[发明专利]具有均匀间隙的紧密分隔电极

说明书

技术领域

本发明涉及设计成在电极之间具有非常小的间隔以及在某些情况中在电极之间还需要热隔离的二极管、热电子、隧道效应、热-光电及其它装置。本发明可以应用于热-隧道效应和热-光电发生器和热泵，并且能够应用于使用热电子和热电方法的相似系统。这些热-隧道效应发生器和热泵将热能转换为电能，并且为了提供致冷能够逆向运行。本发明还可以应用于需要在两个电极之间的紧密的、平行的间隔且在它们之间具有电流的任何装置。

背景技术

从一个导体(发射器)向另一个导体(收集器)的高能电子流的现象已经用在多种电子装置中以及用于各种目的。例如，以该方式实现真空二极管，并且将这种物理现象称为热电子发射。由于相对大的可用物理间隔所施加的限制，这些二极管需要在非常高的温度下(超过1000开氏度)运行。热二极管需要非常地热，以便电子获得足够能量以通过大的距离到达收集器并克服高量子位垒。然而，真空管允许构建电子二极管及后来的放大器。随着时间发展，为了降低运行温度，通过使用如铯的碱性金属或氧化物来涂覆电极，优化了这些装置。虽然用于热电子生成的温度仍然明显高于室温，但能量产生的这种方法具有将来自燃烧或太阳能集中器的热量转换为电力的功效。

后来，人们发现如果使发射器和收集器彼此非常接近，在如2到20纳米的原子距离的级别上，那么电子可能在更低的温度下，甚至在室温下流动。在这种小间隔下，两个电极的原子的电子云非常接近，以致于热电子实际上没有物理传导地从发射器云流到收集器云。将当电子云交叉但电极没有物理接触时的电流的这种类型称为隧道效应。例如，扫描隧道效应显微镜使用非常接近导电表面的针尖导电探针，并且通过绘制当探针经过该表面扫描时的电流能够绘出该表面的原子轮廓。美国专利4343993(Binning等人)给出了用于扫描隧道效应显微镜的这种方法。

在工业中已经知道，如果可以在大面积(例如，1平方厘米)上保持这种原子隔离，那么可以由单一二极管型装置将大量的热量转换为电力，并且这些装置将具有作为冷冻机或恢复来自不同源的废热能的用途。见：Y.Hishinuna，T.H.Geballe，B.Y.Moyzhes和T.W.Kenny的Efficiency of Refrigeration usingThermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum：Use of Nanometer ScaleDesign(利用真空中热隧道效应和热电子发射的致冷效率：纳米尺寸设计的使用)，Applied Physics Letters，2001年4月23日的第78卷第17期；Y.Hishinuna，T.H.Geballe，B.Y.Moyzhes的Vacuum Thermionic Refrigeration with aSemiconductor Heterojunction Structure(利用半导体异质结结构的真空热电子致冷)，Applied Physics Letters，2002年11月25日的第81卷第22期；及Y.Hishinuna，T.H.Geballe，B.Y.Moyzhes和T.W.Kenny的Measurements ofCooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap(通过穿过纳米间隙的室温热电子发射来冷却的测量)，Journal of Applied Physics，2003年10月1日的第94卷第7期。为了允许“热”电子(具有在费米能级以上的能量的那些电子)流动，电极之间的间隔必须足够小，但不能过于接近，以致于允许正常接触(在费米能级或低于费米能级的电子的流动)。存在在2和20纳米之间的间隔距离的可用范围，使得允许每平方厘米数千瓦的从电力向致冷的转换。参见：前面的Y.Hishinuna等人的Efficiency of Refrigerationusing Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum：Use of NanometerScale Design。这些参考文献还提出在发射电极上的碱性金属或其它材料的涂层或单层以便获得从一个电极到另一个的电子传输的低功函数的优势。这种涂层或单层还降低运行温度并增加转换效率。