳導(dǎo) 性降低)時(shí)，熱導(dǎo)率會降低。但是，在虛線框區(qū)域中的元素皆呈現(xiàn)低的熱導(dǎo) 率和高的電導(dǎo)率，在這區(qū)域中的示范材料例如有鉛(Pb)、釩(V)、銫(Cs)、 鉿(Hf)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鎵(Ga)及其混合物或合金，在本發(fā)明 的一種情形中，該中間構(gòu)件包含銫(Cs)。功函數(shù)是一個(gè)有助于檢測不同層的 適合的電子性質(zhì)的方法，該中間構(gòu)件可包括功函數(shù)在1. 5eV至4. OeV左右 或2.0eV至4.0eV的材料，亦可根據(jù)以上所指示而挑選適合的材料，在本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，中間構(gòu)件具有一個(gè)大約在0. 1毫米至1毫米的厚度。
在另一實(shí)施例中，當(dāng)擴(kuò)大可用材料的種類時(shí)，凡符合以上關(guān)于熱導(dǎo)性 與電導(dǎo)性的指示的中間構(gòu)件皆可被使用。特別是中間構(gòu)件主要以貫穿有多 數(shù)個(gè)孔洞(圖中未示)的絕熱材料所制成，雖然電導(dǎo)性材料是較佳的材料， 但絕熱材料亦可被使用。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員有能力選擇合適的絕熱材料， 合適的絕熱材料例如但不限制包括陶瓷材料及氧化物，目前較佳的氧化物 包括氧化鋯(ZrO》、氧化硅(Si02)以及氧化鋁(Al203)，該孔洞是從無晶鉆石
層的電子發(fā)射表面貫穿至陽極，其中一種便于制造孔的方法是激光鉆孔法， 其它方法包括如鋁的電鍍，在此過程中，鋁表面會形成小凹陷，因此在之 后的電鍍中，電子會優(yōu)先流過鋸齒狀的表面以熔解鋁，并形成筆直或平行 排列的孔洞，而在孔洞附近會被氧化成氧化鋁"1203)。 該孔洞一旦形成，更多高傳導(dǎo)性物質(zhì)可以沉淀在該孔洞中，該孔洞可 被電沉積、物理性流動(dòng)或其它方法所填充，大部分傳導(dǎo)性物質(zhì)皆可被利用， 而在一種情形中，該傳導(dǎo)性物質(zhì)可為銅、鋁、鎳、鐵或其混合物及合金， 因此，具有高傳導(dǎo)性但不局限于熱導(dǎo)性的傳導(dǎo)性物質(zhì)是可以被選擇使用的。 而孔洞面積與該絕緣材料表面面積的比例可被調(diào)整，以達(dá)到符合之前所述 的熱傳導(dǎo)率與電傳導(dǎo)率。另外，孔洞的排列圖形、大小及深度皆可被調(diào)整， 以達(dá)到理想的結(jié)果， 一種情形是該表面孔洞面積占該和無晶鉆石層的電子 發(fā)射表面接觸的中間結(jié)構(gòu)層表面面積的10°/。到40%左右。
由于本發(fā)明的類鉆碳材料容易產(chǎn)生電子，因此發(fā)現(xiàn)利用合適電場而誘 發(fā)的電子流可幫助在能量輸入表面的吸收熱量，故本發(fā)明的電子發(fā)射器可 作為一冷卻器，因此本發(fā)明包括一個(gè)可通過在誘發(fā)電場中釋放電子以吸收 熱量的冷卻器。這樣的裝置可具有各種型態(tài)，并使用許多例如可以應(yīng)用于 上述電產(chǎn)生器的輔助組件。在一種情形下，冷卻器可降低附近區(qū)域的溫度
至IO(TC以下。另外本發(fā)明亦可作為一個(gè)熱泵以從具低熱量的區(qū)域或空間將
熱量傳送至具高熱量的區(qū)域。
在本發(fā)明的這些實(shí)施例中，電流的運(yùn)用是從陰極驅(qū)動(dòng)熱流到陽極，因 此，熱電能轉(zhuǎn)換裝置亦有冷卻器的功能，這樣的冷卻器可用來將如超大規(guī)模
集成電路(ULSI)、激光二極管(laser diode)、中央處理器(CPU)等的高動(dòng) 力電子裝置中的熱量驅(qū)散，或可與冷藏系統(tǒng)中的冷卻器一樣的使用方式。
本發(fā)明的無晶形材料可被在本領(lǐng)域具通常知識者所知悉的各種方法制 成，而該材料可用陰極電弧方法制成，而各種陰極電弧法步驟是熟知該項(xiàng) 技藝人士所能輕易得知的，例如美國專利案第4, 448， 799號、第4, 511， 593 號、第4， 556， 471號、第4， 620， 913號、第4， 622， 452號、第5， 294, 322 號、第5， 458， 754號以及第6， 139， 964號的專利案可被并入本發(fā)明作為參 考， 一般來說，電弧技術(shù)包括有在靶材或基層構(gòu)件上的碳原子物理氣相沉 積(PVD)，該電弧是借著因大量電流通過作為陰極的石墨電極，并利用電流
汽化碳原子所產(chǎn)生的，該經(jīng)汽化的原子也轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子化而帶正電荷，而不 同強(qiáng)度的負(fù)偏壓是被用來驅(qū)使碳原子朝導(dǎo)電性靶材移動(dòng)，假使該碳原子具
有足夠的能量(約100eV)，該碳原子將會沖擊靶材并附著在該靶材的表面以
形成一個(gè)含碳的材料，如無晶鉆石，無晶鉆石可披覆于沒有接觸阻力或接 觸阻力基本上在減少的金屬基層構(gòu)件上。
一般而言，碳原子沖擊的動(dòng)能可通過在基層構(gòu)件上不同的負(fù)偏壓來調(diào) 整，而沉積率可通過電弧的電流來控制，控制這些參數(shù)如同控制其它參數(shù) 一樣，也可通過調(diào)整碳原子四面體配位結(jié)構(gòu)的扭曲程度和無晶鉆石材料的
幾何型態(tài)或配置(例如高負(fù)偏壓可以讓碳原子加速并增加Sp3鍵結(jié)構(gòu)造)，通
過測量材料的拉曼光譜(Raman Spectra),可決定3 3與sp2的比例，然而， 應(yīng)該記住該無晶鉆石層中扭曲四面體的部分既不是sp3結(jié)構(gòu)，也不是印2結(jié) 構(gòu)，而是在具有上述兩種結(jié)構(gòu)的中間特性的范圍內(nèi)鍵結(jié)，另外，電弧電流 的增加可增加靶材受高流率碳離子的沖擊頻率，結(jié)果溫度會上升，以致沉 淀的碳可以轉(zhuǎn)變成比較穩(wěn)定的石墨，因此最終無晶鉆石材料的配置與組成 (如能隙、NEA以及發(fā)射表面粗糙度)可通過形成材料的陰極電弧情況來控 制，另外，其它可被用來形成類鉆碳(DLC)的方法，如氣體沉積法(例如PVD、 CVD等)，而激光燒蝕法是一種獲得具過大表面積的類鉆碳薄膜的方法。利 用激光燒蝕碳源制造鉆石的Oak Ridge國家實(shí)驗(yàn)室及其它研究團(tuán)體和公司對 該激光燒蝕法有新的發(fā)展。不論使用何種特定的方法，類鉆碳材料或在裝置 中的其它結(jié)構(gòu)層可不需要在介于電子發(fā)射層與陽極之間的真空環(huán)境下形 成，而該真空環(huán)境會大量減少生產(chǎn)成本，并增加所制成的裝置的可靠度。
在此討論的不同裝置或方法的應(yīng)用皆可被本領(lǐng)域具通常知識者所知 曉。其中，本發(fā)明的熱電能轉(zhuǎn)換裝置可結(jié)合于會產(chǎn)生廢熱的裝置中。本發(fā) 明的陰極側(cè)或能量輸入表面可耦合于一熱源，如鍋爐、電池(如充電電池)、 中央處理器(CPU)、電阻器、其它電子組件或任何其它在操作時(shí)所產(chǎn)生的副 產(chǎn)物為無用廢熱的裝置的熱源耦合。例如，本發(fā)明的電產(chǎn)生器可和筆記本
計(jì)算機(jī)的電池耦合，該電產(chǎn)生器本身而論可補(bǔ)充電力供給并延長電池壽命。 另一個(gè)例子是一個(gè)或多個(gè)電產(chǎn)生器可設(shè)置于鍋爐或其它機(jī)器設(shè)備的產(chǎn)熱組 件的外表面，該電產(chǎn)生器同樣也可以補(bǔ)充這些設(shè)備在生產(chǎn)過程中所需的電。 因此，可想而知，這種可多方面應(yīng)用的設(shè)備可以用在熱、光或其它能源以 制造有用額度的電能。
此外，類鉆碳可披覆在一般電極上以幫助電子的流動(dòng)。這種電極可用 于電池和金屬的電子沉積，如電鍍，其中，電極在水溶液中使用。例如， 用來監(jiān)控水質(zhì)量或其它如果醬、啤酒、蘇打水等的食品的電極可通過測量 水中電阻率來監(jiān)控，無晶鉆石制成的電極由于具有抗腐蝕的特性而具有比 傳統(tǒng)電極更大的優(yōu)勢。
其中一個(gè)特別的應(yīng)用，就是在電子沉積所使用的無晶鉆石電極具有顯 著的優(yōu)勢。具體而言，在于絕大多數(shù)的電子沉積設(shè)備所產(chǎn)生的問題是電極 通過各種氣體吸收而極化的問題，但因無晶鉆石強(qiáng)烈的惰性而讓披覆有無 晶鉆石的陰極和陽極實(shí)際上無法極化，而且這種惰性使其在水溶液中會產(chǎn) 生一個(gè)高于金屬或碳電極所得到的電位能，在正常的情況下，這種電壓會 分解水。然而，由于無晶鉆石的高電位能，在溶液中的溶質(zhì)會在水可被分 解前被分離出來。因此這種特性是非常有用的，使電子沉積法可用于在過 去極難或甚至不可能使用的高氧化物質(zhì)，如鋰和鈉。
在類似的情況下，由于無晶鉆石電極在溶液中可達(dá)到高電位能，所出 現(xiàn)非常微量的溶質(zhì)皆可從溶液中被分離并被檢測。因此，本發(fā)明的材料也 可用在高靈敏診斷工具或儀器中，用于測量在溶液中的不同元素，如含量 低于十億分之一(PPb)左右的鉛，這樣的應(yīng)用可檢測幾乎任何可被電荷驅(qū)離 或吸引的元素，包括生物材料，如血或其它如尿液的體液。
在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)陰極或陽極可被配置來傳送光， 其中一個(gè)例子是配置來傳送光的電極是由披覆有銦錫氧化物的透明材料組 成，該透明或可透光的材料可為任何已知的透明材料，如玻璃或像塑料、
壓克力(acrylic)等的高分子物質(zhì)。在這樣的實(shí)施例中，透明度可符合美 學(xué)或其它實(shí)質(zhì)理由，特定光發(fā)射裝置與配置的詳細(xì)說明是所用的類鉆碳或 無晶鉆石及其配置是包含在2005年1月26日提申且序號為11/045， 016的 美國專利案中皆可并入本發(fā)明作為參考。
陰極和陽極可以為任何形狀或配置，并可用在本發(fā)明各種實(shí)施例中。 一方面陰極和陽極是平的，另一種方面陰極和/或陽極為剛性的，但在許多
商業(yè)性實(shí)施例中，其為可彎曲的材質(zhì)，因此，可彎曲的陰極和/或陽極可用 在具彎曲結(jié)構(gòu)的太陽能蓄電池中。
本發(fā)明的其它方面可思考改善熱電能轉(zhuǎn)換裝置的可靠度。 一方面，該 可靠度可通過避免有機(jī)附著物與電極鍵結(jié)而改善。很多有機(jī)物材料特別在 高溫的時(shí)候并不穩(wěn)定，避免使用有機(jī)附著物的其中一個(gè)方法是直接將一層 電介質(zhì)材料和任何陰極和/或陽極材料沉淀在一個(gè)電極上。本領(lǐng)域具通常知 識者可知曉各種達(dá)成上述目的方法，包括但不限制在低溫等離子體法。另 外，利用低溫?zé)Y(jié)以鍵結(jié)各結(jié)構(gòu)層的方法可避免有機(jī)附著物，就燒結(jié)法而 論，其可在低于約50(TC時(shí)完成以避免無晶鉆石層的降解，而目前，熱穩(wěn)定 性附著物如硅膠黏著物可被使用。
之前間接提到本發(fā)明包含在此揭示的類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置的制造及 使用方法，除了前述提到的電產(chǎn)生器和冷卻器之外，還有很多用此釋放電 子的原則所操作的儀器皆利于使用本發(fā)明的無晶鉆石材料。許多這樣的機(jī) 器是可以被于本領(lǐng)域具通常知識者所知曉的，包括但不限制在晶體管、極 快開關(guān)、環(huán)狀激光回旋儀、電流擴(kuò)大器、微波發(fā)射器、冷光光源以及其它 電子束儀器。
可通過吸收足夠能量以發(fā)射電子的無晶鉆石材料的制造方法，包括以 下步驟提供碳源、從該碳源形成無晶鉆石材料以及使用陰極電弧，產(chǎn)生
電子流或產(chǎn)生電流的步驟包括之前提到的制作無晶鉆石材料以及輸入能
量到材料中以足以產(chǎn)生電子流，陰極基層構(gòu)件的第二結(jié)構(gòu)層以及中間構(gòu)件
可用CVD、 PVD、濺鍍法或其它己知方法制成，其中，該層是用濺鍍法制成。
另外，該陽極可與中間構(gòu)件以CVD、 PVD、濺鍍法、銅焊、黏著(如加入銀膏)
或其它于本領(lǐng)域具通常知識者所知道的方法來耦合，雖然陽極一般適用濺 鍍法或電弧沉積法，但陽極可用銅焊的方式和中間構(gòu)件耦合。
一個(gè)選用的步驟為該類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置可在真空爐中被熱處理。 熱處理可改善在不同材料界面間的熱性質(zhì)和電性質(zhì)，實(shí)施于類鉆碳熱電能 轉(zhuǎn)換裝置的熱處理是為強(qiáng)化界面邊界以及減少材料缺陷，典型的熱處理溫
度可依所選擇的特定材料從20(TC至80(TC左右，而更佳溫度是從35(TC至 50(TC左右。
以下實(shí)施例是說明制作本發(fā)明的電子發(fā)射器的不同方法，但必須了解 的是以下實(shí)施例僅為依本發(fā)明原則的應(yīng)用的示范與說明。許多修改以及具 選擇性的組成、方法和系統(tǒng)在不脫離本發(fā)明精神與范疇的情況下皆可被本 領(lǐng)域具通常知識者所能推想出來的，所附的權(quán)利要求傾向于包括這些修飾 與安排。本發(fā)明特征已于上文陳述，以下將會提出多個(gè)特定實(shí)施例對本發(fā) 明進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
實(shí)施例l
一片銅片粘著在一個(gè)聚酰亞胺支撐層上。 一個(gè)1微米的無晶鉆石層是 通過陰極電弧的方法沉積在一片暴露的銅片電極上，該無晶鉆石具有50納 米的表面粗糙度， 一個(gè)PZT材的中間結(jié)構(gòu)層利用絲網(wǎng)印刷的方法沉積于無 晶鉆石，其厚度為30微米， 一層銀膏通過絲網(wǎng)印刷的方法涂布于PZT中間 結(jié)構(gòu)層以形成陽極。之后，該組件在加熱爐中去除絲網(wǎng)印刷中所使用的粘 著劑，并將該組件連接在裝置上，將線安裝于銅電極可讓熱電能轉(zhuǎn)換作為 吸收熱量的電產(chǎn)生器或是通過電流應(yīng)用的冷卻器。
實(shí)施例2
除了 PZT層被石墨粉和六角晶形氮化硼粉末的混合物所取代之外，其
余步驟與實(shí)施例l相同。
實(shí)施例3
除了 PZT層被石墨粉和氧化鋁粉末的混合物所取代之外，其余步驟與 實(shí)施例l相同。
實(shí)施例4
除了 PZT層被石墨粉和氧化鋯粉末的混合物所取代之外，其余步驟與 實(shí)施例l相同。
實(shí)施例5
除了 PZT層被注入銀的環(huán)氧化物所取代，以使電阻率足夠支撐及承受 通過兩電極的0. 1伏特的電壓之外，其余步驟與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例6
將一個(gè)玻璃板披覆碳黑，再將銀膏涂布于碳黑上以作為陰極層，接下 來，無晶鉆石以陰極電弧法形成在該銀膏上， 一個(gè)鈦酸鋇(BaTi03)材的中間 結(jié)構(gòu)層再沉積于該無晶鉆石上。第二次使用的銀膏是形成于具有一個(gè)環(huán)氧 化物薄層的中間結(jié)構(gòu)層上，這些連續(xù)結(jié)構(gòu)層用這些方法被涂布時(shí)，大體上 在每一層中或各層之間是沒有摻雜空氣或水氣的，因?yàn)榭諝鈺档碗娮恿鳎?而水氣會降低披覆層質(zhì)量與可靠度。
該透明的玻璃外層是從太陽汲取熱能，類似溫室效應(yīng)。而碳黑可吸收 太陽光以增加溫度(如到200°C)，該熱離子無晶鉆石可通過電子發(fā)射到中間 結(jié)構(gòu)層而將熱能轉(zhuǎn)換成電能，該鈦酸鋇中間結(jié)構(gòu)層是用來控制電阻率及因 此產(chǎn)生的電壓的。雖然其他具可彎曲的導(dǎo)電材料皆可用來做可彎曲的電極， 但這里使用銀膏，該環(huán)氧物是作為保護(hù)機(jī)器并使其絕緣的便利性包材。
上述設(shè)計(jì)簡單、容易以自動(dòng)化操作而生產(chǎn)。而每一層的厚度與一致性 很重要。假使剛性的玻璃被置換成可彎曲的PET或其它透明、透光的材料，
則該太陽能板會變得可以彎折，因此可以設(shè)置在各種基體上，如汽車具有 弧度的車頂。
實(shí)施例7
請參看圖10所示， 一個(gè)玻璃板70涂布一層碳黑72， 一鋁鎂合金將碳 黑濺鍍其上以形成一陰極層74，而一薄銫涂層76被濺鍍在基底陰極層74， 一無晶鉆石層78再利用陰極電弧法形成于該薄銫涂層上，接著， 一個(gè)PZT 中間結(jié)構(gòu)層80沉積在該無晶鉆石層上，而銅陽極82接著形成在附著于一 個(gè)玻璃絕緣層84的中間結(jié)構(gòu)層上， 一個(gè)電池或其它電子裝置86可與每個(gè) 電極連接以儲存電能或完成其它有用的工作。
實(shí)施例8
利用陰極電弧沉積法制造如圖3所示的無晶形材料。特別的是發(fā)射表 面的表面粗糙度有一個(gè)約200納米的高度，而尖端密度約一平方厘米內(nèi)有 一百萬個(gè)尖端。這種材料的制成，首先，[200]方向的一個(gè)N型晶片的硅膠 基層構(gòu)件利用氬離子蝕刻約20分鐘，接下來，該經(jīng)蝕刻的硅晶片利用 Rockaway， N.J.發(fā)明的復(fù)合電弧的Tetraboncf披覆系統(tǒng)將無晶鉆石披覆其 上。該披覆系統(tǒng)中的石墨電極被蒸發(fā)形成一具有80安培電流的電弧，該電 弧被20伏特的負(fù)偏壓驅(qū)動(dòng)而朝向該硅膠基層構(gòu)件，并沉積于其上，產(chǎn)生的 無晶鉆石材料從披覆系統(tǒng)中移出，并通過原子力顯微鏡(AFM)觀察，如圖3 及圖4所示。
該無晶鉆石材料隨后被耦合在一個(gè)電極上以形成陰極，而本發(fā)明的電 產(chǎn)生器就此完成，此時(shí)使用一個(gè)外加的偏壓，則該通過無晶鉆石材料所產(chǎn) 生的電流則可在不同溫度下被測量與紀(jì)錄，如圖5所示。
實(shí)施例9
一個(gè)10微米的銅層可用濺鍍的方法沉積在基層構(gòu)件上。并在真空環(huán)境
下，將2微米的釤濺鍍于銅表面上。在此同時(shí)必須小心避免讓釤接觸到會 讓其氧化的環(huán)境中(如整個(gè)流程可在真空下操作)。而一個(gè)無晶鉆石材料 層可接著用如實(shí)施例4所述的陰極電弧技術(shù)而沉積，并產(chǎn)生約0. 5微米的 厚度，用濺鍍的方法在該無晶鉆石層的生成表面上沉積一層厚度約10微米
的鎂，最后， 一個(gè)厚度為io微米的銅層以濺鍍的方法沉積以形成陽極。 實(shí)施例10
一個(gè)10微米的銅層可用濺鍍的方法沉積在基層構(gòu)件上。并在真空環(huán)境 下，將2微米的銫濺鍍于銅表面上，當(dāng)然在此時(shí)必須小心避免讓銫接觸到會 氧化的環(huán)境(整個(gè)流程可在真空下操作)。而一無晶鉆石材料層可接著用如 實(shí)施例4所述的陰極電弧技術(shù)而沉積并產(chǎn)生約65納米的厚度，用濺鍍的方 法在該無晶鉆石層的生成表面上沉積厚度約16微米的鉬。此外， 一個(gè)厚度 20納米的銦錫氧化物層是通過濺鍍的方式沉積而形成陽極。最后， 一個(gè)厚度 為10微米的銅層是以濺鍍的方法沉積在該銦錫氧化物層上，該組合層的沉 積組成的部分剖面如圖9A所示。該組合層隨后在真空爐中加熱到40(TC， 該最終的無晶鉆石電子產(chǎn)生器的部分剖面圖如圖9B所示。要注意的是在各 結(jié)構(gòu)層之間的界面并非總是存在有明顯的邊界，而是在一個(gè)結(jié)構(gòu)層到下結(jié) 構(gòu)層之間形成一個(gè)組成物梯度的特性。該熱處理可改善電子在陽極與中間 材料之間以及無晶鉆石與中間材料之間的傳導(dǎo)，在25t:下測量所使用電場 的強(qiáng)度相對于電流密度的關(guān)系結(jié)果幾乎與圖5所示溫度在40(TC下的結(jié)果一 樣，因此可預(yù)期在溫度高于25'C的測量結(jié)果亦會與在圖5所闡述的溫度作 用有相似的趨勢，其中在較低使用電壓下，電流密度亦會增加。
實(shí)施例11
有銦錫氧化物(ITO)披覆于玻璃電極的第一裝置可借著以陰極電弧方 式將無晶鉆石層披覆其上的第一 ITO電極以及以絲網(wǎng)印刷方式將摻雜銅的 硫化鋅披覆其上的第二 ITO電極所構(gòu)成。接著，該ITO電極借著環(huán)氧化物
使電極彼此相對并有披覆有物質(zhì)的表面相互黏著在一起，于該it0電極披 覆表面之間被環(huán)氧化物填充的縫隙總量大約為60微米。
第二裝置中的工t0披覆玻璃電極與第一裝置中的相似，但第二裝置中
的第一 no電極缺少了無晶鉆石層，這些ito電極通過朝向有用環(huán)氧化物
的第一電極的摻雜銅的硫化鋅涂料黏合在一起，于第一 ito電極與第二 ito 電極的披覆表面之間被環(huán)氧化物填充的縫隙總量大約為60微米。
實(shí)施例12
直流電適用于實(shí)施例7的電極的第一及第二裝置。當(dāng)直流電用于電極 的第一裝置時(shí)，則需要有40伏特的電壓以從摻雜銅的硫化鋅層中產(chǎn)生冷光。 當(dāng)直流電用于電極的第二裝置時(shí)，則需要80伏特的電壓以從摻雜銅的硫化 鋅層中產(chǎn)生冷光。
實(shí)施例13
一個(gè)電極裝置是通過實(shí)施例7中的第一電極所制成，并具有一類鉆碳 層。而交流電適用于此電極裝置。為從摻雜銅的硫化鋅材料中產(chǎn)生某一亮 度的冷光時(shí)需要有60赫茲及40伏特；產(chǎn)生冷光亮度大于在60赫茲所產(chǎn)生 的亮度需要100赫茲及3伏特；產(chǎn)生一個(gè)冷光亮度大于100赫茲所產(chǎn)生的 亮度需要1000赫茲及3伏特;而產(chǎn)生大于1000赫茲所產(chǎn)生的亮度需要3500 赫茲及3伏特。
實(shí)施例14
一個(gè)ito電極的裝置是以利用陰極電弧法披覆有無晶鉆石層的兩個(gè)ito 電極所組成，由于無晶鉆石沉積在兩個(gè)ito電極上，因此在之后的制造過 程中所用的熱必須小于500。c以避免無晶形碳層的降解。摻雜銅的硫化鋅層 與一黏著劑混合并且旋轉(zhuǎn)披覆于基層構(gòu)件上以形成一個(gè)薄膜，該摻雜銅的 硫化鋅層接著被兩個(gè)電介質(zhì)材料層包夾并千燥、烘烤，再經(jīng)熱處理以讓摻
雜物擴(kuò)散到硫化鋅層內(nèi)。
實(shí)施例15
一個(gè)組件耦合在陰極和陽極之間，并且組件與披覆有無晶鉆石的電極 之間具有一個(gè)界面，陰極露出的一側(cè)另外還披覆有碳黑以吸收熱。該組件 是用來通過不同的組成和厚度來最大化其電導(dǎo)率(electrical conductance)與熱阻(thermal resistance)，而兩電極的制造是將銀膏 以絲網(wǎng)印刷方式設(shè)置于PET塑料上而使整體裝置具有可彎曲性，該組件可 為鈦酸鋇(barium titanate)、鋯鈦酸鉛(PZT)、碲化鉍(Bi2Te》及石墨和六
角晶形氮化硼的混合物或鋁礬土。
當(dāng)陰極的一側(cè)加溫到約100'C時(shí)，在兩極之間會產(chǎn)生電。電壓會隨著該
組件的電阻率而增加，而電流是隨著其傳導(dǎo)性而有所不同，熱電的轉(zhuǎn)換效 率也會隨著該組件的熱阻率而增加。在上述的設(shè)計(jì)中，若無至少一個(gè)電極 沒有以無晶鉆石披覆的話，就無法產(chǎn)生電。
依照本發(fā)明所述的原則，同樣的裝置可連接于電池上。因此，陰極就 會因?yàn)橛糜陔娮拥尿?qū)動(dòng)力遠(yuǎn)離陰極而變得比陽極冷，這個(gè)電冷效應(yīng)可用在 從熱表面移除熱能的散熱器或在冷卻箱中的致冷裝置中。
當(dāng)然，必須要了解上述排列僅僅敘述根據(jù)本發(fā)明的原則所呈現(xiàn)的應(yīng)用， 還有許多改變及不同的排列亦可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下 被本領(lǐng)域具通常知識者所設(shè)想出來，而申請范圍也涵蓋上述的改變和排列， 因此，盡管本發(fā)明被特定及詳述地描述呈上述最實(shí)用和最佳實(shí)施例，本領(lǐng) 域具通常知識者可在不偏離本發(fā)明的原則和觀點(diǎn)的情況下做許多如尺寸、 材料、形狀、樣式、功能、運(yùn)作狀態(tài)、組合和使用等的變動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置，包括(a)第一電極，具有至少部分披覆有一層類鉆碳材料的基層構(gòu)件；(b)中間構(gòu)件，與該類鉆碳材料電性耦合，該中間構(gòu)件包括一個(gè)可承受穿過中間構(gòu)件的大約0.1伏特至大約6伏特電壓的固體電介質(zhì)材料；(c)第二電極，電性耦合于中間構(gòu)件相對于該類鉆碳材料的一側(cè)。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中該第一電極是陰極而且該基層構(gòu)件 至少有兩層。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中該基層構(gòu)件包括第一傳導(dǎo)性陰極層 與第二結(jié)構(gòu)層，該第二結(jié)構(gòu)層具有小于第一傳導(dǎo)陰極層的功函數(shù)。
4. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其中該第二結(jié)構(gòu)層所包括的物質(zhì)選自于 以下群組Cs, Sm, Al-Mg， Li， Na， K, Rb， Be， Mg, Ca， Sr, Ba， B， Ce, Al， La, Eu及其 混合物或合金。
5. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中該第一電極為陽極。
6. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中該中間構(gòu)件具有小于約200W/mK的 熱傳導(dǎo)率。
7. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中該電介質(zhì)材料是高分子物質(zhì)、玻璃、 陶瓷材料、石墨或其混合物或復(fù)合物。
8. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中該電介質(zhì)材料選自于以下群組 BaTi03， PZT， Ta203， PET, PbZr03, PbTi03, NaCl， LiF, MgO， Ti02， A1203， BaO， KCl， Mg2S04，熔融硅玻璃，鈉鈣硅玻璃，高鉛玻璃，石墨，六角晶形氮化 硼，金屬基復(fù)合物，逆金屬基復(fù)合物，BiSb， Bi2Te， PbTe, SiGe， Bi2Te3， Zn4Sb3， La2Te3及其混合物、復(fù)合物或組合物。
9. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該第一電極及該第二電極是可彎曲的。
10. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中該類鉆碳材料具有約10納米到3 微米的厚度。
11. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中該類鉆碳材料包括至少約80%的碳 原子，而其中至少20%的所述碳原子與扭曲四面體配位結(jié)構(gòu)鍵結(jié)。
12. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其還包括一個(gè)耦合在第一電極相對于 類鉆碳材料的一側(cè)以使該類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置配置為一個(gè)電產(chǎn)生器的能 源收集器。
13. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其還包括一個(gè)有效地結(jié)合于第二電極 與第一電極之間以使該類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置配置為一冷卻器的電壓源。
14. 一種制造如權(quán)利要求l所述的類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置的方法，包括(a) 在第一電極上以氣體沉積法形成類鉆碳材料層，所述的類鉆碳材 料具有一個(gè)相對于第一電極的電子發(fā)射表面；(b) 在該電子發(fā)射表面形成中間構(gòu)件；(c) 將第二電極耦合于中間構(gòu)件相對于第一電極的一側(cè)。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中在第一電極上形成類鉆碳材料層 的步驟包括使用物理氣相沉積法。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中形成中間構(gòu)件的方法包括氣相沉 積法、薄膜沉積法、固體預(yù)先制成法、粉末堆積法或絲網(wǎng)印刷法。
17. 如權(quán)利要求14所述的方法，該方法還包括在第一電極相對類鉆碳 材料層的一側(cè)形成一個(gè)能量收集層的步驟。
18. 如權(quán)利要求14所述的方法，該方法還包括使該類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換 裝置經(jīng)由熱處理以強(qiáng)化界面邊界、并減少材料缺陷的步驟。
19. 一種產(chǎn)生電流的方法，包括將光能或熱能輸入如權(quán)利要求1所述 的類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置的能量輸入表面，該能量輸入表面足以產(chǎn)生電流， 該能量輸入表面位于第一電極相對于類鉆碳材料的一側(cè)。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中該光能或熱能足以讓第一電極保 持在IOCTC到180(TC的溫度范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明是一種可改善轉(zhuǎn)換功率、并增加可靠性的類鉆碳熱電能轉(zhuǎn)換裝置及其制造和使用方法。該裝置包括一個(gè)陰極(25)，其披覆有一個(gè)包含例如無晶鉆石之類的類鉆碳材料(5)的基層構(gòu)件(60)。一個(gè)電介質(zhì)中間構(gòu)件(55)可以電性耦合在類鉆碳材料(5)和陽極(30)之間。許多額外的結(jié)構(gòu)層和配置皆可改善性能，例如設(shè)有數(shù)個(gè)陰極層和/或數(shù)個(gè)中間結(jié)構(gòu)層。該熱電能轉(zhuǎn)換裝置可輕易配置為一臺電產(chǎn)生器和/或冷卻器。此外，本發(fā)明的裝置并不需要在真空環(huán)境中形成，且特點(diǎn)在于每處均完全堅(jiān)固。故本發(fā)明的裝置是可容許在降低成本下大量生產(chǎn)，并改善其轉(zhuǎn)換效率及可靠度的。
文檔編號H01L35/12GK101366129SQ200680003538
公開日2009年2月11日 申請日期2006年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月21日
發(fā)明者宋健民 申請人:宋健民