(57)【要約】電磁エネルギーを収集するためのシステムを提供する。本システムは、１つ以上の電磁エネルギー収集デバイスを含むことができる。個々のデバイスは、半導体層に隣接する第１の導電性層を備えている。第１の導電性層は、第１の導電性層と半導体層との間の界面電荷流動に対するショットキー障壁を形成する。第２の導電性層は、半導体層に隣接し、かつ第１の導電性層から離れて配置される。第２の導電性層は、半導体層と抵抗接点を形成する。電磁エネルギーへの本デバイスの暴露時に、第１の導電性層は、第２の導電性層と共鳴的に相互作用する局所的表面プラズモン共鳴を生成し、光のほぼ完全な吸収を提供する。光の吸収は、外部負荷を駆動するようにショットキー障壁を横断する第１の層内のホットエレクトロンを作成する。
2015502658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁エネルギーを収集するためのデバイスであって、
（ａ）導電性ナノ構造を備えている第１の層であって、前記第１の層は、電磁エネルギーへの暴露時にホットエレクトロンを生成するように適合されている、第１の層と、
（ｂ）前記第１の層に隣接する第２の層であって、前記第２の層は、半導体材料を含み、前記第１の層と第２の層との間の界面は、電磁エネルギーへの前記デバイスの暴露時に電荷流動に対するショットキー障壁を備えている、第２の層と、
（ｃ）前記第２の層に隣接する第３の層であって、前記第３の層は、導電性材料を含む、第３の層と
を備え、
電磁エネルギーへの前記デバイスの暴露時に、前記第１の層内の前記ナノ構造は、前記第３の層と共鳴的に相互作用する局所的表面プラズモン共鳴を生成することにより、電力を産生する、デバイス。
【請求項２】
電磁エネルギーへの前記デバイスの暴露時に、前記第１の層および前記第３の層の複合応答が、前記第１の層の方向からの衝突電磁エネルギーへの共鳴電気および磁気応答をもたらす、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第３の層は、前記第２の層とショットキー接点を形成する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第２および第３の層に隣接する電極をさらに備え、前記電極は、前記第２の層に横方向に隣接し、前記電極は、前記第２の層と抵抗接点を形成する、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第３の層は、前記第２の層と抵抗接点を形成する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第３の層に隣接する第４の層をさらに備え、前記第４の層は、前記第１の層と電気および磁気共鳴を形成する、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第１の層の前記導電性ナノ構造および／または前記第３の層の前記導電性材料は、アルミニウム、銀、金、銅、白金、ニッケル、銅、鉄、タングステン、酸化イットリウム、酸化パラジウム、黒鉛、および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１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記半導体材料は、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、シリコン、ダイヤモンド、ゲルマニウム、炭化ケイ素、窒化ガリウム、テルル化カドミウム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１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１の層の前記導電性ナノ構造は、複数の細長い列に含まれている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１の層の前記導電性ナノ構造は、１本以上の３次元柱に含まれ、前記１本以上の３次元柱のうちの個々の柱は、１よりも大きい高さ対幅の比を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記個々の柱は、前記個々の柱の基部に関して約５０度から９０度の間のテーパ角を有する、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記個々の柱は、少なくとも約２：１のアスペクト比を有する、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記個々の柱は、少なくとも約１０：１のアスペクト比を有する、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第１の層は、光透過性である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第１の層に隣接する第４の層をさらに備え、前記第４の層は、半導体材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第１の層は、前記第１の層の露出面上で吸収される１つ以上のプローブ分子を含み、前記１つ以上のプローブ分子は、（ｉ）前記第１の層と接触している溶液中の分析物と相互作用し、（ｉｉ）前記デバイスの中で生成される電力、および／または前記デバイスを通る電流を変調するように適合されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記導電性ナノ構造の個々のナノ構造は、約１ナノメートル（ｎｍ）から１００ｎｍの粒径を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記第１の層は、マトリクスを備え、前記導電性ナノ構造は、前記マトリクスに組み込まれている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記マトリクスは、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、シリコン、ダイヤモンド、ゲルマニウム、炭化ケイ素、窒化ガリウム、テルル化カドミウム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１８に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記第２の層は、約１ナノメートル（ｎｍ）から５００ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記導電性ナノ構造は、前記第１の層内のパターン形成されたアレイに配置されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記第１の層は、前記第１の層を通って延在する１つ以上の開口部を備えている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記第２の層の部分は、前記第１の層の前記１つ以上の開口部を通して暴露されている、請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記第３の層は、前記第１の層から分離されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２５】
１つ以上の電磁エネルギー収集デバイスを備えている電磁エネルギーを収集するためのシステムであって、個々のデバイスは、
半導体層に隣接する第１の導電性層であって、前記第１の導電性層は、前記第１の導電性層と前記半導体層との間の界面に電荷流動に対するショットキー障壁を形成する、第１の導電性層と、
前記半導体層に隣接し、かつ前記第１の導電性層から離れて配置されている第２の導電性層であって、前記第２の導電性層は、（ｉ）前記半導体層との抵抗接点、または（ｉｉ）前記第２の導電性と前記半導体層との間の界面に電荷流動に対するショットキー障壁を形成する、第２の導電性層と
を備え、
電磁エネルギーへの前記デバイスの暴露時に、前記第１の導電性層は、前記第２の導電性層と共鳴的に相互作用する局所的表面プラズモン共鳴を生成することにより、電力を産生する、システム。
【請求項２６】
前記半導体層は、約１ナノメートル（ｎｍ）から５００ｎｍの厚さを有する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記半導体層は、約１ｎｍから１００ｎｍの厚さを有する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記第２の導電性層は、前記第２の導電性層と前記半導体層との間の前記界面に電荷流動に対するショットキー障壁を形成する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第２の導電性層は、前記半導体層と抵抗接点を形成する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３０】
前記システムは、複数の電磁エネルギー収集デバイスを備えている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３１】
前記電磁エネルギー収集デバイスは、互に直列に電気的に連結されている、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
電磁エネルギーへの前記システムの暴露時に、前記第１の導電性層および前記第２の導電性層の複合応答が、前記第１の導電性層の方向からの衝突電磁エネルギーへの共鳴電気応答をもたらす、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３３】
前記半導体層および前記第２の導電性層に隣接する接点をさらに備え、前記接点は、前記半導体層に関して横方向に配置され、前記接点は、前記半導体層と抵抗接点を形成する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３４】
前記第１の導電性層は、導電性ナノ構造を含む、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３５】
前記導電性ナノ構造および／または前記第２の導電性層は、アルミニウム、銀、金、銅、白金、ニッケル、銅、鉄、タングステン、酸化イットリウム、酸化パラジウム、黒鉛、および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３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記導電性ナノ構造は、複数の細長い列に含まれる、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３７】
前記導電性ナノ構造は、１本以上の３次元柱に含まれ、前記１本以上の３次元柱のうちの個々の柱は、１よりも大きい高さ対幅の比を有する、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３８】
前記個々の柱は、前記個々の柱の基部に関して約５０度から９０度の間のテーパ角を有する、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記個々の柱は、少なくとも約２：１のアスペクト比を有する、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４０】
前記個々の柱は、少なくとも約１０：１のアスペクト比を有する、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４１】
前記第１の導電性層は、複合材料マトリクスと、前記複合材料マトリクス内のナノ構造とを備えている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項４２】
前記ナノ構造は、約１ナノメートル（ｎｍ）から１００ｎｍの粒径を有する、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記複合材料マトリクスは、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、シリコン、ダイヤモンド、ゲルマニウム、炭化ケイ素、窒化ガリウム、テルル化カドミウム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４１に記載のシステム。
【請求項４４】
前記半導体層は、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、シリコン、ダイヤモンド、ゲルマニウム、炭化ケイ素、窒化ガリウム、テルル化カドミウム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２５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国仮出願第６１／５５９，５８３号（２０１１年１１月１４日出願）の利益を主張する。該出願は、その全体が参照により本明細書に引用される。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電（ＰＶ）は、光起電力効果を示す半導体を使用して、太陽放射を直流電流に変換することによって、電力を生成する方法である。太陽光発電は、光起電材料を含有する、いくつかの太陽電池から成る、太陽電池パネルを採用することができる。
【０００３】
従来の無機太陽光発電（ＰＶ）は、光を吸収し、自由キャリアを作成し、これらのキャリアを輸送して電力を生成するために、半導体ｐｎ接合を使用する。光を電力に変換する代替的な方法は、ショットキー障壁上のホットエレクトロンの内部光子放出によるものである。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、Ｅ．Ｗ．ＭｃＦａｒｌａｎｄ、および、Ｊ．Ｔａｎｇ，“Ａ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ，”Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４２１，ｎｏ．６９２３，ｐｐ．６１６−８，Ｆｅｂ．２００３（非特許文献１）を参照されたい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｅ．Ｗ．ＭｃＦａｒｌａｎｄ、および、Ｊ．Ｔａｎｇ，“Ａ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ，”Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４２１，ｎｏ．６９２３，ｐｐ．６１６−８，Ｆｅｂ．２００３
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書では、光を電気（または電磁）エネルギーに変換するために現在利用可能なデバイスでの種々の制限が認識される。例えば、二酸化チタン上の薄い金の層から成るショットキーダイオードを有するデバイスは、内部光子放出によって光を電気エネルギーに変換してもよいが、そのようなデバイスは、金属から染料への電荷移動、染料発光、および光子に結合することによる非放射脱励起等の種々の競合プロセスによって制限され得る。いくつかのデバイスは、金属ナノ構造を含み得るが、金属ナノ構造は、光の強い吸収および散乱をもたらす、（プラズモンとして知られている）電子の集団振動により、強い光学共鳴を示し得る。内部光放出によって動作するデバイスは、光を利用および感知するためにショットキー障壁を覆う染料の代わりに、金属ナノ構造からのホットエレクトロンの流れを使用してもよいが、そのようなデバイスは、入射エネルギーのわずかな部分のみをホットエレクトロンに変換し得、プラズモンのエネルギーのかなりの部分が放射減衰し、失われる。
【０００６】
本開示は、例えば、電力産生または光検出に利用することができる、ホットエレクトロンを産生するように、内部光放出によって光を効率的に結合するためのデバイス、システム、および方法を提供する。いくつかの実施形態では、第１の段階では、ホットエレクトロンは、光のほぼ完全な吸収を可能にすることができる複合電気および磁気共鳴によって、伝導構造の中で産生される。第２の段階では、ホットエレクトロンは、内部光放出または直接トンネリングのいずれか一方を介して、ショットキー障壁上で伝達される。強い吸収を提供することに加えて、この方法はまた、広いスペクトル帯域幅にわたって、またはデバイスの幾何学形状および材料組成によって決定される狭い波長帯において、光子捕捉を可能にする。狭波長吸収材は、単一または複数の吸収帯を有するように調節することができる。この概念に基づくデバイスは、吸収が入射偏光および角から独立しているように設計することができる。これらの設計は、実質的に薄い形状因子に役立ち、可撓性の共形センサおよびエネルギー収穫装置まで容易に拡張することができる。
【０００７】
本開示の側面は、電磁エネルギーを収集するためのデバイスを提供する。本デバイスは、導電性ナノ構造を備えている、第１の層を備えている。第１の層は、電磁エネルギーへの暴露時にホットエレクトロンを生成するように適合される。本デバイスは、第１の層に隣接する第２の層を備えている。第２の層は、半導体材料を含む。第１の層と第２の層との間の界面は、電磁エネルギーへの本デバイスの暴露時に電荷流動に対するショットキー障壁を備えている。本デバイスはさらに、第２の層に隣接する第３の層を含む。第３の層は、導電性材料を含む。電磁エネルギーへの本デバイスの暴露時に、第１の層内のナノ構造は、電力を産生するように第３の層と共鳴的に相互作用する局所的表面プラズモン共鳴を生成する。
【０００８】
実施形態では、電磁エネルギーへの本デバイスの暴露時に、第１の層および第３の層の複合応答が、第１の層の方向からの衝突電磁エネルギーへの共鳴電気応答をもたらす。別の実施形態では、第３の層は、第２の層とショットキー接点を形成する。別の実施形態では、第３の層は、第２の層と抵抗接点を形成する。別の実施形態では、本デバイスはさらに、第２および第３の層に隣接する電極を備えている。電極は、第２の層に横方向に隣接することができ、電極は、第２の層と抵抗接点を形成することができる。
【０００９】
実施形態では、第３の層は、第２の層と抵抗接点を形成する。別の実施形態では、本デバイスはさらに、第３の層に隣接する第４の層を備えている。第４の層は、第１の層と電気および磁気共鳴を形成することができる。
【００１０】
別の実施形態では、第１の層の導電性ナノ構造および／または第３の層の導電性材料は、アルミニウム、銀、金、銅、白金、ニッケル、銅、鉄、タングステン、酸化イットリウム、酸化パラジウム、黒鉛、および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。別の実施形態では、半導体材料は、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、シリコン、ダイヤモンド、ゲルマニウム、炭化ケイ素、窒化ガリウム、テルル化カドミウムから成る群より選択される１つ以上の材料を含む。
【００１１】
実施形態では、第１の層の導電性ナノ構造は、複数の細長い列に含まれる。別の実施形態では、第１の層の導電性ナノ構造は、１本以上の３次元柱に含まれる。１本以上の３次元柱のうちの個々の柱は、１よりも大きい高さ対幅の比を有することができる。別の実施形態では、個々の柱は、個々の柱の基部に関して約５０度から９０度の間のテーパ角を有する。別の実施形態では、個々の柱は、少なくとも約２：１のアスペクト比を有する。別の実施形態では、個々の柱は、少なくとも約１０：１のアスペクト比を有する。
【００１２】
実施形態では、第１の層は、光透過性である。別の実施形態では、本デバイスはさらに、第１の層に隣接する第４の層を備えている。第４の層は、半導体材料を含むことができる。別の実施形態では、第１の層は、第１の層の露出面上で吸収される１つ以上のプローブ分子を含む。１つ以上のプローブ分子は、（ｉ）第１の層と接触している溶液中の分析物と相互作用し、（ｉｉ）本デバイスの中で生成される電力、および／または本デバイスを通る電流を変調するように適合することができる。実施形態では、第１の層は、ナノ粒子のマトリクスを備えている。別の実施形態では、第１の層の個々のナノ粒子は、約１ナノメートル（ｎｍ）から１００ｎｍの粒径を有する。一実施形態では、ナノ粒子は、アルミニウム、銀、金、銅、白金、ニッケル、銅、鉄、タングステン、酸化イットリウム、酸化パラジウムから成る群より選択される１つ以上の材料から成る。別の実施形態では、マトリクスは、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、シリコン、ダイヤモンド、ゲルマニウム、炭化ケイ素、窒化ガリウム、テルル化カドミウムから成る群より選択される１つ以上の材料を含む。
【００１３】
実施形態では、第２の層は、約１ナノメートル（ｎｍ）から５００ｎｍの厚さを有する。別の実施形態では、導電性ナノ構造は、第１の層内のパターン形成されたアレイに配置される。
【００１４】
実施形態では、第１の層は、第１の層を通って延在する１つ以上の開口部を備えている。別の実施形態では、第２の層の部分は、第１の層の１つ以上の開口部を通して暴露される。別の実施形態では、第３の層は、第１の層から分離される。
【００１５】
本開示の別の側面は、電磁エネルギーを収集するためのシステムを提供する。本システムは、１つ以上の電磁エネルギー収集デバイスを備えている。個別電磁エネルギー収集デバイスは、半導体層に隣接する第１の導電性層を備えている。第１の導電性層は、第１の導電性層と半導体層との間の界面に電荷流動に対するショットキー障壁を形成する。本デバイスはさらに、半導体層に隣接し、かつ第１の導電性層から離れて配置されている第２の導電性層を備えている。第２の導電性層は、（ｉ）半導体層との抵抗接点、または（ｉｉ）第２の導電性と半導体層との間の界面に電荷流動に対するショットキー障壁を形成する。電磁エネルギーへの本デバイスの暴露時に、第１の導電性層は、電力を産生するように第２の導電性層と共鳴的に相互作用する局所的表面プラズモン共鳴を生成する。
【００１６】
実施形態では、半導体層は、約１ナノメートル（ｎｍ）から５００ｎｍの厚さを有する。別の実施形態では、半導体層は、約１ｎｍから１００ｎｍの厚さを有する。
【００１７】
実施形態では、第２の導電性層は、第２の導電性層と半導体層との間の界面に電荷流動に対するショットキー障壁を形成する。別の実施形態では、本システムは、複数の電磁エネルギー収集デバイスを備えている。別の実施形態では、電磁エネルギー収集デバイスは、互に直列に電気的に連結される。別の実施形態では、電磁エネルギーへの本システムの暴露時に、第１の導電性層および第２の導電性層の複合応答が、第１の導電性層の方向からの衝突電磁エネルギーへの共鳴電気応答をもたらす。別の実施形態では、本デバイスはさらに、半導体層および第２の導電性層に隣接する接点を備えている。接点は、半導体層に関して横方向に配置することができる。接点は、半導体層と抵抗接点を形成することができる。
【００１８】
実施形態では、第１の導電性層は、導電性ナノ構造を含む。別の実施形態では、導電性ナノ構造および／または第２の導電性層は、アルミニウム、銀、金、銅、白金、ニッケル、銅、鉄、タングステン、酸化イットリウム、酸化パラジウム、黒鉛、および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。
【００１９】
実施形態では、導電性ナノ構造は、複数の細長い列に含まれる。別の実施形態では、導電性ナノ構造は、１本以上の３次元柱に含まれる。１本以上の３次元柱のうちの個々の柱は、１よりも大きい高さ対幅の比を有することができる。別の実施形態では、個々の柱は、個々の柱の基部に関して約５０度から９０度の間のテーパ角を有する。別の実施形態では、個々の柱は、少なくとも約２：１のアスペクト比を有する。別の実施形態では、個々の柱は、少なくとも約１０：１のアスペクト比を有する。別の実施形態では、導電性ナノ構造の個々のナノ構造は、約１ナノメートル（ｎｍ）から１００ｎｍの粒径を有する。
【００２０】
本開示の付加的な側面および利点は、本開示の例証的実施形態が示され、説明される、以下の発明を実施するための形態から当業者に容易に明白となるであろう。認識されるように、本開示は、他の異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの詳細は、全て本開示から逸脱することなく、種々の明白な点で修正が可能である。したがって、図面および説明は、制限的としてではなく、本質的に例証的として見なされるものである。
【００２１】
（参照による組み込み）
本明細書で記述される全ての出版物、特許、および特許出願は、各個別出版物、特許、または特許出願が、参照することにより組み込まれるように特異的かつ個別に示された場合と同一の程度に、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明の新規の特徴が、添付の請求項で詳細に記載される。本発明の原理が利用される、例証的実施形態を記載する以下の発明を実施するための形態、ならびに添付図面を参照することにより、本発明の特徴および利点のより良い理解が得られるであろう。
【図１】図１は、本開示のデバイスのエネルギーバンド図を示す。
【図２Ａ】図２ａは、狭帯域センサ構成のデバイスを概略的に図示する。
【図２Ｂ】図２ｂは、図２ａのデバイスの柱の接近図を示す。
【図３】図３は、図２のデバイスの光吸収、反射、および透過のコンピュータシミュレーションの実施例である。
【図４】図４は、クロスバー構成のデバイスを概略的に示す。
【図５】図５は、金属ナノ粒子凝集体を含む最上層を伴うデバイスを概略的に示す。
【図６】図６は、高アスペクト比の広帯域幅エネルギーコレクタを概略的に示す。
【図７】図７は、図６のデバイスの光学吸収、反射、および透過を示す、ンピュータシミュレーションの実施例である。
【図８Ａ】図８ａは、最上抵抗層を伴う高アスペクト比の広帯域幅エネルギーコレクタを概略的に示す。
【図８Ｂ】図８ｂは、図８ａのデバイスの柱の接近図を示す。
【図９】図９は、バイオセンサまたは化学センサとして使用することができるデバイスを概略的に示す。
【図１０】図１０は、電磁エネルギー収集デバイスを形成するためのプロセスフローを図示する。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の種々の実施形態が、本明細書で示され、説明されているが、そのような実施形態は一例のみとして提供されることが、当業者に明白となるであろう。多数の変形例、変更、および置換が、本発明から逸脱することなく当業者に想起され得る。本明細書で説明される本発明の実施形態の種々の代替案が採用され得ることを理解されたい。
【００２４】
本明細書で使用されるような「ホットエレクトロン」という用語は、概して、半導体の中の非平衡電子（または正孔）を指す。この用語は、フェルミ関数によって表すことが可能である（但し、有効温度上昇を伴う）、電子分布を指すことができる。ホットエレクトロンは、正孔と再結合すること、または半導体材料を通してコレクタに伝導される代わりに、材料から量子力学的に突き抜けることができる。
【００２５】
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、概して、波動および粒子様挙動を示すエネルギーの形態である、電磁放射（また、本明細書では「光」）を指す。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、電磁相互作用の量子および光の基本である、光子を含む。
【００２６】
本明細書で使用されるような「ピッチ」という用語は、概して、例えば、類似特徴等の特徴の間の中心間距離を指す。実施例では、ピッチは、材料層内の柱または開口部の間の中心間距離である。
【００２７】
本明細書で使用されるような「〜に隣接する」という用語は、概して、〜に接触している、または〜に近接している等の「〜の隣にある」または「隣接している」を指す。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、他方の層、デバイス、または構造の隣にあるか、または隣接している。実施例では、第２の層に隣接する第１の層は、第２の層の直接隣にある。別の実施例では、第２の層に隣接する第１の層は、第３の（中間）層によって第２の層から分離される。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のため等に、本デバイスが機能するように、相互にそのように接触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マイクロメートル（「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５００ナノメートル（「ｎｍ」）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、または同等物にある。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、または同等物）によって分離される。
【００２８】
本明細書で使用されるような「抵抗」という用語は、概して、オームの法則、すなわち、「Ｖ」が電位を表し、「Ｉ」が電流を表し、「Ｒ」が抵抗を表す、Ｖ＝Ｉ＊Ｒに従って挙動する、材料を指す。
【００２９】
本開示は、電磁エネルギーを収集するために使用することができる、デバイス、システム、および方法を提供する。いくつかの実施例では、本開示のシステムおよびデバイスは、内部光放出に基づいて電磁エネルギーを収集する他のデバイスに関して、増加した全外部効率で電磁エネルギーを収集することができる。
【００３０】
（電磁エネルギー収集デバイスおよびシステム）
本開示の側面は、電磁エネルギーを収集または収穫するためのデバイスを提供する。本デバイスは、導電性ナノ構造を備えている、第１の層を備えている。第１の層は、電磁エネルギーへの第１の層の暴露時にホットエレクトロンを生成するように適合される。第１の層は、第１の層を通って延在する１つ以上の開口部を含むことができる。１つ以上の開口部は、種々の形状を有し、種々のパターンで分配することができる。場合によっては、１つ以上の開口部は、円形、三角形、正方形、長方形、五角形、六角形、七角形、八角形、または部分形状、あるいはそれらの組み合わせである、断面を有する。１つ以上の開口部は、相互と平行である細長い列に沿って、または相互と平行である第１組の列、および第１組の列に対して直角である第２組の列に沿って分配することができる、複数の開口部を含むことができる。
【００３１】
本デバイスはさらに、第１の層に隣接する第２の層を含むことができる。第２の層は、半導体材料を含むことができる。状況によっては、第２の層の部分は、第１の層の１つ以上の開口部を通して暴露される。第１の層と第２の層との間の界面は、電磁エネルギーへの本デバイスの暴露時に電荷流動に対するショットキー障壁を含むことができる。
【００３２】
本デバイスはさらに、第２の層に隣接する第３の層を含むことができる。第３の層は、導電性材料を含む。場合によっては、電磁エネルギーへの本デバイスの暴露時に、第１の層内のナノ構造は、電力を産生するように第３の層と共鳴的に相互作用する局所的表面プラズモン共鳴を生成する。
【００３３】
第１の層は、第３の層から分離することができる。実施例では、第３の層は、第１の層から物理的に分離することができる。別の実施例では、第１の層は、第１の層から電気的に分離される。場合によっては、第１および第３の層は、第２の層を通して相互と電気接触している。
【００３４】
図１は、エネルギー収集デバイスを概略的に図示する。図１のデバイスは、太陽光（また、本明細書では「太陽放射」）等の光から電磁エネルギーを収集するために使用することができる。図１のデバイスは、外部負荷を駆動するエネルギーを収集するために、またはセンサ、あるいはエネルギー貯蔵システム（例えば、バッテリ）に連結された図１のデバイスを含むシステムのように、使用することができる。
【００３５】
図１のデバイスは、第１の層２０３と第２の層２０５との間に半導体層２０９を含む。半導体層２０９は、ｎ型半導体を含むことができる。第１の層２０３は、パターン形成されたナノ／マイクロ金属ナノ構造（例えば、ナノドット、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノ粒子凝集体）を含むことができ、第２の層２０５は、連続金属膜を含むことができる。半導体層２０９は、半導体層２０９と抵抗接点２０２を形成する導電体２０４と電気接触している。第１の層２０３および導電体２０４は、電気接触を半導体層２０９に提供する。第１の層２０３および導電体２０４は、負荷（例えば、送電網、電子デバイス、エネルギー貯蔵システム）に連結することができる。第１の層２０３および第２の層２０５は、半導体層２０９と（例えば、ショットキー障壁を提供する）ショットキー接点を形成することができる。いくつかの実施例では、第１の層２０３および第２の層２０５のそれぞれの材料は、第１の層２０３と半導体層２０９との間の界面において、および第２の層２０５と半導体層２０９との間の界面においてショットキー接点を提供するように選択される。他の実施例では、第１の層２０３の材料は、半導体層２０９とのショットキー接点を提供し、第２の層２０５は、半導体層２０９との抵抗接点を有する。
【００３６】
外部負荷は、第１の層２０３および第２の層２０４に電気的に連結することができる。実施例では、外部負荷の第１の端子（例えば、正端子）が、第１の層２０３と電気接触している第１の電極に連結され、外部負荷の第２の端子が、第２の層２０４と電気接触している第２の電極に連結される。
【００３７】
図１のデバイスの動作中、入射光（ナノ構造２０３の左側の波線）は、少なくとも部分的に、電気（プラズモン）および磁気共鳴の励起により、第１の層２０３のナノ構造および第２の層２０５の連続金属膜によって吸収することができる。状況によっては、入射光の少なくとも約１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、または９９％が、第１の層２０３および第２の層２０５によって吸収される。第１の層２０３と半導体２０９との間の接触は、ショットキー障壁であり得る、ショットキー接点２０１を提供することができる。
【００３８】
実施例では、図１のデバイスの動作中、吸収された光は、プラズモン減衰時にホットエレクトロン（「ホットｅ−」）を作成し、これらの電子は、ショットキー接点２０１（ショットキー障壁を備えている）を通って進むか、またはその上を通過し、後に、半導体２０９の伝導帯の中へ半導体２０９内で熱運動化することができる。ホットエレクトロンの生成は、正孔（「ｈ＋」）の生成を伴う。これらの熱運動化した電子は、導電体２０４によって収集されたときに負荷を駆動することができる。ショットキー障壁高さ（φ）よりも大きいエネルギー（ｈν）を伴う光の周波数は、電力を生成するように電気エネルギーに変換することができる。ショットキー障壁の厚さが比較的小さい構成では、ホットエレクトロンは、ショットキー障壁を通って直接進み、図１のデバイスに電気的に連結された負荷を駆動することができる。いくつかの実施例では、図１のデバイスは、約０．１ｅＶから３０ｅＶ、または０．１ｅＶから３２０ｅＶ、または０．１ｅＶから１０ｅＶのショットキー障壁高さ（φ）を有することができる。
【００３９】
半導体２０９は、ドープまたは非ドープであり得る。場合によっては、半導体２０９が、ｎ型またはｐ型ドープされる一方で、他の場合では、半導体２０９は真性である。場合によっては、半導体２０９は、窒素またはリンを用いてｎ型ドープされ、およびホウ素またはアルミニウムを用いてｐ型ドープされる。半導体２０９は、半導体２０９の価電子および伝導帯の間にフェルミ準位２１０を有する。半導体２０９の価電子および伝導帯は、バンドギャップ２１１（「Ｅｇ」）によって分離される。いくつかの実施例では、バンドギャップは、約０．１ｅＶから１０ｅＶ、０．１ｅＶから３．５ｅＶ、または０．２ｅＶから１．０ｅＶである。いくつかの実施例では、半導体２０９は、ＴｉＯｘを含み、バンドギャップは、約３ｅＶである。
【００４０】
本開示は、電磁放射の収集および電気エネルギーへの収集された電磁放射の変換のための方法を提供する。いくつかの実施形態では、エネルギー収集デバイスは、幾何学形状が入射光の吸収を最大限化するように調節される、パターン形成された伝導最上接触層を含む。
【００４１】
図２ａおよび２ｂは、エネルギー収集デバイスの実施例を示す。図示した実施例では、エネルギー収集デバイスは、センサであり得る。センサ構成では、光検出を向上させるように、外部バイアスを印加することができる。図２ｂは、図２ａに示されるデバイスの接近図である。図２ａおよび２ｂのデバイスは、最上伝導体層１０１と、底伝導体層１０２と、最上伝導体層１０１と底伝導体層１０２との間に配置される半導体層１０３と、側方抵抗接点１０４とを含む。側方抵抗接点１０４は、本デバイスの電極であり得る。半導体層１０３は、最上伝導体層１０１とショットキー接点を形成することができる。
【００４２】
最上伝導体層１０１および底伝導体層１０２の複合応答は、最上伝導体層１０１の方向からの衝突光への共鳴電気応答をもたらすことができる。これらの電気共鳴はまた、磁気共鳴を形成する電流ループも励起する。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、Ｊ．Ｈａｏ，Ｊ．Ｗａｎｇ，Ｘ．Ｌｉｕ，Ｗ．Ｊ．Ｐａｄｉｌｌａ，Ｌ．Ｚｈｏｕ、および、Ｍ．Ｑｉｕ，“Ｈｉｇｈ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｂｓｏｒｂｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ａ  ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ，”Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９６，ｎｏ．２５，ｐ．２５１１０４，２０１０を参照されたい。図３は、光の可視波長のために最適化された１つの構成の吸収、反射、および透過を示す、図２ａおよび２ｂのデバイスについてのコンピュータシミュレーションである。
【００４３】
図２ａおよび２ｂを参照して、電気および磁気共鳴の励起は、最上伝導体層１０１に入射する光の実質的に全ての吸収を可能にする。最上伝導体層１０１は、柱を含む。最上伝導体層１０１（図２ｂ参照）におけるプラズモン励起は、最上伝導体層１０１内で熱運動化されて熱に変換される前に、内部光放出を介して半導体層１０３の中へ輸送することができる、ホットエレクトロン１０５に減衰することができる。半導体層１０３の厚さ（すなわち、最上伝導体層１０１から底伝導体層１０２まで配向されたベクトルに沿った距離）は、少なくとも半導体層１０３の屈折率および電気抵抗の関数であり得る。半導体層１０３は、約１ナノメートル（ｎｍ）から２０００ｎｍ、１ｎｍから１０００ｎｍ、１ｎｍから５００ｎｍ、１ｎｍから４００ｎｍ、１ｎｍから３００ｎｍ、１ｎｍから２００ｎｍ、１ｎｍから１００ｎｍ、１ｎｍから５０ｎｍ、または１ｎｍから１０ｎｍの厚さ１０７を有することができる。可視光用途のため等のいくつかの実施例では、半導体層１０３は、約１ｎｍから１００ｎｍ、または１ｎｍから５０ｎｍの厚さ１０７を有する。他の実施例では、半導体層１０３は、約２０ｎｍから５００ｎｍ、または２０ｎｍから１５０ｎｍの厚さ１０７を有する。赤外（ＩＲ）光およびより長い光の波長については、半導体層１０３は、約５０ｎｍから８００ｎｍ、または１００ｎｍから４００ｎｍの厚さ１０７を有することができる。半導体層１０３の厚さは、使用される材料および所望の収集波長に依存し得る。
【００４４】
最上接触層１０１の幾何学形状は、ホットキャリアが効率的な動作のためにショットキー接点の１つの平均自由行程内で生成されるように、選択するか、または別様に提供することができる。いくつかの実施例では、最上接触層１０１は、円形、三角形、正方形、長方形、五角形、六角形、七角形、八角形、または部分形状、あるいはそれらの組み合わせである、断面を有する。
【００４５】
波長感度は、（１）隣接する最上接触層（図２ａ参照）間の平均距離であり得る、本デバイスのピッチ１１０、（２）最上伝導体層１０１の柱の幅１０６と厚さ１０７との間の比、および（３）半導体層１０３の厚さ１０８のうちの１つ以上に依存し得る。実施例では、可視光については、幅１０６および厚さ１０７は、約１ｎｍから１０００ｎｍ、または２０ｎｍから５００ｎｍであり、ピッチ１１０対幅１０６の比は、約１対１０、または１．５対５に及ぶ。状況によっては、幅と厚さとの間の比が大きいほど、入射光の完全または実質的に完全な吸収のための波長が長くなる。ＩＲ感知のため等の、より長い波長の吸収のために、全体的な寸法は、可視光感知と比較してより大きくあり得る。
【００４６】
底伝導体層１０２は、（ａ）半導体層１０３と抵抗接点を形成するか、または（ｂ）側方抵抗接点１０４が使用される場合に半導体層１０３とショットキー障壁を形成するかのいずれかを行うことができる。いくつかの実施例では、底伝導体層１０２は、最上伝導体層１０１との共鳴を形成して吸収を増加させるように選択されるか、または別様に構成される。半導体層１０３と抵抗接点を形成する導体を選択することの利益は、半導体１０３を通って進んだ距離を短縮し、それにより、熱損失を最小限化することである。
【００４７】
抵抗接点は、半導体から金属への電子の流れに対する負の障壁があるか、または障壁が全くないときに得ることができる。底伝導体層１０２の厚さは、半導体１０３との抵抗接点が提供されるようなものであり得る。底伝導体層１０２は、場合によっては、目的とする光の周波数で共鳴を形成しないほど十分薄い。場合によっては、第３の導体層は、半導体層と抵抗接点を作成するように、底伝導性層１０２より上側に提供することができる。底伝導体層１０２の材料性質は、側方接点１０４で使用される材料に類似し得る。第３の導体層は、材料層の間の結晶構造に合致するように等、境界条件に合致するように提供することができる。そのような場合の底伝導体層１０２の厚さは、第３の導体層が最上伝導体層１０１に入射する光に共鳴を形成しないように選択することができる。
【００４８】
側方抵抗接点１０４が提供される場合（上記のオプション（ｂ））、中間伝導層を伴うことなく、図２ａおよび２ｂのデバイスの光吸収を調節することができる。底伝導体層１０２は、半導体層１０３とショットキー障壁を形成することができる。
【００４９】
最上伝導体層１０１は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、Ｒｕ、Ｒｈ、またはグラフェンのうちの１つ以上を含むことができる。最上伝導体層１０１は、ナノ粒子、例えば、複合材料マトリクスに組み込まれ得る、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｐｔ、またはそれらの組み合わせ等のナノ粒子を含むことができる。半導体層１０３は、ｎ型またはｐ型半導体で形成することができ、かつ最上伝導体層１０１とショットキー障壁を形成することができる。半導体層１０３は、ＩＩ−ＶＩ族材料、ＩＩＩ−Ｖ族材料、およびＩＶ族材料等の１つ以上の半伝導または絶縁材料を含むことができる。いくつかの実施例では、半導体層１０３は、ＴｉＯｘ（例えば、ＴｉＯ２）、ＳｎＯｘ（例えば、ＳｎＯ２）、ＺｎＯ、シリコン、炭素（例えば、ダイヤモンド）、ゲルマニウム、ＳｉＣ、およびＧａＮのうちの１つ以上を含む。これらは、プラズモン励起におけるホットエレクトロンのエネルギーに応じて、ショットキー障壁を作成するために使用することができる。底伝導体層１０２は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、ＩＴＯ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃ、およびグラフェンのうちの１つ以上を含むことができる。いくつかの実施例では、底伝導体層１０２は、可視光用途のためにＴｉで形成される。側方抵抗接点１０４は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、ＩＴＯ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃ、およびグラフェン、またはそれらの組み合わせ（例えば、それらの合金）で形成することができる。
【００５０】
図２ａおよび２ｂの最上伝導体層１０１は、種々の形状および構成を有することができる。場合によっては、例えば、最上伝導体層１０１は、クロスバー構成で提供することができる。最上伝導体層１０１は、最上伝導体層１０１を通って延在し、半導体層１０３の部分を暴露する、１つ以上の開口部を含むことができる。図２ａの図示した実施例では、最上伝導体層１０１は、空間によって相互から分離される列を含み、その空間は、半導体層１０３まで延在する開口部を画定する。空間（または開口部）は、真空下にあり得るか、または不活性ガス（例えば、Ｈｅ、Ａｒ）等のガスで充填することができる。場合によっては、空間は、誘電体材料等の電気絶縁材料で充填することができる。
【００５１】
最上伝導体層１０１の中の開口部は、種々の形状および構成を有することができる。開口部は、円形、三角形、正方形、長方形、五角形、六角形、七角形、八角形、または部分形状、あるいはそれらの組み合わせである、断面を有することができる。開口部は、最上伝導体層１０１の少なくとも一部分を通って延在することができる。場合によっては、開口部が、最上伝導体層１０１の一部分のみを通って延在する一方で、他の場合では、開口部は、実質的に最上伝導体層１０１を通って延在し、半導体層１０３の部分を暴露する。
【００５２】
開口部は、約１ｎｍから５０００ｎｍ、１０ｎｍから５０００ｎｍ、１００ｎｍから５０００ｎｍ、２００ｎｍから５０００ｎｍ、または４００ｎｍから２５００ｎｍのピッチを有することができる。開口部は、約１ｎｍから２０００ｎｍ、１０ｎｍから２０００ｎｍ、１００ｎｍから２０００ｎｍ、または１００ｎｍから３００ｎｍの幅（例えば、最上伝導体層１０１の隣接特徴間の距離）を有することができる。
【００５３】
図４は、クロスバー構成を有する光収集デバイスを概略的に図示する。図４のデバイスは、最上伝導体層５０１と、底伝導体層５０２と、最上伝導体層５０１と底伝導体層５０２との間に配置される半導体層５０３と、半導体層５０３および底伝導体層５０２と接触している側方導体５０４とを含む。側方導体５０４は、半導体層５０３と抵抗接点を形成することができる。図４のデバイスは、最上伝導体層５０１の中に開口部（例えば、正孔）を含むことができる。これらの開口部は、プラズモン共鳴状態の波長、したがって、その波長における光吸収を決定し得る。開口部の幾何学形状は、吸収される光の波長を決定し得る。開口部は、半導体層５０３の表面の部分を暴露する。開口部は、最上伝導体層５０１の特徴によって画定することができる。図示した実施例では、開口部は、最上伝導体層５０１の特徴（例えば、クロスバー）によって全ての側面上で境界された、正方形または長方形の断面のそれぞれである。
【００５４】
いくつかの実施形態では、最上伝導体層５０１は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、およびＰｄから選択される、１つ以上の伝導材料を含む。最上伝導体層５０１は、有機媒体または他の伝導透明あるいはほぼ透明材料の中で、ＩＴＯ、銀、グラフェン、フッ素をドープした酸化スズ（ＦＴＯ）、ドープした酸化亜鉛、カーボンナノチューブのうちの１つ以上で形成することができる、透明電極（図示せず）によって覆うことができる。透明電極は、連続シートまたは１つ以上のナノ構造（例えば、ナノワイヤ）として提供することができる。これらの構成はまた、対称性も示し、したがって、角度独立および偏光独立応答の両方を可能にするであろう。
【００５５】
代替構成では、最上層は、全くナノパターン形成されていなくてもよく、そのような場合、構成は、最上金属層と底金属層との間でファブリ・ペロー共鳴を支援し得る。この場合の波長感度は、半導体層５０３の厚さまたは屈折率を変化させることによって得ることができる。この構成でのファブリ・ペロー共鳴は、最上伝導体層５０１内でホットエレクトロンを生成することができる。
【００５６】
いくつかの実施例では、電気光学部、音響光学部、または液晶を通して、周辺媒体の屈折率を変調することにより、波長の関数として光学応答を変化させることができ、例えば、検出器または他のセンサ等の電磁エネルギーの調節可能なコレクタを作成する。この構成では、変調は、動的に制御可能なコレクタを有効にする音響、光学、および／または電気信号からの時変入力信号によって制御することができる。いくつかの実施例では、波長同調可能検出は、電気／光学・機械的運動変換機構を使用して、最上および底伝導体層５０１、５０２を伸張または圧縮することによって達成することができる。
【００５７】
代替案として、各センサが、その場所、ならびにその場所における入射光の強度および波長に特有である一意的な信号を生成するように、複数のセンサをアレイに構成することができる。場合によっては、図２の底伝導体１０２は、アレイ内の他のセンサから分離される。感知ゲートが後に続く、付加的な薄い分離トンネリング絶縁体を、底伝導体１０２を覆って、かつ半導体１０３から離れて提供することができる。場合によっては、トンネリング絶縁体は、金属または半導体酸化物（例えば、ＳｉＯ２またはＴｉＯ２）等の酸化物である。ゲートは、底伝導体上の電荷を測定することができ、かつセンサが読み取られるときに導体１０２が放電することを可能にすることができる。この構成によって、センサは、波長特有のアレイセンサを作成するであろう。
【００５８】
図５は、代替的な電磁放射コレクタを示す。図５の構成では、最上伝導体層７０１は、最上伝導体層７０１に組み込まれた分離伝導ナノ／微粒子７０６を含む、複合層である。図５のコレクタは、本明細書の他のデバイスまたはコレクタとともに使用するか、またはそれらによって修正することができる。いくつかの実施例では、粒子７０６は、約０．１ｎｍから約１０００ｎｍの粒径（例えば、幅、直径）を伴うナノ粒子である。場合によっては、ナノ粒子は、約１ｎｍから１０００ｎｍ、１ｎｍから５００ｎｍ、１ｎｍから１００ｎｍ、１ｎｍから５０ｎｍの粒径を有する。他の実施例では、粒子７０６は、約１マイクロメートル（「ミクロン」）から１０００ミクロンの粒径を有する、微粒子である。他の実施例では、粒子７０６は、ナノおよび微粒子の両方である。最上伝導体層７０１は、透明であり得る。伝導粒子７０６は、局所的表面プラズモン共鳴を作成し、底伝導層７０３と共鳴的に相互作用することができる。実施例では、最上伝導体層７０１は、導体または半導体マトリクスに組み込まれた金属ナノ粒子から成る。マトリクスは、複合材料マトリクスであり得る。マトリクスは、伝導マトリクスであり得る。粒子７０６は、Ａｌ、Ｐｄ、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、およびグラフェンのうちの１つ以上を含むことができる。最上伝導体層７０１は、約１ｎｍから１０００ｎｍ、または２０ｎｍから５００ｎｍの厚さを有することができる。半導体マトリクスに使用することができる材料は、ｎまたはｐ型半導体であり得る。マトリクスは、ＴｉＯｘ（例えば、ＴｉＯ２）、ＳｎＯｘ（例えば、ＳｎＯ２）、ＺｎＯ、他の半導体酸化物、Ｓｉ、ダイヤモンド、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、およびＶ族材料のうちの１つ以上を含むことができる。粒子７０６は、最上伝導体層７０１を形成するマトリクスに埋め込むことができる。半導体層７０２に使用することができる材料は、ｎ型またはｐ型半導体材料であり得る。半導体層７０２は、最上伝導体層７０１とショットキー障壁を形成することができる。半導体層７０２は、ＴｉＯｘ（例えば、ＴｉＯ２）、ＳｎＯｘ（例えば、ＳｎＯ２）、ＺｎＯ、Ｓｉ、ダイヤモンド、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯ、あるいはＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、またはＩＶ族材料、あるいは他の金属酸化物または半導体酸化物のうちの１つ以上で形成することができる。実施例では、最上伝導体７０１は、Ａｕ／ＴｉＯｘを含む、ナノ複合材料を含み、約４０ｎｍ未満の厚さを有する。ナノ複合材料の中の金属粒子は、おそらくプラズモンナノ粒子とナノ複合層自体のマトリクス材料との間で、半導体層７０２とショットキー障壁を作成することができる。半導体層７０２との界面における最上伝導体層７０の中の金属ナノ粒子の曲線因子（または濃度）を増加させることにより、依然として半導体層７０２とショットキー障壁を作成しながら、ＳｉＯｘまたは酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等の絶縁体がマトリクスで使用されることを可能にすることができる。半導体層７０２は、底伝導接点７０３と抵抗接触している。この構成は、広いスペクトル範囲の吸収を可能にすることができる。例えば、参照することにより完全に本明細書に組み込まれる、Ｍ．Ｋ．Ｈｅｄａｙａｔｉ，Ｍ．Ｊａｖａｈｅｒｉｒａｈｉｍ，Ｂ．Ｍｏｚｏｏｎｉ，Ｒ．Ａｂｄｅｌａｚｉｚ，Ａ．Ｔａｖａｓｓｏｌｉｚａｄｅｈ，Ｖ．Ｓ．Ｋ．Ｃｈａｋｒａｖａｄｈａｎｕｌａ，Ｖ．Ｚａｐｏｒｏｊｔｃｈｅｎｋｏ，Ｔ．Ｓｔｒｕｎｋｕｓ，Ｆ．Ｆａｕｐｅｌ、および、Ｍ．Ｅｌｂａｈｒｉ，“Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  ｐｅｒｆｅｃｔ  ｂｌａｃｋ  ａｂｓｏｒｂｅｒ  ａｔ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ．，”Ａｄｖａｎｃｅｄ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  （Ｄｅｅｒｆｉｅｌｄ  Ｂｅａｃｈ，Ｆｌａ．），ｖｏｌ．２３，ｎｏ．４５，ｐｐ．５４１０−４，Ｄｅｃ．２０１１を参照されたい。
【００５９】
図６は、広帯域吸収デバイス構成を示す。図６のデバイスは、最上伝導体層３０１と、半導体被覆層３０２と、半導体層３０３と、底伝導体層３０４と、側方抵抗接点３０５と、接触ワイヤ３０６および３０７とを含む。図６のデバイスは、最上伝導体層３０１の高さが高アスペクト比（すなわち、高さ対幅）のナノ構造または柱を作成するように拡張されることを除いて、少なくともいくつかの点で図２のデバイスに類似する。柱は、３次元柱であり得る。この構成は、より広い吸収スペクトルのために「柱」の間にハイブリッド空洞・表面プラズモン共鳴を作成することができる。そのような構造は、吸収スペクトルを広げてもよい。例えば、参照することにより完全に本明細書に組み込まれる、Ｃ．−ｈｕｎｇ  Ｌｉｎ，Ｒ．−ｌｉｎ  Ｃｈｅｒｎ、および、Ｈ．−ｙａｎ  Ｌｉｎ，“Ｎｅａｒｌｙ  ｐｅｒｆｅｃｔ  ａｂｓｏｒｂｅｒｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ｒｅｇｉｍｅ，”  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１９，ｎｏ．２，ｐｐ．６８６−６８８，２０１１を参照されたい。
【００６０】
これらの高アスペクト比の柱は、ファブリ・ペロー共鳴を通して底金属膜と相互作用もする、空洞共鳴を作成する。広帯域吸収体の性能は、図６に示されるような柱のアスペクト比またはテーパ角３０８を調節することによって、変更または最適化することができる。最上伝導体層３０１のサイズは、電磁スペクトルが収集されるために調節される。いくつかの実施例では、可視光収穫のために、柱の高さ３０９は、約１００ｎｍから２０００ｎｍ、または３００ｎｍから１０００ｎｍの範囲内であり、柱の幅３１３は、約１００ｎｍから２０００ｎｍ、または１００ｎｍから３００ｎｍの範囲内であり、ピッチ３１０は、約２００ｎｍから５０００ｎｍ、または４００ｎｍから２５００ｎｍの範囲内である。いくつかの実施例では、柱は、少なくとも約１：１、２：１、３：１、４：１、５：１、６：１、７：１、８：１、９：１、１０：１、１１：１、１２：１、１３：１、１４：１、１５：１、１６：１、１７：１、１８：１、１９：１、または２０：１のアスペクト比（すなわち、高さ対幅）を有する。図６に示される実施形態では、半導体３０２の共形被覆が、ホットエレクトロンが作成される領域とショットキー障壁との間の距離を最小限化するように、柱の最上部および側面に堆積させられる。その距離は、効率的な動作のために、金属内のホットエレクトロンの平均自由行程未満よりも小さくなるべきである。可視光収集のために、半導体層３０２の厚さ３１１は、約１ｎｍから８００ｎｍ、１ｎｍから５００ｎｍ、１ｎｍから４００ｎｍ、１ｎｍから３００ｎｍ、１ｎｍから２００ｎｍ、１ｎｍから１００ｎｍ、または１ｎｍから５０ｎｍに及ぶことができるが、より厚い層を使用することができる。厚さが約５ｎｍ以下のより薄い層は、材料移動から経時的に短絡を生成し得る、半導体の欠陥を防止するために、平滑な表面を必要とし得る。半導体層３０３は、最上伝導体層３０１と底伝導体層３０４との間に位置付けられる。半導体層３０２および３０３に使用することができる材料は、ｎ型またはｐ型であり得る。各半導体層３０２および３０３の材料は、最上伝導体層３０１とショットキー障壁を形成するように選択することができる。半導体層３０２および３０３は、ＴｉＯｘ（例えば、ＴｉＯ２）、ＳｎＯｘ（例えば、ＳｎＯ２）、ＺｎＯ、Ｓｉ、ダイヤモンド、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯ、あるいはＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、またはＩＶ族材料、あるいは他の金属酸化物または半導体酸化物のうちの１つ以上で形成することができる。テーパ角３０８は、約１０度、２０度、３０度、４０度、４５度、５０度、５５度、６０度、６５度、７０度、７５度、８０度、または８５度より大きくあり得る。場合によっては、テーパ角３０８は、約５０度から９０度、または７０度から９０度の間であり得る。図６のデバイスは、さらなる偏光および角度独立を提供することができる、図４に示される構成に類似する斜交平行構成を有することができる。
【００６１】
半導体層３０３は、約１ナノメートル（ｎｍ）から１０００ｎｍ、１ｎｍから１００ｎｍ、または１ｎｍから５０ｎｍの厚さ３１２を有することができる。いくつかの実施例では、半導体層３０３は、約２０ｎｍから５００ｎｍ、または２０ｎｍから１５０ｎｍの間の厚さ３１２を有し、いくつかの実施例では、光吸収のために、厚さ３１２は、１００ｎｍ以下である。
【００６２】
図７は、可視波長のために最適化することができる図６のデバイスの光吸収、反射、および透過を示すコンピュータシミュレーションである。本デバイスは、広帯域および偏光（横電場および横磁場）独立型の光の吸収を示す。
【００６３】
図８ａおよび８ｂは、別の電磁放射コレクタを示す。図８ｂは、図８ａの柱の接近図である。図８ａおよび８ｂのデバイスは、最上伝導体層４０１と、第１の半導体層４０２と、第２の半導体層４０３と、底伝導体層４０４と、透明導体層４０５と、第１の（電気）接触試験点４０６と、第２の接触試験点４０７とを備えている。透明導体層４０５は、第１の半導体層４０２と抵抗接点を形成する。ホットエレクトロン経路４０８が図８で示されている。ホットエレクトロン経路４０８は、最上伝導体層４０１から第１の半導体層４０２を通って透明導体層４０５の中へ入る。透明導体層４０５は、光の波長を選択するように透明である任意の材料を含むことができる。可視光および近赤外線については、透明導体層４０５は、ＩＴＯ、銀ナノワイヤ、ドープしたＺｎＯ、グラフェン、または他の好適な材料を含むことができるが、それらに限定されない。透明導体層４０５の厚さは、約１０ｎｍから５００ｎｍ、または５０ｎｍから１５０ｎｍであり得る。厚さは、図８ａおよび８ｂのデバイスが、入射光に対して透過性である一方で光への暴露時に電力を生成するように、選択することができる。底伝導体層４０４は、浮動性であるか、または代替的に、感知または制御用途のための別の電気接点に電気的に連結することができる。実施例では、最上伝導体層４０１および底伝導体層４０４はそれぞれ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、ＩＴＯ、Ｒｕ、Ｒｈ、およびグラフェンのうちの１つ以上を含むか、または他の材料と組み合わせることができる。いくつかの実施例では、最上伝導体層４０１または底伝導体層４０４は、ＳｎＮｉ合金またはＡｇ／Ａｌを含む。第２の半導体層４０３の材料および／または厚さは、第２の半導体層４０３を通る電子経路を短縮するように選択することができる。透明最上伝導体層４０５は、第２の接触試験点４０７に接続することができ、最上伝導体層４０１は、第１の接触試験点４０６に接続することができる。第１および第２の接触試験点４０６および４０７は、本明細書の他の場所で説明されるように、導電体で形成することができる。
【００６４】
場合によっては、最上透明導体層４０５は、光の他の周波数がコレクタに浸透することを可能にしながら、所望の光の周波数を効果的に除外する、電磁スペクトルの所望の部分に対して不透明であり得る。この構成では、本デバイスは、所望の電磁スペクトルに合わせられた広帯域センサおよびエネルギーコレクタとして動作することができる。これは、自家動力式センサまたは望ましくない光のフィルタリングを可能にすることができる。例えば、最上透明導体層４０５の材料特性は、入射光の一部分が最上伝導体層４０１と接触し、電子を生成し、その電子が本デバイスに電力供給し、感知能力を提供するために使用されるように選択することができる。
【００６５】
本開示は、生物学的および／または化学的センサとして使用することができるデバイスを提供する。図９を参照すると、生体分子感知のリアルタイム無標識検出のためのデバイスが示されている。図９のデバイスは、例えば、デバイスにわたる発電または電流の変化によって等、制限ではないが、オリゴヌクレオチドおよび抗体／光源等の相補的生体分子間の結合事象を感知、検出、または監視するために使用することができる。
【００６６】
図９のデバイスは、最上伝導体層６０１と、底伝導体層６０２と、最上伝導体層６０１と底伝導体層６０２との間の半導体層６０３と、側方接点６０４（例えば、抵抗接点）とを含む。最上伝導体層６０１は、本明細書の他の場所で説明されるように、ナノ構造化最上金属層であり得る。負荷が最上伝導体６０１および側方接点６０４に連結される。本デバイスは、光を最上伝導体６０１および半導体層６０３に送達する光源６０８を含む。光は、既知の周波数（または波長）および強度を有することができる。
【００６７】
図９のデバイスは、１つ以上の分析物を含む溶液と接触するように適合される。本デバイスは、溶液を最上伝導体６０１に送達するようにフローセルを含むことができる。
【００６８】
実施例では、図９のデバイスの動作中に、溶液中の標的分子６０６が、本デバイスの最上伝導体６０１の表面に結合したプローブ分子６０７にごく接近（または接触）するときに、信号伝導が起こり得、相補的反応が生じるのを可能にする。プローブ分子の表面上の相補的標的分子の蓄積は、ナノ構造化最上金属層６０１の周辺媒体の屈折率の変化を引き起こし得て、それがひいては、既知の波長および強度の光源６０８によって駆動されるような本デバイスの中で生成される電力、および／または本デバイスを通る電流の量を変調することができる。当業者に公知である、適正な実験制御および手順が適用されたとき、複雑な溶液系サンプル中の標的生体分子の検出が可能である。
【００６９】
図９のデバイスは、ガスおよび蒸気に対する化学的センサとして構成することができる。実施例では、ガス／蒸気がナノ構造化最上金属導体６０１の周辺媒体の中に存在するか、またはナノ構造化最上金属導体６０１、半導体６０３、あるいは底伝導体６０２に吸収されるとき、屈折率および／または幾何学形状を変化させることができる。これは、ひいては、光源６０８からの既知の波長および強度の光によって駆動されるような本デバイスの中で生成される電力、および／または本デバイスを通る電流を変調することができる。実施例では、本デバイスは、金（Ａｕ）とのその反応を通して水銀（Ｈｇ）を検出するために使用することができる。
【００７０】
電磁エネルギー収集システムは、上記または本明細書の他の場所で説明される、１つ以上の電磁エネルギー収集デバイスを含むことができる。本システムが複数の電磁エネルギー収集デバイスを含む場合、個々のデバイスを相互に直列または並列に連結することができる。実施例では、個々の電磁エネルギー収集デバイスは、第１の電磁エネルギー収集デバイスの底伝導体層を第２の電磁エネルギー収集デバイスの最上伝導体層に電気的に接続し、第２の電磁エネルギー収集デバイスの底伝導体を第３の電磁エネルギー収集デバイスの外部負荷または最上伝導体に電気的に接続することによって、直列に連結される。第１の電磁エネルギー収集デバイスの最上伝導体は、第４の電磁エネルギー収集デバイスの底伝導体または外部負荷に電気的に連結することができる。
【００７１】
（デバイスを形成するための方法）
本開示の別の側面は、電磁放射（またはエネルギー）を収集するように適合されるデバイスを形成するための方法を提供する。本方法は、第１の金属層の表面に隣接する半導体層を形成するステップと、半導体層および第１の金属層に隣接する側方接点を形成するステップとを含むことができる。次いで、第２の金属層を半導体層に隣接して形成することができる。
【００７２】
いくつかの実施例では、本デバイスは、気相送達方法によって形成される。いくつかの実施例では、本デバイスは、スパッタリングによって製造される。この場合、１つのチャンバを使用して、半導体および金属の両方が製造され、製造時間を減少させ得る。代替案として、別個のチャンバが使用され得る。場合によっては、電磁放射収集デバイスが、１つ以上の気相送達技法を使用して真空チャンバまたは不活性環境（例えば、ＡｒまたはＨｅ背景）内で形成される。他の実施例では、本デバイスは、溶液送達方法を通して形成することができる。他の実施例では、本デバイスは、気相および溶液送達方法の組み合わせを通して形成することができる。
【００７３】
図１０を参照すると、第１の動作１００１では、第１の金属材料の第１の層が提供される。第１の金属材料は、基板ホルダまたはサセプタ上に提供することができる。いくつかの実施例では、第１の層は、本開示のデバイスを形成するための種々の前駆物質を受け入れるための反応空間を有する反応チャンバ（またはリアクタ）の中で基板として提供される。第１の層は、金等の第１の金属材料の連続シートであり得る。第１の金属材料は、本明細書の他の場所で説明されるように、半導体材料とショットキー接点を形成するように選択することができる。第１の層は、酸性溶液および／または酸化剤を用いる等して、清浄することができる。実施例では、第１の層は、Ｈ２ＳＯ４およびＨ２Ｏ２を用いて清浄される。
【００７４】
次に、第２の動作１００２では、半導体層が第１の層に隣接して形成される。いくつかの実施例では、半導体層は、第１の層の上に直接形成される。半導体層は、蒸着技法を使用することによって等、第１の層上に半導体層を堆積させることによって形成することができる。気相堆積技法の実施例は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、または物理蒸着（ＰＶＤ）、あるいは例えば、プラズマＡＬＤまたはプラズマＣＶＤ等のそれらの変形例を含む。実施例では、半導体層は、約５００℃から９００℃の（第１の層の）温度で第１の層をＳｉ２Ｈ６と接触させることによって堆積させられる、シリコンを含む。
【００７５】
次に、第３の操作１００３では、半導体層は、化学的にｎ型またはｐ型ドープされる。実施例では、半導体層は、ｎ型化学ドーパントの前駆物質を用いてｎ型ドープされる。前駆物質は、ＮＨ３またはＰＨ３を含むことができる。半導体層がｐ型ドープされることを目的とする場合には、例えば、Ｂ２Ｈ６等のｐ型化学ドーパントの前駆物質を使用することができる。
【００７６】
半導体層は、半導体層が第１の層の上に堆積させられている間に、または半導体層が第１の層に隣接して形成された後に、ｎ型またはｐ型化学ドーパントの前駆物質に第１の層を暴露させることによってドープすることができる。場合によっては、半導体層が形成された後にドーピングが行われるものである場合には、半導体層をｎ型またはｐ型化学ドーパントの前駆物質に暴露させ、同時または後に、半導体層の中へｎ型またはｐ型化学ドーパントを駆動するように焼鈍することができる。
【００７７】
代替案として、半導体層は、半導体層が第１の層に隣接して形成された後にｎ型またはｐ型ドープすることができる。実施例では、半導体層は、イオン注入によってｎ型またはｐ型ドープすることができる。
【００７８】
次に、第４の動作１００４では、側方接点が半導体層および第１の層に隣接して形成される。側方接点は、半導体層と抵抗接点を形成する材料を含むことができる。実施例では、側方接点は、フォトリソグラフィを用いる等して、半導体層の一部分を除去することによって形成される。例えば、半導体層は、フォトレジスト（例えば、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（メチルグルタルイミド）、フェノールホルムアルデヒド樹脂）で覆い、半導体層の縁部分を暴露して作成し、後にマスクを提供するように（例えば、すすぎ／洗浄を使用して）除去することができる。次に、半導体層を第１の層までエッチングして第１の層の外側部分を暴露させるために、異方性エッチ（例えば、ＫＯＨ）を使用することができる。次に、例えば、気相堆積技法（例えば、ＰＶＤ）を用いる等して、側方接点を第１の層および半導体層に隣接して堆積させることができる。実施例では、側方接点は、第１の層および半導体層に隣接してシリサイドを形成するように、第１の層をシリコン前駆物資（例えば、Ｓｉ２Ｈ６）および炭素前駆物資（例えば、ＣＨ４）に暴露させることによって形成される、シリサイドである。側方接点は、約５００℃から９００℃の温度で形成することができる。
【００７９】
側方接点の形成後、例えば、マスクを異方性化学エッチャント（例えば、ＨＦ、ＨＮＯ３、Ｈ２ＳＯ４）に暴露させることによって、または化学機械平坦化（ＣＭＰ）を使用して等、半導体層に隣接するマスクを除去することができる。本初期デバイスは、ここで、第１の層と、半導体層と、第１の層に隣接する側方接点とを含むことができる。
【００８０】
次に、第５の動作１００５では、第２の層が半導体層に隣接して形成される。第２の層は、半導体層とショットキー接点を形成する、第２の金属材料で形成することができる。第２の層は、半導体層および側方接点を覆ってフォトレジストを提供し、側方接点を覆うマスクを提供するようにフォトレジストを通して半導体層を暴露させることによって形成することができる。次いで、第２の金属材料は、半導体層に隣接して第２の層を提供するように、半導体層を覆って堆積させることができる。第２の金属材料は、ＰＶＤ（例えば、スパッタ堆積）等の気相堆積技法を使用して提供することができる。次いで、マスクは、暴露された半導体層に隣接する第２の層および側方接点を有する、デバイスを提供するように除去することができる。
【００８１】
第２の金属材料が細長い特徴として提供されるものである場合（例えば、図２ａおよび２ｂを参照）では、第５の動作でのマスクは、半導体層の部分を暴露させるように提供することができる。例えば、マスクは、側方接点を覆い、半導体層の（全てではないが）部分を覆うことができ、第２の金属材料を堆積させることができる。第２の金属材料は、半導体層の露出部分上に堆積することができる。
【００８２】
第２の層が図６または図８ａおよび８ｂの構成を有するものである場合では、第２の層の堆積は、望ましいまたは別様に所定のアスペクト比を伴う第２の層の材料を提供するように調節することができる。例えば、高アスペクト比特徴を伴う第２の層を提供するために、複数のマスク適用／堆積／マスク除去動作を採用することができる。
【００８３】
本開示の電磁放射収集デバイスの成長を制御および調節するために、コントローラおよびシステムを使用することができる。実施例では、例えば、基板および／または基板ホルダ（またはサセプタ）の温度、リアクタの圧力、反応空間の圧力、反応チャンバの圧力、プラズマ発生器の圧力、プラズマ発生器の中へのガス（例えば、Ｓｉ２Ｈ６）の流速、反応空間の中へのガスの流速、基板が１つの反応空間から別の反応空間に移動させられる速度、薄膜形成中に基板が回転する速度、プラズマ発生器への電力（例えば、直流電流または高周波電力）、および反応チャンバと流体連通している真空システム等の種々のプロセスパラメータを制御するように、制御システムが提供される。反応チャンバの圧力は、真空システムを用いて調節することができる。真空システムは、機械的ポンプ等のバッキングポンプに加えて、例えば、ターボ分子（ターボ）ポンプ、クライオポンプ、イオンポンプ、および拡散ポンプのうちの１つ以上等の、真空を反応チャンバに提供するように構成される種々のポンプを備えていることができる。
【００８４】
本開示のデバイス、システム、および方法は、それぞれが参照することにより本明細書に完全に組み込まれる、Ｅ．Ｗ．ＭｃＦａｒｌａｎｄ、および、Ｊ．Ｔａｎｇ，“Ａ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ，”  Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４２１，ｎｏ．６９２３，ｐｐ．６１６−８，Ｆｅｂ．２００３、Ｕ．Ｋｒｅｉｂｉｇ、および、Ｍ．Ｖｏｌｌｍｅｒ，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌ  Ｃｌｕｓｔｅｒｓ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，１９９５、Ｒ．Ｋｏｓｔｅｃｋｉ，Ｓ．Ｍａｏ，“Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ，”米国特許出願公開第２０１０／０１７５７４５Ａ１号、Ｍ．Ｗ．Ｋｎｉｇｈｔ，Ｈ．Ｓｏｂｈａｎｉ，Ｐ．Ｎｏｒｄｌａｎｄｅｒ、および、Ｎ．Ｊ．Ｈａｌａｓ，“Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ａｃｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｔｅｎｎａｓ，”Ｓｃｉｅｎｃｅ（Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，Ｎ．Ｙ．），ｖｏｌ．３３２，ｎｏ．６０３０，ｐｐ．７０２−４，Ｍａｙ．２０１１、Ｙ．Ｌｅｅ，Ｃ．Ｊｕｎｇ，Ｊ．Ｐａｒｋ，Ｈ．Ｓｅｏ、および、Ｇ．Ｓｏｍｏｒｊａｉ，“Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｈｏｔ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｆｌｏｗ  Ｐｒｏｂｅｄ  ｗｉｔｈ  Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｎａｎｏｄｉｏｄｅｓ，”Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．１１，ｎｏ．１０，ｐｐ．４２５１−５，Ｏｃｔ．２０１１、Ｊ．Ｈａｏ，Ｊ．Ｗａｎｇ，Ｘ．Ｌｉｕ，Ｗ．Ｊ．Ｐａｄｉｌｌａ，Ｌ．Ｚｈｏｕ、および、Ｍ．Ｑｉｕ，“Ｈｉｇｈ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｂｓｏｒｂｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ａ  ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ，”Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９６，ｎｏ．２５，ｐ．２５１１０４，２０１０、Ｍ．Ｋ．Ｈｅｄａｙａｔｉ，Ｍ．Ｊａｖａｈｅｒｉｒａｈｉｍ，Ｂ．Ｍｏｚｏｏｎｉ，Ｒ．Ａｂｄｅｌａｚｉｚ，Ａ．Ｔａｖａｓｓｏｌｉｚａｄｅｈ，Ｖ．Ｓ．Ｋ．Ｃｈａｋｒａｖａｄｈａｎｕｌａ，Ｖ．Ｚａｐｏｒｏｊｔｃｈｅｎｋｏ，Ｔ．Ｓｔｒｕｎｋｕｓ，Ｆ．Ｆａｕｐｅｌ、および、Ｍ．Ｅｌｂａｈｒｉ，“Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  ｐｅｒｆｅｃｔ  ｂｌａｃｋ  ａｂｓｏｒｂｅｒ  ａｔ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ．，”Ａｄｖａｎｃｅｄ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ（Ｄｅｅｒｆｉｅｌｄ  Ｂｅａｃｈ，Ｆｌａ．），ｖｏｌ．２３，ｎｏ．４５，ｐｐ．５４１０−４，Ｄｅｃ．２０１１、Ｃ．−ｈｕｎｇ  Ｌｉｎ，Ｒ．−ｌｉｎ  Ｃｈｅｒｎ、および、Ｈ．−ｙａｎ  Ｌｉｎ，“Ｎｅａｒｌｙ  ｐｅｒｆｅｃｔ  ａｂｓｏｒｂｅｒｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ｒｅｇｉｍｅ，”Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１９，ｎｏ．２，ｐｐ．６８６−６８８，２０１１で説明されるもの等の他のデバイス、システム、および方法と組み合わせられ、またはそれらによって修正され得る。
【００８５】
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、それらに種々の修正を行うことができ、修正が本明細書で考慮されると理解されたい。また、本発明は、本明細書内で提供される具体的実施例によって制限されないことが意図される。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例証は、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、種々の条件および変数に依存する、本明細書で記載される具体的な描写、構成、または相対的比率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の種々の修正が、当業者に明白となるであろう。したがって、本発明はまた、任意のそのような修正、変形例、および同等物を対象とするものであると考慮される。以下の請求項は、本発明の範囲を定義し、それにより、これらの請求項およびそれらの同等物の範囲内の方法および構造が対象となることが意図される。
【図１】
2015502658.tif 000003
【図２（ａ）】
2015502658.tif 000004
【図２（ｂ）】
2015502658.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015502658.tif 000009
【図７】
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【図８（ａ）】
2015502658.tif 000011
【図８（ｂ）】
2015502658.tif 000012
【図９】
2015502658.tif 000013
【図１０】
2015502658.tif 000014
【国際調査報告】
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2015502658.tif 000016