用于光頻整流器的方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】用于光頻整流器的方法和設(shè)備
[0001]本專利申請(qǐng)是國際申請(qǐng)日為2011年11月22日、國家申請(qǐng)?zhí)枮?01180054072.9、發(fā)明名稱為“用于光頻整流器的方法和設(shè)備”的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0003]本申請(qǐng)要求于2010年1月4日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/335，201的優(yōu)先權(quán)，該美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的全部內(nèi)容通過引用完全地并入本文。
[0004]公開圖片
[0005]圖1A。
技術(shù)領(lǐng)域
[0006]本發(fā)明涉及一種用于進(jìn)行光頻整流(optical frequency rectificat1n)以便更加有效地采收從紅外到可見光的輻射的技術(shù)。更具體地，本發(fā)明涉及一種基于天線末端的或諸如貼片天線上的其它成形邊緣的幾何非對(duì)稱性的光頻整流技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0007]在微波區(qū)域中的用于功率傳輸和檢測的整流天線(rectenna)的使用具有很長的歷史。應(yīng)用已經(jīng)包括:長距離功率集束、信號(hào)檢測、以及無線控制系統(tǒng)。用于微波功率的有效接收和整流的第一種接收裝置開發(fā)于二十世紀(jì)六十年代早期。
[0008]點(diǎn)接觸裝置(即，觸須型二極管)已經(jīng)被用于上至可見光頻譜的綠光部分的絕對(duì)頻率的測量，該裝置展示出飛秒數(shù)量級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，該響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)的MIM 二極管快幾個(gè)數(shù)量級(jí)大小。除了用于觸須型天線的納米線幾何結(jié)構(gòu)之外，貼片天線(例如，微帶天線)的使用可以具有擴(kuò)展的實(shí)心和空心的幾何結(jié)構(gòu)(例如，正方形、矩形、環(huán)形或其它形狀)，這在實(shí)際的裝置中提供了更健壯的穩(wěn)定性。
[0009]另外，貼片天線可以導(dǎo)致增強(qiáng)的天線性質(zhì)和輸出(參見K.R.Carver和J.ff.Mink，IEEE Trans.Antennas and Prop，AP-29，1，2 (1981))。此外，在愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)在柔性襯底上制備了這樣的黃金天線陣列。平面結(jié)構(gòu)將需要更簡單的制備。近來，Gupta和Willis使用原子層沉積(ALD)克服了生產(chǎn)納米縫隙結(jié)陣列的技術(shù)難點(diǎn)。使用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，隨后通過ALD生成約lnm的隧道結(jié)，在硅晶片上產(chǎn)生銅(Cu)-真空-銅隧道結(jié)的平面陣列。
[0010]最近，對(duì)使用銀(Ag)、金(Au)以及銅(Cu)末端的經(jīng)光學(xué)照射的MVM隧道結(jié)進(jìn)行的三維量子力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬，預(yù)測了由于在這些材料中在約3eV(對(duì)應(yīng)于可見光頻譜的高能量的綠光部分)處的表面等離激元(surface plasmonic resonance)諧振所引起的增強(qiáng)的整流和電流輸出。將由諸如鎢、鉬或鋁這些金屬形成的薄層沉積在下層天線結(jié)構(gòu)上將產(chǎn)生相同的結(jié)果。
[0011]不同于傳統(tǒng)的平面Μ頂二極管，在所提出的裝置中，整流處理可以僅僅(和/或主要地)由尖銳的納米線/mCNT末端的幾何非對(duì)稱性引起。在微帶天線或其它形式的貼片天線上所產(chǎn)生的刀片狀邊緣也可以提供整流處理所需要的固有的幾何非對(duì)稱性。
[0012]有效地采收頻譜的光頻部分中的能量的主要挑戰(zhàn)之一是開發(fā)將從頻譜中的紅外(IR)至可見光部分(約1015Hz)(包括了太陽能頻譜中的絕大部分)進(jìn)行整流的寬波帶裝置。當(dāng)前，硅基能量轉(zhuǎn)換裝置(光伏器件)是窄波帶裝置，其限制為對(duì)電磁頻譜的較低能量部分的收集。
[0013]這種用于光頻整流的技術(shù)具有如下應(yīng)用，包括但不限于:光伏器件(光子能量到電能的轉(zhuǎn)換)、將太陽能轉(zhuǎn)換為電能(參見于2010年9月21日頒發(fā)給Paul H.Cutler的名為 APPARATUS AND SYSTEM FOR A SINGLE ELEMENT SOLAR CELL 的美國專利N0.7，799，998 (在下文中被稱為Cutler);該美國專利的全部內(nèi)容通過引用并入本文)、熱能或化學(xué)能的太陽能電池、納米光子器件、近場光學(xué)器件、包括醫(yī)學(xué)和化學(xué)傳感器在內(nèi)的 IR 傳感和成像(參見 Optical antennas for nano-photonic applicat1ns, J.Alda,J.Rico-Garcia，J.Lopez-Alonso 以及 G.Boreman，Nanotechnology, vol.16，pp.S230-4，2005 ;和 Optical Antennas，Palash Bharadwaj, Brad Deutsch 以及 Lukas Novotny, Adv.0pt.Photon.1，438-483)。另外的應(yīng)用是信息的光頻傳輸和接收，以及能量轉(zhuǎn)換。這是有意義的，因?yàn)橐愿叩念l率所傳輸?shù)男畔⒌拿芏雀螅粚?shí)際上，密度根據(jù)頻率的平方而變化。對(duì)于穿過大氣的傳輸，損耗隨著頻率的增加而降低。
[0014]因此，對(duì)于采收而言，根本性的重要和關(guān)鍵的方面之一是實(shí)現(xiàn)到電磁頻譜的可見光部分的光學(xué)整流的能力。采用當(dāng)前的整流裝置，最快的頻率響應(yīng)被限制在IR。本申請(qǐng)人已經(jīng)開發(fā)了光學(xué)整流的新范例，并且理論上和實(shí)驗(yàn)上均證明了長期尋求的用于電磁頻譜的可見光部分的實(shí)際整流裝置的可行性。
[0015]現(xiàn)有技術(shù)嘗試解決在上文中所提出的多個(gè)問題。例如，1984年4月24日頒發(fā)給Alvin Μ.Marks 的名為 DEVICE FOR CONVERS1N OF LIGHT POWER TO ELECTRIC POWER 的美國專利N0.4，445，050(在下文中被稱為Marks-1)提出了用于光功率到電功率的直接轉(zhuǎn)換的裝置。本發(fā)明與Marks-Ι的不同之處在于，Marks-Ι使用了用于吸收可見光子的多個(gè)偶極天線?？梢姽庾拥慕涣麟妶霰挥脕硪鹋紭O天線中的電子諧振并且吸收電功率。在導(dǎo)電匯流排(busbar)上蓄積來自多個(gè)天線和相關(guān)的整流電路的直流(DC)功率。
[0016]另外，1988年 1 月 19 日頒發(fā)給 Marks 的名為 FEMT0 D1DE AND APPLICAT1NS 的美國專利N0.4，720, 642 (在下文中被稱為Marks-2)公開了由一端附接至Μ頂二極管的亞微米尺寸的偶極天線所構(gòu)成的飛秒整流裝置。Marks-2裝置是傳統(tǒng)的平面Μ頂二極管，其依賴于材料的選擇而不依賴于幾何結(jié)構(gòu)。重要的是要注意在Marks-2的MIM整流裝置中，裝置的響應(yīng)時(shí)間將受材料的選擇所限制，并且不延伸超過IR。
[0017]此外，1986年 3 月 4 日頒發(fā)給 Marks 的名為 ORDERED DIPOLAR LIGHT-ELCETRICPOWER CONVERTER的美國專利N0.4，574，161 (在下文中被稱為Marks-3)教導(dǎo)了包括具有嵌入其中的光吸收電傳導(dǎo)粒子的薄板的光功率到電功率轉(zhuǎn)換器。所述粒子可以是金屬的，或可以是導(dǎo)電分子(諸如共軛碳鏈)。Marks-3的電極是原位形成的，并且包括還原為金屬且形成預(yù)定圖案的鹽。
[0018]現(xiàn)有技術(shù)未意識(shí)到，當(dāng)前的硅基能量轉(zhuǎn)換裝置(光伏器件)是窄波帶裝置，其將收集和轉(zhuǎn)換限制到頻譜的較低能量部分。通常，傳統(tǒng)的整流天線由兩個(gè)不同的元件構(gòu)成:偶極天線和單獨(dú)的整流裝置(諸如Μ頂或Schottky 二極管)。因此，對(duì)于采收而言，根本性的重要和關(guān)鍵的方面是實(shí)現(xiàn)到太陽頻譜的可見光部分的光學(xué)整流的能力。采用當(dāng)前的整流裝置，最快的頻率響應(yīng)被限制在IR。
[0019]另外，現(xiàn)有技術(shù)的另一缺陷是傳統(tǒng)的平面Μ頂二極管的受限頻率響應(yīng)(受寄生電容效應(yīng)限制)的問題。
[0020]Cutler可以在很大程度上解決接收入射輻射和將入射輻射轉(zhuǎn)換為DC電流所需要的效率。本發(fā)明通過基于天線末端或諸如貼片天線上的其它成形邊緣的幾何非對(duì)稱性，來解決針對(duì)用于光伏器件和其它應(yīng)用的改進(jìn)的光學(xué)整流技術(shù)的需求，擴(kuò)展了 Cutler的成功。此外，存在以下需求:使用點(diǎn)接觸納米線/mCNT和諸如貼片天線等其它銳利邊緣裝置以及其固有的快速響應(yīng)時(shí)間，以克服傳統(tǒng)的平面MIM 二極管的受限頻率響應(yīng)的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種用于將從包括紅外(IR)到可見光頻譜的范圍的輻射轉(zhuǎn)換為DC電流的有效和新穎的設(shè)備。
[0022]本發(fā)明的另一方面是提供一種由納米線、或其它適當(dāng)?shù)爻尚蔚奶炀€或金屬碳納米管(mCNT)制成的單元件整流天線(即，在微波區(qū)域中最初使用的整流二極管和天線的組合)。
[0023]本發(fā)明的另一方面是提供一種同時(shí)用作接收天線和點(diǎn)接觸(或銳利邊緣)整流裝置兩者的整流天線。
[0024]本發(fā)明涉及一種用于接收入射輻射并將入射輻射轉(zhuǎn)換為DC電流的方法和設(shè)備。更具體地，本發(fā)明涉及一種基于天線末端或諸如貼片天線上的其它成形邊緣的幾何非對(duì)稱性的光頻整流技術(shù)。該方法從選擇具有終止末端的天線開始。該末端具有銳利邊緣，并且該天線能夠接收入射輻射。整流天線由具有以末端或銳利邊緣結(jié)構(gòu)終止的一個(gè)邊緣的接收天線(例如，貼片天線或納米線或mCNT)構(gòu)成，所述一個(gè)邊緣為幾何上非對(duì)稱的隧道結(jié)的一部分。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種用于接收入射輻射并將入射輻射轉(zhuǎn)換為DC電流的方法和設(shè)備。該方法包括從選擇用于具有終止末端的天線的適當(dāng)實(shí)施方式開始的多個(gè)步驟。該末端具有銳利邊緣，并且該天線能夠接收入射輻射?？梢詫臃e天線以便產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膶?shí)施方式。
[0026]層積包括:選擇襯底，以及首先將第一涂層層積在襯底上，使得第一涂層從襯底的近端邊緣沿襯底的長度延伸到中途。第一電極被層積在第一涂層上，以便從第一涂層的近端邊緣沿第一涂層的長度延伸到中途。然后，金屬天線被層積在第一涂層上，以便從第一電極的遠(yuǎn)端邊緣沿第一涂層延伸，并延伸超過第一涂層的遠(yuǎn)端邊緣。從包括鎢、鉬、鎳、金、鋁、銅以及銀的組中選擇用于天線的金屬。
[0027]然后，由金、銅、銀或具有期望性質(zhì)的其它適當(dāng)材料組成的等離激元層(plasmoniclayer)被附加在金屬天線的頂部，使得等離激元層從第一電極的遠(yuǎn)端邊緣沿金屬天線延伸，并延伸超過金屬天線的遠(yuǎn)端邊緣，并且在遠(yuǎn)端端部處向下延伸以便覆蓋金屬天線。形成縫隙，該縫隙一方面由等離激元層的終止端部和第一涂層的終止端部劃界，另一方面由第二電極和第二涂層劃界。第二電極被層積在第二涂層上，而第二涂層被層積在襯底上。
[0028]沿天線的長度感應(yīng)一組交流(AC)電流。然后該方法需要計(jì)算所產(chǎn)生的橫跨縫隙的感應(yīng)AC電壓是否足夠大以用于場發(fā)射。如果電壓足夠大，則基于在天線末端處的幾何非對(duì)稱性發(fā)起正向偏置和反向偏置。然后正向凈DC電流被引導(dǎo)到外部電