[发明专利]能量转换器件

说明书

本申请要求于2008年2月15日提交的美国临时申请序号为61/065915的优先权，在此引入该申请内容作为参考。

技术领域

本发明关于二极管、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。本发明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。本发明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。

背景技术

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.Hishinuna，T.H.Geballe，B.Y.Moyzhes以及T.W.Kenny所著的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 Across a Nanometer 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，如在由相同发明者提出的国际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所著的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。