具有均匀间隙的紧密分隔电极
2019-11-22

具有均匀间隙的紧密分隔电极

本发明公开了用于在隧道效应、二极管、热电子、热光电和其它装置中保持电极1、2之间的间隔的改进设计。至少一个电极1由柔性材料制成。存在磁场B以与在该柔性电极1中流动的电流相结合并产生平衡电极之间的静电力或其它引力的力F。这种力平衡允许将电极之间的间隔和平行度保持在非常小的间隙,而不需要使用多个控制系统、致动器、或其它手动工具、或隔片。将一个或两个电极的形状设计成在电极1、2的整体重叠面积之上保持恒定间隔。最终结果在简单构造中在大面积之上以均匀间隙将两个紧密分隔平行电极1、2保持在稳定平衡的电子装置,便于简化可制备性且用于将热量转换为电力或将电力转换为冷却。

通过在组装之前磨光电极的面对表面,获得小于0.5纳米的表面粗糙度。在工业中,用于在金属、半导体、和其它材料上获得小于0.5纳米的表面粗糙度的磨光技术是已经可用的。

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、热一光电及其它装置。本发明可以应用于热一隧道效应和热一光电发生器和热泵,并且能够应用于使用热电子和热电方法的相似系统。这些热一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。

数据和测量的下述实施例将进一步阐述本发明。这些实施例示出:(1)可以使用工业中普通的尺度和工艺来设计并构建本公开内容的装置;(2)所产生的定量力将导致预期电极间隔;以及(3)本发明装置的电性能可以有效地输送和传输转换的电能。这些实施例证明本发明的装置对于在其中电极间隔小于20纳米的热一隧道效应转换器和对于在其中电极间隔大约为100纳米的热一光电转换器的上述三个属性。

具体实施方式

用于柔性电极1的材料可以是导电金属、半导体材料、分层玻璃/金属或分层金属/塑料。示例性导电金属包括金、银、铝、和铜。示例性半导体材料包括硅、锗和砷化镓。导电金属或半导体材料能够可选地被安装到具有诸如玻璃、聚酰胺、聚酯、聚酰亚胺、聚丙烯酸或聚烯烃的材料的多层上或结合在其中,如果该金属其自身不够柔韧,则该材料为该金属增加柔性。

图12b示出如何可能将电极容纳在图12a的真空封装内。电极对145对应图8、9a、或10c。热界面材料141将热量传导到每个电极或从每个电极传导到该封装的外部,并且还提供用于在运行期间电极反向移动的软层。热界面材料141的示例是来自Bergquist公司的间隙垫、来自Apiezon或DowChemical公司的真空油脂、来自MER公司的碳纳米管化合物和混合物或与热传导颗粒混合的其它软材料。接合材料143将玻璃壁接合到硅热板,该材料的示例是环氧和玻璃熔体。导线144将电极的基底连接到顶部和底部板。用于导线的示例材料是由铜、铝、或其它导电材料制成的平坦箔片或圆柱形导线。铜层134允许电流广泛流过电阻硅板130。为了增加其导电率和使电流流入该封装的电阻损失最小化,可能用硼、砷、或相似元素掺杂硅板。当将电压施加到吸气灯丝140的铜垫片134时,吸气灯丝140变热,与灯泡中的灯丝非常相似。为了允许铯蒸气向真空封装的释放,将如铯的铬酸盐的适当材料涂覆在灯丝140上。一旦释放,铯蒸气实现下述功能:(1)通过与封装之后封装内部的残余气体和其它气体反应产生固体而清除这些气体;(2)通过相似反应来去除在该装置使用寿命期间漏入该室内的气体;以及(3)在电极145的面对间隙表面上自然地形成铯单层或亚单层,并且由此产生用于促进穿过该间隙的电子发射的低功函数层。其它实施例

本公开内容针对于克服上述及其他挑战和现有技术的缺点。公开了以不能由现有技术预计的方式使用电子流的装置和工艺。在现有设计中,将隧道效应装置中的电子流用于两个目的:(1)作为用于从一个导体向另一个导体传输热量的热力学流体,以及(2)用于向或从电池或电路直接移动所转换能量。在本发明中,提供了一种装置构建方法和工艺,其中电子流还用于产生恢复力,该恢复力在电极的预期间隔处平衡静电力和其它引力。

在工业中已经知道,如果可以在大面积(例如,l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

张力、范德瓦耳斯(VanderWaals)力、喀希米尔(Casimir)力和静摩擦的其它引力。

本发明的多功能性的另一个实施例是在材料的选择中。如实施例1所述,优选实施方式包括作为电极中的一个的金属箔片。另一个实施方式可以使用单晶硅作为柔性电极。虽然通常认为硅不是柔性材料,在工业中可以常规地制备具有0.5纳米的粗糙度和横贯平方厘米表面的1微米的平坦度的硅,虽然如通过杨氏模量测量的,硅比金属箔片更硬,但其平坦度表明为了接近理想平坦度仅需要非常小的弯曲。将表明由本发明产生的力能够以使其完全平坦化所需的一个微米弯曲硅晶片。大体上,使用硅作为用于柔性或两个电极的基础材料具有几个优点:(1)低成本的硅晶片容易可用;(2)硅晶片具有所需粗糙度和平坦度特征;(3)在工业中容易且经常地执行在硅上添加低功函数材料或材料的图案;(4)硅的电阻防止在接触或接近接触本发明的其它电极期间柔性电极过快地起反应;以及(5)通过惨杂可以任意地控制硅的预期电阻率,在工业中这也是普通实践。大体上,可以用半导体工业中常规可用的材料和工艺构建本发明的设计。

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。

(3)固态材料层不能绝热,导致低的转换效率,以及(4)设计太复杂而不能具成本效益地制备。

图14是能够用于在为产生电力的实施例施加热能之前在图8、10c、lla或12b的装置中形成间隙的启动电子电路的一个示例。

图3示出图1的装置的替代实施例;

图7是定性示出图1、3和4的使用磨光硅电极的装置中相互作用力的曲线图;