用于光频整流器的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于光频整流器的方法和设备
[0001]本专利申请是国际申请日为2011年11月22日、国家申请号为201180054072.9、发明名称为“用于光频整流器的方法和设备”的专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求于2010年1月4日提交的美国临时专利申请N0.61/335，201的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用完全地并入本文。
[0004]公开图片
[0005]图1A。
技术领域
[0006]本发明涉及一种用于进行光频整流(optical frequency rectificat1n)以便更加有效地采收从红外到可见光的辐射的技术。更具体地，本发明涉及一种基于天线末端的或诸如贴片天线上的其它成形边缘的几何非对称性的光频整流技术。
【背景技术】
[0007]在微波区域中的用于功率传输和检测的整流天线(rectenna)的使用具有很长的历史。应用已经包括:长距离功率集束、信号检测、以及无线控制系统。用于微波功率的有效接收和整流的第一种接收装置开发于二十世纪六十年代早期。
[0008]点接触装置(即，触须型二极管)已经被用于上至可见光频谱的绿光部分的绝对频率的测量，该装置展示出飞秒数量级的响应时间，该响应时间比传统的MIM 二极管快几个数量级大小。除了用于触须型天线的纳米线几何结构之外，贴片天线(例如，微带天线)的使用可以具有扩展的实心和空心的几何结构(例如，正方形、矩形、环形或其它形状)，这在实际的装置中提供了更健壮的稳定性。
[0009]另外，贴片天线可以导致增强的天线性质和输出(参见K.R.Carver和J.ff.Mink，IEEE Trans.Antennas and Prop，AP-29，1，2 (1981))。此外，在爱达荷国家实验室，已经在柔性衬底上制备了这样的黄金天线阵列。平面结构将需要更简单的制备。近来，Gupta和Willis使用原子层沉积(ALD)克服了生产纳米缝隙结阵列的技术难点。使用传统的光刻技术，随后通过ALD生成约lnm的隧道结，在硅晶片上产生铜(Cu)-真空-铜隧道结的平面阵列。
[0010]最近，对使用银(Ag)、金(Au)以及铜(Cu)末端的经光学照射的MVM隧道结进行的三维量子力学计算机模拟，预测了由于在这些材料中在约3eV(对应于可见光频谱的高能量的绿光部分)处的表面等离激元(surface plasmonic resonance)谐振所引起的增强的整流和电流输出。将由诸如钨、钼或铝这些金属形成的薄层沉积在下层天线结构上将产生相同的结果。
[0011]不同于传统的平面Μ頂二极管，在所提出的装置中，整流处理可以仅仅(和/或主要地)由尖锐的纳米线/mCNT末端的几何非对称性引起。在微带天线或其它形式的贴片天线上所产生的刀片状边缘也可以提供整流处理所需要的固有的几何非对称性。
[0012]有效地采收频谱的光频部分中的能量的主要挑战之一是开发将从频谱中的红外(IR)至可见光部分(约1015Hz)(包括了太阳能频谱中的绝大部分)进行整流的宽波带装置。当前，硅基能量转换装置(光伏器件)是窄波带装置，其限制为对电磁频谱的较低能量部分的收集。
[0013]这种用于光频整流的技术具有如下应用，包括但不限于:光伏器件(光子能量到电能的转换)、将太阳能转换为电能(参见于2010年9月21日颁发给Paul H.Cutler的名为 APPARATUS AND SYSTEM FOR A SINGLE ELEMENT SOLAR CELL 的美国专利N0.7，799，998 (在下文中被称为Cutler);该美国专利的全部内容通过引用并入本文)、热能或化学能的太阳能电池、纳米光子器件、近场光学器件、包括医学和化学传感器在内的 IR 传感和成像(参见 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)。另外的应用是信息的光频传输和接收，以及能量转换。这是有意义的，因为以更高的频率所传输的信息的密度更大；实际上，密度根据频率的平方而变化。对于穿过大气的传输，损耗随着频率的增加而降低。
[0014]因此，对于采收而言，根本性的重要和关键的方面之一是实现到电磁频谱的可见光部分的光学整流的能力。采用当前的整流装置，最快的频率响应被限制在IR。本申请人已经开发了光学整流的新范例，并且理论上和实验上均证明了长期寻求的用于电磁频谱的可见光部分的实际整流装置的可行性。
[0015]现有技术尝试解决在上文中所提出的多个问题。例如，1984年4月24日颁发给Alvin Μ.Marks 的名为 DEVICE FOR CONVERS1N OF LIGHT POWER TO ELECTRIC POWER 的美国专利N0.4，445，050(在下文中被称为Marks-1)提出了用于光功率到电功率的直接转换的装置。本发明与Marks-Ι的不同之处在于，Marks-Ι使用了用于吸收可见光子的多个偶极天线。可见光子的交流电场被用来引起偶极天线中的电子谐振并且吸收电功率。在导电汇流排(busbar)上蓄积来自多个天线和相关的整流电路的直流(DC)功率。
[0016]另外，1988年 1 月 19 日颁发给 Marks 的名为 FEMT0 D1DE AND APPLICAT1NS 的美国专利N0.4，720, 642 (在下文中被称为Marks-2)公开了由一端附接至Μ頂二极管的亚微米尺寸的偶极天线所构成的飞秒整流装置。Marks-2装置是传统的平面Μ頂二极管，其依赖于材料的选择而不依赖于几何结构。重要的是要注意在Marks-2的MIM整流装置中，装置的响应时间将受材料的选择所限制，并且不延伸超过IR。
[0017]此外，1986年 3 月 4 日颁发给 Marks 的名为 ORDERED DIPOLAR LIGHT-ELCETRICPOWER CONVERTER的美国专利N0.4，574，161 (在下文中被称为Marks-3)教导了包括具有嵌入其中的光吸收电传导粒子的薄板的光功率到电功率转换器。所述粒子可以是金属的，或可以是导电分子(诸如共轭碳链)。Marks-3的电极是原位形成的，并且包括还原为金属且形成预定图案的盐。
[0018]现有技术未意识到，当前的硅基能量转换装置(光伏器件)是窄波带装置，其将收集和转换限制到频谱的较低能量部分。通常，传统的整流天线由两个不同的元件构成:偶极天线和单独的整流装置(诸如Μ頂或Schottky 二极管)。因此，对于采收而言，根本性的重要和关键的方面是实现到太阳频谱的可见光部分的光学整流的能力。采用当前的整流装置，最快的频率响应被限制在IR。
[0019]另外，现有技术的另一缺陷是传统的平面Μ頂二极管的受限频率响应(受寄生电容效应限制)的问题。
[0020]Cutler可以在很大程度上解决接收入射辐射和将入射辐射转换为DC电流所需要的效率。本发明通过基于天线末端或诸如贴片天线上的其它成形边缘的几何非对称性，来解决针对用于光伏器件和其它应用的改进的光学整流技术的需求，扩展了 Cutler的成功。此外，存在以下需求:使用点接触纳米线/mCNT和诸如贴片天线等其它锐利边缘装置以及其固有的快速响应时间，以克服传统的平面MIM 二极管的受限频率响应的问题。
【发明内容】
[0021]本发明的一个方面是提供一种用于将从包括红外(IR)到可见光频谱的范围的辐射转换为DC电流的有效和新颖的设备。
[0022]本发明的另一方面是提供一种由纳米线、或其它适当地成形的天线或金属碳纳米管(mCNT)制成的单元件整流天线(即，在微波区域中最初使用的整流二极管和天线的组合)。
[0023]本发明的另一方面是提供一种同时用作接收天线和点接触(或锐利边缘)整流装置两者的整流天线。
[0024]本发明涉及一种用于接收入射辐射并将入射辐射转换为DC电流的方法和设备。更具体地，本发明涉及一种基于天线末端或诸如贴片天线上的其它成形边缘的几何非对称性的光频整流技术。该方法从选择具有终止末端的天线开始。该末端具有锐利边缘，并且该天线能够接收入射辐射。整流天线由具有以末端或锐利边缘结构终止的一个边缘的接收天线(例如，贴片天线或纳米线或mCNT)构成，所述一个边缘为几何上非对称的隧道结的一部分。
[0025]根据本发明的实施例，提供一种用于接收入射辐射并将入射辐射转换为DC电流的方法和设备。该方法包括从选择用于具有终止末端的天线的适当实施方式开始的多个步骤。该末端具有锐利边缘，并且该天线能够接收入射辐射。可以层积天线以便产生适当的实施方式。
[0026]层积包括:选择衬底，以及首先将第一涂层层积在衬底上，使得第一涂层从衬底的近端边缘沿衬底的长度延伸到中途。第一电极被层积在第一涂层上，以便从第一涂层的近端边缘沿第一涂层的长度延伸到中途。然后，金属天线被层积在第一涂层上，以便从第一电极的远端边缘沿第一涂层延伸，并延伸超过第一涂层的远端边缘。从包括钨、钼、镍、金、铝、铜以及银的组中选择用于天线的金属。
[0027]然后，由金、铜、银或具有期望性质的其它适当材料组成的等离激元层(plasmoniclayer)被附加在金属天线的顶部，使得等离激元层从第一电极的远端边缘沿金属天线延伸，并延伸超过金属天线的远端边缘，并且在远端端部处向下延伸以便覆盖金属天线。形成缝隙，该缝隙一方面由等离激元层的终止端部和第一涂层的终止端部划界，另一方面由第二电极和第二涂层划界。第二电极被层积在第二涂层上，而第二涂层被层积在衬底上。
[0028]沿天线的长度感应一组交流(AC)电流。然后该方法需要计算所产生的横跨缝隙的感应AC电压是否足够大以用于场发射。如果电压足够大，则基于在天线末端处的几何非对称性发起正向偏置和反向偏置。然后正向净DC电流被引导到外部电