量子真空涨落装置

量子真空涨落装置
1.相关专利申请的交叉引用
2.本技术要求2020年4月22日提交的美国申请号16/855,890和2019年9月23日提交的美国临时申请号62/904,666以及2019年5月10日提交的美国临时申请号62/920,636的权益和优先权，这些申请据此以引用方式全文并入。
技术领域
3.本发明属于电子装置领域。本发明整体涉及用于收集和生成电能的量子装置。


背景技术：

4.根据量子理论，量子真空充满了量子真空涨落形式的电磁辐射。关于是否可以收集这种能量(以及如果可以，如何收集)已进行了大量讨论。收集这种能量的一个主要问题是它形成了能量基态，因此不会从一个区流到另一个区。然而，量子真空能量是几何相关的，其密度在卡西米尔腔内比在卡西米尔腔外低。因此，卡西米尔腔的使用开启了利用量子真空涨落将能量从一个位置驱动到另一个位置的可能性。


技术实现要素：

5.本文描述了用于生成电能的装置。在实施例中，本文描述的装置使用量子真空的能量密度不同的两个不同区域来驱动穿过电子装置的能量，从而可收集其中的一部分。
6.在一方面，公开了用于生成和捕获由量子真空涨落激发的电荷载流子的装置。本方面的装置可使用量子真空涨落相对于电子装置的不对称性来驱动能量流或颗粒流或波流穿过电子装置。本方面的装置还可包括或替代地包括具有允许由量子真空涨落激发的电荷载流子的快速传输和/或捕获的结构的电子装置。在一些实施例中，本方面的装置可称为卡西米尔光注入器或卡西米尔光注入器装置。
7.本方面的示例性系统可包括电子装置和邻接该电子装置的零点能量密度降低结构。本方面的装置可任选地连接到定位为接收来自电子装置的一个或多个传导层的电流的负载。在实施例中，零点能量密度降低结构提供相对于电子装置的不对称性，该不对称性驱动能量流或颗粒流或波流穿过电子装置。本文公开的装置与太阳能电池、光电二极管或其他装置不同，这些装置将来自外部照明源的光转换为电流并且能够产生即使在没有外部照明源的情况下也会发生的能量流、颗粒流或波流。换句话说，所公开的装置能够在黑暗条件或光照条件下产生功率。
8.该不对称性可在电子装置的第一侧与电子装置的第二侧之间产生电压差。该不对称性可在电子装置的第一侧与电子装置的第二侧之间产生净电荷流。该不对称性可与在不存在零点能量密度降低结构时在电子装置的第一侧上的零点能量密度相比，使电子装置的第一侧上的零点能量密度降低。该不对称性可提供电子装置的第一侧上的第一零点能量密度与电子装置的第二侧上的第二零点能量密度之间的差异，使得该差异驱动能量流通过该装置。
9.在实施例中，电子装置表现出允许在1ps或更短的时间内传输或捕获穿过电子装置的电荷载流子的结构。在一些情况下，电子装置的结构允许在100fs或更小、10fs或更小、1fs或更小或0.1fs或更小的范围内传输或捕获电荷载流子。例如，电子装置的部件可非常薄，诸如在某些情况下表现出100nm或更小的厚度，这可允许电荷载流子的快速传输。在一些情况下，电子装置的至少一部分可包括零点能量密度降低结构的部件。
10.在本方面的一些装置中，零点能量密度降低结构包括卡西米尔腔，该卡西米尔腔邻接电子装置。该电子装置可包括：该第一传导层，该第一传导层邻接卡西米尔腔相邻或包括卡西米尔腔的部件；传输层，该传输层设置为与第一传导层相邻并与第一传导层接触；以及第二传导层，该第二传导层设置为与传输层相邻并与传输层接触。在各种示例中，第一传导层包括金属、半导体、二维导电材料、超导体或导电陶瓷。任选地，第二传导层包括金属、半导体、二维导电材料、超导体或导电陶瓷。示例性传输层包括那些包含电介质或半导体的传输层。第一传导层可任选地包括电子装置的部件以及卡西米尔腔的部件。
11.示例性卡西米尔腔包括：第一反射层；腔层；以及第二反射层，其中该腔层介于第一反射层与第二反射层之间。有用的腔层包括那些包括排空或充气间隙层或凝聚相光学透明材料层(诸如固体、液体或液晶)的腔层。任选地，第二反射层包括电子装置的一个或多个部件，诸如电子装置的传导层的至少一部分。
12.各种电子装置可与本方面的装置一起使用。例如，在一些情况下，电子装置包括二极管，诸如但不限于金属/绝缘体/金属二极管(mim)、肖特基二极管、金属/绝缘体/半导体(mis)二极管、莫特二极管、量子阱二极管、弹道二极管或碳纳米管二极管。任选地，电子装置包括超导体/绝缘体/超导体(sis)装置。在一个示例中，电子装置包括：传导层，该传导层与零点能量密度降低结构相邻或包括零点能量密度降低结构的部件；以及半导体层，该半导体层被设置为与传导层相邻并与传导层接触。任选地，可对半导体层进行掺杂。
13.在另一方面，公开了诸如用于产生电能的装置阵列。本方面的示例性装置阵列包括以阵列配置布置的多个装置。例如，多个装置的至少一个子集任选地以串联配置布置。任选地，多个装置的至少一个子集以并联配置布置。在一些示例中，多个装置以串联和并联配置的组合布置。可用于本方面的装置阵列的装置包括本文所述的任何装置，诸如上文和本公开中所述的卡西米尔光注入器装置。
14.在另一方面中，公开了装置叠堆，该装置叠堆可包括以堆叠配置布置的多个装置层，诸如其中每个装置层都定位在至少一个其他装置层之上和/或之下。每个装置层可包括本文所述的一个或多个装置，诸如上文和本公开中所述的卡西米尔光注入器装置。在一些情况下，装置层中的一个或多个或每一个对应于包括多个装置的阵列，诸如上文和本文所述的阵列。
15.在另一方面，描述了卡西米尔腔。在一些示例中，卡西米尔腔可对应于填充的卡西米尔腔，诸如包括第一反射层、腔层和第二反射层的卡西米尔腔，其中腔层位于第一反射层与第二反射层之间，并且其中腔层包括凝聚相材料诸如固体、液体或液晶。尽管这些卡西米尔腔可被称为填充的卡西米尔空腔，但本文描述了其他卡西米尔空腔并且可用于本文所述的各个方面，诸如具有排空或充气腔层的其他卡西米尔腔。
16.公开了用于本文公开的卡西米尔腔的各种配置。例如，腔层可任选地具有10nm至2μm的厚度。在一些示例中，腔层包括对于至少一些100nm至10μm的光波长具有大于20％的透
射率的材料。任选地，卡西米尔腔的第一反射层和第二反射层可各自独立地具有至少10nm诸如10nm至1cm的厚度。任选地，卡西米尔腔的第一反射层或第二反射层中的至少一个的反射率为50％nm至100％。可与本文公开的卡西米尔空腔一起使用的示例性反射层包括但不限于金属、介电反射器、衍射反射器或腔层与提供折射率阶跃的相邻材料之间的界面。
17.不希望受任何特定理论的束缚，本文可讨论与本发明相关的基本原理的信念或理解。应认识到，无论任何机械解释或假设的最终正确性如何，本发明的实施例仍然是可操作的和有用的。
附图说明
18.图1提供了示出量子真空辐射和黑体辐射的能量密度谱的曲线图。
19.图2提供了根据至少一些实施例的由能量密度差驱动的示例性装置的示意性图示。
20.图3提供了根据至少一些实施例的与示例性电子装置相邻的示例性卡西米尔腔的横截面图示。
21.图4提供了根据至少一些实施例的第一示例性卡西米尔光注入器装置的横截面图示。
22.图5提供了根据至少一些实施例的第二示例性卡西米尔光注入器装置的横截面图示。
23.图6提供了根据至少一些实施例的第三示例性卡西米尔光注入器装置的横截面图示。
24.图7提供了根据至少一些实施例的第四示例性卡西米尔光注入器装置的横截面图示。
25.图8提供了根据至少一些实施例的示例性装置阵列的示意性电路图。
26.图9a提供了根据至少一些实施例的用于制造示例性卡西米尔光注入器装置的图案布局。
27.图9b提供了根据一些实施例的示例性卡西米尔光注入器装置的横截面图示。
具体实施方式
28.量子真空涨落用电磁辐射填充所有空间。该辐射在自由空间中的能量密度为
[0029][0030]
其中h为普朗克氏常数，f为辐射频率，c为光速，k为波耳兹曼常数，并且t为温度。方程1括号中的第一项是由于非零温度下的热黑体辐射，第二项与温度无关并且对应于量子真空辐射。
[0031]
方程1中温度相关项和温度无关项的能量密度(ρ(hf))谱如图1所示，其中数据绘制为光子能量hf的函数，其中h为普朗克氏常数，并且f为光频，随波长的倒数而变化。在300k时，热分量(在图1中标记为黑体(hf))在光谱的可见光部分在红外线中达到最大值，而量子真空辐射(在图1中标记为qvr(hf))分量随频率的三次方而增大，并且在可见光频率和
更高频率下变得比光谱的热分量大得多(如上面的方程1和下面的方程2所示)。对于300k黑体辐射，量子真空辐射分量超过7thz以上任何频率的热部分，对应于大约29mev的光子能量。由于高频下光谱的量子真空辐射部分的能量密度比热谱的能量密度大得多，因此可从量子真空辐射中获得更多的能量。
[0032]
收集由量子真空辐射产生的能量似乎并不违反任何物理定律，但由于能量与基态的能量相对应，因此通常没有能量流动的驱动力。然而，量子真空辐射是几何相关的，其密度在不同的空间区可能不同。例如，零点能量密度降低结构可建立一个几何条件，其中一个空间区的量子真空辐射密度可低于自由空间中(诸如结构外)的量子真空辐射密度，因此这为能量流的发生提供了条件。美国专利7,379,286中描述了一种方法，该专利据此以引用方式并入。
[0033]
零点能量密度降低结构的一个示例为卡西米尔腔，其可使用两个紧密间隔的平行反射板形成。由于切向电场必须在边界处消失的要求(对于理想反射器)，限制了板之间允许的量子真空模式(即，场模式)。一般来讲，允许的模式包括间隙间距等于波长一半的整数倍的模式。波长大于间隙间距两倍的模式在很大程度上被排除在外。这导致板外部的全谱量子真空模式(由方程1描述)比内部的受限模式集更大且数量更多，因此内部的能量密度更低。决定量子真空模式被抑制的波长的临界尺寸是间隙间距(对于一维卡西米尔腔的情况)。卡西米尔腔也可以圆柱体(纳米孔)的形式构造，在这种情况下，临界尺寸为直径。卡西米尔腔也可形成为具有其他几何形状，这些几何形状可与所公开的装置一起使用。本文描述的各方面利用这样一个事实，即量子真空能级取决于局部几何形状，特别是零点能量密度降低结构如卡西米尔腔的存在。
[0034]
零点能量是系统的基态能量，即使在零温度下也保持不变。量子真空涨落包括电磁辐射形式的零点能量涨落。内部零点能量涨落也存在于不支持电磁辐射的材料中，诸如以等离子体激元的形式。为了能够利用零点能量密度的差异，可使用关于零点能量密度降低结构的不对称性，从而允许收集一部分能量。如图2所示，零点能量密度降低结构200可用于诸如通过使传输介质250的一侧面向零点能量密度降低结构200来在传输介质250的一侧与另一侧之间建立零点能量密度的不对称性。通过使用用于在装置的一侧相对于另一侧产生零点能量密度的不对称性的结构，以及用于将激发电荷传输(例如，传输介质250)远离激发位置的结构，从没有零点能量密度降低结构且因此具有较高零点能级的一侧到具有零点能量密度降低结构且具有较低零点能量密度的一侧，穿过传输介质的净功率可流过传输介质250，如箭头255示意性地示出。如果两侧都有降低零点能量密度的结构，但临界尺寸或频率截止值不同，则相同的概念适用。
[0035]
描述不对称性要求的另一种方法是平衡和细致平衡。在平衡状态下，从任何第一元素到任何第二元素的能量流必须通过从第二元素到第一元素的相等能量流来平衡。这是细致平衡的结果。零点能量密度降低结构可促进打破这种平衡的方法，从而使来自具有零点能量密度降低结构的装置侧的能量流小于来自不具有零点能量密度降低结构的装置侧的能量流。
[0036]
卡西米尔腔。图3提供了与传输介质350相邻的卡西米尔腔300的示例的示意性图示，该传输介质可包括或可对应于电子装置。卡西米尔腔300包括第一反射器305、第二反射器310以及第一反射器305与第二反射器310之间的间隙315。间隙315(在本文也称为腔层)
可以是空间隙(例如，排空或对应于真空)或填充有气体，这可通过刚性衬底和间隔件来实现。在一些实施例中，间隙315可填充有材料316，诸如对于由卡西米尔腔支持的电磁辐射的至少一些波长的至少部分透明的光学材料，优选地通过近紫外的整个可见范围。与气体相反，材料316可包括凝聚相材料，诸如固体、液体或液晶。可用作腔层的示例性材料包括但不限于氧化硅或氧化铝。替代地，用诸如pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯或硅树脂等聚合物来填充该间隙可能是足够的或期望的，这些聚合物可在感兴趣的波长下提供足够的透明度。在一些示例中，腔层的材料(诸如上述那些材料)对于至少一些100nm至10μm的电磁辐射波长可具有大于20％的透射率。有利地，腔层的材料对于至少一些100nm至10μm的电磁辐射波长可具有大于50％的透射率。在一些情况下，腔层的材料(包括至少一些上述材料)对于至少一些100nm至10μm的电磁辐射波长可具有大于70％或大于90％的透射率。间隙315的厚度或间距可通过卡西米尔腔的目标波长范围来设置。在一些示例中，卡西米尔腔的间隙315可具有从10nm至2μm的间距。
[0037]
用于第一反射器305和/或第二反射器310的反射器材料可基于其在感兴趣的波长范围内的反射率、沉积的容易性和/或其他考虑因素(诸如成本)来选择。反射器的厚度必须足以提供足够的反射率，但不能太厚以至于难以形成图案。在一些示例中，反射器可具有至少10nm，诸如从10nm至1cm的厚度。可用作卡西米尔腔的反射器的示例性材料包括但不限于金属、介电反射器或衍射反射器，诸如布拉格反射器或超材料反射器。可用于卡西米尔腔的反射器的示例性金属包括但不限于al、ag、au、cu、pd或pt。可用于介电反射器的示例性电介质包括但不限于zro2、sio2、si3n4、nb2o5、tio2、mgf2、lif、na3alf6、ta2o5、latio3、hfo2、zns、znse等。对于从100nm至10μm的至少一些波长的电磁辐射，卡西米尔腔的两个反射器中的至少一个反射器的示例性反射率为50％至100％。卡西米尔腔的反射器不必是金属或介电反射器，而是可使用反射界面。例如，反射层可以是两个相邻材料之间(诸如腔层与其周围材料之间)的界面处的折射率的阶跃。在一些情况下，腔壁可在从一种介电材料过渡到另一种或多种介电材料时，或在介电材料和自由空间之间提供介电常数或折射率的阶跃。
[0038]
替代地，卡西米尔腔可由分布式布拉格反射器类型的多层介电叠堆形成。例如，这种叠堆可包括具有不同折射率的两种或更多种介电材料的交替层。对于两种材料的情况，每对层的厚度表征节距。两倍节距的波长被反射，而更长的波长则在很大程度上被抑制。需要注意的是，这与抗反射涂层不同，在抗反射涂层中，节距是波长的四分之一而不是波长的二分之一，这里就是这种情况。层厚度可以进一步啁啾以增强反射的光谱宽度。可使用任何合适数量的交替的介电层，诸如2层至100层，或更多。例如，为了用sio2和al2o3的交替层的叠堆抑制250nm的波长，层厚将分别为42nm和35nm。对于总共十对层，总厚度将为770nm。
[0039]
在图3中，传输介质350定位成与卡西米尔腔300相邻，使得传输介质350的一侧面向卡西米尔腔300，从而建立不对称性。传输介质350可包括允许电荷载流子传输的材料，其可经由由卡西米尔腔300的存在而建立的零点能量密度的差异用于收集能量的过程。电引线395可连接到第二反射器310和传输介质350以将捕获的能量提供给外部负载。应当理解，虽然本文描述的方面可通过参考作为电荷载流子的电子来解释，但对于所公开的装置、系统、技术和方法的各种实施方式和操作，可用其他电荷载流子代替电子。示例性电荷载流子包括但不限于电子、空穴、库珀对、任何带电物质或磁通量，诸如自旋电子学领域中使用的。
[0040]
为了以电荷载流子的形式收集或捕获能量，需要将电荷载流子从它被发射和捕获
的点传输离开。电荷载流子的传输和捕获可能需要在非常快(即，短)的时间尺度上进行。例如，传输和/或捕获可在小于或约1ps、小于或约100fs、小于或约10fs、小于或约1fs、或小于或约0.1fs的时间间隔内发生。在某些情况下，时间越长，捕获的可用能量的比例就越小。下文将更详细地描述对快速传输和捕获电荷载流子的需求。
[0041]
卡西米尔光注入器。光子撞击导体表面可能会导致导体中的电荷载流子(通常是电子)受到光激发，从而产生热载流子。如果导体层足够薄，那么这些热载流子可穿过导体层并进入其另一侧的材料。这个过程称为内部光发射，也称为光注入。当该薄导体层与和第二导体层相邻的薄绝缘体(其在本文称为传输介质或传输层)相邻时，热载流子可穿过传输层并进入第二导体。尽管载流子也可被热激发，但在本说明书中未对其进行处理，因为它通常不会为所描述的装置产生净电流。
[0042]
可利用光激发的电荷载流子在两个方向上的通量的差异来收集能量的装置的一个示例是卡西米尔光注入器。图4中提供了示例性卡西米尔光注入器的示意性横截面图示。图4中的卡西米尔光注入器包括卡西米尔腔400，该卡西米尔腔被设置为与电子装置450相邻或接续。卡西米尔腔400包括第一反射器405、第二反射器410和间隙415，该间隙可任选地填充有材料，如上所述。电子装置450包括第一传导层455、第二传导层460和位于第一传导层455与第二传导层460之间的传输层465。在这样的配置中，第一传导层455可至少部分地用作卡西米尔腔400的第二反射器410。
[0043]
用于第一传导层455和/或第二传导层460的示例性材料包括但不限于金属、半导体(例如，低带隙半导体)、二维导电材料和导电陶瓷。示例性金属包括但不限于ag、pd、pt、au、cu、al、ti、cr、nb、ta等。石墨烯是二维半导体的一个示例。用于传导层的其他有用材料包括导电陶瓷和超导体。用于传导层的其他有用材料包括二硫化钼和氮化铌。其他有用的导电材料包括石墨、硅化镍或其他硅化物。在一些情况下，第一传导层455和/或第二传导层460可包括多层结构，诸如第一金属的第一层和第二金属的第二层，所述第二金属可不同于第一金属。双层结构的示例可包括铬层和铝层。如上所述，第一传导层455和第二传导层460可具有不同的厚度。例如，第一传导层455可具有3nm至100nm的厚度，而第二传导层460可具有5nm至5cm的厚度。
[0044]
传输层465的示例性材料包括但不限于电介质或一些半导体。示例性电介质可包括氧化物电介质或氮化物电介质，诸如氧化铝、氮化铝、氧化硅、氮化硅、氧化镍、氧化钛、氧化铌和其他绝缘金属氧化物或金属氮化物。在某些情况下，可使用陶瓷、玻璃或塑料电介质。可用于传输层465的半导体的示例为氢化非晶硅。在一些情况下，传输层465可包括多层结构，诸如第一绝缘体的第一层和第二绝缘体的第二层，所述第二绝缘体可不同于第一绝缘体。双层结构的示例可包括氧化镍层和氧化铝层。传输层465的厚度可不同于传导层的厚度。传输层465的示例性厚度可为0.3nm至50nm。
[0045]
在第一传导层455中，至少有两种方式将载流子激发到热载流子状态。一种是光子撞击导体的外表面，产生如上所述的光激发的载流子。忽略热生成的(黑体)光子，可产生光激发的载流子的光子源是环境量子真空模式。激发载流子的另一种非热方式来自第一传导层455材料的内部零点能量涨落。这两种方法的组合产生可进入传输层465的热载流子。
[0046]
在第二传导层460中，除了第二传导层460太厚以致于不允许在导体的外表面上产生的光激发的载流子穿透第二传导层460并到达传输层465之外，存在类似的情况。相反，光
激发的载流子分散在第二传导层460中并失去它们的多余能量，诸如以声子和等离子激元的形式。因此，在第二传导层460中，热载流子的唯一非热激发源来自第二传导层460材料的内部零点能量涨落。由于第二传导层460比第一传导层455厚，因此可用于穿过传输层465的激发的载流子的整体内部生成率大于较薄的第一传导层455中的内部生成率。
[0047]
在平衡条件下，来自第二传导层460的载流子电流必须与由内部能源和外部能源的组合在第一传导层455中产生的载流子电流完全相同。在平衡条件下，从第一传导层455到第二传导层460的载流子电流通过从第二传导层到第一传导层的载流子电流精确平衡。
[0048]
另一方面，随着卡西米尔腔400覆盖第一传导层455，则撞击在第一传导层455的外表面上的光子通量减少。因此，光激发的载流子的生成率降低。这扰乱了两个传导层之间载流子电流的平衡，使得存在从第二传导层460到第一传导层455的净载流子电流(例如，电子流)。由于载流子通常是携带负电荷的电子，因此传统的带正电的电流从第一传导层455流向第二传导层460。在一些情况下，与图4中的图示相反，另一个卡西米尔腔可位于第二传导层附近，第二传导层可具有与卡西米尔腔400不同的临界尺寸(即，间隙)，以使得两个传导层455和460之间载流子电流不平衡。
[0049]
卡西米尔腔光注入器为dc(直流)装置，其中源自第一传导层455和第二传导层460的不同平均电流在第一传导层455和第二传导层460之间产生电压。其可经由连接到第一传导层455和第二传导层460的电引线495直接连接到负载。
[0050]
关于来自零点涨落的能量在返回其来源或被相反能量脉冲消除之前必须以多快的速度提取并且变得不可用的时间间隔，该时间间隔可通过可从真空中提取的能量的量δe以及可用于提取的时间间隔δt的折衷决定。这导致δeδt≤常数，因此要提取的能量越大，可用时间越短。如果该常数等于/2，其中为普朗克常数除以2π，则基于此关系，收集2ev(δe)光子的能量将表明δt≤0.16fs。由于跨越薄绝缘层的热电子传输可在接近1fs的时间内发生，因此在这种情况下，传输过程可用于提取至少一部分零点能量激发的电荷载流子。
[0051]
基于肖特基二极管的卡西米尔光注入器。支持来自内部光电发射的电荷传输的其他结构可用作卡西米尔光注入器来代替上述导体/传输层/导体布置。这些结构包括肖特基二极管、金属/绝缘体/半导体(mis)二极管、莫特二极管、量子阱二极管、弹道二极管、碳纳米管二极管、超导体/绝缘体/超导体(sis)装置，以及如本领域技术人员已知的其他促进电荷注入的结构。图5示意性地示出了包括肖特基二极管的另一个卡西米尔光注入器装置的示例，但应当理解，所描述的其他结构可替代肖特基二极管。
[0052]
在图5中，示出了卡西米尔腔500，该卡西米尔腔包括由间隙515隔开的第一反射层505和第二反射层510。示出了电子装置550，该电子装置包括半导体560和传导层555，该传导层至少部分地对应于第二反射层510。传导层555与半导体560之间的接触提供与能带结构的结，该能带结构不同于本文所述的导体/绝缘体/导体结构的能带结构。在基于肖特基二极管的卡西米尔光注入器中，热载流子不是从第一传导层通过传输层直接传输到第二传导层，而是从传导层555通过累积层或耗尽层传输到半导体560的本体，那里可捕获热载流子。电引线595可连接到传导层555和半导体560以提取净电子流供外部负载使用。
[0053]
肖特基二极管的传输距离以及因此传输时间可大于本文描述的导体/传输层/导体结构的情况。由于更长的传输时间，捕获和收集的热载流子的比例可减少。较短的累积或
耗尽宽度可能导致更快的捕获时间。为了减小累积层或耗尽层的宽度，可对半导体进行重掺杂，例如掺杂浓度为10
15
cm-3
至10
21
cm-3
或其子范围。在一些情况下，传导层之间的薄半导体区(称为薄莫特势垒的肖特基势垒的变体)可用于减少传输距离。这两种减少传输距离的方法都可减少传输时间，从而增加被捕获和收集的热载流子的比例。
[0054]
卡西米尔光电注入器能量收集。可使用卡西米尔光注入器捕获的能量或功率可能取决于卡西米尔腔的特性以及电子装置的材料和结构。
[0055]
如上所述，来自量子真空的能量密度由方程1中的温度无关项提供，该温度无关项为
[0056][0057]
光子通量(每单位频率每单位面积的光子数)由下式给出
[0058][0059]
其中c为到达速度，hf为光子能量，并且1/4为辐射的几何因子。总通量(每单位面积的光子数)为
[0060][0061]
其中hf2为被卡西米尔腔抑制的最高光子能量，并且hf1为光激发电子提供足够的能量以跨越势垒并隧穿传输层的最低光子能量。这因低能截止一种近似(截止实际上是渐进的)，因为光子能量的减少遵循艾里函数，艾里函数描述了允许的腔模式。由该通量产生的电流为大约
[0062]
i＝je＝2.37
×
10-4
[(hf2)
3-(hf1)3]a/μm2ꢀꢀ
方程5
[0063]
其中e为基本电荷。
[0064]
对于卡西米尔腔提供2.6ev的光子高能量截止和约1.6ev的低能势垒截止的情况，由此产生的电流为3.2ma/μm2。实际电流可能小得多，因为取决于第一传导层中的光子吸收率的光注入概率不是统一的，并且实际的卡西米尔腔是不完美的。在光注入概率为0.05％且卡西米尔腔阻挡效率仅为25％的情况下，由此产生的电流降至0.4μa/μm2。应当理解，提供这些数字仅用于说明目的而不是限制性的。根据卡西米尔光注入器特性、几何形状、材料等，实际输出可能更小或更大。
[0065]
在某些情况下，0.05％的光注入概率可能足以实现可用的电流输出。然而，如果光注入概率增加，则可获得甚至更多的功率。如上所述，在平衡和没有卡西米尔腔的情况下，两个传导层之间的载流子电流平衡。为了保持这种平衡，如果在横穿传输层的第一传导层中光激发的热载流子的效率有所提高，那么在可横穿传输层的第一传导层中，内部生成的热载流子的生成率必须有补偿性的降低。由于光激发的热载流子的生成率通过添加卡西米尔腔来抑制，因此当横穿传输层的第一传导层中光激发的热载流子的效率更大时，则通过添加卡西米尔腔来抑制的载流子电流更大。该抑制导致载流子从第一传导层到第二传导层的电流与载流子从第二传导层到第一传导层的电流之间更大的不平衡，从而导致更大的净电流。因此，提供尽可能有效的方法用于在可横穿传输层的第一传导层中产生和/或注入光
激发的热载流子可能是有利的。
[0066]
在一些情况下，实现这一点的结构可集成到电子装置的传导层中，诸如嵌入一个或多个传导层的表面中或表面上的等离子体纳米结构。等离子体纳米结构是一类超材料，其中材料(诸如金属)的纳米级排列可将电磁辐射有效地耦接到材料中并增强热载流子发射。用于增强光吸收的等离子体纳米结构的示例是本领域已知的。参见例如：wang等人，2011年，“通过热载流子提取收集等离子体能量”，《纳米快报》，11:12，5426-5430；atar等人，2013年，“基于等离子增强热电子的光伏装置”，《光学快报》21:6，7196-7201；以及clavero，2014年，“用于光伏和光催化装置的纳米颗粒/金属氧化物界面处的等离子体诱导的热电子生成”，《自然光子学》，8:2，95-103；这些文献据此以引用方式并入。提供增强的热载流子发射和注入(诸如高达25x的因子)的等离子体纳米结构的示例是本领域已知的。参见例如：knight等人，2013年，“嵌入等离子体纳米结构二极管可增强热电子发射”，《纳米快报》，13:4，1687-1692；chalabi等人，2014年，“具有等离子体纳米条天线的热电子光电探测”，《纳米快报》，14：3，1374-1380；以及brongersma，2015年，“等离子体诱导的热载流子科学与技术”，《自然纳米技术》，10:1，25-34，这些文献据此以引用方式并入。与本文所公开的实施例一起使用的示例性等离子体纳米结构可包括但不限于嵌入传导层表面或其上的导电材料(例如，金属)的纳米颗粒，诸如在传导层表面上的非导电或绝缘材料上，以及导电材料的表面或界面的图案。图6和图7中示意性地示出结合有等离子体纳米结构的卡西米尔光注入器装置的示例。
[0067]
在图6中，卡西米尔光注入器装置包括卡西米尔腔600，该卡西米尔腔包括由间隙615隔开的第一反射层605和第二反射层。电子装置650被定位成与卡西米尔腔600相邻，使得卡西米尔腔600的第二反射层至少部分地对应于电子装置650的第一传导层655。电子装置650还包括第二传导层660和位于第一传导层655与第二传导层660之间的传输层665。在此，第一传导层655包括等离子体纳米结构(由元件670示意性表示)，该等离子体纳米结构可例如修改第一传导层655的光吸收特性或大大提高热载流子注入传输层665的效率。电引线695可连接到第一传导层655和第二传导层660以提取净电子流供外部负载使用。
[0068]
在图7中，卡西米尔光注入器装置包括卡西米尔腔700，该卡西米尔腔包括由间隙715隔开的第一反射层705和第二反射层。电子装置750被定位成与卡西米尔腔700相邻，使得卡西米尔腔700的第二反射层至少部分地对应于电子装置750的第一传导层755。电子装置750还包括第二传导层760和位于第一传导层755与第二传导层760之间的传输层765。在此，第二传导层760包括等离子体纳米结构(由元件770示意性表示)，该等离子体纳米结构可例如修改第二传导层760的光吸收特性或大大提高热载流子注入传输层765的效率。电引线795可连接到第一传导层755和第二传导层760以提取净电子流供外部负载使用。
[0069]
装置阵列为了实现大功率输出，可将多个装置配置为阵列，从而集成每个装置的功率，以提供更高的阵列总功率输出。图8中示意性地示出示例性阵列800。阵列800被示为以串联和并联组合连接的单独装置805的阵列，具有两个输出电极810和815。图8中的每个装置805代表任何合适的装置，诸如图3中描绘的装置，包括卡西米尔腔300和传输介质350，或本文所述的其他装置。负载未在图8中示出，但可连接在电极810与815之间。负载可对应于任何合适的电气装置，诸如但不限于电池、电机、发光装置、生产化学燃料的电解系统、通信装置、计算机、电路部件或它们的任何组合。
[0070]
在所示的64-装置阵列中，电极810与815之间的dc输出电压是沿着输出电极之间的串联路径的电压之和。在这种情况下，有8个装置805串联，因此如果每个装置在其最大功率点提供0.25v，则总输出电压为例如2v。电流与并联装置805的数量成正比。在这种情况下，有8个装置并联。例如，如果每个装置805在其最大功率点产生400na，则总输出电流为3.2μa。在该配置中，总输出功率计算(使用p＝iv)为2vx3.2μa或6.4μw。
[0071]
应当理解，这些值仅作为示例提供并且不旨在限制由任何特定装置阵列提供的输出电压或电流。此外，应当理解，具有8个串联装置和8个并联装置的64-装置阵列也是一个示例，并且可使用其他阵列尺寸和配置。例如，可使用线性阵列、串联和并联装置数量相同的方形阵列、串联和并联装置数量不同的矩形阵列、或不规则阵列。
[0072]
尽管考虑了线性阵列(即，只有串联布置的装置805或只有并联布置的装置805的一维阵列)，但通过使用具有串联和并联组合的装置805可获得优势。例如，在阵列800中的任何单个装置805之间发生短路的情况下，电极810与815之间的电压仅降低少量，而不是完全降低(即，降低到0v)，在任一个装置上具有短路的仅并联构造阵列中的情况也是如此。类似地，在阵列800中的任何单个装置805处发生断开或断路路径的情况下，电极810与815之间的电流仅降低少量，而不是完全降低(即，降低到0a)，具有断开或断路路径的仅串联构造的阵列中的情况也是如此。
[0073]
阵列800中的每个装置805可具有任何合适的尺寸和物理布置。作为示例，装置可跨区域以平面配置布置，诸如类似于图8中所描绘的。在一个具体示例中，装置805可各自具有1μm2的面积(例如，1μmx1μm)，并且以2μm间距彼此隔开。不同装置与用于承载dc功率的引线之间的互连对于这样的阵列的操作可能是足够的，并且可能不需要额外的复杂支撑电路。对于间距为2μm的阵列(每个装置805以及相邻装置之间的伴随空间占据的总面积为4μm2)，10cmx10cm阵列可包括25亿个单独的装置805。对于上述每个装置的电压和电流(0.25v和400na)，10cmx10cm阵列的输出可高达250w。
[0074]
尽管来自10cmx10cm面板的250w是实质性的(即25kw/m2)，但如果可增加光注入概率，本文所述的卡西米尔光注入器装置可实现的输出功率可能会大得多。在一些情况下，如果需要，可使用诸如本领域已知的热管理技术来解决热传递和温度控制。0.05％的光注入概率可能足以实现上面提供的250w的数值。使用等离子体纳米结构或光子超材料(诸如上文参考图6和图7所述)可用于增加光注入概率。例如，在某些情况下，增加25倍或更多是可能的，这可能导致高达1.25％的光注入概率。
[0075]
已参考平面配置描述了上述装置和阵列。为了形成具有更大面积密度的紧凑系统，可任选地将这些装置的多个层堆叠在彼此的顶部，并由绝缘体或自由空间隔开。所述装置也可以非平面配置形成。例如，装置可形成在衬底中形成的沟槽的表面上或可卷起的柔性衬底上。
[0076]
装置制造下面描述根据图9a中针对卡西米尔光注入器装置900所示的图案901的示例性制造工艺，如图9b中的横截面所示。
[0077]
卡西米尔光注入器装置900被示为包括导体/绝缘体/导体装置，所述导体/绝缘体/导体装置包括第一金属层905、传输层910和第二金属层915，该第二金属层与卡西米尔腔相邻，该卡西米尔腔包括第二金属层915、腔层920和反射层925。图案901包括第一金属层图案906、传输层图案911、第二金属层图案916和卡西米尔腔图案921。
[0078]
在示例中，包括卡西米尔光注入器装置900的单元可具有25μmx25μm的有效面积。如上所述，卡西米尔光注入器装置900可与相邻单元的那些电连接以形成包括串联和并联组合的阵列。对于间距为40μm的单元，为了在有源区域周围有足够的区域用于互连，在总衬底面积为30cmx30cm的阵列中，总共可有5625万个元件。
[0079]
第一金属层。第一金属层905形成卡西米尔光注入器装置900的基底层，并提供相邻装置之间的互连。以举例的方式，可使用以下步骤来制备第一金属层905：
[0080]
1.将负性光刻胶旋涂到衬底902上并进行软烘烤。
[0081]
2.使用对准器，将图9a中所示的第一金属层图案906曝光，然后进行曝光后烘焙、显影和冲洗。
[0082]
3.将50nm的镍蒸发到衬底上并用丙酮剥离，然后使用异丙醇，然后用水冲洗，以根据第一金属层图案906形成第一金属层905。
[0083]
传输层。通过传输层910注入在第一金属层905中生成的热电子。以举例的方式，可使用以下步骤来制备传输层910：
[0084]
1.将传输层910的材料最初沉积在整个表面上。其由al2o3组成，在氩气和氧气气氛中从al2o3靶溅射至3nm的厚度。
[0085]
2.将正性光刻胶旋涂到衬底上并进行软烘烤。
[0086]
3.使用对准器，将传输层图案911的场曝光，然后进行曝光后烘烤、显影和冲洗。
[0087]
4.将暴露的al2o3用cf
4-ar等离子体蚀刻以形成传输层910。
[0088]
5.用氧等离子体清除剩余的光刻胶。
[0089]
第二金属层。第二金属层915形成上层，吸收来自卡西米尔腔的光子以产生热电子，并与来自相邻装置的第一金属层905接触。以举例的方式，可使用以下步骤来制备第二金属层915：
[0090]
1.将15nm的钯蒸发到衬底上以形成第二金属层915。
[0091]
2.将正性光刻胶旋涂到衬底上并进行软烘烤。
[0092]
3.使用对准器，将第二金属层图案916的场曝光，然后进行曝光后烘烤、显影和冲洗。
[0093]
4.将暴露的钯用cf
4-ar等离子体蚀刻以完成第二金属层905的图案化。
[0094]
5.用氧等离子体清除剩余的光刻胶。
[0095]
腔透明层和镜(卡西米尔腔)。如上所述，卡西米尔腔限制了装置一侧的量子真空能量模式。以举例的方式，可使用以下步骤来制备卡西米尔腔：
[0096]
1.将30nm的sio2通过溅射沉积到衬底上用作腔层920，接着将150nm的铝用作反射层925。
[0097]
2.将正性光刻胶旋涂到衬底上并进行软烘烤。
[0098]
3.使用对准器，将卡西米尔腔图案921的场曝光，然后进行曝光后烘烤、显影和冲洗。
[0099]
4.将暴露的铝和sio2用6:1缓冲氧化物蚀刻(boe)蚀刻，然后用水冲洗，以形成卡西米尔腔图案921。
[0100]
5.用氧等离子体清除剩余的光刻胶。
[0101]
应当理解，以上对用于制造卡西米尔光注入器装置900的制造方案的描述仅仅是
示例性的，并且本领域技术人员可使用多种不同的尺寸、加工方案、材料、图案等来制备卡西米尔电阻器元件。
[0102]
示例性尺寸范围尽管上面描述了25μmx25μm的单元尺寸，但也可使用其他单元尺寸。示例性单元尺寸可从边缘上的0.1μm到1米。在一些示例中，所选择的尺寸可通过(i)期望的输出特性、(ii)补偿有缺陷的单元的冗余以及(iii)制造的便利性来确定。
[0103]
关于期望的输出特性，以下示例是说明性的。对于产生0.1v的开路电压(v
oc
)和100ka/m2电流的单元(即，包括卡西米尔光注入器装置)，1cmx1cm单元产生10的短路电流(i
sc
)。然后单元电阻v
oc
/i
sc
为0.01欧姆。该电阻可能太低而不实用，因为与负载或另一单元的连接电阻大致相同或更高，从而导致单元产生的一半以上功率可能会在连接中耗散。出于这个原因，鉴于本图中的数字，可能需要较小的单元来使每个单元具有更高的电阻，从而导致连接电阻远低于单元电阻，并且只有一小部分功率在连接中消耗。
[0104]
关于冗余，以下示例是说明性的。对于特定的制造工艺，可能存在一个缺陷导致装置在大约1cm2的区域内短路。如果单元面积为1cm2，则大约50％的单元将有缺陷且无用。另一方面，如果单元面积为0.01cm2，则100个单元中大约有一个是有缺陷的。使用适应缺陷的阵列设计，诸如图9中提供的设计，则可能仅损失大约2％的功率。
[0105]
关于制造便利性，较小的单元可能需要更昂贵或更复杂的制造。例如，具有至少1毫米特征尺寸的大面积装置可通过廉价的丝网印刷进行图案化，而亚微米特征可能需要非常昂贵的深紫外光刻。但也有例外。例如，纳米压印光刻可以较低的成本生产某些类型的亚微米特征，而辊到辊制造可在大面积上以较低的成本生产小特征。不过，通常更大的特征更容易制造。
[0106]
所有这些因素都可能会影响单元大小的选择。例如，上面给出的25μmx25μm的单元尺寸和100ka/m2的电流密度和0.1v的v
oc
可产生1.6kω的电阻，这可能是一个有用的电阻。单元尺寸足够小，以至于在给定单元中出现缺陷的概率可能很小，并且对冗余的需求可能很小。尽管这些尺寸可能需要光刻，但它们足够便宜，可使用廉价的方法来实现。
[0107]
第一传导层可足够厚以提供低薄层电阻(例如，大于10nm)，但足够薄以致不会产生太大的阶跃以供第二传导层覆盖(例如，小于10μm)。在一些示例中，提供平滑过渡的更复杂的图案化可减轻这种要求。
[0108]
传输层可足够薄以允许大的注入电子电流，但足够厚以提供足够高的电阻以支持足够大的电压。下面是一个示例来说明所涉及的权衡。
[0109]
对于25μmx25μm的单元面积，厚度为2nm的特定材料的传输层可提供10欧姆的单元电阻。对于200ka/m2的电流，可产生125μa的单元短路电流，因此产生1.25mv的开路电压。由于传输层薄，电阻小，该电压远小于0.1v的目标电压。单元产生的功率等于(短路电流)x(开路电压)x(填充因子)，对于这些装置使用1/4的填充因子，可能为约39纳瓦。
[0110]
电流和电阻可随厚度大致呈指数变化，因此传输层厚度的微小变化可能会导致这两个量产生很大差异。继续说明性示例，如果3nm厚的传输层提供1000欧姆的单元电阻和100ka/m2的电流，则单元短路电流为62.5微安，并且产生的电压为0.0625v，其接近于目标电压。单元产生的功率等于(短路电流)x(开路电压)x1/4＝0.97微瓦，比10欧姆情况大25倍。为此，较厚的传输层可能是有利的。
[0111]
另一方面，当传输层变得太厚时，由于电子通过材料注入的可能性要小得多，因此
电流会大大降低。例如，如果5nm厚的传输层提供100kω的单元电阻和1ka/m2的电流，则单元短路电流为0.625微安，并且产生的电压为0.0625v，接近于目标电压。单元产生的功率为短路电流x开路电压x1/4＝9.8纳瓦。功率远低于3nm厚的传输层，因此在此说明性示例中5nm可能太厚。
[0112]
一个复合因素是可能存在已在第一传导层上生长并增加总传输层厚度的天然氧化物。在选择要沉积的厚度时，可考虑到这一点。期望的传输层厚度还可取决于特定材料组合产生的势垒高度。更高的势垒会增加电阻并降低注入电流。在一些示例中，传输层的厚度可落在0.5nm与20nm之间。
[0113]
第二传导层的厚度对于产生高电流可能很重要。薄膜太薄而不能吸收光，太厚而不能提供注入的电子，在这两者之间存在权衡。如果第二传导层太薄，则它可能会从卡西米尔腔吸收太少的入射光子通量。在第二传导层极薄的情况下，其薄层电导将太小并且会限制可用电流。如果第二传导层太厚，则在卡西米尔腔界面处生成的热电子可能无法在被散射之前到达传输层。例如，金的弹道平均自由路径长度为38nm，而钯的弹道平均自由路径长度则较低。在一些示例中，第二传导层厚度可落在5nm至50nm的范围内。对于图案化以利用本说明书中其他地方描述的等离子体效应的金属，金属可更厚，而对于其他薄膜材料诸如石墨烯和二硫化钼，材料可像单个单层一样薄。
[0114]
第二传导层的另一功能是提供足够的薄层电导以将电流传送到相邻的第一传导层。这种电导可用形成在第二传导层之上或之下的金属网格来补充，如可包括在太阳能电池的金属化中。对于具有适当节距和尺寸的线，该网格还可提供本技术中其他地方描述的吸收的等离子体增强。网格线可广义化，形成超材料，以增强光子吸收和热电子发射。
[0115]
例示性方面
[0116]
如下文所用，对一系列方面(例如，“方面1至4”)或未列举的一组方面(例如，“任何先前或后续方面”)的任何引用应理解为选择性地对这些方面中的每一个的引用(例如，“方面1至4”应理解为“方面1、2、3或4”)。
[0117]
方面1是一种装置，该装置包括：电子装置；以及零点能量密度降低结构，该零点能量密度降低结构邻接电子装置，该零点能量密度降低结构提供相对于电子装置的不对称性，该不对称性即使在不存在外部照明源时也驱动能量流或颗粒流或波流穿过电子装置。
[0118]
方面2是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中电子装置的至少一部分包括零点能量密度降低结构的部件。
[0119]
方面3是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中该对称性在电子装置的第一侧与电子装置的第二侧之间产生电压差或其中该不对称性可在电子装置的第一侧与电子装置的第二侧之间产生净电荷流。
[0120]
方面4是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中该不对称性与在不存在零点能量密度降低结构时在电子装置的第一侧上的零点能量密度相比，使电子装置的第一侧上的零点能量密度降低。
[0121]
方面5是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中该不对称性可提供电子装置的第一侧上的第一零点能量密度与电子装置的第二侧上的第二零点能量密度之间的差异，该差异驱动能量流。
[0122]
方面6是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中电子装置的第一侧对应于电
子装置的第一传导层的至少一部分，并且其中电子装置的第二侧对应于电子装置的第二传导层的至少一部分。
[0123]
方面7是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中电子装置表现出允许在1ps或更小、100fs或更小、10fs或更小、1fs或更小或0.1fs或更小的范围内传输或捕获电荷载流子的结构。
[0124]
方面8是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中零点能量密度降低结构包括卡西米尔腔，该卡西米尔腔与电气装置邻接、相邻或接续。
[0125]
方面9是根据任一前述或后续方面所述的装置，其包括或对应于卡西米尔光注入器。
[0126]
方面10是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中电子装置包括：第一传导层，该第一传导层邻接卡西米尔腔或包括卡西米尔腔的部件；传输层，该传输层设置为与第一传导层相邻并与第一传导层接触；以及第二传导层，该第二传导层设置为与电绝缘层相邻并与电绝缘层接触。
[0127]
方面11是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一传导层包括金属、半导体、二维导电材料或导电陶瓷，并且其中第二传导层包括金属、半导体、二维导电材料或导电陶瓷。
[0128]
方面12是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中传导层包括电介质或半导体。
[0129]
方面13是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中传输层与第一传导层或第二传导层中的一者或两者之间的势垒高度大小为0ev至10ev。
[0130]
方面14是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一传导层具有3nm至100nm的厚度。
[0131]
方面15是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中传输层具有0.3nm至50nm的厚度。
[0132]
方面16是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第二传导层具有5nm或至少5nm至1cm的厚度。
[0133]
方面17是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一传导层或第二传导层中的至少一个包括多层结构，该多层结构包括一个或多个传导子层。
[0134]
方面18是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一传导层包括光子超材料或等离子体纳米结构，该光子超材料或等离子体纳米结构增加第一传导层的光学吸收特性或增强热载流子任选地朝向第二传导层的发射。
[0135]
方面19是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第二传导层包括光子超材料或等离子体纳米结构。
[0136]
方面20是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一传导层包括增强第一传导层的光学吸收特性的超材料。
[0137]
方面21是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一传导层包括超材料，该超材料增强热载流子任选地朝向第二传导层的发射。
[0138]
方面22是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中卡西米尔腔包括：第一反射层；腔层；以及第二反射层，其中该腔层位于第一反射层与第二反射层之间。
[0139]
方面23是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中腔层具有10nm至2μm的厚度。
[0140]
方面24是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中腔层包括排空或充气间隙层或凝聚相光学透明材料层。
[0141]
方面25是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中腔层包括凝聚相光学透明材料层。
[0142]
方面26是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中腔层包括对于至少一些100nm至10μm的电磁辐射波长具有大于20％的透射率的材料。
[0143]
方面27是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一反射层和第二反射层各自独立地具有至少10nm或10nm至1cm的厚度；和/或其中诸如对于至少一些100nm至10μm的光波长，第一反射层或第二反射层中的至少一个的反射率大于50％。
[0144]
方面28是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一反射层包括金属、介质反射体、衍射反射体或位于腔层与相邻材料之间的提供折射率阶跃的界面。
[0145]
方面29是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第二反射层包括电子装置的一个或多个部件。
[0146]
方面30是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中电子装置包括二极管，该二极管选自金属/绝缘体/金属二极管(mim)、肖特基二极管、金属/绝缘体/半导体(mis)二极管、莫特二极管、量子阱二极管、弹道二极管或碳纳米管二极管，或其中电子装置包括超导体/绝缘体/超导体(sis)装置。
[0147]
方面31是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中电子装置包括：传导层，该传导层与零点能量密度降低结构邻接或相邻或包括零点能量密度降低结构的部件；以及半导体层，该半导体层被设置为与传导层相邻并与传导层接触。
[0148]
方面32是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中半导体层具有10
15
cm-3
至10
21
cm-3
、10
15
cm-3
至10
16
cm-3
、10
16
cm-3
至10
17
cm-3
、10
17
cm-3
至10
18
cm-3
、10
18
cm-3
至10
19
cm-3
、10
19
cm-3
至10
20
cm-3
或10
20
cm-3
至10
21
cm-3
的掺杂物浓度。
[0149]
方面33是根据任一前述或后续方面所述的装置，其进一步包括定位为接收来自电子装置的一个或多个传导层的电流的负载。
[0150]
方面34是根据任一前述或后续方面所述的装置，其进一步包括衬底，其中零点能量密度降低结构设置为与衬底相邻并由衬底支撑。
[0151]
方面35是根据任一前述或后续方面所述的装置，其进一步包括衬底，其中电子装置设置为与衬底相邻并由衬底支撑。
[0152]
方面36是一种装置阵列，该装置阵列包括：以阵列配置布置的多个根据任一前述或后续方面所述的装置。
[0153]
方面37是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中多个装置的至少一个子集以串联配置布置。
[0154]
方面38是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中多个装置的至少一个子集以并联配置布置。
[0155]
方面39是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中多个装置以串联配置和并联配置的组合布置。
[0156]
方面40是一种装置叠堆，该装置叠堆包括：以堆叠配置布置的多个装置层，其中每
个装置层包括一个或多个根据任一前述或后续方面所述的装置。
[0157]
方面41是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中每个装置层都定位在另一装置层上方和/或下方。
[0158]
方面42是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中每个装置层对应于包括多个装置的阵列。
[0159]
方面43是一种装置，该装置包括：电子装置；以及零点能量密度降低结构，该零点能量密度降低结构邻接电子装置，其中电子装置表现出允许在1ps或更短的时间内传输或捕获穿过电子装置的电荷载流子的结构。
[0160]
方面44是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中该结构允在100fs或更小、10fs或更小、1fs或更小或0.1fs或更小的范围内传输或捕获电荷载流子。
[0161]
方面45是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中零点能量密度降低结构提供相对于电子装置的不对称性，该不对称性即使在不存在外部照明源时也驱动能量流或颗粒流或波流穿过电子装置。
[0162]
方面46是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中该对称性在电子装置的第一侧与电子装置的第二侧之间产生电压差。
[0163]
方面47是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中该不对称性在电子装置的第一侧与电子装置的第二侧之间产生净电荷流。
[0164]
方面48是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中该不对称性与在不存在零点能量密度降低结构时在电子装置的第一侧上的零点能量密度相比，使电子装置的第一侧上的零点能量密度降低。
[0165]
方面49是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中该不对称性可提供电子装置的第一侧上的第一零点能量密度与电子装置的第二侧上的第二零点能量密度之间的差异，该差异即使在不存在外部照明源时也驱动能量流。
[0166]
方面50是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中电子装置的第一侧对应于电子装置的第一传导层的至少一部分，并且其中电子装置的第二侧对应于电子装置的第二传导层的至少一部分。
[0167]
方面51是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中零点能量密度降低结构包括卡西米尔腔，该卡西米尔腔邻接电子装置。
[0168]
方面52是根据任一前述或后续方面所述的装置，其包括或对应于卡西米尔光注入器。
[0169]
方面53是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中电子装置包括：第一传导层，该第一传导层邻接卡西米尔腔或包括卡西米尔腔的部件；传输层，该传输层设置为与第一传导层相邻并与第一传导层接触；以及第二传导层，该第二传导层设置为与电绝缘层相邻并与电绝缘层接触。
[0170]
方面54是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一传导层包括金属、半导体、二维导电材料或导电陶瓷，并且其中第二传导层包括金属、半导体、二维导电材料或导电陶瓷。
[0171]
方面55是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中传输层包括电介质。
[0172]
方面56是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中传输层包括半导体。
[0173]
方面57是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中传输层与第一传导层或第二传导层中的一者或两者之间的势垒高度大小为0ev至10ev。
[0174]
方面58是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一传导层具有3nm至100nm的厚度。
[0175]
方面59是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中传输层具有0.3nm至50nm的厚度。
[0176]
方面60是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第二传导层具有5nm至1cm的厚度。
[0177]
方面61是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一传导层或第二传导层中的至少一个包括多层结构，该多层结构包括一个或多个传导子层。
[0178]
方面62是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一传导层包括光子超材料或等离子体纳米结构，该光子超材料或等离子体纳米结构增加第一传导层的光学吸收特性或增强热载流子任选地朝向第二传导层的发射。
[0179]
方面63是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第二传导层包括光子超材料或等离子体纳米结构。
[0180]
方面64是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一传导层包括增强第一传导层的光学吸收特性的超材料。
[0181]
方面65是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一传导层包括超材料，该超材料增强热载流子任选地朝向第二传导层的发射。
[0182]
方面66是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中卡西米尔腔包括：第一反射层；腔层；以及第二反射层，其中该腔层位于第一反射层与第二反射层之间。
[0183]
方面67是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中腔层具有10nm至2μm的厚度。
[0184]
方面68是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中腔层包括排空或充气间隙层或光学透明材料层。
[0185]
方面69是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中腔层包括凝聚相光学透明材料层。
[0186]
方面70是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中腔层包括对于至少一些100nm至10μm的电磁辐射波长具有大于20％的透射率的材料。
[0187]
方面71是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一反射层和第二反射层各自独立地具有至少10nm或10nm至1cm的厚度；和/或其中诸如对于至少一些100nm至10μm的光波长，第一反射层或第二反射层中的至少一个的反射率大于50％。
[0188]
方面72是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第一反射层包括金属、介质反射体、衍射反射体或位于腔层与相邻材料之间的提供折射率阶跃的界面。
[0189]
方面73是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中第二反射层包括电子装置的一个或多个部件。
[0190]
方面74是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中电子装置包括二极管，该二极管选自金属/绝缘体/金属二极管(mim)、肖特基二极管、金属/绝缘体/半导体(mis)二极管、莫特二极管、量子阱二极管、弹道二极管或碳纳米管二极管，或其中电子装置包括超导体/绝缘体/超导体(sis)装置。
[0191]
方面75是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中电子装置包括：传导层，该传导层与零点能量密度降低结构邻接或相邻或包括零点能量密度降低结构的部件；以及半导体层，该半导体层被设置为与传导层相邻并与传导层接触。
[0192]
方面76是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中半导体层具有10
15
cm-3
至10
21
cm-3
、10
15
cm-3
至10
16
cm-3
、10
16
cm-3
至10
17
cm-3
、10
17
cm-3
至10
18
cm-3
、10
18
cm-3
至10
19
cm-3
、10
19
cm-3
至10
20
cm-3
或10
20
cm-3
至10
21
cm-3
的掺杂物浓度。
[0193]
方面77是根据任一前述或后续方面所述的装置，其进一步包括定位为接收来自电子装置的一个或多个传导层的电流的负载。
[0194]
方面78是根据任一前述或后续方面所述的装置，其进一步包括衬底，其中零点能量密度降低结构设置为与衬底相邻并由衬底支撑。
[0195]
方面79是根据任一前述或后续方面所述的装置，其进一步包括衬底，其中电子装置设置为与衬底相邻并由衬底支撑。
[0196]
方面80是一种装置阵列，该装置阵列包括：以阵列配置布置的多个根据任一前述或后续方面所述的装置。
[0197]
方面81是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中多个装置的至少一个子集以串联配置布置。
[0198]
方面82是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中多个装置的至少一个子集以并联配置布置。
[0199]
方面83是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中多个装置以串联配置和并联配置的组合布置。
[0200]
方面84是一种装置叠堆，该装置叠堆包括：以堆叠配置布置的多个装置层，其中每个装置层包括一个或多个根据任一前述或后续方面所述的装置。
[0201]
方面85是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中每个装置层都定位在另一装置层上方和/或下方。
[0202]
方面86是根据任一前述或后续方面所述的装置，其中每个装置层对应于包括多个装置的阵列。
[0203]
方面87是一种卡西米尔腔，该卡西米尔腔包括：第一反射层；腔层；以及第二反射层，其中腔层位于第一反射层与第二反射层之间，并且其中腔层包括固体、液体或液晶。
[0204]
方面88是根据任一前述或后续方面所述的卡西米尔腔，其中腔层具有10nm至2μm的厚度。
[0205]
方面89是根据任一前述或后续方面所述的卡西米尔腔，其中腔层包括对于至少一些100nm至10μm的光波长具有大于20％的透射率的材料。
[0206]
方面90是根据任一前述或后续方面所述的卡西米尔腔，其中第一反射层和第二反射层各自独立地具有至少10nm或10nm至1cm的厚度。
[0207]
方面91是根据任一前述或后续方面所述的卡西米尔腔，其中诸如对于至少一些100nm至10μm的光波长，第一反射层或第二反射层中的至少一个的反射率大于50％。
[0208]
方面92是根据任一前述或后续方面所述的卡西米尔腔，其中第一反射层和第二反射层独立地包括金属、介质反射体、衍射反射体或位于腔层与相邻材料之间的提供折射率阶跃的界面。
[0209]
参考文献
[0210]
美国专利号7,379,286、8,803,340和9,581,142。
[0211]
atar等人，2013年，“基于等离子增强热电子的光伏装置”，《光学快报》21:6，7196-7201。
[0212]
blandford和thorne，2008年，“经典物理学应用”，讲义第6章，加州理工学院，第12版。
[0213]
brongersma，2015年，“等离子体诱导的热载流子科学与技术”，《自然纳米技术》，10:1，25-34。
[0214]
chalabi等人，2014年，“具有等离子体纳米条天线的热电子光电探测”，《纳米快报》，14：3，1374-1380。
[0215]
clavero，2014年，“用于光伏和光催化装置的纳米颗粒/金属氧化物界面处的等离子体诱导的热电子生成”，《自然光子学》，8:2，95-103。
[0216]
du等人，2013年，“金-tio2纳米颗粒体系中的超快等离子体诱导电子注入机制”，《光化学与光生物学杂志》，c:photochem，修订，15，21-30。
[0217]
gall，2016年，“元素金属中的电子平均自由路径”，《应用物理学杂志》，119:8，085101。
[0218]
genet等人，2003年，“卡西米尔力和有损光腔的量子理论”，《物理评论a》，67:4，043811。
[0219]
gong等人，2007年，“用于固态腔量子电动力学应用的等离子体腔设计”，《应用物理快报》，90:3，033113。
[0220]
helman等人，1973年，“内部光电发射理论”，《物理评论b》，7:8，3702。
[0221]
herner等人，2017年，“基于氧化钴/氧化钛的高性能miim二极管”，《应用物理快报》，110，223901。
[0222]
john等人，2017年，“从红外到远紫外的石墨烯、硅烯、锗烯和锡烯的光学性质——第一性原理研究”，《固体物理与化学杂志》，110，307-315。
[0223]
kish，2005年，“隐秘通信：零功率经典通信、零量子量子通信和环境噪声通信”，《应用物理快报》，87:23，234109。
[0224]
kish等人，2016年，“电阻器约翰逊噪声中的零点项和量子效应：批判性评价,”《统计力学杂志理论和实验》，2016:5，054006。
[0225]
knight等人，2013年，“嵌入等离子体纳米结构二极管可增强热电子发射”，《纳米快报》，13:4，1687-1692。
[0226]
kodama等人，2001年，“超高密度等离子体的快速加热是激光聚变点火的一个步骤”，《自然》，412:6849，798。
[0227]
lambe等人，1976年，“来自非弹性电子隧穿的光发射,”《物理评论快报》，37:14，923。
[0228]
lebedev等人，1999年，“丝阵z箍缩内爆动力学”，《等离子体物理学》，6:5，2016-2022。
[0229]
mccarthy等人，1977年，“增强金属-绝缘体-金属隧穿结的光发射”，《应用物理快报》，30:8，427-429。
[0230]
mizuguchi等人，2007年，“挤压等离子体放电中快速磁声激波产生高能质子的模拟,”《等离子体物理学》，14:3，032704。
[0231]
moddel,g.和dmitriyeva,o，2019年，“从真空中提取零点能量：与其他方法相比基于随机电动力学的方法的评估”，《原子》，7(2)，51。
[0232]
sze等人，2006年，“半导体器件物理学”，约翰威利父子公司，第682页。
[0233]
van dorp等人，2009年，“sic：用于水分解和储氢的光电阴极”，《应用化学国际教育》，48:33，6085-6088。
[0234]
viswanath等人，2019年，“具有不寻常的纳米片内位点激活剂浓度的双层钙钛矿纳米片荧光体”《化学工程杂志》，122044。
[0235]
wang等人，2000年，“双势垒al/al2o3/al/al2o3/au隧穿结的光发射”，《薄固体薄膜》，371:1-2，191-194。
[0236]
wang等人，2011年，“通过热载流子提取收集等离子体能量”，《纳米快报》，11:12，5426-5430。
[0237]
wang等人，2017年，“基于深亚德拜长度纳米间隙电化学电池的纯水场辅助分裂，”acs纳米，11:8，8421-8428。
[0238]
walter等人，2010年，“太阳能水分解电池”，《化学评论》，110:11，6446-6473。
[0239]
zhu，2014年，“用于光学整流天线的石墨烯几何二极管”博士论文，科罗拉多大学，68-77。
[0240]
关于引用和变更合并的声明
[0241]
贯穿本技术的所有参考文献，例如专利文件，包括已发布或已授权的专利或等效物、专利申请出版物和非专利文献文件或其他源材料，据此均以引用方式并入本文，如同以引用方式单独并入一样。
[0242]
说明书中提及的所有专利和出版物均表示本发明所属领域的技术人员的技能水平。本文引用的参考文献以引用方式并入本文以指示在某些情况下截至其提交日期的技术状态，并且如果需要，可在本文中使用该信息以排除(例如，放弃)现有技术中的特定实施例。
[0243]
当在本文公开一组取代物时，应理解这些组的所有个体成员以及可使用取代物形成的所有亚组和类均单独公开。当在本文使用马库西组或其他分组时，该组的所有个体成员以及该组的所有可能组合和子组合旨在单独地包括在本公开中。如本文所用，“和/或”指列表中以“和/或”分隔的项的一个、全部或任何组合包括在列表中；例如，“1、2和/或3”相当于“1”或“2”或“3”或“1和2”或“1和3”或“2和3”或“1、2和3”。
[0244]
除非另有说明，否则所描述或所例示的每种制剂或组分的组合均可用于实施本发明。材料的具体名称旨在作为示例，因为众所周知，本领域普通技术人员可对相同材料进行不同的命名。应当理解，除了那些具体例示的方法、装置元件、起始材料和合成方法之外，可在本发明的实践中使用其他方法、装置元件、起始材料和合成方法，而无需借助过度的实验。任何此类方法、装置元件、起始材料和合成方法的所有本领域已知的功能等效物都旨在包括在本发明中。每当说明书中给出范围时，例如温度范围、时间范围或组成范围，所有中间范围和子范围，以及包括在给定范围内的所有单独值都旨在包括在本公开中。
[0245]
如本文所用，“包括”与“包含”、“含有”或“特征在于”同义，并且是包容性的或开放
式的，并且不排除附加的、未列举的元素或方法步骤。如本文所用，“由
……
组成”排除权利要求要素中未指定的任何元素素、步骤或成分。如本文所用，“基本上由
……
组成”不排除对权利要求的基本和新颖特征没有实质性影响的材料或步骤。在本文对术语“包括”的任何表述，特别是在组合物的组分的描述中或在装置的元件的描述中，被理解为涵盖基本上由所表述的组分或元素组成并且由所表述的组分或元素组成的那些组合物和方法。本文说明性描述的本发明可在不存在本文未具体公开的任一个或多个元素、任一个或多个限制的情况下适当地实施。
[0246]
已使用的术语和表达被用作描述而非限制，并且在使用此类术语和表达时无意排除所示和描述的特征或其部分的任何等效物，但应认识到，在要求保护的本发明的范围内可进行各种修改。因此，应当理解，尽管本发明已经通过优选实施例和可选特征具体公开，但本领域技术人员可对这里公开的概念进行修改和变化，并且这种修改和变化被认为在所附权利要求书所限定的本发明的范围内。