(57)【要約】原子寸法に匹敵する寸法の間隔だけ互いに隔てられたエミッタとコレクタとを有し、トンネリング効果が、そのエミッタとコレクタとを隔てるギャップを横切りエミッタからコレクタへの電荷移動に重要な役割を果たす、熱エネルギーから電気へのトンネリング効果エネルギー変換器である。エミッタとコレクタの構造のうちの少なくとも１つが、可撓性構造を備えている。トンネリング効果エネルギー変換器は、熱エネルギーを電気エネルギー変換するデバイスと、電力をデバイスに加えたとき、冷却を行うデバイスとを備えている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子的に滑らかなコレクタ表面を有する電荷コレクタと、
原子的に滑らかなエミッタ表面を有し、該エミッタ表面が、前記コレクタ表面から約５ｎｍに等しいか又はそれより狭い間隔だけ隔てられるようなギャップによって前記コレクタ表面から隔てられている電荷エミッタと、
前記電荷コレクタと前記電荷エミッタの間にあって、前記コレクタ表面及び前記エミッタ表面に接触した誘電材料からなるスペーサと
を備えていることを特徴とするトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項２】
前記エミッタ表面は、前記コレクタ表面から約３ｎｍに等しいか又はそれより狭い間隔だけ隔てられていることを特徴とする請求項１に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項３】
前記電荷エミッタと前記電荷コレクタのうちの少なくとも１つは、可撓性電極であることを特徴とする請求項１に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項４】
前記可撓性電極は、薄い可撓性層を備えていることを特徴とする請求項３に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項５】
前記ギャップは、不活性ガスを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項６】
前記ギャップは、希薄媒体を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項７】
前記可撓性層は、厚さが約２０μｍに等しいか又はそれより薄いことを特徴とする請求項４に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項８】
前記可撓性層は、導電性被覆を施した、誘電材料、半導体材料又はその組合せのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項４に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項９】
前記導電性被覆は、厚さが少なくとも２０ｎｍであることを特徴とする請求項８に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項１０】
前記導電性被覆は、金属を含んでいることを特徴とする請求項８に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項１１】
前記可撓性層は、ニッケルで被覆したシリコンを含んでいることを特徴とする請求項４に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項１２】
前記可撓性電極は、網を備えていることを特徴とする請求項３に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項１３】
前記網は、ナノワイヤ網を備えていることを特徴とする請求項１２に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項１４】
前記ナノワイヤ網は、ワイヤ直径が約１ｎｍから約５０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１３に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項１５】
前記ナノワイヤ網は、カーボン、金属、金属被覆誘電体、半導体又はその組合せのうちの少なくとも１つである網材料からなることを特徴とする請求項１３に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項１６】
前記電荷エミッタは、導電体で被覆したシリコンを含んでいることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項１７】
前記導電体は、Ｍｏを含んでいることを特徴とする請求項１６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項１８】
前記シリコンは、厚さが約１０μｍに等しいか又はそれより薄いシリコン層であり、前記Ｍｏは、厚さが約１０００Åに等しいか又はそれより薄い被覆であることを特徴とする請求項１７に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項１９】
前記エミッタ表面は、低電子仕事関数材料によって被覆されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項２０】
前記低電子仕事関数材料は、アルカリ金属、アルカリ土類金属又はその組合せのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１９に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項２１】
前記エミッタ表面は、少なくとも２つの被覆を含み、
第１の被覆は、少なくとも約３．５ｅＶの電子仕事関数を有する材料からなり、
前記第１の被覆は、約３．５ｅＶを超えない電子仕事関数を有する材料からなる第２の被覆で覆われていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項２２】
前記第１の被覆は、酸化白金、酸化銀、酸化タンタル、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｎｉ、Ｗ及びその組合せのうちの少なくとも１つからなり、前記第２の被覆は、アルカリ金属、アルカリ土類金属又はその組合せのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項２１に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項２３】
前記電荷コレクタは、Ａｌを含んでいることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項２４】
前記電荷コレクタは、金属化半導体を含んでいることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項２５】
前記コレクタ表面及び前記エミッタ表面は、約２０Å  ＲＭＳを超えない表面粗さで仕上げられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項２６】
前記コレクタ表面及び前記エミッタ表面は、約１０Å  ＲＭＳを超えない表面粗さで仕上げられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項２７】
前記コレクタ表面は、高ＩＲ反射率材料からなる表面を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項２８】
前記高反射率材料は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ又はその組合せのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項２７に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項２９】
前記エミッタ表面は、高ＩＲ放射率材料からなる表面を備えていることを特徴とする請求項１に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項３０】
前記高ＩＲ放射率材料は、金属カーボン、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ又はその組合せのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項２９に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項３１】
前記網は、ワイヤ直径が約０．５ｍｍに等しいか又はそれより小さいことを特徴とする請求項１２に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項３２】
前記低電子仕事関数材料は、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｒｂ、Ｎａ、Ｃａ、Ｌｉ又はその組合せのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１９に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項３３】
前記第１の被覆は、酸化白金、酸化銀、酸化タンタル、酸化バナジウム、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｎｉ、Ｗ及びその組合せのうちの少なくとも１つからなり、前記第２の被覆は、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｒｂ、Ｎａ、Ｃａ、Ｌｉ又はその組合せのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項２２に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項３４】
コレクタ表面を有する電荷コレクタと、
エミッタ表面を有し、前記コレクタ表面は、電子が前記エミッタ表面と前記コレクタ表面の間でトンネリングする確率が少なくとも０．１％であるような間隔だけ前記エミッタ表面から隔てられている電荷エミッタと、
前記電荷コレクタと前記電荷エミッタの間にあって、前記コレクタ表面及び前記エミッタ表面に接触した誘電材料からなるスペーサと
を備えていることを特徴とするトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項３５】
前記エミッタ表面は、前記コレクタ表面から約５ｎｍに等しいか又はそれより狭い間隔だけ隔てられていることを特徴とする請求項３４に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項３６】
前記エミッタと前記コレクタのうちの少なくとも１つは、可撓性電極であることを特徴とする請求項３４に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項３７】
前記コレクタ表面及び前記エミッタ表面は、約２０Å  ＲＭＳを超えない表面粗さで仕上げられていることを特徴とする請求項３４，３５又は３６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項３８】
前記コレクタ表面は、高ＩＲ反射率材料からなる表面を備えていることを特徴とする請求項３４，３５又は３６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項３９】
前記エミッタ表面は、高ＩＲ放射率材料からなる表面を備えていることを特徴とする請求項３４，３５又は３６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項４０】
前記可撓性電極は、網を備えていることを特徴とする請求項３６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項４１】
前記エミッタ表面は、低電子仕事関数材料によって被覆されていることを特徴とする請求項３４，３５又は３６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項４２】
コレクタ表面を有する電荷コレクタと、
エミッタ表面を有し、前記電荷コレクタと電荷エミッタのうちの少なくとも１つは導電性可撓性層を備えている電荷エミッタと、
前記電荷コレクタと前記電荷エミッタの間にあり、前記コレクタ表面及び前記エミッタ表面に接触した誘電材料からなるスペーサとを備え、
前記エミッタ表面は、前記コレクタ表面から５ｎｍに等しいか又はそれより狭い間隔だけ隔てられていることを特徴とするトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項４３】
前記コレクタ表面及び前記エミッタ表面は、原子的に滑らかであり、
前記導電性可撓性層は、導電性網と導電状態にあることを特徴とする請求項４２に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項４４】
前記コレクタ表面及び前記エミッタ表面は、約２０Å  ＲＭＳを超えない表面粗さで仕上げられており、前記導電性可撓性層は、厚さが約２０μｍを超えていないことを特徴とする請求項４３に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項４５】
原子的に滑らかであるコレクタ表面を有する電荷コレクタと、
原子的に滑らかであるエミッタ表面を有し、前記電荷コレクタと電荷エミッタのうちの少なくとも１つは可撓性電極である電荷エミッタと、
前記電荷コレクタと前記電荷エミッタの間にあり、前記コレクタ表面及び前記エミッタ表面に接触した誘電材料からなるスペーサと、
前記可撓性電極に荷重を加える荷重付加手段と
を備えていることを特徴とするトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項４６】
前記エミッタ表面は、前記コレクタ表面から５ｎｍに等しいか又はそれより狭い間隔だけ隔てられていることを特徴とする請求項４５に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項４７】
前記荷重付加手段は、圧縮力を加える外部付加器を備えていることを特徴とする請求項４５又は４６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項４８】
前記荷重付加手段は、ホルダを備えていることを特徴とする請求項４５又は４６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項４９】
前記荷重付加手段は、接着材料を備えていることを特徴とする請求項４５又は４６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項５０】
前記荷重付加手段は、少なくとも１つのクランプを備えていることを特徴とする請求項４５又は４６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項５１】
前記荷重付加手段は、連結デバイスを備えていることを特徴とする請求項４５又は４６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項５２】
前記荷重付加手段は、シール剤を備えていることを特徴とする請求項４５又は４６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項５３】
前記荷重付加手段は、密封剤を備えていることを特徴とする請求項４５又は４６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項５４】
前記荷重付加手段は、網を備えていることを特徴とする請求項４４又は４６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【請求項５５】
前記荷重付加手段は、可撓性網を備えていることを特徴とする請求項４５又は４６に記載のトンネリング効果エネルギー変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に熱エネルギーから電気エネルギーへの変換するトンネリング効果エネルギー変換器に関し、より詳細には、温度勾配に曝されたとき、変換器プレート間のトンネリングがかなり大きくなるような設計及び動作条件に基づき、電気エネルギーを発生するデバイスに関する。特に、本発明は、熱力学的に可逆的であり、冷却用に使用することができるデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーは、直接電気エネルギーに変換することができる。熱電子エネルギー変換器は、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換するデバイスである。そのようなデバイスの１つのタイプは、熱電子エネルギー変換器であり、この熱電子エネルギー変換器は、熱が、熱電子放出によって直接電気エネルギーに変換される。このプロセスでは、金属を加熱し、金属表面における抑制力に打ち勝って飛び出すのに十分なエネルギーを一部の電子に伝えることによって、電子が、金属表面から熱電子的に放出される。電気エネルギーを発生する大部分の従来の方法とは違い、熱電子エネルギー変換には、熱を電気に変換するために、電荷以外、エネルギーの中間形態（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  ｆｏｒｍ  ｏｆ  ｅｎｅｒｇｙ）又は動作用液体（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｆｌｕｉｄ）のどちらも不要である。
【０００３】
その最も基本的な形態では、動作させるためにセットアップされた従来の熱電子エネルギー変換器は、加熱源に接続された第１の電極と、ヒートシンクに接続され第１の電極から介在するスペースによって隔てられた第２の電極と、これらの電極を電気負荷に接続するためのリードと、筐体とから構成されている。筐体内のスペースは、高真空にされるか又はセシウムなど適切な希薄蒸気によって充填されるかのどちらかである。電子が一方の電極から飛び出して他方の電極に移動できるのに十分な熱エネルギーを電子に供給する。これは、十分な熱エネルギーを電子に供給することによって、電子が、打ち勝たなければならない電位バリアエネルギーのエネルギーを少なくとも有することになり、それによって放出電極から収集電極（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）に移動するようなデバイスにおいて達成される。
【０００４】
加熱源によって、十分な高温で、熱電子エネルギー変換器中の第１の電極とエミッタに熱を供給すると、電子が、その電極から真空にされた又は希薄蒸気で充填された電極間スペース中に熱電子的に飛ばされる。電子は、このスペースを通り他方の電極とコレクタに向けて移動する。そのコレクタは、ヒートシンクの温度に近い低い温度に保たれる。その場所で、電子は、凝縮し、回路を閉じたとき、外部の電気リード及び、例えば、エミッタとコレクタの間に接続された電気負荷を介して高温側電極に戻る。
【０００５】
図１は、従来の熱電子エネルギー変換器の一実施形態を説明するための概略図である。この従来の熱電子エネルギー変換器１００は、通常、エミッタ１１０又は低電子仕事関数カソード（ｌｏｗ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｗｏｒｋ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ−ｃａｔｈｏｄｅ）と、コレクタ１１２又は比較的より冷たい高電子仕事関数アノード（ｈｉｇｈ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｗｏｒｋ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ−ａｎｏｄｅ）と、筐体１１４と、適切な導電体１１６と、外部負荷１１８とを備えている。エミッタ１１０は、熱流（ｈｅａｔ  ｆｌｏｗ）１２０に曝されてこのカソードに電子１２２を放出させ、それによって電子回路を閉じて外部負荷１１８に電界強度をもたらす。上述したように、従来の熱電子エネルギー変換器１００中の電極間スペース１３０は、真空媒体又は希薄蒸気充填媒体である。この熱電子エネルギー変換器１００中の電極間スペース１３０は、通常、典型的な原子寸法より少なくとも何千倍ものオーダーの寸法で大きい。例えば、この熱電子エネルギー変換器１００中の電極間スペース１３０は、約１／１０μｍから１０００μｍ又はそれより大きいオーダーにすることができ、その場合、電極間の間隔は、１０３Åから１０７Åのオーダーになる。
【０００６】
電気負荷を通る電流は、電極間の温度差によって維持される。したがって、電気的仕事が負荷に伝達される。
【０００７】
熱電子エネルギー変換器１００は、熱源と接触した低電子仕事関数カソードが、電子を放出するという概念に基づいている。この電子は、冷たい高仕事関数アノードが吸収し、電子は、外部負荷１１８を通ってカソードに戻り、その外部負荷１１８で有益な仕事をすることができる。実用的な熱電子エネルギー変換器は、カソードとして使用される利用可能な金属又は他の材料の仕事関数によって限定される。他の重要な限界は、空間電荷効果である。電子がカソードとアノードの間のスペース中に存在することによって、付加的な電位バリアが生成され、それによって熱電子電流（ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ  ｃｕｒｒｅｎｔ）が減少する。最大電流密度が、この限界によって有害な影響を受け、したがって、この限界が、大規模な熱電子エネルギー変換器を開発する際の主な問題を呈している。
【０００８】
従来の熱電子エネルギー変換器１００は、通常、真空変換器（ｖａｃｕｕｍ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）又はガス充填変換器（ｇａｓ−ｆｉｌｌｅｄ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）に分類される。上述したように、これらの熱電子エネルギー変換器１００には、原子寸法より少なくとも何桁か大きい電極間スペース１３０がある。真空変換器は、真空媒体が電極間にある。これらの変換器は、実用的な用途が限定されている。
【０００９】
真空変換器について、空間電荷効果を低減する試みには、電極間の間隔をμｍのオーダーに狭くすることが含まれていた。ガス充填変換器について、同効果を低減する試みの結果、エミッタ前面で電子雲中に正イオンを導入することになった。それでもなお、これらの従来のデバイスには、最大電流密度及び温度レジームが限定されるなどに関連するような欠点がまだ提示されている。高い効率及び高いパワー密度を有してより低い温度レジームで熱エネルギーを電気エネルギーに変換するためのより満足できる、原子寸法より少なくとも何桁か大きい寸法の電極間間隔をなお保つソリッドステートデバイスを使用した解決策が、模索されてきた。
【００１０】
【非特許文献１】T, J. Coutts, Electrical conduction in thin metal films, Elsevier, NY, 1974
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、原子寸法と匹敵する範囲の寸法の電極間間隔を有した熱電子エネルギー変換器は、まだ実現されていない。本発明の環境で、電極間間隔が何十Åの範囲にある、非常に狭くなった電極間間隔の実施形態によって、この熱電子エネルギー変換器が提供される。このような電極間間隔の短縮は、通常、数μｍ又は数十μｍより小さくない範囲の電極間間隔を有する他の熱電子エネルギー変換器中の電極間間隔に対して、何桁かの範囲での短縮である。
【００１２】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、原子寸法に匹敵する寸法の電極間間隔を有するようなトンネリング効果エネルギー変換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の環境で達成された電極間間隔のこの間隔の短縮は、設計パラメータ選択の単なる変更でなく、また、寸法パラメータのありきたりの最適化によるものでない。本発明の実施形態によって提供されるレベルにおける微細化には、従来のデバイスの環境では存在しない、又はそれとは異なる側面及び複雑さを有して提示される設計、製造及びモデル化の問題について、解決策が必要である。例えば、表面の不揃いなど微視的な電極表面特性は、そのような狭い電極間間隔では関連することになるが、そのような特性は、もっと非常に広い電極間間隔を有した従来のデバイスでは、わずかに関連するか、又はまったく関連さえしない。他の例では、トンネリングなどの物理現象は、従来のデバイスでは関連しないが、電極間間隔が、原子寸法スケールの範囲の寸法の間隔まで狭くなったとき、大いに関連することになる。したがって、例示的な例によって上述したような本発明の実施形態の特別の複雑な特性によって、本発明の実施形態が、もっと非常に広い電極間間隔を有した従来のデバイスから区別される。上述した例によって示し、本明細書の残り及び図面で説明するように、これらの区別する特徴は、単に量又は程度の形で存在するものでなく、デバイス自体の、ならびにその設計、製造及び動作原理の本質又は性質の形で存在する。
【００１４】
トンネリング効果を利用した熱電子エネルギー変換器は、本発明の環境において開発される。従来の熱電子エネルギー変換器は、本発明の実施形態で使用されるような動作条件に従った場合、実効電流を生成するために、１０００Ｋを越える温度で動作しなければならないはずである。本発明の実施形態で関連することになる効果によって、従来の熱電子エネルギー変換器で使用しようとする場合、禁止されることになるような温度、電位エネルギーバリアを用いて、実効電流の生成が可能になる。
【００１５】
本発明による実施形態の設計には、少なくとも１つの可撓性電極構造の使用が含まれ、それによって電極間間隔は、トンネリング電流が、電流の有効成分になるようにするものである。そのような可撓性電極テクノロジが、電極構造の湾曲した影響によって起こる電気的短絡を防止するように、本発明の環境でスペーサ形成と組み合わせて実現される。
【００１６】
本発明の実施形態では、原子寸法の範囲の間隔で原子的な滑らかな表面を有して、互いに対面する電極表面を設ける。電極構造は、エミッタ表面を有する電荷エミッタ（ｃｈａｒｇｅ  ｅｍｉｔｔｅｒ；以下、単にエミッタという）と、コレクタ表面を有する電荷コレクタ（ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ；以下、単にコレクタという）とを備えている。これらの実施形態では、その表面を互いに対面させ、エミッタとコレクタの間の電子トンネリングの確率が少なくとも０．１％であるような間隔だけ、その表面を隔てている。また、本発明によるいくつかの実施形態では、電極間間隔は、約５ｎｍより狭い。
【００１７】
上述した本発明について、添付する図面に例示したその特定の実施形態を参照してより詳しく説明する。これらの図面は、本発明の実施形態のみを表し、したがって、本発明の技術的範囲を限定すると見なすべきものでなく、本発明は、添付した図面を使用し、特異性を付加して詳細に述べ、説明するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、トンネリング効果を利用した熱電子エネルギー変換器を対象とする。この熱電子エネルギー変換器は、トンネリングが、電荷キャリアの移動において重要なファクタになるようなメカニズムに従うエネルギー変換によって、熱エネルギーから電気エネルギーを生成する。さらに、本発明によるトンネリング効果エネルギー変換器（以下、単に変換器という）は、熱力学的に可逆的であり、冷却用に使用することができる。用語「変換器」及び関連用語は、本明細書では、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイス、及び電力が加えられたとき、デバイスが冷却作用を行う可逆的モードで動作できるデバイスを示す。また、本発明による変換器は、トンネリング効果に基づき、その効果を使用するように設計し製造する。さらに、本発明による変換器に、原子寸法スケールに匹敵する範囲の寸法の電極間間隔を有する変換器を実際に構築するような設計及び製造戦略が組み込まれる。
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。  
図２は、本発明によるトンネリング効果エネルギー変換器の一実施形態を説明するための概略図である。図２に示す変換器８は、２つの電極であるコレクタ１及びエミッタ４を備えている。エミッタ温度は、Ｔ１として示され、コレクタ温度は、Ｔ０として示される。熱から電気エネルギーへの変換モードで電流を発生するために、これらの温度は、Ｔ１＞Ｔ０の関係を満足する、つまり、エミッタ４がコレクタ１より熱い。なお、符号２はスペーサ、３はモリブデン被覆、５はナノワイヤ網、６は金属コンタクト、７はシリコン層、９は電極間領域を示している。
【００２０】
いくつかの実施形態では、コレクタ１は、アルミニウム層を備えている。その材料の１つの供給源は、ＩＢＭが提供するアルミニウム基板など光ディスク用のアルミニウム基板である。本発明による変換器８の製造において使用されるアルミニウム層は、表面が、約３Å  ＲＭＳ（１ｎｍ＝１０Å）で研磨されている。
【００２１】
本発明による他の変換器の実施形態では、コレクタ１は、シリコンなど少なくとも１つの半導体基板を備えている。半導体基板は、金属化して再研磨される。
【００２２】
エミッタ４は、導電材料からなっている。いくつかの実施形態では、エミッタ４は、図２に示すように、モリブデン被覆３など導電体で被覆を施したシリコン層７を備えている。エミッタ４は、シリコンウェハによって製造され、そのウェハは、厚さが約１０μｍ（μｍは、マイクロメータであり、ミクロンとしても知られている）で、厚さが約１０００Åのモリブデン被覆で被覆を施してあった。シリコンウェハ材料は、Ｖｉｒｇｉｎｉａ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓから入手した。エミッタ４は、約１０Å  ＲＭＳの表面研磨仕上げによって仕上げられた。本発明による変換器８では、互いに対面するエミッタ４及びコレクタ１の表面は、粗さが約２０Å  ＲＭＳを越えないように表面研磨仕上げによって仕上げられることが好ましく、１０Å  ＲＭＳを越えない粗さがより好ましい。
【００２３】
本発明のいくつかの実施形態では、少なくとも、互いに対面するエミッタ４及びコレクタ１の側面は、赤外線（ＩＲ）放射率、及び／又はコレクタ表面が赤外線の放射線を反射するような反射率の表面特性を有する。Ａｌによって製造されるコレクタを含む実施形態は、そのような、剥き出しにされたＡｌ表面のＩＲ反射率に基づくコレクタ反射率特性を有して提供される。好ましい電極の表面特性は、エミッタ表面のＩＲ放射率が、コレクタ表面のそれより大きくなるようなものである。
【００２４】
高ＩＲ放射率は、金属カーバイド、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びその組合せのうちの少なくとも１つなど高ＩＲ放射率の表面材料を用いて達成することができる。用語「組合せ」は、本明細書で適用可能なところすべてにおいて、混合物及び／又は合金を含んでいる。高ＩＲ反射率は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ及びその組合せのうちの少なくとも１つなど高ＩＲ反射率の表面材料を用いて達成される。本発明の実施形態では、高ＩＲ放射率の表面のエミッタ４及び／又は高ＩＲ反射率の表面のコレクタ１によって放射損失が容易に減少する。
【００２５】
本発明による変換器８では、互いに対面するエミッタ４及びコレクタ１の側面は、表面に不揃いを有し、その不揃いの程度を管理することが好ましい。また、本発明による変換器８では、この表面の不揃いを管理することによって、電極間隔に対するトンネリングの感受性や狭い電極間間隔などのファクタに対処する。互いに対面するエミッタ４及びコレクタ１の側面は、それぞれ用語、エミッタ表面及びコレクタ表面という。表面に不揃いを有した表面特性を有するエミッタ表面及びコレクタ表面は、「原子的に滑らかな（ａｔｏｍｉｃａｌｌｙ  ｓｍｏｏｔｈ）」状態にあると簡潔に表現する。
【００２６】
不揃いが原子寸法スケールよりかなり大きいことによって起こる表面の不揃いが大きく変動することによって、電極表面を横切るトンネリングに大きな変動が生じることになるはずである。
【００２７】
図３は、エミッタ−コレクタの表面間隔に対するトンネリングの高感受性を示す図である。本発明による変換メカニズムが重要な役目を果たす変換器は、トンネリングが無効である領域によって、より非効率的になるはずである。
【００２８】
図３に示すように、トンネリングは、トンネリングする粒子がエミッタ表面からレセプタ表面に移動しなければならない距離に非常に敏感である。図３は、１次元シュレーディンガー方程式のＷＫＢ法の解によって、０ｅＶ≦Ｖ≦０．５ｅＶに対する電子電位エネルギーＶ、及び０Å≦χ≦２００Åに対するバリア幅χの関数として、電子トンネリング確率、Ｄ（χ）のグラフを示す図である。図３に示すように、０．２に近いトンネリング確率は、電位エネルギーが約０ｅＶに近づいたとき、間隔が約１００Åであるところで達成することができる。しかし、トンネリング確率は、電位エネルギーが約０．４ｅＶを超えたとき、間隔が約５０Åに等しい又はそれより大きいところでは、ほとんど存在しない。従来の変換器は、通常、電極間間隔又はバリア幅が約１０６Åから約１０７Åの範囲であり、バリア電位エネルギーが約１．５ｅＶから約２．０ｅＶ（電子仕事関数）の範囲であるところで動作する。この従来のレジーム（ｒｅｇｉｍｅ）では、トンネリングは、図３に示すように実質的にゼロである。
【００２９】
図３から推測できるように、そのような重要な伝播係数は、イメージ力（ｉｍａｇｅ  ｆｏｒｃｅ）によってバリアが減少していない場合、達成することが可能でないはずである。この効果は、冷却レジームで動作する本発明の実施形態において、より一層重要になる。というのは、その動作モードでの効率は、利用できる熱エネルギーとバリア高さの比に依存し、したがって、バリア高さの縮小が冷却効率の増加をもたらすことになるからである。
【００３０】
本発明による変換器の実施形態では、原子寸法スケールの範囲の電極間間隔は、互いに対面する電極の側面の表面不揃いが、せいぜいその電極間間隔に匹敵する、又はそれより小さい場合、実質的に達成することができる。表面不揃いが、電極間間隔を特徴付ける原子寸法スケールより著しく大きい場合、そのような範囲の電極間間隔の概念は、姿を消すはずである。本発明による変換器の実施形態では、電極間間隔が約５０Åを超えないように製造される。本発明によるいくつかの実施形態では、電極間間隔が、約３０Åより大きくない。これは、エミッタ表面とコレクタ表面の間の間隔である。また、本発明による変換器のいくつかの実施形態では、電極間間隔が、約１０Åであり、エミッタの仕事関数が約４．２ｅＶになるようなエミッタが含まれている。他の実施形態では、電極間間隔が、約２５Åであり、エミッタの仕事関数が約１．５ｅＶになるようなエミッタが含まれている。エミッタ材料の仕事関数がより低くなることによって、トンネリングがなお重要である電極間間隔がより広い範囲になるような変換器の設計が可能になる。
【００３１】
図３に示すように、数エレクトロンボルト（ｅＶ）のオーダーの金属真空インターフェースバリア（仕事関数）を通るトンネリングの伝播係数は、間隔が数Åの場合を除き、小さい。例えば、約２００℃においてかなりの数の電子が利用できる熱エネルギーは、ほぼ４ｋＢＴから５ｋＢＴであり、これは、ほぼ０．１６ｅＶから０．２０ｅＶである。この熱エネルギーは、大部分の金属についての電子仕事関数が約３ｅＶから約５ｅＶの範囲である金属真空インターフェースによって生成される電位エネルギーバリアより、かなり小さい。
【００３２】
より高い仕事関数を有したエミッタ材料を備えた本発明による変換器は、少なくともコレクタに対面する側面上に被覆を施すことが好ましい。その被覆は、少なくとも１つの低電子仕事関数材料を備えている。例えば、大部分の材料は、金属真空インターフェースバリアが、約３ｅＶから約５ｅＶの範囲である。Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｒｅなどの材料、及びＷ、Ｎｉなどの結晶配向性金属は、電子仕事関数が、５ｅＶを超えることがあり得る。Ｐｔ、Ａｇ、Ｔａ、Ｖ及びＮｂの酸化物などの酸化物は、仕事関数が、６ｅＶを超えることがあり得る。エミッタ材料の仕事関数を低下させるために、アルカリ、アルカリ土類材料及びその組合せ、例えば、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｒｂ、Ｎａ、Ｃａ、Ｌｉ及びその組合せのうちの少なくとも１つなどの低電子仕事関数の材料を、高仕事関数の材料上に併合して、エミッタ表面の仕事関数を約１．１ｅＶから１．２ｅＶに低減することが好ましい。そのようなより低い仕事関数の材料層を存在させることは任意選択であり、図２に概略的に表した実施形態には示されていない。いくつかの実施形態では、この材料層は、コレクタに対面するエミッタの側面上の被覆として見られる。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態は、複数被覆のエミッタ表面を備えている。例えば、エミッタ表面は、電子仕事関数が少なくとも約３．５ｅＶである材料からなる第１の被覆で覆われ、この第１の被覆は、電子仕事関数が約３．５ｅＶを超えない材料からなる第２の被覆で覆われている。第１の被覆材料の例には、酸化白金（ここでは、この用語は、ＰｔＯ、酸化白金の他の化学量論的形、及び白金と酸素とを含む組合せなどの物質を言う。）、酸化銀（ここでは、この用語は、ＡｇＯ、酸化銀の他の化学量論的形、及び銀と酸素とを含む組合せなどの物質を言う。）、酸化タンタル（ここでは、この用語は、Ｔａ２Ｏ５、酸化タンタルの他の化学量論的形、及び少なくとも１つのタンタル酸塩などのタンタルと酸素を含む組合せなどの物質を言う。）、酸化バナジウム（ここでは、この用語は、Ｖ２Ｏ５、酸化バナジウムの他の化学量論的形、及び少なくとも１つのバナジウム酸塩などのバナジウムと酸素を含む組合せなどの物質を言う。）、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｎｉ、Ｗ及びその組合せのうちの少なくとも１つが含まれている。第２の被覆材料の例には、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｒｂ、Ｎａ、Ｃａ、Ｌｉ及びその組合せなど、アルカリ金属、アルカリ土類金属及びその組合せのうちの少なくとも１つが含まれている。さらに、本発明の他の実施形態は、少なくとも３つの被覆などの複数の被覆を備え、電子仕事関数値を変化させる。そのような複数の被覆を有した実施形態は、本明細書で少なくとも２つの被覆を含むものとして説明した実施形態に包含されている。
【００３４】
１．１ｅＶから１．２ｅＶに近いバリアは、本発明による変換器の実施形態中で実装されるが、このバリアは、通常、非トンネリング熱電子エネルギー変換器には高すぎる（１．１ｅＶから１．２ｅＶの範囲のエネルギーバリアは、０．１６ｅＶよりなお著しく大きい）。そのような非トンネリング熱電子変換器は、１３００Ｋより高いエミッタ温度で動作して、かなりの電流密度を発生しなければならないはずである。より低い温度でそのような条件の下で動作する変換器は、効率が非常に低いはずである。この場合、冷却効率も低い。というのは、１ｅＶより多くを注ぎ込み、ほとんどないようなｋＢＴだけでエミッタを冷却しなければならないからである。
【００３５】
しかしながら、トンネリング効果のレジームで動作する本発明による変換器は、エミッタとコレクタの温度差が数十℃である温度勾配で、室温に近い温度を含め、実用的なより低い温度で、熱電子エネルギー変換から有効電流密度を生成する。
【００３６】
本発明による変換器の効果的な熱エネルギーから電気エネルギーへの変換に寄与できる１つのファクタは、イメージ力によって生じるバリアの低減であり、それによってより小さな有効電位バリアがもたらされると考えられる。しかしながら、本発明による実施形態は、効果的な動作をサポートする特定のどのモデル又は理論によっても限定されない。イメージ力によるバリア低減については、本発明による実施形態の以下の説明の後に説明する。
【００３７】
スペーサ２は、電極間領域９中に位置している。スペーサ２は、球形形状を有した複数の粒子を含むものとして図２に示してあるが、その球形形状は、例示の目的だけで示してある。そのスペーサ２の材料の形状は、本発明の実施形態の特徴を限定するものでなく、スペーサ２は、他の実施形態では、多面体、円筒、円錐形、円錐台、角錐、角錐台、プリズムの規則的な表れ及び／又は不規則的な表れ、及びその組合せの規則的な表れ及び／又は不規則的な表れなど、複数の規則的な形状及び／又は不規則的な形状のうちのどの形状をも有し、ならびに凸面表面、凹面表面及びその組合せを有した実施形態を含め、湾曲表面、平面及び湾曲表面の組合せを含むスペーサを有する。スペーサ２を形成する粒子は、平均粒子サイズが約５０Åより大きくないことが好ましいが、少数の層粒子は、粒子サイズが、形成技法に依存して、約５００Åまでとすることができる。しかしながら、この層状の粒子の効果は、電極間の圧縮力などの適切な処理によって低減され、以下に説明する。
【００３８】
いくつかの実施形態では、電極間領域９中のスペーサ２間のギャップは、ときには簡単に真空といわれる希薄媒体を含んでいる。ガス充填ギャップの熱伝導率は、約１０−４Ｔｏｒｒ又はそれより低い圧力において、無視できるようになる。本発明の環境下の希薄媒体は、そのような低い圧力でのガス充填ギャップを含んでいる。この発明による実施形態では、当業者の通常の技能範囲にある技法及び材料を使用して適切に密閉し、その希薄媒体を保持することが可能である。
【００３９】
本発明のいくつかの実施形態では、スペーサ２は、堆積によって形成される。より具体的には、ＴｉＯ２対象物のエキシマレーザアブレーションによって、スペーサ材料をコレクタ１上に堆積した。堆積された粒子は、平均粒子サイズが約２５Åから約５０Åの範囲であり、粒子間間隔が約２００Åから約１０００Åの範囲であった。少数の、すなわち、約粒子１０個／ｃｍ２のオーダーのその堆積された粒子は、寸法が、約５００Åの寸法パラメータによって特徴付けられた。
【００４０】
本発明による変換器では、図２に示す矢印９９によって示された圧縮力によって、電極が、原子寸法スケールである所望の電極間間隔で保持される。この圧縮力９９は、少なくとも１つの可撓性電極を変形させ、それによって大きな粒子のスペーサの作用が減少する。大きいサイズの粒子スペーサの作用が減少した結果、トンネリングが、少なくとも電極間領域９エリアの実質的な部分を横切り電荷キャリアを移動させるのにかなり寄与するような平均値で以って、電極間間隔が維持される。
【００４１】
いくつかの実施形態では、圧縮力９９を、外部デバイスによって加える。他の実施形態では、変換器８などの変換器の様々な層を互いに挟み、それに続き、接着材料、少なくとも１つのクランプ、シール剤、密封材料、連結デバイス及びそれらの組合せなどの適切なホルダによって互いに保持するとき、圧縮力９９は、製造段階で加えられる。
【００４２】
そのようなホルダのどの１つでも、ホルダを効果的に構成する方法のどの１つによっても実現できる。例えば、いくつかの実施形態では、保持材料は、少なくとも部分的に電極構造を囲繞して、隔てられた構造が元に戻りトンネリングが無力になるのを阻止するように構成される。他の実施形態では、保持材料は、少なくとも部分的にいくつかの電極間の平面内にあって、隔てられた構造の電極構造が元に戻りトンネリングが無力になるのを阻止するように構成されている。さらに他の実施形態では、保持材料は、少なくとも部分的に電極構造を囲繞し、少なくとも部分的にいくつかの電極間平面内にあるように構成されている。図２Ｅから図２Ｇに、これらのホルダ構成の例を概略的に示す。
【００４３】
図２Ｅは、本発明によるトンネリング効果エネルギー変換器の一実施形態の概略部分断面図を表し、電極構造、スペーサ及び外部ホルダを示す図で、ｅは電極構造、ｓはスペーサ、ＥＨは外部ホルダを示している。その外部ホルダの例は、少なくとも１つのクランプと密封剤によって実現される。
【００４４】
図２Ｆは、本発明によるトンネリング効果エネルギー変換器の一実施形態の概略部分断面図を示し、電極構造、スペーサ及び電極間の平面内に配置されその電極構造と接触したホルダを示す図で、Ｈはホルダを示している。
【００４５】
図２Ｇは、本発明によるトンネリング効果エネルギー変換器の一実施形態の概略部分断面図を示し、電極構造、スペーサ、電極平面拡張部及び電極間の平面内に配置されているが、その電極構造と接触していないホルダを示す図で、ＰＥは電極平面拡張部を示している。ホルダＨの例は、シール剤、接着材料及び連結デバイスによって実現される。
【００４６】
これらの例は、例示的であり、本発明の実施形態が、その組合せと、当業者の通常の技能、及び本明細書で提供する教示によって実現できる様々なホルダの組合せとを含んでいる。
【００４７】
本発明のいくつかの実施形態は、エミッタ４とコレクタ１のうちの少なくとも１つは、可撓性導電体層を備えている。好ましい実施形態では、エミッタ４は、加えられる圧力を受けるように構成された薄い可撓性層を備えている。例えば、この圧力は、網５を通して加えることができる。また、この可撓性層は、厚さが約２０μｍに等しい又はそれより薄い。
【００４８】
いくつかの実施形態では、可撓性層は、導電性被覆を施した誘電材料を備えている。他の実施形態は、好ましくは導電性被覆を施した半導体材料からなる可撓性層を有している。さらに他の実施形態は、導電性被覆を施した誘電材料と、半導体材料からなる可撓性層を有し、他の実施形態は、その組合せを備えている。いくつかの実施形態では、導電性被覆は、金属を含み、導電性被覆を施した半導電性材料の例は、Ｎｉ被覆を施したシリコンを含んでいる。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態では、スペーサ２は、リソグラフィ技法によって製造される。さらに本発明の他の実施形態は、リソグラフィ技法によって製造されたスペーサと、堆積によって形成されたスペーサとを備えている。
【００５０】
本発明のいくつかの実施形態では、製造方法に関わりなく、スペーサは、不規則なサイズを有する。図２Ａ及び図２Ｂに、この特徴を概略的に表わしている。２つの異なるスペーサｓ１、ｓ２を例示の目的で表すが、本発明の特定のどの実施形態についても限定するものではない。
【００５１】
コレクタ１１１は、本発明によるコレクタのすべての実施形態を概略的に代表し、エミッタ４４４は、本発明によるエミッタのすべての実施形態を概略的に代表している。構造５５５は、可撓性層、ホルダ及びその組合せなど荷重力を容易に付加させる要素又は要素の組合せのすべての実施形態を概略的に代表している。上述したように、その要素又はその組合せの例は、可撓性網、ナノワイヤ網、接着材料、少なくとも１つのクランプ、シール剤、密封材料及びその組合せである。
【００５２】
図２Ａに示すように、大きな粒子ｓ２の周辺領域の大部分は、トンネリングには無用であり、トンネリングは、小さい粒子ｓ１に直近の領域Ａ１などの狭い領域だけで起こるはずである。構造５５５を使用することによって、本発明による少なくとも１つの可撓性電極を図２Ｂに概略的に示すように変形させ、それによってトンネリングが効果的に起こる、Ａ２によって示したような領域などの領域を広くする。
【００５３】
本発明の実施形態では、構造５５５は、少なくとも１つの以下の作用を促進する。その作用は、少なくとも１つの可撓性電極を変形し、トンネリングが効果的である距離だけ電極が隔てられている領域を広げることと、電極間の間隔を狭めて、それによってトンネリングが効果的に増加するように、大きな粒子スペーサのサイズの影響を減少することとである。
【００５４】
本発明の一実施形態では、エミッタ４４４は、図２Ａ及び図２Ｂに可撓性電極として表されている。本発明の他の実施形態では、コレクタが可撓性電極である。さらに他の実施形態では、コレクタ及びエミッタが可撓性電極である。
【００５５】
構造５５５の作用は、エミッタ４４４及びコレクタ１１１を互いに接近させて保持するために加えられる圧縮力９９などの荷重の付加を含んでいる。本明細書で示した構造５５５の例から、その構造は、力の付加が容易に効果的になされるように電極に関して配置されることになり、図２Ｂに概略的に示したその位置は、単に位置の一例であり、本発明の他の実施形態では、他の位置も可能である。
【００５６】
本発明による実施形態の設計によって、有害な曲げ作用の防止という点で追加の利点がもたらされる。電極温度が高まるにつれて、電極の変形又は曲がりが短絡を引き起こし、それによって変換器が使用不可にされるはずである。短絡を避けるために、スペーサ間間隔とスペーサ高さの比は、平均して少なくとも約１０３であることが好ましい。
【００５７】
１つの製造パラメータとしてこの比を含む大部分のスペーサの製造方法によって、図２Ａで説明したように、変換器のトンネリング効率に悪影響を及ぼすことになるはずの、いくつかのより大きなスペーサが形成されることになる。本発明による実施形態では、少なくとも１つの電極が可撓性であり、例えば、図２Ｂで説明したように、可撓性電極を変形させることによって、１０３より大きい比を含め、広範囲の、その比を使用することが可能になる。
【００５８】
本発明の実施形態では、スペーサｓの分布は、特定の位置に限定されない。例えば、いくつかの実施形態では、図２Ｃに概略的に示すように規則正しくスペーサｓを分布させ、いくつかの実施形態では、図２Ｄに概略的に示すように不規則にスペーサｓを分布させる。さらに他の実施形態では、様々な電極領域において規則的なスペーサｓの分布及び不規則的なスペーサｓの分布の組合せになる。規則的なスペーサｓの分布は、図２Ｃに示したような四角形パターンに限定されず、多角形パターン、湾曲した特徴を有したパターン及びその組合せなどの他のパターンも備えている。
【００５９】
本発明による荷重付加手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ  ｌｏａｄ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）は、少なくとも１つの以下の機能（ａ）から（ｄ）を果たす、又は果たすために協同する構造及び／又は構造の組合せを含んでいる。  
（ａ）圧縮力９９に関連した外部荷重などの外部荷重を付加すること。  
（ｂ）上述したように、効果的なトンネリングが可能になるような間隔で以って電極を保持すること。  
（ｃ）上述したように、少なくとも１つの電極の変形を容易に行えるようにすること。
（ｄ）上述したように、スペーサのサイズを縮小すること。
【００６０】
これらの構造の例には、外部から圧縮力を加えるための力付与器（ｆｏｒｃｅａｐｐｌｉｃａｔｏｒ）、ホルダ、接着材料、少なくとも１つのクランプ、連結デバイス、シール剤、密封剤、網、可撓性層、ナノワイヤ網、導電性網、可撓性網及びその組合せが含まれ、その構造の同等物及びその構造の組合せの同等物が含まれている。
【００６１】
例えば、外部から加える圧縮力は、後述する図４に概略的に示すように、真空試験装置によって使用される。本発明による他の動作モードでは、真空試験装置による使用だけに限定されないような圧縮力の付加が使用される。図４に示すように、ナノ位置決め装置によってそのような力を作用させることができる。
【００６２】
本発明による変換器のいくつかの実施形態では、図２に例示の目的で示すようなナノワイヤ網５などの導電性網は、任意選択でエミッタ４上にエミッタ４と導電状態で配置される。任意の他の層又は材料が、導電性網とエミッタ４の間に配置された場合、その層又は材料によって、網とエミッタ４の間の導電が可能にならなければならない。本発明の実施形態では、網材料は、カーボン、金属、金属被覆誘電体、半導体及びその組合せのうちの少なくとも１つを含んでいる。本明細書中に適用できる場合、用語「組合せ」は、構成要素のうちの１つが他の構成要素を覆う場合の実施形態を含んでいる。例えば、網材料の場合、上述した記載は金属被覆半導体を含んでいる。
【００６３】
本発明によるいくつかの変換器では、ナノワイヤ網５は、厚さが約０．５ｍｍのカーボンナノワイヤ網の層によって実現される。ナノワイヤ直径は、カーボンナノワイヤの直径を含め、約１ｎｍから約５０ｎｍの範囲が好ましく、より好ましいのは約２００Åであるが、本発明による変換器用の他のナノワイヤの実施形態では、他の直径も考えられる。本発明のいくつかの実施形態では、この網が存在すると、可撓性網材料の作用を受ける表面全体にわたって、荷重の力の付加が容易に行われる。ナノワイヤ網５は、好ましい材料であるが、様々な材料及びその組合せのうちの任意の１つを、ナノワイヤ網５の代わりに、又はそれと組み合わせて使用して、層５と等価な層を形成することができる。ただし、その層は、ナノワイヤ網の機械的性能と匹敵するような機械的性能を可能し、したがって、容易に荷重の力を付加させる可撓性があるものとする。
【００６４】
本発明のいくつかの実施形態には、エミッタ及びコレクタのうちの少なくとも１つが導電性材料の薄い可撓性層を備え、エミッタ及びコレクタを備えている。さらに、この実施形態は、上述したように、可撓性網を有することもできる。
【００６５】
外部電気回路と接続するための適切な電気コネクタをナノワイヤ網５に設ける。いくつかの実施形態では、このコネクタは、より稠密（ｄｅｎｓｅｒ）な網を備えている。他の実施形態では、このコネクタは、図２に示す金属コンタクト６など、好ましくは研磨された金属コンタクト６を備えている。また、コレクタ１自体は、外部電気回路と接続するための電気コネクタである。他の実施形態では、コネクタが、コレクタ１に取り付けられる。
【００６６】
図２に示す変換器８は概略的であり、そこに示す様々な特徴は、本発明による変換器８の多数の実施形態では、変化できる。さらに、図２に表す各層の層の厚さは、尺度に合わせて示していなくて、概略だけを示してある。例えば、図２に、大部分の層が同じ接触表面を有する変換器の断面を示す。この特徴は、限定するものでなく、本発明による変換器の実施形態が、他のある層がその上に延在する表面とは異なる表面の上に延在する、少なくとも１つの層を有することができる。さらに、本発明によるいくつかの変換器用の、図２に示す断面と類似した断面が、複数の異なる幅を有した複数の層を示すはずである。
【００６７】
図４は、本発明によるトンネリング効果エネルギー変換器の変換特性を試験するための真空試験装置の概略図である。この真空試験装置の使用は、スペーサがない自立型のケースについて説明し、図２に概略的に示すようなスペーサを有した変換器についても説明する。
【００６８】
狭いギャップのトンネリング実験用の真空試験装置５０が、これらの実験用に構築された。真空試験装置５０は、表面を解析するために、ＭＤＣ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ＳＳＡＣ−１２超高真空チャンバをベースにして構築された。チャンバは、可撓性ステンレス鋼真空ホースを有した防振用空気テーブル上に取り付けられた。乾燥粗排気ポンプを有したＰｆｅｉｆｆｅｒ  真空ＴＭＵ−５６ターボ分子ポンプが、チャンバをかなり加熱することなく１０−６Ｔｏｒｒの範囲で標準真空状態を提供した。この真空状態において、空気熱伝導によって生じる熱損失は、放射損失より非常に小さい。
【００６９】
この真空試験装置５０は、高真空チャンバの壁５２内で材料の精密な操作を可能にしたマイクロメータ送り装置２１を有したマイクロメータ２０などの材料操作装置を備えている。マイクロメータ拡張部５１が、リニアナノ位置決め装置６０中に到達している。高真空チャンバ技術において通常のように、貫通接続部を介して電気接続部８０を設けてある。
【００７０】
チャンバは、直径が約４０ｍｍの銅水冷フィンガ４３によって冷却する、冷却システムが組み込まれた。冷却フィンガ４３は、コレクタ材料用の試料取り付け台にもなっている。
【００７１】
高温エミッタ１０側が、Ｏｇｄｅｎ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製真空定格８０Ｗのカートリッジヒータ１２を有した大きな塊のＩｎｖａｒ−３６のブロックとキャップ１１によって形成された。４個のＩｎｖａｒロッド１４（図４に、そのロッドを２個だけ示す）によって、そのブロックを上部のフランジでマイクロメータ２０に取り付け、それによってＺ軸の位置決めを可能にした。傾斜フランジを介してマイクロメータ２０を取り付け、接触表面の位置合わせを可能にした。
【００７２】
３枚の放射及び／又は熱スクリーン２５をＩｎｖａｒロッド１４に固定して、マイクロメータ２０が過熱しないようにした。他の材料を使用できるはずだが、構築材料として使用するには、Ｉｎｖａｒ合金が好ましい。というのは、それは、熱膨張作用が小さいからである。スクリーン２５を取り付けるために、複数のカラー７０が使用された。
【００７３】
Ｋｅｐｃｏ  ＡＴＥ  ７５−１．５安定化電源によって、ヒータ１２に電力を供給し、温度ドリフトを低減した。温度センサとしてＯｍｅｇａ  Ｋ型熱電対８２、及び表示器としてＫｅｉｔｈｌｅｙ  ２００１マルチメーターを使用した。チャンバの熱平衡を約１℃／時間のレベルにするために、少なくとも６時間かかった。このセットアップによって、１０−６Ｔｏｒｒのオーダーの真空を約２時間で達成することができた。
【００７４】
本発明の環境下で、アナログ出力を有した容量性センサを含む１Å分解能のＰｈｙｓｉｋ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ＬＩＳＡ（登録商標）（ＰＺＴ）リニアナノ位置決め装置からなるリニアナノ位置決め装置６０を取り付けるために、このチャンバを変更した。この組合せによって、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ  ２００１マルチメーターによって測定された位置読み取りが、１Åの相対的位置より良い相対的位置になることが可能になった。
【００７５】
一組の試験では、研磨したロッドをＩｎｖａｒ加熱ブロックに取り付け、エミッタを形成した。いくつかの試験では、約２０Å  ＲＭＳまで研磨された末端部３２を有した直径が約３ｍｍのＭｏロッドによって、ロッド３０を実現した。他の実験では、ロッド材料は、研磨Ｉｎｖａｒを含み、さらに他の試験では、Ｐｔで被覆したＩｎｖａｒを含んでいる。
【００７６】
コレクタ側では、操作装置のサイドアーム（図示せず）を使用して手動で動かすことができる摺動銅テーブル４０上に、Ｉｎｖａｒチップホルダを取り付けた。この設計によって、エミッタに沿ったチップのＹ軸方向の移動が可能になった。ナノ位置決め装置を機械的に損傷させないようにするために（最大荷重、１０ｌｂ（４．５４ｋｇ））、Ａｕ、Ｉｎなど展性のあるとがった金属チップ４２をチップ材料として使用した。接触面積を広くするため、この設計を意図した。他の実施形態では、コレクタとして、ばね荷重のＩｎｖａｒロッドを使用し、その場合、ばねデバイスは、金属粉末で充填した水晶ピストン、及び良好な熱伝導率を有したデバイスによって実現した。
【００７７】
ナノ位置決め装置によって、手動位置決め／手動読み取り、手動位置決め／高速コンピュータデータ記録、及び約１Å／秒から３０Å／秒のコンピュータ制御による位置決め／１Ｈｚデータ記録など、手動及びコンピュータ（ＨＰ／ＬａｂＶｉｅｗ）によってともに様々なモードで相対的位置を制御することが可能になった。電圧表示器及び変換器に並列に接続された抵抗バンクは、ともにデータ収集システム中にプラグ接続された。
【００７８】
いくつかの試験では、ヒータに一定電力を設定し、エミッタを約５０℃に保った試験条件を使用した。コレクタ側は、ほぼ室温で、大きな塊の金属チャンバによって安定化した。
【００７９】
熱平衡時間は、通常２４時間より長く、室内で少なくとも６時間の効果的な空気調和をした状態で測定を行った。この操作上の用心を行い、Ｉｎｖａｒ材料を組み込んだ設計をしたにもかかわらず、電極間間隔を制御せずに放置した場合、電極間ギャップ変動は、約１０Å／分又はそれより大きい変動まで達することがあり得た。温度センサが、測定可能な温度変化はないと表示していたときでさえ、この電極間ギャップ変動は、発生することがあった。この電極間ギャップ変動は、チャンバ壁が膨張したため生じ、いくつかの試験では内部フレームを挿入して避けることができた。
【００８０】
試験には、電極が接触し、それに続いて制御して離れさせることが含まれた。例えば、Ｍｏ電極が、Ａｕチップと接触状態になり、次いで、約０．５Å刻みで離された。接触中金属チップが熱膨張するため、チップ温度変化１℃当り約１０Åの膨張が見られることになった。この膨張のため、電極の接触が短時間であることが好ましい。そうでなければ、コレクタは、後退するエミッタに「追従する」ことになるはずである。この作用は、ナノ位置決め装置の適切な操作によって補償された。
【００８１】
多数の自立型電極試験を実施した。これらのいくつかの試験では、Ｍｏエミッタ及びＡｕコレクタを使用した。自立型試験の組の１組は、Ｍｏエミッタ及びＡｕコレクタを使用して実施した。このタイプの試験では、普通ならＡｕチップ表面の汚染から発生するはずのトンネリング信号の逆転を防止するために、Ａｕチップを清浄にすることが推奨される。純水中でのチップの超音波洗浄によって、洗浄することが好ましい。この方法で洗浄されたチップには、トンネリング信号の逆転が避けられ、したがって、電流の符号は安定する。
【００８２】
変換出力密度の推定は、この組の実験の環境において、所与の負荷及び接触面積で最大出力を測定することによって実施した。手動位置決め及び高速記録の試験条件を使用した。この操作モードでは、約１Åより狭い間隔で読み取り値を記録することができた。この実験には、１０００Åだけチップを変形し、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によってチップ末端部表面を走査して変形された面積を測定することが含まれた。
【００８３】
図５は、変形され引き離されたＡｕチップについて測定された、比出力のグラフを示す図である。１つのチップの表面は、高さが約２０００Åの突起した形状を有していた。この形状は、おそらく、変形中約１０００Åだけつぶされ、次いで、弾性力によって再形成されたことによる。ＡＦＭによるプロファイリングの結果、約０．５μｍ×０．５μｍの接触面積があったと判定された。この面積は、ギャップが開く間、かなり小さくなることがあり得た。１メガΩの負荷で最高電圧の読みが、０．２４７Ｖであり、これは、ほぼ３０Ｗ／ｃｍ２に対応する。負荷の値が１００メガΩに近づいたとき、負荷は電圧計の内部抵抗に匹敵し、最大出力は高くなるが、信号雑音比が低下した。最大記録値は、おおよそ接触電位差の半分であり、この場合、それは０．９Ｖであった。
【００８４】
接触面積の変動があると、同じ負荷において様々なチップに対してほぼ１００のファクタだけ電圧変動をもたらすことがあり得るが、出力密度は、同じ間隔と温度差では同じになる可能性がある。２２℃の温度差で理想化した変換器の場合、計算した変換器の出力密度は、それと同じ温度差でほぼ４００Ｗ／ｃｍ２と推定された。
【００８５】
この組の実験の環境で試験された材料には、約３Åより狭い間隔での重要なトンネリングレジームを適用した。この間隔は、エミッタの仕事関数を低下することによってこのトンネリングレジームを維持しながら、約１０のファクタで延ばすことができた。自立型電極実験に加えて、他の実験も実施した。
【００８６】
他の組の実験では、図４に示すレイアウト中に概略的に表したデバイスを使用した。このデバイスは、表面を約３Å  ＲＭＳに研磨したＩＢＭ製の光ディスクのＡｌ基板から作製したコレクタを備えている。このデバイス中のスペーサは、ＴｉＯ２対象物をエキシマレーザアブレーションによって、コレクタ上に堆積したものである。その結果、得られたスペーサ粒子は、平均粒子サイズが約２５Åから５０Åであり、直径がほぼ５００Åの大きな粒子が、わずかな量（ほぼ１０個／ｃｍ２）だけあった。
【００８７】
このデバイス中のエミッタは、厚さが約１０μｍであり、厚さが約１０００Åのモリブデン層で被覆したシリコンウェハ（Ｖｉｒｇｉｎｉａ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社製）から作製した。その結果、得られたこの電極上の表面粗さは、ほぼ１０Å  ＲＭＳであった。
【００８８】
エミッタがその放射表面全体にわたってほぼ一様な荷重力を受けるように、厚さが約０．５ｍｍのカーボンナノワイヤ網５をエミッタ４の上に配置した。この網中のナノワイヤは、直径が約２００Åであった。研磨した金属コンタクト６をナノワイヤ網５と導電状態で配置した。
【００８９】
このデバイスには、トンネリングレジームの下で動作するほぼ２ｍｍ×２ｍｍの面積があった。上述した同じ真空試験装置を、チップ保持部を取り外して用い、このデバイスについての実験を実施した。ナノ位置決め装置によって加えた圧力によって、デバイスがトンネリングレジームの下で動作するような相対的間隔の状態に、エミッタとコレクタを設定した。この圧力は、堆積後あまりにも大きくなることがあり得るスペーサ粒子のサイズ、したがって、間隔を縮小させる働きもした。
【００９０】
加えた温度勾配が約２０Ｋのとき、測定電圧は、自立型の実験で測定された電圧とほぼ同じであったが、最大電流は、約３桁のオーダーでより多いと測定された。この結果によって、接触面積についてかなり改善があったことが示され、この最大電流の読み取り値は、本発明による他の実施形態によって達成できる電流の読み取り値の一部分だけを代表していると予想される。さらに、この組の実験によって、本発明による変換器の実施形態には、低電子仕事関数の被覆を施した実用的デバイスのみならず、低電子仕事関数の材料による被覆を含まない変換器も含まれることが示された。その被覆を含まない実施形態の設計及び製造は、より簡単である。
【００９１】
以下に記載する説明及び図の資料は、本発明の実用的な実施形態に関連する現象の解析用数値モデルに言及している。これらのモデルは、本発明の説明を限定するものとして提供されたものではない。本発明は、その基礎になる物理的プロセスのどの１つの説明にも限定又は限られるものではない。以下に示す解析用数値モデルを説明する目的は、たとえその実施形態が本記載の説明の文脈に明示的に言及されていなくとも、本発明の技術的範囲に含まれると考えられる追加の実施形態を設計するために使用できる重要な変数を強調することにある。本明細書の説明によるその設計、教示、及び当業者の通常の技能を用いると、特許請求の範囲に従った本発明の技術的範囲に含まれる追加の実施形態を設計することができる。したがって、以下の記載された説明及び図表資料は、本発明の実施形態を述べ、本発明の技術的範囲に含まれると考えられる追加の実施形態を設計するために使用できるモデルを提供する。
【００９２】
以下に述べるモデルには、シュレーディンガー方程式のＷＫＢ法を用いた解による、イメージ力から生じるバリアの減少及び電子トンネリング確率の概算と、トンネリングが存在するときの電流電圧出力及び効率の式の導出とが含まれる。いくつかのこれらの式は、さらに代替のパラメータで表された形で提供する。本明細書で使用するパラメータ表示は、ユニークでなく、その選択は、限定的でない。パラメータ表示の選択は、次数及び変数の適合性基準に一致するように選ばれた。効率は、放射損失を含んだ場合と放射損失を除いた場合と別々に解析される。
【００９３】
以下で与えられる、本発明の実施形態についての出力フラックスを近似する式は、温度に関して３乗出力則の増加を表し、従来の熱電子エネルギー変換器によって得られる出力フラックスより少なくとも約１０００倍大きい出力フラックスを表している。本発明によるいくつかの実施形態は、温度に関して少なくとも３乗出力則の関係を呈する出力フラックスを提供する。また、本発明によるいくつかの実施形態は、従来の熱電子エネルギー変換器によって提供される出力フラックスより少なくとも約１０３倍大きい出力フラックスを提供する。さらに、本発明による他の実施形態は、温度に関して少なくとも３乗出力則の関係を呈し、従来の熱電子変換器によって提供される出力フラックスより少なくとも約１０３倍大きい出力フラックスを提供する。
【００９４】
エミッタとコレクタの間の間隔が、比較的狭い場合（例えば、約５０Åより狭い場合、非特許文献１参照）、トンネリング効果によって、電子がかなり移動することができる。
【００９５】
ある１次元の場合、電子トンネリング確率Ｄ、すなわち、伝播と反射の比についての、シュレーディンガー方程式のＷＫＢ法による解は、以下のように表される。
【００９６】
【数１】
2005539401.tif 000002
【００９７】
この式は、以下のように表される。
【００９８】
【数２】
2005539401.tif 000003
【００９９】
ただし、Ｅは、電子エネルギーを表し、Ｖ（ｘ）は、電子電位エネルギーを表し、ｍは、電子質量であり、
【０１００】
【数３】
2005539401.tif 000004
【０１０１】
は、プランク定数であり、ｘ１及びｘ２は、バリアの開始及び終端座標である。図３は、エレクトロンボルトで表したＶとÅで表したバリアの関数としてのＤのグラフを示す図である。
【０１０２】
本発明の実施形態では、イメージ力の効果（ｉｍａｇｅ  ｆｏｒｃｅ  ｅｆｆｅｃｔ）によって、トンネリング有効バリア、Φをかなり低減することができる。このイメージ力によるバリアの低減によって、エネルギーバリアが低下し、このタイプの変換器をより低い温度で効果的に動作させることができる。特定のどのモデルにも限定されないが、本発明の技術的範囲に含まれる変換器は、以下のような近似熱電子手法でモデル化することができる。
【０１０３】
有効バリアは、Φ＝Φ０−Δφ、ただしΦ０は、仕事関数であり、Δφは、イメージ力によるバリアの低減であり、Δφは、電荷をｑ、位置をｘとすると、以下のように近似することができる。
【０１０４】
【数４】
2005539401.tif 000005
【０１０５】
この式のε０の項は、真空誘電率を表し、Ｓは、電極間間隔を表している。フェルミレベルを基準に正規化すると、その結果得られるバリアは、放物線形状を有し、強くＳに依存する。Δφについての前記の式によって、イメージ力によるバリア低減を考慮した場合、例えば、Ｓが、約１０Åであり、仕事関数Φ０が、約４．２ｅＶであるとき、及び、Ｓが、約２５Åであり、仕事関数Φ０が、約１．５ｅＶであるとき、約０．５という伝播係数が達成可能であると推論可能になる。
【０１０６】
図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の実施形態のための実用的アセンブリを概略的に示す図である。図６Ａに示す変換器は、高温側エミッタＥと、低温側コレクタＣとを備え、その間に、電子が横切る狭いギャップＧがある。デバイスが動作して外部負荷に電流を供給したとき、適切な導電体によって負荷ＲＬに接続され、外部回路が閉じる。電流は、通常ｉとして示された矢印によって表され、エミッタとコレクタの間に生成された電圧は、Ｖと表される。図６Ｂに概略的に示した変換器は、電力が供給されたとき、冷却器として機能する。電源が、バッテリＢの記号によって表され、変換器の低温側及び高温側が、それぞれ「低温」、「高温」として表される。
【０１０７】
エミッタからコレクタへのトンネリング電流は、真空電圧降下を含め、以下のように近似される。
【０１０８】
【数５】
2005539401.tif 000006
【０１０９】
ただし、Ａｅｆｆは、有効トンネリング面積であり、幾何的表面面積よりかなり狭いと予想することができる。
【０１１０】
この問題をもっと完全に扱うには、各電子エネルギーにおける伝播係数のいくらか明示的な表現を伴った、すべての電子状態にわたった積分が必要になろう。さらに、可能な間隔ｄのすべてにわたって、平均することができるはずである。本解析の目的のために、多少熱電子問題のように働くフェルミ面まわりの一部の電子分布を検討する。熱電子電流の導出には、関与する状態がフェルミ面より数ｋＢＴ大きいと仮定するが、トンネリング電流は、フェルミ面にある又はそれより下の状態に関与することができる。これは、小さなＶの場合ここで与える取り扱いに次数を一致させる修正が必要であると暗示することになる。状況は、半導体中のキャリアの方が、原理的により良いことになる。上述したｉＦの式中の第１の指数項によって、コレクタ状態が利用できる状態を含むためのトンネリングが限定される。
【０１１１】
トンネリングファクタのための明示的な表現を次に導出する。ギャップ間に以下のリニアな電位を仮定する。
【０１１２】
【数６】
2005539401.tif 000007
【０１１３】
電子が、エミッタ境界で仕事関数Φと対面する。熱的に誘導されたトンネリング電流が、負荷を駆動する場合、負荷電圧Ｖは、電流に対抗することになる。簡単化のために、空間電荷効果は無視でき、負荷電圧が単純なリニアな増分だけの電圧降下をカソードに誘導すると仮定する。
【０１１４】
この場合、トンネリングの積分を正確に行うことができ、以下の結果を得る。
【０１１５】
【数７】
2005539401.tif 000008
【０１１６】
負荷電圧に依存する基本項の形で、以下にこの積分のより便利な形を導出する。負荷電圧が、仕事関数に比べて小さいと仮定すると、以下の近似式が得られる。
【０１１７】
【数８】
2005539401.tif 000009
【０１１８】
次に、前向き電流は、以下の式になる。
【０１１９】
【数９】
2005539401.tif 000010
【０１２０】
同様の近似レベルで、逆向きの電流は、以下の式になる。
【０１２１】
【数１０】
2005539401.tif 000011
【０１２２】
明示的にプリファクタの温度依存性を考慮に入れると、これまでの扱いよりモデルを改良することができる。これを行うために、プリファクタを関連するリチャードソン係数によって表現する。
【０１２３】
【数１１】
2005539401.tif 000012
【０１２４】
次に、全電流は以下の式になる。
【０１２５】
【数１２】
2005539401.tif 000013
【０１２６】
この方程式は、２つの温度の関数であるｉＶ特性として見ることができる。負荷と結合したとき、さらに次の式を得る。
【０１２７】
Ｖ＝ｉＲＬ
この２つの方程式が、動作点における電流及び電圧を決め、ともに２つの温度の関数である。
【０１２８】
次に、出力及び効率を導出する。負荷に伝達される出力は、以下の式になる。
【０１２９】
【数１３】
2005539401.tif 000014
【０１３０】
トンネリング電流と関連する熱流量については、以下のようなオーダーと考えることにする。
【０１３１】
【数１４】
2005539401.tif 000015
【０１３２】
放射損失は、以下の式になる。
【０１３３】
【数１５】
2005539401.tif 000016
【０１３４】
ただし、σは、ステファンボルツマン定数である。仕事関数は、トンネリング出力に関して現れないことに留意されたい。このシステムの効率は、以下の式になる。
【０１３５】
【数１６】
2005539401.tif 000017
【０１３６】
システムの基本的なパラメータによって、モデルをパラメータ表示することが便利であり、以下のように行う。電圧について解を得るために、電流を消去して以下の式を得る。
【０１３７】
【数１７】
2005539401.tif 000018
【０１３８】
この方程式によって、重要なパラメータの識別が可能になる。この問題では、正規化真空ギャップ間隔は、以下の式のように考えることができる。
【０１３９】
【数１８】
2005539401.tif 000019
【０１４０】
同じ温度に対して正規化される正規化電圧及び仕事関数を考えることが便利であり、以下のように定義する。
【０１４１】
【数１９】
2005539401.tif 000020
【０１４２】
及び、
【０１４３】
【数２０】
2005539401.tif 000021
【０１４４】
これによって、正規化された変数によって、電圧制約条件を以下の式のように書き直すことが可能になる。
【０１４５】
【数２１】
2005539401.tif 000022
【０１４６】
ただし、正規化抵抗ξは、以下の式になる。
【０１４７】
【数２２】
2005539401.tif 000023
【０１４８】
やはり、絶対温度差は、以下のように定義する。
【０１４９】
【数２３】
2005539401.tif 000024
【０１５０】
一度正規化抵抗ξが定義された後、残る正規化された電流電圧の関係は、１つのパラメータを介したギャップの厚さ及び電位バリアに依存する。新しい正規化間隔パラメータを以下のように定義することが便利である。
【０１５１】
【数２４】
2005539401.tif 000025
【０１５２】
この正規化パラメータによって、正規化電流電圧の制約条件は、以下の式になる。
ν＝ξ［ｅ−νｅ−νΔ−（１−Δτ）２ｅνΔ
【０１５３】
正規化バリアφは、一般に１００のオーダーであり、正規化間隔δが、Ｏ（１〜２０）程度の範囲であるはずなので、新しいΔパラメータの関連する値は小さくなると分かる。放射損失を除外して、効率の最適化を以下に解析するために０から１の間のΔの値を対象にすることは、道理にかなうはずである。放射損失なしのシステムの効率ηは、負荷出力と熱出力の比と定義する。
【０１５４】
【数２５】
2005539401.tif 000026
【０１５５】
この式を展開して、以下の式を得る。
【０１５６】
【数２６】
2005539401.tif 000027
【０１５７】
正規化変数によって、放射損失なしの効率の式は、以下のようになる。
【０１５８】
【数２７】
2005539401.tif 000028
【０１５９】
効率ηは、正規化負荷抵抗ξの関数になると見ることができる。負荷抵抗が非常に小さい場合、熱源と負荷の間にインピーダンス不整合が起こり、それによって負荷が短絡して電圧が降下してパワーがほとんど伝達されない。負荷インピーダンスが高いと電流が少なくなり、したがってパワーが、負荷にほとんど伝達されない。ソース抵抗が少しずつ増加して負荷と整合したとき、最適状態になる。
【０１６０】
図７は、正規化抵抗の関数として効率η（ξ）を示す図である。正規化バリア高さφは、この計算では１００と仮定し、正規化間隔δは５と仮定し、これはΔ＝０．０１２５に対応する。絶対温度差Δτは、０．２である。効率は、熱電子ソースの抵抗が少しずつ増加して負荷抵抗と整合したとき、最適化される。
【０１６１】
図８は、様々なΔの値に対して、Δτの関数として最適効率を求めた結果を示す図である。最大効率は、熱力学的制約条件から以下の式によって制限される。  
ηｍａｘ＜Δτ
この場合、最大効率は、熱力学的限界より小さく、同図に示した計算した項では、仕事関数とはほとんど独立している。図８に、Δ＝０．００１、０．００３、０．００５、０．０１、０．０３、０．０５、０．１、０．３、０．５、１の場合の結果を示す。Δ＝０．００１の値は、数Åに対応し、Δ＝１の値は、１０００Åより大きい値に対応する。
【０１６２】
図９は、比ηｍａｘ／Δτを示す図である。この相対効率は、やはり仕事関数にわずかに依存する関数であり、理想的な自由流の場合より低いことが観察される。
【０１６３】
このモデルで発生できる最大の正規化電圧は、以下の式になる。
【０１６４】
【数２８】
2005539401.tif 000029
【０１６５】
図１０は、最適効率の点における比ν（ηｍａｘ）／νｍａｘを示す図である。この場合、最適電圧は、バリアが増加するにつれて、最大電圧に比べてより小さくなることに留意されたい。図１０に、Δ＝０．００１、０．００３、０．００５、０．０１、０．０３、０．０５、０．１、０．３、０．５、１の場合の値であり、そのすべてが同じ結果となる値を示す。
【０１６６】
負荷出力は、以下の式になる。
【０１６７】
【数２９】
2005539401.tif 000030
【０１６８】
関連するフラックスを以下のように定義する。
【０１６９】
【数３０】
2005539401.tif 000031
【０１７０】
この式は、Ｗ／ｃｍ２の単位に変換した、負荷に伝達できる単位面積当りの出力を示す。正規化された単位で、この量は、以下のようになる。
【０１７１】
【数３１】
2005539401.tif 000032
【０１７２】
図１１は、Δの様々な値に対する正規化された温度差Δτの関数としてプロットした正規化負荷出力ν２／ξを示す図である。この出力は、Δ＝０．００１、０．００３、０．００５、０．０１、０．０３、０．０５、０．１、０．３、０．５、１の場合を含む注目する範囲で、Δのほどほどにわずかな関数になる。
【０１７３】
商業用応用は、Ｗ／ｃｍ２の単位で測定した出力変換によって実施することが便利である。実際のシステムの出力に対して正規化出力を比較するために、プリファクタの数値バージョンを得ることが必要である。この場合、金属から真空中への熱電子放射は、以下の式によって、その特性を表す。
【０１７４】
【数３２】
2005539401.tif 000033
【０１７５】
ただし、ＴＫは、ケルビンでの温度である。注目する関連する出力フラックスは、以下の式によって決まる。
【０１７６】
【数３３】
2005539401.tif 000034
【０１７７】
上記の導出には、商業用応用において妥協が求められることになる、出力と効率のトレードオフの存在が示されている。図１２及び図１３に、トンネリング熱電子変換器についての、効率対正規化出力、及び正規化効率対出力を示す。図１２に、最適化された変換システムについて、様々な正規化間隔の値、Δ＝０．００１、０．００３、０．００５、０．０１、０．０３、０．０５、０．１、０．３、０．５、１における、出力の関数とした効率を示す。同図のラインは、すべての可能なΔτに対する結果を含む。同図の点は、Δτ＝１／２である中間点の値を示す。図１３に、最適化された変換システムについて、様々な正規化間隔の値における、出力の関数とした正規化効率を示す。図１２に示すのと同様に、ラインは、すべての可能なΔτに対する結果を含み、点は、Δτ＝１／２である中間点の値を示す。
【０１７８】
この場合、類似のトレードオフが不要であることは、ただちに明らかである。その代わり、正規化出力ν２／ξが約０．１のオーダーになるような、約０．５のオーダーの大きなΔτが理想的に求められるはずである。この場合、効率は、０．２近傍である。次いで、対応する単位面積当りの負荷出力ＱＬは、以下の式のオーダーである。
【０１７９】
【数３４】
2005539401.tif 000035
【０１８０】
次いで、単位面積当りの負荷出力は、トンネリングファクタによって決まり、約１Åの寸法スケールのオーダーで指数関数的に減衰させられ、また面積の比によって決まる。
【０１８１】
熱損失チャネルが、もっと現実的なモデルに含まれる。トンネリング熱電子変換器の場合、放射損失は、明らかな基本的な損失メカニズムを表す。放射損失によって生じる効率低下を簡単に調べることは、興味深い事である。この場合、効率は、以下の式になる。
【０１８２】
【数３５】
2005539401.tif 000036
【０１８３】
正規化変数によって、この式は、以下の式になる。
【０１８４】
【数３６】
2005539401.tif 000037
【０１８５】
ただし、
【０１８６】
【数３７】
2005539401.tif 000038
【０１８７】
数値的に、これは、以下のように評価される。
【０１８８】
【数３８】
2005539401.tif 000039
【０１８９】
この方程式は、図１４に示すように、放射損失が、システムの効率を低下させていることを示している。図１４には、Δτ＝０．５に対して正規化放射損失パラメータχの関数として最適化効率がプロットされ、その様々なカーブが正規化ギャップ厚さの値、Δ＝０．００１、０．００３、０．００５、０．０１、０．０３、０．０５、０．１、０．３、０．５、１に対応している。
【０１９０】
本発明は、発明の精神又はその本質的な特性から逸脱せずに具体的な他の形で実施することができる。述べた実施形態は、すべての点において、例示のみ行うもので限定するものではないと見なすべきである。したがって、本発明の範囲は、前述の記述によるものではなく、添付の特許請求の範囲によって表される。特許請求の範囲と等価な趣旨及び範囲に含まれるすべての変更は、本発明の範囲に包含されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１９１】
【図１】従来の熱電子エネルギー変換器の一実施形態を説明するための概略図である。
【図２】本発明によるトンネリング効果エネルギー変換器の一実施形態を説明するための概略図である。
【図２Ａ】不規則な大きさのスペーサを有した本発明の実施形態中の少なくとも１つの可撓性電極の変形を示す概略図である。
【図２Ｂ】不規則な大きさのスペーサを有した本発明の実施形態中の少なくとも１つの可撓性電極の変形を示す概略図である。
【図２Ｃ】本発明のトンネリング効果エネルギー変換器の実施形態中のスペーサ分布例を示す概略図である。
【図２Ｄ】本発明のトンネリング効果エネルギー変換器の実施形態中のスペーサ分布例を示す概略図である。
【図２Ｅ】本発明によるトンネリング効果エネルギー変換器の実施形態の部分断面図を概略的に表し、ホルダ構成の例を示す図である。
【図２Ｆ】本発明によるトンネリング効果エネルギー変換器の実施形態の部分断面図を概略的に表し、ホルダ構成の例を示す図である。
【図２Ｇ】本発明によるトンネリング効果エネルギー変換器の実施形態の部分断面図を概略的に表し、ホルダ構成の例を示す図である。
【図３】電子電位エネルギーとバリア幅の関数として電子トンネリング確率のグラフを示す図である。
【図４】本発明によるトンネリング効果エネルギー変換器の変換特性を試験するための真空試験装置の概略図である。
【図５】本発明のいくつかの実施形態について、負荷抵抗の関数として比出力のグラフを示す図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態用のセットアップを概略的に示す図である。
【図６Ｂ】冷却動作条件下の本発明の別の実施形態用のセットアップを示す概略図である。
【図７】正規化抵抗の関数として効率η（ξ）を示す図である。
【図８】Δの様々な値に対するΔτの関数として最適効率を求めた結果を示す図である。
【図９】比ηｍａｘ／Δτを示す図である。
【図１０】最適効率のポイントにおける比ν（ηｍａｘ）／νｍａｘを示す図である。
【図１１】様々なΔの値、Δ＝０．００１、０．００３、０．００５、０．０１、０．０３、０．０５、０．１、０．３、０．５、１に対する正規化温度差Δτの関数としてプロットされた正規化負荷出力ν２／ξを示す図である。
【図１２】様々な正規化間隔Δの値、Δ＝０．００１、０．００３、０．００５、０．０１、０．０３、０．０５、０．１、０．３、０．５、１における最適化された変換システムについて、出力の関数として効率を示す図である。
【図１３】様々な正規化間隔Δの値、Δ＝０．００１、０．００３、０．００５、０．０１、０．０３、０．０５、０．１、０．３、０．５、１における最適化された変換システムについて、出力の関数として正規化効率を示す図である。
【図１４】Δτ＝０．５に対して正規化放射損失パラメータχの関数としてプロットされた正規化効率を示す図で、様々なカーブが、正規化ギャップ厚さ値Δ、Δ＝０．００１、０．００３、０．００５、０．０１、０．０３、０．０５、０．１、０．３、０．５、１に対応している図である。
【図１】
2005539401.tif 000040
【図２】
2005539401.tif 000041
【図２Ａ】
2005539401.tif 000042
【図２Ｂ】
2005539401.tif 000043
【図２Ｃ】
2005539401.tif 000044
【図２Ｄ】
2005539401.tif 000045
【図２Ｅ】
2005539401.tif 000046
【図２Ｆ】
2005539401.tif 000047
【図２Ｇ】
2005539401.tif 000048
【図３】
2005539401.tif 000049
【図４】
2005539401.tif 000050
【図５】
2005539401.tif 000051
【図６Ａ】
2005539401.tif 000052
【図６Ｂ】
2005539401.tif 000053
【図７】
2005539401.tif 000054
【図８】
2005539401.tif 000055
【図９】
2005539401.tif 000056
【図１０】
2005539401.tif 000057
【図１１】
2005539401.tif 000058
【図１２】
2005539401.tif 000059
【図１３】
2005539401.tif 000060
【図１４】
2005539401.tif 000061
【国際調査報告】
2005539401.tif 000062
2005539401.tif 000063