(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの化学的励起固体発電機を含む１つまたは複数の固体発電機を有する装置であって、
前記１つまたは複数の固体発電機は、
固体接合の第１領域であって、第１の電荷キャリア有効質量の第１材料を含む、第１領域と、
固体接合の第２領域であって、前記第１の電荷キャリア有効質量より大きい第２の電荷キャリア有効質量の第２材料を有するとともに、前記第２の電荷キャリア有効質量と前記第１の電荷キャリア有効質量との電荷キャリア有効質量比が２以上である、第２領域と、
前記第２材料に接続されているとともに、室温より高いヒートシンク温度を有するヒートシンクと、を備えており、
前記１つまたは複数の固体発電機は、化学的励起反応物を利用して前記第１領域内の電荷キャリアを励起し、前記第２材料の第２材料温度より高い有効キャリア温度を有するよう構成され、
前記第１材料は、前記第１領域を貫通して前記第２領域内に入る前記電荷キャリアの弾道輸送を可能にする、装置。
【請求項２】
前記第２材料の前記第２の電荷キャリア有効質量は２より大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの化学的励起固体発電機は、前記第１材料から前記第２材料への前記電荷キャリアの輸送を遅らせる電位障壁を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１材料は、０．０５より大きい性能指数を有するＺＴ熱電材料を含む１つまたは複数の追加の材料で形成されており、
前記ＺＴ熱電材料は、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡＩｘＧａ１−ｘＮ）、ビスマスセレニド（Ｂｉ２Ｓｅ３）、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、砒化ガリウムアルミニウム（ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓ）、砒化アンチモン化ガリウムアルミニウム（ＧａｘＡｌ１−ｘＳｂ１−ｙ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、砒化燐化ガリウム（ＧａＡｓｙＰ１−ｙ）、砒化ガリウム、アンチモン化ガリウムインジウム（ＧａｘＩｎｌ−ｘＳｂ）、燐化ガリウムインジウム（Ｇａｘｌｎ１−ｘＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、砒化インジウムアルミニウム（ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、砒化燐化インジウム（ＩｎＡｓｙＰｌ−ｙ）、砒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＡｓ）、砒化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａｌ−ｘＡｓ）、砒化アンチモン化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳＢ１−ｙ）、砒化燐化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａｌ−ｘＮ）、燐化インジウム、テルル化鉛、テルル化鉛錫（ＰｂｘＳｎ１−ｘＴｅ）、セレン化水銀カドミウム（ＨｇｘＣｄ１−ｘＳｅ）、テルル化水銀カドミウム（ＨｇｘＣｄｌ−ｘＴｅ）、シリコンゲルマニウム、シリコン、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）からなる群から選択される材料を少なくとも１つ含んでおり、
ここで、添字ｘ、ｙ、ｌ−ｘ、１−ｙ、１−ｘ−ｙは、３価または４価材料におけるそれぞれの原子種の相対量を表し、０〜１の範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第２材料は、２より大きいキャリア有効質量を有する追加の材料を含む材料群から選択され、
前記追加の材料としては、ルチルＴｉＯ２、アナターゼＴｉＯ２、多孔性アナターゼＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｓｒ＿ｘ−Ｂａ＿ｙ−ＴｉＯ＿ｚ、炭化ホウ素、ＬｉＮｉＯ、およびＬａＳｒＶＯ３、ならびにＰＴＣＤＡまたは３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物の特定の有機半導体が挙げられる、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの化学的励起固体発電機は、化学反応により生成された振動励起分子反応生成物を前記第１領域に含んでおり、
前記振動励起分子反応生成物は、前記第１領域の導体と相互に作用して、前記有効キャリア温度を前記第２の材料温度より高くする、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
化学的会合反応により初期化された化学的励起高振動励起分子反応物を前記第１領域にさらに有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１つの熱励起型固体発電機を含む１つまたは複数の固体発電機を有する装置であって、
前記１つまたは複数の固体発電機は、
固体接合の第１領域であって、第１の電荷キャリア有効質量の第１材料を含む、第１領域と、
固体接合の第２領域であって、前記第１の電荷キャリア有効質量より大きい第２の電荷キャリア有効質量の第２材料を有するとともに、前記第２の電荷キャリア有効質量と前記第１の電荷キャリア有効質量との電荷キャリア有効質量比が２以上である、第２領域と、
前記第１材料と電気的に接触するとともに前記第２材料とは接触しない前記第１領域内の１つまたは複数の第３材料と、
前記１つまたは複数の第３材料と熱的に接触する１つの熱源と、
前記第２材料に接続されているとともに、室温より高いヒートシンク温度を有するヒートシンクと、を備えており、
前記１つまたは複数の固体発電機は、前記第１領域内の電荷キャリアを励起して前記第２材料の第２の材料温度より高い有効キャリア温度を有するように構成され、
前記第１材料は、前記第１領域を貫通して前記第２領域内に入る前記電荷キャリアの弾道輸送を可能にする、装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの熱励起型固体発電機は、前記第１材料から前記第２材料への前記電荷キャリアの輸送を遅らせる電位障壁を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１材料は、０．０５より大きい性能指数を有するＺＴ熱電材料を含む１つまたは複数の追加の材料で形成されており、
前記ＺＴ熱電材料は、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡＩｘＧａ１−ｘＮ）、ビスマスセレニド（Ｂｉ２Ｓｅ３）、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、砒化ガリウムアルミニウム（ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓ）、砒化アンチモン化ガリウムアルミニウム（ＧａｘＡｌ１−ｘＳｂ１−ｙ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、砒化燐化ガリウム（ＧａＡｓｙＰ１−ｙ）、砒化ガリウム、アンチモン化ガリウムインジウム（ＧａｘＩｎｌ−ｘＳｂ）、燐化ガリウムインジウム（Ｇａｘｌｎ１−ｘＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、砒化インジウムアルミニウム（ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、砒化燐化インジウム（ＩｎＡｓｙＰｌ−ｙ）、砒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＡｓ）、砒化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａｌ−ｘＡｓ）、砒化アンチモン化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳＢ１−ｙ）、砒化燐化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａｌ−ｘＮ）、燐化インジウム、テルル化鉛、テルル化鉛錫（ＰｂｘＳｎ１−ｘＴｅ）、セレン化水銀カドミウム（ＨｇｘＣｄ１−ｘＳｅ）、テルル化水銀カドミウム（ＨｇｘＣｄｌ−ｘＴｅ）、シリコンゲルマニウム、シリコン、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）からなる群から選択される材料を少なくとも１つ含んでおり、
ここで、添字ｘ、ｙ、ｌ−ｘ、１−ｙ、１−ｘ−ｙは、３価または４価材料におけるそれぞれの原子種の相対量を表し、０〜１の範囲である、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２材料は、２より大きいキャリア有効質量を有する追加の材料を含む材料群から選択され、
前記追加の材料としては、ルチルＴｉＯ２、アナターゼＴｉＯ２、多孔性アナターゼＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｓｒ＿ｘ−Ｂａ＿ｙ−ＴｉＯ＿ｚ、炭化ホウ素、ＬｉＮｉＯ、およびＬａＳｒＶＯ３、ならびにＰＴＣＤＡまたは３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物の特定の有機半導体が挙げられる、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２材料の第１のキャリア輸送は主に非弾道的であり、前記第１材料の第２のキャリア輸送は主に弾道的である、請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
電磁放射の１つまたは複数により励起される１つまたは複数の固体発電機を含む装置であって、
前記１つまたは複数の固体発電機は、
固体接合の第１領域であって、第１の電荷キャリア有効質量の１材料を含む、第１領域と、
固体接合の第２領域であって、前記第１の電荷キャリア有効質量より大きい第２の電荷キャリア有効質量の第２材料を有するとともに、前記第２の電荷キャリア有効質量と前記第１の電荷キャリア有効質量との電荷キャリア有効質量比が２以上である、第２領域と、
前記第２材料に接続されているとともに、室温より高いヒートシンク温度を有するヒートシンクと、を備えており、
前記１つまたは複数の固体発電機は、前記第２材料の第２の材料温度より高い有効キャリア温度を有し、
前記第１材料は、前記第１領域を貫通して前記第２領域内に入る前記電荷キャリアの弾道輸送を可能にする、装置。
【請求項１４】
前記第１領域と第２領域は、前記第１領域から前記第２領域への電荷キャリアの輸送を遅らせ、かつ前記電荷キャリアが横切って前記第２領域内に入ることを可能にする電位障壁を有する固体接合を形成する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１材料は、０．０５より大きい性能指数を有するＺＴ熱電材料を含む１つまたは複数の追加の材料で形成されており、
前記ＺＴ熱電材料は、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡＩｘＧａ１−ｘＮ）、ビスマスセレニド（Ｂｉ２Ｓｅ３）、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、砒化ガリウムアルミニウム（ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓ）、砒化アンチモン化ガリウムアルミニウム（ＧａｘＡｌ１−ｘＳｂ１−ｙ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、砒化燐化ガリウム（ＧａＡｓｙＰ１−ｙ）、砒化ガリウム、アンチモン化ガリウムインジウム（ＧａｘＩｎｌ−ｘＳｂ）、燐化ガリウムインジウム（Ｇａｘｌｎ１−ｘＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、砒化インジウムアルミニウム（ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、砒化燐化インジウム（ＩｎＡｓｙＰｌ−ｙ）、砒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＡｓ）、砒化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａｌ−ｘＡｓ）、砒化アンチモン化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳＢ１−ｙ）、砒化燐化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａｌ−ｘＮ）、燐化インジウム、テルル化鉛、テルル化鉛錫（ＰｂｘＳｎ１−ｘＴｅ）、セレン化水銀カドミウム（ＨｇｘＣｄ１−ｘＳｅ）、テルル化水銀カドミウム（ＨｇｘＣｄｌ−ｘＴｅ）、シリコンゲルマニウム、シリコン、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）からなる群から選択される材料を少なくとも１つ含んでおり、
ここで、添字ｘ、ｙ、ｌ−ｘ、１−ｙ、１−ｘ−ｙは、３価または４価材料におけるそれぞれの原子種の相対量を表し、０〜１の範囲である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記電磁放射は、エバネッセント放射又は伝播性放射を含む請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、概してエネルギー変換システムに関し、さらに詳細には前平衡弾道電荷キャリア屈折（ｐｒｅ−ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ  ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  ｃｈａｒｇｅ  ｃａｒｒｉｅｒ  ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ）を利用する方法とシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
弾道電荷キャリア運動を直接電気に変換するために固体接合を使用することが、近年いくつかの新規な方法と手法において実証されてきた。図１−Ａの断面図に示すように、いずれの場合も、電荷キャリア（たいていの場合は電子）は、導電表面１０Ａ上またはその近傍で、導電性触媒、光起電力材料、または温度勾配と組み合わせた熱を用いるかあるいは用いない化学反応などの励起手段１２Ａにより励起される。いずれの場合も、電荷キャリアは、導体１０Ａから半導体または誘電体１１Ａ内に弾道的に移動する。導体１０Ａは非常に薄いので、電子は、エネルギーを失うことなくあるいは別の電子または原子と衝突することなく効果的に弾道的に導体１０Ａを貫通して進む。その結果、正端子１７Ａと負端子１６Ａ間に電圧１４Ａが生じる。図１−Ａでは、誘電体接合１５Ａは電子の弾道運動を妨げる傾向のある電位障壁（図１−Ｂに１１Ｂとして示す）を形成するように特別に選択された半導体接合部である。図１−Ｂには、装置に沿った距離の関数として、装置内の電位を示す。図２−Ａに示すように、導体表面２２Ａにおける電子２１Ａは、電位障壁の最高部より大きいエネルギーを有する。これらの電子２１Ａは電位障壁を横切り、そして半導体伝導帯２５Ａに落ち着く前にエネルギーを失い熱２４Ａとなる。この結果、導体−誘電体接合を隔てて電荷が分離される。電位障壁に逆らって進む電子は、弾道電子運動エネルギーの一部を電気位置エネルギー２７Ａに変換する。弾道電子運動エネルギーの残りは熱２４Ａとなる。生成された電圧２７Ａは、一方の側２８Ａの導体のフェルミ準位と他方の側２６Ａの誘電性導体電極のフェルミ準位間の差である。電荷が分離するとき電圧Ｖ（ボルト）が生成される。
【０００３】
従来技術では、化学エネルギーが、薄い導体面上に吸着したとき、約０．５ｅＶの電位障壁より大きいエネルギーを有する電子は、図１−Ａ、１−Ｂ、２−Ａにより表されたものと同様にセンサーにおいて検知された。しかしながらエネルギー分布は指数関数的に減少し約０．１ｅＶを下回り、その効果をエネルギー変換と生成のためには利用不可能にした。さらに、これらのセンサーにおいては、金属導体１０Ａの有効電子質量（１ｍ＿ｅ程度）は半導体１１Ａ（通常はシリコン）内の有効電子質量（１／３ｍ＿ｅ程度）よりはるかに大きい。この結果、生成された電子の大部分は半導体／金属界面１５Ａで反射され、したがって収集されない。電子有効質量の役割の妥当性または有用性についてはまだ開示されていないかあるいは広まっていない。この方式はまた、熱雑音を低減するためにダイオードの極低温冷却を必要とした。この方式の効率は非常に低いので、電流は短絡モードにおいてのみ測定可能である。このシステムは化学センサーとしてのみ使用可能であるが有用な発電機ではない。
【０００４】
従来システムでは、導電性触媒表面上またはその近傍の会合反応は、高振動励起分子を励起し初期化した。振動励起分子のエネルギーは導体内の電子に移動される。電子エネルギーは明らかに１．２ボルト障壁１１Ｂを上回る。広いバンドギャップの酸化物半導体ＴｉＯ２が用いられたとき、水の沸点を十分に超える温度（４７３Ｋ以下）で有用な短絡電流が観察される。有用な開放順電圧は室温でほぼ零の温度勾配の条件下で観察された。順電圧は、同様な酸化物半導体を用いる光起電力システムにおいて観測されたものと同程度であった。
【０００５】
予測可能な高い出力電圧と出力電流をもたらす製作方法を用いること、ＴｉＯ２以外の材料を選択することができること、このような変換器を高い温度で動作させること、そして温度勾配を用いたこのタイプの装置において電気を発生することは非常に有利であろう。
【０００６】
固体熱イオン学の分野は、電荷キャリアを励起するために温度勾配を用い、そして半導体接合部を横切る電位障壁を設けるために半導体バンドギャップ工学を用いる。このような装置では、電荷キャリアは誘電体１１Ａを貫通して弾道的に移動しなければならない。材料１０Ａ内では電荷キャリア弾道移動は必要ではない。また、電荷キャリアは材料１０Ａから誘電体１１Ａに向かって全方向に進むものと認識される。弾道輸送中のキャリア有効質量のステップ増加の効果は、変換効率を高めかつ作製コストを低減するためにはまだ利用されていない。
【０００７】
すべての公知の関連変換器の概念には、用いられる接合材料の未規定の、したがって制御できない相対的電荷キャリア有効質量に直接関係する非効率性という問題があった。エネルギー変換効率を高めるためにキャリア有効質量を調整または制御するいかなる方法または知識についても、その権利を主張するまたは公言する分野はどこにもない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前平衡弾道電荷キャリア屈折を利用する方法とシステムが開示される。一実施態様によると、装置は１つまたは複数の固体発電機を含む。固体発電機は、化学的励起固体発電機と熱電変換型固体発電機とを含む群からの１つまたは複数を含む。第１の電荷キャリア有効質量を有する第１の材料は固体発電機の固体接合において用いられる。第１の電荷キャリア有効質量より大きい第２の電荷キャリア有効質量を有する第２の材料は固体接合を形成する。第２の有効質量を第１の有効質量で割った電荷キャリア有効質量比は２以上である。
【０００９】
実施態様および要素の組み合わせの様々な新規な詳細を含む上記および他の好ましい特徴は、以下に、添付図面を参照しさらに詳細に説明され、そして特許請求の範囲において指摘される。本明細書に記載の特定の方法とシステムは、単に例示であって、限定として示されるのではないということが理解されるであろう。当業者により理解されるように、本明細書に記載の原理と特徴は、本明細書の教示の範囲から逸脱することなく多種多様の実施態様において利用され得る。
【００１０】
本明細書の一部として含まれる添付図面は、現在好ましい実施形態を例示し、上記概要と共に、下記の好ましい実施形態の詳細な説明は、本教示の原理を説明および教示するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１−Ａ】従来技術の固体発電機を例示する。
【図１−Ｂ】従来技術の電位対距離のグラフを例示し、固体接合における電位障壁の影響を示す。
【図１−Ｃ】ショットキー障壁を有する例示的な固体発電機における電位対距離のグラフを例示する。
【図１−Ｄ】ｐｎ接合電位障壁を有する例示的な固体発電機における電位対距離のグラフを例示する。
【図１−Ｅ】導体−誘電体−導体ナノキャパシタ電位障壁を有する例示的な固体発電機における電位対距離のグラフを例示する。
【図２Ａ】従来技術の電位対距離のグラフを例示し、エネルギー変換プロセスにおける熱の影響を示す。
【図２−Ｂ】電子が熱へのエネルギー損を経験する例示的な固体発電機における電位対距離のグラフを例示する。
【図２−Ｃ】熱が電子を再励起し、再励起された電子が漏出して接合を横切って戻る固体発電機における電位対距離のグラフを例示する。
【図２−Ｄ】ヒートシンクを有する例示的な固体発電機における電位対距離のグラフを例示する。
【図３−Ａ】前平衡弾道荷電荷キャリアが低電荷キャリア有効質量領域から高電荷キャリア有効質量領域内に移動する領域における電位対距離の例示的な図を示す。
【図３−Ｂ】屈折されて集中した進行角で接合を横切る単一の前平衡弾道電荷キャリアの例示的な図を示す。
【図３−Ｃ】屈折されて集中した進行角で接合を横切る複数の前平衡弾道電荷キャリアの例示的な図を示す。
【図３−Ｄ】接合に向かって反射された複数の電荷キャリアの例示的な図を示す。
【図４】前平衡弾道屈折と熱遮断を含むダイオード前平衡エネルギー変換器を用いた例示的な固体発電機を例示する。
【図５】本発明の一実施形態による、例示的な固体直列型化学的励起前平衡発電機を例示する。
【図６】弾道屈折を含む前平衡エネルギー変換器を用いた例示的な電気的および熱的積層型温度勾配変換器を例示する。
【図７】前平衡弾道屈折変換器が取り付けられた柱状構造の例示的な断面を示す。
【図８】弾道屈折変換器アセンブリが貼り付けられた、波型部、溝部、細孔、穴などの複数の形状を含む一般化柱状構造の例示的な断面を示す。
【図９】最も冷たい部分（構造体内部）から前平衡弾道屈折変換器アセンブリが貼り付けられた最も熱い部分（構造体外部）への反応物および冷却材の流れを示す例示的な断面を示す。
【図１０−Ａ】支持基板上に弾道屈折変換器アセンブリと共に形成された不活性スペーサーを示す例示的な断面を示す。
【図１０−Ｂ】支持基板上のスペーサーと弾道屈折変換器アセンブリの例示的な断面図の詳細を例示する。
【図１１】弾道屈折変換器アセンブリを含む基板の積み重ねと、積層された素子間の空間内の反応物、冷却材、排出物の流れとを示す例示的な断面を示す。
【図１２】支持構造体の表面全体に電気的に直列に接続された前平衡弾道屈折変換器アセンブリを示す例示的な断面を示す。
【図１３】支持構造体の中とそして構造体上の弾道屈折変換器アセンブリの周囲とを流れる反応物と冷却材を含む基板を示す例示的な断面を示す。
【図１４】エネルギー変換器上で主にトンネリングにより電気的に接続され、かつ物理的に分離されたクラスタの例示的な断面を示す。
【図１５】熱伝導率の問題に対処するのに有用な材料の低電荷キャリア有効質量領域内への例示的追加を示す。
【図１６−Ａ】第１の材料内に最小の障壁を有するかあるいは障壁を有さない、かつ増大する電荷キャリア有効質量を有する例示的な装置を示す。
【図１６−Ｂ】第１の材料内に最小の障壁を有するかあるいは障壁を有さない、かつ最低電荷キャリア有効質量を有する中間材料を含む例示的な装置を示す。
【図１６−Ｃ】第１の材料内に障壁を有し、かつ増大する電荷キャリア有効質量を有する例示的な装置を示す。
【図１６−Ｄ】両方向の電荷輸送に逆らう電位障壁と中間材料内の最小電荷キャリア有効質量とを有する例示的な装置を示す。
【図１７】ナノスケールで（ｎａｎｏｓｃｏｐｉｃａｌｌｙ）熱的に絶縁され、支持構造体上の弾道屈折変換器アセンブリの活性面の近傍に存在する、柱上の触媒反応加速器の例示的な断面を示す。
【図１８】ロール形状に巻かれる弾道屈折変換器とスペーサーを含む例示的な表面を示す（反応物と冷却材はこのロールを通って流れることができる）。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
前平衡弾道電荷キャリア屈折を利用する方法、装置、そしてシステムが開示される。一実施形態によると、本方法は１つまたは複数の固体発電機を製作する工程を含む。固体発電機は、化学的励起固体発電機と熱電変換型固体発電機とを含む群から選択される１つまたは複数を含む。固体発電機は、第１材料中の電荷キャリアの前平衡エネルギー分布を励起する。第１材料は、第１の電荷キャリア有効質量を有しており、第２材料と共に固体接合を形成する。第２材料は、第１の電荷キャリア有効質量より大きい第２の電荷キャリア有効質量を有する。第２の有効質量を第１の有効質量で割った電荷キャリア有効質量比は２以上である。
【００１３】
以下の説明では、説明のために、特定の用語が、本明細書で開示される様々な発明概念を完全に理解するために記載される。しかしながら、本明細書に開示される様々な発明概念を実施するためには、これらの具体的な詳細は必要ではないことは当業者に明らかであろう。本方法、装置、そしてシステムは、電気を発生する固体装置において用いられる接合のエネルギー変換効率を向上させる。エネルギー源は、接合の片側で、電荷キャリア（例えば電子）の不均衡な前平衡エネルギー分布を生ずる。実質過剰な電荷キャリアが弾道的に進み接合の片側から他の側に横切る際に電位障壁を乗り越えると、運動に伴う電荷キャリア運動エネルギーの一部は直接電気位置エネルギーに変換される。電荷分離が生じ、これらの領域はキャパシタを形成する。トンネリングがないと、電位障壁の法線に近い速度成分のみが障壁を乗り越えることに寄与する。
【００１４】
その結果、エネルギーの前平衡分布の一部が、有用な帯電キャパシタの形態へ変換される。実施形態の重要な要素であるこのプロセスの効率は、接合を越えてキャリア有効質量の急激な増加を伴う材料を設けることにより電荷キャリアの方向が屈折されて電荷キャリアが電位に対して実質的に法線方向に進むと、高められる。高電荷キャリア有効質量領域から低電荷キャリア有効質量領域へ弾道的に後方に進むキャリアは、比較的小さな臨界角より大きい任意の角度で接合に接近する場合、全内部反射されると考えられる。後方への流れは分離された電荷を抜き取る傾向がある。
【００１５】
高電荷キャリア有効質量領域の温度と比較して低い電荷キャリア有効質量を有する材料内に、より高い有効電荷キャリア温度を生じさせる励起方法は、非等温電荷キャリア分布を定義し、そして電荷キャリアの過渡的前平衡分布を含む。励起方法としては、化学反応を利用すること、光起電力方法を使用すること、伝播性及び／又はエバネッセント電磁放射を利用すること、電気的クーロン結合を利用すること、熱流およびその関連する温度勾配を利用すること、太陽光発電手段を用いること、地熱、摩擦、核熱源などの熱源を使用すること、核励起を利用すること、インサイツイオン化放射を利用すること、放射性廃棄物放射を利用すること、火炎ヒーターと触媒反応ヒーターを使用すること、エネルギー化学反応を利用する圧電励起および初期化型高振動励起反応生成物を使用すること、が挙げられる。
【００１６】
一実施形態によると、本システムは電荷キャリア有効質量素子を追加することによりエネルギー変換効率を向上させる。この素子は、低電荷キャリア有効質量領域から高電荷キャリア有効質量領域への弾道電荷輸送に固有のナノスケール弾道キャリア屈折効果を有する。
【００１７】
電荷キャリア有効質量の比（ｍ＿ｅ＿ｈｉｇｈ／ｍ＿ｅ＿ｌｏｗ）は、弾道電荷キャリアが電位障壁に向かって屈折される程度を確定する。この弾道屈折は、電位障壁に向かうおよびそれに直接当接する電荷キャリア速度成分を最大にし、障壁に対し横方向の他の電荷キャリア速度成分を最小にする。他の成分を最小にすることによりエネルギー損を最小にする。弾道輸送は、低電荷キャリア有効質量領域が電荷キャリア運動に対しトランスペアレントであるために十分に薄いときに保証される。低電荷キャリア有効質量領域はキャパシタのナノ層電極を形成する。低電荷キャリア有効質量領域と高電荷キャリア有効質量領域との接合は、電気位置エネルギーを分離電荷として蓄えるキャパシタを形成する。より高いキャリア有効質量を有する材料はキャパシタの誘電体である。
【００１８】
別の実施形態によると、接合を横切る熱輸送は最小化される。弾道屈折と接合電位障壁は、熱伝達電荷キャリアを接合から反射する。低電荷キャリア有効質量領域においては、障壁電位未満のエネルギーを有するキャリアは、このキャリアが来た場所から、より熱い領域内へ反射される。高電荷キャリア有効質量側では、比較的小さな臨界角（表面の法線に対し）より大きい角度で接合に接近するキャリアは反射されるので、低電荷キャリア有効質量側へ後進することができない。
【００１９】
追加の実施形態は、ナノスケール温度勾配変換器を熱的に並列及び／又は直列に接続し、かつそれらを電気的に並列及び／又は直列に接続する。接続された変換器は、さらに並列及び／又は直列に接続される。熱的接続は電気的接続とは物理的に区別することができる。エネルギー源と熱源としては、独特な空間的に不均一な温度プロフィルを有するもの、時間的に散発的かつ非定常的なエネルギーバーストを有するものが挙げられる。様々な領域が不均一な熱流量を呈してもよい。
【００２０】
一実施形態によると、二次エネルギー変換プロセスは、一次エネルギー変換プロセスからの廃熱などのより高い温度と周囲環境のより冷たいヒートシンクとの間で固体熱電子／熱電気ヒートエンジンを動作させることにより電気的仕事量を抽出するために用いられる。効率は、前平衡弾道電荷キャリア（例えば電子）屈折（ｐｒｅ−ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ  ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  ｃｈａｒｇｅ  ｃａｒｒｉｅｒ  ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ：ＰＥＢＣＣＲ）を利用することにより高められる。ＰＥＢＣＣＲを利用するヒートエンジン装置構成部品はナノスケール温度勾配変換器（ｎａｎｏｓｃｏｐｉｃ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ：ＮＴＧＣ）である。ナノスケール温度勾配変換器を熱的かつ電気的に直列に積層することで、ヒートエンジンを実現するための効率的なやり方が提供される。
【００２１】
一実施形態によると、システムは互いに重ねられた連続的な変換器ユニットを有する。各変換器ユニットは（ａ）導体電極と、（ｂ）低電荷キャリア有効質量領域（ナノ層電極またはナノ電極とも称する）と、（ｃ）高電荷キャリア有効質量領域（誘電体とも称する）と、（ｄ）導体電極とを有する。このナノ電極キャパシタシステムの好ましい一実施形態は、比較的長いキャリア平均自由行程を有する金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌなど）などの導体で素子（ｂ）を形成し、ｎ型ＴｉＯ２を作製するために酸化Ｔｉ金属を用いて材料（ｃ）を形成し、そして未酸化Ｔｉで材料（ａ）と（ｄ）を形成する。別の実施形態は、導体電極（ａ）とナノ層電極（ｂ）間に高濃度にドープされたｎ型Ｓｉ層を含む。別の実施形態は、ｎ型ＳｉまたはＳｉＧｅ合金などの高濃度にドープされた半導体を用いて素子（ｂ）を形成する。この接合の電気的障壁は約０．１ｅＶのバンドオフセットにより形成される。これは最大電力密度で動作させるのに好適である。別の実施形態は、高電荷キャリア有効質量領域（ｃ）と導体電極（ｄ）間に高濃度にドープされたｎ型Ｓｉ層を含む。
【００２２】
一実施形態によると、より低い電荷キャリア有効質量領域の厚さは、キャリアが効果的に主に弾道的に進む程度に薄く形成される。より低い電荷キャリア有効質量領域は、ナノスケールの寸法全体にわたる電気伝導率と比べてより低い熱伝導率を有する１つまたは複数の材料で形成される。好都合に向上された高いＺＴ熱電性能指数（ＺＴの値は約０．０５より高い）を有する材料は少なくとも好ましいと一般的に考えられる。他の材料と、最低の電荷キャリア有効質量の材料とを含む領域は、一般的に「低電荷キャリア有効質量領域」と呼ばれる。
【００２３】
本方法およびシステムは、接合の両側に電位が印加されると冷却器または冷凍機として用いることができる。ＰＥＢＣＣＲを追加することにより冷却効率と冷却速度の両方を増加させる。本方法およびシステムは反応速度を変えるために用いられてもよい。
【００２４】
一実施形態は、弾道キャリア屈折により可能になる性能を高めるために、熱輸送、冷却、そして電力密度を調整して単位容積（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ）当たりの活性面積を増加させる三次元構築物と方法とを用いる。
【００２５】
一実施形態によると、前平衡弾道電荷キャリア屈折を利用することにより固体発電機におけるエネルギー変換効率を高める。この実施形態は、低電荷キャリア有効質量領域から高電荷キャリア有効質量領域への弾道電荷キャリア輸送を含む。約２を超える、高電荷キャリア有効質量と低電荷キャリア有効質量との比は、望ましい性能向上をもたらす。約２を超える絶対的に高い有効キャリア質量は通常、許容可能な性能向上をもたらすであろう。接合領域の材料は、低電荷キャリア有効質量側から高電荷キャリア有効質量側まで進む電荷キャリアが乗り越えられる電位が形成されるように選択される。接合を横切る電荷キャリアのいかなる前平衡有効温度勾配もエネルギー変換を可能にする。
【００２６】
ＰＥＢＣＣＲを利用するいくつかの構成としては、化学反応、表面化学反応、高振動励起分子との相互作用、温度勾配、伝播性及び／又はエバネッセント放射などの電磁結合のすべての形態、核放射によるインサイツ励起、または他の方法の生成物により励起される装置が挙げられる。
【００２７】
前平衡弾道電荷キャリア屈折プロセス（Ｐｒｅ−Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ  Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ：ＰＥＢＣＣＲＰ）
本教示の一実施形態は、図３−Ａから３−Ｄに概して示されるように、材料接合における電荷キャリア（電子またはホール）有効質量のステップ増加と、電荷キャリアの接合内への移動を遅らせる傾向を有する接合の電位障壁との組み合わせを利用する。電荷キャリア有効質量のステップ増加は、弾道移動の方向を屈折させて表面接合の法線に向かわせる。したがって法線に対し横方向の速度成分は減少される。固体内では、これらの効果は、輸送が弾道的でありかつ寸法が電荷キャリア平均自由行程未満（通常は約１〜５０ｎｍ、好適には＞約１ｎｍ）であるナノスケール領域で生じる。１ｎｍを超える厚さが許容される。４ｎｍを超える厚さが望ましい。これは前平衡弾道電荷キャリア屈折プロセス（ＰＥＢＣＣＲＰ）と称する。温度勾配を電位に変換する、ＰＥＢＣＣＲＰに基づく装置または装置構成部品は、ナノスケール温度勾配変換器（ｎａｎｏｓｃｏｐｉｃ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＮＴＧＣ）と称する。
【００２８】
例えば、図３−Ｂのように、低電子有効質量領域から高電子有効質量領域へ横切る電子は、より高い電子有効質量領域の法線に向かってその方向を変える。これは、低屈折率領域（空気）から高屈折率領域（水またはガラス）に進む際の光に関するＳｎｅｌｌの法則の効果と等価であり、支配方程式は同じである。
【００２９】
一実施形態は弾道キャリア屈折を実現する。電子は一般的には材料内の全方向に移動する。図３−Ｃに示されるように、任意の接近方向から界面に弾道的に接近する低電子有効質量材料内の電子はすべて、制限された角度の範囲でほぼ完全に前方へ進み、より高い電子有効質量領域内へ入ることになる。図３−Ｄに示されるように、より低い電子有効質量領域内へ逆方向に弾道移動する高電子有効質量材料内の電子は反射され、したがって臨界角内に制限された角度で接近しない限り、電子は後方へ移動することができない。
【００３０】
再帰型前平衡弾道電荷キャリア屈折（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ  Ｐｒｅ−Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ  Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ：Ｒ−ＰＥＢＣＣＲ）
一実施形態は、ＰＥＢＣＣＲＰユニット及び／又はナノスケール温度勾配変換器（ＮＴＧＣ）ユニットを再帰的に接続する方法を提供する。これらユニットでは、再帰型システムの一端が最も熱く、再帰型システムの他端は最も冷たくそしてヒートシンクに取り付けられる。ＰＥＢＣＣＲＰユニット及び／又はナノスケール温度勾配変換器（ＮＴＧＣ）ユニットを接続することにより、再帰型システムにおけるＰＥＣＣＲＰユニットのより高温側の熱流を電位に変換することが可能となる。
【００３１】
化学的励起前平衡発電機の電荷キャリア有効質量不連続性
化学的励起前平衡発電機のエネルギー変換効率を高めるために、本教示の一実施形態は、より低い電荷キャリア有効質量領域と誘電性で電位障壁がより高い電荷キャリア有効質量領域との接合の材料を選択する際にキャリア有効質量不連続性原理（ｃａｒｒｉｅｒ  ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｍａｓｓ  ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ  ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）を利用する。導体材料は、その電荷キャリア有効質量が誘電体材料（その電荷キャリア有効質量は材料選択枝が許す程度に高い）と比較してできるだけ低くなるように選択される。
【００３２】
熱整流手段
一実施形態は、熱的分離の形態と熱整流類似物とを提供する。たいていの導体における熱伝導率はほぼすべて、フォノンまたは格子振動ではなく電子（電荷キャリア）流と関係する。弾道電荷キャリア屈折は、電荷キャリアが低電荷キャリア有効質量側材料から接近して電気エネルギー（としたがって熱と）を直接高電荷キャリア有効質量側材料内に輸送することを可能にする。高電荷キャリア有効質量側材料内の全内部反射は、後方への電気エネルギー流を著しく低減し、したがってまた後方への熱エネルギー流を最小にする。熱力学第２法則と一致して、これは、両眼用プリズムの全内部反射と断熱に使用される特別な反射コーティングの全内部反射と似ている。
【００３３】
ヒートシンクとエネルギー損
一実施形態は、弾道電荷キャリア運動の一部を電気位置エネルギーに変換する。電荷が電位障壁を乗り越えた後に分離されると、弾道電荷キャリア運動から電位へのエネルギー変換が生じる。電位障壁は、多くのやり方、例えば図１−Ｃのショットキー障壁、図１−Ｄのｐｎ接合、図１−Ｅの導体−誘電体−導体ナノキャパシタのうちの任意の１つで形成されてよい。
【００３４】
順バイアスダイオードは、このエネルギー変換用ナノ層電極キャパシタを実現するための最も単純な方法の１つを提供する。図１−Ｃには、その正端子（導体）がナノ層電極でありその接合容量がキャパシタを形成する順バイアスショットキーダイオードを示す。図１−Ｄには順バイアスｐｎ接合ダイオードを示す。ナノ層電極はキャパシタの片側を形成し、ｐ型半導体はキャパシタの誘電体を形成し、ｎ型半導体はキャパシタの他の導体を形成する。図１−Ｅには導体−誘電体−導体キャパシタを示す。ここで、ナノ層電極はキャパシタの片側を形成し、絶縁体はキャパシタの誘電体を形成する。これらの装置はすべて、エネルギー変換用ナノ層電極キャパシタとして総じて説明することができる。
【００３５】
これらのすべてのエネルギー変換器ナノ層電極キャパシタでは、順バイアス方向にキャパシタを横切る伝導性を最小にすることによりエネルギー変換効率を増加させる。対照的に、良いダイオードは順バイアス方向の伝導性を最大にする。
【００３６】
ダイオードの１つの伝導特性は「理想係数（ｉｄｅａｌｉｔｙ  ｆａｃｔｏｒ）」、「ｎ」と称する特性により特徴付けられる。１．０の理想係数は理論的に最適化されたダイオードを表し、１より大きい値は余り理想的ではない。１に近い最小のｎがダイオードにとって最も良い。１．５以上の理想係数は一般に順方向伝導性を小さくし、ダイオードにとって「良い」とは通常見なされない。良いキャパシタはダイオードの全く逆の特性を必要とし、順バイアス方向の伝導性をこのように最小にすることが必要である。
【００３７】
エネルギー変換器ナノ層電極キャパシタとして用いられる順バイアスダイオードの伝導性を最小にする１つの方法は、ダイオードの理想係数を調整して大きくし、順電流を最小にすることである。順電流の最小化は、１より大きい理想係数ｎを有するダイオードを好適に使用することにより達成される。計算の示すところによると、１．２程度の低い理想係数を有するダイオードは反応温度を５０℃上昇させることができ、その結果一桁早い反応速度をもたらし得る。２より大きい理想係数を有するダイオーズは、反応温度で１５０℃を超える温度上昇を可能にする。
【００３８】
比較的高い生成−再結合（Ｒ−Ｇ）電流を有するようにダイオードを調整すると、ｎ＝２に近い理想係数が生じる傾向がある。金属相互拡散とダングリングボンドにより大きな状態密度を有するダイオードを形成することは、理想係数を増加させる一方法である。高い欠陥密度を有するダイオードを形成すると、ｎ＞２のダイオードが得られる。重要なＰｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌトンネリング輸送とトラップ支援型（ｔｒａｐ−ａｓｓｉｓｔｅｄ）トンネリング輸送の両方を含むダイオードはｎを増加させる。良いダイオードは良いキャパシタでなくその逆も正しい。目的はエネルギー変換に関し最高の「フィルファクタ（ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ）」を実現することであることを強調しておく。
【００３９】
ショットキーダイオードの熱電子モデルは、ダイオード順電流の乗率として「実効リチャードソン定数」を用いる。実効リチャードソン定数を最小にすることもまたダイオード順方向伝導性を最小にするための一方法である。本発明の方法は、理想係数を最大にするための方法と、比較的小さな実効リチャードソン定数（例えば約１０ａｍｐ／ｃｍ２?Ｋ２未満）を有することが知られた半導体を選択することとを含む。例えば、ＴｉＯ２は０．０５ａｍｐ／ｃｍ２?Ｋ２未満のリチャードソン定数を有する。ダイオード接合において弾道屈折を利用することは、実効リチャードソン定数を低減するための有効な一方法であろう。
【００４０】
固体接合を調整するために、バンドギャップ工学、縮小ドーピング、ドーピング勾配、そして組成勾配は接合の電荷分離特性を最適化するのに有効である。電位障壁は、接合を狭めて形作ることにより、接合を貫通するトンネリングと共振トンネリングを増強するように調整されてよい。この接合の成形（ｓｈａｐｉｎｇ）は、量子井戸超格子構造を用いることにより周期的または略周期的な電位障壁を形成することを含む。障壁は、傾斜接合電位を意図的に調整することにより、キャリア拡散を電荷分離の方向に増強するように調整されてもよい。
【００４１】
実施形態は、様々な方法（例えば３Ｄ構造）で廃熱を除去する。実施形態は、電力密度を最大にするために平面装置を積層して接続する。
【００４２】
前平衡弾道屈折エネルギー変換器（Ｐｒｅ−Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ  Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）
図４を参照すると、一実施形態は、第１のエネルギー源として化学的励起前平衡ホットキャリアを用い、そしてヒートシンクと結合された前平衡弾道電荷キャリア屈折プロセスを利用することによりエネルギーを変換する。別の実施形態は、化学的励起変換工程の廃熱を電位に変換するために１つまたは複数の積層型ナノスケール温度勾配変換器を追加する。
【００４３】
図４を参照すると、触媒を含む表面４０１により部分的に境界が付けられた領域内の化学反応物は、表面近傍において反応することができる。あるいは化学反応物は、表面４０１の上またはその近くでまたはその近傍で反応中間体と接触、反応中間体を吸着、解離、再結合、または形成することができる。反応は通常は高振動励起中間物質と高振動励起生成物を形成する。高振動励起生成物は、その振動エネルギーの大部分を直接、遭遇した第１の導体中の電子に移すことが最近示された。
【００４４】
一実施形態は、図４と図５において概念的に示される前平衡弾道屈折エネルギー変換器５０５〜５０８を励起するために、導体の真上またはその近くで高振動励起生成物を初期化する。一実施形態では、触媒導体５０５は装置の一部であり、触媒導体の真上またはその近くで会合反応を促進する。その結果、高振動分子は導体５０５の真上またはその近くで初期化される。一会合反応当たり約１個の電子が、様々な導体−誘電体接合における０．５〜１．２ｅＶの障壁を乗り越えるのに十分なエネルギーでもって励起される。振動の収縮位相中の導体内の弾道輸送電子のエネルギー分布は、より高いエネルギーを中心としてピークに達する。吸着反応は、分子会合反応と似ており、同様なエネルギーの移動を生じるが、指数関数的に減少する分布を有する。前駆体を仲介した吸着に伴う電荷移動は、ペルオキソおよびスーパーオキソ吸着質などの帯電中間物質を伴う。帯電中間物質は表面上で短い残留時間を有し、またある場合には電子を励起し活発な電子を放射する。高振動励起気体種は振動運動エネルギーを移動して表面導体５０５内の電子を励起する。
【００４５】
この装置の誘電体電位障壁材料４０３は、導体と比較して大きい電荷キャリア有効質量を有するように選択される（半導体ＴｉＯ２など）。ＴｉＯ２は、２より大きい電荷キャリア有効質量を有することが知られた少なくともいくつかの半導体の１つである。ＴｉＯ２の電荷キャリア有効質量は５〜２００ｍ＿ｅの範囲内であり、おそらく約２５ｍ＿ｅの値であることが様々な条件下で測定された。したがって、ナノ電極導体４０２内の励起されたキャリアはほぼすべて、導体４０２と最も高い電荷キャリア有効質量材料（例えばＴｉＯ２誘電体半導体４０３）で形成されたショットキー障壁にほぼ垂直な方向を有するように屈折される。電位は負極４０６と正極４０７間で観測される。導体材料と電極材料の両方は、少なくとも金属などの導体、導電酸化膜、高濃度にドープされたシリコンなどの縮退的かつ高濃度にドープされた半導体、高いＺＴ性能指数を有する半導体材料を含む群から選択される材料を含む。反応により、そしてショットキー接合エネルギー変換器により発生された熱は、より冷たいヒートシンク４０５内へ排除される。
【００４６】
この装置内の反応物はシステムに供給されたとき一般的には熱くないので、より低温のヒートシンクは反応物４００自体を含んでもよい。
【００４７】
一実施形態は、１キャリア有効質量より高いキャリア有効質量を有するＴｉＯ２以外の誘電体または半導体４０３を用いることを含む。誘電体または半導体４０３の例としては、限定するものではないがルチルＴｉＯ２、アナターゼＴｉＯ２、多孔性アナターゼＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｓｒ＿ｘ−Ｂａ＿ｙ−ＴｉＯ＿ｚ、ＬｉＮｉＯ、ＬａＳｒＶＯ３、ＰＴＣＤＡなどの特定の有機半導体、または３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物二無水物が挙げられる。添字ｘ、ｙ、ｚは慣習に従い濃度を表す。ＳｒＴｉＯ３の１つの利点は、その上のショットキー障壁がピンから外されてもよく、ＴｉＯ２と比較して比較的大きな障壁をもたらすということである。
【００４８】
一実施形態は、誘電体４０３に直接ヒートシンク４０５を設けることを含む。このようなヒートシンクとしては、限定するものではないが熱パイプ、液循環による毛細管システム、そして限定するものではないが反応物自体、熱導電性材料、対流法を用いることを含む蒸発冷却、ナノスケール温度勾配変換器が挙げられる。
【００４９】
ナノスケール温度勾配変換器（Ｎａｎｏｓｃｏｐｉｃ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＮＴＧＣ）
一実施形態は、前平衡弾道電荷キャリア屈折プロセスに基づく装置、すなわちナノスケール温度勾配変換器である。図５に示される一実施形態では、素子５０１〜５０３は表面型ナノスケール温度勾配変換器（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｎａｎｏｓｃｏｐｉｃ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＳＮＴＧＣ）であり、図７の素子７０３は容積型ナノスケール温度勾配変換器（Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  Ｎａｎｏｓｃｏｐｉｃ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＶＮＴＧＣ）である。材料間に逆電圧を与える接合は、導体−誘電体、誘電体−誘電体、または誘電体−導体−誘電体接合のうちの少なくとも１つを含んでよい。絶縁体と半金属は本明細書では誘電体と金属のサブセットと考えられる。図５の素子５０１〜５０３は、ナノスケール温度勾配変換器における導体−半導体接合の概略レイアウト例を示す。
【００５０】
用語「半導体接合」は、半導体接合と、金属及び／又は半導体、大きなバンドギャップを有する絶縁体材料と低濃度にドープされた非晶質物質、半金属、絶縁体、非晶質物質、そして多結晶材料で形成された量子井戸を含む接合と、を含む。用語「金属」は、高濃度にドープされた半導体、金属、半金属、そして導電体を含む。前平衡電荷キャリア弾道屈折エネルギー変換プロセスに関係のあるすべての場合において、従うべき原則は、「接合は、接近する弾道電荷キャリアに対する遅延かつ乗り越え可能な電位及び／又はトンネリング電位と、キャリア有効質量の増加との両方を提供する」ということである。
【００５１】
図５を参照すると、一実施形態は、ナノスケール温度勾配変換器５０１〜５０３を化学的励起前平衡発電機５０５〜５０８に追加する。より熱い化学的励起前平衡発電機５０５〜５０８（一次エネルギー変換系）により排除された熱５００は、ナノスケール温度勾配変換器５０１〜５０３（二次エネルギー変換系）の入力側５０１において電子を励起する。他の一般的な一次エネルギー変換系を含む構成では、ナノスケール温度勾配変換器は熱的かつ電気的に直列に接続される。この「直列」と称す相互接続は、信頼性を保証するために用いられる直−並列構成を排除するものではない。例えば、化学的励起発電機の負極５０８は、ナノスケール温度勾配変換器の低電荷キャリア有効質量領域５０１の正極に電気的かつ熱的に接続される。温度勾配変換器の負極５０３と高キャリア有効質量材料５０２は、より冷たいヒートシンク５１０に熱的に接続される。電力は正極５０６と負極５０３から取られるが、この例では装置は直列となっているので正極５０１と負極５０３からも取られる。出力電圧は上記両正負ペアのいずれかから取られてもよいことに留意されたい。また、このような複数の出力は非常に有利であることも留意されたい。
【００５２】
この構成により、化学的励起発電機はナノスケール温度勾配変換器なしの場合より高い触媒温度で動作できるようになり、また反応速度の増加としたがってより高い電力密度を可能にする。この温度増加はまた、広範囲の反応物の利用と、いくつかの反応物の発火温度での動作とを可能にする。
【００５３】
再帰型ナノスケール温度勾配変換器
図６を参照すると、一実施形態は、それぞれが隣と電気的および熱的に直列に接続されたナノスケール温度勾配変換器を再帰的に繰り返す。第一段目６０１は、多くの公知の方法のうちの任意の方法により励起される発電機であってよい。
【００５４】
このとき、再帰反復型ナノスケール温度勾配変換器６０２は、第一段目６０１のより高い温度の廃熱とより低い温度環境のヒートシンクとから電気を発生する。推定によると、再帰反復型ナノスケール温度勾配変換器はその熱源温度とヒートシンク温度間のカルノー限界効率の約８０％を達成することができる。
【００５５】
出力電圧は任意の正負極ペアから取られてよいことに再度留意されたい。
【００５６】
弾道屈折エネルギー変換器
一般化された一実施形態は表面型弾道屈折エネルギー変換器である。別の実施形態は容積型弾道屈折エネルギー変換器である。他の形態と他の組み合わせが用いられてもよい。
【００５７】
用語「容積型」は、活性面と反応物および冷却材流路とが三次元構造体上にまたはそれを用いて形成される構成を指す。
【００５８】
表面型弾道屈折エネルギー変換器（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＳＢＲＥＣ）
一実施形態は、ヒートシンクに取り付けられた一連の第２のナノスケール温度勾配変換器に取り付けられた一次エネルギー変換器を用いる。図６はこのような典型的な表面型弾道屈折エネルギー変換器を示す。多数の第２のナノスケール温度勾配変換器６０２が直列に接続される。直列の第２のナノスケール温度勾配変換器６０２の一端はヒートシンク６０３に取り付けられる。直列の第２のナノスケール温度勾配変換器６０２の他端は、前平衡弾道電荷キャリア屈折プロセスに基づいた一次エネルギー変換器６０１に接続される。一次エネルギー変換器は、化学反応、温度勾配、光起電力、または他の手段により励起されてよい。構成部品６０２の数は０〜所望数であってよい。構成部品６０２の主要な機能は、前段に接続されたエネルギー変換構成部品からの廃熱エネルギーの一部を電位に変換することである。
【００５９】
一実施形態は、電子が導電表面上またはその近傍の化学反応により励起される接合材料間の電荷キャリア質量のステップ増加を有する一次変換器６０１と、電気的および熱的に直列に接続されヒートシンクに取り付けられた０〜所望数のナノスケール温度勾配変換器６０２とを含む。
【００６０】
一実施形態は、電子が導電表面上またはその近傍の化学反応により励起される接合材料間の電荷キャリア質量のステップ増加を有しない一次変換器６０１と、電気的および熱的に直列に接続されヒートシンクに取り付けられた１〜所望数のナノスケール温度勾配変換器６０２とを含む。
【００６１】
一実施形態は、接合材料間の電荷キャリア質量のステップ増加を有するまたは有しない光起電力エネルギー源を用いる一次変換器６０１と、電気的および熱的に直列に接続されヒートシンクに取り付けられた１〜所望数のナノスケール温度勾配変換器６０２とを含む。
【００６２】
一実施形態は、一次変換器６０１と、電荷キャリア弾道輸送が第２の材料内ではなく第１の材料内で生じる熱電子エネルギー変換器と、電気的および熱的に直列に接続されヒートシンクに取り付けられた０〜所望数のナノスケール温度勾配変換器６０２とを含む。
【００６３】
一実施形態は、一次変換器６０１と、第１の材料電荷キャリア質量より大きい第２の材料有効電荷キャリア質量を有する熱電子エネルギー変換器と、電気的および熱的に直列に接続されヒートシンクに取り付けられた０〜所望数のナノスケール温度勾配変換器６０２とを含む。
【００６４】
一実施形態は、一次変換器６０１と、第１の材料電荷キャリア質量より大きい第２の材料有効電荷キャリア質量を有しかつ電荷キャリア弾道輸送が第２の材料内ではなく第１の材料内で生じる熱電子エネルギー変換器と、電気的および熱的に直列に接続されヒートシンクに取り付けられた０〜所望数のナノスケール温度勾配変換器６０２とを含む。
【００６５】
一実施形態は、一連のナノスケール温度勾配変換器６０２（これらの１つまたは複数は、一般的に低キャリア有効質量領域と称する領域用の誘電体−伝導体−誘電体接合を含んでよい）に取り付けられ、電気的および熱的に直列に接続され、そしてヒートシンクに取り付けられる一次変換器６０１を含む。ナノスケール温度勾配変換器の数は０〜所望数であってよい。
【００６６】
容積型弾道屈折エネルギー変換器（Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＶＢＲＥＣ）
一実施形態は、柱状の構造の上に容積型弾道屈折エネルギー変換器を含む。柱の望ましい特徴は、単位長当たりの面積が大きいことであり、これは、柱の比較的高い単位容積当たり面積に起因する高い容積電力密度をもたらす。このような大きな面積の柱の断面は、深い波型部、穴、ピットを含んでよく、それらはすべて不規則なものであってよい。柱の断面は、その上に形成される変換器により課される制約条件により主として制限されるが、一般的な制約条件はない。例えば、断面は、少なくともワイヤー状、円形、棒状、正方形、矩形、不規則形状、しわの寄った形状、スポンジ状、円錐台、先細の円錐、翼または他の空気力学的形状の断面を含む群のうちの任意の組み合わせであってよい。
【００６７】
図７を参照すると、柱７０１自体は、１つまたは複数の材料で形成されたストランド、ファイバ、ストリップなどのような、それぞれの材料がその強度、熱伝導率、電気伝導率または他の望ましい特性に対して選択された任意の材料であってよい。
【００６８】
柱は、まず、装置の背後電極を形成するために少なくとも導体７０２で部分的に覆われるであろう。次に、必要な数だけの第２のナノスケール温度勾配変換器７０３が、柱の上でかつ最終一次エネルギー変換器７０４（接合材料間の電荷キャリア質量のステップ増加を有するかまたは有しない）の下に形成される。一次エネルギー変換器７０４は、化学的に、光起電力的に、温度勾配により、または他の手段により励起されてよい。外側の領域７０５はソース励起領域である。ユニット７０３の数は０〜必要数である。正極接続部７０６は最終的な変換器７０４と電気的に接触している。絶縁体７０７は、導体７０２と電気的に接触する正極接続部７０６を負極接続部７０８から分離する。ヒートシンクは、柱領域７０５を取り囲む反応物とガスにより、及び／又はヒートシンクに物理的に接続され得る基板７０９により設けられてよい。
【００６９】
一実施形態は、電子が導電表面上またはその近傍の化学反応により励起される一次変換器７０４と、電気的および熱的に直列に接続されヒートシンクに取り付けられた０〜所望数のナノスケール温度勾配変換器とを含む。
【００７０】
一実施形態は、一次変換器７０４と、電気的および熱的に直列に接続されヒートシンクに取り付けられた０〜所望数のナノスケール温度勾配変換器を含む光起電力エネルギー変換器と、を含む。
【００７１】
一実施形態は、一次変換器７０４と、電気的および熱的に直列に接続されヒートシンクに取り付けられた０〜所望数のナノスケール温度勾配変換器を含む熱電子エネルギー変換器と、を含む。
【００７２】
一実施形態は、最小電荷キャリア有効質量領域を形成する材料として、長い平均自由行程の金属だけでなく長い平均自由行程の半導体も含む。電位障壁を形成するためにバンドギャップアラインメントを利用することができる。
【００７３】
一実施形態は、一次変換器７０４と、電気的および熱的に直列に接続されヒートシンクに取り付けられた一連の同様なナノスケール温度勾配変換器に取り付けられた誘電体−伝導体−誘電体接合を用いる固体温度勾配エネルギー変換器とを含む。ナノスケール温度勾配変換器の数は０〜所望数であってよい。
【００７４】
一般的には、弾道屈折エネルギー変換器は、反応物の流れ、空気流、冷却を引き起こすために用いられる装置（ファン羽根など）を含む様々な種類の対象物に取り付けられてよい。弾道屈折エネルギー変換器は、対象物の輪郭に従ってシートの形態をとることができる。例えば、変換器は空気流システム上に「被せられ」てもよい。あるいは変換器は別個に作られ、システム上に「貼られ」てもよい。あるいは変換器はシステムに一体化されてもよい。
【００７５】
ファン羽根上に弾道屈折エネルギー変換器を直接配置することで、ファンが冷却、熱移動、熱除去を行う際の効率を最大にする。
【００７６】
図８により示唆されるように、断面プロフィル８０２を有する、柱に貼り付けられた弾道屈折エネルギー変換器８０１は、弾道屈折エネルギー変換器を作製するための要件に合致する任意の形状であってよい。大きなエネルギー集積面積が望ましい。大きなエネルギー集積面積は、長く薄い形状８０２、くさび８０３、みぞ８０４、不規則な多角形状側面８０５、深く狭いみぞまたは細孔８０６、柱を完全に貫通する細孔８０７、対称形状８０８、８０３、ほぼ対称な形状８０９、そして緩やかな対称形状８１０を含むプロフィルを形成することを含む多くの方法で実現することができる。
【００７７】
細孔は、積層内への深い穴８０４の形態、あるいは完全に積層を貫通する穴８０７としての形態をとることができる。
【００７８】
ワイヤー形状
一実施形態は、ワイヤー８０２などの長く薄い装置に似た変換器形状を形成する。変換器ワイヤーは、前もって形成して表面に突き刺すかあるいはそうでなければ規則的または不規則的なパターンで表面に取り付けてよい。
【００７９】
流路の形状
一実施形態は、弾道屈折エネルギー変換器用のヒートシンクを設ける。冷却用ヒートシンクは、対流、相転移または蒸発冷却、熱パイプを含む、多くの方法で実現することができる。反応物または反応物成分が用いられてよい。例えば、図９は、変換器を支持する構造体と変換器アセンブリの内部とに関係する溝、ダクト、またはパイプを用いる実施形態を例示する。これら溝部、ダクト、またはパイプを通って、冷却材、反応物、添加剤、またはこれら材料の任意の組み合わせ材料は流れることができる。各ケースはそれぞれの利点を有する。材料９０１は、より冷たい側９０２から細孔または穴９０３を通ってより熱い領域９０４へ流れる。冷たい側９０２と熱い側９０４の両方は反応物または添加剤を含むことができ、熱い側は排気と空気流の両方に関係する。
【００８０】
冷たい側９０２の反応物９０１の蒸発と、より冷たい材料９０１の流れとにより冷却を引き起こす。反応物９０１は濃縮され、そして積層の熱い表面９０５の近くで燃料リッチとなると考えられる。
【００８１】
暖かい反応面９０５に接触すると気体になる液体反応物または蒸発性冷却材９０１を使用することで、化学的に励起されるホットエレクトロンプロセスに望ましい気体種が供給される。
【００８２】
一実施形態は、空気力学的表面上に変換器を直接形成する。これは、電気の直接的生成と、タービンを駆動するための流体質量として液化ガス変換により生成された気体を用いることあるいは他の有用な仕事量の機械的抽出と軸体エネルギーの生成と、の両方を可能にする。
【００８３】
一実施形態は、発電機内の低温のヒートシンクのために液体空気と他の液体ガス９０１を用いる。液体空気および同様な不活性液ガスは領域９０２に放熱作用をもたらし、そして排気領域９０４内の外気は熱源を供給することができる。これにより装置はこの温度差を直接用いて電気を発生することができる。同時に液体／気相転移はまた、タービンなどの機械エネルギー変換器を動作させることができる。
【００８４】
一実施形態は、空気流をもたらすために自然対流を利用する。冷却空気容積は通常は反応空気容積よりはるかに大きくなり得るということに留意されたい。
【００８５】
図９に基づく一実施形態はまた、扁平管などの汎用の管形状の断面を表すと考えられる。汎用の管は、１つまたは複数の面上で弾道屈折エネルギー変換器によって覆われる。本明細書で「管」は、任意の相対壁厚（不均一な壁を含む）を有する任意の部分的中空形状を有するものを指す。例えば、管は、２枚のシートのように見えるような平らなものであってよい。２枚のシートは、気体または流体の流れを可能にする２枚のシート間の密閉空間と、その端部で密閉された容積とを含む。図９の概念は表面型装置および容積型装置（ＳＢＲＥＣとＶＢＲＥＣ）に利用可能であろうということに留意されたい。
【００８６】
積層形状
図１０を参照すると、積層可能な基本ユニットは、電気的伝導層、熱的伝導層、構造支柱層の１つまたは複数を含む構造体上に配置される。
【００８７】
実施形態は、単一の変換器アセンブリの表面により与えられる単なる面積ではなく、発電機の容積を生成するために、２つ以上の弾道屈折エネルギー変換器（表面型屈折エネルギー変換器（ＳＢＲＥＣ）または容積型屈折エネルギー変換器（ＶＢＲＥＣ））アセンブリを一緒に接続し積層する。積層は電気的に直列または並列に接続されてよい。
【００８８】
図１０において断面で示される積層可能な基本ユニットの一実施形態は、重要な素子すなわち、正に励起された側１００４を上にし負側を下にして電気的に接続される弾道屈折エネルギー変換器アセンブリ１００１（一次エネルギー変換器のみ、あるいは一次エネルギー変換器と二次エネルギー変換器を含む）を含む。弾道屈折エネルギー変換器は、正極接続部１００２と負極接続部１００３とで支持されるとともにそれに接続される。構造体１００３は、電気的伝導素子、電気的伝導素子、強度構造体素子のうちの１つまたは複数を含むことができる。積層することは、積層可能な基本ユニットを互いに上下に配置することと、励起と熱源のために変換器１００１の活性面の上方に空間を残すこととを含む。同様なことは、任意の加工可能な構成または配置で実現される。
【００８９】
図１０に示される実施形態は、変換器の正極１００２をその上方で負極１００３に接続する。この断面を図１１に示す。図１１の基本的な構造は、三次元の基本積層構造体のマトリックスを形成するために、垂直及び／又は水平方向に再帰的に積層されてよいことに留意されたい。
【００９０】
図１０−ｂには、本実施形態では明確にするために故意に省略されていた電気的および熱的な接続部と界面に関係する詳細を示す。
【００９１】
図１０−ｂを参照すると、活性面は容易に損傷される通常はナノメートル厚の構造であるため、例えば正極１００２は図示のように変換器１００１の活性面上に直接配置されないであろう。実際上、当業者は、電極を変換器に接続するために多くの公知の方法の１つを用いるであろう。一実施形態は構造体１００３上に直接形成された絶縁体１００５上に正極１００２を配置する。次に、正極１００２を弾道屈折変換器アセンブリの正側端と活性面１００４に電気的に接続するために、電気的ブリッジ１００６が形成される。構造要素１００３は、実際上、変換器の負側に接続された導電体を含み、また変換器への熱的接続部を含むであろう。単純な実施形態は、電気的および熱的伝導性を有するように構造体１００３（例えば５ミクロン厚のアルミまたは銅箔）を形成する。
【００９２】
一実施形態は、図１０に示される積層可能な基本ユニットを互いに上下に積層することにより、発電機エネルギー変換器の容積を形成する。反応物と冷却材１１００は積層間の空間１１０１内に流れ込み、排気はこの空間を通って流出する。
【００９３】
一実施形態は、正極を同一平面内の隣接する変換器の負極に接続することにより、積層の面に沿って変換器を直列に接続する。これはいくつかの方法で実現することができるが、その１つを図１２に示す。電気接続１２０２は、第１の変換器１２０１の正極側と活性面に対して行われ、絶縁体１２０４により絶縁された相互接続導体１２０３に接続される。相互接続配線１２０３は第２の変換器の負側１２０５と電気的に接触する。絶縁スペーサー１２００は図では変換器の背後に概念的に示される。
【００９４】
一実施形態は、図１３にスケッチされるように、積層可能な基本ユニットの本体を通して冷却材及び／又は反応物１３００を供給する。例えば、弾道屈折エネルギー変換器１３０１とスペーサー１３０２は構造体と基板１３０３上に形成され、基板１３０３の内部１３０４を反応物及び／又は冷却材１３００が流れる。図１８を参照すると、この実施形態の装置は、ロール状に巻き上げることが可能であり、そしてスペーサー１３０２で形成されたロール間の空間１３０５は反応物が流れ込めるようになっており、排気は空間１３０５から流出することができる。スペーサーと電気配線は明確化のために図１３では示される。詳細な接続部はまた、図１２と図１０−Ｂで説明されたようなものでよい。
【００９５】
これらの実施形態のそれぞれにおいて、変換器は上述の柱状の構造を含む多くの形態を取ることができ、そしてほぼ任意の形状の多くの表面上に取り付けられてよい。
【００９６】
トンネリング用クラスタ触媒
一実施形態は、弾道屈折エネルギー変換器の活性面上の励起の実効温度勾配を増加させるために、物理的に切り離され電気的にトンネリング接続されたナノスケールの触媒クラスタを用いる。図１４は、活性面１４０２を有する変換器１４０１の典型的寸法Ｄと典型的セパレーションＳを有する導体触媒構造体１４００を概略的に示す。寸法Ｄは、クラスタ１４００内のホットキャリアの平均自由行程未満となるように形成され、またキャリア輸送時間がクラスタ１４００の最高格子振動の周期より短くなるように選択されるので、寸法Ｄはキャリア温度と格子温度とを分離する。この寸法は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｄなどの材料では通常は４〜５０ｎｍ程度の範囲である。クラスタセパレーションＤは、電荷キャリア電子のクラスタ１４００間のトンネリングを可能にするのに十分に小さくなるように選択される。この寸法は通常は１〜２０ｎｍの範囲である。クラスタへの電気接続部は導電体コンタクト１４０３と１４０４で形成される。理想的な場合、切り離されたクラスタは低電気伝導率かつ低熱伝導率の材料上に形成される。このとき、このクラスタ配置は変換器１４０１とのショットキー障壁を形成することができ、したがってクラスタは弾道屈折エネルギー変換器の一体部分となることができる。
【００９７】
一実施形態は、セラミック基板（変換器材料など）と接触する増強された触媒クラスタの触媒活性を利用する。一実施形態は、反応速度を増加させしたがって電力出力を増加させるために、増強されたクラスタの電子温度を利用する。一実施形態は、電極１４０３〜１４０４にわたり電位を印加する。これは基板温度（約３００Ｋ）をはるかに超える温度（約２０００Ｋ〜５０００Ｋ）までクラスタを加熱するということが示された。したがって変換器のダイオードの温度を増加させずに反応電力を著しく増加させることができる。
【００９８】
結合層と変換層
一実施形態は、最低電荷キャリア有効質量材料の量子井戸超格子を用いる。変換効率を最大にするために、超格子は、低キャリア有効質量領域から高キャリア有効質量領域までの障壁の高さよりわずかに大きいエネルギーを有するキャリアをろ過するように調整される。
【００９９】
一実施形態は、表面全体にわたる抵抗損を最小にするために、密集したバスバーを活性面上に形成する。化学的に不活性なバスバーが、バスバー間のトンネリング用クラスタ触媒などの活物質により、互いに１００ｎｍ程離れて形成される。
【０１００】
一実施形態は、障壁提供材料に関しては、非常に薄い半導体を用いる。最小厚は通常は５ｎｍ程度である。他の厚さも考えられるが、好ましい半導体厚は２０〜１００ｎｍの範囲である。
【０１０１】
熱伝導率の管理
図１５を参照すると、一実施形態は、熱の移動を制御および制限して電荷キャリア運動エネルギーの移動を促進する素子を含めるために、より低い電荷キャリア有効質量領域１５００〜１５０１を調整する。これらの素子は、低熱伝導率材料、長いキャリア平均自由行程材料、熱ダイオード素子、量子閉じ込め素子、傾斜キャリア有効質量素子のうちの１つまたは複数を含む。その原理は、電荷キャリアが障壁領域の方へ弾道的に進むときに、複数の増加するキャリア有効質量領域を電荷キャリアに与えることである。図１５はこのような２つの領域１５００、１５０１を示す。
【０１０２】
図１５を参照すると、一実施形態は、より高い電荷キャリア有効質量を有するとともに約１ｅＶにおいて異常に長い電子平均自由行程を有することが知られた導体（Ｃ）１５０１と接触する約０．３ｍ＿ｅの電荷キャリア有効質量を有するシリコンなどのように実用的に低い電荷キャリア有効質量を有する半導体（Ｓ）１５００を用いる。このような導体１５０１の例としては、Ａｕ（約２０〜１００ｎｍ）、Ａｇ（約２０ｎｍ）、Ｃｕ（６０ｎｍ程の高い値と報告されている）、そしてＡｌ（約２０ｎｍ）が挙げられる。このとき、弾道電荷キャリア屈折効果は半導体１５００と導体１５０１間に存在する。このとき、半導体１５００は、そのより熱い電荷キャリアを狭い範囲の方向でもって導体Ｃ１５０１内に注入することができる。導体Ｃ１５０１は、電荷キャリア平均自由行程の約２倍未満の厚さを有するように選択される。導体Ｃ１５０１を貫通して進む電荷キャリアはほとんどすべて、半導体Ｓ障壁１５０２（例えば、導体Ｃ１５０１の電荷キャリア有効質量より大きい約２５ｍ＿ｅの電荷キャリア有効質量を有するＴｉＯ２）の方へ既に向けられている。
【０１０３】
１．１ｍ＿ｅ未満の電子有効質量を有する材料と比較的長い電子平均自由行程を有する材料は、半導体１５００または最低電荷キャリア有効質量材料１５００のいずれかに用いられてよい。これらの材料としては限定するものではないが、空気、アルミニウム、導電カーボンナノチューブ、導体、銅、縮退的にドープされた材料、気体材料、金、金属、モリブデン、ニッケル、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、銀、タンタル、真空が挙げられる。約０．０５より大きいＺＴ性能指数を有し、かつ熱電気アプリケーションに一般的に好ましい材料もまた、最低電荷キャリア有効質量材料１５００に用いることができる。これらの材料としては限定するものではないが、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡＩｘＧａ１−ｘＮ）、ビスマスセレニド（Ｂｉ２Ｓｅ３）、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、砒化ガリウムアルミニウム（ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓ））、砒化アンチモン化ガリウムアルミニウム（ＧａｘＡｌ１−ｘＳｂ１−ｙ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、砒化燐化ガリウム（ＧａＡｓｙＰ１−ｙ）、砒化ガリウム、アンチモン化ガリウムインジウム（ＧａｘＩｎｌ−ｘＳｂ）、燐化ガリウムインジウム（Ｇａｘｌｎ１−ｘＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、砒化インジウムアルミニウム（ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、砒化燐化インジウム（ＩｎＡｓｙＰｌ−ｙ）、砒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＡｓ）、砒化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａｌ−ｘＡｓ）、砒化アンチモン化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳＢ１−ｙ）、砒化燐化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａｌ−ｘＮ）、燐化インジウム、テルル化鉛、テルル化鉛錫（ＰｂｘＳｎ１−ｘＴｅ）、セレン化水銀カドミウム（ＨｇｘＣｄ１−ｘＳｅ）、テルル化水銀カドミウム（ＨｇｘＣｄｌ−ｘＴｅ）、シリコンゲルマニウム、シリコン、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）が挙げられる。ここで、添字ｘ、ｙ、ｚ、ｌ−ｘ、１−ｙは、３価または４価材料におけるそれぞれの原子種の相対量を表し、０〜１の範囲である。
【０１０４】
障壁提供層１５０２は、２を超えるキャリア有効質量を有するものとして知られた半導体を含む材料で作られてよい。これらの材料としては限定するものではないが、ルチルＴｉＯ２、アナターゼＴｉＯ２、多孔性アナターゼＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｓｒ＿ｘ−Ｂａ＿ｙ−ＴｉＯ＿ｚ、ＬｉＮｉＯ、ＬａＳｒＶＯ３、有機半導体ＰＴＣＤＡ（３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物）が挙げられる。少なくとも好適合なＺＴ性能指数を有し、そして熱電気アプリケーションに一般的に好ましい以下の材料と半導体もまた、その電荷キャリア有効質量が接合に選択された材料の２倍を超える場合は用いることができる。これら材料としては、限定するものではないが、アンチモン化アルミニウム、砒化アルミニウムガリウム、酸化アルミニウム、セレン化ビスマス、テルル化ビスマス、窒化ホウ素、砒化アンチモン化ガリウムアルミニウム、砒化燐化インジウムアルミニウム、窒化インジウムガリウムアルミニウム、砒化アンチモン化インジウムガリウム、砒化燐化インジウムガリウム、テルル化鉛ユーロピウム、テルル化鉛、空気、テルル化鉛錫、セレン化水銀カドミウム、テルル化水銀カドミウム、シリコンゲルマニウム、酸化シリコン、セレン化亜鉛、テルル化亜鉛が挙げられる。
【０１０５】
導体は、弾道輸送の時間尺度では、むしろ熱エネルギー輸送に逆らう絶縁体のようになり、これら熱電気および熱電子エネルギー変換器における電荷キャリアエネルギー輸送に対しては非常に良い一方向性導体となる。このナノスケール寸法内では、導体は、導体を横切る有用な温度勾配を維持することができる。ナノスケールサンドイッチ構造１５００−１５０１−１５０２の熱的分離により発電プロセスの効率を向上させる。
【０１０６】
より低い電荷キャリア有効質量材料１５００（０．０２ｍ＿ｅ程の低い値を有する）と最も高い電荷キャリア有効質量材料（ＴｉＯ２などのように２００ｍ＿ｅ程の高い値を有する）１５０２間に低電荷キャリア有効質量材料（導体１５０１）を追加することで、固体エネルギー変換器に使用可能な材料の範囲を拡大する。
【０１０７】
一実施形態は、物理的に絶縁され、かつ電子トンネリングにより電気的に接続された触媒塊５０５を含む。塊５０５は、電位障壁（誘電体）材料５０７の表面上の導体５０６の少なくとも一部、そしていくつかの構成ではその全部を置換する。
【０１０８】
別の実施形態は、化学的励起前平衡エネルギー変換器において、反応速度を増加するための導電性触媒クラスタ、シート、ナノワイヤ、ナノドット、ナノチューブ、量子ドット、層、そして構築物５０５の寸法に関するこのようなナノスケール的制約条件を採用する。
【０１０９】
電荷キャリア熱結合の調整
一実施形態によると、熱源またはより熱い電子源とより冷たい領域とに接触する材料間のエネルギー移動は、主に弾道電荷キャリア輸送によるように制御される。図１６−Ａ〜１６−Ｄを参照して、３つの材料または領域を用いた装置の断面を示す。一般的な重要な原則として、第１と第２の領域１６０１と１６０２は、熱を遮断するとともに最小のエネルギー損でもって励起弾道キャリアを伝達するように設計される。理想的な条件は、領域１６０１から領域１６０２そして領域１６０３までの、熱ではなく弾道電子（電荷キャリア）のみによるエネルギーの輸送である。一般的な重要な原則として、第３の領域１６０３は、活発な弾道電荷キャリアのみを電位障壁に逆らって越させるようにするとともに弾道キャリアの方向を屈折して弾道キャリアが電位中に直接輸送されるように設計される。第３の領域１６０３が導体領域１６０２の少なくとも２倍高いキャリア有効質量を有すると、屈折は増強され、そして前者のキャリア有効質量が後者のものより少なくとも２倍分だけ高いと、屈折は圧倒的に増強される。第１と第２の領域１６０１、１６０２は、好適なＺＴ熱電性能指数により一般的には特徴付けられる。第２の領域１６０２は、多数の弾道電子を伝達する傾向が増強されたことにより一般的には特徴付けられる。この特徴は、一般的には「比較的長い平均自由行程を有すること」を指す。
【０１１０】
第１の材料１６０１は、第２の材料１６０２より高いか、あるいはそれ以下の電荷キャリア有効質量を有してよい。さらに、第１の材料１６０１は、第２の材料１６０２から第１の材料１６０１内に逆方向に進むキャリアに電位障壁を与えてもよいし、与えなくてもよい。これらの２つの選択肢は、結果としてそれぞれが利点を有す４つのケースを生じる。その選択は、材料可用性、製造性、コスト、安定性、その他の要素に依存する。
【０１１１】
第１の材料内に最小の障壁を有するかあるいは障壁を有さず、かつ左側から右側へ増大する電荷キャリア有効質量障壁１６０１、１６０２、１６０３を有する第１のケース（図１６−Ａ）を含む一実施形態は、最大電荷キャリア有効質量１６０３を有する障壁材料内への活発な電子のエネルギーの最速かつ最短の経路移動を実現する。一般的な半導体のほとんど任意のものを第１の材料として用いることができる。これは、正確に１つにはこれら半導体の電荷キャリア有効質量はすべて低い（１ｍ＿ｅ未満）という理由で、事実上これら半導体のすべては商業的に価値があるからである。これは、すべての公知の好適なＺＴ材料を非常に効果的に用いることができることを意味する。最小の障壁は、バンドギャップエンジニアリングまたは縮退的ドーピングにより実現することができる。
【０１１２】
第１の材料１６０１内に最小の障壁を有するかあるいは障壁を有さない第２のケース（図１６−Ｂ）を含む一実施形態では、中間材料１６０２は最低電荷キャリア有効質量を有するので、中間材料１６０２は、材料１６０１、１６０３からの電荷キャリアの侵入を可能にするよりむしろ中間材料１６０２内の電荷キャリアが中間材料１６０２からより容易に抜け出すことを可能にする。例えば、材料１６０３の障壁を乗り越えるためには余りに低いエネルギーを有する電子は、反射されて中間材料１６０２内に戻されるだけでなく、再加熱と再処理のためにより暖かい材料１６０１へ速やかに輸送される。中間内側領域１６０２は、外側領域１６０１、１６０３に対し電子的に、したがって弾道輸送の場合には熱的に絶縁される。これは電子から格子へのエネルギー移動を最小にする傾向があり、ひいては熱伝導損を最小にする。折り返し（ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ）弾道屈折は２つの恒温浴槽（ｈｅａｔ  ｂａｔｈ）領域１６０１、１６０３を分離させる傾向がある。
【０１１３】
第１の材料１６０１内に障壁を有し、かつ増大する電荷キャリア有効質量を有する第３のケース（図１６−Ｃ）を含む一実施形態は、第１の材料１６０１の最も熱い電荷キャリアのみの最速輸送を実現する。
【０１１４】
第４のケース（図１６−Ｄ）を含む一実施形態は、より熱い材料１６０１内およびより冷たい材料１６０３内へ戻る電荷キャリア輸送に逆らう電気的障壁を設け、中間材料１６０２において最小電荷キャリア有効質量を有する。この構成は２つの恒温浴槽間でキャリアエネルギーをほぼ可逆的に伝達する（これは重要な特性である）。そしてこの構成は、弾道輸送のためそして好適に、格子フォノンまたは他のエネルギー移動による輸送より速く電荷キャリアエネルギーを輸送する。弾道輸送は中間領域１６０２においてのみ必要であり、周囲領域１６０１、１６０３においては必要ないことに留意されたい。電荷キャリアは負であっても正であってもよく、そして障壁は輸送を遅らせるように設計される。これら領域の材料例は、例えば中間領域に対してはＴｉＯ２、外側領域（バンドギャップアライメントにより障壁を設ける）に対してはシリコンあってよい。中間領域１６０２の材料は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、高いＺＴを有する材料などの長い平均自由行程を有する金属を少なくとも含む群から選択されてよい。
【０１１５】
一実施形態は、導体の両側で同じ障壁領域用材料を用いる。
【０１１６】
熱励起型弾道屈折エネルギー変換器を冷凍機として用いる一実施形態は、１つまたは複数の積層された変換器を利用し、そして端子の両端に、発電機として使用される同じ装置から得られる負電位ではなく、正電位を印加する。ヒートシンクはこのとき熱源より熱いかもしれないが、ホットエレクトロンは冷却領域から効率的に取り除かれるので冷却が起こる。弾道屈折を利用すると、このような冷却方法および装置の効率を、キャリアが低電荷キャリア有効質量材料と高電荷キャリア有効質量材料との界面の電位中に集中的に導かれない装置の効率を超えて向上させることができる。
【０１１７】
実施形態は、集積回路を冷却するために直接集積回路上に１つまたは複数の冷却用弾道屈折エネルギー変換器を形成する。同様な実施形態は、冷却用弾道屈折エネルギー変換器を例えば化学反応表面上に直接形成して反応経路と反応を制御する。
【０１１８】
燃料、酸化剤、自触媒、刺激剤
実施形態は、酸化剤、自触媒反応加速剤、減速材、そして単元推進薬を含む貯蔵可能な反応物を用いる。標準圧力および標準温度における液体過酸化水素Ｈ２Ｏ２などの液相は、その気化熱が冷却材として用いられ、そして液体が好都合に貯蔵可能であるので、便利である。Ｈ２Ｏ２、モノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）などの単元推進薬は同様に便利であり、変換器の活性面を励起する。自己触媒加速剤はＨ２Ｏ２などの単元推進薬を含む。
【０１１９】
一実施形態は、反応速度を増加し、かつ熱い対象物を変換器の熱い領域へ集中させるために、弾道屈折変換器アセンブリの活性面の近傍で断熱触媒を用いる。
【０１２０】
図１７には、極めて反応性に富む触媒１７０１が変換器の活性面１７０３の近傍の断熱柱状構造体１７０２上に配置された実施形態を示す。触媒の近傍で生成された気相反応生成物は変換器を励起する。生成物は、少なくとも高振動励起分子、反応性分子、熱ガスのうちの１つまたは複数を含んでよい。
【０１２１】
実施形態は、極めて活発な種の励起を最大にするように選択された活発な反応物を用いる。この反応物は、高振動励起分子（ｈｉｇｈｌｙ  ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌｌｙ  ｅｘｃｉｔｅｄ  ｍｏｌｅｃｕｌｅ：ＨＶＥＭ）、放射性原子、前駆体仲介解離吸着中に形成されるペルオキソおよびスーパーオキソ種などの帯電吸着質中間物質、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−ＨｉｎｓｈｅｌｗｏｏｄとＥｌｅｙ−Ｒｉｄｅａｌタイプの両方の会合反応に関与する吸着質、そして基、遊離基、触媒性または自触媒性と考えられる種などの反応中間体のうちの１つまたは複数を含む。
【０１２２】
実施形態は、導体の真上またはその近傍で生じる励起手段を設ける。用語「近傍」は、本明細書では特定の活発な励起の数平均自由行程未満の距離を指す。実施形態は、弾道屈折エネルギー変換器の低電荷キャリア有効質量材料を励起するためにこれらの励起手段を用いる。
【０１２３】
この種の反応物を用いる化学反応は、金属、導体、触媒、半導体、セラミック上またはその中で１０，０００Ｋを超える反応実効温度と実効キャリア温度を有する前平衡励起を生じる。ここで、キャリアは、半導体と絶縁体の伝導帯及び／又は価電子帯の励起子とキャリアを含む。
【０１２４】
一実施形態は、これらの励起手段を励起するために反応と反応物を用いる。反応、反応物、添加剤は、少なくとも単元推進薬、酸化剤を含む高エネルギー燃料、自然発火性混合物、添加剤、自触媒種を生成するのに知られた反応物の組み合わせ、反応を加速または制御するように選択された反応物、そしてそれらの組み合わせを含む。反応物及び／又は添加剤は限定するものではないが以下の反応物を含む。
【０１２５】
表Ｉ
アンモニアより貯蔵性の高い活発な燃料
アミン置換アンモニア
ジメチルアミン（ＣＨ３）２ＮＨ
トリメチルアミン（ＣＨ３）３Ｎ
モノエチルアミン（Ｃ２Ｈ５）ＮＨ２
ジエチルアミン（Ｃ２Ｈ５）２ＮＨ
容易に貯蔵可能な他の種
メタノール、ＣＨ３ＯＨ
エタノール、ＥｔＯＨＣＨ３ＣＨ２ＯＨ
ギ酸、ＨＣＯＯＨ
ディーゼル燃料
ガソリン
アルコール類
固体燃料を含むスラリー
亜酸化炭素、Ｃ３Ｏ２、ＣＯ＝Ｃ＝ＣＯ、
ホルムアルデヒドＨＣＨＯ、
パラホルムアルデヒド、＝より良い（ＨＣＨＯ）ｎ、ホルムアルデヒド気体へ昇華可能（可能性として同時にセル冷却材）
貯蔵可能性が低い燃料
一酸化炭素
水素
アンモニアＮＨ３
窒素を含む活発な燃料
ニトロメタン、ＣＨ３ＮＯ２
メタノールで稀釈したニトロメタン＝模型飛行機「グロープラグ」機関燃料
広い燃料／空気比を有する高エネルギー燃料
エポキシエタン、＝オキシランまたはエチレンオキシドＣＨ２−ＣＨ２Ｏ
１，３−エポキシ−プロパン＝オキセタン、トリメチレンオキシド＝１，３−メチレンオキシドＣＨ２−（ＣＨ２）−ＣＨ２Ｏ
エポキシプロパンＣＨ２（ＣＨ２）−ＣＨ２Ｏ
アセチレン、Ｃ２Ｈ２
ジアセチレン＝１，３−ブタジイン
１，３−ブタジエンＣＨ２＝ＣＨ−ＣＨ＝ＣＨ２、
古典的な高エネルギー燃料
ジエチルエーテルまたは外科用エーテル
アセトン＝ジメチルケトン
古典的な揮発性の燃料
シクロプロパン
シクロブタン
メタン、プロパン、ブタン、ペンタン等の炭化水素
他の貯蔵可能な燃料
蟻酸メチルＨＣＯＯ−Ｃ２Ｈ５
ホルムアミドＨＣＯ−ＮＨ２
Ｎ，Ｎ，−ジメチルホルムアミドＨＣＯ−Ｎ−（ＣＨ３）２
エチレンジアミンＨ２Ｎ−ＣＨ２−ＣＨ２−ＮＨ２
エチレングリコール
１，４−ジオキサン＝エチレングリコールの２分子環状エーテル
アセトアルデヒドのパラアルデヒド（ＣＨ３ＣＨＯ）３サイクリック三量体
強力な酸化剤
テトラニトロメタン、Ｃ（ＮＯ２）４  自然に分解しない。気相内でセルの反応面全体にわたり２つの別個の蒸気を単に通過させる。
過酸化水素Ｈ２Ｏ２
低開始エネルギー混合物
酸素を含むシクロプロパン＝外科用麻酔薬、マイクロジュール・イニシエータ
自然発火性剤
ＵＤＭＨ＝非対称ジメチルヒドラジン＝１，１−ジメチルヒドラジン（ＣＨ３）２ＮＮＨ２
ＵＤＭＨは自然発火性（通常はＮ２Ｏ４を伴う）であり、非常に強力な発癌物質である。
ＭＭＨモノメチルヒドラジン（ＣＨ３）ＨＮＮＨ２
任意の酸化剤（例えばＮ２Ｏ４）を含む自然発火性物質
侵食性の有毒な活発な単元推進薬
ヒドラジン＝Ｈ２ＮＮＨ２触媒により容易に分解される（通常はＰｔまたはＰｄまたは酸化モリブデン）。
ヒドラジン水和物
【０１２６】
弾道電荷キャリア屈折のための方法とシステムが開示された。本方法とシステムは具体的な例とサブシステムに関して説明されたが、本方法とシステムはこれらの特別な例またはサブシステムに限定されず、他の実施形態へも拡張されることは当業者に明らかであろう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１７】
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【図１８】
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