專利名稱：氣體物質(zhì)電子－躍遷化學(xué)能轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將化學(xué)反應(yīng)能直接轉(zhuǎn)換成電能的方法和裝置，更具體地說，本發(fā)明涉及產(chǎn)生振動高激發(fā)反應(yīng)產(chǎn)物并直接將該產(chǎn)物的能量轉(zhuǎn)換成其有用形式如電，在金屬表面上的熱電子，在半導(dǎo)體中的長壽命載流子，輻射或相干輻射的方法和裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種清潔和有效的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換方法，通常是通過將反應(yīng)氣體的化學(xué)反應(yīng)能直接和有效地轉(zhuǎn)換成電。然而，通過燃料電池系統(tǒng)所顯示出的單位質(zhì)量或單位容積的能量通常至少低于機(jī)械能。進(jìn)而，采用液態(tài)可貯藏燃料以產(chǎn)生所給蓄電池能量的燃料電池所需的容積通常顯著大于電池的容積。這意味著，不管燃料電池的效率如何，由于不存在燃料所需的空間，燃料電池目前的形式還不可能代替蓄電池。
此外，具有最高已知單位質(zhì)量能量的燃料電池的類型，即固體氧化物燃料電池需要在600-800℃下運(yùn)行。在該溫度下運(yùn)行會產(chǎn)生原料問題。原則上，燃料電池將顯示出需要在蓄電池容積下運(yùn)行的能量密度。但是，熱問題支配和妨礙了此目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
高性能燃料電池的另一種形式是旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置。但是，產(chǎn)電的機(jī)械發(fā)動機(jī)通常必須使用線圈和磁裝置而轉(zhuǎn)換機(jī)械能為電能，從而發(fā)動機(jī)就會非常笨重，能量密度會低于每克2瓦。
因而，仍然需要一種將化學(xué)能直接和有效地轉(zhuǎn)換成電的方法和裝置，以及無需高溫和材料并且無需相對笨重的機(jī)械裝置的方法。
化學(xué)反應(yīng)通常會產(chǎn)生高度振動的激發(fā)物質(zhì)，通過催化劑、注入自動催化劑或其它手段可促進(jìn)該反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)受激物質(zhì)與金屬接觸時(shí)，激發(fā)能量的絕大部分可被轉(zhuǎn)換成在金屬中的賦能電子，參見Huang，Yuhui；Charles T.Rettner，Daniel J.Auerbach，Alec M.Wodtke，Science，Vol.290，6 October 2000，pp 111-113，“電子轉(zhuǎn)移的振動促進(jìn)(Vibrational Promotion of Electron Transfer)”。
按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，振動激發(fā)的陰離子可吸收電子，并再次發(fā)射電子進(jìn)入晶格中，并攜帶大多數(shù)的激發(fā)能。類似地，陽離子可激發(fā)電子并再吸收，向晶格中發(fā)射空穴，而空穴帶有能量。電子或空穴是熱載流子。
近年來在表面科學(xué)中的實(shí)驗(yàn)觀察和理論研究證實(shí)，在與金屬表面的簡單簡短的接觸(約0.1微微秒)過程中，即使具有幾乎可有效地?fù)舸┧鼈兊幕瘜W(xué)鍵(振動量子數(shù)量超過數(shù)量約15)的能量的相對弱的負(fù)電性氣體分子可沉積大部分的振動能于金屬表面的電子中。與這種觀察相關(guān)連的研究和觀察也支持由振動受激化學(xué)物質(zhì)而將受激的，多量子能量轉(zhuǎn)換成單電子的理論。
通常，超過一半的振動式能量將直接轉(zhuǎn)換成金屬表面的電子，能量大于約5振動量子。結(jié)果，金屬表面的電子可攜帶大量有用的振動受激分子能量作為熱電子，也稱之為熱載流子。
在金屬中，熱載流子可在半導(dǎo)體中移動。熱電子轉(zhuǎn)換成在半導(dǎo)體中的激發(fā)或勢能差，從而其可轉(zhuǎn)換成其它有用的形式如驅(qū)動外電路中電流的勢能，半導(dǎo)體激發(fā)的反向總數(shù)，或者傳送至其它可使用的位置的熱載流子。
熱電子可轉(zhuǎn)換成半導(dǎo)體中的勢能。例如，美國第6,222,116號專利不用機(jī)械裝置直接收集這種熱電子，并且當(dāng)振動受激化學(xué)產(chǎn)物物質(zhì)在裝置的反應(yīng)表面上或幾個(gè)分子尺寸內(nèi)形成時(shí)，直接將它們轉(zhuǎn)換成電。通過使反應(yīng)速度足夠高以激發(fā)半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器使其保持有用的正向偏壓，在該專利中所述的裝置產(chǎn)生有用的電能。
通過從熱電子收集表面上解吸而除去用過的反應(yīng)產(chǎn)物可增強(qiáng)這種高反應(yīng)速度。去能分子解吸可留下空位進(jìn)行更多的反應(yīng)。使這些去能分子從接觸表面上遷移走可進(jìn)一步引發(fā)氧化劑與燃料的反應(yīng)。
因此，需要一種方法以直接由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生振動高激發(fā)物質(zhì)，并使激發(fā)的物質(zhì)的電能轉(zhuǎn)換在不同熱感的位置處發(fā)生，并由受激物質(zhì)的產(chǎn)生而分離。進(jìn)而，還需要反應(yīng)發(fā)生于容積內(nèi)而非僅在表面上，相比于在表面上進(jìn)行時(shí)增加反應(yīng)速度。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明提供了一種方法，該方法采用化學(xué)反應(yīng)物在反應(yīng)體積或區(qū)域產(chǎn)生振動受激氣體分子，取得大量的能量，例如作為在傳導(dǎo)面上的熱電子，并將能量如熱電子轉(zhuǎn)換成能量的有用形式。
該方法包括采用化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生振動受激分子，如高量子數(shù)振動受激氣體分子。當(dāng)受激分子接觸導(dǎo)體時(shí)，在振動受激分子中的振動能量被轉(zhuǎn)換成熱電子。提供如具有幾個(gè)分子碰撞平均自由行程尺寸并通過傳導(dǎo)面部分反彈的氣體反應(yīng)區(qū)域的幾何形狀，從而使受激分子可以在發(fā)射振動能有用部分之前通過、擴(kuò)散或漂移于導(dǎo)體中。選擇性地，產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換過程可至少部分地進(jìn)行熱分離。短壽命的熱電子在半導(dǎo)體中被轉(zhuǎn)換成較長壽命的個(gè)體，如載流子和勢能，從而可將能量轉(zhuǎn)換成有用的形式。
另一方面，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生能量的裝置，該裝置包括一個(gè)反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)中，反應(yīng)物如燃料和氧化劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，該反應(yīng)可產(chǎn)生高振動受激分子。使在反應(yīng)中產(chǎn)生的廢物排出系統(tǒng)。反應(yīng)區(qū)可足夠緊密地靠近收集表面，以使受激產(chǎn)物在到達(dá)收集表面之前不會發(fā)射掉其大量的能量。收集表面可包括一個(gè)表面如導(dǎo)體，在接近導(dǎo)體處或在其上，受激產(chǎn)物將能量轉(zhuǎn)換成熱電子或載流子(電子或空穴)。轉(zhuǎn)換區(qū)可與收集表面接觸，在此，熱電子或載流子被轉(zhuǎn)換成有用的形式，如由分離的載流子支持于半導(dǎo)體中的勢能。該轉(zhuǎn)換區(qū)可至少部分地至少以熱的形式與反應(yīng)區(qū)隔離。
另一方面，所述方法可包括轉(zhuǎn)換反應(yīng)產(chǎn)物激發(fā)，如振動態(tài)的偶極活化態(tài)的多量子能量變化，這是一種類型的受激化學(xué)產(chǎn)物的激發(fā)。
以下，結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)以及本發(fā)明各實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)與操作。在附圖中，同樣的參考標(biāo)號指示相同或功能類似的元件。


參考附圖，僅通過舉例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施方案，其中圖1顯示了裝置的截面示意圖，其中，分離的反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生賦能分子，收集區(qū)收集來自賦能分子的能量；圖2顯示了裝置的能量轉(zhuǎn)換器部分的截面示意圖，采用p-n結(jié)選擇由賦能分子的能量產(chǎn)生有用的電勢；圖3顯示了裝置的能量轉(zhuǎn)換器部分的截面示意圖，采用肖特基結(jié)選擇由賦能分子的能量產(chǎn)生有用的電勢；圖4顯示了截面示意圖，其中，反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生賦能分子，收集區(qū)收集來自賦能分子的能量，采用肖特基結(jié)產(chǎn)生電；圖5顯示了貯存由受激分子產(chǎn)生的激發(fā)的裝置的截面示意圖；圖6顯示了將受激分子產(chǎn)生的激發(fā)轉(zhuǎn)換為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的裝置的截面示意圖；圖7具有分離燃料和氧化劑通道，分開的反應(yīng)和收集區(qū)及熱隔離的裝置的截面示意圖；和圖8顯示了說明熱障和分離的反應(yīng)和收集區(qū)的裝置的截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
一方面，本發(fā)明的方法和裝置能夠增強(qiáng)峰值功率和能量轉(zhuǎn)換率，并進(jìn)一步可增強(qiáng)來自傳導(dǎo)面的廢物和污染產(chǎn)物的解吸。所述方法包括選擇對廢物具有相對低親合性的催化劑。這種催化劑包括鉑、鈀，相關(guān)的催化劑顯示出對于氫與醇燃燒的該種性質(zhì)。
另一方面，所述方法包括使燃料與氧化劑進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，使廢產(chǎn)物離開反應(yīng)區(qū)。廢產(chǎn)物可移出和擴(kuò)散出去。使廢產(chǎn)物稱出和擴(kuò)散出去的方法包括使氣體反應(yīng)物流過反應(yīng)表面，并讓廢產(chǎn)物離開表面進(jìn)入氣流中。另一方面，本發(fā)明的裝置可設(shè)計(jì)成產(chǎn)生簡單的一次性脈沖動力，在此情形下，廢產(chǎn)物無需離開反應(yīng)區(qū)。
本發(fā)明的方法可包括采用通過氣體反應(yīng)體積移動至傳導(dǎo)面的受激分子。當(dāng)受激分子與傳導(dǎo)面相互作用時(shí)，將大部分的化學(xué)振動能以賦能、彈道電子的形式送交至傳導(dǎo)面。形成的傳導(dǎo)面非常薄，允許彈道電子直接移動和擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體襯底中。半導(dǎo)體將電子轉(zhuǎn)換成可貯存的有用形式，與彈道電子的壽命(例如0.01微微秒)相比，具有更長的壽命(例如微微秒或更長)。通常，半導(dǎo)體形成為二極管，而能量的有用形式為二極管中作為的正向偏壓產(chǎn)生的電。
傳導(dǎo)面可包括催化劑和/或催化劑金屬，從而使催化劑上的反應(yīng)連續(xù)除去吸附物并提供清潔的金屬，振動受激氣體物質(zhì)可與其相互作用。與燃料和/或氧化劑一起供給的添加劑可補(bǔ)充催化劑。氧化反應(yīng)公知可有效地除去吸附的未反應(yīng)的物質(zhì)。幾乎所有的燃料空氣反應(yīng)為富氧反應(yīng)，趨向于支持或允許支持這種用于表面自潔的氧化反應(yīng)。
即使單層的反應(yīng)性吸附物居于傳導(dǎo)面上時(shí)，傳導(dǎo)面仍可認(rèn)為能進(jìn)行傳導(dǎo)。這種吸附物包括氧和燃料分子。通常，部分單層氧化物可在催化劑傳導(dǎo)面上形成。
一方面，本發(fā)明的裝置可采用燃料和氧化劑以在傳導(dǎo)面的附近產(chǎn)生受激分子。此外，通過燃料與氧化劑如空氣的反應(yīng)，也可在傳導(dǎo)面的附近產(chǎn)生高振動受激物質(zhì)，所述燃料例如為甲醇、氫或部分氧化和復(fù)合烴?？蛇x擇來自任一種還原材料或電子供體的燃料，包括但不限于氫，烴，復(fù)合烴，醇如甲醇、乙醇和丙醇，碳水化合物，部分氧化的烴，柴油燃料，煤油，有機(jī)物質(zhì)的汽化產(chǎn)物，燃料轉(zhuǎn)換爐的產(chǎn)物如氫氣和一氧化碳，以及包括氨在內(nèi)的易燃?xì)怏w。氧化劑可包括任一種電子受體，氧氣，空氣，過氧化氫和鹵素。另一方面，也可采用那些不論其是否被認(rèn)為是燃料和氧化劑的反應(yīng)物。因此，任何產(chǎn)生可移動至收集區(qū)的振動受激物質(zhì)的反應(yīng)均可用作能量源。
其它例舉性反應(yīng)物包括堿金屬與水的組合，而廢產(chǎn)物將包括堿氧化物與氫。反應(yīng)物的其它實(shí)例包括化學(xué)反應(yīng)物，其中燃料和氧化劑是相同的不穩(wěn)定的分子。這種化學(xué)反應(yīng)物的實(shí)例包括單組分推進(jìn)劑如MMH，單甲基肼。
一方面，振動受激物質(zhì)可通過任一種公知的方法產(chǎn)生。振動受激的物質(zhì)可包括部分反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，如包括包含羥基基團(tuán)OH，CO和HCO的反應(yīng)中間體。這些中間體可包含其它非反應(yīng)性物質(zhì)，如廢物，和空氣分子如氮?dú)饣蜓鯕?。這些中間體可從反應(yīng)物和其副產(chǎn)物獲得振動能。共振轉(zhuǎn)移僅僅是使中間體受激的方式之一。
為通過Eley-Rideal法形成振動受激物質(zhì)，可允許化學(xué)反應(yīng)性自由基如原子氫和氧撞擊在催化劑或?qū)w表面上吸附的氧或燃料。反應(yīng)物也可形成于金屬表面上，并例如經(jīng)Langmuir Hinshelwood法反應(yīng)。
一方面，可通過使燃料與空氣借助于催化劑和刺激劑進(jìn)行反應(yīng)，并通過采用在任何位置形成振動受激氣體分子的反應(yīng)幾何學(xué)來產(chǎn)生受激分子，在所述位置處，它們可易于在發(fā)射大量激發(fā)之前移動并擴(kuò)散至傳導(dǎo)面。
在操作過程中，可采用公知的刺激裝置如催化劑，反應(yīng)刺激器方法和添加劑以在反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)區(qū)后產(chǎn)生振動受激物質(zhì)。刺激器方法包括采用一種或多種催化劑，于反應(yīng)表面上的催化劑，放電，滑行放電，光學(xué)和光解方法，光學(xué)裝置和注入催化劑，催化或自動催化劑材料。刺激裝置可產(chǎn)生作為刺激劑的自由基，例如，采用電或光能。
由于最穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)被活化(具有保持反應(yīng)物公開的勢能障)，刺激裝置可提供采用電裝置的活化能量。所提供的裝置可恢復(fù)一部分所述能量。
燃料和氧化劑混合物在氣體化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生氣體產(chǎn)物，其初始狀態(tài)是，能量基本以振動模式集中。氣體的振動模式通常具有10′s至10,000′s氣體動力學(xué)碰撞的壽命(對于非共振作用)，并且對于典型的烴-空氣反應(yīng)產(chǎn)物來說，預(yù)平衡平均自由行程在氣體中為50-200納米數(shù)量級。這意味著，利用該平均自由行程的反應(yīng)通道將具有大至以下數(shù)量級的尺寸至少10′s至100′s的平均自由行程(由(3×振動壽命/碰撞間時(shí)間)的平方根給出)，因而將具有至多20,000納米數(shù)量級的尺寸(.02mm，1英寸的千分之0.8)。具有1或更大平均自由行程尺寸的該通道是實(shí)際上可制造的。
即使當(dāng)振動模式壽命將低至十分之一的平均自由行程，它們的金屬壁表面特征或通道的尺寸為1/2微米數(shù)量級。這些尺寸的特征為易于構(gòu)造。因而，這些通道或表面特征可構(gòu)造以使氣體分子在平衡退化了能量之前進(jìn)行作用。因此，在振動分子達(dá)到與其它模式如旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)移的平衡之前及在從能量收集和轉(zhuǎn)換表面除去的距離處，振動分子可被制造成與金屬壁進(jìn)行碰撞。
所提供的方法包括采用用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的體積或區(qū)域。采用所述體積或區(qū)域可允許反應(yīng)速度和相應(yīng)輸出功率高于采用表面時(shí)的相應(yīng)值。在體積或區(qū)域中可發(fā)生比在表面上更多的反應(yīng)。形成的體積反應(yīng)速度通常高于與催化劑轉(zhuǎn)換數(shù)相關(guān)的速度。由于反應(yīng)可在體積區(qū)域中刺激，同時(shí)能量收集可在表面區(qū)域中實(shí)現(xiàn)，與表面反應(yīng)的方式相比，該方法保持了高的輸出功率。通常，與宏觀反應(yīng)體積的情形相比，表面與體積比為1/2微米的情況是很高的。因此，與僅采用依賴于表面催化的表面反應(yīng)相比，采用體積可導(dǎo)致能量數(shù)值的增加。
從能量轉(zhuǎn)換區(qū)中分離高反應(yīng)速度，更高溫度體積區(qū)時(shí)，表面是一個(gè)特征，可允許完全電能系統(tǒng)，單位質(zhì)量的功率和單位體積性能的功率接近10-500瓦特/cc的氣體動力學(xué)限制，如在火箭引擎和噴氣引擎中的那些。具體而言，采用本發(fā)明的方法和裝置由化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能不需要機(jī)械式發(fā)電機(jī)(發(fā)電機(jī))，這種機(jī)械式發(fā)電機(jī)需要噴氣引擎和渦輪機(jī)系統(tǒng)，這樣使系統(tǒng)增加了相當(dāng)?shù)闹亓俊?br> 另一方面，所提供的方法包括產(chǎn)生熱量的至少部分地采用熱方式分離或隔離的反應(yīng)區(qū)，和在低溫下更有效地運(yùn)行的能量轉(zhuǎn)換區(qū)。廢熱也可從反應(yīng)區(qū)直接傳導(dǎo)并對流傳熱至排氣裝置。
這種隔離允許能量轉(zhuǎn)換器保持在低于反應(yīng)區(qū)的溫度之下。與傳導(dǎo)面相連的半導(dǎo)體中熱電子的轉(zhuǎn)換作為降低溫度的函數(shù)在指數(shù)上變得更為有效。
該熱隔離也允許反應(yīng)體積保持在高于能量轉(zhuǎn)換區(qū)的溫度下?；瘜W(xué)反應(yīng)速度通常作為溫度的函數(shù)在指數(shù)上加速。這種較高的反應(yīng)速度允許以與能夠泵送反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)區(qū)相一致的速度供應(yīng)反應(yīng)物。
另一方面，反應(yīng)區(qū)的不同部分可在升高的溫度下運(yùn)行，例如在600℃下，以刺激催化反應(yīng)并加速或維持反應(yīng)速度。
所提供的方法和裝置可采用在傳導(dǎo)面附近產(chǎn)生高振動受激物質(zhì)的幾何學(xué)。這里的“附近”是指對于高振動受激氣體物質(zhì)來說低于氣體擴(kuò)散距離幾倍的距離。
術(shù)語“緊密靠近傳導(dǎo)面”是指其中電荷彈道式地穿過空間的情形，也可指其中與化學(xué)物質(zhì)相關(guān)的電和磁場逐漸消失且不會傳播波形的情形，兩種情況下的尺寸通常均低于1000納米。
擴(kuò)散距離與特征距離相關(guān)，在發(fā)射大量能量之前，振動受激通過特征距離移動，所述擴(kuò)散距離在本文中稱之為振動擴(kuò)散長度。振動擴(kuò)散長度大約為通過其物質(zhì)將移動的三維鐘形曲線幾率分布的1-σ距離。這種擴(kuò)散模式規(guī)定，振動擴(kuò)散長度是碰撞平均自由行程與以下值平方根的乘積3乘以振動壽命和碰撞間時(shí)間之比。S.T.P.空氣的擴(kuò)散長度通常遠(yuǎn)低于20微米，通常超過幾百納米。
另一方面，本發(fā)明的方法可將短壽命的彈道載荷子(如通常壽命為0.010微微秒的熱電子)轉(zhuǎn)換成在半導(dǎo)體中長壽命的載流子，其壽命通常超過幾個(gè)微微秒。
另一方面，能量轉(zhuǎn)換器如半導(dǎo)體或量子勢阱直接與襯底接觸，將短壽命的襯底熱載流子轉(zhuǎn)換成長壽命的載流子或在半導(dǎo)體或量子勢阱中激發(fā)。
另一方面，本發(fā)明的方法可注入或轉(zhuǎn)換由表面與受激分子相互作用而形成的載荷子進(jìn)入半導(dǎo)體二極管以產(chǎn)生過量的二極管中的受激載流子。這種過量的受激載流子也可產(chǎn)生穿過二極管的電勢。
另一方面，本發(fā)明提供的裝置可包括p-n面結(jié)型二極管。在傳導(dǎo)面中產(chǎn)生的熱電子會穿過表面和中間材料而進(jìn)入p-型半導(dǎo)體襯底中。導(dǎo)體的費(fèi)米水平歐姆性接觸或近歐姆性接觸半導(dǎo)體的價(jià)帶(下帶)。因此，能量高于帶間隙的熱電子其能量也會高于傳導(dǎo)帶(上帶)，并成為在傳導(dǎo)帶中的少量載流子。然后，傳導(dǎo)帶電子遷移至p-n結(jié)處，并因內(nèi)部電勢被吸引在該處，因而施以正向偏壓至二極管而產(chǎn)生電。可有意選擇半導(dǎo)體的極性和能帶隙，以使當(dāng)熱載流子在半導(dǎo)體中時(shí)，熱載流子變成少數(shù)載流子。
例如，在p-n結(jié)中，可使用長壽命的少數(shù)載流子并轉(zhuǎn)換成其它有用的形式。例如，載流子可轉(zhuǎn)換成電?？稍试S載流子重組合成輻射能或輻射能的相干光束。進(jìn)而，載流子可擴(kuò)散至裝置的其它位置，并為進(jìn)一步的表面反應(yīng)提供受激載流子。載流子可用于在毫微米級機(jī)械系統(tǒng)中引起機(jī)械作用，和/或在半導(dǎo)體中提供由電源提供的載流子。因而，化學(xué)能量可被轉(zhuǎn)換成任一種其它有用的形式。
因此，一方面，本發(fā)明的方法包括形成p-n面結(jié)型二極管。這種二極管可為具有一個(gè)或二個(gè)大量摻雜或退化摻雜的極性的二極管。本發(fā)明的方法可包括形成摻雜梯度，其可寬于或窄于結(jié)區(qū)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，通過采用脈沖化學(xué)反應(yīng)施以高峰值功率于采用低能帶隙半導(dǎo)體的p-n結(jié)可增加效率，允許采用大約為0.05-0.1eV的小帶隙值。
可以理解，現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造p-n面結(jié)型二極管的描述包括多種不同的方法。這些方法包括金屬、半導(dǎo)體、氧化物和二極管絕緣體外層的各種區(qū)域和組合。某些區(qū)域的作用是形成與二極管的歐姆性接觸或近歐姆性接觸。其它功能包括點(diǎn)陣匹配。二極管可用摻雜組合的多種方案形成。所有這些變化方案在功能上可能均是相同的一種p-n面結(jié)型二極管。
本發(fā)明的方法和裝置可包括采用其能帶隙可通過選擇合金組成而制做的半導(dǎo)體化合物。所述制做可施在靠近傳導(dǎo)面和半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器附近或傳導(dǎo)面處，例如，產(chǎn)生電勢以將載流子從傳導(dǎo)面掃入半導(dǎo)體中。這些半導(dǎo)體包括InGaAsSb族半導(dǎo)體，其中，能帶隙的范圍大約為0.1eV至高于1.5eV，這取決于In與Ga的比例和As與Sb的比例。
本發(fā)明的方法和裝置也可包括采用間接能帶隙半導(dǎo)體，如硅和鍺和它們的合金。這種材料通常顯示出比直接能帶隙半導(dǎo)體更長的載流子壽命。這會增加p-n結(jié)的效率，發(fā)電機(jī)具體方案的效率和貯藏載流子具體方案的效率。
本發(fā)明的方法和裝置也可包括運(yùn)行具有偏壓的二極管以增強(qiáng)共振隧道效應(yīng)。一種方式是，當(dāng)電子轉(zhuǎn)移占優(yōu)勢時(shí)用偏壓運(yùn)行二極管，從而半導(dǎo)體的傳導(dǎo)帶與傳導(dǎo)面上的吸附物能級匹配。當(dāng)空穴轉(zhuǎn)移占優(yōu)勢時(shí)，價(jià)帶的匹配是適應(yīng)的。也可采用直接能帶隙半導(dǎo)體如來自InGaAsSb族的半導(dǎo)體。直接能帶隙半導(dǎo)體允許這樣配置，其可通過輻射和通過輻射的受激發(fā)射取得能量。
一方面，傳導(dǎo)面可形成于肖特基二極管的金屬接點(diǎn)上。然后，熱電子將通過金屬移動。具有足夠能量的熱電子可超越肖特基勢壘，并進(jìn)入二極管的n型半導(dǎo)體中。在半導(dǎo)體中熱電子通過與點(diǎn)陣進(jìn)行碰撞而釋放能量后，熱電子被捕集于半導(dǎo)體側(cè)，變成多數(shù)載流子，向二極管施以正向偏壓，產(chǎn)生電。當(dāng)載流子進(jìn)入二極管的比例足夠時(shí)，有用的發(fā)電就出現(xiàn)了。這種能量流量相應(yīng)于大于約1瓦特/cm2的表面功率密度。
因而，本發(fā)明提供的方法和裝置可包括形成肖特基面結(jié)型二極管。一方面，這些接點(diǎn)可高至足以允許有用的正向偏壓的勢壘電勢，勢壘通常超過0.05伏特。肖特基接點(diǎn)的能帶隙可為任何有用的數(shù)值，包括超過5伏特，其通常大于熱電子的能量。改變半導(dǎo)體的能帶隙(通過組成梯度)和摻雜水平允許減少勢壘的厚度，并且，也允許改變與二極管的金屬側(cè)距離的相對費(fèi)米水平。
所述的肖特基二極管可包括金屬，釘住水平(pinned-level)的，低摻雜半導(dǎo)體，高摻雜半導(dǎo)體，并可制做以顯示在金屬低摻雜接點(diǎn)處所需的勢壘電勢和在低摻雜高摻雜接點(diǎn)處的所需勢壘。薄勢壘允許電子隧道效應(yīng)，其反過來當(dāng)摻雜接近退化摻雜時(shí)，允許形成近歐姆性接點(diǎn)。
采用可變化的能帶隙和可變化的摻雜而形成肖特基二極管提供了一種在半導(dǎo)體側(cè)形成勢壘電勢而不會干擾金屬接觸側(cè)的阻塞或其它性質(zhì)?？勺兓哪軒犊赏ㄟ^改變半導(dǎo)體合金的組成作為距金屬表面距離的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。該方法允許二極管構(gòu)造成所需的和所制做的勢壘和費(fèi)米水平性質(zhì)。采用高峰值功率運(yùn)行低勢壘裝置可增加其效率，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，允許該低肖特基勢壘大約為0.05至0.1eV。
一方面，可選擇厚度為0.1至20納米厚度的氧化物層以形成肖特基勢壘并允許更好地控制勢壘。改變氧化物的厚度可控制通過氧化物的勢壘隧道效應(yīng)，因而改變接點(diǎn)的所需的性質(zhì)。氧化物可在受激產(chǎn)物與半導(dǎo)體間的任何位置放置。
類似地，賦能載荷子可轉(zhuǎn)移或注入半導(dǎo)體中或進(jìn)入量子勢阱系統(tǒng)中。該系統(tǒng)可依次或者轉(zhuǎn)換載流子成電，或者發(fā)射輻射或可將載流子轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)換的其它位置而成為有用的形式或用于化學(xué)過程中。
另一方面，形成的電能可有效地收集并轉(zhuǎn)換成半導(dǎo)體或量子勢阱中激發(fā)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，其激發(fā)可轉(zhuǎn)換成其它有用的能量形式。
另一方面，本發(fā)明的方法和裝置產(chǎn)生了在傳導(dǎo)面上的條件，在此，受激分子相互作用，表面強(qiáng)烈地有益于產(chǎn)生熱載流子或激發(fā)，而不是受激襯底振動，也稱之為聲子。這種有利的條件是通過制做費(fèi)米表面的量子狀態(tài)產(chǎn)生的，使用量子勢阱以匹配受激分子狀態(tài)，例如，通過使用一至數(shù)十金屬的原子金屬單層以形成傳導(dǎo)面。
可以選擇不會獲得吸附物從而有用于賦能電子轉(zhuǎn)移的表面材料如金屬，例如貴金屬金和銀。從反應(yīng)表面幾何學(xué)來講，可選擇采用有利于激發(fā)的增強(qiáng)反應(yīng)位置處濃度的幾何學(xué)構(gòu)造，如分子或原子表面梯級(step)和邊緣。進(jìn)而，可選擇傳導(dǎo)面的材料以具有聲子帶，其能量遠(yuǎn)低于多量子振動張弛。由重原子如鈀或鉑構(gòu)成的傳導(dǎo)面可顯示出該能帶。幾乎所有的結(jié)晶材料具有所需的聲子能帶頻率。
反應(yīng)表面幾何學(xué)構(gòu)造例如可包括梯級和/或邊緣位置，其可增強(qiáng)反應(yīng)或可包括可抑制反應(yīng)的單層表面。一方面，可以選擇具有德拜頻率至可來自所需激發(fā)頻率的材料。
在傳導(dǎo)面附近產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物的賦能釋放也可包括其能量進(jìn)入襯底能級的共振隧道效應(yīng)。這些能量包括非常寬的帶的可利用的無粒子的在金屬或半導(dǎo)體傳導(dǎo)帶中的電子激發(fā)態(tài)。當(dāng)由于賦能產(chǎn)物激發(fā)轉(zhuǎn)移為空穴時(shí)，這些能級可包括空穴態(tài)的類似帶。
通過受激分子與傳導(dǎo)面的相互作用而進(jìn)行的電子或熱載流子的發(fā)射可采用公知的反向方法，如由電子躍遷的解吸(DIET)或多電子躍遷的解吸(DIMET)。
一方面，傳導(dǎo)面形成得足夠薄，從而由該方式產(chǎn)生的受激載流子將轉(zhuǎn)移其能量至能量轉(zhuǎn)換器襯底，只有很小的能量損失。傳導(dǎo)面的厚度可為1至數(shù)千個(gè)單層材料，其厚度為取決于電子能量、點(diǎn)陣溫度和材料的工程參數(shù)，按照現(xiàn)有技術(shù)的描述可以構(gòu)造。
一方面，傳導(dǎo)面可形成得薄至使得熱載流子(電子或空穴)在釋放非常多的能量之前，穿過能量轉(zhuǎn)換器，即半導(dǎo)體。與這種彈道傳輸相關(guān)的尺寸大約為在導(dǎo)體或襯底中熱載流子能量擴(kuò)散長度的很小的倍數(shù)。所謂“很小的倍數(shù)”是指厚度足夠薄使得熱載流子或激發(fā)不會釋放如此多的能量，以至剩余能量為不切實(shí)際的低值。典型地，能量隨特征尺寸“能量擴(kuò)散長度”的平方以指數(shù)減小?！?”能量擴(kuò)散長度的距離是指低于5％的載流子具有大約與它們開始時(shí)相同的能量。
在室溫下，能量擴(kuò)散長度尺寸通常為在貴金屬組如金和銀中10至約1000傳導(dǎo)面金屬單層，其等價(jià)于大約3至300納米。在室溫下，對于能量低于1eV的電子來說，能量擴(kuò)散長度在金中可過量115納米，并且，其在銀中對leV的電子來說計(jì)算過量大約150納米。
可選擇通過導(dǎo)體表面在反應(yīng)物與半導(dǎo)體襯底間材料的尺寸低于與能量的輻射轉(zhuǎn)移相關(guān)的表皮深度。這種具體方案采用了“漸消失波”，在此，電磁場轉(zhuǎn)移了能量。在該具體方案中，取代電子發(fā)射和再吸附，賦能反應(yīng)產(chǎn)物的內(nèi)部能量通過中間材料如傳導(dǎo)面和基礎(chǔ)襯底共振地轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體或量子勢阱的載流子。這種類型的轉(zhuǎn)移可為共振轉(zhuǎn)移。
能量轉(zhuǎn)換器捕集由賦能產(chǎn)物發(fā)射的載荷子或電磁能量于傳導(dǎo)面或其附近，并將它們轉(zhuǎn)換成有用的形式。一方面，半導(dǎo)體二極管接點(diǎn)如p-n接點(diǎn)或肖特基接點(diǎn)用作能量轉(zhuǎn)換器。或者，可采用其它公知的能量轉(zhuǎn)換器。這種公知的能量轉(zhuǎn)換器可包括任何公知設(shè)計(jì)用于捕集由賦能產(chǎn)物在反應(yīng)表面或附近發(fā)出的載荷子或電磁能量的裝置，如用于光電能量轉(zhuǎn)換器的裝置，金屬-絕緣體-金屬裝置，金屬-氧化物-金屬裝置，量子勢阱和半導(dǎo)體裝置。例如參見Tiusan，C.等，Applied Physics Letters，79卷，25期，2001年12月17日，“在無半導(dǎo)體的金屬-絕緣體結(jié)構(gòu)中量子一致轉(zhuǎn)移對類二極管效應(yīng)(Quantum coherent transport versus diode-like effect insemiconductor-free metal-insulator structure)”，例如參見，Elena A.Guliants等，Applied Physics Letters，2002年2月25日，80卷，Issue8，1474-1476頁，“整流率為1E6的0.5微米厚度的多晶硅肖特基二極管”(“A 0.5-μm-thick polycrystalline silicon Schottky diodewith rectification ratio of 1E6.”) 。
如前所述，在體積內(nèi)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了可轉(zhuǎn)移至表面或能量轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部能量。化學(xué)能的有用部分被轉(zhuǎn)換成某種其它有用形式。一方面，化學(xué)反應(yīng)物用于以有用的比率有效地產(chǎn)生能量分子。有用形式的實(shí)例包括熱電子、熱空穴、電磁輻射、賦能聲子模式、賦能化學(xué)形式和賦能壓電體。
圖1顯示了裝置的橫截面圖，其中，反應(yīng)區(qū)生成賦能分子，分開的收集區(qū)收集來自賦能分子的能量。反應(yīng)區(qū)116使燃料112與氧化劑113反應(yīng)，從而產(chǎn)生賦能分子101。賦能分子101擴(kuò)散通過反應(yīng)區(qū)115，并移動至收集區(qū)114，該區(qū)包括轉(zhuǎn)換元件，在此，賦能分子與選擇性的催化劑102和收集區(qū)114的傳導(dǎo)面103接觸，在收集區(qū)中進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換器元件可包括非必要的催化劑102、導(dǎo)體103、界面導(dǎo)體110、界面半導(dǎo)體111、p-型半導(dǎo)體104、半導(dǎo)體結(jié)105和n-型半導(dǎo)體106、負(fù)電極107和正電極108。
反應(yīng)區(qū)115和116包括其相關(guān)的元件，例如刺激器117、118和119，反應(yīng)區(qū)用于生成賦能分子101，包括其相關(guān)的轉(zhuǎn)換器元件的收集區(qū)114收集來自賦能分子101的能量。反應(yīng)區(qū)115，116和刺激器117，118，119使燃料112與氧化劑113反應(yīng)，從而產(chǎn)生賦能分子101，其迅速擴(kuò)散至并與靠近收集區(qū)114的傳導(dǎo)面102，103接觸。由化學(xué)物質(zhì)向熱電子的能量轉(zhuǎn)換發(fā)生于非必要的催化劑102，傳導(dǎo)面103上和/或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)104，105，106中。熱電子的另一個(gè)能量轉(zhuǎn)換也發(fā)生于從傳導(dǎo)面103至界面導(dǎo)體110和界面半導(dǎo)體111并進(jìn)入半導(dǎo)體二極管，例如p-型半導(dǎo)體104，結(jié)105和n型半導(dǎo)體106，與它們進(jìn)行接觸。另一類型的能量轉(zhuǎn)換例如輻射，近場，漸消失波輻射，可出現(xiàn)于受激態(tài)化學(xué)產(chǎn)物101與半導(dǎo)體二極管之間。反應(yīng)區(qū)116中的刺激器117，118，119可在反應(yīng)刺激過程中消耗電。
一方面，催化劑102，118可以多種不同的構(gòu)型中的任一種形成，每種構(gòu)型具有具體的特性。催化劑可以任何方式形成，包括但不限于塊、單層、簇、脊、梯級邊緣、量子點(diǎn)、量子勢阱和量子場。采用邊緣和脊的構(gòu)型促進(jìn)吸附和反應(yīng)的活化位點(diǎn)。采用單層的構(gòu)型可顯示下面的優(yōu)點(diǎn)制做和引起在靠近費(fèi)米表面電子狀態(tài)的密度的共振和峰值，增強(qiáng)在這些能量處能量的轉(zhuǎn)換。簇可增強(qiáng)彈道電子壽命并使表面聲子態(tài)去偶化，增加效率。
如圖1所示，收集區(qū)可為二極管104，105和106。賦能分子101通過擴(kuò)散區(qū)115中的氣體迅速擴(kuò)散至收集區(qū)114，在此，它們被轉(zhuǎn)換成有用的形式，如電。去能分子109從收集區(qū)擴(kuò)散出去，也可稱其為廢氣。
另一方面，反應(yīng)區(qū)116，115可位于由收集區(qū)114分開的區(qū)域，但在相同的結(jié)構(gòu)上，例如，在相同的襯底上所述收集區(qū)114包含傳導(dǎo)面102，103。顯示的平面可代表用于此實(shí)施方案的常規(guī)襯底。在該構(gòu)型中，包含催化劑和/或反應(yīng)刺激器117，118，119的反應(yīng)區(qū)115，116可位于襯底的一部分處，而包括轉(zhuǎn)換器元件的收集區(qū)114在另一部分上。分離的區(qū)域也將參看圖7進(jìn)行描述。
反應(yīng)區(qū)115，116可設(shè)計(jì)成使得在該區(qū)產(chǎn)生的賦能分子所預(yù)期的部分?jǐn)U散，移動或被傳送至收集區(qū)114。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，即使大部分所希望的部分接近一致，所預(yù)期的部分將是工程設(shè)計(jì)的結(jié)果。例如，這種設(shè)計(jì)可選擇相對較小的反應(yīng)區(qū)，在相對較大的收集區(qū)中或部分包圍于相對較大的收集區(qū)中。
另一方面，反應(yīng)區(qū)115，116可包括不同種類的反應(yīng)區(qū)，每一個(gè)以不同的方式處理燃料112和氧化劑113，最終產(chǎn)生在收集區(qū)114中的賦能分子，以及離開該區(qū)域的廢氣。另一方面，可使用揮發(fā)性或氣體燃料和氧化劑反應(yīng)物，使反應(yīng)區(qū)115，116產(chǎn)生賦能分子。
在反應(yīng)區(qū)116與收集區(qū)114間的距離設(shè)計(jì)成足夠短以基本保持賦能分子的振動激發(fā)。賦能分子通過氣體擴(kuò)散在兩個(gè)區(qū)域間穿行。與其它氣體分子間的相互作用最終將搶奪激發(fā)能量，產(chǎn)生熱量。所述距離通常設(shè)計(jì)為低于振動能擴(kuò)散長度的4倍。該擴(kuò)散長度公知通常長于碰撞平衡自由行程再乘以3至100(振動擴(kuò)散長度＝碰撞平衡自由行程×(以碰撞間時(shí)間為單位的3倍振動壽命的平方根)，振動壽命通常為10至10,000)。例如，對于空氣分子來說，碰撞平均自由行程大約為100納米。這意味著，在反應(yīng)區(qū)和收集區(qū)間的距離可長于100納米的3～100倍。因此，形成反應(yīng)區(qū)以使得由賦能分子至收集區(qū)的距離低于分子振動能量模式的擴(kuò)散長度的大約4倍。
另一方面，本發(fā)明的方法包括形成與半導(dǎo)體區(qū)接觸的傳導(dǎo)面。術(shù)語“接觸”包括各種構(gòu)型，在此，另一個(gè)傳導(dǎo)面，催化劑，材料，氧化劑或金屬置于賦能分子與傳導(dǎo)面或基礎(chǔ)半導(dǎo)體間，并用作能量轉(zhuǎn)換的通道。這包括放置傳導(dǎo)面接近反應(yīng)區(qū)。在一種實(shí)施方案中，“接近”是指在以下距離內(nèi)電子激發(fā)可通過，以至于超過5％的激發(fā)保持超過15％的能量，或者其中共振隧道效應(yīng)可傳輸能量足夠快使得不超過85％的能量損失掉。本發(fā)明的方法也包括將傳導(dǎo)面設(shè)置于反應(yīng)表面上，鄰近或在其下面。這包括諸如深V通道和臺面結(jié)構(gòu)。
另一方面，材料的路徑可形成以用于在傳導(dǎo)面中彈道載菏子傳輸。這種路徑限于長度低于約載荷子能量擴(kuò)散長度的4倍。另一方面，部分路徑可由包括金屬、半導(dǎo)體或絕緣體中任一種的材料形成，材料的能量擴(kuò)散長度超過1原子層。
本發(fā)明的方法提供了一種自面對反應(yīng)物的表面至半導(dǎo)體的短路徑。該路徑的長度優(yōu)選低于由賦能產(chǎn)物生產(chǎn)的熱電子或熱空穴能量擴(kuò)散長度的4倍。作為一種選擇，該路徑也可由催化劑金屬制成。當(dāng)該路徑由優(yōu)良的導(dǎo)體金屬如銅、鋁、銀和金制成時(shí)，適宜的能量擴(kuò)散長度厚度可基本上大于在催化劑中，如鉑、鈀、銥、銠、釕、氧化釩、二氧化鈦、氧化鋁、氧化釕、氧化物和其它化合物。形成電極的材料的厚度通?？蔀?.3～300納米，相當(dāng)于大約1～1000單層。形成催化劑的材料的厚度通?？蔀?.3～50納米。
一方面，本發(fā)明的裝置可包括襯底102，103，110，其包括氧化物、絕緣體和混合催化劑，包括但不限于鉑、鈀、銥、銠、釕、氧化釩、氧化釕、氧化物和其它化合物，而不論這些化合物是否為催化劑，絕緣體或?qū)w。例如，襯底可包括氧化釕，其同時(shí)為氧化物和導(dǎo)體。
一方面，當(dāng)熱載流子是電子時(shí)，選擇半導(dǎo)體為p-型。p-型半導(dǎo)體104與傳導(dǎo)面(110和/或111)物理聯(lián)接，從而在它們之間的任何勢壘非常小或不存在。例如，傳導(dǎo)面110可置于薄電極金屬111上，電極材料111粘結(jié)至p-型半導(dǎo)體104上。在金屬-金屬聯(lián)系接觸110，111中的電壘幾乎總是可以忽略的。另一方面，在110和111間的材料間斷可置一所需的勢壘以相對于聲子傳輸，因此相對于熱傳輸。
高度摻雜半導(dǎo)體104，包括稱為退化摻雜的高摻雜限制，以及由公知與形成電接觸至半導(dǎo)體相容的電材料110或111減少在電極與半導(dǎo)體間的肖特基勢壘。電極材料111也可為另一個(gè)半導(dǎo)體，這是日常采用于半導(dǎo)體裝置生產(chǎn)技術(shù)中采用的方法。結(jié)果是，傳導(dǎo)面費(fèi)米水平和p-型半導(dǎo)體價(jià)帶的費(fèi)米水平(低帶的頂邊緣)是相等的。熱載流子能量的測量相對于傳導(dǎo)面費(fèi)米水平的能量。結(jié)果是，某些接近半導(dǎo)體的熱載流子具有高于傳導(dǎo)面費(fèi)米水平的能量，從而具有大約高于p-型半導(dǎo)體費(fèi)米水平的相同的能量。
然后，熱載流子試圖進(jìn)入具有過量能量的半導(dǎo)體104，其能量值高于導(dǎo)體表面102，103和/或110和半導(dǎo)體104價(jià)帶。通過該設(shè)計(jì)，事實(shí)上在對于電子激發(fā)的半導(dǎo)體能帶隙內(nèi)部不存在能級。僅有的能夠用于在半導(dǎo)體104中熱電子的能級是在上帶即傳導(dǎo)帶中。
一方面，選擇該上帶的位置稍小于電子的主能量，從而電子可易于進(jìn)入半導(dǎo)體104。通過構(gòu)造半導(dǎo)體104的能帶隙小于該熱電子光譜所選能量，或者通過選擇半導(dǎo)體具有所要求的能帶隙，可達(dá)到所述要求。這意味著，熱電子的所需部分進(jìn)入在其傳導(dǎo)帶中的p-型半導(dǎo)體。這使p-型半導(dǎo)體104的傳導(dǎo)帶具有能量。因此，電子轉(zhuǎn)換成少數(shù)載流子而非彈道載流子。少數(shù)載流子通常其壽命長于彈道載流子的壽命。
另一方面，當(dāng)熱載流子是空穴時(shí)，選擇半導(dǎo)體為n-型。參看p-型半導(dǎo)體所述的方法，產(chǎn)生相同的結(jié)果，即短壽命載流子被轉(zhuǎn)換成長壽命的載流子。有利地，具有間接和直接能帶隙的半導(dǎo)體材料可利用具有能量從最低值約0.05eV至高于大多數(shù)反應(yīng)物的帶能量，超過3eV。
半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的壽命一般至少比彈道載流子的壽命長100倍。這種較長的壽命給熱的少數(shù)載流子提供機(jī)會以遷移、擴(kuò)散或被半導(dǎo)體內(nèi)場吸引到相反類型的半導(dǎo)體，即n-型半導(dǎo)體內(nèi)區(qū)域。p-n結(jié)形成穿透它的強(qiáng)電場并吸引接近它的少數(shù)載流子。
在半導(dǎo)體連接中，半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子遇到其在光電二極管中所遇的完全相同的情況。在光電二極管中，p-n結(jié)的電場清除穿過此連接的熱載流子，使此二極管產(chǎn)生正向偏壓并產(chǎn)生有用的電勢。
一方面，選擇p-型半導(dǎo)體104二極管層厚度小于傳送能量的少數(shù)載流子的能量擴(kuò)散長度。這種平均自由行程經(jīng)常指擴(kuò)散長度。所述載流子最終在長于擴(kuò)散長度的距離內(nèi)重新結(jié)合并產(chǎn)生熱。這種擴(kuò)散長度一般數(shù)量級為200nm或更大。
一方面，二極管104、105、106可以類似于光電二極管，但存在關(guān)鍵的、非顯著的差別。已知的光電二極管必須由接近大至足以收集通過它的光連接點(diǎn)的區(qū)域形成。它通常大于數(shù)百納米。為了增大光收集距離，此半導(dǎo)體連接必須包含至少一種較少的摻雜區(qū)域。這種限制迫使光電二極管的n或p區(qū)的摻雜大大小于所考慮的大量摻雜或退化摻雜。這種較低的摻雜水平減少了二極管的電阻區(qū)產(chǎn)物并因此降低其效率。
與已知的光電二極管不同的是，二極管104、105、106不需要收集這種光子且不需要大光子收集區(qū)域。因此裝置中的二極管104、105、106不需要一個(gè)或其它多個(gè)半導(dǎo)體區(qū)被低度摻雜。因此二極管104、105、106可以使用高度摻雜或退化摻雜的半導(dǎo)體作為工程設(shè)計(jì)的自由參數(shù)。這種摻雜使電阻區(qū)產(chǎn)物最大化，因而使二極管效率最大。因此，二極管104、105、106可以同時(shí)具有高度或退化摻雜的n106和p104區(qū)。與光電二極管不同的是，高度摻雜增加二極管的能量收集效率。高度摻雜還增大電場，從而趁于清除穿過結(jié)105的注入的少數(shù)載流子。
因此，半導(dǎo)體104可以被退化摻雜至淺薄的深度，如0.1-0.5微米(100-500納米)。高度摻雜和退化摻雜的半導(dǎo)體可以用于使導(dǎo)體110、111到產(chǎn)生熱載流子的二極管104表面和到產(chǎn)生正向偏壓的p-n結(jié)105的距離最小化。因此，高度摻雜和小p-n結(jié)尺寸成為一種有用的方法。高度摻雜還允許使用較薄的半導(dǎo)體，如厚度小于1微米的半導(dǎo)體。它還允許方便的摻雜實(shí)例。
所提供的方法和裝置產(chǎn)生實(shí)際上有用的效率(大于20％)，并可以獲得低至數(shù)量級10瓦每平方厘米的賦能分子能量密度。二極管效率隨能量而迅速增大，從而使用大于10瓦每平方厘米可以導(dǎo)致大于10瓦的更高效率，如非線性優(yōu)點(diǎn)。
圖2顯示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的裝置的能量轉(zhuǎn)換器部分的一個(gè)橫截面。在此實(shí)施方案中，氣相賦能分子101產(chǎn)生移動至p-n結(jié)半導(dǎo)體二極管104、105和106的熱賦能電子，使其正向偏壓化并產(chǎn)生電流。如所示的，賦能分子101流動到傳導(dǎo)面102和103。去能分子109，還指排出產(chǎn)物，離開傳導(dǎo)面102和103區(qū)域。氣體表面相互作用導(dǎo)致產(chǎn)生熱電子，它使由p型半導(dǎo)體104、p-n結(jié)105和n型半導(dǎo)體106形成的半導(dǎo)體二極管正向偏壓化。
傳導(dǎo)面包括非必要的催化劑102、傳導(dǎo)材料103、非必要的界面?zhèn)鲗?dǎo)電極110和非必要的界面111，如p型半導(dǎo)體。傳導(dǎo)材料103形成襯底，用于和賦能的分子101相互作用。非必要地，可以在此傳導(dǎo)材料103上形成非必要的催化劑結(jié)構(gòu)102。
非必要的界面?zhèn)鲗?dǎo)電極110和非必要的界面p型半導(dǎo)體111表明材料的限制可能導(dǎo)致被迫需要不同類型的材料。例如，可能需要一種類型傳導(dǎo)材料103用于最優(yōu)化與賦能分子101的相互作用?？赡苄枰硪环N類型傳導(dǎo)材料110用于形成半導(dǎo)體111的歐姆性或近歐姆性連接?？赡苄枰@種阻性連接用于二極管半導(dǎo)體104的歐姆性連接。當(dāng)材料相容時(shí)，材料102、103和110可以由相同的材料的材料如導(dǎo)體形成。二極管材料111和104也可以相同。
例如，當(dāng)半導(dǎo)體111極大地?fù)诫s(還稱為退化摻雜)時(shí)，催化劑102或金屬103或110可以與半導(dǎo)體111形成歐姆性連接或近歐姆性連接。在這種情況下，催化劑102或?qū)w103可以用作襯底110，以將傳導(dǎo)面連接至半導(dǎo)體二極管。
在傳導(dǎo)面102和103中產(chǎn)生的熱電子是導(dǎo)體中的彈道多數(shù)載流子。這些具有足以進(jìn)入半導(dǎo)體傳導(dǎo)帶的能量的電子移動至p-型半導(dǎo)體104，其中電子被轉(zhuǎn)換為少數(shù)載流子。通過將低能量孔遷移到傳導(dǎo)面102和103的p-型半導(dǎo)體104而發(fā)生電平衡。少數(shù)載流子通過擴(kuò)散以及結(jié)105的內(nèi)電場而移動到二極管的p-n結(jié)105。該內(nèi)電場導(dǎo)致載流子變成二極管的n-型半導(dǎo)體106的多數(shù)載流子，導(dǎo)致二極管被正向偏壓化。通過二極管產(chǎn)生的正向偏壓產(chǎn)生電流。取此電流作為正電極108和負(fù)電極107之間的正向電流。
另一方面，參照圖2，接近101、109和接近102、103的反應(yīng)區(qū)可以包括收集區(qū)102、103的表面。102中包含的催化劑和/或同時(shí)位于傳導(dǎo)面102、103上的102所包含的反應(yīng)刺激機(jī)構(gòu)用于產(chǎn)生燃料和氧化101，且對于109，包括在表面102、103上和接近109的體積區(qū)內(nèi)，或在表面102、103的直接相鄰處的傳導(dǎo)面102、103上形成賦能分子109。術(shù)語“接近”意指在產(chǎn)物流109內(nèi)的能量激發(fā)產(chǎn)物的若干擴(kuò)散尺寸內(nèi)，如本說明書中所述。
圖3顯示裝置的能量轉(zhuǎn)換器部分的橫截面，在這種情況下，賦能分子產(chǎn)生移動至肖特基結(jié)半導(dǎo)體二極管，使其正向偏壓化并產(chǎn)生電流的熱的賦能電子。氣相賦能分子101流動到傳導(dǎo)面102和/或103上。去能分子109，還指排出產(chǎn)物，離開傳導(dǎo)面區(qū)域。這種相互作用的結(jié)果產(chǎn)生熱電子。具有高于肖特基勢壘的能量的熱電子移動至半導(dǎo)體二極管110、111和104，并將其正向偏壓化。通過連接傳導(dǎo)面110和n型半導(dǎo)體111和104形成二極管110、111和104。
另一方面，傳導(dǎo)面可以包括非必要的催化劑102、傳導(dǎo)材料103、非必要的界面?zhèn)鲗?dǎo)電極110和非必要的界面n型半導(dǎo)體111。非必要的界面?zhèn)鲗?dǎo)電極110和非必要的界面n型半導(dǎo)體111表明材料的限制可能被迫需要面對賦能分子101的一種類型傳導(dǎo)材料103和面對半導(dǎo)體111和104的另一種類型的傳導(dǎo)材料110。傳導(dǎo)材料103形成用于與賦能分子發(fā)生優(yōu)選相互作用的襯底。還可以在傳導(dǎo)材料103上形成非必要的催化劑結(jié)構(gòu)?？梢允橇硪环N類型的傳導(dǎo)材料110用于形成半導(dǎo)體111的肖特基結(jié)。在某些設(shè)計(jì)中半導(dǎo)體111和半導(dǎo)體104可以相同。當(dāng)材料相容時(shí)，催化劑102、襯底103和電極110的材料可以由相同的材料如導(dǎo)體形成。例如，催化劑或金屬可以形成半導(dǎo)體的肖特基結(jié)。在此實(shí)施方案中，催化劑102或?qū)w103或110可以用作電極110以將傳導(dǎo)面連接到半導(dǎo)體二極管。
在傳導(dǎo)面102、103和110上產(chǎn)生的熱電子是導(dǎo)體內(nèi)的彈道多數(shù)載流子并移動到n-型半導(dǎo)體111和104，其中這些電子也是多數(shù)載流子。在此過程中，電子釋放能量為大約等于它們的高于肖特基勢壘的最初能量和n型半導(dǎo)體的費(fèi)米水平之間的差值的熱量。
半導(dǎo)體內(nèi)的晶格和電子的碰撞將過度的能量降低到基本上小于墊壘的值。這種能量損失的結(jié)果是減少以相反方向移動的電子的數(shù)量。這允許在二極管上產(chǎn)生正向偏壓。
通過來自傳導(dǎo)面110上的空穴的遷移發(fā)生電荷平衡。這些電子導(dǎo)致二極管110、111和104被正向偏壓化。通過穿過二極管110、111和104產(chǎn)生的正向偏壓而產(chǎn)生電流，并利用它作為在正電極108和負(fù)電極107之間的正向偏壓。
襯底110可以是選擇用于形成在金屬-半導(dǎo)體連接處的肖特基勢壘的導(dǎo)體。因此襯底110還可以形成二極管的電連接，此電連接還稱為二極管電極。
圖4顯示在功能上類似于參照圖1所述裝置的裝置的橫截面。差別在于圖4中所示的半導(dǎo)體二極管是肖特基結(jié)而不是圖1的p-n結(jié)。
在圖1和圖4的裝置中，可以容易地推定和觀察到反應(yīng)區(qū)116的物理位置可以為以下任何一種位置1)與收集區(qū)114相同；2)與相同襯底102、103和110上的收集區(qū)114相鄰；3)在接近收集區(qū)114的納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)上的收集區(qū)114附近；4)完全獨(dú)立于收集區(qū)；或5)包括在不同位置的多種不同種型的反應(yīng)刺激物。
另一方面，圖1和圖4所示的裝置顯示了反應(yīng)區(qū)和收集區(qū)的物理分離如何可以有利于熱方面的考慮。也就是說，反應(yīng)區(qū)可以由于物理分離而保持大大高于收集區(qū)的溫度。
圖1和圖4中所示的反應(yīng)區(qū)116可以是薄圓柱，例如它形狀類似金屬絲，被形狀為更大尺寸的圓柱或盒的收集區(qū)同軸環(huán)繞。反應(yīng)區(qū)116可以是與收集區(qū)相同尺寸的平面表面，例如作為盒結(jié)構(gòu)的反面或通道結(jié)構(gòu)的反面或壁。反應(yīng)區(qū)116可以是一組獨(dú)立于并位于片狀收集區(qū)114表面上的金屬絲狀區(qū)域。收集區(qū)114可以形成被金屬絲狀反應(yīng)區(qū)裝置，點(diǎn)狀反應(yīng)區(qū)環(huán)繞的坪區(qū)或柱。這些結(jié)構(gòu)僅表示為分離反應(yīng)和收集區(qū)的方法實(shí)施例。圖1和圖4的結(jié)構(gòu)表示分離區(qū)的一般概念。
在另一實(shí)施方案中，參照圖1和圖4，反應(yīng)區(qū)115、116可以設(shè)計(jì)成在比收集區(qū)114較高的溫度下工作。反應(yīng)區(qū)115、116可以包括反應(yīng)刺激物117、118、119，如電、光或化學(xué)注射刺激物，它可能要求熱分離、電分離、光波導(dǎo)和化學(xué)注射器。反應(yīng)區(qū)115、116可以包括在圖中沒有顯示的吸熱設(shè)備，該設(shè)備與收集區(qū)114的吸熱設(shè)備分離。還可以由通過反應(yīng)區(qū)115、116的氣流109的對流作用除去熱。
反應(yīng)區(qū)116包括刺激物或催化劑。這些物質(zhì)可以包括結(jié)構(gòu)119、電刺激物、光刺激物、一般顯示為117的催化劑、一般顯示為118的熱金屬絲或結(jié)構(gòu)，和注射的化學(xué)刺激物如自動催化劑和自由基發(fā)生器或反應(yīng)刺激物。附加的自動催化劑和自由基發(fā)生器的實(shí)例包括使用添加劑如過氧化氫和甲醇。
圖5顯示儲存由激發(fā)的分子產(chǎn)生的刺激的裝置的橫截面。此裝置可以與參照圖2說明的裝置類似。在圖5所示的裝置中，可以不同于產(chǎn)生電流的另一種方式使用熱電極。源自賦能分子的熱電子形成p型半導(dǎo)體104中的電子和n型半導(dǎo)體106中的空穴，它們擴(kuò)散到半導(dǎo)體的其它區(qū)域131，包括沿著結(jié)130。在那里熱載流子可以用于其它目的。在圖5中，收集區(qū)、反應(yīng)物101、排出物109、非必要的催化劑102、傳導(dǎo)面103、界面導(dǎo)體110、界面半導(dǎo)體111、p-型半導(dǎo)體104、結(jié)105和n-型半導(dǎo)體106的元件可以與圖2的元件功能相似。
表示為n-型的半導(dǎo)體區(qū)106實(shí)際上可以是具有低于p-型區(qū)104的摻雜的p型，或者區(qū)域106可以為本體(未摻雜)。在區(qū)域106和p-型區(qū)104之間施加電信號可以用于控制載流子的運(yùn)動和儲存。
一方面，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)用于儲存由熱電子產(chǎn)生的電荷載流子。這些半導(dǎo)體可以收集一個(gè)區(qū)域內(nèi)的電子，并允許所得的較長存在的載體擴(kuò)散至其它區(qū)域。本發(fā)明可以將此長時(shí)間存在的載流子分布到反應(yīng)表面的其它位置。然后這些傳送的載流子可以離開半導(dǎo)體，并在傳導(dǎo)面或反應(yīng)表面轉(zhuǎn)換回彈道載流子，并進(jìn)行有用的工作。這些工作包括刺激反應(yīng)和能量納米化學(xué)裝置或分子能量。這些納米化學(xué)裝置的實(shí)例包括納米螺旋槳、C60晶體管和生物材料驅(qū)動蛋白(kinesin)。
在其它區(qū)域的載流子可以導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)的電子和空穴的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，或者可以導(dǎo)致將載流子傳送到另一表面以注射至該表面，或者可以導(dǎo)致將載流子傳送至完成某些其它有用目的的區(qū)域。
其它目的的實(shí)例包括將載流子注射到半導(dǎo)體以控制電流，如晶體管中的電流；將載流子從半導(dǎo)體131的表面再注射到與其連接的被吸附物表面以導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)或賦予被吸附物能量以使其變得更具有反應(yīng)性或被能量激發(fā)；導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)；控制化學(xué)反應(yīng)；刺激反應(yīng)；賦予表面吸附物能量使其進(jìn)入激發(fā)狀態(tài)；賦予表面等離振子能量；將載流子注射到壓力-電或電致伸縮元件以導(dǎo)致至機(jī)械運(yùn)動的轉(zhuǎn)換；導(dǎo)致粒子數(shù)反應(yīng)以導(dǎo)致光發(fā)射；注射至量子勢阱結(jié)構(gòu)以導(dǎo)致電磁發(fā)射；賦予半導(dǎo)體電路能量；和/或轉(zhuǎn)換為其它形式，包括聲子。
圖6顯示功能上等同于參照圖5所述裝置的裝置的橫截面。在圖6所示的裝置中，半導(dǎo)體p-n結(jié)105中的載流子的使用是一種反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)。在此模式中，以類似于激光二極管或光發(fā)射二極管的方式從二極管中取得能量111，其中元件112代表光學(xué)元件。這種激光二極管和光發(fā)射二極管的操作對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說通常是已知的，因而本文不再進(jìn)行解釋。
圖7顯示具有分離反應(yīng)和收集區(qū)的裝置。反應(yīng)區(qū)713，包括催化劑703和/或反應(yīng)刺激物701、702，可以位于襯底710的一部分，而包括傳導(dǎo)面704及其相關(guān)的半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器元件(包括傳導(dǎo)面704、界面導(dǎo)體705、電極706、p-型半導(dǎo)體707、結(jié)708、n-型半導(dǎo)體709、襯底710)的收集區(qū)714位于該襯底的另一部分。
如在圖7中所示，反應(yīng)區(qū)713可以設(shè)計(jì)為比收集區(qū)714較小。反應(yīng)區(qū)713還可以排列在較大的收集區(qū)714內(nèi)或被較大的收集區(qū)714部分地圍繞。反應(yīng)區(qū)713的催化劑703還可以從收集區(qū)714分離，該收集區(qū)部分圍繞反應(yīng)區(qū)713。
參照圖7，可以形成與空氣或氧化劑流716分離的燃料通道715。這種分離可以采用多種形式。例如，可以形成穿透進(jìn)入液體燃料715基本來源的具有空穴712的收集區(qū)714。因此燃料分子113使吸附的種類在催化劑703或收集區(qū)714上占優(yōu)勢。催化劑-燃料組配可以是收集表面704的部分或反應(yīng)表面703的部分，或這二者的部分。
燃料和/或燃料蒸發(fā)熱可以用于冷卻半導(dǎo)體能量轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以包括傳導(dǎo)面704、界面導(dǎo)體705、電極706、p-型半導(dǎo)體707、結(jié)708、n-型半導(dǎo)體709、襯底710。這是一種新的同時(shí)冷卻半導(dǎo)體和提高熱載流子再利用率而不轉(zhuǎn)換為電流的方法。例如，參照圖7，包括催化劑或傳導(dǎo)面704的燃料113可以吸收不進(jìn)入能量轉(zhuǎn)換器半導(dǎo)體708的熱電子。在吸收時(shí)，燃料可以隨后分離成活性基團(tuán)并成為化學(xué)反應(yīng)的部分。燃料或其分離產(chǎn)物可以在借助或不借助熱電子的情況下解吸，并與反應(yīng)區(qū)713中的基團(tuán)混合。燃料還可以簡單地從與半導(dǎo)體708、709物理連接的區(qū)域712中蒸發(fā)，并通入反應(yīng)區(qū)713，冷卻半導(dǎo)體708、709。因此高濃度的汽化燃料113可以將燃料/氧化劑混合物偏壓化，有利于最佳混合。
參照圖8，可以在反應(yīng)811和收集812區(qū)域之間形成熱屏障810，從而使反應(yīng)區(qū)811可以在高于收集區(qū)812的溫度下工作。這些熱屏障可以包括柱810、具有減少量的物理材料的真空或通道?？梢詫嵩催B接到反應(yīng)區(qū)811而將吸熱設(shè)備連接到收集區(qū)812以使這些區(qū)域保持在它們理想的工作范圍內(nèi)。反應(yīng)區(qū)811可以由升高的結(jié)構(gòu)如桿、高臺和柱810形成?？梢詫⒔Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為熱絕緣。
參照圖8，電絕緣屏障810可以在兩個(gè)區(qū)域811、812之間形成，從而使電刺激信號可以發(fā)送至反應(yīng)區(qū)而不干擾收集區(qū)。其它屏障和結(jié)構(gòu)可以位于這些區(qū)域之間，例如用于分離或過濾輻射，或過濾化學(xué)副產(chǎn)物，或分離具有多種性能如平移、旋轉(zhuǎn)或組合性能分子。
使用肖特基結(jié)作為能量轉(zhuǎn)換器可以簡化裝置?？梢允褂脦чg隙范圍為數(shù)量級1伏特的半導(dǎo)體，如硅。一方面，可以使用較高帶間隙半導(dǎo)體，因而允許這些裝置在高于室溫，如高于100攝氏度的溫度下工作?？晒I(yè)利用的高溫半導(dǎo)體如GaN和SiC是這種較高帶間隙材料的實(shí)例。這擴(kuò)展了可以使用的金屬和半導(dǎo)體的范圍，并導(dǎo)致增加每塊區(qū)域內(nèi)可利用的功率。
一方面，賦能的分子可以用于產(chǎn)生載流子而不是用于給外部裝置賦能的應(yīng)用電壓。因此賦能分子可以用于功率器件，否則該器件須通過電流源提供能量。例如，化學(xué)反應(yīng)還可以用于給芯片組供能。使用化學(xué)反應(yīng)給芯片組供能允許體積結(jié)構(gòu)、三維計(jì)算系統(tǒng)，其中給它們提供能量的能源是燃料-氧化劑混合物流而不是電連接。這允許系統(tǒng)無物理互聯(lián)和無任何結(jié)構(gòu)互聯(lián)，例如在卵石床反應(yīng)器系統(tǒng)中。電能源的微存儲?？梢杂扇剂?氧化劑混合物賦能，其中這種微存儲棧是物理分離的“卵石”的部分。這進(jìn)而允許自我組配的體積系統(tǒng)，并大大降低它們的成本和增加它們的性能。
另一方面，使用量子勢阱并將其賦能為能量轉(zhuǎn)換器。該裝置的能量轉(zhuǎn)換器將短命載流子轉(zhuǎn)換成長命載流子，從而使所得的載流子可以被進(jìn)一步使用。包括隧穿屏障、金屬或半導(dǎo)體和另一種隧穿屏障的量子勢阱襯底可以用于形成能量轉(zhuǎn)換器。這種能量轉(zhuǎn)換器還可以形成與襯底半導(dǎo)體直接接觸。另一種可以取得能量的方法是可以通過產(chǎn)生電勢。但另一種方法可以是與本發(fā)明直接相關(guān)的電納米裝置。根據(jù)本技術(shù)的狀況，外部電流用于給量子勢阱和形成接近理想的4級激光的圓點(diǎn)賦予能量。在所提供的裝置中，相同類型的阱和圓點(diǎn)可以由注射的載流子的能量直接賦能。
量子勢阱還提供產(chǎn)生捕獲賦能分子激發(fā)的共振的可能。由量子勢阱形成的共振水平可以設(shè)計(jì)為與化學(xué)激發(fā)產(chǎn)品中的多量子轉(zhuǎn)換匹配。這種匹配提供了一種將能量從激發(fā)產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到量子勢阱的長命激發(fā)。例如，所提供的方法可以取得來自量子勢阱的通過刺激輻射發(fā)射產(chǎn)生的能量。
與半導(dǎo)體或金屬量子勢阱結(jié)構(gòu)相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)的狀況允許尺寸小于或等于所涉及的彈道載流子的能量擴(kuò)散長度的數(shù)量級的層，有利于制造和使制造成為可能。
一方面，所述的傳導(dǎo)面可以包括許多材料。可以在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成充分薄的表面，例如厚度比熱電子的能量擴(kuò)散長度小10倍，從而使熱電子可以在釋放基本部分，例如不大于90％的能量之前進(jìn)入半導(dǎo)體。
傳導(dǎo)面和其下的半導(dǎo)體可以包括催化劑和其它反應(yīng)刺激系統(tǒng)，以導(dǎo)致賦能分子的化學(xué)反應(yīng)或?qū)е履芰繌馁x能分子轉(zhuǎn)移走或轉(zhuǎn)移到賦能分子。也就是說，傳導(dǎo)面還可以是通過施加能量，如電流而賦能的反應(yīng)-刺激表面的部分。
傳導(dǎo)面和其下的半導(dǎo)體可以包括催化劑和其它反應(yīng)刺激系統(tǒng)。這些可以用于防止被吸附物，如燃料、氧化劑、排出物、反應(yīng)副產(chǎn)物或其它材料堵塞、積聚或干擾傳導(dǎo)面工作，所述情況已知在形成非導(dǎo)體并在傳導(dǎo)面上聚集時(shí)發(fā)生。這些催化劑和其它反應(yīng)刺激系統(tǒng)還可以加速反應(yīng)，并可以導(dǎo)致優(yōu)選的反應(yīng)發(fā)生。
雖然已根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案具體顯示和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以在不背離本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍的情況下完成上述實(shí)施方案和其它形式和細(xì)節(jié)上的改變。
權(quán)利要求
1.一種取得能量的方法，包括在氣體體積中引發(fā)一種或多種化學(xué)反應(yīng)；和在氣相中產(chǎn)生一種或多種反應(yīng)產(chǎn)物，其中，一種或多種反應(yīng)產(chǎn)物在襯底的表面上碰撞并將與一種或多種反應(yīng)產(chǎn)物相關(guān)的反應(yīng)產(chǎn)物能轉(zhuǎn)移至表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，一種或多種反應(yīng)產(chǎn)物包括一種或多種中間體反應(yīng)產(chǎn)物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括從所述表面收集能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，引發(fā)一種或多種化學(xué)反應(yīng)包括通過注入一種或多種刺激劑來刺激一種或多種在體積中的反應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，一種或多種刺激劑包括催化劑，自動催化劑，熱載流子，電刺激劑，光刺激劑和添加劑中的任何一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，由表面收集能量包括使來自表面的能量轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)換器，由轉(zhuǎn)換器將能量轉(zhuǎn)換成一種或多種形式的有用的能量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，轉(zhuǎn)換器包括二極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，有用的能量包括電、輻射和機(jī)械能量中的一種或多種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，產(chǎn)生一種或多種反應(yīng)產(chǎn)物包括使在氣相中的反應(yīng)物通過擴(kuò)散而移動與體積中的刺激劑靠近襯底表面進(jìn)行反應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，產(chǎn)生一種或多種反應(yīng)產(chǎn)物包括使在氣相中的反應(yīng)物通過擴(kuò)散而移動與體積中的刺激劑靠近襯底表面進(jìn)行反應(yīng)。
11.一種取得能量的裝置，其包括用于引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)刺激器；形成收集表面的襯底；在反應(yīng)刺激劑與收集表面之間形成的反應(yīng)區(qū)；和與襯底接觸的能量轉(zhuǎn)換器，其中，在氣相中的化學(xué)反應(yīng)物可在反應(yīng)區(qū)中進(jìn)行反應(yīng)并與襯底碰撞，將來自發(fā)生于反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)產(chǎn)物的反應(yīng)能量轉(zhuǎn)移至襯底，轉(zhuǎn)移的能量可通過能量轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換成能量的有用形式。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的取得能量的裝置，其中，能量轉(zhuǎn)換器包括二極管。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的取得能量的裝置，其中，能量轉(zhuǎn)換器包括p-n結(jié)二極管。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的取得能量的裝置，其中，能量轉(zhuǎn)換器包括肖特基二極管。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的取得能量的裝置，其中，由反應(yīng)區(qū)最遠(yuǎn)部分垂直于表面的距離是反應(yīng)物的振動能量擴(kuò)散長度的預(yù)定多倍。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的取得能量的裝置，其中，反應(yīng)區(qū)進(jìn)一步包含第二反應(yīng)刺激器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的取得能量的裝置，其中，第二反應(yīng)刺激器包括電刺激器，光刺激器，催化劑，熱絲，和化學(xué)刺激劑中的任何一種或多種。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的取得能量的裝置，其中，化學(xué)刺激劑包括自動催化劑和自由基發(fā)生劑中的一種或多種。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的取得能量的裝置，其中，由能量轉(zhuǎn)換器至傳導(dǎo)面和反應(yīng)物間表面間沿與傳導(dǎo)面垂直的距離為預(yù)定長度。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的取得能量的裝置，其中，襯底包括一種或多種選擇的材料的一個(gè)或多個(gè)原子金屬單層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的取得能量的裝置，其中，一種或多種選擇的材料包括金屬和半導(dǎo)體中的任何一種或多種。
22.根據(jù)權(quán)利要求11的取得能量的裝置，其中，表面具有有利于在反應(yīng)過程中激發(fā)分子的幾何形狀。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的取得能量的裝置，其中，有利于激發(fā)分子的幾何形狀包括原子表面梯級。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的取得能量的裝置，其中，有利于激發(fā)分子的幾何形狀包括原子邊緣。
25.根據(jù)權(quán)利要求11的取得能量的裝置，其中，襯底包括一種或多種不會獲得吸附物的金屬。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的取得能量的裝置，其中，一種或多種不會獲得吸附物的金屬包括鉑、鈀、銠、釕、金和銀中的任何一種或多種。
27.根據(jù)權(quán)利要求11的取得能量的裝置，其中，襯底包括具有聲子帶的傳導(dǎo)面，其能量低于多量子振動釋放。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的取得能量的裝置，其中，傳導(dǎo)面包括結(jié)晶材料。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的取得能量的裝置，其中，傳導(dǎo)面包括鈀和鉑中的任何一種或多種。
30.根據(jù)權(quán)利要求11的取得能量的裝置，進(jìn)一步包括由在能量轉(zhuǎn)換器和襯底下面并通過它們至反應(yīng)區(qū)形成的通道，其中，采用該通道將反應(yīng)物和刺激劑中的任何一種或多種加至反應(yīng)區(qū)中。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的取得能量的裝置，其中，通道中的反應(yīng)物和刺激劑中的任何一種或多種冷卻能量轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種取得能量的裝置和方法。一方面，本發(fā)明的方法包括采用化學(xué)反應(yīng)在區(qū)域中以產(chǎn)生振動受激分子(101)，如高量子數(shù)振動受激氣體分子。當(dāng)受激分子與導(dǎo)體(103)接觸時(shí)，在振動受激分子中的振動能被轉(zhuǎn)換成熱電子。在釋放振動能的有用部分之前，設(shè)置幾何形狀以使受激分子可移動、擴(kuò)散或漂移于導(dǎo)體(103)中。選擇性地，產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換方法可至少部分地?zé)岱蛛x。短壽命的熱電子被轉(zhuǎn)換成長壽命的熱電子如在半導(dǎo)體中的載流子和電勢，在此，能量被轉(zhuǎn)換成有用的形式。
文檔編號H02N11/00GK1618131SQ02802348
公開日2005年5月18日 申請日期2002年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月10日
發(fā)明者安東尼·C·祖佩羅, 賈瓦哈·M·吉德瓦尼 申請人:內(nèi)奧克斯梅特有限責(zé)任公司