(57)【要約】エネルギーを変換するための方法および装置が、表面に密接に近接した、あるいは、表面上における化学反応を用いて、振動的に励起された化学物質およびホットエレクトロンなどのより短い寿命の活性化された生成物の利用できる化学エネルギーを、半導体におけるより長い寿命の電荷キャリヤーなどの有用な形態に直接変換する。該キャリヤーは、励起エネルギーを、電気、ほぼ単色の電磁放射線または他の表面反応を刺激するためのキャリヤーなどの他の有用な形態に変換可能な形態で蓄積する。
2004528706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーを生成するための方法において、
反応体を用いて励起された種を作り出す工程と、
該励起された種を電子ジャンプ効果が生ずるための伝導表面の近くに置くことによって該励起された種と電子とを結合する工程と、
該励起された種の結合から、励起されたキャリヤーを作り出す工程と、
該励起されたキャリヤーを収集する工程と、
該励起されたキャリヤーをエネルギーに変換する工程と、
を含むことを特徴とするエネルギーを生成するための方法。
【請求項２】
該収集する工程は、半導体を用いて該励起されたキャリヤーを収集する工程を含むこととする請求項１に記載のエネルギーを生成するための方法。
【請求項３】
該変換する工程は、該励起されたキャリヤーをダイオード接合両端の間の化学電位に変換する工程を含むこととする請求項１に記載のエネルギーを生成するための方法。
【請求項４】
該励起されたキャリヤーを変換する工程は、半導体デバイスを活性化して電磁放射線を発生させるため、該励起されたキャリヤーで活性化する工程を含むこととする請求項１に記載のエネルギーを生成するための方法。
【請求項５】
該半導体デバイスは、発光ダイオードであることとする請求項４に記載のエネルギーを生成するための方法。
【請求項６】
該半導体デバイスは、量子井戸構造体であることとする請求項４に記載のエネルギーを生成するための方法。
【請求項７】
該反応体を用いる工程は、燃料を酸化剤と反応させる工程を含むこととする請求項１に記載のエネルギーを生成するための方法。
【請求項８】
該反応体を用いる工程は、反応体が、該励起された種を作り出す反応が生ずる伝導表面の近傍に入り、かつ、生成物を排出して去ることを可能にする工程を含むこととする請求項１に記載のエネルギーを生成するための方法。
【請求項９】
エネルギーを生成するための装置において、励起された種と電子とを結合するための伝導表面であって、化学反応によって作り出される該励起された種は、該伝導表面の近くで生ずる伝導表面と、
該励起された種が、該電子と結合する結果として作り出される励起されたキャリヤーを収集するため該伝導表面に接続された半導体と、
を含むことを特徴とするエネルギーを生成するための装置。
【請求項１０】
該励起された種は、該伝導表面の電子と結合することとする請求項9に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項１１】
さらに該伝導表面に接続された基板を含み、該励起された種は、該基板の電子と結合することとする請求項9に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項１２】
該半導体は、量子井戸を含むこととする請求項9に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項１３】
該半導体は、半導体ダイオードを含むこととする請求項9に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項１４】
該半導体は、ショットキー接合ダイオードを含むこととする請求項9に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項１５】
該半導体は、バイポーラ半導体を含むこととする請求項9に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項１６】
該半導体は、電子を収集するためのＮ型半導体を含むこととする請求項9に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項１７】
該半導体は、正孔を収集するためのＰ型半導体を含むこととする請求項９に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項１８】
該半導体は、ドープされていることとする請求項９に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項１９】
該半導体は、ＰＮ接合ダイオードを含むこととする請求項９に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項２０】
該半導体は、
該伝導表面と接触する第一の電極と、
該第一の電極に接続されたＰ型半導体と、
該Ｐ型半導体に接続されたＮ型半導体であって、該Ｎ型半導体および該Ｐ型半導体は、ＰＮ接合を形成するＮ型半導体と、
該Ｎ型半導体と接触する第二の電極と、
を含むこととする請求項９に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項２１】
該半導体は、
該伝導表面と接触する第一の電極と、
該第一の電極に接続されたＮ型半導体と、
該Ｎ型半導体に接続されたＰ型半導体であって、該Ｎ型半導体および該Ｐ型半導体は、ＰＮ接合を形成するＰ型半導体と、
該Ｐ型半導体と接触する第二の電極と、
を含むこととする請求項９に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項２２】
該半導体は、計量的なあるいは調整されたバンドギャップＰＮ接合ダイオードを含むこととする請求項９に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項２３】
該半導体は、計量的なあるいは調整されたバンドギャップショットキー接合ダイオードを含むこととする請求項９に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項２４】
該半導体は、光を発生するための光共振器に結合されていることとする請求項9に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項２５】
該半導体は、電磁放射線を発生するための手段を与えられたＰＮ接合を含むこととする請求項９に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項２６】
該伝導表面の近くで生ずる化学反応によって作り出される該励起された種から該半導体までの距離は、該励起されたキャリヤーのエネルギー平均自由経路の予め
決められた倍数以下であることとする請求項9に記載のエネルギーを生成するための装置。
【請求項２７】
該変換する工程は、該励起されたキャリヤーのフラックスを該半導体におけるキャリヤーの反転された分布に変換する工程を含むこととする請求項１に記載のエネルギーを生成するための方法。
【請求項２８】
該キャリヤーの反転された分布に電磁放射線として蓄積されたエネルギーを抽出する工程をさらに含むこととする請求項２７に記載のエネルギーを生成するための方法。
【請求項２９】
該方法は、さらに、刺激された放出に、該電磁放射線を抽出させる工程を含むこととする請求項２８に記載のエネルギーを生成するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電力を発生し、あるいは、誘導放出によって電力を抽出するための方法および装置、および、より詳しくは、触媒表面上の反応の化学エネルギーを、半導体内の長寿命のキャリヤー、電気、またはコヒーレント光などの有用な形態に変換するための方法および装置に関する。
【発明の背景】
【０００２】
化学反応体エネルギーを電気などの有用な仕事に直接変換するための一つの方法は、バッテリーおよび燃料電池などの電気化学的結合を使用する。この方法では、反応体の結合エネルギーの相当な部分を、電位に直接変換することができる。しかしながら、これらプロセスの基礎となる物理化学は、このような変換の速度を相当に制限する。この電気化学的変換方法の結果、機械的エンジンのものより少なくとも１オーダー低い、バッテリーまたは燃料電池などの実際の装置における質量当たりの電力および体積当たりの電力が生じる。
【０００３】
別の方法は、気体力学的プロセスを使用して、化学エネルギーを、反転分布を示す動的状態に直接変換する。誘導放出が、コヒーレント光の形態で、この反応体からこのエネルギーを抽出する。しかしながら、その効率は、電気化学的方法および機械的方法の効率よりかなり低く、この方法の反応体および排気は通常、危険で、かつ人体の安全上の考慮と両立し得ない。さらに、これら装置は、効率的に小型化することができない。
【０００４】
したがって、有害な生成物を使用する必要なく、かつ、プロセス中に危険な副産物を生み出すことなく、エネルギーを効率的に化学的に抽出するためのコンパクトな方法およびシステムを持つことが、非常に望ましい。
【０００５】
最近の表面センサー研究によって示されたことは、原子または分子などの化学種が金属の表面に吸着する時、吸着事象中に、ホットな電荷キャリヤーが放出されることである。「ホット」とは、室温の０．０２６電子ボルト（ｅＶ）に関連するエネルギーの数倍または何倍ものエネルギーを有することを意味する。観察されたホットキャリヤーは、約０．６ｅＶのショットキー障壁を超えるエネルギーを示した。したがって、活性化された種を使用して、ホットキャリヤーを生成し、かつ（あるいは）、ホットキャリヤーを収集することが、非常に望ましい。
【０００６】
表面科学における最近の実験的および理論的発展によって示されたことは、その化学結合を破壊するのにほぼ十分なエネルギー（１５のオーダーの量子数）を持って振動するガス分子が、接触の瞬間に、金属表面内にこのエネルギーをほぼすべて入れ、はるかに小さい振動エネルギー（５のオーダーの量子数）を持ってその表面からはね返ることである。１００フェムト秒のオーダーの時間中に、分子が多くの量子を一度に失うのは、予想外のことであった。この説明は「電子ジャンプ」と呼ばれ、そこでは、分子が表面に近づく際に、金属表面からの電子が、エネルギー的に振動する分子に飛び移る。電子は、次いで、振動エネルギーの大部分を持った状態で、金属に再び飛び移る。
【０００７】
この電子ジャンプの観察において示唆されるのは、結合エネルギーが電子に移行することである。金属基板のデバイ振動数は、励起の振動数より少なくとも１〜２オーダー低いので、エネルギーを受容するために利用可能な機械的モードは、たとえあったとしても、わずかである。金属表面はエネルギーを受容するために利用可能な高密度の電子状態を有しているので、電子はエネルギーを受容することができる。
【０００８】
電子ジャンプの研究は、活性化された結合内に含有されるエネルギーの大半を電子が運び去ることを示唆しているが、そのことを測定してはいない。電子ジャンプの研究は、このようなホットエレクトロンの測定または検出を試みるものではない。表面効果の他の観察、理論、および表面センサー研究は、電子がエネルギーを持っていくことを強く示唆している。観察は、基板金属表面との短時間（０．１ピコ秒のオーダー）の接触中に、振動的に励起した化学種から、マルチ量子エネルギーが迅速に電子に移行するという理論を、強く支持している。したがって、触媒表面上の燃料と酸化性物質との反応の化学エネルギーを、電気エネルギーに変換するための方法および装置を持つことが望ましい。また、燃料および酸化性物質を使用して、触媒表面に直接接触している高エネルギー性種を作り出すことも望ましい。
【発明の要約】
【０００９】
一実施形態における本発明の方法および装置は、触媒、燃料、および酸化性物質を使用して、反応体（活性化された生成物とも呼ぶ）の利用可能な化学エネルギーの相当な部分を、半導体内の長寿命の電荷キャリヤー（「キャリヤー」）などの有用な形態に変換する。一実施形態におけるキャリヤーは、使用および他の有用な形態への変換が可能な形態で、励起エネルギーを蓄える。例えば、キャリヤーは、さらなる表面反応のために刺激キャリヤーを提供し、ナノ機械系で機械的効果を生じさせ、かつ（あるいは）、他の場合なら、電源によって提供されるであろう半導体内のキャリヤーを提供するために、最終的に電気または放射線のコヒーレントなビームに変換し得る。
【００１０】
一実施形態における本発明の方法および装置は、化学的に励起した種が励起エネルギーの相当な部分を一度に基板格子に移行させる時に手放された電荷キャリヤーを、捕獲する。基板格子は、運動量を保存するための方法を提供し、基板電子は、その伝達プロセスにおけるエネルギーを保存するためのチャネルを提供する。このような励起は、エネルギー性正孔およびエネルギー性電子を含んでいる。本発明の方法は、励起キャリヤー伝達が生じる際のエネルギー損失が最少となるよう、十分薄い触媒および基板構造体を形成する工程を含んでいる。この厚さは、電子エネルギーおよび材料に応じて、材料の単層一個〜数千個であってよく、当代の技術水準に従って作製することができる。
【００１１】
一実施形態では、エネルギー変換器を使用して、反応表面上の、または、反応表面に密接に近接した、活性化された生成物によって放出された電荷キャリヤーまたは電磁エネルギーを、捕獲することができる。このエネルギー変換器を使用して、電荷キャリヤーを有用な形態に変換することもできる。本発明に開示されたようなエネルギー変換器を使用することができる。別法として、他の既知のエネルギー変換器を使用してよい。このような既知のエネルギー変換器は、光起電力型のエネルギー変換器において使用される装置、金属−絶縁体−金属装置、金属−酸化物−金属装置、量子井戸、および半導体装置など、反応表面上のまたは反応表面に密接に近接した、活性化された生成物によって放出された電荷キャリヤーまたは電磁エネルギーを捕獲するように設計された、任意の既知の装置を含んでいてよい。既知のエネルギー変換装置の例が、米国特許４，６８６，５５０、４，５９０，５０７、および４，６９４，３１８に記述されている。
【００１２】
「密接に近接した」とは、電荷が弾道的に移動する場合、換言すれば、電場および磁場が消滅して波を伝搬しないような場合を指し、その大きさは、一般に、１００ナノメートル未満である。本発明におけるエネルギー変換器の一例は、ＰＮ接合またはショットキー接合などの半導体ダイオード接合である。
【００１３】
一実施形態では、本発明におけるエネルギー変換器は、半導体に注入された大量のキャリヤーを、コヒーレントな光放射線に変換する。ダイオードの順方向のバイアスを反転分布およびコヒーレント光に直接変換する際に使用するダイオードおよび方法は、類似のタイプのものを使用してよい。このようなダイオードにおいては、誘導放出を使用してエネルギーが抽出される。これらダイオードは、一般に、退化的にドープされた直接バンドギャップ半導体を使用する。本発明のＰＮ接合ダイオードは、高度にドープされた、あるいは上限でドーピングして、退化的にドープされた、半導体および直接バンドギャップ半導体を使用してもよい。
【好適な実施形態】
【００１４】
本発明の様々な実施形態の構造および動作に加えて、本発明のさらなる特徴および利点を、以下、添付図面を参照して、詳細に説明する。図面では、同様の参照番号は、同一または機能的に同様の要素を示す。
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を、例のみにより、添付図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明は、反応体の利用可能な化学エネルギーの相当な部分を、電気エネルギーまたはその他の形態のエネルギーに変換する工程に向けられている。一実施形態では、化学反応体を使用してエネルギーを供給する。一実施形態では、一つまたはそれ以上の触媒を使用して、エネルギー変換器の近距離場近傍またはエネルギー変換器上に、活性化された反応生成物または活性化された化学生成物を形成する。活性化された反応生成物によって、エネルギー形態（励起とも呼ばれる）が放出される。エネルギー形態の例は、ホットエレクトロン、ホット正孔、または電磁放射線を含んでいる。エネルギー変換器を使用して、エネルギー形態を収集し、かつ、伝達する。活性化された化学生成物が形成される領域を、表面または反応表面とも呼ぶ。
【００１７】
一実施形態では、本発明は、炭化水素、メタノール、エタノール、水素、または燃料改質装置の生成物などの燃料（電子供与体）、および空気または過酸化水素などの酸化性物質（電子受容体）を使用して、高度に励起した振動状態化学生成物を作り出す。反応体は、反応領域（反応表面上の一つまたはそれ以上の触媒を含んでいてよい）に進入する。本発明の装置が連続出力を生成する時、排気生成物もこの領域を離れることができる。
【００１８】
本発明の方法および装置は、メタノールなどの燃料と空気などの酸化性物質との触媒反応によって、高度に振動的に励起した種を触媒表面の上に直接生成する。振動的に励起した種が金属の表面に接触した瞬間に電子伝達が生じ、かつ、電子が反応エネルギーのかなりの部分を運ぶので、高度に振動的に励起した種を触媒表面上に直接生成することは、多くの利点を有する。ここでいう「接触」とは、非伝搬性の電磁場が相互作用を支配し得るよう、化学種が表面に十分に近づくことを意味する。この接触距離は、一般に、１ミクロンよりはるかに小さく、数十ナノメートルを超えてよい。
【００１９】
本発明の方法は、反応中の化学物質からエネルギー変換器までの距離が、エネルギー変換器内に入るエネルギーの形態の様々なエネルギー平均自由経路の約４倍未満となるよう、触媒、基板、相互接続、および基板を形成する工程も含んでいる。
【００２０】
この方法は、水素、炭化水素、メタノール、エタノール、およびプロパノールなどのアルコール、炭水化物、並びに、水素および一酸化炭素などの燃料改質装置の生成物を含むがこれらに限定されない任意の還元性材料または電子供与体のうちのいずれか一つから、燃料を選択する工程も含んでいる。酸化性物質は、電子受容体、酸素、空気、過酸化水素、およびハロゲンのうちのいずれか一つを含んでいてよい。
【００２１】
この方法は、各構成が特定の特徴を有する多くの異なる構成のうちのいずれか一つにおいて、触媒を形成する工程を含んでいる。触媒は、凝集塊、単層、クラスタ、リッジ、ステップエッジ、量子ドット、量子井戸、および量子スタジアを含むがこれらに限定されない任意の方法で、形成することができる。エッジおよびリッジを用いた構成は、吸着および反応のための活性場所という利点を示すことができる。単層を用いた構成は、共鳴およびフェルミ表面の近くの電子状態の密度におけるピークを調整し、かつ、引き起こして、それらエネルギーでのエネルギーの伝達を助長するという利点を示すことができる。クラスタは、助長された弾道電子の寿命および表面フォノン状態からの減結合という利点を示して、効率を増大することができる。
【００２２】
本発明の一実施形態における連続発電機のための方法は、反応生成物が脱離して触媒表面から急速に離れるような触媒を選択する工程を含んでいる。この方法は、投入された反応体と容易に反応する触媒または触媒セットを選択する工程も含んでいる。このような触媒は、例えば、エタノールまたはメタノールが、羊毛の上、あるいは白金またはパラジウムから作られた微粒子触媒上で、室温において空気と反応することが観察された時（１８００年代）以来、この技術に長けた人には知られている。
【００２３】
一実施形態における本発明の方法および装置は、表面とエネルギー的に励起した生成物との相互作用の結果生じたエネルギー性電荷キャリヤーを、半導体ダイオード内に注入し、あるいは、伝達して、そのダイオード内に過剰の励起キャリヤーを作り出す。この過剰の励起キャリヤーは、ダイオードの両端間に電位も作り出す。同様に、本発明の方法および装置は、エネルギー性電荷キャリヤーを、半導体または量子井戸システム内に伝達し、あるいは、注入する。
【００２４】
一実施形態における本発明の方法およびシステムは、例えば、順方向にバイアスされた半導体ダイオードを使用して、生じたエネルギーを効率的に収集し、電力に、あるいは、半導体または量子井戸内の励起（この励起は、他の有用な形態のエネルギーに変換することができる）の反転された分布に、変換する。
【００２５】
本発明の一実施形態では、印加電圧の代わりに化学反応を使用して、キャリヤーを生成することができる。化学反応を使用して、他の場合なら、電源によって電力を供給されるであろう装置に、電力を供給することもできる。例えば、化学反応を使用して、チップセットに電力を供給することもできる。化学反応を使用してチップセットに電力を供給することにより、体積を有する三次元計算機システム（それらに電力を供給するためのエネルギー源は、流動燃料−酸化性物質混合物である）の構築が可能になる。
【００２６】
一実施形態では、本発明は、エネルギー変換器として量子井戸を使用し、かつ、活性化する。本発明のエネルギー変換器は、キャリヤーを使用し得るよう、短寿命のキャリヤーを、より長い寿命のキャリヤーに変換する。トンネル障壁、金属または半導体、および別のトンネル障壁を含む量子井戸基板の使用は、エネルギー変換器を形成するための一つの方法である。このエネルギー変換器は、基板、触媒、および反応体と直接接触して形成してもよい。量子井戸によって形成された共鳴準位は、弾道キャリヤーを、量子井戸の捕捉されたより長い寿命の励起に変換するための一時的な状態を提供する。量子井戸からエネルギーを抽出するために本発明が使用する一つの方法は、放射線の誘導放出によるものである。エネルギーを抽出するために本発明が使用する別の方法は、電位の生成によるものである。さらに別の方法は、本発明に直接接続されたナノデバイスに電力を供給することである。
【００２７】
量子井戸構造体および半導体に関連した当代の技術水準では、関与する弾道キャリヤーのエネルギー平均自由経路と同じオーダーの大きさを有する層が、可能である。
【００２８】
本発明の方法および装置は、半導体基板内で変換されたより長い寿命のキャリヤーを、キャリヤーが半導体を離れ、触媒または反応表面内の弾道キャリヤーに再び変換され、かつ、有用な仕事を行う、反応表面上の他の位置に、分布させることができる。このような仕事は、反応を刺激すること、およびナノ機械系デバイスまたは分子を活性化することを含んでいる。このようなナノ機械系デバイスの例は、テレスコープ型アンテナ、ナノプロペラ、Ｃ６０トランジスタ、および生体材料のキネシンを含んでいる。
【００２９】
一実施形態では、本発明は、エネルギー性（またはホットな）電子および正孔を、活性化された化学生成物から、エネルギー変換器内に直接伝達するための方法を含んでいる。このような方法は、弾道電荷キャリヤー移送のための長さが十分短い材料から、介在経路を形成する工程を含んでいてよい。
【００３０】
一実施形態における本発明の方法およびシステムは、基板内の有用な電位または励起に直接変換し得るホットキャリヤーまたは励起の生成に、反応経路が非常に有利であるような、反応表面上の条件を作り出す。本発明の方法によれば、このような良好な条件は、例えば、量子井戸を使用して表面の量子状態を調整すること、エネルギー性反応に有利なように触媒および表面材料を選択すること、および、このような励起に有利な反応場所の濃度が助長された反応表面ジオメトリーを選択することによって、作り出すことができる。反応表面ジオメトリーは、例えば、ステップおよび（または）エッジ場所を含んでいてよい。本発明の方法は、望ましい励起振動数とは大きく異なるデバイ振動数を有する材料を選択する工程を含んでいてもよい。
【００３１】
一実施形態では、この方法は、反応領域に接触しているエネルギー変換器を形成する工程を含んでいる。「接触」とは、触媒、材料、酸化物、または金属が、活性化された生成物とエネルギー変換器との間に配置され、エネルギー伝達のための経路として使用される構成を含んでいる。これは、反応領域の近くに変換器を配置する工程を含んでいる（ここで「近く」とは、励起の５％超がそのエネルギーの９５％超を保持するよう、励起が弾道的に移動し得る距離以内、あるいは、共鳴トンネリングが、エネルギーの損失が９５％以下となるよう、十分に高速にエネルギーを移送し得る距離以内を意味する）。「９５％」という数字は、電荷キャリヤーまたは電磁結合のエネルギー平均自由経路の約３倍の距離の減衰効果を表す。この方法は、反応表面の上、隣、または下に変換器を配置する工程も含んでいる。これは、深いＶ型チャネルおよびメサ構造体などの構成を含んでいる。
【００３２】
弾道電荷キャリヤー移送のために材料の経路を形成するこの工程は、経路を、電荷キャリヤーのエネルギー平均自由経路の約４倍未満の長さに制限する工程を含んでいる。
【００３３】
経路を形成する工程は、金属、半導体、または絶縁体のうちのいずれかを含む材料から経路の一部を形成し、かつ、原子層一個を超えるエネルギー平均自由経路を有する材料を選択する工程を含んでいる。
【００３４】
本発明の一実施形態では、触媒表面上に作り出された反応生成物の高エネルギー性緩和は、電子または正孔を、直接かつ弾道的に、触媒表面に注入することによって、エネルギーを伝達する。本発明のこのエネルギー伝達プロセスでは、新たに形成された化学種の振動励起が、そのエネルギーの、基板のエネルギー準位内への共鳴トンネリングを実行する。これらエネルギー準位は、金属または半導体伝導帯のいずれかにおける、利用可能な空の電子励起状態の非常に幅広いバンドを含んでいる。これらエネルギー準位は、活性化された生成物による励起伝達が正孔である時、正孔状態の類似のバンドを含んでいる。
【００３５】
本発明における電子またはホットキャリヤーの放出は、電子遷移誘起脱離（ＤＩＥＴ）または多重電子遷移誘起脱離（ＤＩＭＥＴ）の逆のプロセスを利用してよい。
【００３６】
振動的に励起した陰イオン（余分な負電荷を有する分子または原子）は、電子を吸収し、電子を格子内に再放出して、電子と共に励起エネルギーの大部分を運ぶ。類推によれば、陽イオン（正に帯電している）は電子を放出し、それを再吸収して、格子内に正孔を放出し、正孔がエネルギーを運ぶ。この電子または正孔がホットキャリヤーである。本発明の一実施形態によれば、基板と直接接触している半導体または量子井戸などのエネルギー変換器は、短寿命の基板ホットキャリヤーを、半導体または量子井戸内でより長い寿命のキャリヤーまたは励起に変換する。
【００３７】
この方法は、反応表面および基板の一部として、薄い電極を使用する工程を含んでいる。この電極の厚さは、活性化された生成物によって生み出されたホットエレクトロンまたはホット正孔のエネルギー平均自由経路の３倍未満であることが望ましい。オプションとして、この電極は、触媒金属から作られていてもよい。電極が、銅、アルミニウム、銀、および金などの良導体金属から作られる時、適切なエネルギー平均自由経路の厚さは、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、バナジア、チタニア、アルミナ、酸化ルテニウム、酸化物、およびその他の化合物などの触媒の場合よりもかなり大きくてよい。電極を形成する材料の厚さは、一般に、単層約１〜１０００個に相当する、０．３〜３００ナノメートルの範囲であってよい。触媒を形成する材料の厚さは、一般に、０．３〜５０ナノメートルの範囲であってよい。
【００３８】
この方法は、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、バナジア、チタニア、アルミナ、酸化ルテニウム、酸化物、およびその他の化合物（これら化合物が、触媒、絶縁体、または導体であるかどうかにかかわらず）を含むがこれらに限定されない、酸化物、絶縁体、および混合触媒を含有する電極を形成する工程を含んでいる。例えば、この方法は、酸化物であり、かつ、導体でもある酸化ルテニウムを使用する工程を含んでいてよい。
【００３９】
本発明の一実施形態では、触媒表面は、基板振動ではなく、ホットキャリヤー放出に有利なように意図的に形成される。基板振動は、フォノンとも呼ばれる。触媒表面は、ホットキャリヤーのエネルギーを保存するように形成してもよい。反応表面の材料は、マルチ量子振動緩和よりもはるかに低いエネルギーを有するフォノン帯を持つように選択してよい。パラジウムまたは白金触媒などの重い原子から成る反応表面は、このようなバンドを示す。ほぼすべての結晶性材料が、望ましいフォノン帯振動数を持っている。さらに、表面は、ホットキャリヤー（電子または正孔）が、そのエネルギーの非常に多くを失う前に、触媒を支持する半導体内に移動するよう、非常に薄く形成される。この弾道移送に関連した大きさは、触媒または基板内のホットキャリヤーのエネルギー平均自由経路の約少数倍（small multiple）である。「少数倍」とは、ホットキャリヤーまたは励起が非常に多くのエネルギーを失ったため、残りのエネルギーが非実用的なほど低い値となることがないよう、厚さが十分薄いことを意味する。一般に、エネルギーは、特徴的な大きさである「エネルギー平均自由経路」と共に、指数関数的に減少する。エネルギー平均自由経路の「３」倍の距離とは、キャリヤーの５％未満が、出発した時とほぼ同一のエネルギーを有することを意味する。
【００４０】
外部の電源を使用して、接合部を横切って電気的な順方向のバイアスを掛けると、それらダイオード内に反転分布が作り出され、ダイオードが放射線を放出する。本発明の方法および装置は、外部の電源の代わりに、反応表面に生成され、かつ、ダイオード構造体内に直接注入されたホットキャリヤーを使用して、同一の順方向のバイアスを作り出す。本発明では、エネルギー変換器として、レーザーダイオードまたは発光ダイオード構成を使用することができる。レーザーダイオード構成の一例は、ダブルヘテロ構造体である。
【００４１】
一実施形態では、本発明は、活性化された化学生成物の励起の一つのタイプである、双極子活性状態または振動状態のエネルギーなどの反応生成物励起を伝達する方法を含んでいる。この方法は、活性化された生成物と基板に接続されたエネルギー変換器との間の共鳴結合を助長する工程を含んでいる。
【００４２】
この助長工程は、エネルギー変換器のエネルギー準位に対する活性化された生成物の相対的な位置を、それらエネルギー準位に適合するように、上昇または下降させる操作バイアスを選択する工程を含んでいる。例えば、半導体ダイオードエネルギー変換器のエネルギー準位は、伝導帯エッジおよび価電子帯エッジを含んでいる。
【００４３】
この助長工程は、経路の長さが、活性化された生成物の消滅する電磁場領域の大きさの１０倍未満である、生成物とエネルギー変換器との間の経路を形成する工程を含んでいる。
【００４４】
一実施形態では、反応体と半導体基板との間の材料の大きさは、エネルギーを伝達する放射線に関連した表皮厚さよりも小さい。この実施形態は、「エバネッセント波」と呼ばれ、そこでは電磁場がエネルギーを伝達する。本発明のこの実施形態では、電子の放出および再吸着の代わりに、活性化された反応生成物の内部エネルギーが、触媒および基礎となる基板などの中間材料を通して、半導体または量子井戸のキャリヤーに共鳴的に伝達される。
【００４５】
本発明の方法は、伝達されたエネルギーを消散しないよう、十分短い、活性化された生成物とエネルギー変換器との間の大きさを選択する工程を含んでいる。例えば、反応表面上のまたは近くの活性化された生成物の位置から、電極下層または半導体ダイオードなどのエネルギー変換器までの物理的な経路は、その経路を移動する電子（または正孔）のエネルギー平均自由経路の４倍未満であることが望ましい。
【００４６】
エネルギー平均自由経路の大きさは、一般に、白金群内の触媒の場合、室温で、約０．３〜１００ナノメートルに相当する、単層１個〜約３００個である。エネルギー平均自由経路は、１ｅＶ未満のエネルギーを有する電子の場合、金において１１５ナノメートルを超える可能性があり、１ｅＶの電子の場合、銀において約１５０ナノメートルを超える、と算出されている。
【００４７】
弾道伝達経路の長さを形成する工程は、弾道キャリヤーのエネルギー平均自由経路の数倍（例えば、４倍）に満たない導体を通して、長さを作製する工程を含んでいる。
【００４８】
放射線経路の長さを形成する工程は、浸透深さ（または、エネルギーを運ぶ多極ラジエータの近距離場領域の大きさに相当）よりも数倍（例えば、４倍）小さい厚さを有する材料を使用して、経路を作製する工程を含んでいる。
【００４９】
伝達された励起を変換する工程は、半導体または量子井戸などのエネルギー変換器（そこで、ホットキャリヤーまたは活性化された生成物の励起などの短寿命の励起が、半導体または量子井戸内のキャリヤーなどの長寿命の励起に変換される）を使用する工程を含んでいる。
【００５０】
励起を有用な形態に変換する工程は、電位への変換、または放射線の誘導放出に適したキャリヤーの反転分布への変換、またはエネルギー源としてそれ自体が直接使用され得る、豊富なエネルギー性キャリヤーへの変換を含んでいる。
【００５１】
一実施形態では、本発明は、半導体からエネルギー変換器を形成し、かつ、伝達された励起を半導体内の励起キャリヤーに変換するための方法も含んでいる。
【００５２】
エネルギー変換器を形成するための方法は、伝導帯エッジまたは価電子帯エッジなどの半導体ダイオードのエネルギー準位の相対的な位置を、それらエネルギー準位と励起した生成物のエネルギー準位とが適合するように、上昇または下降させる操作バイアスを選択する工程を含んでいる。
【００５３】
この方法は、ショットキー接合ダイオードを形成する工程を含んでいてもよい。この方法は、有用な順方向のバイアスを可能にするよう、十分高い障壁電位（この障壁は、一般に、０．０５ボルトを超える）によって、これら接合部を形成する工程を含んでいる。ショットキー接合のバンドギャップは、電子のエネルギーよりもはるかに大きい値または１．５ボルトを超える値を含む、任意の有用な値であってよい。半導体のドーピングレベルの変更は、障壁の厚さを低減することを可能にする。薄い障壁は、電子トンネリングを可能にし、その結果、ドーピングが退行性のドーピングに近づく時、略オーミック接合を形成することを可能にする。
【００５４】
この方法は、ショットキー障壁を形成するために、０．１〜２０ナノメートルの厚さを有する酸化物層を選択する工程を含んでおり、障壁の制御を可能にする。酸化物の厚さの変更は、酸化物を通るキャリヤートンネリングを制御し、したがって、接合部の望ましい性質を制御する。この酸化物は、活性化された生成物と半導体との間の任意の場所に配置してよい。
【００５５】
この方法は、ＰＮ接合ダイオード、および、特に、ダイオードの一つまたは両方の極性が厚くドープされた、あるいは退化的にドープされた、ダイオードを形成する工程を含んでいてもよい。この方法は、ドーピンググラジエントを形成する工程を含んでいる（ドーピンググラジエントは、接合領域を広げるまたは狭めることができる）。
【００５６】
ＰＮ接合ダイオードを構築するという技術水準は、多くのバリアントを含むことが認識されている。このようなバリアントは、金属、半導体、酸化物、およびダイオードの外部の絶縁体の様々な領域および組合せを含んでいる。これら領域のいくつかは、ダイオードとのオーミック接触または略オーミック接触を形成するよう機能する。他の機能は、格子マッチングを含んでいる。ダイオードは、ドーピングプロファイルの多くのバリアントによって形成し得る。このようなバリアントはすべて、機能的には同一のダイオード、すなわち、ＰＮ接合ダイオードである。
【００５７】
本発明のＰＮ接合エネルギー変換器は、非常に短寿命のホットキャリヤー（触媒内の弾道電子または弾道正孔）を、半導体内のはるかに長い寿命の少数キャリヤーに変換する。例えば、弾道電子が、触媒の表面の上または近くの化学生成物から生じる。弾道電子は、触媒および任意の中間材料を通って移動し、半導体基板に進入する。ひとたび半導体に入ると、このホットキャリヤーは少数キャリヤーになる。本発明の一実施形態では、半導体の極性およびバンドギャップは、ホットキャリヤーが半導体内にある時、ホットキャリヤーが少数キャリヤーになるよう、意図的に選択される。
【００５８】
一実施形態では、この半導体は、ホットキャリヤーが電子である時、Ｐ型であるように選択される。Ｐ型半導体は、Ｐ型半導体と触媒との間の電位障壁が非常に小さいか、または存在しないよう、触媒に物理的に接続される。触媒金属は、薄い電極金属の上に配置され、電極材料は、Ｐ型半導体の上に結合される。金属−金属接触内の障壁は、無視できるほど小さい。退化的なドーピングと呼ばれる高度なドーピングの限界を含め、半導体を高度にドープし、かつ、半導体との電気的接触の形成を両立し得ることが知られている材料から、電極材料を選択する工程は、電極と半導体との間の障壁を低減する。電極材料は、別の半導体であってよく、これは、半導体装置作製の技術水準で慣例的に使用されている方法である。その結果、触媒のフェルミ準位とＰ型半導体の価電子帯（下位帯の上部エッジ）のフェルミ準位とが等しくなる。ホットキャリヤーのエネルギーは、触媒のフェルミ準位のエネルギーに対して測定される。その結果、ホットキャリヤーは、触媒のフェルミ準位のエネルギーを上回るエネルギーを持って、したがって、Ｐ型半導体のフェルミ準位を上回るほぼ同一のエネルギーを持って、半導体に近づく。
【００５９】
ホットキャリヤーは、次いで、触媒および半導体の価電子帯のエネルギーを上回る過剰エネルギーを持って、半導体に進入しようと試みる。設計上、半導体のバンドギャップ内には、励起させるべき電子のためのエネルギー準位が、事実上存在しない。半導体内で利用可能な準位は、上位帯、すなわち伝導帯にしかない。本発明の一実施形態では、この上位帯の位置は、電子のエネルギーよりもわずかに小さくなるように選択され、そのため、電子は、半導体に容易に進入することができる。これは、半導体のバンドギャップを、このホットエレクトロンのエネルギーよりも小さくなるように形成することによって、あるいは、望ましいバンドギャップを有する半導体を選択することによって、実現される。これは、ホットエレクトロンが、Ｐ型半導体の伝導帯に進入することを意味する。これにより、Ｐ型半導体の伝導帯が活性化される。電子は、かくして、弾道キャリヤーではなく少数キャリヤーに変換される。少数キャリヤーは、弾道キャリヤーの寿命よりも数オーダー長い寿命を有する。
【００６０】
本発明の一実施形態では、この半導体は、ホットキャリヤーが正孔である時、Ｎ型になるように選択される。Ｐ型半導体を参照して説明したような補完プロセスが行われ、同一の結果が得られる、すなわち、短寿命のキャリヤーが、より長い寿命のキャリヤーに変換される。
【００６１】
間接バンドギャップと直接バンドギャップの両方を有する半導体材料が、実用上の最低値（０．０５ｅＶのオーダー）から、ほとんどの反応体の結合エネルギーよりも高い値（３ｅＶをはるかに超える）までのエネルギーと共に利用可能であれば、好都合である。
【００６２】
半導体内の少数キャリヤーの寿命は、一般に、弾道キャリヤーの寿命よりも少なくとも１００倍長い。このより長い寿命は、ホットな少数キャリヤーに、逆のタイプの半導体（すなわちＮ型半導体）内の領域に、移行し、拡散し、あるいは、半導体の内部場によって引きつけられる機会を与える。ＰＮ接合部は、その接合部を横切って強い電場を作り出し、そこに近づく少数キャリヤーを引きつける。
【００６３】
半導体の接合部で、半導体内の少数キャリヤーは、光起電力ダイオード内で見い出すであろう状況とまったく同一の状況を見い出す。光起電力ダイオード内でのように、ＰＮ接合部の電場は、ホットキャリヤーを接合部を横切って掃引し、ダイオードを順方向にバイアスし、有用な電位を生成する。
【００６４】
一実施形態では、Ｐ型半導体ダイオードの層の厚さは、エネルギーを移送する少数キャリヤーのエネルギー平均自由経路よりも小さくなるように選択される。この平均自由経路は、しばしば、拡散長と呼ばれる。拡散長よりも長い距離をかけて、キャリヤーは、最終的に再結合し、熱を発生する。
【００６５】
一実施形態における本発明のダイオードは、光起電力ダイオードに類似しているが、ある重要かつ非自明的な点で、異なっている。光起電力ダイオードには、それを通過する光を収集できるよう、十分大きい接合領域を設けなければならない。これは、一般に、数百ナノメートルよりもはるかに大きい。集光距離を高めるため、半導体の接合部は、比較的低いドープされた領域を含有していなければならない。この制約のため、光起電力ダイオードのＮ領域またはＰ領域のうちの一方のドーピングは、厚いドーピングまたは退行性のドーピングとみなされるドーピングよりもはるかに小さくなければならない。このより低いドーピングレベルは、ダイオードの抵抗領域の生成物を減少させ、その効率を低下させる。
【００６６】
一実施形態では、本発明のダイオードは、このような光子を収集する必要がなく、大きい光子収集領域を必要としない。したがって、本発明におけるダイオードは、両方の極性について、高度にドープされた、あるいは退化的にドープされた半導体を使用することができる。このドーピングは、抵抗領域の生成物を最大限にし、したがって、ダイオードの効率を最大限にする。したがって、本発明のダイオードは、高度に、あるいは退化的にドープされたＮ領域とＰ領域の両方を持つことができる。光起電力ダイオードとは異なり、高度なドーピングは、本発明のダイオードの収集効率を高める。
【００６７】
さらに、光子を収集する光起電力ダイオードとは異なり、本発明のダイオードには、ＰＮ接合部までの最少距離を制限する制約、あるいは、接合部の厚さに関する制約がない。厚くドープされた半導体内の高密度のキャリヤーは、ダイオード内の少数キャリヤーの拡散長を減少させること、および、拡散長の減少は最も望ましい状況ではないことから、これは好都合である。本発明に関連した、この減少した拡散長は、１００〜５００ナノメートルのオーダーであり得るが、ＰＮ接合部までの最少距離に関する制約、または接合部の厚さに関する制約がないので、本発明では、このような減少は許容し得る。
【００６８】
この制約の不在は、非常に好都合であり得る。したがって、半導体は、浅く（例えば、０．１〜０．５ミクロン（１００〜５００ナノメートル）の深さ）まで、退化的にドープすることができる。高度にドープされた、および退化的にドープされた半導体を使用して、触媒およびダイオードの表面（ここで、ホットキャリヤーが生成される）から、ＰＮ接合部（ここで、順方向のバイアスが生成される）までの距離を最少化することもできる。このため、高度なドーピングおよびＰＮ接合部の大きさが小さいことは、有用な方法となる。高度なドーピングは、厚さ１ミクロン未満の半導体などの比較的薄い半導体の使用も可能にする。
【００６９】
上述の方法を使用し、かつ、電子ジャンプ反応に予想される電子エネルギーを使用した、発電機の算出およびモデルは、１０ワット／平方センチメートルのオーダーの表面反応電力密度によって、５０％をはるかに超える効率が実現可能であることを示唆している。これら値は、既存および既知の触媒およびダイオードと一致している。
【００７０】
本発明の独自の方法を用いれば、反応生成物が脱離し、触媒を離れて、燃料と酸化性物質が高速でさらなる反応を生じるためのスペースを作るので、高い出力電力が維持される。
【００７１】
エネルギー性反応体によって放出された電子エネルギーが１ボルトのオーダー（熱エネルギーを少なくとも１オーダー超える）の時は、シリコンなど、この範囲（１ボルトのオーダー）のバンドギャップを有する半導体を使用してよい。一実施形態では、本発明の方法は、このようなより高度なバンドギャップの半導体を使用し、したがって、本発明の装置を、室温より高い温度（例えば、１００℃より高い温度）で操作することを可能にする。これにより、使用し得る触媒および半導体の範囲が拡大し、その結果、面積当たりの抽出可能な電力が高まる。
【００７２】
この方法は、シリコンおよびゲルマニウムなどの間接バンドギャップ半導体の使用を含んでいる。このような材料は、一般に、直接バンドギャップ半導体よりも長いキャリヤー寿命を示す。これは、ＰＮ接合部実施形態の効率を高める傾向がある。
【００７３】
この方法は、そのバンドギャップを合金成分の選択によって調整できる半導体化合物を使用する工程を含んでいる。これらは、半導体のＩｎＧａＡｓＳｂ族を含んでおり、その場合、バンドギャップは、Ｉｎ対Ｇａの比およびＡｓ対Ｓｂの比に応じて、約０．１ｅＶ〜１．５ｅＶ超の範囲となり得る。
【００７４】
この方法は、共鳴トンネリングを助長するために、バイアスによってダイオードを操作する工程を含んでいる。電子伝達が支配する時に、これを行う一つの方法は、半導体の伝導帯が励起した生成物のエネルギー準位に適合するよう、順方向のバイアスによってダイオードを操作することである。正孔伝達が支配する時は、価電子帯のマッチングが適切である。
【００７５】
この方法は、ＩｎＧａＡｓＳｂ族の直接バンドギャップ半導体などの直接バンドギャップ半導体を使用する工程を含んでいる。直接バンドギャップ半導体は、放射線の誘導放出によってエネルギーを抽出する構成を可能にする。
【００７６】
一実施形態では、本発明は、上述した方法を使用することによって、かつ、反応領域からの排気生成物の脱離を助長する工程をさらに含むことによって、ピーク電力およびエネルギー変換の速度を助長するための方法を含んでいる。
【００７７】
この助長工程のための方法は、排気生成物に対する親和性が比較的低い触媒を選択する工程を含んでいる。この助長工程は、反応体に対する選択性がより低いものから触媒を選択する工程を含んでおり、これは利点である。白金、パラジウム、および関連する触媒が、水素およびアルコールの燃焼に対して、この性質を示している。
【００７８】
この方法は、燃料および酸化性物質を反応領域内に持ち込む工程、および、排気生成物が反応領域から離れるのを可能にする工程を含んでいる。排気生成物は、移行し、かつ、外部に拡散することができる。これを行う一つの方法は、反応表面に亘ってガス状反応体を流す工程、および排気生成物を表面から離してガス流に流入させる工程を含んでいる。
【００７９】
量子井戸は、反応体励起を捕獲するために共鳴を作り出すことを可能にする。技術水準によれば、外部の電流が、ほぼ理想的な４準位レーザーに形成された量子井戸および量子ドットを活性化する。本発明によれば、同種の井戸およびドットを、反応体のエネルギーから直接活性化することができる。
【００８０】
一実施形態では、本発明の装置は、触媒を有し、かつ、その上で反応体が活性化された種を形成し、電荷キャリヤーを放出する、反応領域および表面を含んでいる。エネルギー変換器までエネルギーを運ぶ励起のエネルギー平均自由経路の１０倍に満たない距離以内に、エネルギー変換器が配置される。装置内のエネルギー変換器は、半導体ＰＮ接合を含んでいる。
【００８１】
図１は、ホットなエネルギー性電子が、反応の結果として作り出されたエネルギー形態であり、かつ、ＰＮ接合ダイオードが、電子を、電気などの有用な形態のエネルギーに変換する場合の、本発明の一実施形態における装置の横断面を示す。燃料および酸化性物質反応体１０１は、触媒１０２および基板１０３を含む反応領域に流れ込み、排気生成物１０９は、反応領域を離れる。
【００８２】
反応は、触媒１０２および基板１０３の表面上で生じる。触媒構造体１０２は、基板１０３の上に形成された層またはクラスタとして示されている。基板１０３は、触媒材料、酸化物、不導体、および触媒材料を含む合金などの材料を含有していてよく、反応領域の一部である。薄い基板１１０は、触媒１０２および基板１０３を含む反応領域を、ダイオードＰ型半導体素子１０４に、物理的に接続する。
【００８３】
材料の制約により、触媒構造体および反応表面をその上に形成すべき基板をある種類の材料が形成し、半導体とのオーミック接続または略オーミック接続を別の種類の材料が形成することが必要になり得ることを示すために、基板１０３および１１０は、別々に示されている。材料が両立し得る時は、どちらの基板も半導体自体から形成してよく、また、どちらの基板も触媒自体から形成してよく、また、その組合せから形成してよい。例えば、半導体が非常に厚くドープされた（退化的にドープされたとも呼ばれる）時は、触媒金属は、半導体とのオーミック接合または略オーミック接合を形成することができる。この場合、触媒は、反応領域を半導体に接続するための基板１１０として働くことができる。さらに、別の例として、触媒が望ましい構造体を半導体の上に直接形成する場合、触媒はそれ自体の基板１０３を形成してよい。
【００８４】
反応表面１０２および１０３上に作り出されたホットエレクトロンは、薄い基板１１０を通って、電子が半導体内の少数キャリヤーに変換される、Ｐ型半導体１０４内に移動する。Ｐ型半導体から反応領域内への正孔の伝達によって、電荷平衡が生じる。少数キャリヤーは、拡散によって、かつ、接合部１０５の内部電場によって、ダイオードのＰＮ接合部１０５に移動する。内部電場により、このキャリヤーは、ダイオードのＮ型半導体１０６内で多数キャリヤーになり、ダイオードは、順方向にバイアスされた状態になる。
【００８５】
ダイオードの両端間に生成された順方向のバイアスの理由によって、電気が発生され、正極１０８と負極１０７との間の順方向電流として抽出される。
【００８６】
図２は、電子が、反応の結果として作り出され、かつ、ショットキー接合ダイオードが、電子を、電気などの有用な形態のエネルギーに変換する場合の、一実施形態における本発明の装置の横断面を示す。図１に示したように、燃料および酸化性物質反応体１０１は、反応領域１０２および１０３に流れ込み、排気生成物１０９は、反応領域を離れる。反応は、触媒構造体１０２（層またはクラスタとして示されている）上で生じ、前の実施形態のように、基板１０３上で生じ得る。
【００８７】
基板１１０は、金属−半導体接合部にショットキー障壁を形成するように選択された金属である。金属基板１１０は、したがって、ダイオード（ダイオード電極とも呼ばれる）との電気的接続も形成する。
【００８８】
反応表面および領域１０２および１０３上に作り出されたホットエレクトロンのいくつかは、ダイオード電極１１０と半導体１０６との間のショットキー障壁よりも大きいエネルギーを有する。これら電子は、この障壁を越えて弾道的に移動し、それらが半導体内の多数キャリヤーとなるＮ型半導体１０６に進入する。
【００８９】
半導体内の格子および電子との衝突は、過剰エネルギーを、障壁よりもかなり小さい値まで低下させる。このエネルギー損失の結果、逆方向に移動する電子の数が減少する。これは、ダイオード上に順方向のバイアスが生じることを可能にする。
【００９０】
ダイオード金属半導体接合部を横切るホットエレクトロン伝達の結果として生成された順方向のバイアスによって、電気が発生し、正極１０８と負極１０７との間の順方向電流として抽出される。
【００９１】
一実施形態では、表面反応のエネルギーを収集するための方法は、弾道電子の生成および検出で使用されるダイオードに類似のダイオード（例えば、ショットキーダイオード）を使用する工程を含んでいる。この実施形態では、ＰＮ接合ダイオード装置で使用されるものに類似の触媒および反応体フローを用いてもよい。薄い触媒は、ショットキーダイオードの薄い電極によって形成された基板の上に支持される。薄い電極は、触媒と同じ材料から形成してもよい。
【００９２】
本発明の一実施形態では、ショットキー接合は、一般に、ドープされた半導体の上に堆積された金属を含んでいる。本発明におけるホットエレクトロンを捕獲するためのショットキー接合は、白金などの触媒金属を含む金属を、Ｎ型シリコン半導体の表面に、直接結合させることによって作ることができる。金属−半導体接合部の約数個の原子状単層内で、金属と半導体との間に、電圧障壁が生じ、その値は、一般に、０．４〜０．９電子ボルトである。
【００９３】
ダイオード金属電極内に生成された弾道電子は、そのエネルギーがショットキー障壁よりも大きい場合、半導体内に直接通過することができる。すなわち、電子が、触媒のフェルミ準位を上回る、約０．４〜０．９よりも大きい電子ボルトを有する場合、電子は、ショットキー障壁を直接越えて、弾道的に移動することになる。ホットエレクトロンは、次いで、半導体内の他の電子または原子と衝突する。半導体内のホットエレクトロンのエネルギー平均自由経路の数倍に等しい長さ以内では、ホットエレクトロンは、単に熱的な多数キャリヤー電子になる。そのエネルギーは、今やショットキー障壁よりもはるかに小さく、金属内に再び移動することができない。これにより、ダイオード上に順方向のバイアスが生じる。その結果、ホットエレクトロンのエネルギーが、ダイオードを流れる測定可能な電流に変換され、その結果、ダイオードの両端間に測定可能な電圧が生じ得る。
【００９４】
弾道電子は、先に崩壊しない場合、ダイオードの内に移動することができる。触媒およびダイオード電極金属内のエネルギー平均自由経路が、電子がダイオード内に入るために進まなければならない距離よりも長い場合、弾道電子は、崩壊しない。この大きさは、一般に、１００ナノメートルのオーダー（すなわち単層３００個）以下である。ショットキー接合エネルギー変換器を使用する利点は、装置が簡単なことである。
【００９５】
図３は、電子が、反応の結果として作り出され、その結果、ダイオード接合領域内のキャリヤーの反転分布が生じる場合の、本発明の一実施形態における装置の横断面を示す。バンドギャップのエネルギーとほぼ等しい光子エネルギーを有する放射線の誘導放出は、システムから、コヒーレント光を含む電磁放射線の形態で、エネルギーを取り除く。
【００９６】
一実施形態では、化学反応により、図１を参照して説明した類似の方法で、ホットエレクトロンがＰＮ接合ダイオードに注入される。ダイオードは、順方向にバイアスされた状態になる。電子および正孔は、電気エネルギー源として使用する代わりに、蓄積することができる。その結果、電子および正孔の反転分布が生じる。電子と正孔は再結合し、バンドギャップとほぼ等しいエネルギーを有する光子を放出する。
【００９７】
Ｐ領域およびＮ領域をドープすることによってダイオードの接合領域を調整すると、電子と正孔の両方による接合部のフラッディングが促進される。接合領域は、それにより、反転された分布を獲得する。直接バンドギャップの材料となるよう半導体を選択すると、フォノン放出を越える光子放射が促進される。
【００９８】
光キャビティ１１２は、誘導放出によって、コヒーレント光１１１の形態でエネルギーを抽出するための手段を提供する。図３に示した光キャビティは、例のみとして示されている。他の光キャビティを利用してもよい。この技術に長けた人なら、放射線およびコヒーレント光の出力を生み出すために、活性化された半導体システムを光キャビティに結合するための多くの既知の方法があることを理解されよう。
【００９９】
上述のとおり、本発明における電気を発生するための方法は、反応体を使用してエネルギーを供給する工程、一つまたはそれ以上の触媒を使用して、エネルギー変換器の近距離場近傍またはエネルギー変換器上に、活性化された化学生成物を形成する工程、およびエネルギー変換器を使用して、活性化された反応生成物によって放出されたエネルギー形態（励起とも呼ばれる）を収集し、かつ、伝達する工程を含んでいる。この方法は、反応中の化学物質からエネルギー変換器までの距離が、エネルギー変換器内に入るエネルギー形態の様々なエネルギー平均自由経路の約４倍よりも小さくなるよう、触媒、相互接続、および基板を形成する工程を含んでいてもよい。
【０１００】
本発明の方法は、電荷キャリヤーのエネルギーを、ダイオード接合部を横切るフェルミ準位の差（化学ポテンシャルとも呼ばれる）に変換する工程を含んでいてもよい。ダイオードは、ショットキー接合ダイオードであってよく、ＩｎＧａＡｓＳｂなどのバイポーラ半導体材料から形成してもよい。ＩｎＧａＡｓＳｂ比は、励起した生成物のエネルギー遷移に適合するバンドギャップを提供するよう調整してよい。
【０１０１】
電子を収集するのに使用される本発明におけるダイオードは、Ｎ型半導体を使用して形成してよい。正孔を収集するのに使用される本発明におけるダイオードは、Ｐ型半導体を使用して形成してよい。ダイオードは、例えば、障壁を低減するために、高度に、あるいは退化的に、半導体をドープすることによって、低い障壁で形成してよい。半導体は、１Ｅ１８／立方センチメートルを超えてドープしてもよい。
【０１０２】
本発明におけるダイオードには、触媒とダイオードとの間に酸化物障壁を設けてよい。障壁は、ダイオードの電極とダイオードの半導体との間に配置してよい。障壁は、触媒とダイオードの半導体との間に配置してもよい。障壁は、活性化された生成物とダイオードとの間に配置してもよい。
【０１０３】
障壁の厚さは、ダイオードを順方向にバイアスする電荷キャリヤーのための弾道移送の大きさよりも小さくなるよう、形成してよい。障壁の厚さは、例えば、１００ナノメートル未満であってよい。
【０１０４】
本発明では、ダイオードは、その伝導帯が励起状態生成物の望ましいエネルギー準位に適合するよう、順方向にバイアスしてよい。ダイオードは、０．０５ボルトを超える順方向のバイアスによって操作してよい。ダイオードは、その伝導帯が励起状態生成物の望ましいエネルギー準位に適合するよう形成してよい。
【０１０５】
上述のとおり、ダイオードは、ＰＮ接合ダイオードであってよい。電子を収集するＰＮ接合ダイオードは、反応表面に接触しているダイオードの第一の電極が、Ｐ型半導体に接触するよう形成される。Ｎ型半導体は、Ｐ型半導体の隣に形成されてＰＮ接合部を形成し、ダイオードの第二の電極は、Ｎ型半導体に接触している。
【０１０６】
正孔を収集するＰＮ接合ダイオードは、反応表面に接触しているダイオードの第一の電極が、Ｎ型半導体に接触するよう形成される。Ｐ型半導体は、Ｎ型半導体の隣に形成されてＰＮ接合部を形成し、ダイオードの第二の電極は、Ｐ型半導体に接触している。
【０１０７】
ＰＮ接合ダイオードは、触媒の表面上の活性化された生成物の望ましいエネルギー準位遷移に適合するバンドギャップを有する半導体から形成してよい。ＰＮ接合ダイオードには、電極と半導体との間に低いショットキー障壁を設けてもよい。障壁は、０．４ｅＶよりも小さくなるよう形成してよい。ＰＮ接合ダイオード内の半導体は、障壁を低減するために、高度に、あるいは退化的にドープしてよい。例えば、半導体は、１Ｅ１８／立方センチメートルを超えてドープしてよい。ＰＮ接合部は、バイポーラ半導体から、または直接バンドギャップ半導体から形成してよい。
【０１０８】
ＰＮ接合ダイオードは、その伝導帯が励起状態生成物の望ましいエネルギー準位に適合するよう、順方向にバイアスしてよい。ＰＮ接合ダイオードには、０．０４ボルトを超えるバンドギャップを設けてよい。
【０１０９】
本発明の方法は、半導体の外部に形成されたエネルギー性電子または正孔のために、電子には半導体の伝導帯への弾道またはトンネリング経路を作り出し、正孔には価電子帯への弾道またはトンネリング経路をを作り出すため、活性化された生成物と半導体との間に接続を形成する工程も含んでいる。
【０１１０】
接続には、活性化された生成物と半導体との間に、大きさが２０ナノメートル未満の真空経路および１００ナノメートル未満の材料経路を設けてよい。
【０１１１】
本発明では、触媒構造体は、層、アイランド、パンケーキ、および量子ドットなどの量子井戸構造体に形成してよく、その場合、例えば、その構造体は、２００個未満の原子を含有していてよい。触媒構造体は、原子的に平滑な超格子に形成してもよい。触媒構造体は、単層１０個に満たない大きさに形成してよく、例えば、その場合、単層は、２００個未満の原子を含有する。触媒は、例えば、金、銀、銅、またはニッケルから形成してよい。
【０１１２】
本発明におけるエネルギー変換器は、金属−半導体−酸化物構造体の様々な組合せによって形成してよい。触媒を半導体に接続する電極中間層は、半導体との電気的接続を提供するよう形成してよい。中間層の厚さは、ダイオードの順方向のバイアスを引き起こす電荷キャリヤーの平均自由経路よりも小さくてよい（例えば、２００ナノメートル未満）。中間層は、半導体への電極の形成を両立し得る金属から形成してよい。このような金属の例は、Ｍｇ、Ｓｂ、Ａｌ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｃｕ、またはＮｉを含んでいる。中間層は、触媒の格子パラメータを中間層に適合させる金属から形成してよい。上述のとおり、本発明の方法は、触媒表面に反応体を提供するチャネル内で燃料と空気を混合する工程を含んでいてよい。
【０１１３】
一実施形態では、本発明のエネルギー変換器は、触媒の隣、下方、または下に配置される。電荷キャリヤーの運動は、ＰＮ接合ダイオード内のキャリヤーの反転された分布に変換され、キャリヤーに蓄えられたエネルギーは、誘導放出を使用して抽出される。
【０１１４】
一実施形態では、本発明におけるダイオードは、直接バンドギャップ半導体から形成される。ダイオードは、光キャビティに結合してよい。ダイオードは、触媒の表面上の活性化された生成物の望ましいエネルギー準位遷移に適合するバンドギャップを有する半導体から形成される。ＰＮ接合ダイオードには、障壁が０．４ｅＶよりも小さくなるよう、電極と半導体との間に低いショットキー障壁を設けてよい。障壁は、半導体を高度に、あるいは退化的に、ドープする（例えば、１Ｅ１８／立方センチメートルを超えて半導体をドープする）ことによって、低減してよい。
【０１１５】
半導体の外部に形成されたエネルギー性電子または正孔のために、電子には半導体の伝導帯にそれ自身を押し込むための、正孔には価電子帯にそれ自身を押し込むための、弾道またはトンネリング経路を有する接続を、活性化された生成物とダイオードとの間に形成してよい。接続には、大きさが２０ナノメートル未満の真空経路および１００ナノメートル未満の材料経路を設けてよい。
【０１１６】
この実施形態におけるエネルギー変換器は、層、アイランド、パンケーキ、および量子ドットなどの量子井戸構造体への構造体を含んでいてよく、その場合、その構造体は、２００個未満の原子を含有し、かつ（あるいは）、その構造体は、３００個未満の単原子層を含有する。触媒構造体は、原子的に平滑な超格子に形成してよい。触媒構造体は、単層１０個に満たない大きさに形成してよく、例えば、その場合、構造体は、２００個未満の原子を含有する。触媒は、例えば、金、銀、銅、およびニッケルから形成してよい。
【０１１７】
触媒を半導体に接続して半導体との電気的接続を提供するよう、電極中間層を形成してよい。中間層の厚さは、ダイオードの順方向のバイアスを引き起こす電荷キャリヤーの平均自由経路よりも小さくなるよう形成してよい（例えば、２００ナノメートル未満の厚さ）。半導体による電極の形成を両立し得る金属を使用して、中間層を形成してよい。これら金属の例は、Ｍｇ、Ｓｂ、Ａｌ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｃｕ、またはＮｉを含んでいる。中間層は、触媒の格子パラメータを中間層に適合させる金属から形成してもよい。
【０１１８】
本発明は、電気を発生するための装置も含んでいる。この装置は、反応表面の近傍に反応体が進入し、かつ、そこから排気生成物が離れる反応体フローシステム；触媒を含有し、かつ、その上で、表面に接続されたエネルギー変換器に密接に近接して、反応体が活性化された種を形成することができる反応表面；および半導体などのエネルギー変換器を含んでいる。例えば、上述のとおり、エネルギー変換器は、ショットキーダイオードであってよい。別法として、エネルギー変換器は、ＰＮ接合ダイオードである。
【０１１９】
本発明は、コヒーレント光を生成するための装置も含んでいる。この装置は、反応表面の近傍に反応体が進入し、かつ、そこから排気生成物が離れる反応体フローシステム；触媒を含有し、かつ、その上で、表面に接続されたエネルギー変換器に密接に近接して、反応体が活性化された種を形成することができる反応表面；およびＰＮ接合半導体を含む、反応表面に取り付けられたエネルギー変換器を含んでいる。一実施形態では、ＰＮ接合ダイオードは、光キャビティに結合される。
【０１２０】
以上、発明をその具体的な一実施形態に関して具体的に示し、かつ、説明したが、この技術に長けた人なら、形態および詳細における上述および他の変更が、発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、この技術の中で、実施できることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】ＰＮ接合を使用した発電機の図式的な横断面を示す。
【図２】ショットキー接合を使用した発電機の図式的な横断面を示す。
【図３】ＰＮ接合ダイオードを使用して、化学反応エネルギーから有用な放射線を生成するレーザー放射線源の図式的な横断面を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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