(57)【要約】電磁エネルギー収集および感知デバイスを説明する。デバイスは、エネルギー収集のための電子を放出するために、強化電場を使用する。デバイスは、可視光、赤外線放射、および紫外線電磁放射からエネルギーを収集するように構成される。デバイスは、導体に沿う電場を強化し、間隙を横断して電子帰還面への電子放出を引き起こす高い局所電場を生成するように選択される幾何学形状を有する導波管を含む。いくつかの実施形態では、光の電磁（ＥＭ）場は、光子コレクタおよび変換設計の物理的特徴によって局所的に強化される。
2013534718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電場強化エネルギー収集デバイスであって、
該電場強化エネルギー収集デバイスは、
基部面を備える基板であって、該基部面は、該基部面から離れる方向下向きに先細になる１つ以上の傾斜壁面を有する陥凹構造を備え、該傾斜壁面の間に陥凹空隙が形成され、該陥凹空隙は空であるか、または透明もしくは半透明材料で充填されており、該１つ以上の傾斜壁面は、該基部面からのある距離において相互に接触または極近接し、該１つ以上の傾斜面は、該陥凹空隙に光学的に露出している電磁エネルギー伝導性導波管を含む、基板と、
電極であって、該電極は、該基板に隣接または近接している、電極と
を含み、
該電場強化エネルギー収集デバイスは、該電極から分離された電場強化領域を含む、電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項２】
前記陥凹空隙の曲率は、前記基部面からの前記距離において変化する、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項３】
前記デバイスは、前記電極と前記陥凹構造の前記電磁エネルギー伝導性導波管との間に間隙を含む、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項４】
前記電極と前記電磁エネルギー伝導性導波管との間の前記間隙は、真空空隙、ガス、基板、またはそれらの組み合わせを含む、請求項３に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項５】
前記間隙は、光起電材料を含む、請求項３に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項６】
前記光起電材料は、電解質およびＴｉＯｘを含み、「ｘ」は、ゼロよりも大きい数である、請求項５に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項７】
ＴｉＯｘがＴｉＯ２である、請求項６に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項８】
前記電磁エネルギー伝導性導波管は、カソードを含み、前記電極は、アノードを含む、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項９】
前記カソードは、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｗ、酸化イットリウム、酸化パラジウム、黒鉛、またはグラフェンから成る群より選択される１つ以上の材料を含む、請求項８に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項１０】
前記基板は、絶縁または半導体材料を含む、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項１１】
前記基板は、誘電体、ポリマー、セラミック、および半導体から成る群から選択される１つ以上の材料で形成される、請求項１０に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項１２】
前記陥凹構造の前記基部面寸法は、５００ナノメートル（「ｎｍ」）よりも大きい、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項１３】
前記基板は、前記電磁エネルギー伝導性導波管および前記アノードの両方と接触している、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項１４】
前記基板は、前記電磁エネルギー伝導性導波管から電気的に絶縁される、請求項１３に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項１５】
前記陥凹構造は、円錐、半ドーム、錐体、多角形、線形トラック、または円形トラック構成である、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項１６】
前記陥凹空隙は、真空下にあるか、または光透過性材料を含む、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項１７】
前記透過性材料は、不活性ガスである、請求項１６に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項１８】
前記基部面に隣接する透明オーバーコート保護層をさらに含む、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項１９】
前記電磁エネルギー収集は、前記陥凹構造の表面上に位置している、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項２０】
前記基板は、２つ以上の陥凹構造を含み、該陥凹構造は、陥凹構造のアレイを画定する、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項２１】
前記陥凹構造のアレイの中の各陥凹構造は、隔離アノードから離間されたカソードを含む、請求項２０に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項２２】
各陥凹構造は、１つの電磁エネルギー伝導性導波管を含み、該１つの電磁エネルギー伝導性導波管は、該陥凹構造の該電磁エネルギー伝導性導波管と電気的に連絡している、請求項２１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項２３】
前記電極は、前記電磁エネルギー伝導性導波管から離間された平面を含む、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項２４】
前記電極は、前記平面からの突起をさらに含み、該突起および前記電磁エネルギー伝導性導波管は、第１の間隙を画定し、該平面と該電磁エネルギー伝導性導波管とは、第２の間隙を画定する、請求項２３に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項２５】
前記第１の間隙は、前記第２の間隙よりも小さい、請求項２４に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項２６】
前記陥凹空隙に光学的に露出している前記電磁エネルギー伝導性導波管の一部分は、金属・絶縁体・金属（ＭＩＭ）層を含む、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項２７】
前記陥凹空隙に光学的に露出している前記電磁エネルギー伝導性導波管の一部分は、メタマテリアル構造を含む、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項２８】
前記陥凹空隙に光学的に露出している前記電磁エネルギー伝導性導波管の一部分は、該陥凹構造の中での光の捕捉を向上させるように構成される湾曲または傾斜した上縁または底縁を含む、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項２９】
前記電場強化領域は、量子機械的トンネル接合を含む、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項３０】
前記電場強化領域は、前記１つ以上の傾斜壁面によって画定される、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項３１】
前記電場強化領域は、前記表面の残りと比較して鋭い先端を有する、請求項１に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項３２】
光学アンテナであって、
該光学アンテナは、
先細構造を有する幾何学的導波管であって、該幾何学的導波管は、電磁放射の遠隔場から近接場までの捕捉のために構成され、該先細構造は、第１の部分と、第２の部分と、該第２の部分またはその付近に位置する電場集中領域とを含み、該第１の部分は、第１の幅を有し、該第２の部分は、第２の幅を有し、該第１の幅は、該第２の幅よりも大きい、幾何学的導波管と、
該幾何学的導波管に隣接する接地面であって、該接地面は、該幾何学的導波管への該電磁放射の印加に基づく該電場集中領域からの電子の放出時に、電子を収集するように構成される、接地面と
を含み、
該導波管の該第２の部分と該接地面とは、相互から電気的に絶縁される、光学アンテナ。
【請求項３３】
前記導波管の前記第２の部分と前記接地面とは、間隙を画定する、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項３４】
前記幾何学的導波管の曲率は、前記第２の部分に向かって変化する、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項３５】
表面特徴をさらに含み、該表面特徴は、前記先細構造の壁に沿って表面プラズモン波を提供するように構成される、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項３６】
前記幾何学的導波管は、プラズモン導波管である、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項３７】
前記先細構造は、金属・絶縁体・金属（ＭＩＭ）層を含む、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項３８】
前記電場集中領域は、前記第２の部分またはそれに隣接する先端を含む、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項３９】
前記光学アンテナは、複数の幾何学的導波管を有する光学アンテナのアレイを含む、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項４０】
前記複数の幾何学的導波管は、剛性または可撓性の基板の中に形成される、請求項３９に記載の光学アンテナ。
【請求項４１】
前記光学アンテナのアレイは、該アレイに入射する電磁放射の方向性の等角写像または感知を介した、電磁近接場操作のために構成される、請求項３９に記載の光学アンテナ。
【請求項４２】
前記接地面は、前記幾何学的導波管の電子放出領域に隣接して配置される、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項４３】
前記幾何学的導波管は、カソードを含み、前記接地面は、前記光学アンテナのアノードを含む、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項４４】
前記光学アンテナアレイは、不良なセルを有するクラスタを迂回するようにクラスタ化される、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項４５】
前記先細構造は、円形、楕円形、三角形、正方形、長方形、五角形、六角形、七角形、八角形、九角形、および十角形から成る群より選択される断面形状を有する、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項４６】
前記先細構造は、溝を含む、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項４７】
前記先細構造は、１つ以上の波形表面を含む、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項４８】
前記先細構造は、該先細構造の先細表面のうちの１つ以上の表面上にナノ構造を含む、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項４９】
前記ナノ構造は、量子ドット、量子ウェル、ナノ繊維、ナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノドットから成る群より選択される、請求項４８に記載の光学アンテナ。
【請求項５０】
前記先細構造は、該先細構造の１つ以上の表面上に金属絶縁体金属酸化物（ＭＩＭＯ）を含む、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項５１】
前記先細構造は、該先細構造の前記先細表面のうちの１つ以上の表面上にメタマテリアル共鳴構造を含む、請求項３２に記載の光学アンテナ。
【請求項５２】
電磁場集中装置であって、
該電磁場集中装置は、
１つ以上の導波管であって、該１つ以上の導波管のうちの個々の導波管は、１つ以上の傾斜面を含む基板を有し、該１つ以上の傾斜面は、該基板の第２端に向かって該基板の第１端から離れる方向に先細になり、該１つ以上の傾斜面は、電磁放射を収集するように構成される陥凹空隙を画定し、該１つ以上の傾斜面は、電磁放射伝導性材料から形成される、１つ以上の導波管と、
該１つ以上の導波管に隣接する電極であって、該電極は、該１つ以上の導波管への電磁放射の印加に基づいて生成される電子を収集するように構成される、電極と
を含み、
該電極および該第２端は、該導波管と該１つ以上の導波管のうちの該個々の導波管との間に間隙を画定し、
該電磁場集中装置は、該電極に隣接する電磁場強化構造を含む、電磁場集中装置。
【請求項５３】
前記陥凹空隙の曲率は、前記第２端に向かって変化する、請求項５２に記載の電磁場集中装置。
【請求項５４】
前記第１端は、第１の幅を有し、前記第２端は、第２の幅を有し、該第１の幅は、該第２の幅よりも大きい、請求項５２に記載の電磁場集中装置。
【請求項５５】
前記電極は、前記電磁場集中装置のアノードである、請求項５２に記載の電磁場集中装置。
【請求項５６】
電場強化エネルギー収集デバイスであって、
該電場強化エネルギー収集デバイスは、
第１端、および該第１端の反対側の第２端を有する少なくとも１つの陥凹構造を含む支持構造であって、該陥凹構造は、該第１端から離れる方向下向きに先細になる１つ以上の傾斜壁面を有し、該傾斜壁面は、陥凹空隙を画定し、該陥凹空隙は、空であるかまたは光学的に透明もしくは半透明な材料で充填され、該１つ以上の傾斜壁面は、該第２端またはその付近において、相互に接触または極近接し、該１つ以上の傾斜面は、該陥凹空隙に光学的に露出している電磁エネルギー伝導性導波管を含む、支持構造と、
該支持構造に隣接する電極であって、該電極は、該少なくとも１つの陥凹構造への電磁放射の印加に基づいて生成される電子を収集するように構成され、該電極は、該電磁エネルギー伝導性導波管から離間されている、電極と
を含み、
該電場強化エネルギー収集デバイスは、該電極に隣接する電場強化構造を含む、電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項５７】
前記第２端は、電場強化領域を含む、請求項５６に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項５８】
前記電場強化領域は、実質的に鋭い先端を含む、請求項５７に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項５９】
前記陥凹空隙の曲率は、前記第２端に向かって変化する、請求項５６に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項６０】
前記陥凹空隙は、円錐形状を有する、請求項５６に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項６１】
前記支持構造は、基板である、請求項５６に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項６２】
前記支持構造は、光透過性材料から形成される、請求項５６に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項６３】
電場強化エネルギー収集デバイスであって、
該電場強化エネルギー収集デバイスは、
導波管のアレイであって、該アレイの個々の導波管は、該個々の導波管の第２端に向かって該個々の導波管の第１端から離れる方向に先細になる１つ以上の傾斜面を含み、該１つ以上の傾斜面は、陥凹空隙を画定し、該１つ以上の傾斜面は、電磁放射伝導性材料から形成され、該個々の導波管は、電磁放射を収集し、該第１端から該第２端まで方向付けるように構成される、導波管のアレイと、
該導波管のアレイに隣接する電極であって、該電極は、該導波管のアレイの中の各導波管から電気的に絶縁され、該電極は、該アレイへの電磁放射の印加に基づいて生成される電子を収集または方向付けるように構成される、電極と
を含み、
該電場強化エネルギー収集デバイスは、該電極に隣接する１つ以上の電場強化構造を含む、電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項６４】
前記陥凹空隙の曲率は、前記第２端に向かって変化する、請求項６３に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項６５】
前記導波管のアレイは、基部面を有する支持構造の中に形成され、該導波管は、該基部面と前記電極との間に配置される、請求項６３に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項６６】
前記基部面は、光学的に透明または半透明な材料を含む、請求項６５に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項６７】
前記基部面は、インジウムスズ酸化物を含む、請求項６３に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【請求項６８】
前記電極と電場強化特徴との間の非伝導性領域内に伝導性金属構造をさらに含む、請求項６３に記載の電場強化エネルギー収集デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／３５２，６９７号（２０１０年６月８日出願）の優先権を主張し、この出願は、その全体が本明細書に参照することによって援用される。
【背景技術】
【０００２】
従来、紫外線（ＵＶ）、可視、および赤外線電磁または光エネルギーは、収集される所望の光子エネルギーに同調されたバンドギャップを有する半導体を使用して収集される。代替として、光エネルギーは、吸収体によって熱エネルギーに変換されてもよく、次いで、熱エネルギーは、スターリングエンジン、蒸気エンジン、または他の方法等の従来の熱エネルギーコレクタによって、収集されてもよい。これらの主要な太陽エネルギー収集技術は、１）無機半導体ベースの太陽光（「ＰＶ」）発電、２）有機ベースのＰＶ発電、３）カーボンナノチューブおよび量子ドットを含む、ナノ技術、および４）太陽熱または太陽集光器技術として、さらにグループ化されてもよい。シリコン（半導体ベースの）ＰＶ技術、太陽熱技術、および太陽集光器技術は、最も広く使用されている、現在市販の成熟技術である。
【０００３】
場合によっては、光起電力技術は、光からエネルギーを収集するために、ｐ型ドープおよびｎ型ドープ半導体材料によって生成される離散バンドギャップを使用する。一般的な無機ＰＶ効率は、単一接合セルについて１０％から、三重接合ＰＶセルについて最大約２８％に及んでもよい。ＰＶ技術は、バンドギャップエネルギー収集制限によって、および半導体電気抵抗によって、３３％未満のエネルギー収集効率に物理的に限定される。
【０００４】
加えて、半導体ベースのＰＶは、使用される材料および製造過程と関連付けられる高い費用を有する。材料費は、純ウエハを生産するための高い費用、および希少で高価な材料の使用を含む。製造費は、半導体設備を建造するための莫大な資本費、使用される毒性物質の制御、および製造されている間に不純物が製品をドープするのを防止するための清浄度要件を含む。集積回路（ＩＣ）が機能することを可能にするために必要とされる、全てではないにしてもほとんどの特徴が、小領域中に位置し得、多くのデバイスが単一のウエハ上で生産されるため、これらの費用は、ＩＣ電子機器にとって妥当であり得る。
【０００５】
ＩＣ電子機器の必要性とは対照的に、太陽光収集技術は、光を収集するために大きな表面積を必要とする。大表面積要件は、ＰＶベースの太陽エネルギーを生成するための表面積費により高価な過程を使用するデバイスに、固有限界を提供する。したがって、多くのエネルギー市場のための無機ＰＶの使用に対する費用制約がある。
【０００６】
現在のＰＶ技術にとっての別の主要な弱点は、ＰＶデバイスの処理中、および最終ＰＶ製品の中の毒性物質の使用である。現在のＰＶデバイスの生産終了後に、そのようなデバイスに含有される環境的毒性または危険性物質が、環境廃棄問題を生じる。
【０００７】
光子エネルギーを収集するために使用されてもよい別のカテゴリの技術は、電圧強化電場放出を使用するセンサを含む。そのようなデバイスは、光電効果を使用して、一般的に低強度の光子を検出するために、高い電圧を使用する。そのようなデバイスは、正味エネルギー損失を有し、外部電源を使用して信号を増幅する。これらのデバイスは、それらが生成するよりも多くの電力を消費し、エネルギーコレクタほど有用ではない。
【０００８】
別のカテゴリの技術は、既存の検出器上での電場強化が光検出器の性能を向上させ得るという最近の発見に基づく。この強化の方法は、所望の場所で電場を強化するために表面構造を使用する。このカテゴリの技術に従って生成される強化電場は、デバイスにおいて、さらに優れた電子移動度を可能にする。
【０００９】
従来のアンテナは、アンテナ構造から（へ）遠隔場へ（から）の電流を変換するが、光学アンテナはまた、接触センサによる画像およびタッチスクリーンディスプレイ等の近接場用途に使用されてもよい。アンテナ構造は、さらなる統合融通性を与え、マクロスケールでの光学アンテナアレイの幾何学形状の活用を通して電磁場操作を可能にするように、剛性または可撓性基板、金属、および誘電体層を使用して設計されてもよい。単位セルレベルでのマイクロ幾何学的構造およびアレイレベルでのマクロ幾何学的特徴のそのような組み合わせは、アレイの実効誘電率および透磁率の仮想値を定義することにおいて、さらなる自由度を提供する。例えば、光学アンテナ効率を向上させ、空気および内側界面における電磁吸収および屈折の操作を可能にするために、光スペクトル内の分散特性を伴うメタマテリアル構造の内層を使用する。さらに、光学アンテナは、１）熱変換、２）金属のプラズモン周波数の使用、または３）そのような構造を構築するために使用される材料の量子的性質の活用を伴って、および伴わずに、そのような変換を行ってもよい。
【００１０】
これらの技術と同じくらい有望である、大部分は、半導体ＰＶ技術と同じ固有の効率制限を課す、離散量子エネルギー帯を使用して、光を収集することに制限される。接合点またはウェルの数を増加させることは、バンドギャップの数を増加させ、使用可能なエネルギーを増加させ、可視光スペクトルにわたって効率増加をもたらす。無機半導体と同様に、それぞれの新しいウェルまたは接合点が、それより下側のウェルまたは接合点に干渉（マスク）し、光および自由電荷の両方の経路長を増加させる場合がある、層を作成し、それが吸収および電気抵抗からの損失を増加させるため、このアプローチには弱点がある。さらに、ナノ技術および量子ドットには、依然として、毒性、製造する能力、および効率に関する問題がある。
【００１１】
これらの光学アンテナの基部構造は、より経済的に、かつ高収量で製造され得、サイズ、費用、効率、または精度が関連する種々の用途で、これらの小型で単純な構造が使用されることを可能にする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本明細書で開示されるシステムおよび方法は、ディストレスト（ｄｉｓｔｒｅｓｅｄ）電場源から電子放出を生じるように、電場集中方法を使用して入射電磁場からエネルギーを産生する光学アンテナに関する。そのような光学アンテナは、光を捕捉し、電流または電圧のいずれか一方を使用してそれをエネルギーに変換するか、または印加された電流（電圧）または極めてディストレストの電磁場からから光を発するように、伝導性および誘電体層を使用して形成されたナノ構造に基づく。
【００１３】
いくつかの実施形態では、光の電磁（ＥＭ）場は、光子コレクタおよび変換設計の物理的特徴によって局所的に強化される。実施形態では、光の電磁波性質を使用して、光波の電場および磁場は、導体と絶縁体または誘電体層との間の構造的幾何学形状および層形成を使用して強化される。別の実施形態では、金属被覆されたナノ球状粒子が、入射電磁波への電子の集団結合を生成する。場合によっては、粒子および金属のサイズが、プラズモン波とも呼ばれる、この結合の特性を決定する。別の実施形態では、プラズモン波は、強力な局所電場強化を生成する。
【００１４】
いくつかの実施形態では、プラズモンの活用を伴って、および伴わずに、光学アンテナ機能性を伴う導波管を使用して、電場強化が生成される。入射光は、導波管の形態の構造の中で捕捉され、広い範囲の周波数範囲にわたって共鳴し、より多くの光が捕捉され、構造の一部の上での電場の高い集中を通して電流に変換されることを可能にし、したがって、全体的な効率を向上させる。プラズモンは、金属および誘電体の界面で発生する。適切な状況下では、光波が、金属の表面において光波と可動電子との間の共鳴相互作用を誘導する。光学アンテナ構造に応じて、これらの共鳴は、構造の中で、または高次モードの励起を通して捕捉された、導波管の性質と関連付けられる広い範囲の周波数範囲に及ぶ。相互作用は、表面プラズモンを生成する。したがって、表面上の選択的幾何学形状を使用して、金属は、周波数依存性共鳴吸収を誘導する。
【００１５】
いくつかの実施形態で説明されるシステムおよび方法は、一般には電磁放射の収集効率、より具体的には可視光の収集効率を向上させる。場合によっては、この効果は、１）量子バンドギャップ制約を除去し、電磁放射のスペクトルを利用すること（例えば、可視波長には、可視および近可視スペクトル全体を利用すること）、および／または２）アンテナ構造と、誘導電流を収集することに関与する隣接要素との間の整合を向上させることにより、自由電子の抵抗を低下させることによって達成される。整合、放射場、方向性、効率等の従来のアンテナパラメータを伴って、ディストレスト電場、電場集中、および強化電場の間には直接的な因果関係がある。加えて、ある場合においては、本明細書で説明されるシステムおよび方法は、半導体材料を必要としない、または含まない。場合によっては、半導体材料の欠如は、従来の半導体ベースの太陽光発電よりも有意に安価であるデバイスをもたらす。いくつかの潜在的な用途では、半導体が好ましい選択である。
【００１６】
いくつかの実施形態では、本明細書で説明されるシステムおよび方法は、電子放出を生成するように、強化電場を使用して電磁エネルギーを収集する。場合によっては、本明細書で説明されるシステムおよび方法は、導体の中で局所電場強化を生成して、電磁スペクトルからエネルギーを捕捉するために、入射電磁波の規模の特徴サイズを使用する。言い換えれば、本明細書で説明されるシステムおよび方法の特徴サイズ、構造的特徴、使用される材料、および／または幾何学形状（例えば、陥凹構造の幅、長さ、直径、形状、深さ、下降角度等、陥凹構造の間の距離、アノードの形状または接続性等）は、全体的なエネルギー収集を向上させ、エネルギーが光のある波長から収集される方式および効率を向上させるようにシステムを同調させ、電流への効率的な変換を可能にするように合致させる等のために、調整可能である。
【００１７】
いくつかの実施形態では、電場は、高電場強度の領域を生成するデバイスの幾何学形状を用いて、導体の中で捕捉される。電場の強度は、間隙を横断して接地面へ、または界面を通して電流ポートへ電子放出を引き起こし、電位差および電流を生成することに十分である。いくつかの実施形態では、本明細書で説明されるシステムまたは方法は、紫外線、可視、および／または赤外線光を収集するために利用される。例えば、特定の特徴サイズおよび幾何学形状は、単一の幾何学形状を使用して、紫外線（ＵＶ）、可視、および／または赤外線（ＩＲ）光のスペクトル全体が捕捉される、システムを提供する。
【００１８】
本明細書で提供されるシステムおよび方法は、例えば、太陽エネルギー収集、センサ、近接場撮像、タッチスクリーン、クローキング、集中電磁エネルギー収集、および光・電気信号変換を含む、種々の設定で適用可能である。別の実施例として、本明細書で提供されるシステムおよび方法は、電力を必要とする用途に、または他の電磁センサおよびシステム用途に使用される。
【００１９】
一側面では、電場強化エネルギー収集デバイスまたはシステムであって、
基板であって、
該基板は基部面を備え、
該基部面は、基部面から離れる方向下向きに先細になる１つ以上の傾斜壁面を有する陥凹構造を備え、その傾斜壁面の間に陥凹空隙が形成され、
陥凹空隙は、空であり、または透明もしくは半透明な材料で充填され、
該１つ以上の傾斜壁面は、基部面からのある距離において接触、または近接しており、
該１つ以上の傾斜面は、電磁エネルギー伝導性導波管材料を備え、
電磁エネルギー伝導性導波管材料は、陥凹空隙に光学的に露出している、基板と、
アノードであって、該デバイスは、該アノードと陥凹構造の電磁エネルギー伝導性導波管材料との間に間隙を備える、アノードと
を備える。
【００２０】
いくつかの実施形態では、デバイスの電磁収集領域は、平面（例えば、基部面）を横断する光学アンテナ構造および（例えば、陥凹構造内の）導波管のアレイを備える。ある実施形態では、本明細書で説明されるシステムまたはデバイスの陥凹構造、光学アンテナ構造、導波管、アノード、または他の部分は、収集される電磁スペクトルに合わせられる。好ましくは、陥凹構造は、円錐構造、錐体、あるいは他の傾斜している、または先細である多角形構造等の、１つ以上の傾斜または先細構造を備え、導波管は、１つ以上の傾斜または先細構造の表面上に存在し、または表面に光学的に露出している（すなわち、光がそれに到達してもよい）。そのような光学アンテナは、導体および絶縁体が潜在的に異なって挙動する光周波数で動作することを除いて、無線周波数（「ＲＦ」）ホーンアンテナと同様である。いくつかの実施形態では、基部面と陥凹構造の内壁面との間の角度（図３ＡのΘを参照）は、約９０°、または約７０°から８５°の間、または約５４°から７０°の間、または９０°未満等である。場合によっては、陥凹構造の最上部から底部までのサイズ（深さ）が、収集される光の波長を（少なくとも部分的に）決定する、またはそれに影響を及ぼす。場合によっては、頂面はさらに、構造の中の光の捕捉をさらに向上させるように、湾曲または傾斜縁を組み込む。場合によっては、底面はさらに、電子放出レベルでの電場強度、および電気回路インターフェースとの整合条件をさらに向上させるように、湾曲または傾斜縁を組み込む。場合によっては、これらの構造は、電磁エネルギー収集のスペクトルの収集を提供または促進する。概して、これらの構造は、本明細書で説明されるシステムおよびデバイス用のカソードまたは電子エミッタを形成する。
【００２１】
加えて、場合によっては、これらの構造のうちの２つ以上の間の間隔（少なくとも２つの陥凹構造の基部面寸法を提供する、図３Ａの３１１を参照）が、他の波長に対する共鳴領域を作成する。言い換えれば、ある場合において、傾斜構造は、１つの波長のスペクトルを収集し、それらの間の距離は、別のスペクトルを収集し、したがって、複数の波長の収集を提供または促進する。場合によっては、単位セルレベルでの光学アンテナ構造は、アレイの中の点によって異なり、空気または内層界面における電磁場吸収および伝搬の高等な操作を可能にする。
【００２２】
付加的な実施形態は、管構造を含む（例えば、Θが９０°である）。場合によっては、管構造は、形状が円形、楕円形、または多角形である。先細構造の代わりに、このオプションは、楕円形または多角形に対して、１つの幅または限定数の幅を有する。ある実施形態では、そのような構造は、特定の波長からエネルギーを収集するために好適なデバイスまたはシステムを提供する。ある場合において、設定された距離を伴うそのような構造のアレイ（例えば、複数の異なる基部面寸法および／または幾何学形状を有する）もまた、収集される付加的な特定の波長を提供する。いくつかの実施形態では、そのようなシステムは、センサとして、または特定の種類／波長の光からのエネルギーが収集されるエネルギー収集デバイスで、有用である。ある場合において、これらのデバイスのアレイの幅を変化させることは、特定のサイズを有する各デバイスからの信号強度を決定することによって、波長特有の情報を収集することを可能にする。そのようなものとして、このようなデバイスは、任意で、特定の周波数検出器で利用される。
【００２３】
ある実施形態では、収集構造（陥凹構造）は、円形断面を有する円錐形であるが、他の実施形態では、収集構造は、例えば、正方形、楕円形、五角形、多角形、または放物線等の他の形状を有する。場合によっては、収集構造の先細断面は、表面に沿った複数の場所で収集される各波長に対するノードを作成する。場合によっては、収集構造はさらに、電子放出レベルでの電場強度、および電気回路インターフェースとの整合条件をさらに向上させるように、湾曲、らせん、または傾斜縁を組み込む。場合によっては、構成は、収集表面の大部分が円錐によって覆われるように、多くの構造を密接してぎっしり詰める。ある用途では、六角形等の先細多角形構造は、充填密度を増加させるためにより有利である。付加的な実施形態は、共鳴領域を変化させるように、またはノードを作成して、特定の周波数を他の周波数と比べて強化するように、不均一な領域を含む。
【００２４】
いくつかの実施形態では、構造は、三角形または放物線であるトラックである。場合によっては、デバイスは、同心またはらせん円、正方形、または他の構造で製造される。これは、デバイスが、損傷の影響を制限することができる、またはデバイスの製造も容易にすることができる、いくつかの隔離領域を有することを可能にする。場合によっては、デバイスの中への構造の実施形態は、不良なセルを迂回するようにクラスタ化される。一般に、製造過程は、製造中にいずれのセルも短絡させられないことを規定するが、いくらかが開回路に存在する場合がある。
【００２５】
好ましい広域スペクトルエネルギー収集の実施形態について、構造は、構造の基部が最上部にあり、構造が下向きに先細になるように、反転させられる。最上部における基部は、太陽または光エネルギー源に対面する。場合によっては、上部基部直径（または他の断面寸法、すなわち、陥凹構造の基部面寸法）はおよそ、電磁スペクトルの赤外線（ＩＲ）部分、可視部分、および紫外線（ＵＶ）部分を含む、収集された光の最長波長である。可視部分については、導波管基部（または基部面寸法）は、一実施形態では、約１０００ナノメートル（ｎｍ）から６００ｎｍまで、または約８００ｎｍから７５０ｎｍまでの間である。寸法は、紫外線光に対しては、より短い。いくつかの実施形態では、赤外線収集については、基部は、１ミクロンよりも大きい、または１ミクロンを上回る。ある場合においては、より多量の領域が赤外光専用であるため、１ミクロンを上回る、基部におけるこのサイズの増加は、可視光の収集効率を減少させる。そのようなものとして、導波管収集寸法を選択する時に、収集される周波数の所望の範囲が考慮される必要がある。
【００２６】
ある場合において、ホーンアンテナと同様である傾斜幾何学形状は、入射スペクトルの一連の波長が、光の各波長に対応する導波管構造の中にそれぞれの直径または幅を伴うトラップ領域を有する、環境を生成する。場合によっては、この捕捉は、頂面または底面において傾斜または円筒表面を組み込むことによって、あるいは傾斜幾何学形状の内面に沿って溝または何らかの種類の表面粗度を含むことによって、あるいは内側に沿ってメタマテリアル共鳴構造または金属・絶縁体・金属（「ＭＩＭ」）層を含むことによって、さらに強化される。
【００２７】
場合によっては、導波管構造は、所望の収集特性によって決定される厚さを伴う導体（例えば、電磁エネルギー伝導性材料）を備える。ある実施形態では、厚さはおよそ、伝導媒体の中の電磁表皮深さの波長である。具体的実施形態では、導波管の壁に使用不可能な導体は、金、銀、銅、およびアルミニウム等の金属を含む。他の実施形態では、他の金属材料も使用される。例えば、グラフェンは、非常に低い抵抗の光トラップを作成する、特定の相対論的量子電気力学特性を有する。好適な場合において、伝導性表面の界面においてプラズモン波を生成する任意の材料が、入射波長および所望の収集スペクトルに応じて、異なる程度に機能する。いくつかの実施形態では、伝導性（または導波管）層は、ＳｉＯ２等の誘電体、あるいはプラスチックまたは別の非伝導性媒体等の何らかの他の容易に製造される材料のいずれか一方によって支持される。
【００２８】
１つの任意的なモードでは、複数の導体、複数の金属層、金属・絶縁体・金属（ＭＩＭ）層、またはメタマテリアルベースの層が、異なる材料層の間の界面で生成されるプラズモン波を修正する、ＭＩＭ層を用いて光を捕捉することをさらに強化する、またはＭＩＭ層に沿った電子量子トンネルを可能にするために使用される。好適な場合において、誘電体／金属または二元金属界面におけるプラズモン波と結合された金属の中の定在波が、各導波管構造の先端において高電場領域を生成する。伝導性材料界面におけるプラズモン波は、その波長に合致する円錐の領域にまだ到達していない、より短い波長の光に対する円錐に沿って導波管を生成する。ある場合において、導波管構造の先端構造における強化電場は、電子が間隙を横断して放出される、局所高電場領域を生成する。好適な場合において、間隙は、間隙の誘電強度およびデバイスの必要動作電圧に基づいて、デバイスに合わせられる。可視光に対する構成の具体的実施形態では、間隙距離は、収集される光の最短波長よりも小さいが、場合によっては、これよりも大きい間隙距離も機能する。この導波管先端は、電場エミッタ用のカソードを生成する。
【００２９】
好適な場合において、強化電場は、電子収集界面で適正な整合に達した時に、伝導性カソードからの電子を、間隙を横断してアノードまたは接地面に飛ばせる。いくつかの実施形態では、電子電流は、光の強度、導波管の幾何学形状および材料、誘電材料、２つの導体の間の距離、カソード・アノード間隙にわたる任意の電圧、およびその点での強化電場の関数である。ある実施形態では、電圧は、電場強度および誘電材料または真空間隙の関数である。
【００３０】
好適な場合において、接地面またはアノードは、放出された電子を収集する。接地面は、適切な整合条件を伴う負荷に接続される。いくつかの実施形態では、負荷は、有利に、モータ、バッテリ、貯蔵デバイス、または本明細書で開示されるエネルギーコレクタによって生成される電気エネルギーを収集する、あるいはセンサまたはタッチスクリーン用途の場合に電流強度を感知する、任意の他のデバイスである。一実施形態では、アノードは、カソードに向かって上を向く反転先細構造を有し、カソードは、円錐構造の電子放出先端である。これは、カソードとアノードとの間により高い電場撹乱を生成し、放出のための必要電場を低下させる。
【００３１】
システムおよび方法のある実施形態では、カソードおよびアノードは、カソードとアノードとの間の電場を変化させる電圧源に接続される。いくつかの実施形態では、この接続は、電圧を上昇させ、または種々の種類の適用負荷のための電子電流を増加させる。ある実施形態では、これはまた、アノードに電子を放出させ、電流を反転させる。好適な場合において、電圧の印加後に電流反転が必要とされる、一定の用途があり、これらの用途は、場合によっては、ＡＣ電圧調節または結合を含む。
【００３２】
本発明の側面によるシステムおよび方法は、添付図面に従って本明細書で開示される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の実施形態による、光（または電磁スペクトルの別の波長におけるエネルギー）が、上から反転先細構造の基部である導波管の中へ進入する、先細導波管収集構造の実施形態の斜視図を図示する。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、アノードを覆う導波管またはカソードのアレイの斜視図を図示する。
【図３】図３Ａおよび３Ｂは、本発明の実施形態による、それに沿ってカソードが位置する構造である、図２の導波管のアレイの断面立図を図示し、カソードと伝導性接地面（アノード）との間の誘電体を示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態による、収集円錐の先端における電場の強化を図示する。
【図５】図５Ａおよび５Ｂは、本発明の実施形態による、局所電場強化を増大させるように、各カソードを指し示す反転アノードを伴う先細導波管構造を示す。
【図６】図６は、本発明の実施形態による、接地面と収集構造の電子放出先端との間の間隙にわたって電圧を上昇させるために、低電流またはゼロ電流電圧源を使用する、システムの変化例用の電気回路を図示する。
【図７】図７は、本発明の実施形態による、導波管構造が光の波長のより狭いスペクトルを収集するように設計されており、この構造は、先細ではなく円筒である、特殊構造を示す。
【図８】図８は、各カソードが連続領域である、トラック構造を示す。放出領域は、本発明の実施形態による、デバイスの先細下部領域によって形成される。
【図９】図９は、本発明の実施形態による、光学アンテナの機能ブロック図を示す。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態による、マクロ幾何学形状に光学アンテナナノ構造を埋め込むことを概略的に図示する。
【図１１Ａ】図１１は、本発明の実施形態による、先細構造の変化例を図示する。
【図１１Ｂ】図１１は、本発明の実施形態による、先細構造の変化例を図示する。
【図１１Ｃ】図１１は、本発明の実施形態による、先細構造の変化例を図示する。
【図１２】図１２Ａは、本発明の実施形態による、電場強化領域を有する光導波管を図示する。図１２Ｂは、本発明の実施形態による、電場強化領域を有する光導波管を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図面および以下の説明は、本発明を実装するためのシステムおよび方法の好ましい実施形態を図示する。いくつかの実施形態では、他の形状および構成がまた使用されることにより、電磁波から電場を収集し、電子がディストレスト電場点または線から放出される伝導面より上側の局所電場領域に電場を集中させるという開示された効果を生成する。
【００３５】
本明細書で使用されるような「導波管」という用語は、電磁エネルギー等の波を誘導する構造またはデバイスを指す。
【００３６】
本明細書で使用されるような「電磁エネルギー」という用語は、波動の様な挙動を示すエネルギー形式である電磁放射を指す（本明細書では「光」も指す）。電磁放射は、電波、マイクロ波、赤外線放射、可視光、紫外線放射、Ｘ線、およびガンマ線を含む。電磁放射は、電磁相互作用量子および光の基部である光子を含む。
【００３７】
本明細書で使用されるような「隣接する」という用語は、接触しているか、または近接している等、隣にあるか、または接していることを含む。別の層、デバイス、または構造に隣接する層、デバイス、または構造は、他の層、デバイス、または構造の隣にあるか、またはそれに接している。実施例では、第２の構造に隣接する第１の構造は、第２の構造の直ぐ隣にある。本明細書で説明される任意のデバイスの隣接構成要素は、本明細書で説明される用途等のためにデバイスが機能するように、相互とそのように接触しているか、または近接している。場合によっては、相互に近接している隣接構成要素は、相互の２０ミクロン以内、相互の１０ミクロン以内、相互の５ミクロン以内、相互の１ミクロン以内、相互の５００ｎｍ以内、相互の４００ｎｍ以内、相互の３００ｎｍ以内、相互の２５０ｎｍ以内、相互の２００ｎｍ以内、相互の１５０ｎｍ以内、相互の１００ｎｍ以内、相互の９０ｎｍ以内、相互の８０ｎｍ以内、相互の７５ｎｍ以内、相互の７０ｎｍ以内、相互の６０ｎｍ以内、相互の５０ｎｍ以内、相互の４０ｎｍ以内、相互の３０ｎｍ以内、相互の２５ｎｍ以内、相互の２０ｎｍ以内、相互の１５ｎｍ以内、相互の１０ｎｍ以内、相互の５ｎｍ以内などにある。場合によっては、相互に近接している隣接構成要素は、真空、空気、ガス、流体、または固体材料（例えば、基板、導体、半導体など）によって分離される。
【００３８】
本明細書で使用されるような「電場強化領域」という用語は、導波管または導波管と光学的に連絡している構造の中の電場を強化または集中させる構造またはデバイスを指す。
【００３９】
本明細書で使用されるような「電極」という用語は、それを通って電子がデバイスまたは構造に進入、またはそこから退出する導体を指す。場合によっては、電極は、デバイスのアノードを含む。他の場合において、電極は、デバイスのカソードを含む。
【００４０】
（電場強化エネルギー収集デバイス）
本発明の一側面では、電場強化エネルギー収集デバイスが提供される。実施形態では、電場強化エネルギー収集デバイスは、基板を備える。基板は、基部面から離れる方向下方に先細になる１つ以上の傾斜壁面を有する少なくとも１つの陥凹構造を有する基部面を備え、その傾斜壁面の間には陥凹空隙が形成されている。陥凹空隙は空であり、または透明もしくは半透明材料によって充填されている。１つ以上の傾斜壁面は、基部面に接触または極近接している。１つ以上の傾斜面は、電磁エネルギー伝導性導波管材料を備え、電磁エネルギー伝導性導波管材料は、陥凹空隙に光学的に露出している。デバイスは、基板に隣接する電極をさらに含む。場合によっては、電磁エネルギー伝導性導波管材料は、デバイスのカソードを含み、電極は、アノードを含む。代替として、電磁エネルギー伝導性導波管材料は、アノードを含み、電極は、カソードを含む。デバイスは、アノードと陥凹構造の電磁エネルギー伝導性導波管材料との間に距離（「間隙」）を備える。いくつかの状況において、間隙の距離は、約１００ナノメートル（「ｎｍ」）を下回り、最適な距離は材料形式に依存する。実施形態では、平滑面について、距離は、約１ｎｍから６０ｎｍ、または５ｎｍから３０ｎｍの間である。ある実施形態では、距離（「間隙」）は、約１ｎｍから約５００ｎｍ、約１ｎｍから約２００ｎｍ、約１ｎｍから約１００ｎｍ、約１ｎｍから約５０ｎｍ、約１ｎｍから約２０ｎｍ、約２０ｎｍから約１００ｎｍ、約２０ｎｍから約５０ｎｍ、約２０ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、または任意の好適な距離である。電子が導波管材料からアノードに放出するいくつかの場合では、距離（「間隙」）は、約１ｎｍから約５００ｎｍ、約１ｎｍから約２００ｎｍ、約１ｎｍから約１００ｎｍ、約１ｎｍから約５０ｎｍ、約２０ｎｍから約１００ｎｍ、約２０ｎｍから約５０ｎｍ、約５０ｎｍ未満、または任意の好適な距離である。電子が導波管材料からアノードにトンネル作用するいくつかの場合では、距離は、約１ｎｍから約５０ｎｍ、約１ｎｍから約２０ｎｍ、約２０ｎｍ未満、または任意の好適な距離である。
【００４１】
図９は、本発明の実施形態による、本明細書で提供される光学アンテナの機能ブロック図を示す。図は、幾何学的導波管による遠隔場から近接場までの光捕捉のための３つの基本構成ブロックを示す。表面プラズモンの任意的な励起が、選択された金属および誘電体基板の共鳴周波数に応じて発生する。接地面の近傍に位置する間隙につながる電場集中領域は、電子を接地面の表面に解放するために共鳴場を集約することに関与する。電子はまた、幾何学的導波管の内層に沿う、および／または接地面より上側の金属・絶縁体・金属（「ＭＩＭ」）層の材料および／または構成を選択することによって、量子機械的トンネル（本明細書ではまた「量子トンネル」）を介して解放（または生成）される。これらの構成ブロックの機能性、およびそれらの対応相互接続は、従来の近接場または光起電力効果とは基本的に異なる。さらに、場合によっては、そのようなナノ構造光学アンテナは、統合との付加的な融通性を可能にするように、剛性または可撓性シートまたは基板上でアレイとして加工される。実施例では、可撓性シートは、等角写像または入射光の方向性の感知を介した電磁近接場操作を可能にするように、図１０で描写されるもの等の所与の幾何学形状に一致する。例えば、図１０では、ｙ軸と平行なベクトルに沿って伝播する入射電磁エネルギー（「光」）は、負のｙ軸に沿って位置するナノ構造によって、より効果的に捕捉される。場合によっては、そのようなナノ構造は、入射信号の方向性をより効果的に感知する。いくつかの用途では、これは、入射光の方向性の写像または感知を可能にする。つまり、ｙ軸に沿って配向された導波管は、ｙ軸に沿って配向された光に応答して電子を感知できるほどに（または検出できるほどに）生成しない、ｘ軸に沿って配向された導波管よりも多くの単位時間当たりの電子（または「電流」）を生成する。どの導波管または導波管のグループが最も多くの電流を生成するかを決定することによって、入射光の方向性が決定される。
【００４２】
いくつかの実施形態では、電極と電場強化エネルギー収集デバイスの電磁エネルギー伝導性導波管材料との間の間隙は、真空空隙、基板、またはそれらの組み合わせを備える。いくつかの実施形態では、電磁エネルギー伝導性導波管材料は、カソードである。他の実施形態では、カソードは、電磁エネルギー伝導性導波管材料から分離している。ある実施形態では、電磁エネルギー伝導性導波管材料および／またはカソードは、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃ、またはグラフェンから成る群より選択される１つ以上の材料等の伝導性材料を含むか、またはそれらから構成される。
【００４３】
いくつかの実施形態では、電場強化エネルギー収集デバイスの基板は、非伝導性または半導体材料である。基板は、誘電体、プラスチック、セラミック、半導体、またはそれらの組み合わせを備える。
【００４４】
いくつかの実施形態では、陥凹構造の基部面寸法３１０（例えば、本明細書で説明されるシステムまたはデバイスの基部面における陥凹構造の幅、直径、長さ等、図３Ａの３１０を参照）は、任意の好適なサイズである。ある実施形態では、図３Ａの表面３０３上の開口部として画定される基部面寸法は、断面寸法（例えば、開口部が円形である場合は直径）、または縁寸法（例えば、多角形開口部の辺の長さ、または円形開口部の円周）等である。いくつかの実施形態では、基部面寸法（断面表面、例えば、円の直径、または縁寸法等）は、約５ｎｍより大きいか、約２０ｎｍより大きいか、または約１００ｎｍより大きいか、または約２５０ｎｍより大きいか、または約５００ｎｍより大きいか、または約１マイクロメートル（「ミクロン」）より大きいか、または２マイクロメートルより大きいか、または約５ｎｍから約５ミクロン（例えば、可視光に対して）、または約５ｎｍから約２０ミクロン（例えば、可視光および赤外線に対して）、または約５ミクロンから約２０ミクロン、または約１０ミクロンから約２０ミクロン（例えば、赤外線に対して）等である。
【００４５】
いくつかの実施形態では、電場強化エネルギー収集デバイスの基板は、電磁エネルギー伝導性導波管材料およびアノードの両方と接触している。ある実施形態では、陥凹構造は、円錐、錐体、多角形、線形トラック、または円形トラックである。
【００４６】
いくつかの実施形態では、陥凹空隙は、真空または不活性物質を含む。ある実施形態では、不活性物質は、不活性ガスまたは不活性固体である。
【００４７】
他の実施形態では、陥凹空隙は、有機ＰＶ材料等の半導体光起電（「ＰＶ」）材料を備える。ある実施形態では、有機光起電材料は、ＴｉＯ２および電解質を含む。
【００４８】
いくつかの実施形態では、電場強化エネルギー収集デバイスは、透明オーバーコート保護層をさらに備える。
【００４９】
いくつかの実施形態では、電場強化エネルギー収集デバイスの電磁エネルギー伝導性導波管材料は、陥凹構造の表面上に位置している。電場強化エネルギー収集デバイスは、複数の陥凹構造を備える。
【００５０】
いくつかの状況では、複数の陥凹構造の電磁エネルギー伝導性導波管材料は、基部面の反対側の基板の表面上で電磁エネルギー伝導性導波管材料によって相互接続される。ある実施形態では、複数の陥凹構造のそれぞれは、陥凹構造から離間されている隔離アノードを含む。実施形態では、隔離アノードは、間隙を用いて陥凹構造から離間される。間隙は、複数の陥凹構造からアノードを電気的に隔離する。場合によっては、これは、デバイスが画像生成センサの役割を果たすことを可能にする。
【００５１】
いくつかの実施形態では、アノードは、電磁エネルギー伝導性導波管材料から離間した平面を備える。
【００５２】
ある実施形態では、アノードは、磁エネルギー伝導性導波管材料から離間した平面を備え、さらに、平面からの突起を備え、アノード突起と電磁エネルギー伝導性導波管材料との間の間隙は、アノード平面と電磁エネルギー伝導性導波管材料との間の間隙よりも小さい。
【００５３】
例示的な図１は、本明細書で説明されるシステムおよび方法のある実施形態の先細導波管収集構造１００の斜視図である。収集構造は、基部１０２から頂点１０４まで先細になる、伝導性材料を含む。いくつかの実施形態では、伝導性材料は、薄い伝導膜である。いくつかの状況では、伝導性材料は、金、銅、銀、アルミニウム、グラフェン（１原子厚の平面シートの中の高密度に充填された炭素原子のハニカム結晶格子）、または導電性である他の炭素材料等の金属または金属材料を含む。いくつかの実施形態では、伝導性材料は、１つ以上の伝導性材料から成る。ある場合において、伝導性材料の厚さはおよそ、伝導媒体の中の電磁表皮深さの波長である。
【００５４】
図１に図示されるように、一実施形態では、先細収集構造１００は、基部１０２が最上部に位置し、頂点１０４が底部に位置するように反転させられている。円錐は、基部１０２が電磁放射（例えば、可視および／または赤外線光）に対して透過性であるように、最上部において「開いている」。いくつかの実施形態では、円錐は、光透過性材料（例えば、可視および／または赤外線光に対して透過性である）によって充填されている。好適な場合において、基部は、光（または電磁スペクトルの別の波長におけるエネルギー）が、最上部を通って導波管に進入し、先端エミッタに向かって伝播するように、太陽あるいは他の光または電磁エネルギー源に向かって方向付けられる。いくつかの実施形態では、図示した実施形態の基部は円形である。他の実施形態は、円錐内にノード点を生成するために非円形基部を提供する。一般的な導波管と違って、開示された導波管の共通特徴は、場合によっては、導波管が円形または多角形を有する点または開口部へと先細になることである。非円形断面を有する他の構成では、導波管は、ある場合において、線へと先細になる。
【００５５】
（円錐導波管）
例示的な図２は、本発明のある実施形態による、導波管１００のアレイ１１０の斜視図を図示している。図３Ａおよび３Ｂは、図２の導波管のアレイの断面立面図を図示する。以下で論議されるように、各導波管または１つ以上の導波管は、場合によっては、カソードとして機能する（代替として、カソードは、加えて、本明細書で説明されるデバイスに含まれる）。図３Ｂに示されるように、導波管の先端１０４は、間隙（またはスタンドオフ層）１２２によって伝導性（または伝導）接地面１２０から離間している。間隙１２２は、先端１０４と導性接地面１２０の頂面によって画定される。いくつかの実施形態では、この領域は、領域１２６と同じ材料を含む（図３Ｂ参照）。ある場合において、伝導接地面は、導電体を備え、アノードとして機能する。図３の一実施形態では、電子放出領域１２４は、各導波管（例えば、カソードとしての機能も果たす）とアノードとの間に位置している。いくつかの実施形態では、導波管は、スタンドオフ層１２２を含む誘電体基板１２６の中に形成され、またはその中にスタンドオフ層１２２が形成される。
【００５６】
電磁波は、好適な場合において、各個別の円錐導波管１００の広い開放端（基部）より上側から入射する。各入射電磁波１３０は、導電性材料を含む導波管の中にミラー電場を生成する。好適な場合において、先端断面の寸法（例えば、円形基部を有する円錐の直径）が電磁波の波長に等しくなるまで、光は、金属の界面において生成されるプラズモン波を介して、内向きに反射または誘導される。場合によっては、整合寸法は、図３Ｂに示されるように、波１３２を部分的に捕捉する定在波を生成する。さらに、波によって伝導性導波管の中に生成される電場は、好適な場合において、導波管の先端における頂点１０４に高電場領域を生成するために、他の波長における電磁エネルギーによって生成される電場と組み合わせられる。いくつかの実施形態では、導波管構造全体が、カソードまたは電子エミッタとして機能する。導波管先端に十分な局所電場強度があると、電子は、好適な場合において、間隙１２４を横断して接地面（アノード）１２０へと飛ぶように、金属の仕事関数を克服する。
【００５７】
いくつかの実施形態では、光の捕捉と電子放出との間の整合を最適化するために、およびアノード１２０からカソード頂点１０４への電子帰還を防止するために、真空下にあり、不活性ガスで充填され、間隙静電容量および整合条件をさらに強化するＭＩＭ、メタマテリアル構造、または他の幾何学的金属化によって層状にされる間隙１２４が、カソード先端とアノードとの間で使用される。ある場合において、間隙を備える材料は、幾何学形状および入射電磁波の強度の関数である電場強度に基づいて選択される。例えば、間隙は、不活性ガス等のガスで充填される。いくつかの実施形態では、ガスは、生成される電流をさらに強化し、電子放出エネルギーを低下させる付加的な電子生成の原因である。場合によっては、これはまた、カソード・アノード間隙にわたるスタンドオフ電圧を変化させるという効果も有する。
【００５８】
いくつかの実施形態では、図３Ｂの実施形態によって図示されるように、電気的絶縁（または誘電体）スタンドオフ１２２が、カソード１００の先端１０４とアノード１２０との間の必要距離を支持するために使用される。場合によっては、誘電体スタンドオフ用の材料の選択は、少なくとも部分的に誘電場強度および製造費の一方または両方によって決定される。いくつかの実施形態では、酸化ケイ素、プラスチック、および／またはセラミックが、誘電体スタンドオフ１２２として使用される。他の実施形態では、カソード先端１０４とアノード（接地面）１２０との間の距離は、光エネルギー収集用途に応じて、約１００ナノメートル（「ｎｍ」）未満、または９０ｎｍ、または８０ｎｍ、または７０ｎｍ、または６０ｎｍ、または５０ｎｍ、または４０ｎｍ、または３０ｎｍ、または２０ｎｍ、または１０ｎｍである。
【００５９】
理論に束縛されることを望まずに、図４は、導波管１００の先端１０４における強化電場を図示する。図４において、導波管の先端は、グラフで提示する便宜上、上を指している。図４の単位は、相対座標（０，０）に位置している先端の位置における最大電場に対して正規化される。カソードまたは導波管１００の中の導電性材料の中の自由電子が電磁波の電場と相互作用する場合において、好適なとき、金属のプラズマ周波数が電磁波周波数を上回る限り、自由電子は、電磁波の周波数で振動する。場合によっては、そのような共鳴現象は、先端において電場強化を生じさせる。いくつかの実施形態では、共鳴は、プラズモン結合を通らないが、光学アンテナの幾何学形状を通る。そのような場合において、共鳴は、アンテナホーン自体の様々なサイズの関数であり、先端において電場圧縮領域を生成する。
【００６０】
例示的な図５Ａおよび５Ｂは、本発明の実施形態による、上部基部２０２および下部先端（円錐頂点）２０４を有する円錐導波管コレクタ２００の詳細断面図を図示する。場合によっては、先端２０４は、図５Ａに示されるように、間隙２２２によって接地層（アノード）２２０から離間されている。場合によっては、先端は、図５Ｂ（２０４）に示されるような円形または多角形を有する開口部である。いくつかの実施形態では、導波管コレクタを形成する壁は、誘電体２３０と、金属層２３２とを備える。電場は、場合によっては、円錐頂点２０４に伝播する。プラズモン表面波は、金属表面波への光波の結合を生成し、それにより、導波管を生成する。プラズモン波は、周波数、材料、および厚さ等の種々の要因に依存している。プラズモンは、例えば、参照することにより本明細書に全体的に組み込まれる、Ｓ．Ｍａｉｅｒ，Ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ．（ＩＳＢＮ  ９７８−０３８７３３１５０８）（２００７）、Ｈ．Ａｔｗａｔｅｒ，“Ｔｈｅ  Ｐｒｏｍｉｓｅ  ｏｆ  Ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ”，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  ２９６  （４）：５６−６３（２００７）、およびＤｉｏｎｅ，Ｓｗｅａｔｌｏｃｋ，Ａｔｗａｔｅｒ  ａｎｄ  Ｐｏｌｍａｎ，Ｐｌａｓｍｏｎ  ｓｌｏｔ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ：Ｔｏｗａｒｄｓ  ｃｈｉｐ−ｓｃａｌｅ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｓｃａｌｅ  ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ  ７３，０３５４０７（２００６）で詳細に論議されている。
【００６１】
場合によっては、表面プラズモンは、入射光波の電磁場エネルギーを伝導性領域に結合し、導波管の伝導性領域２３２と、絶縁２３０、誘電体２３０、ガス（２０２）、または真空領域２０２とのいずれか一方の界面に沿って、エネルギーを伝播する。実施形態では、領域２３０は、収集される光の波長に対して半透過性である。場合によっては、領域２３０はまた、優先的に光のある波長を吸収して、光をフィルタにかけるか、またはフォトルミネセンス材料と同様に光をダウンシフトするための領域を生成するためにも使用される。いくつかの実施形態では、プラズモン表面波は、金属層を覆って薄い誘電体層または異なる伝導性材料（例えば、金属、半導体、グラフェン）を配置することによって、強化または修正される。誘電体および伝導性界面を横断する表面プラズモン波は、場合によっては、参照することにより本明細書に完全に組み込まれる、Ｐｅｎｄｒｙ，Ｍａｒｔｉｎ−Ｍｏｒｅｎｏ，Ｇａｒｃｉａ−Ｖｉｄａｌ，Ｍｉｍｉｃｋｉｎｇ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎｓ  ｗｉｔｈ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ，Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３０５，８４７（２００４）；ＤＯＩ：１０．１１２６／ｓｃｉｅｎｃｅ．１０９８９９９で示されているように、表面上の特徴によって制御される。いくつかの実施形態では、光捕捉および電子放出は、先細構造の最上および底部分において傾斜または円筒表面を組み込むことによって、あるいは傾斜幾何学形状の内面に沿って溝または何らかの種類の表面粗度を含むことによって、あるいは内側に沿ってメタマテリアル共鳴構造またはＭＩＭ層を含むことによって、さらに強化される。
【００６２】
図５Ａ等のいくつかの実施形態では、アノード２２０は、カソード先端２０４の向かい側にある平面であり、図５Ｂ等の他の実施形態では、アノード２３４は、コレクタ２００の中の光の伝播時に生成される電場をさらに強化するように、反転伝導性先端２３３を含む。一般に、カソード２０４とアノード２３４との間に電気スタンドオフを提供する間隙２３５がある。いくつかの実施形態では、間隙２３５は、ガス（例えば、不活性ガス）または他の材料（例えば、本明細書で説明されるような基板材料）で構成される、またはそれを含む。ある実施形態では、間隙２２２を横断して輸送する際に、設計が電子との材料の相互作用を必要としない場合に、真空が使用される。しかしながら、好適な場合において、電子と相互作用して電子を減速させるため、または電子からエネルギーを転送し、より多いが、より低いエネルギーを有する電子を生成するために、ガスが使用される。ある場合において、間隙の中の材料は、電場強度に影響を及ぼし、特定の入射光強度およびエネルギーに放出を合わせるように調整することを可能にし、したがって、環境に最終電子放出を合わせるように調整する。
【００６３】
いくつかの実施形態では、先細構造は、図１１Ａ、１１Ｂ、および１１Ｃに示されるような１つより多くの先細形状を有する。場合によっては、デバイスの基部面よりも近位にある先細は、第１の角度を有し、デバイスの基部面より遠位にある（または先端にある、あるいは先端より近位にある）先細は、基部面に対して直角等の第２の角度または他の形状（例えば、凸面、凹面、丸い、または同様の形状）を有する。場合によっては、先細構造の先端は、例えば、電場強度、したがって、電子放出を増加させるために、図１１Ｃに図示されるように、底面に向かう間隙を有するより鋭い先細領域を含む。図１１に図示される先細構造は、図５Ｂに図示されるように、間隙２２２によって接地面２２０から分離されている。接地面は、例えば、電子放出をさらに強化するために、最上のＭＩＭ層を含む。いくつかの実施形態では、間隙２３５は、真空を含み、ガス（例えば、不活性ガス）または他の材料（例えば、本明細書で説明されるような基板材料）によって充填される。ある実施形態では、間隙２２２を横断して輸送する際に、設計が電子との材料の相互作用を必要としない場合に、真空が使用される。しかしながら、好適な場合において、電子と相互作用して電子を減速させるため、または電子からエネルギーを転送し、より多いが、より低いエネルギーを有する電子を生成するために、ガスが使用される。ある場合において、間隙の中の材料は、電場強度に影響を及ぼし、特定の入射光強度およびエネルギーに放出を合わせるように調節し、したがって、環境に最終電子放出を合わせるように調節することを可能にする。
【００６４】
いくつかの実施形態では、アノードとカソードとの間の間隙は、約７６０トル未満、または１トル、または１×１０−３トル、または１×１０−４トル、または１×１０−５トル、または１×１０−６トル、または１×１０−７トル、または１×１０−８トル、または１×１０−９トルの圧力の真空下にある。場合によっては、間隙を画定するアノードおよびカソードの壁は、望ましい圧力の真空を提供するために密封される。圧力は、カソードとアノードとの間の領域における所望の放出を達成するように選択可能である。
【００６５】
非限定的で例示的な図１を介して、好ましくは、円錐導波管１００のある実施形態の様々な断面直径（または他の形状の断面を横断する距離）は、およそ収集される電磁放射の波長となる。円錐導波管の頂面から底部先端までの距離を変化させることは、整合条件および電子放出を向上させ得る。可視光を収集するために、円錐の内径は、いくつかの実施形態では、約８００ナノメートルから４００ナノメートル以下までの間で変化する。場合によっては、直径はまた、「ｎ」が整数であり、「λ」が電磁波の波長であるｎλ／２によって表される高調波ディメンジョンを有する波の高調波に基づいて、増加または減少させられる。一実施形態では、直径は、他の用途に対する波長の倍数である。ある実施形態では、頂点に最も近い内径は、円錐が紫外線範囲内の電磁エネルギーを収集できるように十分小さい。
【００６６】
ある実施形態では、導波管は、所望の光の収集周波数を上回るプラズマ周波数を有する導電性金属媒体を備える。プラズマ周波数ωｐｅ（ラジアン／秒）は、以下の
【００６７】
【数１】
2013534718.tif 000003
【００６８】
ように定義され、ここで、「ｎｅ」は電子密度であり、「ｅ」は電荷であり、「εｏ」は自由空間の誘電率であり、「ｍｅ」は電子の質量である。次いで、周波数は、ｆｐ＝ωｐｅ／２πである。
【００６９】
いくつかの実施形態では、例えば、金、銀、アルミニウム、箔金、または複合金属等の金属が、可視光コレクタに使用される。ある場合において、銅等のいくつかの金属は、明確な黄色を生じる可視域内のプラズマ周波数を有する。一部の状況において、そのような金属は、電磁スペクトルのうちの一部の収集を排除するので、完全スペクトル用途にとってあまり有利ではない材料である。他の状況において、そのような金属は、より高い周波数の光が除去される用途にとって好ましい候補である。そのような用途において、開示されたシステムは、特定または所定の周波数の光をフィルタにかける。金属および材料のプラズマ周波数は、当業者によって公知であり、収集される電磁放射のスペクトルに応じて選択される。
【００７０】
金属の厚さも考慮することが重要であり、不十分な量の金属は、基板の中への電磁エネルギーの有意量の転送を生成し得る。また、特に金属と陥凹空隙との間で、金属の平滑性も重要である。金属の光学特性は、金属表面が過剰に粗いか、または波形である場合に、変化するときがある。同様に、金属が薄く、およそ光周波数の表皮深さ以下である場合に、金属基板界面の粗度もまた、導波管の応答に影響を及ぼし得る。
【００７１】
加えて、本明細書において、図５Ａまたは５Ｂに示されるものと同様である構造のアレイからの電子放出が開示されている。
【００７２】
好適な場合において、電場が十分であるか、または局所の電子密度が十分であるときに、電子は、図１−３の実施形態において、カソード（導波管）１００の先端１０４からアノード（接地面）１２０まで放出される。いくつかの実施形態では、電場は、カソード・アノード経路と平行に図６の高抵抗電圧源２４２を配置することによって修正される。他の実施形態では、図６に示されるように、電圧源２４０は、直流（ＤＣ）源（例えば、バッテリ、あるいは異種金属または半導体バンドギャップからの固有電圧）２４２を備える。いくつかの状況において、ダイオード２４４が、アノードからカソードまでの電子の逆流を制限するように追加される。電圧源は、最上の伝導面２４６とアノードとの間でカソード・アノード経路と平行に位置している。いくつかの実施形態では、この電圧源はまた、外部（または外側）負荷への結合電流を生成する交流（ＡＣ）源である。いくつかの実施形態では、最上伝導面は、複数の導波管１００（図２）を相互接続する。非限定的実施例を介して、負荷２４８は、最上伝導面とアノード（接地面）との間に接続される。実施例では、負荷は、本明細書において提供されるデバイスおよび構造によって生成される電気エネルギー（または電力）を使用する任意のデバイスである。図６に図示される実施形態は、導波管がセンサ用途等の低強度環境において使用される場合に、特に有用である。代替実施形態（図示せず）では、２つ以上の導波管が直列に配置されることにより、生成された電圧を増加させる。
【００７３】
いくつかの実施形態では、図２および３に示されるもの等の複数の円錐導波管１００は、収集面積を最大化するために、可能な限り多くの表面積を占有するように密集させられる。他の用途では、導波管の間の間隔は、導波管の間の距離に依存している表面プラズモン波を生成するために使用され、付加的な共鳴モードを追加する。複数の導波管によって生成される電流は、光強度の関数、導波管で使用される幾何学形状および金属、スペクトルと関連付けられるエネルギー、および全体的な抵抗の関数である。いくつかの実施形態では、複数の導波管は、Ｍｙｌａｒシートと同様である二重金属誘電体層に先細幾何学形状を埋め込む単純な材料を使用して、製造される。ある実施形態では、デバイス全体の厚さは、４ミクロン未満、または１０００ナノメートル（「ｎｍ」）未満、または５００ｎｍ未満、または１００ｎｍ未満である。他の実施形態では、構造的支持を提供し、４ミクロン以上に全体的厚さを増加させるために、より厚いアノードが提供される。上記で論議されるように、ある実施形態では、先端１０４と接地面１２０との間の放出領域１２４の中で、真空またはガスが埋め込まれる。他の実施形態では、他の絶縁材料も使用される。いくつかの実施形態では、先端と接地面との間の距離は、絶縁スタンドオフ１２２を用いて維持される（先端および接地面が電気的に絶縁される）。放出領域１２４の中の埋め込まれたガスまたは真空は、入射電磁波の強度およびエネルギーに基づいて、電子放出エネルギーおよび生成される電子の数を調整することを可能にする。
【００７４】
（チューブ導波管）
いくつかの実施形態では、例示的な図７は、特定の波長収集のための代替バージョンを示す。導波管は、伝導性材料１００、カソードエミッタ２０４、およびアノード面１２０を伴うチューブである（Θは９０度である）。構造は、一実施形態では、絶縁材料１２６によって支持され、円錐の内側は、半透明、および電子放出への影響、およびカソードとアノードとの間の電場強度への影響について選択された透明材料２３０で充填される。別の実施形態では、このオプションはまた、反転アノード構造（図示せず）によって修正されるが、図５Ｂの２３３と同様である。
【００７５】
例示的な図８は、先細構造がトラック構成である、本発明の別の実施形態を示す。いくつかの実施形態では、これらの構造は、同心円またはらせん形状である。この構成では、カソードエミッタ２０４は、アノード１２０より上側の連続表面である。間隙領域２３５の中の材料は、デバイスの他の実施形態で説明されるものと同様である。いくつかの実施形態では、この構成は、他の収集領域から隔離され、表面プラズモンを通るトラック領域間の距離に基づいて収集される付加的な共鳴周波数を生成する、特定の領域を製造するために有利である。
【００７６】
（光収集および強化構造）
本発明の別の側面では、電場強化エネルギー収集デバイスは、電場または磁場強化を電場強化エネルギー収集デバイス（またはアンテナ）に提供するように構成される、１つ以上の電場強化領域（または構造）を含む。電場強化領域は、本明細書で提供される種々の電場強化エネルギー収集デバイスを用いて適用可能である。
【００７７】
本明細書で提供される電場強化領域は、１つ以上の電場強化構造を含む。場合によっては、電場強化領域構造は、１つ以上の構造の１つ以上の先端における電場が分岐する（または分岐に接近する）ように、鋭い頂点を伴う１つ以上の構造を含む（例えば、図１１Ｃ参照）。図５Ｂ等の場合によっては、アノードは、電場をさらに強化するように、カソードに向かって指す尖頭導電性構造２３３を有する。他の場合において、電場強化構造は、薄い絶縁体または酸化物５を使用して図１２Ｂに示されるもの等の量子機械的トンネル（「トンネル」）接合を含む。
【００７８】
導波管のアレイの中の個々の導波管は、電場強化領域を含む。代替として、導波管のアレイは、電場強化領域を含む。
【００７９】
実施形態では、電場強化領域は、電場強化エネルギー収集デバイスの電極（例えば、アノード）およびデバイスの導波管（例えば、カソード）に隣接して配置される。別の実施形態では、電場強化領域は、デバイスの電極と接触している。
【００８０】
図１２Ａは、本発明の実施形態による、光導波管を示す。図１２Ｂは、本発明の実施形態による、図１２Ａから代替的な整流モードを提供するためのデバイスを示す。
【００８１】
図１２Ａを参照すると、光導波管は、光透過性頂面１、光収集層２、支持構造３、中空先細本体４、電気絶縁体５、ガスまたは真空領域６、電気帰還面７、および放出領域８を含む。電気帰還面７は、場合によっては、コレクタまたは電極と呼ばれる。いくつかの状況では、コレクタ７はアノードであり、頂面１はカソードである。実施形態では、頂面１およびコレクタ７は電極である。
【００８２】
いくつかの実施形態では、図１２Ｂの構造は、光が光収集および強化構造２の両側に進入することを可能にすることによって、潜在的な電場吸収を強化する。光は、指示されるように、構造の最上部を通って光導波管に進入する。実施形態では、支持構造３は、光透過性材料で形成される。
【００８３】
場合によっては、図１２Ａのデバイスは、電流が導波管２に流れることを可能にする、支持構造３を覆う導電性材料を含む。実施形態では、この材料は、光透過性であり、光が陥凹構造の両側に進入することを可能にする。一実施例では、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）材料が、支持構造３を覆う導電性材料として使用される。別の実施例では、所望の収集波長に対して透過性である他の導電体が使用される。実施形態では、光収集および強化構造２は、材料中の電子が、構造の中で収集される光周波数に応答することを可能にするように、プラズマ周波数を有する、金属（例えば、Ａｇ、Ａｌ、およびＡｕのうちの１つ以上）、グラフェン、または他の導電性材料で形成された先細構造である。光収集および強化構造２は、支持構造３によって支持される。いくつかの状況では、支持構造３は光透過性である。
【００８４】
図１２Ａでは、電子放出が整流に使用される。いくつかの実施形態では、電気絶縁体５は、約１ナノメートル（「ｎｍ」）から４０ｎｍまで、または１０ｎｍから３００ｎｍまで、または２０ｎｍから１００ｎｍまでの間の厚さを有する。放出領域８は、鋭い、または実質的に鋭い先端で形成され、鋭い先端は、電子放出を強化するように、より高い電場を生成する。いくつかの状況では、放出領域８における強化電場は、電子に仕事関数を克服させ、ガスまたは真空領域６を横断させる。次いで、電子は、導電性材料で形成される電気帰還面７によって収集される。図１２Ａでは、光は、解放コレクタ領域４の中へ進入するとともに、光透過性支持構造３を通って進入し、先細形状により放出領域８で電場強化を生成するように、共鳴、幾何学的圧縮、およびプラズモン波を通して集中させられる。いくつかの状況では、中空先細本体４は、円錐の形状を有する。共鳴は、先細領域中で波長規模幾何学形状および高調波を通して発生する。これは、放出領域８に高電場領域を伴って、内面上に強化電場を生成する。いくつかの状況では、光はまた、頂面１を通って支持構造３の中へ進入する。場合によっては、頂面１は、図１２Ａのデバイスの電気接点である。頂面１は、光透過性であるが、電気を伝導する。頂面１を通って支持構造３に進入すると、光は、外側金属表面２上に集中させられる。支持構造３は、構造の中へ光を入れるように光透過性である。実施形態では、光収集および強化表面（または構造）２の厚さは、特定の金属における所望の光収集周波数の表皮深さよりも大きい。例えば、光収集および強化構造２は、約１ｎｍから５００ｎｍまで、または５ｎｍから１００ｎｍまでの間の厚さを有する。光収集および強化構造２がＡｌ、Ａｇ、またはＡｕで形成される場合について、光収集および強化構造２の厚さは、約５ｎｍより大きい、または１０ｎｍ、または４０ｎｍ、または５０ｎｍである。
【００８５】
実施形態では、面７は、頂面１と電気的に連絡している、負荷と電気的に連絡している。光収集および強化構造２を光に暴露すると、電子が放出領域８から放出され、面７で収集される。電子は後に、負荷へと進み、頂面１に戻る。
【００８６】
いくつかの実施形態では、図１２Ｂのデバイスは、ＭＩＭ構造の絶縁層にわたる電子トンネルのための金属・絶縁体・金属（ＭＩＭ）構造を採用する。ＭＩＭは、光収集層２、絶縁体５、およびコレクタ７によって画定される。図１２Ｂのデバイスでは、電場集中点８からの電子は、絶縁体５を横断してコレクタ７へトンネル作用する。この構成のために、絶縁体の厚さは、絶縁体は、絶縁体を横断する電子トンネルを可能にするように実質的に薄い。いくつかの状況では、絶縁体の厚さは、シモンズの電子トンネルアプローチを使用して計算され、その場合、絶縁体は、約１ｎｍから３０ｎｍまでの間の厚さを有する。他の実施形態では、ＭＩＭ構造は、参照することにより本明細書に完全に組み込まれる、Ｃｏｗｅｌｌ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．２０１１，２３，７４-７８）、およびＤａｇｅｎａｉｓ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｏｌａｒ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ｎａｎｏ−Ａｎｔｅｎｎａｓ  ａｎｄ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ”，Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  ＸＩＩ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ  Ｖｏｌｕｍｅ：７６０５（１２  Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ２０１０）で説明されているもの等の他の量子機械的トンネルダイオ−ドと組み合わせられる、またはそれらによって修正される。
【００８７】
いくつかの実装では、絶縁体５は、金属または絶縁酸化物等の酸化物を含む。実施例では、絶縁体５は、酸化チタン（例えば、ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ２Ｏ３）、および／または酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ２）で形成される。場合によっては、絶縁体は、スタンドオフ電圧、およびアノード７上で平滑に製造して堆積させる能力を含む、種々の特性について選択される。
【００８８】
いくつかの実施形態では、絶縁体５は、いくつか例を挙げると、原子層堆積（ＡＬＤ）、プラズマ強化ＡＬＤ、化学蒸着（ＣＶＤ）、またはプラズマ強化ＣＶＤを使用して形成される。いくつかの実施形態では、絶縁体５は、光収集層２とコレクタ７との間の短絡を最小化するように、実質的に低い欠陥密度を有する。加えて、絶縁体５は、１つ以上の表面を有する。別の構成では、電子帰還経路１は、図１２Ｂに示されるように、絶縁体５より上側にある。この構成は、光透過性支持構造３が覆われないことを可能にし、電気帰還材料１が透明になる必要性を排除する。この場合、光透過性支持構造３の頂面は、図１２Ａに示されるような頂面上の伝導性材料１を持たず、むしろ、カソード伝導面１が絶縁体５を覆って位置する。絶縁体を覆うカソードまたは電子帰還層１を有することには、電流が光収集層（または収集材料）２を通して伝導されないという付加的な潜在的利点がある。場合によっては、これは、光収集層２上を流れる電流によって生成される電磁場からの潜在的な悪影響を低減または排除する。
【００８９】
いくつかの状況では、本明細書で提供される導波管および光学アンテナは、例えば、参照することにより本明細書に完全に組み込まれる、２００８年１０月２７日出願の米国特許出願第１２／２５９，１０４号、Ｗａｒｎｅｒ，Ｊｒ．への米国特許第３，９９４，０１２号（「ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ  ＳＥＭＩ−ＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＤＥＶＩＣＥＳ」）、Ｍ．Ｌａａｎ，Ｊ．Ａａｒｉｋ，Ｒ．Ｊｏｓｅｐｓｏｎ  ａｎｄ  Ｖ．Ｒｅｐａｅｎ，Ｌｏｗ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｍｏｄｅ  ｏｆ  ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｃｏｒｏｎａｓ：  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３６，２６６７−２６７２，２００３、Ｖ．Ｒｅｐaｎ，  Ｍ．  Ｌａａｎ  ａｎｄ  Ｔ．Ｐｌａｎｋ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｐｏｉｎｔ−Ｐｌａｎｅ  Ｇａｐ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｔａｒｔｕ，Ｔａｅｈｅ  Ｅｓｔｏｎｉａ  ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，２００２、Ｐ．Ｄｏｍｂｉ  ａｎｄ  Ｐ．Ｒａｃｚ，  Ｕｌｔｒａｆａｓｔ  ｍｏｎｏｅｎｅｒｇｅｔｉｃ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ  ｂｙ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｆｏｒｍ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎｓ，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．５，ｐａｇｅｓ  ２８８７−２８９３，３  Ｍａｒｃｈ  ２００８、ａｎｄ  Ｍａｒｋ  Ｉ．Ｓｔｏｃｋｍａｎ，Ｍａｔｔｈｉａｓ  Ｆ．Ｋｌｉｎｇ，Ｕｌｆ  Ｋｌｅｉｎｅｂｅｒｇ  ａｎｄ  Ｆｅｒｅｎｃ  Ｋｒａｕｓｚ，Ａｔｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｎａｎｏｐｌａｓｍｏｎｉｃ−ｆｉｅｌｄ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，  Ｖｏｌ．１，ｐａｇｅｓ  ５３９−５４４，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ３，２００７、Ｐａｌａｓｈ  Ｂｈａｒａｄｗａｊ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  １，４３８−４８３（２００９）、Ｐｅｔｅｒ  Ｍｅｕｈｌｓｃｈｌｅｇｅｌ，Ｐｈ．Ｄ．Ｔｈｅｓｉｓ，  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｂａｓｅｌ／Ｇｅｒｍａｎｙ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ２００６、ａｎｄ  Ｊｏｎｇ−Ｙｅｏｎ  Ｐａｒｋ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．６Ａ，２００４，ｐｐ．３３２０−３３２７、Ｋｎｉｇｈｔ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｎｔｅｎｎａｓ，”Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３３２，７０２（２０１１）、およびＫｏｔｔｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｏｌａｒ  ＮＡＮＴＥＮＮＡ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ”，ＡＳＭＥ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２ｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ，Ａｕｇｕｓｔ  １０−１４，２００８，Ｊａｃｋｓｏｎｖｉｌｌｅ，Ｆｌｏｒｉｄａ，ＵＳＡで説明されている、構造、システム、および／または方法等の他の構造、システム、および／または方法と組み合わせられる、またはそれらによって修正される。
【００９０】
可視光を使用する用途は幅広く、いくつかの実施形態では、例えば、建築物、車、電子機器等の、システムが光に露出している、電気エネルギーを必要とする任意の用途を含む。用途は、十分な光が入手可能である場所ならどこでもシステムが位置し得るので、屋外用途に限定されない。場合によっては、システムは、鏡またはフレネルレンズを含む集光技法を使用して、有利に強化される。好適な場合において、他の用途は、電磁放射の意図した波長に類似する円錐サイズとともに赤外線またはマイクロ波エネルギーを使用して、航空機に燃料補給することを含む。いくつかの実施形態では、より低い周波数の用途のために、より低い周波数において、光子当たりのエネルギーがより低いので、十分強い局所電場を生成するように、強度が増加させられる。
【００９１】
先述の内容から、特定の実装が図示および説明されているが、種々の修正がそれらに行われてもよく、本明細書で検討されることを理解されたい。また、本発明が本明細書内で提供される具体的実施例によって限定されることは意図されない。本発明は、前述の明細書を参照して説明されているが、本明細書の好ましい実施形態の説明および図示は、限定的な意味で解釈されるように意図されていない。さらに、本発明の全ての側面は、種々の条件または変数に依存する、本明細書で記載される具体的な描写、構成、または相対的割合に限定されないことを理解されたい。本発明の実施形態の形態および詳細における種々の修正が、当業者に明白となるであろう。したがって、本発明は、任意のそのような修正、変化例等も対象とするものであると検討される。
【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【国際調査報告】
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