用于光頻整流器的方法和設備技術

本發明專利技術提供了用于光頻整流器的方法和設備。具體地，本發明專利技術提供了用于接收入射輻射并將入射輻射轉換為直流電流的方法和裝置。該方法從選擇具有終止末端的天線開始，該終止末端具有銳利邊緣。采用襯底和第一涂層來層積天線。第一電極和金屬/mCNT天線被層積在第一涂層上，然后附加等離激元層。形成縫隙，該縫隙在一側由等離激元層的終止末端和第一涂層的終止末端劃界，并且在另一側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，第二涂層被層積在襯底上。沿天線的長度感應一組交流電流。該方法然后計算所感應的交流電流是否足夠大以產生用于場發射的電壓。如果電壓足夠大，則發起正向偏置和反向偏置。由于這些隧穿勢壘的非對稱性，正的凈直流電流被傳送到外部電路。

【技術實現步驟摘要】
【專利說明】用于光頻整流器的方法和設備本專利申請是國際申請日為2011年11月22日、國家申請號為201180054072.9、專利技術名稱為“用于光頻整流器的方法和設備”的專利申請的分案申請。相關申請的交叉引用本申請要求于2010年1月4日提交的美國臨時專利申請N0.61/335，201的優先權，該美國臨時專利申請的全部內容通過引用完全地并入本文。公開圖片圖1A。
本專利技術涉及一種用于進行光頻整流(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。更具體地，本專利技術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稱性的光頻整流技術。
技術介紹
在微波區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。應用已經包括:長距離功率集束、信號檢測、以及無線控制系統。用于微波功率的有效接收和整流的第一種接收裝置開發于二十世紀六十年代早期。點接觸裝置(即，觸須型二極管)已經被用于上至可見光頻譜的綠光部分的絕對頻率的測量，該裝置展示出飛秒數量級的響應時間，該響應時間比傳統的MIM 二極管快幾個數量級大小。除了用于觸須型天線的納米線幾何結構之外，貼片天線(例如，微帶天線)的使用可以具有擴展的實心和空心的幾何結構(例如，正方形、矩形、環形或其它形狀)，這在實際的裝置中提供了更健壯的穩定性。另外，貼片天線可以導致增強的天線性質和輸出(參見K.R.Carver和J.ff.Mink，IEEE Trans.Antennas and Prop，AP-29，1，2 (1981))。此外，在愛達荷國家實驗室，已經在柔性襯底上制備了這樣的黃金天線陣列。平面結構將需要更簡單的制備。近來，Gupta和Willis使用原子層沉積(ALD)克服了生產納米縫隙結陣列的技術難點。使用傳統的光刻技術，隨后通過ALD生成約lnm的隧道結，在硅晶片上產生銅(Cu)-真空-銅隧道結的平面陣列。最近，對使用銀(Ag)、金(Au)以及銅(Cu)末端的經光學照射的MVM隧道結進行的三維量子力學計算機模擬，預測了由于在這些材料中在約3eV(對應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構上將產生相同的結果。不同于傳統的平面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末端的幾何非對稱性引起。在微帶天線或其它形式的貼片天線上所產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稱性。有效地采收頻譜的光頻部分中的能量的主要挑戰之一是開發將從頻譜中的紅外(IR)至可見光部分(約1015Hz)(包括了太陽能頻譜中的絕大部分)進行整流的寬波帶裝置。當前，硅基能量轉換裝置(光伏器件)是窄波帶裝置，其限制為對電磁頻譜的較低能量部分的收集。這種用于光頻整流的技術具有如下應用，包括但不限于:光伏器件(光子能量到電能的轉換)、將太陽能轉換為電能(參見于2010年9月21日頒發給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容通過引用并入本文)、熱能或化學能的太陽能電池、納米光子器件、近場光學器件、包括醫學和化學傳感器在內的 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)。另外的應用是信息的光頻傳輸和接收，以及能量轉換。這是有意義的，因為以更高的頻率所傳輸的信息的密度更大；實際上，密度根據頻率的平方而變化。對于穿過大氣的傳輸，損耗隨著頻率的增加而降低。因此，對于采收而言，根本性的重要和關鍵的方面之一是實現到電磁頻譜的可見光部分的光學整流的能力。采用當前的整流裝置，最快的頻率響應被限制在IR。本申請人已經開發了光學整流的新范例，并且理論上和實驗上均證明了長期尋求的用于電磁頻譜的可見光部分的實際整流裝置的可行性。現有技術嘗試解決在上文中所提出的多個問題。例如，1984年4月24日頒發給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換的裝置。本專利技術與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偶極天線。可見光子的交流電場被用來引起偶極天線中的電子諧振并且吸收電功率。在導電匯流排(busbar)上蓄積來自多個天線和相關的整流電路的直流(DC)功率。另外，1988年 1 月 19 日頒發給 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成的飛秒整流裝置。Marks-2裝置是傳統的平面Μ頂二極管，其依賴于材料的選擇而不依賴于幾何結構。重要的是要注意在Marks-2的MIM整流裝置中，裝置的響應時間將受材料的選擇所限制，并且不延伸超過IR。此外，1986年 3 月 4 日頒發給 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)教導了包括具有嵌入其中的光吸收電傳導粒子的薄板的光功率到電功率轉換器。所述粒子可以是金屬的，或可以是導電分子(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定圖案的鹽。現有技術未意識到，當前的硅基能量轉換裝置(光伏器件)是窄波帶裝置，其將收集和轉換限制到頻譜的較低能量部分。通常，傳統的整流天線由兩個不同的元件構成:偶極天線和單獨的整流裝置(諸如Μ頂或Schottky 二極管)。因此，對于采收而言，根本性的重要和關鍵的方面是實現到太陽頻譜的可見光部分的光學整流的能力。采用當前的整流裝置，最快的頻率響應被限制在IR。另外，現有技術的另一缺陷是傳統的平面Μ頂二極管的受限頻率響應(受寄生電容效應限制)的問題。Cutler可以在很大程度上解決接收入射輻射和將入射輻射轉換為DC電流所需要的效率。本專利技術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稱性，來解決針對用于光伏器件和其它應用的改進的光學整流技術的需求，擴展了 Cutler的成功。此外，存本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于接收入射輻射并將所述入射輻射轉換為直流電流的方法，所述方法包括以下步驟：(a)選擇具有終止末端的天線的適當實施方式，所述末端具有銳利邊緣，并且所述天線能夠接收所述入射輻射；(b)確定所述入射輻射的輻射頻譜；(c)對應于所述輻射頻譜是窄還是寬，建立一組用于所述末端的幾何和材料參數；(d)確定縫隙距離，所述縫隙距離足夠小以對所述頻譜中的最高頻率進行響應；(e)沿所述天線的長度感應一組交流電流；(f)計算所述感應的交流電壓是否足夠大以用于場發射；(g)基于所述末端的幾何非對稱性發起正向偏置和反向偏置；以及(h)將正的凈直流電流傳送到外部電路。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：保羅·H·庫特勒，
申請(專利權)人：賽特聯合控股有限公司，
類型：發明
國別省市：美國;US