【手続補正書】
【提出日】平成24年8月7日(2012.8.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
電荷の効率的な移動を提供するためには、著しい数の帯電した分子が第１の表面から第２の表面にまで進まなければならないことが理解される。本発明の好ましい実施形態において、表面間の距離が十分に小さく、その結果、この条件が満たされる。十分に小さい間隙は分子間衝突の数を減らし、また、帯電した分子によってもたらされる虚像電荷のポテンシャル障壁を低くし、したがって、第１の表面の近傍を離れる十分に速い分子が、他のガス分子と衝突することなく間隙を無事に横切り、電荷を第２の表面に移動させる確率を増大させる。好ましくは、表面間の間隙がガス分子の平均自由行程の程度である。一般には、表面間の距離が、作動温度および作動圧力において、分子の平均自由行程の１０倍未満であり、好ましくは、５倍未満、２倍未満もしくはややより小さい倍数、または、中間の倍数であることが望ましい。理想的には、表面間の距離は１平均自由行程以下であるにちがいない。一般には、表面間の距離が１０００ｎｍ未満、より好ましくは１００ｎｍ未満、より好ましくは１０ｎｍ未満であり、理想的には、必ずとは限らないが、２ｎｍ未満であることが望ましい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１４】
分子が表面から離れる方向は多くのパラメーターに依存し、例えば、表面に到達する分子の速度（すなわち、速さおよび方向）、および分子と表面との間における相互作用のタイプ（例えば、衝突に関与する表面原子の数、場所および配向）などに依存する。ガス分子が特定の方向に表面から離れると、ガス分子は、ガス分子が表面または別のガス分子と衝突し、方向を変えるまで特定の距離を進む。ガス分子の２回の連続する衝突の間における平均距離が平均自由行程として知られており、ギリシャ文字λによって示される。λの値は、分子の直径、ガス圧力および温度に依存する。本発明の様々な例示的実施形態において、ガスの任意の所与の圧力および組成については、表面間の間隙ｄが、分子間衝突の数を制限するように十分に小さい。この形態は、他のガス分子と衝突することなく間隙を無事に横切る、十分なエネルギーを有する分子の確率を増大させる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１９】
好ましくは、表面１２と表面１４との間における間隙ｄは、デバイス１０の作動温度および作動圧力におけるガス分子の平均自由行程の程度である。例えば、ｄは平均自由行程の１０倍未満、より好ましくは５倍未満、より好ましくは２倍未満であることが可能である。例えば、ｄはおおよそ平均自由行程またはそれ以下であってもよい。表面１２と表面１４との間における間隙ｄについての典型的な値が約１０００ｎｍ以下、より好ましくは約１００ｎｍ未満、より好ましくは約１０ｎｍ未満、より好ましくは約２ｎｍ以下である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７２】
本発明の様々な例示的実施形態において、デバイス１０はさらに、ガス圧力を維持し、かつ、ガス媒体の漏れまたは汚染を防止するための密閉された筺体３６を含む。筺体３６の内部の圧力は周囲圧力と（加圧方向または減圧方向のどちらかで）異なることが可能である。筺体３６の内部の圧力は、所望される平均自由行程および／または所望される熱伝導度（圧力が高いほど、熱伝導は大きくなる）を達成するように選択することができる。下記の実施例の節において式１で説明されるように、平均自由行程は圧力に対して反比例する。したがって、筺体３６の内部の圧力を下げることによって、平均自由行程を増大させることができる。圧力を上げることによって、熱伝導度が増大するように、キャリア分子の数が増大する。最適な圧力は、最大電流を生じさせるためにこれらの影響を平衡化させる。本発明の様々な例示的実施形態において、筺体３６の内部の圧力は１０気圧未満であり、だが、接近した間隔で置かれる間隙については特に、より大きい圧力もまた意図される。実際、ナノメートル範囲での間隙については、とりわけ、分子直径が小さいガス（例えば、ヘリウムなど）を使用するときには、大きい効率を数百気圧のガス圧力で達成することができる。一般に、そのような小さい間隙については、上限の圧力限界が、圧力閉じ込め検討によるか、または、作動温度におけるガスの液化圧力によるかのどちらかによって設定される。好ましいガス圧力は１気圧を超える。典型的には、ガス圧力は１．１気圧よりも高く、または、２気圧よりも高く、または、３気圧よりも高く、または、４気圧よりも高く、または、５気圧よりも高い。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８８】
ガス分子は互いに衝突し、同様に、ガス分子が閉じ込められる容器とも衝突する。直径σのガス分子について、ある特定の圧力Ｐおよび絶対温度Ｔ（°Ｋ）における平均自由行程λが次式によって与えられる：
2012504927.tif 000001
式中、Ｒは一般ガス定数であり（Ｒ＝０．０８２ａｔｍ・Ｌ・ｍｏｌ−１・°Ｋ−１）、Ｎはアボガドロ数である。したがって、所与の圧力および温度について、ガス分子の平均自由行程はガス分子の直径に依存し、この場合、より小さい分子は、より大きい分子と比較して、より大きい平均自由行程を有する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８９】
直径σ（Å）と、５気圧の圧力Ｐおよび２５℃の温度における少数の代表的なガスについて式１を使用して計算されるときの対応する平均自由行程λ（ｎｍ）とが下記の通りである：
アルゴン（σ＝４．０Å、λ＝１１．２ｎｍ）、ＣＦ４（σ＝４．２Å、λ＝１０．３ｎｍ）、Ｃ３Ｆ８（σ＝４．８Å、λ＝７．９ｎｍ）、ＣＨ４（σ＝４．４Å、λ＝９．６ｎｍ）、ヘリウム（σ＝２．４Å、λ＝３１．５ｎｍ）、クリプトン（σ＝４．６Å、λ＝８．６ｎｍ）、ネオン（σ＝２．９Å、λ＝２２．２ｎｍ）、Ｎ２（σ＝３．８Å、λ＝１３．０ｎｍ）、ＳＦ６（σ＝５．５Å、λ＝６．０ｎｍ）およびキセノン（σ＝５．４Å、λ＝６．２ｎｍ）。これらの計算は、一般的なガスの平均自由行程の値が、示された条件のもとでは、一般にナノメートル範囲の距離にあることを示している。より高い温度（２５℃超）および／またはより低い圧力（５気圧未満）については、これらの分子の平均自由行程がより長くなる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２０２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２０２】
したがって、間隙が小さいほど、ポテンシャル障壁に打ち勝つために必要とされる最少速度が低くなり、かつ、間隙を無事に横切る帯電したガス分子の割合が大きくなる。同様に、より小さい間隙は、より大きいガス圧力を用いることを、すなわち、より短い平均自由行程およびより大きい熱伝導性とともに可能にする。高すぎる圧力レベルは、表面間のガス媒介による電荷移動の効率を低下させるかもしれない。これは、より大きい圧力が、分子間衝突についてのより大きい確率に対応するからである。しかしながら、より高いガス圧力はまた、表面と相互作用することができる分子で、電荷を効率的に輸送することができる分子の数を増大させる。したがって、分子間衝突の割合と、電荷キャリアとして働く分子の数と、間隙の幅との間におけるバランスが存在する。下記の実施例のいくつかにおいて明らかにされるように、ガス媒介による電荷移動がその最大効率に達する閾値圧力が存在する。閾値圧力を超えると、電流は、より大きい圧力の対抗する影響（表面と相互作用する分子の増大した数に対する増大した分子間衝突）が互いに釣り合うならば、プラトー値のままであり得る。理想的なバランス状況でない場合、閾値圧力点を超えると、電流が圧力の増大とともに低下し得る。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０３０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０３０９】
構造物１１０１および１１１１の向かい合う表面はそれぞれが、下記の実験では少なくとも２．５ｃｍの直径を有することがあり、また、いくつかの場合には１対あたり約２０ｃｍ２の理論的重なり領域を有することがあるが、有効領域は最大理論的重なり領域よりも小さくなるかもしれないことを理解しなければならない。どのような対の材料についても、隣接表面が、操作上の条件のもとで使用されているガスの平均自由行程の数倍を超えない間隙によって、（スペーサーによるか、または、外向きに突き出る粗さ特徴物によるかのどちらかで）離して置かれるとき、重なり領域が最も効果的であることが見出された。２つの表面の間における有効重なり部分の割合は、それぞれの表面の幾何学、形状、平坦度、粗さ、および突き出る特徴物の分布に依存する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０３２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０３２３】
図１３はいくつかのガスの閾値圧力（ｍｂａｒ）を１／σ２（式中、σはガス分子の直径（Å）である）の関数として示す。上記の式１によれば、平均自由行程λが１／σ２に直線的に比例する。図１３に示されるように、直線的相関（Ｒ２＝０．９８９８）が、測定された閾値圧力と１／σ２との間に存在する。すなわち、ガス分子の直径が小さいほど、最大電流が観測された圧力が大きくなる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０３２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０３２６】
実験ＩＩにより、様々なガスに関して、電流が様々な表面の間のガス媒介による電荷移動によって発生することが確認された。電流がガスの非存在下で何ら観測されず、このことから、電流に対する検出可能な熱電子の寄与が存在しなかったことが確認された。電流の圧力依存性が認められた。何らかの理論にとらわれないが、閾値圧力の値が、表面間の間隙とガスの平均自由行程との間における関係性に依存することが仮定される。安定した電流が、不活性ガスを使用して観測されたという事実により、ガスの化学反応からの寄与が除外される。実験ＩＩによりさらに、本発明のセルデバイスの作動表面がまた、比較的低い導電率を有する材料（例えば、ガラスおよびＭＡＣＯＲ（登録商標）など）から作製され得ることが明らかにされた。ガスの組合せを用いて得られた結果からは、本実施形態のセルデバイスはガスの混合物に関してもまた作動可能であることが明らかにされる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０３６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０３６５】
結果
図１８は、使用された３つのガスのそれぞれについて、閾値圧力において測定される電流（ｐＡ）を間隔（μｍ）の関数として示す。四角はヘリウム（σ＝２．４Å）に対応し、丸はアルゴン（σ＝４．０Å）に対応し、三角はキセノン（σ＝５．４Å）に対応する。示されるように、電流が間隔の増大とともに低下した。間隙サイズに対する依存性の非線形により、本発明者は、間隙サイズのさらなる低下が、はるかにより大きい電流を生じさせるという結論に至っている。図１８はまた、ガス分子の直径が小さいほど、閾値圧力において測定される電流が大きくなり、このことは、より小さい分子は平均自由行程がより大きく、したがって、電荷を、所与の間隙を横断して輸送する確率がより大きいガス媒介電荷移動モデルと一致していることを明らかにする。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０３７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０３７９】
観測された圧力依存性は、本発明者によって発見されるガス媒介電荷移動機構と一致している。発生した電流が、ガス分子の平均自由行程が２つの表面の間の間隙よりも小さい圧力に至るまでの圧力とともに増大する。圧力を、この点を超えて高くすることはまた、ガス分子が、その電荷を、間隙を横断して第２の表面に輸送し得る前のガス分子の間における衝突の確率を増大させ、しかし、圧力を、この点を超えて高くすることはまた、前記電荷を輸送することができる分子の数を増大させる。したがって、１分子あたりの電荷輸送の割合を低下させる分子間衝突と移動させられているガス媒介による電荷の総量を増大させる分子の総数との間にはバランスが存在する。図２１はそのようなバランスを明らかにすることが考えられる。これら２つの相反する影響は互いに釣り合うようであり、その結果、閾値圧力を超えた場合、電流がガス圧力にもはや依存しないか、または、ほんの弱く依存するだけである。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０３８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０３８０】
グラフの単調増大部分は、間隙サイズよりも大きい平均自由行程をもたらす圧力に対応する。実施例１において説明されるように、λ＞ｄの条件のもとでは、表面と単位時間あたり相互作用する分子の数が圧力に直線的に依存していることが予想される。グラフのプラトー部分が、間隙サイズよりも小さい平均自由行程をもたらす圧力に対応する。閾値圧力は、電流が圧力とともにもはや著しく増大しない最低圧力として定義することができる。表面材料、ガスおよび作動条件の特定の組合せについては、電流が、プラトー状態で安定化するのではなく、むしろ、圧力の増大とともに低下し得ることが起こり得る。本実験、すなわち、図２１において、閾値圧力は約７００ｍｂａｒである。