(57)【要約】  入射光を電気エネルギーに変換するためのレクテナ装置（４００）が開示される。レクテナ装置は、基板（４０２）、基板の上部に堆積される所定の厚さを有する第１の金属層（４０４）、第１の金属層の上部に堆積される整流素子（４０５）、前述の整流素子の上部に堆積され、且つ入射光の電磁波を集め、それをレクテナ装置内部のプラズモン波に結合するようになっている、第２の金属層（４０８）を含み、第２の金属層は、所定の間隔に従って互いに間隔をあけた複数の金属パッチ（４１０）のアレイを含み、各金属パッチは所定の寸法を有する。整流素子はプラズモン波を整流して直流を生成するようになっており、プラズモン波は１つ又は複数の動作波長で生成され、レクテナ装置の少なくとも１つの寸法パラメータは少なくとも１つの動作波長から決定され、少なくとも１つの寸法パラメータは、複数の金属パッチの寸法、アレイにおける金属パッチの間隔、及び第１の金属層の所定の厚さ、を含む群において選択される。
2021506139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電気エネルギーに変換するためのレクテナ装置（４００）であって、
−基板（４０２）と、
−前記基板（４０２）の上部に堆積された第１の金属層（４０４）であって、所定の厚さを有する第１の金属層（４０４）と、
−前記第１の金属層（４０４）の上部に堆積された整流素子（４０５）と、
−前記整流素子（４０５）の上部に堆積され、且つ前記入射光の電磁波を集め、それを前記レクテナ装置（４００）内部のプラズモン波に結合するように構成されている第２の金属層（４０８）であって、所定の間隔に従って互いに間隔をあけた複数の金属パッチ（４１０）のアレイを含み、各金属パッチ（４１０）は所定の寸法を有する、第２の金属層（４０８）と、を含み、
前記整流素子（４０５）は前記プラズモン波を整流して直流を生成するように構成されており、前記プラズモン波は１つ又は複数の動作波長で生成され、前記レクテナ装置（４００）の少なくとも１つの寸法パラメータは少なくとも１つの動作波長から決定され、前記少なくとも１つの寸法パラメータは、前記複数の金属パッチ（４１０）の前記寸法、前記アレイにおける前記金属パッチ（４１０）の前記間隔、及び前記第１の金属層（４０４）の前記所定の厚さ、を含む群において選択される、レクテナ装置（４００）。
【請求項２】
前記複数の金属パッチ（４１０）は前記アレイに沿って周期的に配置され、前記複数の金属パッチ（４１０）の前記間隔は、前記アレイ全体に渡って一定である、請求項１に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項３】
前記複数の金属パッチ（４１０）はランダムに配置されている、請求項１に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項４】
前記整流素子（４０５）は１つ又は複数の自己組織化分子ダイオードを含み、分子ダイオードは、チオール（−ＳＨ）又はニトリル（ＣＮ）などの固定基を用いて官能性を持たせてあるか、或いは、１１−（フェロセニル）−１−ウンデカンチオール（ＨＳ−Ｃ１１Ｆｃ）、スチリルプリジニウム、フェロセニル−アルカンジチオール、スチリルピリジニウム、ポルフィリン、フタロシアニン、及びプッシュプル分子を含む群において選択される、請求項１に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項５】
前記基板はシリコンから作製され、前記第１の金属層（４０４）及び／又は前記第２の金属層（４０８）は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、又は銅（Ｃｕ）を含む群において選択される材料から形成される、請求項１に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの動作波長は合計厚さの１倍〜１００倍の範囲であり、前記合計厚さとは、前記第１の金属層（４０４）の厚さを表す、請求項１に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項７】
少なくとも１つの動作波長は前記アレイの周期性の１倍よりも長い、請求項１に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項８】
前記複数の金属パッチ（４１０）は複数の寸法を有し、前記レクテナ装置（４００）は複数の動作波長で動作する、請求項１に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項９】
前記少なくとも１つの動作波長は、ある比例定数を伴って、前記複数の金属パッチ（４１０）の中の１つの金属パッチ（４１０）の長さ及び／又は幅に直接的に比例する、請求項１に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項１０】
前記レクテナ装置（４００）は前記整流素子（４０５）の上部に堆積された透明な導電層（４０６）を更に含み、前記第２の金属層（４０８）は前記透明な導電層（４０６）の上部に堆積され、前記透明な導電層（４０６）は所定の厚さを有し、且つ、前記整流素子（４０５）の近傍で前記電磁波からプラズモン波を少なくとも１つの動作波長について生成するように構成されており、前記少なくとも１つの寸法パラメータが選択される前記群は前記透明な導電層（４０６）の前記所定の厚さを更に含む、請求項１に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項１１】
少なくとも１つの動作波長は合計厚さの１倍〜１００倍の範囲であり、前記合計厚さは前記第１の金属層（４０４）の厚さと前記透明な導電層（４０６）の厚さとの合計を表す、請求項１０に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項１２】
前記透明な導電層（４０６）は、ＺｎＯ若しくはＺｎＳを含む第１の群、又はＺｎＯ：Ａｌ、ＩＴＯ、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、及び銀ナノ粒子を含む第２の群において選択される、請求項１０又は１１に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項１３】
前記透明な導電層（４０６）は前記第１の群において選択され、前記合計厚さは最大で５０ｎｍである、請求項１１又は１２に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項１４】
前記透明な導電層（４０６）は前記第２の群において選択され、前記合計厚さは５０ｎｍよりも厚い、請求項１１又は１２に記載のレクテナ装置（４００）。
【請求項１５】
入射光を電気エネルギーに変換するためのレクテナ装置（４００）を製造する方法であって、
−前記レクテナ装置（４００）が共振する少なくとも１つの動作波長を決定するステップ（２０００）と、
−洗浄動作及びコーティング動作を含む、基板を準備するステップ（２００１）と、
−前記基板の上部に第１の金属層を堆積させるステップ（２００２）と、
−前記第１の金属層の上部に整流素子を堆積させるステップ（２００４）であって、前記整流素子は、所定の厚さを有し、且つ、前記整流素子の近傍で前記入射光の前記電磁波から前記レクテナ装置（４００）によって生成されたプラズモン波を整流するように構成されている、ステップ（２００４）と、
−前記整流素子の上部に第２の金属層を堆積させるステップ（２０１０）であって、前記第２の金属層は複数の金属パッチのアレイを提供し、前記複数の金属パッチはそれぞれが所定の寸法を有し、所定の間隔に従って互いに離れている、ステップ（２０１０）と、を含み、
前記方法は更に、
−前記第２の金属層によって前記入射光の電磁波を集めるステップと、
−少なくとも１つの動作波長から前記レクテナ装置（４００）の少なくとも１つの寸法パラメータを決定するステップであって、前記少なくとも１つの寸法パラメータは、前記複数の金属パッチの前記寸法、前記金属パッチの前記間隔、及び前記第１の金属層の所定の厚さ、を含む群において選択される、ステップと、を含む、方法。
【請求項１６】
前記基板及び／又は前記整流素子はパターン形成されていない平面状の層である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記基板並びに前記第１及び／又は第２の金属層は、超真空環境における銀（Ａｇ）層の物理的蒸着（ＰＶＤ）、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）、電子ビーム蒸着を含む群において選択される技術を使用し、且つコロイドのナノ粒子を使用することにより得られる、請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記プロセスは更に、
−前記整流素子の上部に透明な導電層を堆積させるステップ（２００６）であって、前記透明な導電層は所定の厚さを有し、前記第２の金属層はステップ（２０１０）で前記透明な導電層の上部に堆積される、ステップ（２００６）、を含み、
前記少なくとも１つの寸法パラメータは、前記透明な導電層の前記所定の厚さを更に含む前記群において選択される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記基板、前記整流素子、及び前記透明な導電層は、パターン形成されていない平面状の層である、請求項１５又は１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記透明な導電層は、スピンコーティング、ディープコーティング、ゾルゲル、又は蒸着を含む群において選択される技術を使用することにより得られる、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光子エネルギーを電気エネルギーに変換するアンテナに関し、特にレクテナ装置及びそのようなレクテナ装置を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
世界規模でのエネルギー消費は、次の数十年間の主要な課題である。人口の増加や輸送手段及び電気機器の使用の増加により、世界規模でのエネルギー消費は急速に歯止めのない速度で増加している。エネルギー消費は、輸送、工業、住宅用のニーズ、農業、及び電気通信などの幾つかの分野では特に重要である。
【０００３】
エネルギーは、基本的に化石燃料、電気、及び熱エネルギーの形態で使用される。主なエネルギー資源としては、石炭、石油、及び天然ガスが挙げられ、これらは纏めて全エネルギー供給の約８０％を提示する。しかしながら、これらの資源は環境を汚染し、また量にも制限がある。
【０００４】
原子力エネルギー資源は全エネルギー供給の約１０％を賄っている。原子力エネルギー資源は温室効果ガスを排出しないが、使用済燃料廃棄物を生成する。そのような使用済燃料廃棄物は放射性であり、安全に保管しなければならない。太陽光及び風力などの再生可能エネルギー資源は、多くの理由で環境的に魅力的である。しかしながら、それらの使用には幾つかの顕著な制約がある。そのような再生可能エネルギー資源の使用に対する特段の制約は、それらの貯蔵及び電気エネルギーへの変換に関係しており、貯蔵及び電気エネルギーへの変換は相当な損失を引き起こすことがある。
【０００５】
現在のところ、光子エネルギーから電気エネルギーへ変換するのに、シリコン（Ｓｉ）などの半導体材料を使用した光起電力効果に焦点が当てられている。光起電力効果を使用した光子から電気への変換効率は、約３０％であると推定される。光起電力効果は、光の光子性質に基づいている。しかしながら、光を電気エネルギーに直接的に変換するために、光の電磁的性質も利用することができる。電気エネルギーへの直接変換のために光の電磁的性質を利用するというこの概念は、１９７２年にＲｏｂｅｒｔ  Ｂａｉｌｅｙによって提案され、米国特許第３７６０２５７Ａ号明細書の公開参照文献の下で特許化されている。
【０００６】
本明細書で使用する場合、「光」とはあらゆる種類の光子放射（「光学的放射」又は「光学的振動」又は「太陽放射」とも呼ばれる）を指し、太陽光の放射には限定されない。光は、２つの特性、即ち、粒子の性質（「量子」性質とも呼ばれる）と、波の性質（「放射」性質とも呼ばれる）によって特徴付けられる。
【０００７】
分子整流素子に関する意義深い開発と組み合わせた、ナノ構造、とりわけナノアンテナ及びマイクロアンテナに関係する技術的な進歩を利用して、太陽放射が電気エネルギーに直接的に変換された。特に、そのような変換を実現するためにレクテナ（「整流アンテナ」とも呼ばれる）が開発された。
【０００８】
レクテナは、アンテナに結合された整流素子を備え、入射放射を電気信号に直接的に変換する。光起電力効果のバンドギャップによって課される効率制限は、光子エネルギーを電気エネルギーに変換する整流素子を使用することで、取り除くことができる。
【０００９】
米国特許第８８４７８２４Ｂ２号明細書は、集中定数素子検出器に結合されたアンテナを使用したレクテナを提案しており、このアンテナはダイオードに送り込まれる。図１は、米国特許第８８４７８２４Ｂ２号明細書によって提案されるアンテナの設計を示す。アンテナ１１０、１２０は、可視領域内の特定の波長で共振し、ストリップライン１４０、１５０を用いてダイオード１３０に結合される。ストリップライン１４０、１５０は伝送線路及びインピーダンス整合ネットワークの両方として働いて、ＭＩＭダイオード１３０（ＭＩＭは金属（Ｍｅｔａｌ）−絶縁体（Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）−金属（Ｍｅｔａｌ）を表す）への電力伝達を最大化し、ＭＩＭダイオード１３０は入射電磁信号又は波を直流電流に変換する。集中定数素子ダイオードは、わずかなトンネリング時間を有する。しかしながら、そのような集中定数素子検出器の動作帯域幅は限られており、ダイオードの容量に依存する。更に、電力伝達を最大化するためには、ダイオードのインピーダンスはアンテナのインピーダンスと等しくなければならず、これは１００オームの桁数である。更に、金属の大半は光周波数では吸収性であるので、インピーダンス整合用に使用される金属のストリップラインに関連した損失は著しくなる。
【００１０】
別のレクテナ方式が、Ｇｒｏｖｅｒら著の「Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ｗａｖｅ  Ｍｅｔａｌ／Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ／Ｍｅｔａｌ  ｄｉｏｄｅｓ  ｆｏｒ  ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ａｎｄ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ａｎｔｅｎｎａ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ」と題された論文ＩＥＥＥ  ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．  ９，ｎ°６，ｐａｇｅｓ  ７１６−７２２，Ｎｏｖ．２０１０，ｄｏｉ  １０．３１０９／ＴＮＡＮＯ．２０１０．２０５１３３４において提案されている。そのような方式では、進行波ＭＩＭダイオードに基づく検出器が提案されている。図２は、そのような検出器の設計を示しており、これは、非常に薄い絶縁体２４０が間にある２つの金属層２２０及び２３０に接続されたアンテナ２１０から構成される。そのようなダイオード内の絶縁体層２４０は、空気に曝されたときに金属の表面上に金属酸化物によって形成される。間に薄い絶縁体２４０を挟んだ金属層２２０及び２３０は、プラズモン導波路の特性を有するＭＩＭトンネルダイオードを形成する。進行波ＭＩＭダイオードでは、従来の集中定数素子ダイオードと比較すると応答性が向上するが、非常に薄い絶縁層により導波路構造との入射光の結合が低くなり、即ち損失が大きくなり、これは、従来の集中定数素子ベースのレクテナを用いて取得される量子効率よりも量子効率が低くなることを伴う。
【００１１】
別の方式が国際公開第２０１６／２０２９９５Ａ１号パンフレットで提案されており、この国際公開は、赤外線、可視光、及び紫外線の検出用の有機光検出器装置について開示しており、この有機光検出器は、様々な波長の設計に対して感度を引き上げるように調節することができるスペクトル応答を含む。図３は、国際公開第２０１６／２０２９９５Ａ１号パンフレットに開示された有機光検出器の設計を示す。有機光検出器は、少なくとも１つの基板３１、第１の電極３２、第２の電極３４、及び第１の電極３２と第２の電極３４との間に配置される少なくとも１つの有機材料３３を含み、ショットキー障壁が、第１の電極３２と有機材料３３との間及び／又は第２の電極３４と有機材料３３との間の界面のレベルに形成される。有機光検出器の目標感度は、少なくとも１つの電極が表面プラズモンの共鳴を励起するためのナノ開口部を含むようにその少なくとも１つの電極を構造化することによって得られる。国際公開第２０１６／２０２９９５Ａ１号パンフレットによって提案される装置の内部では、第１の電極３２の金属上の光子が金属の自由電子によって吸収される。光子の吸収によって引き起こされた励起状態にある金属の自由電子は、ショットキー障壁を越える。ショットキー障壁を通る電子の光子放出の効率は、電極の構造に依存し、電極の構造により、伝搬している又は更には局在化した表面プラズモンを結合することが可能になる。これらの表面プラズモンは「高温電子」になり、そのエネルギーは、ショットキー障壁を越え、有機材料３３内で分子状態の形態で放出され、光電流を生成するのに十分である。そのような光電子の高温電子装置は、光子の粒子性質を利用する。貴金属における局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）の非放射崩壊、及びショットキーダイオードを使用して金属から取り出すことができる電子のバンド内励起により、電流を生成することができる。
【００１２】
しかしながら、そのようなプロセスの粒子性質により、そのような光電子の高温電子装置の動作スペクトル範囲は、金属の仕事関数、例えば、金の場合で約５．１ｅＶ、銀の場合で約４．３ｅＶ、によって制限される。更に、国際公開第２０１６／２０２９９５Ａ１号パンフレットでは、プラズモン構造の構成は、所望の設計波長で金属による光吸収を最大化するように最適化されなければならない。
【００１３】
従って、変換効率を最大化しながら電磁波を電気エネルギーに直接的に変換するための改良された装置、及びそれを製造する方法が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第３７６０２５７号明細書
【特許文献２】米国特許第８８４７８２４号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１６／２０２９９５号
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｇｒｏｖｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ｗａｖｅ  Ｍｅｔａｌ／Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ／Ｍｅｔａｌ  ｄｉｏｄｅｓ  ｆｏｒ  ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ａｎｄ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ａｎｔｅｎｎａ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ，”  （ＩＥＥＥ  ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  ｖｏｌ．  ９，  ｎ°  ６，  ｐａｇｅｓ  ７１６−７２２，  Ｎｏｖ．  ２０１０，ｄｏｉ  １０．３１０９／ＴＮＡＮＯ．２０１０．２０５１３３４）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
これらの及び他の問題点に対処するために、そのような変換効率を最大化しながら、光子放射から電気エネルギーを生成するためのレクテナ装置が提供される。
【００１７】
本発明の第１の態様によれば、添付の独立請求項１に更に記載されるようなレクテナ装置が提供される。
【００１８】
特に、入射光を電気エネルギーに変換するためのレクテナ装置は、
−基板と、
−前述の基板の上部に堆積された第１の金属層であって、所定の厚さを有する第１の金属層と、
−前述の第１の金属層の上部に堆積された整流素子と、
−入射光の電磁波を集め、それをレクテナ装置内部のプラズモン波に結合するように構成されている第２の金属層であって、所定の間隔に従って互いに間隔をあけた複数の金属パッチのアレイを含み、各金属パッチは所定の寸法を有する、第２の金属層と、を含み、
整流素子はプラズモン波を整流して直流を生成するように構成されており、プラズモン波は１つ又は複数の動作波長で生成され、レクテナ装置の少なくとも１つの寸法パラメータは少なくとも１つの動作波長から決定され、前述の少なくとも１つの寸法パラメータは、前述の複数の金属パッチの寸法、前述のアレイにおける金属パッチの間隔、及び第１の金属層の所定の厚さ、を含む群において選択される。
【００１９】
更なる実施形態が、添付の従属請求項に記載される。
【００２０】
本発明の第２の態様によれば、入射光を電気エネルギーに変換するためのレクテナ装置を製造する方法が提供され、この方法は、
−前述のレクテナ装置が共振する少なくとも１つの動作波長を決定するステップと、
−洗浄動作及びコーティング動作を含む、基板を準備するステップと、
−前述の基板の上部に第１の金属層を堆積させるステップと、
−前述の第１の金属層の上部に整流素子を堆積させるステップであって、整流素子は所定の厚さを有し、整流素子の近傍で入射光の電磁波からレクテナ装置によって生成されたプラズモン波を整流するように構成されている、ステップと、
−整流素子の上部に第２の金属層を堆積させるステップであって、この第２の金属層は複数の金属パッチのアレイを提供し、この複数の金属パッチはそれぞれが所定の寸法を有し、所定の間隔に従って互いに離れている、ステップと、を含み、
この方法は更に、
−前述の第２の金属層によって入射光の電磁波を集めるステップと、
−少なくとも１つの動作波長からレクテナ装置の少なくとも１つの寸法パラメータを決定するステップであって、前述の少なくとも１つの寸法パラメータは、前述の複数の金属パッチの寸法、金属パッチの前述の間隔、及び前述の第１の金属層の所定の厚さ、を含む群において選択される、ステップと、を含む。
【００２１】
更なる実施形態が、添付の従属請求項に記載される。
【００２２】
幾つかの例示的な実施形態についての以下の説明及び添付の図面から、本発明がより良く理解され、その様々な特徴及び利点が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来技術による、集中定数素子検出器と結合されたアンテナを備えるレクテナ装置の概略図である。
【図２】従来技術による、進行波ＭＩＭダイオードに基づく検出器を備えるレクテナ装置の概略図である。
【図３】従来技術による、赤外線、可視光、及び紫外線を検出するための有機光検出器の概略図である。
【図４】本発明の幾つかの実施形態による、レクテナ装置の概略図である。
【図５】本発明の幾つかの実施形態による、レクテナ装置の概略図である。
【図６】本発明の一実施形態による、レクテナ装置の多層構造の概略図である。
【図７】本発明の一実施形態による、レクテナ装置の吸収スペクトルを表す図である。
【図８】本発明の幾つかの実施形態による、ｅｙ軸に垂直な面内で行われた１５５０ｎｍを中心としたプラズモンモードの２Ｄマッピングを表す図である。
【図９】本発明の幾つかの実施形態による、１５５０ｎｍを中心としたプラズモンモードの２Ｄ正規化マッピングの絶対値を表す図である。
【図１０】本発明の幾つかの実施形態による、１５５０ｎｍを中心としたプラズモンモードの２Ｄ合計マッピングの絶対値を表す図である。
【図１１】本発明の幾つかの実施形態による、９００ｎｍを中心としたプラズモンモードの２Ｄ正規化マッピングによって得られる電場の絶対値を表す図である。
【図１２】本発明の幾つかの実施形態による、９００ｎｍを中心としたプラズモンモードの２Ｄ正規化マッピングによって得られる電場の絶対値を表す図である。
【図１３】本発明の幾つかの実施形態による、９００ｎｍを中心としたプラズモンモードの合計マッピングの絶対値を表す図である。
【図１４】本発明の例示的な実施形態による、レクテナ装置の吸収スペクトルの数値シミュレーション結果及び実験測定値を示す図である。
【図１５】本発明の一実施形態による、レクテナ装置の全吸収の変化を入射波長（λ）と入射角（θ）の関数として表す図である。
【図１６】本発明の幾つかの実施形態による、レクテナ装置の全吸収の変化を、入射波長（λ）の関数として３つの異なる角度（０°、８°、及び２０°）について表す図である。
【図１７】本発明の幾つかの実施形態による、２つの異なる寸法Ｓ１及びＳ２の正方形の形状をした複数の金属パッチのアレイを示す。
【図１８】本発明の幾つかの実施形態による、異なる横方向の寸法の複数の金属パッチのアレイを有するレクテナ装置の吸収スペクトルの数値シミュレーションを表す図である。
【図１９】本発明の幾つかの実施形態による、異なる横方向の寸法の複数の金属パッチのアレイを有するレクテナ装置の吸収スペクトルを表す図である。
【図２０】本発明の幾つかの実施形態による、レクテナ装置の製造プロセスを示す流れ図である。
【図２１】本発明の幾つかの実施形態による、図２０のプロセスによって得られる金属パッチのアレイを示す。
【図２２】例示的な実施形態による、レクテナ装置の有機層の整流作用に関連した実験的構成と測定シーケンスを表す図である。
【図２３】例示的な実施形態による、レクテナ装置によって生成される電流値を表す図である。
【図２４】一実施形態による、生成された電流の変化を、レクテナ装置を支持する電圧の関数として表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施形態は、改良されたレクテナ装置及びそのようなレクテナ装置を製造する方法を提供する。
【００２５】
本発明の実施形態は、電磁波の電気の変換、可視領域（０．３８μｍ〜０．７８０μｍの範囲の波長）及び赤外領域（０．７８μｍ〜０．５ｍｍの範囲の波長）で動作する装置における光検出及び画像取得、を含むがこれらには限定されない幾つかの用途に適用することができる。本発明の実施形態は、太陽エネルギーの取り入れ、又は廃熱の電気への変換に関連した用途に使用することができ、他にも赤外領域での光検出及び画像取得に関係した潜在的な画期的技術進歩を伴い得る。
【００２６】
本発明については、以下では、説明目的のみのために、光子放射の電磁波の性質を使用して、分子ダイオードに基づく光子エネルギーの電気エネルギーへの直接変換に関係した例を参照して説明する。しかしながら、当業者であれば、分子整流素子に関係した技術と結びつけた、ナノアンテナ及びマイクロアンテナの製造に関係した他の技術を代わりに使用して、入射光を電気エネルギーに直接的に変換することができることを、容易に理解するであろう。
【００２７】
以降で説明する幾つかの実施形態の理解を容易にするために、以下の定義が提供される。
【００２８】
本明細書で使用する場合、「光」とは、光子エネルギーを有し、且つ２つの性質（又は特性）、即ち、粒子の性質（「量子」性質とも呼ばれる）及び波の性質（「放射」性質とも呼ばれる）によって特徴付けられる、光子信号を指す。
【００２９】
レクテナ（以降では「レクテナ装置」又は「整流アンテナ」とも呼ばれる）は、アンテナに結合された整流素子を含んで入射光子放射を電気エネルギーに直接的に変換する。
【００３０】
光子の粒子性質を利用する従来の光電子の高温電子装置とは違い、レクテナは光子放射の波の性質を使用して入射光を電気エネルギーに直接的に変換する。
【００３１】
レクテナは、光学タイプのものであり得る。光学レクテナでは、可視領域又は近赤外領域の電磁波は、金属ナノアンテナにおいて伝導電子の振動を引き起こし、それにより交流（ＡＣ）電流を発生させることができる。
【００３２】
電磁波がレクテナ装置に入射すると、伝導電子は、レクテナ装置の伝導媒体内で伝導電子の急速な振動を受ける。電磁波と伝導電子との間のそのような結合は、「プラズモン波」と呼ばれる。これは、例えば太陽のスペクトルの場合、１．２．１０１４Ｈｚ  ＴＨｚ〜１０１５Ｈｚの範囲であり得る高周波を有するＡＣ電流（ＡＣは交流を表す）を生成することができる。そのようなＡＣ電流を、超高周波ダイオードを用いて整流して、ＤＣ電流（ＤＣは直流を表す）を得ることができる。これらのメカニズムは、従来のアンテナを用いた電波の受信中に発生するメカニズムと似ている。プラズモンナノアンテナにおいて生成されるＡＣ電流は、プラズモン波の振動中にＤＣに整流することができる。
【００３３】
本明細書で使用する場合、光子から電気への変換効率とは、入力として与えられる光子エネルギーと出力として生成される電気エネルギーとの間の比率割合を指す。１００％の理論上の効率は、エネルギーの損失が全くない変換を指す。
【００３４】
レクテナの「全体的効率」は、４つの要因を乗算することによって得られる。
−入射放射をアンテナに結合する効率
−収集したエネルギーをアンテナからダイオードへ伝搬させる効率
−表面波をダイオードに結合する効率
−ダイオードで受け取った電力を整流する効率
【００３５】
入射放射をアンテナ構造に結合する効率は、レクテナ構造の全体的な効率を決定するための重要な要因である。
【００３６】
ＭＩＭトンネルダイオードレクテナで使用される絶縁層の厚さを厚くすると結合の効率が高まるが、これは、ＭＩＭダイオードの単位面積当たりの抵抗も増加させ、次いでこれにより、応答性が低下し、最終的には量子効率が低下する。整流素子として分子ダイオードを使用すると、ＭＩＭダイオードのこのような制限を克服することができる。
【００３７】
レクテナ装置の動作周波数（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（作用周波数（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）とも呼ばれる）とは、レクテナ装置の共振周波数を指し、且つ動作波長に対応し、この動作波長は共振波長とも呼ばれ、これ以降ではλｒｅｓｏと記される。
【００３８】
サイズ（又は幅）は、矩形のパッチの幅、長さ、及び高さを指す。またこれは、円形パッチの高さ及び直径を指す。アンテナが、矩形でも円形でもない金属パターンを含む場合、サイズとは、そのパターンを画定できる寸法を指す。
【００３９】
レクテナを形成する周期的な格子は、空間内で周期的に繰り返される金属パターンから構成される。基本セルは、有限の体積を有する、空間の最小部分として定義され、ベクトルｔ＝ｍ．ａ＋ｎ．ｂ＋ｐ．ｃ（（ｎ、ｍ、ｐ）は正の整数）の平行移動によって空間の舗装を保証することができる。ａ、ｂ、及びｃは、正規直交参照の単位ベクトルの関数、ａ＝ａ×ｅｘ、ｂ＝ｂ×ｅｙ、及びｃ＝ｃ×ｅｚ、として書くことができる３つのベクトルである。このとき、軸に沿った周期性（又は間隔）はａ、ｂ、及びｃによって与えられる。
【００４０】
本発明の実施形態は、入射光を電気エネルギーに高効率で変換するためのレクテナ装置を提供する。本発明の様々な実施形態によるレクテナ構造は、ダイオードの性能に影響を与えることなく、レクテナ内のコア材料の厚さｈを大幅に厚くし、入射光のレクテナ構造への結合を強める。コア材料は、ダイオード構造、又は追加の導電性酸化物で覆われたダイオード構造から構成されることがある。
【００４１】
図４を参照すると、入射光を電気エネルギーに変換するように構成されているレクテナ装置４００が示されており、このレクテナ装置４００は、
−基板４０２と、
−基板４０２の上部に堆積された第１の金属層４０４であって、所定の層厚さを有する第１の金属層４０４と、
−第１の金属層４０４の上部に堆積された整流素子４０５（「整流層」と呼ばれる）と、
−入射光の電磁波を集めるように構成されている第２の金属層４０８であって、所定の間隔（即ち、所定の周期性）に従って互いに間隔をあけた複数の金属パッチ４１０のアレイを含み、各金属パッチ４１０は所定の寸法（即ち、所定のサイズ）を有する、第２の金属層４０８と、を含む。
【００４２】
整流素子４０５は、プラズモン波を整流して直流電流を生成するように構成されていることがあり、プラズモン波は、第１の金属層４０４と整流素子４０５の近傍で１つ又は複数の動作波長の電磁波から生成されて、ＤＣ電流を生成する。
【００４３】
レクテナ装置４００の少なくとも１つの寸法パラメータは、少なくとも１つの動作波長から決定することができ、この少なくとも１つの寸法パラメータは、複数の金属パッチ４１０の寸法（例えば、パッチの横方向寸法幅及び／又は長さ）、金属パッチ４１０の間隔又は周期性、及び第１の金属層４０４の所定の厚さ、を含む群において選択される。
【００４４】
幾つかの実施形態によれば、基板４０２はシリコン（Ｓｉ）から作製されることがある。
【００４５】
本発明の実施形態によっては、第１の金属層４０４及び／又は第２の金属層４０８は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、又は銅（Ｃｕ）を含む群において、これらに限定はされないが、選択される材料から形成されることがある。
【００４６】
実施形態によっては、金属パッチ４１０は、入射光をコア材料に結合する散乱中心として機能することがある。
【００４７】
実施形態によっては、金属パッチ４１０はそれぞれ、所定の幾何形状及び所定の寸法／サイズを有することがある。
【００４８】
金属パッチ４１０は、例えば、円形、楕円形、菱形、矩形、正方形、又はストリップ形状などの、これらに限定するものではないが特定の幾何形状を有することがある。好ましくは、全ての金属パッチ４１０が同じ幾何形状を有することがある。
【００４９】
実施形態によっては、金属パッチ４１０は、格子（「アレイ」とも呼ばれる）状に周期的に配置されることがある。金属パッチ４１０は、金属パッチの各対の間に所定の周期性を伴って、アレイに沿って配置されることがある。周期的な金属パッチ４１０の配置による格子は、正方形、六角形、三角形、又は菱形などの形状を有することがあるが、これらに限定はされない。例えば、図４に表わされる実施形態では、金属パッチ４１０は正方形の格子に従って配置されることがある。
【００５０】
他の実施形態では、金属パッチ４１０は、レクテナ装置４００の動作スペクトル範囲を広げるために、ランダムに配置されることがある。
【００５１】
一実施形態では、第２の金属層４０８は、正方形などの所与の形状を有する、銀（Ａｇ）から作製された幾つかの金属パッチ４１０のアレイを含むことがある。
【００５２】
実施形態によっては、金属パッチ４１０は、アレイの周期性Ｐ及び第２の金属層４０８の幅Ｗなどの、一組のパラメータによって定義されることがある。
【００５３】
第２の金属層４０８の複数の金属パッチ４１０が周期的に配置される実施形態では、複数の金属パッチ４１０のアレイの周期性Ｐは、１０ｎｍ  ｆ〜２０マイクロメートルの間で変化することがある。これにより、可視域及び近赤外域の電磁波を取り込むことが可能になる。
【００５４】
実施形態によっては、整流素子４０５の厚さは、優れた電荷輸送特性を可能にするために、非常に薄いことがある。特に、整流素子４０５は、０．１〜１０ｎｍの範囲の厚さｈＯＬを有することがある（０．１ｎｍ≦ｈＯＬ≦１０ｎｍ）。
【００５５】
幾つかの実施形態によれば、整流素子４０５は、自己組織化した整流分子から作製されることがある。
【００５６】
特定の実施形態では、整流素子４０５は、１つ又は複数の分子ダイオードを含むことがある。生成されたプラズモン波を１つ又は複数の分子ダイオードによって整流して、ＤＣ電流を生成することができる。しかしながら、本発明は、分子ダイオードから作製された整流素子４０５に限定されないことに留意されたい。
【００５７】
実施形態によっては、整流素子４０５は、１つ又は複数の自己組織化した分子ダイオードを含むことがある。
【００５８】
実施形態によっては、整流素子４０５は、共振フォトニック構造に一体化されていることがある。特に、１つ又は複数の分子ダイオードが、共振フォトニック構造に一体化されていることがある。
【００５９】
分子ダイオードは、固有の電気的特性に起因してＡＣ電流を整流することができる。
【００６０】
実施形態によっては、整流素子４０５は、第１の金属層４０４の上部に、１つ又は複数の分子ダイオードによって形成された自己組織化した単分子層を含むことがある。これにより、有機層の底部に配置された銀（Ａｇ）層からの電荷の抽出を最適化することができる。
【００６１】
実施形態によっては、１つ又は複数の分子ダイオードは、フェロセニル−アルカンチオール及び／又はスチリルピリジニウム及び／又はポルフィリン及び／又はフタロシアニン（ｐｈｔａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）からなる群において選択される分子の群から形成されることがある。
【００６２】
実施形態によっては、１つ又は複数の分子ダイオードは、例えばチオール（−ＳＨ）などのアンカーを用いて官能性を持たせた分子を含むことがあり、チオールにより、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又は銅（Ｃｕ）などの貴金属との共有結合を介した結合が可能になる。
【００６３】
別の実施形態では、１つ又は複数の分子ダイオードは、代わりに、プッシュプル分子を含むことがある。
【００６４】
幾つかの実施形態によれば、少なくとも１つの動作波長は、合計厚さの１倍〜１００倍の範囲であることがあり、合計厚さとは、そのような実施形態では、第１の金属層４０４の厚さを表す。
【００６５】
実施形態によっては、少なくとも１つの動作波長は、複数の金属パッチのアレイの周期性の１倍よりも長いことがある。
【００６６】
幾つかの実施形態によれば、少なくとも１つの動作波長は、ある比例定数を伴って、複数の金属パッチ４１０の中の１つの金属パッチ４１０の長さ及び／又は幅に直接的に比例することがある。
【００６７】
複数の金属パッチ４１０の全てが同じサイズを有し且つ周期的に配置されている幾つかの実施形態では、レクテナ装置４００は１つの動作波長を有することがある。
【００６８】
金属パッチ４１０が異なるサイズを有し且つ周期的に配置されている幾つかの実施形態では、レクテナ装置４００は幾つかの動作波長を有することがある。
【００６９】
実施形態によっては、プラズモン波が第１の金属層４０４と整流素子４０５の近傍で受け取られた電磁波から生成される場合の少なくとも１つの動作波長は、複数の金属パッチ４１０の寸法／サイズ、及び／又は複数の金属パッチ４１０の周期性から、決定されることがある。
【００７０】
図４に示した層状構造を有するレクテナ装置４００の動作周波数、従って動作波長λｒｅｓｏは、金属パッチ４１０の周期性Ｐ及び／又は幅Ｗなどの金属パッチ４１０の幾何形状パラメータ、及びコア材料の厚さｈから決定することができる。
【００７１】
実施形態によっては、動作波長は、次式に従って、複数の金属パッチ４１０の周期性Ｐの１倍よりも長いことがある。
Ｐ≦λｒｅｓｏ          （式１）
【００７２】
この範囲は、金属パッチ４１０が確実に光を散乱させるように選択されることがある。
【００７３】
実施形態によっては、複数の金属パッチ４１０のアレイの周期性Ｐは、次式に従って、レクテナ装置の目標動作波長λｒｅｓｏの４分の１から目標動作波長λｒｅｓｏの完全な値までの範囲を取り得る。
【数１】
2021506139.tif 000003
【００７４】
これは、特定の目標動作波長で動作することができるレクテナ装置４００を提供することができる。
【００７５】
別の実施形態では、動作波長は、次式に従って、金属パッチ４１０の幅Ｗの少なくとも２倍であることがある。
２Ｗ≦λｒｅｓｏ          （式３）
【００７６】
この範囲は、金属パッチと第１の平面状の金属層との間で金属パッチの下をプラズモン波が伝搬する、ファブリーペローのような共振を確実に得ることができるように選択されることがある。
【００７７】
一実施形態では、金属パッチの幅は、次式に従って、レクテナ装置の目標動作波長λ’ｒｅｓｏの値の半分よりも大きくなっていることがある。
Ｗ≦λ’ｒｅｓｏ／２          （式４）
【００７８】
実施形態によっては、レクテナ装置４００の動作波長λｒｅｓｏは、複数の金属パッチ４１０の幅Ｗ、及びコア材料内の光子モードの実効屈折率
【数２】
2021506139.tif 000004
（ωは共振波長での脈動であり、ｋは波動ベクトルである）から決定することができる。
【００７９】
特に、一実施形態では、レクテナ装置４００の動作波長λｒｅｓｏは、次式に従って、２と、金属パッチ４１０の幅Ｗと、コア材料内の光子モードの実効屈折率（ｎｇａｐ）との積（即ち、積に実質的に等しい）によって近似することができる。
λｒｅｓｏ≒２＊Ｗ＊ｎｇａｐ          （式５）
【００８０】
使用される材料に応じて、コア材料の厚さｈは、次式に従って、０．１ｎｍ〜共振波長λｒｅｓｏの値の間に含まれることがある。
ｈ≦λｒｅｓｏ          （式６）
【００８１】
図４に示す幾つかの実施形態によれば、レクテナ装置４００は更に、整流素子４０５の上部に堆積された透明な導電層４０６を含み、透明な導電層４０６の上部には第２の金属層４０８が堆積されることがある。透明な導電層４０６は所定の厚さを有し、整流素子４０５の近傍で電磁波からプラズモン波を少なくとも１つの動作波長で生成するように構成されていることがある。そのような実施形態では、少なくとも１つの寸法パラメータは、複数の金属パッチ４１０の寸法、アレイ内での金属パッチ４１０の間隔、第１の金属層４０４の所定の厚さ、及び透明な導電層４０６の所定の厚さ、を含む群において選択されることがある。
【００８２】
実施形態によっては、整流素子４０５及び透明な導電層４０６は、レクテナ装置４００のコア材料を形成することがある。
【００８３】
実施形態によっては、少なくとも１つの動作波長は、合計厚さの１倍〜１００倍の範囲であることがあり、合計厚さｈとは、第１の金属層４０４の厚さと透明な導電層４０６の厚さとの合計を表す。
【００８４】
幾つかの実施形態によれば、透明な導電層４０６は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び硫化亜鉛を含む第１の群、又はアルミヌイム（Ａｌｕｍｉｎｕｉｍ）ドープ酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ポリスチレン・スルホン酸ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、及び銀ナノ粒子を含む第２の群において選択されることがある。
【００８５】
透明な導電層４０６が第１の群において選択される幾つかの実施形態によれば、合計厚さは最大で５０ｎｍまでであり得る。
【００８６】
透明な導電層４０６が第２の群において選択される幾つかの実施形態によれば、合計厚さは５０ｎｍより厚いことがある。
【００８７】
そのような実施形態では、整流素子４０５及び透明な導電層４０６によって形成されるコア材料の厚さは、透明な導電層４０６の導電特性がまさるように決定されることがある。
【００８８】
実施形態によっては、透明な導電層４０６の厚さは、１つ又は複数の分子ダイオードの近傍での電磁場の閉じ込めの制御を最適化するように、且つレクテナ装置４００の１つ又は複数の目標動作波長に達するように、決定されることがある。
【００８９】
本発明者らは、透明な導電層の厚さが、０．１ｎｍナノメートルから３００ｎｍまで変化する場合、レクテナ装置の動作波長に大きな影響を与えることがあることを、分析した。
【００９０】
更に、透明な導電層の厚さが、５０ｎｍのナノメートルよりも厚い場合、動作波長には影響を与えないことが、分析されている。
【００９１】
実施形態によっては、第２の金属層４０８及び／又は透明な導電層４０６は電極であることがある。説明目的のみのために、幾つかの実施形態についての以下の説明は、２つの電極によって形成される第１の金属層４０４及び透明な導電層４０６を参照して行われる。
【００９２】
実施形態によっては、レクテナ装置４００は、プラズモンアンテナ及び１つ又は複数の分子ダイオードを含むプラズモンレクテナであり得る。
【００９３】
更に、プラズモン波が生成される動作波長を、少なくとも１つの分子ダイオードによって整流して、ＤＣ電流を生成することができる。
【００９４】
入射光の電磁波を、第２の金属層４０８の複数の金属パッチ４１０によって集めて、それによってプラズモンモードを有するプラズモン波を生成することができる。
【００９５】
図４及び図５に示すｅｘ、ｅｙ、及びｅｚ単位ベクトルは、デカルト座標系を定義し、ｅｘ及びｅｙ単位ベクトルはそれぞれ、基板４０２が置かれる平面の横座標軸及び縦座標軸を定義する。第１の金属層４０４、整流素子４０５、透明な導電層４０６、及び第２の金属層４０８は、高さ軸を定義するｅｚ単位ベクトルに従って、基板４０２の上に堆積される。横座標軸、縦座標軸、及び高さ軸にそれぞれ平行な電場は、これ以降では、それぞれＥｘ、Ｅｙ、及びＥｚと記される。図４のデカルト座標系に加えて、図５ではｅｘ及びｅｙ法平面が示されている。
【００９６】
入射電磁波は、図４に示すように、第１の金属層４０４に沿って伝搬し、且つｅｚ単位ベクトルに沿って分子ダイオードに沿って電場を示すプラズモンモードを生成するために、プラズモン構造によって取り込まれることがある。
【００９７】
そのようなプラズモンモードは、第２の金属層４０８によって励起されることがあり、複数の金属パッチ４１０は、周期的に配置され、且つ散乱として機能し、またプラズモンモードは、両方の電極４０４と４０８との間をコアへと伝搬することがあり、それによって分子ダイオードに沿った電場の振動をもたらすことがある。
【００９８】
図４の構成によれば、プラズモンモードによって生成された電場の振動は、分子ダイオードによって整流することができる。
【００９９】
本発明の幾つかの実施形態によるプラズモンレクテナ装置の設計は、分子ダイオードによって整流することができるプラズモン波を生成するように、更に最適化することができる。特に、プラズモンレクテナ装置は、透明な導電層４０６によって、自己組織化した分子ダイオードの近傍でプラズモン波を生成するのが可能になり、プラズモン波の電場が分子ダイオードに沿って振動するように、構成することができる。これにより、分子ダイオードによる伝導電子の振動によって引き起こされる、光誘起されたＡＣ電流の整流が可能になる。
【０１００】
集光の最適化、及び分子ダイオードへのエネルギー伝達の計算を、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法などの光学処理技術を使用して、実施することができる。そのような処理技術により、プラズモン構造の光学特性を予測することが可能になる。
【０１０１】
図６は、本発明の例示的な実施形態における、１５５０ｎｍの波長で動作するように構成されているレクテナ装置６００の多層構造を示す。図６の例示的なレクテナ装置６００は層状構造を有し、この層状構造は、
−シリコン基板６０１と、
−シリコン基板６０１の上部に堆積された銀（Ａｇ）から形成された第１の平坦な金属層６０２と、
−第１の金属層６０２の上部に堆積された整流分子ダイオード層６０３と、
−整流分子ダイオード層６０３の上部に堆積された酸化亜鉛（ＺｎＯ）から形成された透明な導電層６０４と、
−正方形の格子状に、８５０ｎｍの周期性Ｐで周期的に配置された、幅Ｗが３２０ｎｍの正方形の銀のパッチから作製された第２の金属層６０５と、を含むことがある。
【０１０２】
そのような実施形態では、コア材料（整流分子ダイオード６０３、透明な導電層６０４から構成される）の厚さｈは５０ｎｍである。
【０１０３】
図７は、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モード及びＴＭ（Ｔｒａｖｅｒｓｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ）モードでの、図６の実施形態による、本発明の例示的な実施形態での、１５５０ｎｍの波長で動作するように構成されているレクテナ装置６００の吸収スペクトルを示す。この吸収スペクトルは、２つの異なるプラズモンモードへの光結合から生じた２つの吸収ピークを示しており、それらの吸収ピークはそれぞれ９００ｎｍと１５５０ｎｍを中心としている。
【０１０４】
吸収スペクトルを得るために、１５５０ｎｍを中心としたモードの２Ｄマッピングを、ｅｘ軸に垂直な平面とｅｙ軸に垂直な平面で実施した。図８及び図９は、得られたマッピングを示す図である。そのような２Ｄマッピングは、銀（Ａｇ）パッチの側端上にＥｘ電場の上昇があり、また、平坦なＡｇ層上にコーティングされた分子ダイオードの近傍にある酸化亜鉛（ＺｎＯ）層内部でＥｚ電場の上昇があることを示している。従って、Ｅｚ場は、分子ダイオードに沿って振動し、整流することができるＡＣ電流に寄与する。
【０１０５】
このような結果は、図１０に示すマッピングによって更に裏付けられ、これは、合計ポインティングベクトルＰ、並びにｅｘ及びｅｙ軸上に投影されたベクトルＰの成分のマッピングに相当する。
【０１０６】
エネルギーの主要部分は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）層内部を両方のＡｇ電極間でｅｘ軸に沿って伝搬することがあり、分子ダイオードに沿ったＥｚ場の振動をもたらす。１５５０ｎｍを中心としたモードにより、プラズモン構造から分子ダイオードへの光エネルギーの伝達が可能になる。このモードは、ｘ軸に沿ったファブリーペロー効果によって、銀（Ａｇ）パッチの下に閉じ込められる。分子ダイオードを介した入射媒体（空気）からのエネルギー伝達は最大化されなければならず、伝達されたエネルギーは、電磁波の形で伝搬しなくてはならない。これらの電磁波は、第１のパターン形成されていない金属層６０２と分子ダイオード６０３との間の界面に沿って伝搬しなくてはならない。エネルギー伝達は、第１のパターン形成されていない金属層６０２と分子ダイオード６０３との間の界面に沿って伝搬する電磁エネルギーの流れを計算することによって、推定することができる。そのような実施形態によるレクテナ装置６００を使用すると、約４８％のエネルギー伝達率が得られる。この値は、集中定数素子ベースのレクテナ及び進行波金属−絶縁体−金属ダイオードに基づくレクテナ（Ｇｒｏｖｅｒら）などの標準的な方式を使用して得られるエネルギー伝達率（一般に１０％未満）よりも高くなっている。
【０１０７】
更に、９００ｎｍを中心としたモードの２Ｄマッピングが、ｅｘ（Ｅｘ）上に投影された電場Ｅの絶対値を示すｅｘ軸に垂直な平面と、ｅｘ（Ｅｘ）及びｅｚ（Ｅｚ）上に投影された電場Ｅの絶対値を示すｅｙ軸に垂直な平面で、実施された。図１１及び図１２は、得られた２Ｄマッピングを示す図である。この２Ｄマッピングは、電場が、Ａｇパッチの上部に局在化し、分子ダイオードからは離れてｘ軸に沿って伝搬することを示している。従って、これらのプラズモンモードは、９００ｎｍを中心としたモードとは違い、分子ダイオードによって整流されてＡＣ電流を生成することができない。これらの結果は、図１３を通じて示される合計ポインティングベクトルＰ及びその面内成分のマッピングによって裏付けられる。
【０１０８】
図１４は、例示的な実施形態における、１５５０ｎｍの波長で動作するように構成されているレクテナ装置６００の数値シミュレーション及び実験的測定に対応する吸収スペクトルを示す。図１４に示す吸収スペクトルは、赤外領域に対応している。そのような例示的な実施形態では、レクテナ装置６００は図６に示す多層構造を有し、パッチ間の周期的間隔が８５０ｎｍに等しく、各金属パッチが３２０ｎｍに等しい幅を有する。
【０１０９】
なお、電磁的スケーリング則は、赤外領域に限定はされない。或いは、これは、可視域、赤外域からテラヘルツ領域までの範囲の複数の波長又は周波数で動作する層状のレクテナ構造の設計に適用することができる。
【０１１０】
なお、図１４に示すシミュレーションと実験結果との間には矛盾はなく、これは、本発明の実施形態による、異なるスペクトル範囲で動作するレクテナ装置６００の構成を用いて達成される性能を反映している。
【０１１１】
高効率且つ広い角度範囲で光を集めることにより、生成される電荷の量が増え、それによって、より高い効率のレクテナ構造を提供することができる。
【０１１２】
図４の構成に対応した一実施形態では、レクテナ装置４００は、±８０°の角度範囲を有する入射光を集めることができる。
【０１１３】
図１５及び図１６は、本発明の例示的な実施形態における、１５５０ｎｍの波長で動作するように構成されているレクテナ装置３００の入射角（θ）の関数として、吸収スペクトルの変化を示した図であり、この実施形態では、想定されるレクテナは、正方形の格子状に８５０ｎｍの周期性Ｐで周期的に配置された、幅Ｗが３２０ｎｍの正方形の銀パッチから作製される。
【０１１４】
多くの用途の場合、入射角は厳密に垂直ではない。従って、レクテナ構造の角度依存応答を研究して、入射角が変化したときに共振及び吸収量が変化するのかどうかを評価することが重要である。図１５では、一次共振（１．５５μｍ）は、その局所性のせいで、入射角が変化しても変化しないことが示されている。入射角に強く依存する誘導光子モードと比較すると、これは有益な利点である。これらの結果は、レクテナによる入射光の吸収が、動作波長（１５５０ｎｍ）において入射角の広い範囲に渡って単一に近いことを示している。この吸収ピークは、入射角に弱く依存することが知られている分子ダイオードの近傍でのプラズモンキャビティモードの結合によるものである。垂直入射の場合９００ｎｍである第２のピークは、格子の上部において結合された誘導光子モードに対応し、そのようなモードは、１５５０ｎｍを中心としたモードとは違い、入射角に強く依存することが知られている。
【０１１５】
図１６は、本発明の例示的な実施形態における、１５５０ｎｍの波長で動作するように構成されているレクテナ装置６００の入射角（θ）の異なる値に対して、入射波長（λ）の関数としてスペクトル吸収Ａの変化を表している。
【０１１６】
複数の金属パッチ４１０のアレイが、異なるパッチ寸法を有する金属パッチを含む幾つかの実施形態では、パッチアレイの作用波長は、金属パッチ４１０の横方向の寸法に強く依存することがある。従って、横方向の寸法（幅及び長さ）が異なるパッチを使用することにより、レクテナ装置４００は、有利にも、複数の作用波長で動作することができる。寸法が定義されたパッチのアレイは、パターン（Ｓ１及びＳ２）と呼ばれる。作用波長の数ｎは、異なるパッチアレイの数ｎに等しくなる。
【０１１７】
図１７は、周期的な間隔に従って配置された複数の金属パッチ４１０の例示的なアレイを表しており、各金属パッチ４１０は、２つの異なる寸法Ｓ１及びＳ２のうちの１つを有する正方形を有し、レクテナ装置４００は、２つの異なる動作周波数で動作する。
【０１１８】
図１８及び図１９は、幾つかの実施形態による、異なる幅を有する複数の金属パッチ４１０のアレイを有するレクテナ装置４００の吸収スペクトルを示す。図１８では、金属パッチ４１０は、幅が２６０ｎｍの金属パッチ４１０と、幅が３２０ｎｍの金属パッチ４１０とを含むことがある。金属パッチ４１０は、アレイに沿って８５０ｎｍの周期的間隔Ｐで配置されることがある。図１９では、金属パッチ４１０は、幅が３２０ｎｍの金属パッチ４１０と、幅が４２０ｎｍの金属パッチ４１０とを含むことがある。金属パッチ４１０は、８５０ｎｍの周期的間隔Ｐで配置されることがある。
【０１１９】
図１８及び図１９は、単純な幾何形状を使用して、複数の動作波長を検出又は収集することができることを示している。収集することができる動作波長の数は、設計されたアレイ構造に依存することがある。
【０１２０】
図１８の実施形態では、レクテナ装置４００は、１３５０ｎｍ及び１５２５ｎｍで共振することができる。
【０１２１】
図１９の実施形態では、レクテナ装置４００は、１５５０ｎｍ及び１９５０ｎｍで共振することができる。
【０１２２】
図２０は、本発明の幾つかの実施形態における、１つ又は複数の分子ダイオードに基づく多層レクテナ装置４００を製造するための方法を示す流れ図である。
【０１２３】
ステップ２０００では、少なくとも１つの動作波長を決定することがある。
【０１２４】
ステップ２００１では、レクテナ装置を上に作製することになる基板を、予め洗浄することがある。ステップ２００１で適用される洗浄技術は、基板のタイプによって異なることがある。
【０１２５】
本発明の好ましい実施形態では、基板はシリコン（Ｓｉ）から形成されることがある。本発明の幾つかの実施形態についての以下の説明は、例示目的のみのために、シリコン基板を使用した層状レクテナ構造の製造を参照して行われる。しかしながら、当業者であれば、本発明はシリコン基板に限定されないことを、容易に理解するであろう。
【０１２６】
そのような実施形態では、シリコン（Ｓｉ）基板は、まずアセトン溶液中で湿式洗浄され、その後窒素噴射乾燥又はスパン乾燥が行われることがある。更に、基板をアルゴン又は酸素中でプラズマ洗浄して、基板の表面に存在することがある有機不純物を取り除くことがある。
【０１２７】
ステップ２００２では、銀層の物理的蒸着（ＰＶＤ）を、超真空環境で行うことがある。
【０１２８】
ステップ２００４では、分子ダイオードを堆積させることがある。
【０１２９】
ステップ２００６では、酸化亜鉛（ＺｎＯ）粒子のスピンコーティングを行うことがある。当業者であれば、導電層の堆積はスピンコーティングに限定はされないことを、容易に理解するであろう。代わりに、ＰＶＤ又は無線周波数／直流電流（ＲＦ／ＤＣ）スパッタリングなどの他の堆積技術を使用することができる。
【０１３０】
ステップ２００７では、ナノリソグラフィパターニングを、ポリメチル・メタクリレート（ＰＭＭＡ）層を使用して行うことがある。そのようなステップは、金属パッチを堆積させるためにマスクを作成する。当業者であれば、マスクのために使用される材料はＰＭＭＡに限定されないことを、容易に理解するであろう。電子ビームリソグラフィ又はレーザリソグラフィなどの他のタイプのリソグラフィも、同様に使用することができる。
【０１３１】
ステップ２００８では、金属のＰＶＤ堆積によって金属パッチを形成することがある。
【０１３２】
ステップ２０１０では、ＰＭＭＡ層のリフトオフプロセスを使用することにより、最終的な金属パターンを得ることがある。
【０１３３】
金属の直接パターニングも同様に使用することができる。
【０１３４】
図２１は、図２０の実施形態による製造方法を用いて得られたレクテナ装置４００を示す。
【０１３５】
ステップ２１０２では、厚さが１００ｎｍの第１の銀（Ａｇ）層４０４が、シリコン基板４０２の上に堆積されることがある。
【０１３６】
次いで、ステップ２１０４では、ＨＳＣ１１−Ｆｃ層４０５が、銀層４０４の上部に堆積されることがある。
【０１３７】
ステップ２１０６では、所定の厚さ（５０ｎｍの厚さなど）を有するＺｎＯ層４０６が、層４０５の上部に堆積されることがある。
【０１３８】
ステップ２１０８では、銀（Ａｇ）パッチ４１０のアレイに対して、マスク設計を行うことがある。
【０１３９】
ステップ２１１０では、銀パッチ１１０のアレイを含む金属層４０８が、リフトオフプロセスに従って堆積されることがある。
【０１４０】
好ましい実施形態では、基板４０２、第１の金属層４０４、及び透明な導電層４０６は、パターン形成されていない、本質的に平面状であり得る。
【０１４１】
実施形態によっては、第１の金属層４０４及び第２の金属層４０８は、例えば、超真空環境での銀（Ａｇ）層の物理的蒸着（ＰＶＤ）、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）及び電子ビーム蒸着などの適切なコーティング技術を使用してコーティングされることがある。
【０１４２】
実施形態によっては、透明な導電層４０６は、スピンコーティング、ディープコーティング、ゾルゲル、及び蒸着などの幾つかの技術を使用してコーティングされることがある。
【０１４３】
本発明の実施形態によるレクテナ装置４００は、整流層４０５の効率的な整流作用を可能にする。
【０１４４】
図２２を参照すると、幾つかの実施形態による、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ：Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）上に構成される有機層の整流作用を分析するために適用された実験的構成及び測定シーケンスが示されている。図２２の測定シーケンスは以下を含む。
−暗電流対電圧の測定（Ｉ（Ｖ）曲線（Ｄ００）
−１５５０ｎｍの波長の光を点灯し、ＩＶ曲線を測定する（Ｌ００）
−５分間光を点灯し続け、その後消灯する
−暗いＩＶを測定する（Ｄ０１）
−５分間待機して、次の暗いＩＶ曲線を測定する（Ｄ０２）
−５分間待機して光を点灯し、ＩＶ曲線を測定する（Ｌ０１）
−複数回のサイクルに渡って、ＩＶ測定を繰り返す
−光を消灯し、暗いＩＶを測定する（Ｄ０３）
−５分間待機し、暗いＩＶを測定する（Ｄ０４）
−５分間待機し、その後光を点灯し、ＩＶ曲線Ｌ１３又はＬ２１を測定する。
【０１４５】
そのような測定シーケンスにより、暗闇及び照明下でのレクテナ装置４００の特徴付け、及び熱的効果の特徴付けが可能になる。
【０１４６】
図２３は、図２２で示した測定シーケンスの異なるステップについて、レクテナ装置４００が＋１Ｖの電圧によって支持される場合に得られる電流値を示す。
【０１４７】
ＩＶ曲線、Ｄ００及びＬ００は、整流素子４０５に含まれる１つ又は複数の分子ダイオードによる電磁波の整流を示す。他の曲線は、性能の測定値を示している。
【０１４８】
図２４は、本発明の幾つかの実施形態における、生成された電流の変化を、レクテナ装置４００を支持する電圧の関数として示している。図２４の測定結果は、光がレクテナアレイによって整流されていることを示す。
【０１４９】
様々な実施形態の説明によって本発明を例示し、また、これらの実施形態についてかなり詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲をそのような詳細に制限するか又は何らかの態様で限定することを、本出願人は意図していない。更なる利点及び修正例が、当業者には容易に明白になるであろう。更に、流れ図、シーケンス図、及び／又はブロック図のいずれも、本発明の実施形態と一致して示されたブロックよりも多い又は少ないブロックを含むことがある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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１０】
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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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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