專利名稱：用于光頻整流器的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于進行光頻整流(optical frequency rectification)以便更加有效地采收從紅外到可見光的輻射的技術(shù)。更具體地，本發(fā)明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(shù)。
背景技術(shù)：
在微波區(qū)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(yīng)用已經(jīng)包括:長距離功率集束、信號檢測、以及無線控制系統(tǒng)。用于微波功率的有效接收和整流的第一種接收裝置開發(fā)于二十世紀六十年代早期。點接觸裝置(S卩，觸須型二極管)已經(jīng)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(shù)量級的響應(yīng)時間，該響應(yīng)時間比傳統(tǒng)的MIM 二極管快幾個數(shù)量級大小。除了用于觸須型天線的納米線幾何結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)(例如，正方形、矩形、環(huán)形或其它形狀)，這在實際的裝置中提供了更健壯的穩(wěn)定性。另夕卜，貼片天線可以導(dǎo)致增強的天線性質(zhì)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(jīng)在柔性襯底上制備了這樣的黃金天線陣列。平面結(jié)構(gòu)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(chǎn)納米縫隙結(jié)陣列的技術(shù)難點。使用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，隨后通過ALD生成約Inm的隧道結(jié)，在硅晶片上產(chǎn)生銅(Cu)-真空-銅隧道結(jié)的平面陣列。最近，對使用銀(Ag)、金(Au)以及銅(Cu)末端的經(jīng)光學(xué)照射的MVM隧道結(jié)進行的三維量子力學(xué)計算機模擬，預(yù)測了由于在這些材料中在約3eV(對應(yīng)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、鑰或鋁這些金屬形成的薄層沉積在下層天線結(jié)構(gòu)上將產(chǎn)生相同的結(jié)果。不同于傳統(tǒng)的平面MM 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(chǎn)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(zhàn)之一是開發(fā)將從頻譜中的紅外(IR)至可見光部分(約IO15Hz)(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(zhuǎn)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(shù)具有如下應(yīng)用，包括但不限于:光伏器件(光子能量到電能的轉(zhuǎn)換)、將太陽能轉(zhuǎn)換為電能(參見于2010年9月21日頒發(fā)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(nèi)容通過引用并入本文)、熱能或化學(xué)能的太陽能電池、納米光子器件、近場光學(xué)器件、包括醫(yī)學(xué)和化學(xué)傳感器在內(nèi)的IR傳感和成像(參見 Optical antennas for nano-photonic applications, J.Alda, J.Rico-Garci a,J.Lopez-Alonso 以及 G.Boreman, Nanotechnology, vol.16, pp.S230-4, 2005 ;和 OpticalAntennas, Palash Bharadwaj, Brad Deutsch 以及 Lukas Novotny, Adv.0pt.Photon.1,438-483)。另外的應(yīng)用是信息的光頻傳輸和接收，以及能量轉(zhuǎn)換。這是有意義的，因為以更高的頻率所傳輸?shù)男畔⒌拿芏雀?；實際上，密度根據(jù)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(guān)鍵的方面之一是實現(xiàn)到電磁頻譜的可見光部分的光學(xué)整流的能力。采用當前的整流裝置，最快的頻率響應(yīng)被限制在IR。本申請人已經(jīng)開發(fā)了光學(xué)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?，F(xiàn)有技術(shù)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(fā)給Alvin EMarks 的名為 DEVICE FOR CONVERSION 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(zhuǎn)換的裝置。本發(fā)明與Marks-1的不同之處在于，Marks-1使用了用于吸收可見光子的多個偶極天線?？梢姽庾拥慕涣麟妶霰挥脕硪鹋紭O天線中的電子諧振并且吸收電功率。在導(dǎo)電匯流排(busbar)上蓄積來自多個天線和相關(guān)的整流電路的直流(DC)功率。另外，1988年 I 月 19 日頒發(fā)給 Marks 的名為 FEMTO DIODE AND APPLICATIONS 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MM 二極管的亞微米尺寸的偶極天線所構(gòu)成的飛秒整流裝`置。Marks-2裝置是傳統(tǒng)的平面MIM二極管，其依賴于材料的選擇而不依賴于幾何結(jié)構(gòu)。重要的是要注意在Marks-2的MIM整流裝置中，裝置的響應(yīng)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(fā)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(dǎo)了包括具有嵌入其中的光吸收電傳導(dǎo)粒子的薄板的光功率到電功率轉(zhuǎn)換器。所述粒子可以是金屬的，或可以是導(dǎo)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(yù)定圖案的鹽?，F(xiàn)有技術(shù)未意識到，當前的硅基能量轉(zhuǎn)換裝置(光伏器件)是窄波帶裝置，其將收集和轉(zhuǎn)換限制到頻譜的較低能量部分。通常，傳統(tǒng)的整流天線由兩個不同的元件構(gòu)成:偶極天線和單獨的整流裝置(諸如MM或Schottky 二極管)。因此，對于采收而言，根本性的重要和關(guān)鍵的方面是實現(xiàn)到太陽頻譜的可見光部分的光學(xué)整流的能力。采用當前的整流裝置，最快的頻率響應(yīng)被限制在IR。另外，現(xiàn)有技術(shù)的另一缺陷是傳統(tǒng)的平面MIM 二極管的受限頻率響應(yīng)(受寄生電容效應(yīng)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(zhuǎn)換為DC電流所需要的效率。本發(fā)明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(yīng)用的改進的光學(xué)整流技術(shù)的需求，擴展了 Cutler的成功。此外，存在以下需求:使用點接觸納米線/mCNT和諸如貼片天線等其它銳利邊緣裝置以及其固有的快速響應(yīng)時間，以克服傳統(tǒng)的平面MIM 二極管的受限頻率響應(yīng)的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是提供一種用于將從包括紅外(IR)到可見光頻譜的范圍的輻射轉(zhuǎn)換為DC電流的有效和新穎的設(shè)備。本發(fā)明的另一方面是提供一種由納米線、或其它適當?shù)爻尚蔚奶炀€或金屬碳納米管(mCNT)制成的單元件整流天線(S卩，在微波區(qū)域中最初使用的整流二極管和天線的組合)。本發(fā)明的另一方面是提供一種同時用作接收天線和點接觸(或銳利邊緣)整流裝置兩者的整流天線。本發(fā)明涉及一種用于接收入射輻射并將入射輻射轉(zhuǎn)換為DC電流的方法和設(shè)備。更具體地，本發(fā)明涉及一種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的光頻整流技術(shù)。該方法從選擇具有終止末端的天線開始。該末端具有銳利邊緣，并且該天線能夠接收入射輻射。整流天線由具有以末端或銳利邊緣結(jié)構(gòu)終止的一個邊緣的接收天線(例如，貼片天線或納米線或mCNT)構(gòu)成，所述一個邊緣為幾何上非對稱的隧道結(jié)的一部分。根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種用于接收入射輻射并將入射輻射轉(zhuǎn)換為DC電流的方法和設(shè)備。該方法包括從選擇用于具有終止末端的天線的適當實施方式開始的多個步驟。該末端具有銳利邊緣 ，并且該天線能夠接收入射輻射。可以層積天線以便產(chǎn)生適當?shù)膶嵤┓绞?。層積包括:選擇襯底，以及首先將第一涂層層積在襯底上，使得第一涂層從襯底的近端邊緣沿襯底的長度延伸到中途。第一電極被層積在第一涂層上，以便從第一涂層的近端邊緣沿第一涂層的長度延伸到中途。然后，金屬天線被層積在第一涂層上，以便從第一電極的遠端邊緣沿第一涂層延伸，并延伸超過第一涂層的遠端邊緣。從包括鎢、鑰、鎳、金、鋁、銅以及銀的組中選擇用于天線的金屬。然后，由金、銅、銀或具有期望性質(zhì)的其它適當材料組成的等離激元層(plasmoniclayer)被附加在金屬天線的頂部，使得等離激元層從第一電極的遠端邊緣沿金屬天線延伸，并延伸超過金屬天線的遠端邊緣，并且在遠端端部處向下延伸以便覆蓋金屬天線。形成縫隙，該縫隙一方面由等離激元層的終止端部和第一涂層的終止端部劃界，另一方面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，而第二涂層被層積在襯底上。沿天線的長度感應(yīng)一組交流(AC)電流。然后該方法需要計算所產(chǎn)生的橫跨縫隙的感應(yīng)AC電壓是否足夠大以用于場發(fā)射。如果電壓足夠大，則基于在天線末端處的幾何非對稱性發(fā)起正向偏置和反向偏置。然后正向凈DC電流被引導(dǎo)到外部電路。根據(jù)結(jié)合附圖閱讀的以下說明，本發(fā)明的以上和其它方面、特征以及優(yōu)點將變得明顯，在附圖中類似的參考數(shù)字指示相同的元件。


圖1A是被配置為提供隧道結(jié)的非對稱性的整流天線的透視圖，其中示出了點接觸納米線/mCNT結(jié)(或在圖1B中更明確可見的銳利邊緣貼片天線)和入射輻射。圖1B是被配置為提供隧道結(jié)的非對稱性的整流天線的透視圖，其中示出了銳利邊緣貼片天線結(jié)和入射輻射。圖2A是本發(fā)明的方法的流程圖，其中，EM輻射入射在天線上。圖2B是圖2A的流程圖的繼續(xù)。圖2C示出了在正向偏置下的本發(fā)明的示例性實施例的隧道結(jié)的表示。圖2D示出了在反向偏置下的本發(fā)明的示例性實施例的隧道結(jié)的表示。圖2E示出了本發(fā)明的示例性實施例的點接觸結(jié)，包括電場線。圖3是使用貼片天線的圖1的整流天線的電極和集電極組件的框圖。圖4是使用貼片天線的圖1的整流天線的電極至電極流的框圖。圖5是天線末端的側(cè)視圖，示出了使用貼片天線的本發(fā)明的層積襯底。圖6是當入射波長 與點接觸結(jié)相遇時入射波長的影響的圖，其中僅示出一個納米線/mCNT以便簡化視圖。圖7是通過使用整流技術(shù)在天線的末端進行光能量轉(zhuǎn)換的變型電路圖。圖8是在使用本發(fā)明的天線處所捕獲的入射輻射的變型關(guān)系圖，示出了多個納米線/mCNT以及外部負載。圖9是示出天線末端樣本距離與在末端生成的整流之后的電流之間的關(guān)系的點散圖(point dispersion graph)。圖10是末端半徑對整流比的影響的圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細地參照附圖中所示的本發(fā)明的幾個實施例。只要可能，在附圖和說明書中使用相同或類似的數(shù)字來指示相同或類似的部分或步驟。附圖具有簡化的形式，而不是按照精確的比例。僅出于方便和清楚的目的，可以關(guān)于附圖使用諸如頂部、底部、上、下、之上、以上以及以下等方向術(shù)語。這些術(shù)語和類似的方向術(shù)語不應(yīng)當被理解為以任何方式限制本發(fā)明的范圍。詞語“連接”、“耦接”、以及采用其變形語素的類似術(shù)語不必然指示直接的和緊鄰的連接，而是還可以包括通過中間元件或裝置的連接。首先轉(zhuǎn)向圖1A和圖1B，其中示出了能夠支持本發(fā)明的天線。在本發(fā)明中，單個元件用作接收天線和整流裝置兩者，該整流裝置已經(jīng)被證明具有到電磁頻譜的可見光部分中的一部分的響應(yīng)時間。在圖1A中，該點接觸狀裝置由平面襯底上的納米線/mCNT構(gòu)成(參見圖6和圖8)。本發(fā)明使用由這些點接觸狀裝置組成的尺寸與波長相關(guān)的垂直陣列。在所提出的點接觸裝置中，納米線或mCNT利用集電極形成MVM或MIM結(jié)勢壘(junctionbarrier)。通過隧穿效應(yīng)發(fā)生穿過勢壘的電荷輸運。在圖1B中，整流天線是具有整流隧道結(jié)的銳利邊緣貼片天線。關(guān)于圖1A和圖1B，整流天線裝置140具有多個納米線/mCNT190。外部負載196連接到整流天線140以便使用和/或存儲整流之后的DC電流。隨著來自入射輻射180的光子到達納米線/mCNT190，納米線/mCNT190吸收光子。在紅外和光學(xué)區(qū)域中，點接觸納米線/mCNT190的長度比入射輻射180大幾個波長(大約大
1-10個波長的數(shù)量級)，當納米線/mCNT190等于適當?shù)拈L度(諸如入射輻射的波長的1/4)時，納米線/mCNT190將用作有效的天線。二極管天線長度、電導(dǎo)率、光學(xué)反射率以及負載阻抗的適當選擇可以用來改進高頻二極管的接收性質(zhì)，并且可以用來優(yōu)化功率吸收，從而優(yōu)化電流發(fā)射的強度，或?qū)?yīng)地優(yōu)化整流天線140中的輸出功率。由納米線/mCNT190吸收的能量使電荷載流子移動到納米線/mCNT190的銳利邊緣，并且此電荷在納米線/mCNT190中產(chǎn)生AC電壓。點接觸結(jié)188的幾何非對稱性引起對通過隧道結(jié)的AC電流的整流。當對電流進行整流之后，集電極198的透明導(dǎo)電層收集整流之后的DC電流。DC電流從集電極198 耦接至外部負載196，以使用和/或存儲可使用的能量。以這樣的方式，金屬納米線/mCNT190用作接收天線以吸收福射,從而在納米線/mCNT190生成交流電壓，該交流電壓然后在點接觸結(jié)188中被整流以產(chǎn)生DC電壓。圖2A是本發(fā)明的方法的流程圖，其中EM輻射入射在天線上。方法流程從步驟200開始，在步驟200中發(fā)起可見輻射的整流。方法流程從步驟200前進至步驟202，在步驟202中入射輻射被導(dǎo)向整流天線。整流天線由接收天線(例如，由其三個主要維度表征的貼片天線)組成，所述接收天線的一個邊緣以末端或銳利邊緣結(jié)構(gòu)終止，所述末端或銳利邊緣結(jié)構(gòu)為用于由天線所收集的輻射的幾何上非對稱的金屬真空/金屬結(jié)(具有縫隙距離s)的一部分。在步驟S204中，選擇適當?shù)膶嵤┓绞?具體形式)，諸如具有銳利邊緣涂層(諸如金剛石、BN、GaN、AlN、AlGaN以及Cs)的整流天線，貼片天線或觸須型天線。所述涂層減少了正向隧穿勢壘的大小，從而允許增強的電子發(fā)射。除了由觸須型天線所使用的納米線幾何結(jié)構(gòu)之外，其它實施例使用貼片天線，該貼片天線在IR及更高的頻率中工作，并且可以具有擴展的實心和空心幾何結(jié)構(gòu)(例如，正方形、矩形、任何η邊形結(jié)構(gòu)或其它結(jié)構(gòu))。這些整流天線裝置提供了更健壯的穩(wěn)定性。此外，貼片天線導(dǎo)致增強的可操作天線性質(zhì)和輸出。在愛達荷國家實驗室中，在柔性襯底上制備了這樣的由黃金制成的天線陣列。近來，通過使用原子層沉積(ALD)克服了生產(chǎn)納米縫隙結(jié)陣列的技術(shù)難點。使用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，隨后通過ALD產(chǎn)生約Inm的隧道結(jié)，來在硅晶片上生產(chǎn)銅-真空-銅隧道結(jié)的平面陣列(參見R.Gupta和B.G.Willis, Appl.Phys.Lett.90,253102 (2007))。方法流程從步驟S204前進至步驟206，在步驟206中，在前進至步驟208的查詢之前確定天線。在步驟S208中，所述流程關(guān)于輻射頻譜是否窄進行查詢。如果對查詢的回答為“是”，則方法流程前進至步驟212，在步驟212中，將幾何參數(shù)與諧振匹配以確定峰值波長。方法流程從步驟212前進至步驟S214。但是，如果在步驟208中對查詢的回答為“否”，則流程前進至步驟210，在步驟210中，在流程前進至步驟214之前，幾何參數(shù)是基于能量吸收和能量密度的。在步驟214中，縫隙足夠小以對入射輻射所呈現(xiàn)的頻譜中的最高頻率進行響應(yīng)?？p隙距離被設(shè)計為使得隧穿時間足以讓電子在場反向之前穿越勢壘。納米線/mCNT190和其它銳利邊緣的幾何結(jié)構(gòu)裝置具有固有的快速響應(yīng)時間(達到飛秒)。整流天線裝置使用由這些整流天線組成的尺寸與波長相關(guān)的陣列。在整流天線裝置中，納米線/mCNT190或其它實施例利用集電極形成點接觸或銳利邊緣的MVM或MIM結(jié)勢壘。通過隧穿效應(yīng)電荷穿過勢壘。通過使用這些面積減小的點接觸納米線/mCNT或銳利邊緣裝置，可以克服由于寄生電容效應(yīng)所引起的傳統(tǒng)平面MIM 二極管的受限頻率響應(yīng)的問題。方法流程從步驟214前進至步驟216，在步驟216中，沿天線的長度感應(yīng)出AC電流。所述流程然后沿路徑A前進，在步驟218再次進入方法流程，如圖2B中所示。轉(zhuǎn)向圖2B，示出了圖2A的流程圖的繼續(xù)，在圖2B中路徑A前進至步驟218。在步驟218，AC電流在幾何上非對稱的隧道結(jié)的頂部或邊緣產(chǎn)生震蕩電荷，在步驟220，由于末端或邊緣的緊縮幾何結(jié)構(gòu)，震蕩電荷引起增強的場。在步驟222，隧道結(jié)中的震蕩電荷感應(yīng)出橫跨縫隙的AC電壓。方法流程從步驟222前進至步驟224的查詢，該查詢詢問所感應(yīng)出的場是否足夠大以用于場發(fā)射。如果對查詢的回答為“否”，則在沿路徑B移動以便如圖2A所示在步驟204再次進入方法流程之前，在步驟226改變實施方式。但是，如果在步驟224對查詢的回答為“是”，則流程前進至步驟228，在步驟228中，由于幾何非對稱性，關(guān)于正向偏置的勢壘與關(guān)于反向偏置的勢壘之間存在差別，該差別導(dǎo)致了整流。在根據(jù)偏置是正向的還是反向的而從步驟230前進至步驟232或步驟234之前，方法流程在步驟230采用“偏置參考”?？梢酝ㄟ^參看圖2C、2B以及2D(在下文中將進一步討論)來查看步驟230中的偏置參 考。在步驟232中，正向偏置導(dǎo)致在相對于對應(yīng)電極的末端或邊緣突出處的電場增強，該電場增強導(dǎo)致與均勻場情況相比的凹勢壘。在步驟234中，反向偏置導(dǎo)致在末端處的幾何上要求的場降低，該場降低進一步導(dǎo)致與均勻場情況相比的凸勢壘。平面幾何結(jié)構(gòu)的整流比(rectification ratio)為I。在步驟232中正向偏置導(dǎo)致凹勢壘，而在步驟234中勢壘是凸的，這導(dǎo)致正向和反向隧穿電流的非對稱性，因此整流比大于I。當然，可以通過溫度或材料非對稱性以及其它幾何因子來增強整流處理。方法流程從步驟232和步驟234前進至步驟236，在步驟236中正向電流超過反向電流，從而使凈DC電流和功率被傳送到外部電路。方法流程然后在步驟238終止。納米線/mCNT點接觸二極管140中的整流由二極管結(jié)構(gòu)的幾何非對稱性以及異種材料的使用引起。在圖2C和圖2D中示出了此幾何非對稱性，其中，對于所施加的電偏置，在正向和反向方向上的電流不相等(即使對于相同金屬)，因為幾何上感應(yīng)的非對稱隧穿勢壘導(dǎo)致了非對稱的正向和反向隧穿電流。如在圖2C和圖2D中所示，對于正向偏置，在邊緣34和基部30之間，凹勢壘32與反向偏置的凸勢壘36不對稱。通過提供邊緣34和基部30的材料非對稱性，以及通過改變結(jié)的其它物理參數(shù)(諸如邊緣半徑和邊緣-基部(陽極)間隔)，可以進一步增強此整流。通過測量STM的1-V特性可以實驗上確認以上結(jié)果，STM只是對結(jié)中的真空間隔進行原子尺度控制的點接觸二極管。圖2E示出了點接觸結(jié)，所述點接觸結(jié)具有位于納米線/mCNT40(具有銳利邊緣42)與金屬電極46之間的薄絕緣/真空層48。虛線44表示點接觸結(jié)中的電場。此結(jié)構(gòu)允許入射輻射感應(yīng)的表面電流以小的衰減沿納米線/mCNT140的長度傳播。由所吸收的太陽輻射所感應(yīng)的表面電荷在邊緣42處積累。此電荷分布在邊緣42與金屬電極層46 (S卩，陽極或透明導(dǎo)電層)之間產(chǎn)生AC偏置電壓。轉(zhuǎn)向圖3，其中示出了天線56的電極和集電極組件的框圖。此點接觸狀裝置由平面襯底上的貼片天線或水平定向的納米線/mCNT構(gòu)成。本發(fā)明使用這些點接觸狀裝置的尺寸與波長相關(guān)的貼片天線形式或水平定向的納米線/mCNT。在所提出的點接觸裝置中，貼片天線或納米線或mCNT根據(jù)集電極60形成MVM或MM結(jié)勢壘。在具有62所示的結(jié)距離的整流隧道結(jié)58處通過隧穿效應(yīng)發(fā)生穿過勢壘的電荷輸運。天線組56由電極50所固定，并且沉積在襯底Si52上的Si0254上，，并具有預(yù)先確定的輻射波長64。天線56的寬度66在大約50-300nm的范圍中，而在襯底上的Si0254具有大約20-100nm的寬度。圖4是圖3的天線56的電極至電極流的框圖。電極82層積在襯底80上，并且接合涂覆有等離激元層的金屬天線84。通過勢壘的電荷輸運被導(dǎo)向集電極88。在圖3和圖4的透視圖的變型中，圖5是天線末端的側(cè)視圖，示出了本發(fā)明的層積襯底。電極188層積在襯底100的SiO2涂層106上，并且鄰接涂覆有等離激元層110的金屬天線114。結(jié)縫隙112位于等離激元層110與集電極104之間。穿過勢壘的電荷輸運被導(dǎo)向位于襯底100的SiO2涂層102的頂部的集電極104。接下來轉(zhuǎn)向圖6，其中示出了接收穿過透明覆蓋層128的入射輻射130的高頻整流裝置。透明覆蓋層128位于至少一個基于納米線/mCNT的高頻二極管140之上?；诩{米線/mCNT的高頻二極管140包括支撐在金屬電極基部122上的納米線/mCNT整流天線132(代替平面MIM或MVM 二極管裝置)，該金屬電極基部122被層積為與襯底120相接觸。納米線/mCNT在一側(cè)與金屬電極126非常接近(大約1_10納米的數(shù)量級)以形成整流接觸134。金屬電極層126包括透明導(dǎo)電層，該透明傳導(dǎo)電層可以由氧化銦錫或任何合適的透明導(dǎo)體組成。薄絕緣層124位于金屬電極層126與納米線/mCNT132之間，并且可以由任何適當?shù)碾娊^緣層(包括真空層)組成。在接觸區(qū)域134處的納米線/mCNT132的端部是納米線/mCNT132的銳利邊緣，并且與絕緣層124 —起形成點接觸結(jié)134。在另一示例性的實施例中，銳利邊緣可以是針狀末端。在又一示例性實施例中，銳利邊緣可以是刀片狀邊緣。并且，在另一示例性實施例中，銳利邊緣可以是環(huán)形，諸如圓柱體的上邊緣。整流天線的銳利邊緣可以涂覆有諸如金剛石、BN、GaN、AlN、AlGaN以及Cs等材料。這些涂層減小了正向隧穿勢壘的大小，從而允許增強的電子發(fā)射。相鄰的納米線/mCNT132之間的距離可以是入射波長的寬度的大約2或3倍的數(shù)量級，對于實際應(yīng)用大約為300-2000納米；但是，認為間隔距離應(yīng)當不超過幾百納米的數(shù)量級，以確?？尚械氖占省＝酉聛磙D(zhuǎn)向圖7，其中示出了通過使用整流技術(shù)在天線154的末端處進行的光能量轉(zhuǎn)換的變型的電路圖。通過使末端與襯底150之間的接觸區(qū)域152盡可能的小(大約50-200nm2的數(shù)量級)，并且對于邊緣使用諸如但不限于鎢、鑰、鎳、金或銀等的低電阻率金屬，來獲得具有在光學(xué)區(qū)域(對應(yīng)于大約100 -1OOOTHz的數(shù)量級的頻率)中的響應(yīng)時間的點接觸二極管整流器。在納米線/mCNT點接觸二極管140中的整流可以起因于二極管結(jié)構(gòu)的幾何非對稱性以及不同的材料的使用。

Nguyen等人研究了針對金屬觸須型二極管的入射福射的整流。Nguyen等人的實驗具有重大意義，因為他們從經(jīng)IR照射的末端獲得了整流之后的DC電流。下面所描述的此實驗構(gòu)成了第一原理證明。1989年的此實驗(參見圖7)確定了當采用IR輻射6進行照射時穿過STM MVM結(jié)勢魚的有效隧穿時間或穿越時間。在實驗中，對于λ #Λ=1.06 μ m,根據(jù)末端-集電極間隔測量到大約InA的整流之后的DC電流。實驗結(jié)果證明了關(guān)于適當?shù)乃淼揽p隙間隔d的IR頻率整流。如果假定平均隧穿速度為費米速度(Fermi velocity) (vf),則v<±=vf/d。此分析預(yù)測了 Inm的縫隙能夠整流接近UV6的輻射。采樣保持柵160位于反饋電路與STM結(jié)之間，反饋電路由控制末端與樣本之間的距離的164和166構(gòu)成。隧穿電流還可以由計算機通過12位模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)158來自動地記錄。在兩階段處理中進行測量。在初始或采樣階段，在天線154與襯底150之間所施加的偏置和反饋電路中的參考電流被用于設(shè)定末端與樣本之間的間隔S。162是電路結(jié)。在圖7中，縫隙距離被設(shè)計為使得隧穿時間足以使電子在場反向之前穿越勢壘。納米線/mCNT190和其它銳利邊緣幾何結(jié)構(gòu)裝置具有固有的快速響應(yīng)時間(達到飛秒)。沿天線的長度感應(yīng)出AC電流166，并且在AC電流穿越柵156之后在幾何上非對稱的隧道結(jié)的頂部或邊緣產(chǎn)生震蕩電荷。在隧道結(jié)中的震蕩電荷感應(yīng)出橫跨縫隙的AC電壓。由于幾何非對稱性，在關(guān)于正向偏置的勢壘和關(guān)于反向偏置的勢壘之間存在差別，該差別導(dǎo)致了整流。接下來轉(zhuǎn)向圖8，其中示出了本發(fā)明的整流天線裝置140具有多個納米線/mCNT190。另外，圖8還示出了連接到整流天線140以便使用和/或存儲整流之后的DC電流的外部負載196。所述多個納米線/mCNT可以由多個貼片天線所代替。在圖6和圖8中，隨著來自入射輻射130的光子到達納米線/mCNT132，納米線/mCNT132吸收光子。在紅外和光學(xué)區(qū)域中，當納米線/mCNT等于適當?shù)拈L度(諸如入射輻射的波長的1/4)時，納米線/mCNT132將用作有效的天線，其中在紅外和光學(xué)區(qū)域中點接觸納米線/mCNT132的長度比入射輻射130`大幾個波長(大約大1_10個波長的數(shù)量級)。二極管天線長度、電導(dǎo)率、光學(xué)反射率以及負載阻抗的適當選擇可以被用來改進高頻二極管的接收性質(zhì)，并且可以被用來優(yōu)化功率吸收，從而優(yōu)化電流發(fā)射的強度，或?qū)?yīng)地優(yōu)化整流天線140中的輸出功率。在示例性實施例中，納米線190的長度是入射輻射180的波長的1/4。由納米線/mCNT190所吸收的能量使電荷載流子移動到納米線/mCNT190的銳利邊緣,并且此電荷在納米線/mCNT190中產(chǎn)生AC電壓。如以下所解釋的，點接觸結(jié)134的幾何非對稱性導(dǎo)致對穿過隧道結(jié)134的AC電流的整流。當電流已被整流,透明導(dǎo)電層184收集整流之后的DC電流。DC電流從此透明導(dǎo)電層184 (或陽極)耦接至外部負載196，以使用和/或存儲可使用的能量。以這樣的方式，金屬納米線/mCNT用作接收天線以吸收輻射，從而在納米線/mCNT中生成交流電壓，該交流電壓然后在點接觸結(jié)188中被整流以在透明導(dǎo)電層上產(chǎn)生DC電壓。已經(jīng)顯示,基于隧穿二極管的金屬觸須型天線具有極高的頻率響應(yīng)(參見HungQuang Nguyen,Experimental and Theoretical Studies of Tunneling Phenomena UsingScanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy, Ph.D.Thesis，該文獻可以從 Belland Howell Information and Learning 獲得)(I989)(在下文中被稱為 Nguyen)。與標準的平面MIM 二極管的較低的頻率響應(yīng)相比，此高頻響應(yīng)被認為是更好的。因此，這些類型適合于用于本發(fā)明的高頻光學(xué)整流裝置。不同于標準的整流天線，整流處理可以唯一地或主要由銳利的CNT/納米線邊緣的幾何非對稱性引起。如同 A.Mayer, M.S.Chung, B.L.Weiss, N.M.Miskovsky 以及 PaulH.Culter在Three-Dimensional Analysis of the Geometrical Rectifying Propertiesof Metal-Vacuum-Metal Junctions and Extension for Energy Conversion, Phys.Rev.B.77,085411 (2008年2月8日)(在下文中，被稱為Mayer等人，其通過引用并入本文)中所討論的，還可以通過材料和溫度非對稱性來增強整流處理。基于納米線/mCNT的整流天線140的效率因子是通過最小化寄生電容而從納米線/mCNT190產(chǎn)生感應(yīng)電流的能力。這可以通過點接觸結(jié)134而實現(xiàn)，該點接觸結(jié)134導(dǎo)致通過隧道結(jié)134的AC電流的整流。當納米線/mCNT190接觸區(qū)域非常小(大約50_200nm2的數(shù)量級)時，光頻區(qū)域中的頻率響應(yīng)相對于平面MIM 二極管提高了兩個數(shù)量級大小，使得該裝置可以將所吸收的來自入射輻射180的電磁波轉(zhuǎn)換為DC電流。在 Krzysztof Kempa, Jakub Rybczynski, Zhongping Huang, KeithGregorczyk, Andy Vidan,Brian Kimball, Joel Carlson, Glynda Benham, YangWang, Andrzej Herczynski 以及 Zhifeng Ren 的文章 Carbon Nanotubes as OpticalAntennae, Adv.Mater.19,421-426 (2007)中，示出了具有大約1-20納米的數(shù)量級的半徑、并且具有大約1-10微米的數(shù)量級的長度的多壁CNT具有光學(xué)天線的性質(zhì)。在Mayer等人中，預(yù)測了類似尺寸的納米線在光學(xué)區(qū)域中展現(xiàn)出天線和整流器性質(zhì)。圖9是示出天線末端與樣本之間的距離與在末端所生成的整流之后的電流之間的關(guān)系的點散圖。此圖證明了針對不同末端陽極間隔的整流實驗結(jié)果，并且確定了限制頻率響應(yīng)(參見Nguyen) 。圖10是末端半徑對整流比的影響的圖(參見Nguyen)。對于2nm的間隔和如下的P進行了計算:(a)P = c ，即平面-平面結(jié)，其被包括以做為參考(實線);(b)P=10nm (點線)；(c) P =2nm (虛線)；(d) P =Inm (點劃線)；(e) P =0.5 (雙點劃線)。然后轉(zhuǎn)向圖11，其中示出了點接觸納米線/CNT Cm)整流裝置和入射輻射的示意圖；圖12是點接觸或銳利邊緣貼片天線199整流裝置和入射輻射的示意圖。關(guān)于圖11和圖12，整流天線裝置140具有多個納米線/mCNT190。外部負載196連接到整流天線140以便使用和/或存儲整流之后的DC電流。隨著來自入射輻射180的光子到達納米線/mCNT190，納米線/mCNT190吸收光子。在點接觸納米線/mCNT190的長度比入射輻射180大幾個波長(大約大1_10個波長的數(shù)量級)的紅外和光學(xué)區(qū)域中，當納米線/mCNT190等于適當?shù)拈L度(諸如入射輻射的波長的1/4)時，納米線/mCNT190將用作有效的天線。二極管天線的長度、電導(dǎo)率、光學(xué)反射率以及負載阻抗的適當選擇可以被用來改進高頻二極管的接收性質(zhì)，并且可以被用來優(yōu)化功率吸收，從而優(yōu)化電流發(fā)射的強度，或?qū)?yīng)地優(yōu)化整流天線140中的輸出功率。由納米線/mCNT190所吸收的能量使電荷載流子移動到納米線/mCNT190的銳利邊緣，并且此電荷在納米線/mCNT190中產(chǎn)生AC電壓。點接觸結(jié)188的幾何非對稱性引起通過隧道結(jié)的AC電流的整流。當電流已被整流，集電極198的透明導(dǎo)電層收集整流之后的DC電流。DC電流從集電極198耦接至外部負載196，以使用和/或存儲可使用的能量。以這樣的方式，金屬納米線/mCNT190用作接收天線以吸收福射,從而在納米線/mCNT190中生成交流電壓，該交流電壓然后在點接觸結(jié)188中被整流以產(chǎn)生DC電壓。在權(quán)利要求中，裝置或步驟加功能項旨在涵蓋在本文中所描述的或所提出的執(zhí)行所敘述的功能的結(jié)構(gòu)，并且不僅涵蓋結(jié)構(gòu)上的等同內(nèi)容而且還涵蓋等同結(jié)構(gòu)。因此，例如，盡管釘子、螺絲以及螺栓可能不是結(jié)構(gòu)上的等同內(nèi)容，因為釘子依賴于木制部分與圓柱體表面之間的摩擦，螺絲的螺旋表面主動地嚙合木制部分，而螺栓的頭部和螺母壓緊木制部分的相對側(cè)；但是在緊固木制部分的環(huán)境下，釘子、螺絲以及螺栓可以容易地被本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員理解為等同的結(jié)構(gòu)。已經(jīng)參照附圖描述了本發(fā)明的至少一個優(yōu)選實施例，可以理解本發(fā)明不限于這些精確的實施例，并且可以由本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員有效地實施其中的各種改變、變形和適應(yīng)性修改，而不背離所附的 權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明的范圍或精神。
權(quán)利要求
1.一種用于接收入射輻射并將所述入射輻射轉(zhuǎn)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福射； (b)確定所述入射輻射的輻射頻譜； (c)對應(yīng)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(shù)； Cd)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(yīng)； Ce)沿所述天線的長度感應(yīng)一組交流電流； Cf)計算所述感應(yīng)的交流電壓是否足夠大以用于場發(fā)射； (g)基于所述末端的幾何非對稱性發(fā)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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述天線是貼片天線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述天線是觸須型天線。
4.一種用于接收入射輻射并將所述入射輻射轉(zhuǎn)換為直流電流的設(shè)備，所述設(shè)備進一步包括: Ca)襯底； (b)第一涂層，所述第一涂層 層積在所述襯底上，并且從所述襯底的近端邊緣沿所述襯底的長度延伸到中途； (c)第一電極，所述第一電極層積在所述第一涂層上，并且從所述涂層的近端邊緣沿所述涂層的長度延伸到中途； (d)金屬天線，所述金屬天線層積在所述第一涂層上，并且從所述電極的遠端邊緣沿所述第一涂層延伸，并延伸超過所述第一涂層的遠端邊緣； (e )等離激元層，所述等離激元層層積在所述金屬天線上，并且從所述電極的遠端邊緣沿所述金屬天線延伸，并延伸超過所述金屬天線的遠端邊緣，并且在所述遠端端部處向下延伸以便覆蓋所述金屬天線；以及 (f)縫隙，所述縫隙由所述等離激元層的終止端部和所述涂層的終止端部形成，所述縫隙使第二電極與第二涂層偏移，其中，所述第二電極層積在所述第二涂層上，并且所述第二涂層層積在所述襯底上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述襯底是硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述第一涂層是二氧化硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述第二涂層是二氧化硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述金屬天線還包括至少一個點接觸二極管，所述至少一個點接觸二極管進一步包括: (a)導(dǎo)體； (b)納米線,所述納米線提供了接收天線功能和整流功能，所述納米線進一步包括: (i)銳利邊緣，所述納米線呈錐形并且在所述銳利邊緣處最窄； ( )薄絕緣層，位于透明導(dǎo)體與所述納米線之間；以及 (iii)點接觸結(jié)，所述銳利邊緣與所述薄絕緣層在所述點接觸結(jié)處相接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述銳利邊緣是點。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述銳利邊緣是線。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述銳利邊緣是環(huán)形。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述點接觸結(jié)進一步包括大約50nm2至200nm2數(shù)量級的小的接觸區(qū)域。
13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述納米線由具有高輻射吸收的金屬制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述納米線由具有低輻射反射率的金屬制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述納米線由具有高導(dǎo)電率的金屬制成。
16.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述納米線由具有低電阻率的金屬制成。
17.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述金屬從包括以下材料的組中選擇: (a)鎢； (b)鑰；(c )鎳； (d)金； (e)銀；以及 ⑴銅。
18.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述納米線的長度為所述入射輻射的波長的大約 1/4。
19.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述納米線的長度為所述入射輻射的波長的大約I至10倍。
20.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述納米線以大約所述入射輻射的波長的數(shù)量級的距離與相鄰的納米線分離。
21.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述納米線以大約所述入射輻射的波長的兩倍的數(shù)量級的距離與相鄰的納米線分離。
22.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述納米線以大約所述入射輻射的波長的三倍的數(shù)量級的距離與相鄰的納米線分離。
23.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述薄絕緣層為真空。
24.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，進一步包括:用于接收和存儲所述直流電流的外部負載。
25.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述至少一個點接觸二極管包括多個點接觸二極管，所述多個點接觸二極管中的每個具有提供接收天線功能和整流功能的納米線，所述納米線中的每個包括銳利邊緣，并且其中，所述納米線中的每個呈錐形并且在所述銳利邊緣處最窄。
26.一種用于接收入射輻射并將所述入射輻射轉(zhuǎn)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例，所述末端具有銳利邊緣，并且所述天線能夠接收所述入射福射； (b)層積所述天線以便產(chǎn)生所述實施例； (c)選擇襯底； (d)首先，將第一涂層層積在所述襯底上，使得所述第一涂層從所述襯底的近端邊緣沿所述襯底的長度延伸到中途； (C)其次，將第一電極層積在所述第一涂層上，使得所述第一電極從所述第一涂層的近端邊緣沿所述第一涂層的長度延伸到中途； (d)第三，將金屬天線層積在所述第一涂層上，使得所述金屬天線從所述第一電極的遠端邊緣沿所述第一涂層延伸，并延伸超過所述第一涂層的遠端邊緣； (e)第四，將等離激元層層積在所述金屬天線上，使得所述等離激元層從所述第一電極的遠端邊緣沿所述金屬天線延伸，并延伸超過所述金屬天線的遠端邊緣，并且在所述遠端端部處向下延伸以便覆蓋所述金屬天線；以及 (f)形成由所述等離激元層的終止端部和所述第一涂層的終止端部劃界而形成的縫隙，所述縫隙使第二電極與第二涂層偏移，其中，所述第二電極層積在所述第二涂層上，并且所述第二涂層層積在所述襯底上。
(g)沿所述天線的長度感應(yīng)一組交流電流； (h)計算所述所感應(yīng)的交流電流是否產(chǎn)生了足夠大以用于場發(fā)射的電壓； (i)基于所述末端的幾何非對稱性發(fā)起正向偏置和反向偏置；以及 (j)將正的凈直流電流傳送到外部電路。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述天線是貼片天線。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述天線是觸須型天線。
29.根據(jù)權(quán)利要 求26所述的方法，所述金屬從包括以下材料的組中選擇: (a)鎢； (b)鑰； (c )鎳； (d)金； (e)銀；以及 ⑴銅。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于接收入射輻射并將入射輻射轉(zhuǎn)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(cè)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(cè)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(yīng)一組交流電流。該方法然后計算所感應(yīng)的交流電流是否足夠大以產(chǎn)生用于場發(fā)射的電壓。如果電壓足夠大，則發(fā)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。
文檔編號H01Q1/46GK103229358SQ201180054072
公開日2013年7月31日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
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