УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD AND DEVICE FOR ELECTRIC POWER PRODUCTION

Область применения и предпосылки к созданию изобретения
Настоящее изобретение, в соответствии с его некоторыми вариантами осуществления, связано с преобразованием энергии, а более конкретно, но не исключительно, связано с устройством для генерирования электричества и со способом генерирования электричества.
Системы для преобразования энергии получают энергию в одной форме и преобразуют ее в другую форму. Термоэлектрический преобразователь, например, получает тепловую энергию и вырабатывает электричество.
В одном типе термоэлектрического преобразователя используется термоэлектрический эффект Зеебека, в соответствии с которым электрический ток возникает между двумя стыками (спаями) разнородных проводящих материалов. Основанные на эффекте Зеебека термоэлектрические генераторы типично используют как датчики температуры, известные также как термопары, однако уже были предприняты попытки использования таких термоэлектрических генераторов для электропитания электронных схем (см., например, международную заявку на патент (международную публикацию) No. WO 07/149185).
Другим типом преобразователя тепловой энергии является термоэлектронный генератор, в котором используется явление термоэлектронной (термоионной) эмиссии, в соответствии с которым, при достаточно высоких температурах, может возникать эмиссия электронов твердой поверхностью. Термоэлектронные генераторы обычно содержат горячий корпус и холодный корпус с градиентом температуры по меньшей мере несколько сот градусов Цельсия между ними. Горячий корпус удерживают при достаточно высокой температуре, чтобы возникало явление термоэлектронной эмиссии (типично выше 1000ºС). Электроны испускаются поверхностью горячего корпуса и сталкиваются с поверхностью холодного корпуса, за счет чего возникает напряжение в зазоре между поверхностями. Описание термоэлектронного генератора можно найти в патенте США No. 7,109,408.
Принцип работы термоэлектронного генератора отличается от принципа работы термоэлектрического генератора. Одним из отличий является природа транспортирования (переноса) заряда через устройство. В термоэлектронном генераторе переносом заряда управляет движение свободных электронов, в то время как в термоэлектрическом генераторе переносом заряда управляет диффузия электронов и дырок в проводниках, которые находятся в физическом контакте.
Дополнительным типом преобразователей теплоты является термотуннельный преобразователь, в котором используется туннельный эффект, в соответствии с которым частица может проникать через потенциальный барьер выше, чем ее кинетическая энергия. Термотуннельный преобразователь содержит горячую поверхность и холодную поверхность и типично работает в вакууме. Поверхности удерживаются достаточно близко друг от друга, чтобы позволить электронам двигаться от горячей поверхности к холодной поверхности за счет туннельного эффекта. Описание термотуннельного преобразователя можно найти в патентах США Nos. 3,169,200 и 6,876,123. Гибридный преобразователь энергии, в котором объединены термоэлектронный и термотуннельный принципы, раскрыт в патенте США No. 6,489,704.
В связи с изложенным также представляет интерес исследование J.М.Dudley "Maxwell's Pressure Demon and the Second Law of Thermodynamics", Infinite Energy Magazine 66 (2006) 21. В этом исследовании описано устройство, которое содержит пару алюминиевых пластин, с двумя решетками (экранами) из стекловолокна между алюминиевыми пластинами и с медной фольгой между решетками из стекловолокна. В этом исследовании утверждается, что падение напряжения на устройстве возрастает, когда прикладывают давление к алюминиевым пластинам. В этом исследовании предпринята попытка снижения влияния окружающей влажности, чтобы исключить или снизить влияние электрохимической реакции, и выдвинуто предположение, что падение напряжения возникает за счет туннельного эффекта.
Сущность изобретения
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения направлены на создание устройства для выработки электричества, которое получает свою энергию за счет теплового движения газовых молекул. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения устройство содержит пару смещенных друг от друга поверхностей, изготовленных из различных материалов, и газовую среду между поверхностями. Каждая такая пара поверхностей и промежуточный газ могут быть названы здесь как гальванический элемент. Газовые молекулы становятся заряженными у первой поверхности пары и за счет теплового движения перемещаются ко второй поверхности пары, чтобы передавать чистый заряд от первой поверхности пары ко второй поверхности пары. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, вся система работает при температуре окружающей среды или при близкой к ней температуре.
Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, все же можно полагать, что передача (перенос, перемещение) заряда между поверхностями происходит за счет взаимодействия между двумя механизмами. Первым таким механизмом является теплообмен между газовой средой и источником теплоты, которым может быть окружающая среда. Вторым механизмом является опосредованная газом (обеспечиваемая за счет газа) передача заряда, что описано далее более подробно и примеры которого изложены в разделе Примеры.
Теплообмен поддерживает тепловое движение газовых молекул, а опосредованная газом передача заряда поддерживает разность потенциалов между двумя поверхностями. За счет их тепловой энергии достаточно быстрые газовые молекулы могут передавать электрический заряд от одной поверхности к другой. Передача заряда может происходить за счет взаимодействия между газовыми молекулами и поверхностями. Это взаимодействие может быть мгновенным (например, за счет упругого или неупругого процесса столкновения) или продолжительным (например, за счет адсорбционно-десорбционного процесса), как это описано далее более подробно.
Когда газовая молекула взаимодействует с первой поверхностью, первая поверхность может заряжать молекулу, например, за счет перемещения электрона к газовой молекуле или от нее. Когда заряженная газовая молекула взаимодействует со второй поверхностью, вторая поверхность может получать избыточный заряд от заряженной газовой молекулы. Таким образом, первая поверхность служит донорной поверхностью электрического заряда, а вторая поверхность служит приемной (акцепторной) поверхностью электрического заряда, или наоборот.
Переданный заряд создает электрическую разность потенциалов между поверхностями, возможно, безо всякого приложения внешнего напряжения, и может быть использован для выработки электрического тока.
Полагают, что газ охлаждается в результате замедления газовой молекулы, вызванного проведенной работой при транспортировании заряда через зазор, с преодолением силы притяжения зеркального заряда. Для создания установившегося состояния системы тепловую энергию преимущественно передают в газ, например, от окружающей среды.
Так как разность потенциалов между поверхностями создается за счет теплового движения молекул, служащих переносчиками заряда от одной поверхности к другой, нет необходимости поддерживать градиент температуры между поверхностями. Таким образом, две поверхности могут иметь разность температур в пределах 50ºС, 10ºС или 1ºС. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения разность температур между поверхностями по шкале Кельвина составляет меньше чем 5% или меньше чем 3% или меньше чем 2%, например, 1% или меньше.
В соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения две поверхности по существу могут иметь одинаковую температуру. Несмотря на то, что экстремальные температуры не являются необходимыми для работы гальванического элемента или устройства, следует иметь в виду, что пропорция имеющих высокую скорость газовых молекул, способных эффективно переносить заряд, увеличивается при повышении температуры. Поэтому можно ожидать, что кпд любого данного гальванического элемента или устройства будет повышаться при повышении температуры в его рабочем диапазоне. В соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения обе поверхности имеют температуру ниже чем 400ºС или ниже чем 200ºС или ниже чем 100ºС или ниже чем 50ºС. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения обе поверхности имеют температуру ниже чем 30ºС и выше чем 15ºС, например, комнатную температуру (например, около 25ºС) или близкую к ней. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения обе поверхности имеют температуру ниже чем 15ºС и выше чем 0ºС, а в соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления настоящего изобретения обе поверхности имеют температуру ниже чем 0ºС.
В соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения способность первой поверхности передавать заряд определенной полярности газовой среде отличается от способности второй поверхности передавать заряд газовой среде. Эта конфигурация позволяет газовым молекулам приобретать заряд за счет взаимодействия с одной из поверхностей и терять заряд за счет взаимодействия с другой поверхностью.
Когда поверхности соединены при помощи электрических контактов с внешней электрической нагрузкой, ток протекает от поверхности, которая более склонна терять отрицательный заряд за счет его передачи газовой среде, через нагрузку и к поверхности, которая более склонна приобретать отрицательный заряд от газовой среды.
Следует иметь в виду, что для обеспечения эффективной передачи заряда значительное число заряженных молекул должно перемещаться от первой поверхности ко второй поверхности. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения расстояние между поверхностями является достаточно малым, так что это условие выполняется. Достаточно малый зазор уменьшает число межмолекулярных столкновений и понижает потенциальный барьер зеркального заряда, созданный заряженной молекулой, так что повышается вероятность достаточно быстрого выхода молекулы из окрестности первой поверхности, чтобы успешно проходить через зазор без столкновения с другими газовыми молекулами и переносить заряд ко второй поверхности. Зазор между поверхностями преимущественно соответствует среднему свободному пробегу газовых молекул. Вообще говоря, желательно, чтобы расстояние между поверхностями было меньше чем 10-кратный и преимущественно меньше чем 5-, 2-кратный или некоторый меньший или промежуточный кратный средний свободный пробег молекул, при рабочих температуре и давлении. В идеальном случае это расстояние должно быть равно среднему свободному пробегу газовых молекул или должно быть меньше него. Вообще говоря, желательно, чтобы расстояние между поверхностями было меньше чем 1000 нм, преимущественно, меньше чем 100 нм, предпочтительнее, меньше чем 10 нм, а идеально, но не обязательно, меньше чем 2 нм.
Безотносительно к ценности описанной здесь выше теории, авторы настоящего изобретения обнаружили, что при определенных обстоятельствах можно вырабатывать ток и напряжение за счет опосредованной газом передачи заряда между двумя элементами системы, без ввода энергии в систему, кроме ввода тепловой энергии газовых молекул.
Несколько таких гальванических элементов могут быть объединены вместе для создания источника питания. В этом конструктивном варианте гальванические элементы расположены относительно друг друга таким образом, чтобы ток мог протекать между смежными гальваническими элементами, включенными последовательно. Такие гальванические элементы преимущественно могут быть включены последовательно и/или параллельно, причем при последовательном включении получают повышенное выходное напряжение по сравнению с единственным гальваническим элементом, а при параллельном включении получают повышенный ток.
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается устройство в виде гальванического элемента для прямого преобразования тепловой энергии в электричество. Устройство в виде гальванического элемента содержит первую поверхность и вторую поверхность с зазором между указанными поверхностями и газовую среду, имеющую газовые молекулы в тепловом движении, расположенные между поверхностями; причем указанная первая поверхность служит для передачи электрического заряда газовым молекулам, взаимодействующим с указанной первой поверхностью, а указанная вторая поверхность служит для приема указанного заряда от газовых молекул, взаимодействующих с указанной второй поверхностью; при этом электрическая разность потенциалов между указанными поверхностями создается за счет указанной передачи заряда в отсутствие внешнего приложенного напряжения.
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается устройство в виде гальванического элемента для прямого преобразования тепловой энергии в электричество. Устройство в виде гальванического элемента содержит первую поверхность и вторую поверхность с зазором между указанными поверхностями и газовую среду, имеющую газовые молекулы в тепловом движении, расположенные между поверхностями; причем указанная первая поверхность служит для передачи электрического заряда газовым молекулам, взаимодействующим с указанной первой поверхностью, а указанная вторая поверхность служит для приема указанного заряда от газовых молекул, взаимодействующих с указанной второй поверхностью; при этом указанный зазор составляет меньше чем 1000 нм.
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается устройство в виде гальванического элемента для прямого преобразования тепловой энергии в электричество. Устройство в виде гальванического элемента содержит первую поверхность и вторую поверхность с зазором между указанными поверхностями и газовую среду, имеющую газовые молекулы в тепловом движении, расположенные между поверхностями; причем указанная первая поверхность служит для передачи электрического заряда газовым молекулам, взаимодействующим с указанной первой поверхностью, а указанная вторая поверхность служит для приема указанного заряда от газовых молекул, взаимодействующих с указанной второй поверхностью; при этом указанная первая и указанная вторая поверхности имеют разность температур 50ºС.
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается устройство в виде гальванического элемента для прямого преобразования тепловой энергии в электричество. Устройство в виде гальванического элемента содержит первую поверхность и вторую поверхность с зазором между указанными поверхностями и газовую среду, имеющую газовые молекулы в тепловом движении, расположенные между поверхностями; причем указанная первая поверхность служит для передачи электрического заряда газовым молекулам, взаимодействующим с указанной первой поверхностью, а указанная вторая поверхность служит для приема указанного заряда от газовых молекул, взаимодействующих с указанной второй поверхностью; при этом первая и вторая поверхности имеют температуру меньше чем 200ºС.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения первая поверхность имеет переносимость положительного заряда, а вторая поверхность имеет переносимость отрицательного заряда.
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается устройство в виде гальванического элемента для выработки электричества. Устройство в виде гальванического элемента содержит первую поверхность, имеющую электрическую связь с первым электрическим контактом; вторую поверхность, имеющую электрическую связь со вторым электрическим контактом и имеющую температуру, отличающуюся от температуры указанной первой поверхности в пределах 50ºС; и газовую среду, находящуюся в зазоре между поверхностями; причем указанная первая поверхность имеет переносимость положительного заряда, при этом указанные электрические контакты выполнены с возможностью соединения с нагрузкой для создания тока нагрузки, протекающего от указанной первой поверхности через указанную нагрузку к указанной второй поверхности.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна из поверхностей представляет собой поверхность электропроводящей подложки.
-9
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна из поверхностей представляет собой поверхность подложки, имеющую удельную электропроводность меньше чем 10См/м.
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается источник питания. Источник питания содержит множество описанных здесь устройств в виде гальванических элементов, причем по меньшей мере одна пара смежных устройств в виде гальванических элементов взаимосвязана при помощи проводника, так что ток протекает через указанный проводник от второй поверхности первого устройства указанной пары к первой поверхности второго устройства указанной пары.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения пары смежных устройств в виде гальванических элементов имеют последовательное и параллельное соединения, так что ток источника питания превышает ток любого одиночного гальванического элемента, а напряжение источника питания превышает напряжение любого устройства в виде гальванического элемента.
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается источник питания. Источник питания содержит первый электропроводящий электрод и второй электропроводящий электрод; первую батарею устройств в виде гальванических элементов и вторую батарею устройств в виде гальванических элементов между указанными электродами, в каждой из которых использовано описанное здесь устройство в виде гальванического элемента; причем в каждой батарее каждая пара смежных устройств в виде гальванических элементов указанной батареи взаимосвязана при помощи проводника, так что ток протекает через указанный проводник от второй поверхности первого устройства в виде гальванического элемента указанной пары к первой поверхности второго устройства в виде гальванического элемента указанной пары; при этом как указанная первая батарея, так и указанная вторая батарея передают заряд от указанного первого электрода к указанному второму электроду.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения проводник представляет собой электропроводящую подложку, имеющую две стороны, одна сторона которой образует поверхность одного устройства в виде гальванического элемента, а противоположная сторона образует поверхность смежного устройства в виде гальванического элемента.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения проводник представляет собой подложку, покрытую электропроводящим материалом, чтобы создать электрическую проводимость между первой стороной указанной подложки и второй стороной указанной подложки; причем указанная покрытая подложка имеет две стороны, одна сторона которой образует поверхность одного устройства в виде гальванического элемента, а противоположная сторона образует поверхность смежного устройства в виде гальванического элемента.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения поверхности гальванических элементов перекрывают друг друга упорядоченным или случайным образом, так что поверхность единственной подложки частично используется совместно по меньшей мере двумя гальваническими элементами.
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается способ прямого преобразования тепловой энергии в электричество. Способ включает в себя следующие операции: использование первой поверхности и второй поверхности с зазором между указанными поверхностями; взаимодействие молекул газовой среды с указанной первой поверхностью, так чтобы передавать электрический заряд по меньшей мере некоторым из газовых молекул; и взаимодействие порции указанных газовых молекул с указанной второй поверхностью, так чтобы передавать указанный заряд указанной второй поверхности по меньшей мере от некоторых указанных газовых молекул, за счет чего создается разность потенциалов между указанными поверхностями; причем зазор составляет меньше чем 1000 нм.
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения, предлагается способ прямого преобразования тепловой энергии в электричество. Способ включает в себя следующие операции: использование первой поверхности и второй поверхности с зазором между указанными поверхностями; взаимодействие молекул газовой среды с указанной первой поверхностью, так чтобы передавать электрический заряд по меньшей мере некоторым из газовых молекул; и взаимодействие порции указанных газовых молекул с указанной второй поверхностью, так чтобы передавать указанный заряд указанной второй поверхности по меньшей мере от некоторых указанных газовых молекул, за счет чего создается разность потенциалов между указанными поверхностями; причем указанная первая и указанная вторая поверхности имеют разность температур 50ºС.
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается способ прямого преобразования тепловой энергии в электричество. Способ включает в себя следующие операции: использование первой поверхности и второй поверхности с зазором между указанными поверхностями; взаимодействие молекул газовой среды с указанной первой поверхностью, так чтобы передавать электрический заряд по меньшей мере некоторым из газовых молекул; и взаимодействие порции указанных газовых молекул с указанной второй поверхностью, так чтобы передавать указанный заряд указанной второй поверхности по меньшей мере от некоторых указанных газовых молекул, за счет чего создается разность потенциалов между указанными поверхностями; причем первая и вторая поверхности имеют температуру меньше чем 200ºС.
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается способ прямого преобразования тепловой энергии в электричество. Способ включает в себя следующие операции: использование первой поверхности и второй поверхности с зазором между указанными поверхностями; взаимодействие молекул газовой среды с указанной первой поверхностью, так чтобы передавать электрический заряд по меньшей мере некоторым из газовых молекул; и взаимодействие порции указанных газовых молекул с указанной второй поверхностью, так чтобы передавать указанный заряд указанной второй поверхности по меньшей мере от некоторых указанных газовых молекул, за счет чего создается разность потенциалов между указанными поверхностями; причем разность потенциалов между поверхностями создается за счет указанной передачи заряда в отсутствие внешнего приложенного напряжения.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения одна из указанных поверхностей заряжает газовые молекулы, а другая поверхность разряжает заряженные газовые молекулы.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения обе указанные поверхности заряжают газовые молекулы, причем одна поверхность заряжает газовые молекулы положительно, а другая заряжает газовые молекулы отрицательно.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения любое напряжение между указанными поверхности создается за счет указанной передачи заряда в отсутствие внешнего приложенного напряжения.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения устройство дополнительно содержит герметизированную оболочку для исключения утечки газовой среды.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения давление внутри герметизированной оболочки выше, чем давление окружающей среды. В соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления настоящего изобретения давление внутри герметизированной оболочки ниже, чем давление окружающей среды. В соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления настоящего изобретения давление внутри герметизированной оболочки выше чем 1.1 атмосферы. В соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления настоящего изобретения давление внутри герметизированной оболочки выше чем 2 атмосферы.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения зазор составляет меньше чем 1000 нм, или меньше чем 100 нм, или меньше чем 10 нм, или меньше чем 5 нм, или меньше чем 2 нм.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения первая и вторая поверхности имеют разность температур в пределах 50ºС, или в пределах 10ºС, или в пределах 1ºС.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения первая и вторая поверхности имеют температуру меньше чем 200ºС, или меньше чем 100ºС, или меньше чем 50ºС.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения первая поверхность и вторая поверхность являются по существу гладкими и смещены друг от друга при помощи распорок.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения зазор поддерживается при помощи неровностей, выступающих по меньшей мере из одной из указанных поверхностей.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна из поверхностей содержит по меньшей мере один магнитный или немагнитный материал, выбранный из группы, в которую входят металлы, полуметаллы, сплавы, естественные или легированные, неорганические или органические, полупроводники, диэлектрические материалы, слоистые материалы, естественные или легированные полимеры, электропроводящие полимеры, керамические материалы, оксиды, оксиды металлов, соли, краун-эфиры, органические молекулы, четвертичные соединения аммония, керметы, и соединения стекла и силикатов.
2
2
3
2
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения каждая из поверхностей независимо содержит по меньшей мере один магнитный или немагнитный материал, выбранный из группы, в которую входят алюминий, кадмий, хром, кобальт, медь, гадолиний, золото, графит, графен, гафний, железо, свинец, магний, марганец, молибден, палладий, платина, никель, серебро, тантал, олово, титан, вольфрам, цинк; сурьма, мышьяк, висмут; оксид графита, диоксид кремния, оксид алюминия, диоксид марганца, оксид марганца и никеля, диоксид вольфрама, триоксид вольфрама, оксид индия и олова, оксид кальция, оксид иттрия, диоксид циркония, оксид лантана, оксид стронция, оксид иттрия, кальция, бария и меди; латунь, бронза, дюралюминий, инвар, сталь, нержавеющая сталь; сернистый барий, сульфид кальция; естественные или легированные кремниевые пластины, арсенид германия, кремния, галлия и алюминия, селенид кадмия, арсенид галлия и марганца, теллурид цинка, фосфид индия, арсенид галлия и полиалкин; MACOR, нитрид алюминия, нитрид бора, нитрид титана, гексаборид лантана; карбид гафния, карбид титана, карбид циркония, карбид вольфрама; титанат бария, фтористый кальций, соли кальция, соли редкоземельных металлов, соли циркония, соли марганца, соли свинца, соли кобальта, соли цинка; силицид хрома, CrSi-SiO, СrС-Ni, TiN-Mo; стекло и флогопит, нигрозин, петронат натрия, полиэтилен имин, малагская камедь, OLOA 1200, лецитин, полимеры на основе естественной и легированной нитроцеллюлозы, полимеры на основе поливинилхлорида и акриловые смолы.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения поверхности содержат по меньшей мере один материал, независимо выбранный из группы, в которую входят алюминий, хром, гадолиний, золото, магний, молибден, нержавеющая сталь, диоксид кремния, диоксид марганца, оксид марганца и никеля, триоксид вольфрама, восстановленный оксид графита, графит, графен, силицид хрома - диоксид кремния, фторид цезия, HOPG, карбонат кальция, хлорат магния, стекло, флогопит, нитрид алюминия, нитрид бора, закристаллизованное стекло, легированная нитроцеллюлоза, легированная бором кремниевая пластина, и легированная фосфором кремниевая пластина.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения каждая из первой и второй поверхностей поддерживаются при помощи графеновой подложки.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения каждая из первой и второй поверхностей поддерживается при помощи графитовой подложки.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения каждая из первой и второй поверхностей представляет собой модифицированную графитовую или графеновую подложку.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения одна из первой и второй поверхностей представляет собой модифицированную графитовую или графеновую подложку, а другая представляет собой немодифицированную графитовую или графеновую подложку.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения первая поверхность содержит по меньшей мере один материал, выбранный из группы, в которую входят золото, магний, фторид цезия, HOPG, карбонат кальция, алюминий, хром, гадолиний, молибден, нержавеющая сталь, диоксид кремния, флогопит, диоксид марганца, оксид марганца и никеля, триоксид вольфрама, восстановленный оксид графита, графит, графен, силицид хрома - диоксид кремния, легированная бором кремниевая пластина, легированная фосфором кремниевая пластина, и нитрид бора.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения вторая поверхность содержит по меньшей мере один материал, выбранный из группы, в которую входят золото, хлорат магния, алюминий, закристаллизованное стекло, легированная нитроцеллюлоза, стекло, диоксид кремния, нитрид алюминия, и легированная фосфором кремниевая пластина.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения газовая среда содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, в которую входят галоген, азот, сера, кислород, содержащие водород газы, инертные газы, щелочные газы и благородные газы.
2
2
2
2
2
6
5
6
6
4
5
3
3
5
8
4
8
3
8
3
6
3
6
4
2
6
3
2
5
4
2
3
3
3
2
3
3
2
2
6
4
2
2
2
2
2
4
10
4
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения газовая среда содержит по меньшей мере один газ, выбранный из группы, в которую входят At, Br, Cl, F, I, WF, PF, SeF, ТеF, CF, AsF, ВF, СНF, CF, CF, СF, СFО, СF, GeF, СF, СFCOOCl, CHF, SiF, HFC-СF, СНF, СНF, Аr, Не, Кr, Ne, Rn, Xe, N, NF, NH, NO, NO, NO, SF, SF, SOF, O, СО, СO, Н, дейтерий, i-CH, СH, Cs, Li, Na, K, Cr, Rb, и Yb.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения газовая среда содержит по меньшей мере один газ, выбранный из группы, в которую входят элегаз, аргон, гелий, криптон, неон, ксенон, азот, ксенон, тетрафторид углерода, октофторпропан, водяные пары и воздух.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения газовая среда не расходуется во время работы устройства.
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается способ, который предусматривает использование по меньшей мере одного устройства в виде гальванического элемента, имеющего первую поверхность и вторую поверхность с зазором между указанными поверхностями, заполненным жидкой средой, имеющей в ней электроактивные разновидности, причем указанный зазор составляет меньше чем 50 мкм; приложение напряжения между указанной первой и указанной второй поверхностями, чтобы возбудить электрохимическое или электрофоретическое взаимодействие указанных электроактивных разновидностей по меньшей мере с одной из указанных поверхностей, за счет чего происходит модифицирование поверхностных свойств указанной взаимодействующей поверхности; и удаление по меньшей мере порции указанной жидкости, чтобы уменьшить указанный зазор по меньшей мере на 50%.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения способ осуществляют одновременно для множества устройств в виде гальванических элементов.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения указанное удаление уменьшает зазор по меньшей мере на 90%.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения первую и вторую поверхности изготавливают из одинакового материала, ранее модифицирования указанных поверхностей, причем указанные электроактивные разновидности выбирают таким образом, что после указанного электрохимического или электрофоретического взаимодействия характеристическая переносимость заряда указанной первой поверхности отличается от характеристической переносимости заряда указанной второй поверхности.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения указанный одинаковый материал представляет собой графен.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения указанный одинаковый материал представляет собой графит.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения электроактивные разновидности выбраны из группы, в которую входят соли и красители.
Если специально не указано иное, то все использованные в описании настоящего изобретения технические и научные термины имеют общепринятое значение, понятное специалистам в данной области, для которых предназначено настоящее изобретение. Несмотря на то, что далее описаны примерные способы и/или материалы, следует иметь в виду, что при осуществлении или при проверке вариантов изобретения могут быть использованы эквивалентные или аналогичные материалы. В случае конфликта следует использовать описание настоящего изобретения, содержащее определения. Кроме того, следует иметь в виду, что материалы, методики и примеры даны только для пояснения и не имеют ограничительного характера.
Краткое описание чертежей
Некоторые варианты осуществления изобретения будут описаны далее в качестве примера, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи. Следует подчеркнуть, что показанные на чертежах детали приведены только в качестве примера и для пояснения при обсуждении вариантов осуществления изобретения. Таким образом, приведенное со ссылкой на чертежи описание изобретения позволяет специалистам в данной области понять, как можно осуществить изобретение.
На фиг.1А и 1В схематично показан гальванический элемент для выработки электричества, в соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.1C-1F схематично показаны потенциалы в гальваническом элементе, показанном на фиг.1А, или в его модернизированном конструктивном варианте. На фиг.1C и 1D показан потенциал зеркального заряда на зазоре гальванического элемента, показанного на фиг.1А, измененного для того, чтобы иметь одинаковые поверхности. На фиг.1Е и 1F показан потенциал на зазоре гальванического элемента, показанного на фиг.1А, в котором поверхности являются разными. На фиг.1G и 1Н показан потенциальный барьер (фиг.1G) и ток на единицу площади поверхности (фиг.1Н) в функции размера зазора, в гальваническом элементе, показанном на фиг.1А.
На фиг.2А и 2В схематично показан источник питания, в соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.3 схематично показана экспериментальная установка, использованная в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления настоящего изобретения для измерения переносимости заряда в виде электрического тока, возбуждаемого между сеткой мишени и форсункой, при протекании газовой струи через сетку.
На фиг.4 показаны пиковые токи для различных материалов, измеренные в установке, показанной на фиг.3.
На фиг.5 показаны измерения при помощи зонда Кельвина для различных материалов в присутствии различных газов.
На фиг.6 схематично показана экспериментальная установка, использованная в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения для генерирования электрического тока за счет теплового движения газовых молекул, в которой поверхности находятся в непрямом контакте.
На фиг.7А-7С показаны типичные осциллограммы, полученные во время эксперимента, проведенного в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения с использованием экспериментальной установки, показанной на фиг.6.
На фиг.8 схематично показана экспериментальная установка, использованная для модификации работы выхода, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.9 схематично показана экспериментальная установка, использованная для анализа различных непроводящих материалов, предназначенных для применения в качестве распорок, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.10 показаны графики разряда для различных изученных материалов, предназначенных для применения в качестве распорок в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, с использованием экспериментальной установки, показанной на фиг.9.
На фиг.11 схематично показана экспериментальная установка, использованная в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения для генерирования электрического тока за счет теплового движения газовых молекул, в которой поверхности находятся в прямом или непрямом контакте через неровности или распорки.
На фиг.12 показан ток в функции времени, измеренный при различных давлениях газа во время эксперимента, проведенного в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения с использованием экспериментальной установки, показанной на фиг.11. Стрелки показывают изменения давления газа.
На фиг.13 показан график пороговых давлений для получения максимального тока в специфической установке, измеренного в эксперименте, проведенном в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения. Давления выражены в функции обратной величины квадрата диаметра газовой молекулы.
На фиг.14 показан ток в функции времени, измеренный для различных температур во время эксперимента, выполненного в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения с использованием экспериментальной установки, показанной на фиг.11.
На фиг.15 показан ток в функции температуры, измеренный при восьми экспериментальных прогонах, выполненных в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.16 показано накопленное с течением времени напряжение, измеренное на одной паре поверхностей (непрерывная линия) в течение минут (нижняя абсцисса) или на стопе (пакете) поверхностей (пунктирная линия) в течение часов (верхняя абсцисса) в экспериментах, выполненных в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.17 показаны изменения тока (левая ордината) и флуктуации комнатной температуры (правая ордината) в функции времени (абсцисса), одновременно измеренные в эксперименте, выполненном в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.18 показан ток при пороговом давлении в функции размера распорок, измеренный в девяти экспериментальных прогонах, выполненных в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.19 показаны пороговые давления, необходимые для получения максимального тока, в функции обратной величины квадрата диаметра газовых молекул, измеренные в девяти экспериментальных прогонах, при отсутствии или при наличии распорок, выполненных в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.20A-20D показаны ток (фиг.20А и 20С) и мощность (фиг.20В и 20D) в функции приложенного напряжения, измеренные в эксперименте, выполненном в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.21 показан ток в функции давления, измеренный в эксперименте, выполненном в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения связаны с преобразованием энергии, а более конкретно, но не исключительно, связаны с созданием способа и устройства для генерирования электричества.
Ранее подробного объяснения по меньшей мере одного варианта осуществления настоящего изобретения следует указать, что применение настоящего изобретения не обязательно ограничено деталями конструкции и компоновкой компонентов и/или способами, описанными в последующем описании и/или показанными на чертежах и/или приведенными в примерах. Возможны и другие варианты осуществления настоящего изобретения или его практической реализации различными путями. Более того, несмотря на то, что авторы настоящего изобретения полагают, что приведенное теоретическое объяснение различных вариантов является правильным, следует иметь в виду, что описанные и заявленные устройство и способ не зависят от указанной теории. Различные варианты не обязательно являются взаимно исключающими, так что некоторые варианты могут быть объединены с одним или несколькими другими вариантами, чтобы образовать новые конструктивные варианты. Для упрощения понимания некоторые элементы на чертежах показаны не в реальном масштабе. Чертежи не следует считать светокопиями технических требований.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1А, на которой показано устройство 10 (единичный гальванический элемент) для генерирования электричества, в соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения. Устройство в виде гальванического элемента 10 содержит пару смещенных друг от друга поверхностей 12 и 14 и газовую среду 16 между поверхностями 12 и 14. Поверхности 12 и 14 являются частью соответствующих подложек 32 и 34 или поддерживаются ими. Газовые молекулы 18 переносят заряд от первой поверхности 12 ко второй поверхности 14. Движение газовых молекул вызвано их тепловой энергией и определяется температурой газа. Температура газа поддерживается за счет тепловой энергии 22, поставляемой при помощи теплового резервуара 20, как это описано далее более подробно. В схеме, показанной на фиг.1А, поверхность 12 передает отрицательный заряд электрически нейтральной молекуле во время взаимодействия молекулы с поверхностью 12, то есть заряжает молекулу отрицательным электрическим зарядом. Когда отрицательно заряженная молекула поступает к поверхности 14 и взаимодействует с ней, поверхность 14 получает отрицательный заряд от молекулы, разряжая (нейтрализуя) молекулу.
Взаимодействие между молекулами и поверхностями может быть мгновенным, например, за счет упругого или неупругого процесса столкновения или продолжительным, например, за счет адсорбционно-десорбционного процесса.
Использованный здесь термин "адсорбционно-десорбционный процесс" или "адсорбционно-десорбционный процесс переноса заряда" означает процесс, в котором молекула сначала адсорбируется поверхностью в течение достаточно длительного времени, так что молекула теряет значительное количество ее кинетической энергии, а затем десорбируется от поверхности, причем чистый заряд молекулы до адсорбции отличается от чистого заряда молекулы после десорбции.
В некоторых адсорбционно-десорбционных процессах молекула и поверхность находятся в тепловом равновесии в течение временного интервала, в котором молекула адсорбируется. Во время адсорбции молекулу можно считать частью поверхности. Таким образом, в течение этого временного интервала электронная волновая функция поверхности включает в себя электронные волновые функции всех молекул у поверхности, в том числе и тех, которые были адсорбированы поверхностью. Типично, но не обязательно, адсорбированные молекулы находятся в самом внешнем молекулярном слое поверхности.
"Мгновенным процессом" между молекулой и поверхностью называют процесс, в котором газовая молекула находится достаточно близко к поверхности, чтобы позволить произвести передачу заряда между молекулой и поверхностью, причем временной интервал этого процесса значительно короче, чем время, которое требуется для достижения теплового равновесия между молекулой и поверхностью.
Типичным типом мгновенного процесса является соударение (столкновение). Считают, что газовая молекула и твердая поверхность находятся "в соударении", если имеется по меньшей мере частичное пространственное перекрытие между электронной волновой функцией молекулы и электронной волновой функцией поверхности. Типично считают, что газовая молекула и твердая поверхность имеют столкновение, когда расстояние между центром газовой молекулы и самым внешним атомом твердой поверхности составляет меньше чем 10 ангстрем, или, альтернативно, меньше чем 5 ангстрем.
Столкновение считают "упругим", когда кинетическая энергия до столкновения равна кинетической энергии после столкновения, и "неупругим", когда кинетическая энергия до столкновения больше, чем кинетическая энергия после столкновения. Столкновение между молекулой и поверхностью может быть упругим или неупругим.
Несмотря на то, что на фиг.1А показана нейтральная молекула при ее перемещении от поверхности 14 к поверхности 12 и отрицательно заряженная при ее перемещении от поверхности 12 к поверхности 14, это не является обязательным, так как молекула может быть положительно заряжена при ее перемещении от поверхности 14 к поверхности 12 и может быть нейтральной при ее перемещении от поверхности 12 к поверхности 14. Специалисты в данной области легко поймут, что в любом из этих сценариев указанный процесс делает поверхность 12 положительно заряженной и поверхность 14 отрицательно заряженной, как это показано на фиг.1А. Таким образом, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения газовая молекула является посредником при передаче отрицательного заряда от поверхности 12 к поверхности 14 и/или при передаче положительного заряда от поверхности 14 к поверхности 12.
В соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения передача заряда от поверхности 12 к молекуле и от молекулы к поверхности 14 облегчается за счет перемещения электронов. Таким образом, в указанных вариантах молекула получает электроны от поверхности 12 и переносит электроны к поверхности 14.
На фиг.1В схематично показано устройство 10, применяемое в тех вариантах, в которых используют двунаправленную передачу заряда. В этих вариантах молекулы отрицательно заряжены при перемещении от поверхности 12 к поверхности 14, как и на фиг.1А, и положительно заряжены при перемещении от поверхности 14 к поверхности 12. Преимуществом этих вариантов является более высокая эффективность процесса преобразования тепловой энергии. Далее будет описана двунаправленная передача заряда в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
Допустим, что молекула только что получила отрицательный заряд от поверхности 12 и движется в направлении поверхности 14. Предположим, что эта отрицательно заряженная молекула сталкивается с поверхностью 14 и между ними имеется взаимодействие. Процесс столкновения не является мгновенным. В течение того времени, когда молекула находится в окрестности поверхности 14, молекула может переносить одиночный отрицательный заряд к поверхности 14 (или получать одиночный положительный заряд от поверхности 14), однако это может быть и не одиночный заряд. Например, во время первой половины взаимодействия (когда молекула приближается к поверхности 14 или адсорбируется ей) молекула может переносить первый отрицательный заряд к поверхности 14 и при этом может становиться электрически нейтральной, а во время второй половины взаимодействия (когда молекула удаляется от поверхности 14 или десорбируется от нее) молекула может переносить второй отрицательный заряд к поверхности 14 и при этом может становиться положительно заряженной. Дополнительный процесс передачи заряда также может происходить в окрестности поверхности 12. Например, во время первой половины взаимодействия между положительно заряженной молекулой и поверхностью 12 молекула получает первый отрицательный заряд от поверхности 12 и за счет этого становится электрически нейтральной, а во время второй половины взаимодействия молекула может получать второй отрицательный заряд от поверхности 12 и за счет этого становится отрицательно заряженной. Когда молекулы переносят заряды от одной поверхности к другой, поверхность 12 становится положительно заряженной, а поверхность 14 становится отрицательно заряженной, за счет чего создается разность потенциалов между поверхностями. Эта разность потенциалов может быть использована для подключения нагрузки 24 (например, при помощи электрических контактов 26) к поверхностям. Электрический ток i протекает от поверхности 12 к поверхности 14 через нагрузку. Таким образом, устройство 10 может быть встроено в источник питания, который подает электрический ток в сеть, к электроприбору или в другую нагрузку.
В соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения кинетическая энергия газовых молекул создается исключительно за счет температуры газа. В этих вариантах не требуется дополнительный механизм (такой как внешний источник напряжения) для поддержания движения газовых молекул, которое полностью определяется их тепловой энергией. Более того, за счет взаимодействия газа с рабочими поверхностями, в отличие от топливных элементов, такие взаимодействия не включают в себя необратимые химические реакции и поэтому газ в процессе не расходуется.
Когда устройство 10 достигает установившегося состояния, величина заряда, проходящего через нагрузку, приблизительно соответствует величине заряда, передаваемой соответствующей поверхности за счет газовых молекул, и для данной нагрузки и температуры разность потенциалов между поверхностями является приблизительно постоянной. Небольшой перепад температур между поверхностями, даже если он есть, не играет существенной роли в описанном выше механизме передачи заряда.
Наличие заряда на поверхностях 12 и 14 создает электрический потенциал, который создает барьер для молекул, переносящих заряд от одной поверхности к другой. Это проявляется как силы притяжения поверхностей 12 или 14 для противоположно заряженных молекул и как силы отталкивания для одинаково заряженных молекул, когда они отскакивают от соответствующих поверхностей.
В условиях тепловой изоляции передача зарядов за счет молекул, движущихся между поверхностями (и при этом преодолевающих потенциальный барьер), будет непрерывно уменьшать среднюю кинетическую энергию газовых молекул, что приводит к охлаждению газовой среды до температуры, при которой кинетическая энергия газовых молекул больше не позволяет преодолеть потенциальный барьер. Однако так как устройство 10 имеет тепловую связь с тепловым резервуаром 20, то тепловая энергия 22 будет непрерывно поступать в газовую среду, пополняя кинетическую энергию газовых молекул. Тепловым резервуаром 20 может быть, например, среда, в которой работает устройство 10 (например, природная среда), причем тепловая энергия может быть подана в устройство 10 за счет проводимости, конвекции и/или излучения и затем может быть передана газовой среде.
Когда разность потенциалов между поверхностями достигает установившегося состояния, передача заряда подавляется за счет электрического поля, которое возникает в результате накопления зарядов на поверхностях. Когда устройство 10 подключено к нагрузке 24, накопленные заряды передаются от поверхностей через нагрузку, что позволяет продолжить процесс переноса заряда. В результате электрический ток протекает через нагрузку и в нагрузке образуется теплота или выполняется другая полезная работа. Таким образом, по меньшей мере часть тепловой энергии, переданной из резервуара 20 газовой среде 16, используется в нагрузке 24 для выполнения полезной работы.
Обычно при данной не нулевой температуре, несмотря на то что все газовые молекулы находятся в движении, не все молекулы имеют одинаковую скорость. Таким образом, не все заряженные газовые молекулы способны успешно проходить через зазор между поверхностями после отскакивания от заряженной поверхности. Только имеющие достаточную кинетическую энергию молекулы после прохождения потенциального барьера могут проходить через зазор и обеспечивать передачу заряда. Более медленные (с меньшей энергией) молекулы не могут преодолеть потенциальный барьер и не участвуют в процессе передачи заряда. Для данных термодинамических условий движение газовых молекул может быть проанализировано при помощи статистической механики, в частности при помощи распределения скорости Максвелла-Больцмана, которое представляет собой скалярную функцию, описывающую вероятность движения молекулы в специфическом диапазоне скоростей (или, эквивалентно, вероятность иметь специфическую кинетическую энергию). Таким образом, долю газовых молекул, которые имеют достаточную энергию для преодоления потенциального барьера между поверхностями 12 и 14, можно оценить с использованием распределения Максвелла-Больцмана. Следует иметь в виду, что распределение Максвелла-Больцмана является положительным для любой положительной кинетической энергии. Таким образом, всегда имеется не равная нулю вероятность наличия имеющих достаточную энергию молекул. В экспериментах, проведенных авторами настоящего изобретения, наблюдали ток сигнала, существенно превышающий фоновый шум, который протекает через нагрузку 24, что показывает, что по меньшей мере некоторые газовые молекулы успешно преодолели потенциальный барьер. Эти эксперименты описаны здесь ниже.
Направление, в котором молекула покидает поверхность, зависит от многих параметров, таких как скорость (то есть скорость и направление) молекулы, приходящей к поверхности, и тип взаимодействия между молекулой и поверхностью (например, число, расположение и ориентация поверхностных атомов, участвующих в столкновении). Когда газовая молекула покидает поверхность в специфическом направлении, она проходит некоторое расстояние до того, как соударяется с поверхностью или с другой газовой молекулой и изменяет направление. Среднее расстояние между двумя последовательными столкновениями газовой молекулы известно как средний свободный пробег, обозначаемый греческой буквой λ. Значение λ зависит от диаметра молекулы, а также от давления и температуры газа. В соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения для любого данного давления и любой композиции газа зазор d между поверхностями является достаточно малым для того, чтобы ограничивать межмолекулярные столкновения. Эта конфигурация повышает вероятность для молекулы с достаточной энергией успешного прохода через зазор без столкновения с другими газовыми молекулами.
Кроме снижения числа межмолекулярных столкновений достаточно малый зазор также снижает потенциальный барьер зеркального заряда, созданный за счет взаимодействия между заряженными молекулами и поверхностями, что теперь будет объяснено со ссылкой на фиг.1C-1F. Потенциальный барьер зеркального заряда представляет собой сумму вкладов потенциалов зеркального заряда обеих поверхностей. Любая заряженная газовая молекула между двумя поверхности притягивается обеими поверхностями.
max
На фиг.1С показан потенциал поля зеркального изображения заряда между поверхностями 12 и 14 для случая, в котором поверхности являются одинаковыми и разделены зазором 2 нм. Z-зависимость потенциала показана как кривая 62, вычисленная для случая, в котором передача заряда, составляющего один электрон, газовой молекуле происходит на расстоянии 5 Å (ангстрем) от поверхности. Потенциал поля зеркального изображения заряда имеет точку локального максимума 64, ориентировочно посредине зазора, в которой нет силы зеркального заряда, действующей на заряженную молекулу. Потенциал поля зеркального изображения заряда в локальном максимуме 64 обозначен как V и его значение зависит от размера зазора d.
max
max
На фиг.1D показана ситуация, когда размер зазора d увеличен до 10 нм, что ведет к увеличению уровня V. На фиг.1Е и 1F показаны соответственно потенциалы через те же самые примерные зазоры 2 нм и 10 нм, когда поверхности 12 и 14 не являются одинаковыми, что здесь показано как разность работы выхода 0.5 эВ. В этом случае показанный потенциал соответствует потенциалу зеркального заряда и потенциалу за счет разности работ выхода. Локальный максимум 64, при котором нет чистой силы, воздействующей на заряженную молекулу, сдвинут в сторону поверхности, имеющей более высокую работу выхода, причем потенциальный барьер V повышается при увеличении размера зазора.
Таким образом, когда размер зазора уменьшен, количество кинетической энергии, требующейся для преодоления потенциального барьера, содержащего потенциал поля зеркального изображения заряда, также уменьшается, что позволяет более медленным заряженным молекулам проходить через зазор.
Преимущественно, зазор d между поверхностями 12 и 14 имеет порядок среднего свободного пробега газовых молекул при рабочих температуре и давлении устройства 10. Например, d может быть меньше чем 10-кратный средний свободный пробег, преимущественно меньше чем 5-кратный средний свободный пробег, а предпочтительнее, меньше чем 2-кратный средний свободный пробег. Например, d может быть ориентировочно равно среднему свободному пробегу или может быть меньше него. Типичная величина зазора d между поверхностями 12 и 14 составляет меньше чем или около 1000 нм, преимущественно, ориентировочно меньше чем 100 нм, предпочтительнее, ориентировочно меньше чем 10 нм, а еще лучше, меньше чем или около 2 нм.
Интервал (разделение, зазор) между поверхностями 12 и 14 может поддерживаться различными путями. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения одну или несколько непроводящих распорок 28 вводят между поверхностями для поддержания интервала. Распорка является "непроводящей" в том смысле, что она исключает короткое замыкание в зазоре. Размер распорки 28 выбирают в соответствии с размером зазора d. Размер распорки преимущественно равен желательному интервалу. Распоркой может быть, например, наноструктура любой формы. Площадь поперечного сечения распорок в плоскости, главным образом параллельной поверхностям, преимущественно по существу меньше, чем (например, меньше чем на 10%) площади поверхностей 12 и 14, чтобы позволить обеспечить достаточно эффективное открытие поверхностей друг к другу.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения интервал между поверхностями поддерживается при помощи выступающих наружу неровностей поверхностей (не показанных здесь, но показанных на фиг.2В). Эти варианты являются особенно полезными, когда по меньшей мере одна из поверхностей 12 и 14 изготовлена из материала, который представляет собой плохой электропроводящий материал.
Молекула 18 отбирает заряд от поверхности и переносит заряд к поверхности за счет опосредованного газом (осуществляемого при посредстве газа) эффекта передачи заряда, причем газовая молекула получает или теряет заряд за счет взаимодействия с поверхностью. Например, газовая молекула может получать электрон за счет его отбора от поверхности или терять электрон за счет его передачи поверхности. Опосредованная газом передача заряда может быть осуществлена при помощи нескольких механизмов. Передача электрона молекулярному объекту может происходить в блоке молекула-электрон, в котором имеется некоторая энергия связи между электроном и положительно заряженным ядром молекулярного объекта. Однако имеется взаимодействие между (ближней) электронной связью и (дальним) кулоновским отталкиванием, что влияет на стабильность блока молекула-электрон. Вообще говоря, квантовое механическое состояние блока молекула-электрон может быть стабильным, метастабильным или нестабильным.
5
3
Когда энергия связи достаточно велика, квантовое механическое состояние является стабильным и считают, что блок молекула-электрон является ионом. При меньших энергиях связи электрон только слабо прикреплен к молекуле и квантовое механическое состояние является метастабильным или нестабильным. Исследования относительно прикрепления электрона, в частности относительно образования метастабильных или нестабильных блоков молекула-электрон, описаны в литературе, смотри, например, следующие публикации: Čadež ef al., "Electron attachment to molecules and its use for molecular spectroscopy", Acta Chim. Slov. 51 (2004) 11-21; R.A.Kennedy and C.A.Mayhew, "A study of low energy electron attachment to trifluoromethyl sulphur pentafluoride, SFCF: atmospheric implications", International Journal of Mass Spectrometry 206 (2001) i-iv; Xue-Bin Wang and Lai-Sheng Wang, "Observation of negative electron-binding energy in a molecule", Letters to Nature 400 (1999) 245-248.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что блоки молекула-электрон, имеющие слабо прикрепленные электроны, могут переносить электроны от поверхности 12 к поверхности 14, так как время жизни квантового механического состояния блока молекула-электрон типично больше, чем среднее время, которое требуется блоку молекула-электрон для прохода через зазор между поверхностями. Можно предположить, что передача заряда между поверхностями происходит преимущественно за счет блоков молекула-электрон в метастабильном или нестабильном квантовом механическом состоянии. Однако не исключается передача заряда за счет ионизированных молекул.
В соответствии с настоящим изобретением можно предположить, что прикрепление электронов к газовым молекулам или поверхностям и отрыв электронов от них могут быть осуществлены за счет опосредованного газом механизма, аналогичного трибоэлектрическому эффекту.
Трибоэлектрический эффект (известный также как "контактная зарядка" или "электричество трения") представляет собой зарядку двух различных объектов, трущихся друг о друга или имеющих движение относительно друг друга и сдвигающих (перемещающих) электроны от одного объекта к другому. Эффект зарядки может быть легко продемонстрирован при помощи шелка и стекла. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что эффект, аналогичный трибоэлектрическому эффекту, также может быть опосредован газом (осуществлен при посредстве газа).
В соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения молекула захватывает или теряет электрон при контакте с поверхностью, например, за счет адсорбционно-десорбционного процесса или процесса столкновения, как это описано далее более подробно.
Опосредованная газом передача заряда между поверхностями в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения происходит при температурах, которые по существу находятся ниже 400ºС, или ниже 200ºС, или ниже 100ºС, или ниже 50ºС. Однако в соответствии с некоторыми вариантами осуществления опосредованная газом передача заряда происходит также при температурах выше чем 400ºС.
В соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения обе поверхности находятся при температуре, которая меньше чем 30ºС и выше чем 15ºС, например, при комнатной температуре (например, около 25ºС) или поблизости от нее. В соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления настоящего изобретения обе поверхности находятся при температуре, которая меньше чем 15ºС и выше чем 0ºС, а в соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления настоящего изобретения обе поверхности находятся при температуре, которая меньше чем 0ºС.
Так как разность потенциалов между поверхностями возникает за счет теплового движения молекул, служащих переносчиками заряда от одной поверхности к другой, то нет необходимости поддерживать градиент температуры между поверхностями. Таким образом, две поверхности могут иметь по существу одинаковую температуру. Это отличается от обычных термоэлектрических преобразователей, в которых эмиттерный электрод имеет более высокую температуру, чем коллекторный электрод, и поток электронов через электрическую нагрузку поддерживается за счет эффекта Зеебека (термоэлектрического эффекта). В таких обычных термоэлектрических преобразователях отсутствуют газовые молекулы, которые служат переносчиками заряда. Скорее, тепловые электроны протекают непосредственно от горячего эмиттерного электрода к холодному коллекторному электроду.
Поверхности 12 и 14 могут иметь любую форму. Типично, как это показано на фиг.1А и 1В, поверхности являются плоскими, однако не следует исключать и неплоские конфигурации. Поверхности 12 и 14 в основном могут быть сделаны из различных материалов или из поверхностных модификаций одного и того же материала, чтобы позволить газовой молекуле за счет эффекта опосредованной газом передачи заряда получать отрицательный заряд (например, за счет получения электрона) при контакте с поверхностью 12 и/или получать положительный заряд (например, за счет потери электрона) при контакте с поверхностью 14.
Опосредованную газом передачу заряда в соответствии с настоящим изобретением приписывают переносимости заряда.
Использованный здесь термин "переносимость заряда" означает способность поверхности передавать заряд газовой молекуле или получать заряд от газовой молекулы или, альтернативно, способность газовой молекулы передавать заряд поверхности или получать заряд от поверхности.
<mrow><mi>Θ</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mi>S</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mi>S</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mi>Θ</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mi>M</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mi>M</mi></msubsup></mrow>
Переносимость заряда определяется свойствами поверхностей и газовых молекул и может также зависеть от температуры. Переносимость заряда определяет взаимодействие между специфической поверхностью и специфическими газовыми молекулами и отражает вероятность передачи заряда, степень передачи заряда и полярность передачи заряда, вызванные за счет взаимодействия. В описании настоящего изобретения поверхность считают имеющей положительную переносимость заряда, когда газовая молекула положительно заряжает поверхность, и имеющей отрицательную переносимость заряда, когда газовая молекула отрицательно заряжает поверхность. Например, поверхность с положительный переносимостью заряда представляет собой поверхность, которая теряет электрон при его передаче газовой молекуле, нейтрализуя газовую молекулу или образуя блок молекула-электрон. Поверхность с отрицательной переносимостью заряда представляет собой поверхность, которая получает электрон от нейтральной газовой молекулы или от блока молекула-электрон. Переносимость заряда зависит как от поверхности, так и от газа, участвующего в передаче заряда. Переносимость заряда может также зависеть от температуры, так как температура влияет на кинетическую энергию газовых молекул, а также от различных свойств материала, таких как ширина запрещенной энергетической зоны, тепловое расширение, проводимость, работа выхода и т.п. Количественно переносимость заряда, обозначенная как Θ, может быть выражена в единицах энергии. Например, положительная переносимость заряда может быть выражена как
, где
представляет собой минимальную энергию, которая требуется для удаления электрона с поверхности и для его прикрепления к нейтральной газовой молекуле, а отрицательная переносимость заряда может быть выражена как
, где
представляет собой минимальную энергию, которая требуется для удаления электрона из нейтральной газовой молекулы и переноса его к поверхности.
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mi>M</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mi>S</mi></msubsup></mrow>
Следует иметь в виду, что когда Θ выражена в единицах энергии, в соответствии с изложенным выше, ее величина в некоторых случаях не обязательно равна энергии, которая требуется для передачи заряда нейтральной молекуле, так как передача заряда также может происходить, когда молекула и/или поверхности уже заряжены. Таким образом, энергия, которая требуется для удаления электрона из газовой молекулы и для создания его связи с поверхностью, может быть выше или ниже чем
, а энергия, которая требуется для удаления электрона с поверхности и для его прикрепления к газовой молекуле, может быть выше или ниже чем
, как это описано далее более подробно.
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mi>S</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mi>M</mi></msubsup></mrow>
Когда газовая молекула положительно заряжена, существует кулоновская сила притяжения между молекулой и электроном. Таким образом, работа, которую надо выполнить для удаления электрона с поверхности и для его прикрепления к положительно заряженной молекуле, может быть меньше чем
, так как молекула способствует такому прикреплению. С другой стороны, работу, которую надо выполнить для удаления электрона из положительно заряженной молекулы и его перемещения к поверхности, может быть больше чем
, так как положительно заряженная молекула не способствует отрыву от нее электронов.
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mi>M</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mi>S</mi></msubsup></mrow>
Ситуация является обратной, когда газовая молекула заряжена отрицательно. Работа, которую надо выполнить для удаления электрона из отрицательно заряженной молекулы и его перемещения к поверхности, может быть меньше чем
, особенно в том случае, когда электрон слабо связан с молекулой. Это объясняется тем, что энергия связи слабо связанного электрона меньше, чем энергия связи коллективизированного электрона нейтральной молекулы. Работа, которую надо выполнить для удаления электрона с поверхности и его прикрепления к отрицательно заряженной молекуле, может быть больше чем
, за счет кулоновской силы отталкивания между электроном и молекулой.
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mi>S</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mi>M</mi></msubsup></mrow>
Обе величины
и
зависят как от природы твердой поверхности, так и от газовой среды. Таким образом, переносимость заряда, описывающая взаимодействие данной твердой поверхности с одной газовой средой, не обязательно является такой же, как переносимость заряда, описывающая взаимодействие этой же твердой поверхности с другой газовой средой.
Для одной и той же твердой поверхности переносимость заряда поверхности коррелирует с работой выхода поверхности. Однако эти два параметра не являются одинаковыми. В то время как работа выхода поверхности может быть определена как минимальная энергия, которая требуется для освобождения электрона с поверхности (в основном в вакууме), переносимость заряда связана с энергией, которая требуется для удаления электрического заряда и прикрепления его к газовой молекуле, и, таким образом, зависит как от свойств газовой молекулы, так и от свойств поверхности.
Следует иметь в виду, что твердый материал, имеющий некоторую работу выхода в вакууме, может вести себя иначе в присутствии газовой среды и может иметь разные контактные разности потенциалов в различных газовых средах. Везде в описании настоящего изобретения и в формуле изобретения термин переносимость заряда описывает свойства специфической твердой поверхности в присутствии специфической газовой среды, а не в вакууме.
Кроме работы выхода переносимость заряда поверхности также зависит от ее диэлектрической проницаемости и от способности газовой молекулы получать или терять заряд. Эта способность газовой молекулы получать или терять заряд зависит от электрического сродства, потенциала ионизации, электроотрицательности и электроположительности газовой среды, которые, таким образом, также приблизительно коррелируют с переносимостью заряда.
Авторы настоящего изобретения предложили методику для оценки переносимости заряда испытуемого материала. При осуществлении этой методики используют сверхзвуковую газовую форсунку для генерирования сверхзвуковой газовой струи, которую направляют к проводящей сетке мишени, изготовленной из испытуемого материала или покрытой им. Амперметр подключают между сеткой мишени и форсункой. Направление и сила электрического тока, протекающего через амперметр, показывают знак и уровень переносимости заряда, связанной с испытуемым материалом в присутствии газа. Представительные результаты проведенных авторами настоящего изобретения экспериментов с использованием сверхзвуковой газовой струи приведены ниже в Примере 2 секции Эксперименты и показаны на фиг.3.
сетки
сетки
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения оценка переносимости заряда Θ была проведена путем измерения параметра I; который представляет собой электрический ток, протекающий между сеткой мишени и форсункой, под воздействием сверхзвуковой газовой струи, протекающей через сетку заданной плотности. Некоторые примерные измерения тока I приведены ниже в Примере 2 секции Эксперименты.
В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения переносимость заряда, которая описывает взаимодействие поверхности 12 с газовой средой, является положительной. Типично, но не обязательно, переносимость заряда, которая описывает взаимодействие поверхности 14 с газовой средой, является отрицательной. Следует иметь в виду, что достаточно, чтобы переносимость заряда поверхности 12 была положительной, так как когда молекула, имеющая слабо связанный с ней электрон, сталкивается с поверхностью 14 или адсорбируется ею, имеется не пренебрежимо малая вероятность переноса электрона к поверхности 14, даже когда переносимость заряда поверхности 14 не является отрицательной для нейтральной молекулы.
Соответствующая переносимость заряда для каждой поверхности может быть получена за счет тщательного выбора газовой среды и материалов, из которых изготовлены поверхности 12 и 14 (которые могут быть материалами поверхностных модификаций подложек 32 и 34). Подложки, изготовленные из подходящих материалов, могут быть использованы безо всякой модификации. Альтернативно, после выбора подложки соответствующая поверхность в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения может быть модифицирована или покрыта, так чтобы повысить или понизить переносимость заряда до желательного уровня. Поверхностная модификация может предусматривать изменение поверхности подложки, добавление материала или материалов к поверхности подложки, удаление материала или материалов с поверхности, или комбинацию этих процедур. Поверхностная модификация также может предусматривать такое добавление материала к поверхности, что нижележащий материал подложки все еще является частью поверхности и участвует в процессе передачи заряда. Изменение поверхности подложки может быть проведено с использованием химических реакций, в том числе (но без ограничения) реакций окисления или восстановления. Добавление материала или материалов к поверхности может предусматривать (но без ограничения) покрытие поверхности одним или несколькими слоями, адсорбцию одного или нескольких слоев молекул или атомов и т.п. Удаление материала или материалов с поверхности может предусматривать (но без ограничения) использование методики обратной литографии, травления, и т.п. Любая из таких поверхностных модификаций может называться здесь как активирование поверхности.
Поверхностная модификация может предусматривать нанесение покрытия. Покрытие подложки может быть осуществлено различным образом. В некоторых вариантах материал, который образует соответствующую поверхность, непосредственно покрывает подложку. В некоторых других вариантах используют одно или несколько грунтовочных покрытий, введенных между подложкой и материалом, который образует соответствующую поверхность.
3
3
2
Модификация или покрытие поверхности подложки позволяет использовать одинаковый материал для обеих подложек 32 и 34, в то время как различие характеристик переносимости заряда поверхностей 12 и 14 обеспечивают за счет использования различных процедур обработки поверхности. Например, обе подложки 32 и 34 могут быть изготовлены из стекла, которое сначала покрывают золотом, чтобы образовать грунтовочное покрытие для получения (заданной) удельной электропроводности. В случае поверхности 12 золотое грунтовочное покрытие может быть дополнительно покрыто фторидом цезия, CsF, или карбонатом кальция, СаСО, а в случае поверхности 14 золотое грунтовочное покрытие может быть дополнительно покрыто хлоратом магния, Mg(ClO).
Нанесение покрытия на подложки также может быть проведено с использованием известной технологии распыления, применяемой при нанесении тонких пленок. При использовании этой технологии тонкие пленки наносят путем распыления материала с мишени на подложку.
6
2
2
2
3
2
3
2
3
3
2
3
2
3
В качестве представительных примеров материалов, которые могут быть использованы как подложки, на которых может быть напылено покрытие, можно привести (но без ограничения) алюминий, нержавеющую сталь, металлическую фольгу, стекло, флоат-стекло, пленки из пластмассы, керамические материалы и полупроводники, в том числе кремний, легированный различными легирующими добавками (например, легирующими добавками в виде фосфора и бора) при различных кристаллографических ориентациях (например, <100>, <110>, <111>), и любую подложку, ранее покрытую на одной или обеих сторонах, в том числе (но без ограничения) стекло с напыленным алюминием, флоат-стекло с напыленным алюминием и флоат-стекло с напыленным хромом. В качестве представительных примеров материалов, которые могут быть использованы как материалы мишени, которые могут быть напылены на подложку для образования на ней покрытия или грунтовочного покрытия, можно привести (но без ограничения) алюминий (Аl), нитрид алюминия (AlN), нитрид бора (BN), медь (Сu), золото (Аu), гексаборид лантана (LаВ), никель (Ni), палладий (Pd), платину (Pt), палладий-золото (Pd-Au), гафний (Hf), марганец (Мn), диоксид марганца (МnO), тантал (Та), титан (Ti), хром (Сr), молибден (Мо), гадолиний (Gd), диоксид кремния (SiO), триоксид иттрия (YO), нитрид титана (TiN), вольфрам (W), карбид гафния (HfC), карбид титана (TiC), карбид циркония (ZrC), карбид вольфрама (WC), диоксид циркония (ZrO), триоксид вольфрама (WO), легированный оловом оксид индия (ITO), оксид лантана (LaO), титанат бария (ВаТiO), оксид стронция (SrO), фтористый кальций (CaF), оксид иттрия, кальция, бария и меди (YCaBaCuO), оксид кальция (СаО), силицид хрома (СrSi), оксид алюминия (АlО), сернистый барий (BaS), сульфид кальция (CaS), и их комбинации.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения подложки 32 и 34 подвергают обработке для обеспечения различия характеристик переносимости заряда поверхностей 12 и 14 in situ (на месте). Например, устройство 10 с подложками 32 и 34 может быть заполнено жидкой средой, имеющей в ней электроактивные разновидности, такие как (но без ограничения) соли и красители. Когда зазор между подложками 32 и 34 заполнен жидкой средой, размер зазора может быть достаточно большим, например, больше чем 50 мкм. Жидкая среда может содержать полярный растворитель или неполярный растворитель.
Подложки 32 и 34 и жидкую среду подвергают воздействию электрического тока, например, за счет подключения подложек 32 и 34 к внешнему источнику питания, чтобы начать процесс электроосаждения (ED). Электроосаждением может быть электрохимическое осаждение (ECD), в котором электроактивные разновидности растворяются в ионах внутри растворителя, или электрофоретическое осаждение (EPD), в котором электроактивные разновидности заряжаются внутри растворителя.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что процесс ED позволяет произвести модификацию по меньшей мере одной из поверхностей подложек 32 и 34 или нанести покрытие, так что возникает различие их характеристик переносимости заряда. Например, при электрохимическом осаждении одна из поверхностей будет модифицирована или покрыта ионами, присутствующими в жидкой среде, или обе поверхности будут одновременно модифицированы или покрыты, одна поверхность анионами, а другая поверхность катионами. При электрофоретическом осаждении растворенные или суспендированные разновидности в жидкой среде могут быть электрофоретически осаждены на одну или обе поверхности.
В любом случае жидкую среду и материалы подложек 32 и 34 выбирают так, что после процесса ED каждая из полученных поверхностей 12 и 14 будет иметь собственную (отличающуюся от другой) характеристику переносимости заряда.
После того как одна или обе подложки 32 и 34 будут модифицированы или покрыты при помощи процесса ED, жидкую среду преимущественно удаляют из устройства 10, при помощи сушки в печи, вакуумной сушки или за счет любого другого известного процесса сушки. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения эта процедура удаления или сушки вызывает усадку полного объема (поверхностей и жидкости), так что после удаления расстояние между поверхностями может быть по существу меньше чем до сушки. Например, зазор может быть уменьшен от 50 мкм до удаления по меньшей мере на 50%, или по меньшей мере на 60%, или по меньшей мере на 70%, или по меньшей мере на 80%, или по меньшей мере на 90%, и даже может быть уменьшен до величины меньше чем 5 мкм. Возможны также и намного большие степени уменьшения зазора.
Таким образом, описанную выше процедуру используют как процесс активирования, который обеспечивает различие характеристик переносимости заряда поверхностей 12 и 14. Этот процесс активирования может быть осуществлен, когда подложки 32 и 34 изготовлены из одинакового материала или когда подложки изготовлены из различных материалов. Описанную выше процедуру по желанию можно осуществить для одиночного устройства в виде гальванического элемента или для множества устройств в виде гальванических элементов. Процедуру для множества устройств в виде гальванических элементов преимущественно осуществляют одновременно для всех устройств.
Дополнительные примерные процедуры обработки поверхностей, подходящие для заявленных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведены ниже в секции Примеры.
Каждая из поверхностей 12 и 14 преимущественно, но не обязательно, является гладкой. Также могут быть использованы поверхности, которые по существу не являются гладкими и не имеют контакта друг с другом. Поверхности 12 и 14 преимущественно имеют поверхностные неровности, которые образуют среднеквадратическую шероховатость (RMS шероховатость) меньше чем или около 20 Å, преимущественно среднеквадратическую шероховатость меньше чем или около 10 Å, а предпочтительнее среднеквадратическую шероховатость меньше чем или около 5 Å, которую обычно определяют при помощи анализа изображения электронного микроскопа Atomic Force Microscopy (AFM), с использованием стандартных процедур. Также могут быть использованы атомарно плоские поверхности. Кроме того, также могут быть использованы поверхности, имеющие среднеквадратическую шероховатость, составляющую несколько десятков нм (например, около 100 нм).
Подходящие материалы, которые могут быть использованы для поверхности 12 и/или для поверхности 14, включают в себя магнитные или немагнитные материалы, такие как (но без ограничения) металлы, полуметаллы, сплавы, естественные или легированные, неорганические или органические, полупроводники, диэлектрические материалы, естественные или легированные полимеры, электропроводящие полимеры, слоистые материалы, керамические материалы, оксиды, оксиды металлов, соли, краун-эфиры, органические молекулы, четвертичные соединения аммония, керметы, соединения стекла и силикатов, и любую их комбинацию.
В качестве представительных примеров можно привести (но без ограничения) металлы и полуметаллы (например, никель, золото, кобальт, палладий, платина, графит, графен, алюминий, хром, гадолиний, молибден) и их оксиды (например, оксид графита (возможно, восстановленный или частично восстановленный), диоксид кремния, диоксид марганца, оксид марганца и никеля, и триоксид вольфрама), сплавы (например, нержавеющая сталь), полупроводники (например, легированные бором или фосфором кремниевые пластины), керамические материалы (например, стеклокерамика, такая как MACOR, нитрид алюминия и нитрид бора), керметы (например, силицид хрома-диоксид кремния), соединения стекла и силикатов (например, стекло и флогопит), соли, такие как соли кальция (например, петронат кальция, нафтенат кальция, такой как NAP-ALL), соли редкоземельных элементов (например, неодеканоат или версатат редкоземельного элемента, такой как TEN-CEM, октоат редкоземельного элемента, такой как НЕХ-СЕМ, причем октоат получают с использованием 2-этилгексановой кислоты), соли циркония (например, карбоксилат циркония, такой как CEM-ALL, цирконий НЕХ-СЕМ), соли марганца (например, марганец НЕХ-СЕМ, марганец NAP-ALL, марганец Hydro Cure и Hydro Cure II), четвертичные соли аммония типа Arquad (например, Arquad 3HT-75), соли свинца (например, свинец CEM-ALL, свинец NAP-ALL), соли кобальта (например, кобальт TEN-CEM, кобальт NAP-ALL, кобальт CEM-ALL), соли цинка (например, цинк NAP-ALL, цинк CEM-ALL, цинк НЕХ-СЕМ, стеарат цинка), нигрозин, петронат натрия, полиэтилен имин, малагская камедь, OLOA 1200, лецитин, полимеры, такие как нитроцеллюлоза, полимеры на основе нитроцеллюлозы, возможно легированные, (например, Zaponlack), полимеры на основе поливинилхлорида (например, Episol 310, Episol 410, Episol 440, Epivyi 32, Epivyi 40, Epivyi 43, Epivyi S 43, Epivyi 46) и акриловые смолы (например, Elvacite 2041), и любые их комбинации.
Некоторые из приведенных материалов также подходят для изготовления подложек 32 и/или 34 в той степени, в которой они способны образовывать самоподдерживающиеся структуры.
Некоторые указанные здесь торговые марки являются торговыми марками общего пользования, а другие являются зарегистрированными торговыми марками третьих сторон. Эти торговые марки приведены здесь только в качестве примера и не ограничивают возможность применения различных подходящих материалов в соответствии с настоящим изобретением.
2
2
2
2
2
6
5
6
6
4
5
3
3
5
8
4
8
3
8
3
6
3
6
4
2
6
3
2
5
4
2
3
3
3
2
3
3
2
2
6
4
2
2
2
2
2
4
10
4
В качестве примеров подходящих материалов, которые могут быть использованы как газовая среда 16, можно привести (но без ограничения) галоген и содержащие галоген газы, например, At, Br, Cl, F, I, WF, РF, SeF, ТеF, CF, AsF, ВF, СНF, CF, CF, СF, СFO, СF, GeF, СF, СFCOOCl, CHF, SiF, НFС-СF, СНF, и СНF; инертные газы, например, Аr, Не, Кr, Ne, Rn, и Хе; содержащие азот газы, например, N, NF, NН, NO, NO, и NO; содержащие серу газы, например, SF, SF, SOF; содержащие кислород газы, например, O, СО, и СO; содержащие водород газы, например, Н, дейтерий, i-CH, и СН; щелочные газы, например, Cs, Li, Na, К, Cr, Rb, и Yb; и их комбинации. В соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения газовая среда является химически инертной относительно поверхностей гальванического элемента или устройства.
Поверхности 12 и 14 могут быть спарены в соответствии с их переносимостью заряда в присутствии газовой среды, как уже было указано здесь выше. Преимущественно, поверхность 12 имеет положительную переносимость заряда и в этих же вариантах поверхность 14 имеет отрицательную переносимость заряда.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения поверхность 12 может быть сделана из материала, выбранного из материалов Nos. 1-19, а поверхность 14 может быть сделана из материала, выбранного из материалов Nos. 23-46, приведенных в Таблице 1 в секции Примеры (см. Пример 2). Однако это не является обязательным, так как в некоторых вариантах обе поверхности 12 и 14 могут быть сделаны из материала Nos. 1-19, а в других вариантах обе поверхности 12 и 14 могут быть сделаны из материала Nos. 23-46. Также возможны варианты, в которых обе поверхности 12 и 14 сделаны из материала, выбранного из материалов, указанных в Таблице 6 Примера 8.
В качестве некоторых неограничительных парных примеров можно указать, что когда газовая среда представляет собой гексафторид серы (SF6), тогда одна поверхность может быть изготовлена из циркония CEM-ALL, а другая поверхность может быть изготовлена из одного из следующих материалов: марганец Hydro Cure II, цирконий HEX-СЕМ, Arquad 3НТ-75, свинец НАР-ALL, редкоземельный НЕХ-СЕМ, кобальт CEM-ALL, никель, кальций НАР-ALL, марганец HAP-ALL, оксид графита, кобальт HAP-ALL, редкоземельный TEN-CEM, нигрозин, свинец CEM-ALL, марганец НЕХ-СЕМ, цинк HAP-ALL, кобальт TEN-CEM, петронат Са, OLOA 1200, цинк НЕХ-СЕМ, лецитин, марганец Hydro Cure, золото, кобальт, стеарат цинка, петронат Na, палладий, Epivyi 32, цинк CEM-ALL, графит, платина, полиэтилен имин (PEI), Epivyi 40, малагская камедь, нитроцеллюлоза, Episol 310, Episol 440, Epivyi S 43, Elvacite 2041, Epivyi 46, Epivyi 43 и Episol 410. Дополнительные неограничительные парные примеры и подходящие газовые среды приведены в Таблице 6 Примера 8.
Так как желательная переносимость заряда может быть достигнута за счет технологий поверхностной модификации, то подложки 32 и 34 могут быть сделаны из любого материала, при условии, что он может пропускать соответствующий электрический ток, по меньшей мере в направлении толщины. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения одна или обе подложки сделаны из материала, имеющего высокую объемную проводимость, такого как металл. Однако это не является обязательным, так как электрическая проводимость материала зависит от его геометрии и ориентации. Некоторые материалы, которые считают имеющими плохую объемную проводимость, могут хорошо проводить ток по одной из их кристаллических осей. Некоторые слоистые материалы, например, могут иметь плохую объемную проводимость, однако они могут иметь хорошую проводимость через тонкий слой материала, который содержит один или несколько моноатомных слоев.
-15
-12
6
В качестве дополнительного примера можно указать, что стекло и MACOR считают плохими проводниками, так как их типичные проводимости при комнатной температуре (10 См/м и 10 См/м, соответственно) являются более низкими, чем проводимости металлов (около 10 См/м). Тем не менее, достаточно тонкий слой таких материалов позволяет проводить значительный электрический ток, подходящий для некоторых применений малой мощности. Рассмотрим конструкцию, в которой одна из подложек устройства 10 представляет собой стеклянную пластину диаметром 50 мм и толщиной 100 мкм. Предположим, что опосредованная газом передача заряда генерирует напряжение 1 В на толщине стекла. Такое напряжение позволяет генерировать измеряемый ток несколько пА через стеклянную пластину. Таким образом, для некоторых применений с малым током подложки 32 и 34 могут быть сделаны из материалов, имеющих относительно плохую проводимость.
В качестве представительных примеров материалов, подходящих для изготовления подложек 32 и 34, можно привести (но без ограничения) металлы, такие как (но без ограничения) алюминий, кадмий, хром, медь, гадолиний, золото, железо, свинец, магний, марганец, молибден, никель, палладий, платина, серебро, тантал, олово, титан, вольфрам и цинк; полуметаллы, такие как (но без ограничения) сурьма, мышьяк и висмут; сплавы, такие как (но без ограничения) латунь, бронза, дюралюминий, инвар и сталь; естественные и легированные, неорганические и органические, полупроводники и полупроводниковые гетероструктуры, такие как (но без ограничения) кремниевые пластины, арсенид германия, кремния, алюминия и галлия, селенид кадмия, арсенид галлия и марганца, теллурид цинка, фосфид индия, арсенид галлия и полиалкин; пластинчатые материалы, такие как (но без ограничения) графит, графен, оксид графита, дисульфид вольфрама, дисульфид молибдена, дисульфид олова и гексагональный нитрид бора; естественные или легированные оксиды, такие как (но без ограничения) диоксид кремния, триоксид вольфрама, диоксид марганца, оксид марганца и никеля, легированный оловом оксид индия (ITO); естественные или легированные керамические материалы, такие как (но без ограничения) нитрид бора, нитрид алюминия и стеклокерамика, такая как MACOR; керметы, такие как (но без ограничения) силицид хрома - диоксид кремния; соединения стекла и силикатов, в том числе (но без ограничения) стекло и флогопит; или их комбинации. Кроме того, могут быть использованы подложки из любых материалов, которые покрыты любым из указанных здесь выше материалов.
Материалы, которые подходят для изготовления подложек и покрытий, могут быть магнитными (например, Со, Fe, Gd, Ni, GaMnAs и т.п.) и немагнитными (например, Аl, Сu и т.п.).
3
-9
-9
3
В любом из описанных выше вариантов осуществления настоящего изобретения подложка должна обеспечивать адекватную удельную электропроводность (например, позволяющую току протекать через нагрузку), как уже было указано здесь выше. Адекватная удельная электропроводность может быть создана с использованием подложки, имеющей высокую объемную проводимость (например, больше чем 10 См/м), или подложки, имеющей плохую объемную проводимость (например, меньше 10 См/м), или подложки, имеющей среднюю объемную проводимость (например, от 10 до 10 См/м), при условии, что подложка имеет достаточную проводимость в направлении толщины (например, в направлении протекания тока).
Поверхности 12 и 14 могут быть непокрытыми подложками (32 и 34), поверхностно-модифицированными подложками или покрытыми подложками. Типичная толщина непокрытых подложек 32 и 34 составляет ориентировочно от 1 нм до 100 мкм. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения толщина непокрытой подложки может быть от 1 до 20 нм. В некоторых вариантах толщина может быть такой малой, как толщина единственного моноатомного слоя (0.34 нм в случае графена). В случае некоторых поверхностно-модифицированных подложек (таких как электрохимически модифицированные, окисленные или восстановленные поверхности) типичная толщина поверхностей 12 и 14 может быть меньше чем 1 нм. Однако в случае покрытых поверхностей типичная толщина поверхностей 12 и 14 составляет ориентировочно от 1 нм до 600 нм, но в рамках настоящего изобретения могут быть использованы и другие толщины. В случае любого промежуточного слоя или связующего слоя (если он есть) между подложкой 32 и поверхностью 12 или между подложкой 34 и поверхностью 14 типичная толщина составляет от меньше чем 1 нм до 250 нм.
В соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения устройство 10 дополнительно содержит герметизированную оболочку 36 для поддержания газового давления и исключения утечки или загрязнения газовой среды. Давление внутри оболочки 36 может отличаться (может быть выше или ниже) от давления окружающей среды. Давление внутри оболочки 36 может быть выбрано так, чтобы обеспечивать желательный средний свободный пробег и/или желательную теплопроводность (чем выше давление, тем выше теплопроводность). Как показывает уравнение 1 в приведенной ниже секции Примеры, средний свободный пробег обратно пропорционален давлению. Таким образом, за счет снижения давления внутри оболочки 36 средний свободный пробег может быть увеличен. За счет повышения давления увеличивается число переносящих молекул и повышается теплопроводность. Оптимальное давление позволяет сбалансировать эти эффекты и обеспечивать максимальный ток. В соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения давление внутри оболочки 36 составляет меньше чем 10 атмосфер, однако также могут быть использованы и более высокие давления, особенно в зазорах с малыми промежутками. В самом деле в случае зазоров в нанометровом диапазоне, особенно когда используют газы с малым молекулярным диаметром (такие как гелий), высокие эффективности могут быть получены при газовых давлениях сотни атмосфер. Вообще говоря, для таких малых зазоров верхнее предельное давление выбирают с учетом возможностей удержания давления или с учетом давления сжижения газа при рабочих температурах. Предпочтительные газовые давления превышают одну атмосферу. Типично, газовое давление составляет больше чем 1.1 атмосферы или больше чем 2 атмосферы или больше чем 3 атмосферы или больше чем 4 атмосферы или больше чем 5 атмосфер.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2А и 2В, на которых схематично показан источник 40 питания, в соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения. Устройство 40 содержит множество гальванических элементов 10, каждый из которых имеет пару описанных выше поверхностей 12 и 14 и газовую среду (здесь не показана, см. фиг.1А и 1В) между поверхностями. За счет эффекта опосредованной газом передачи заряда молекулы газовой среды транспортируют отрицательный заряд от поверхности 12 к поверхности 14 и/или положительный заряд от поверхности 14 к поверхности 12, как уже было дополнительно подробно описано здесь выше.
Гальванические элементы 10 взаимосвязаны друг с другом таким образом, чтобы позволить току протекать между смежными последовательно включенными гальваническими элементами. На фиг.2А и 2В показано устройство 40, выполненное как множество спаренных элементов 44, каждый из которых содержит сердечник 42, имеющий две противоположные поверхности 12 и 14, причем одна из поверхностей передает отрицательный заряд по меньшей мере некоторым газовым молекулам, а поверхность противоположной стороны получает отрицательный заряд по меньшей мере от некоторых заряженных газовых молекул. Спаренные элементы 44 ориентированы таким образом, что поверхности, имеющие различную переносимость заряда, обращены друг к другу. На фиг.2А показано, что спаренные элементы 44 разделены при помощи распорок 28, причем две поверхности каждого спаренного элемента имеют электрическую связь через подложку 42. На фиг.2В показано, что зазоры между спаренными элементами 44 поддерживаются при помощи выступающих наружу неровностей 50 противоположно обращенных поверхностей. Также могут быть использованы варианты, в которых некоторые спаренные элементы разделены при помощи распорок, как это показано на фиг.2А, а некоторые другие спаренные элементы разделены при помощи выступающих наружу неровностей, как это показано на фиг.2В. Если по меньшей мере одна из обращенных друг к другу поверхностей изготовлена из плохо проводящего материала и контактные области являются небольшими, то "утечка" за счет контакта будет минимальной.
Конфигурация с использованием спаренных элементов является примером схемы расположения нескольких гальванических элементов, аналогичных гальваническому элементу 10. Два смежных и взаимосвязанных гальванических элемента используют совместно один сердечник, причем поверхность 12 на одной стороне сердечника 42 служит, например, донором электронов одного гальванического элемента, в то время как поверхность 14 на другой стороне сердечника 42 служит, например, рецептором (приемником) электронов другого гальванического элемента. Теплообмен между газовой средой и тепловым резервуаром 20 поддерживает тепловое движение газовых молекул, которые переносят заряд между поверхностями каждого гальванического элемента. Указанный теплообмен может быть осуществлен непосредственно между газом и резервуаром 20 и/или может быть осуществлен через теплопроводность подложек 42. Электрическая связь между двумя гальваническими элементами может быть создана за счет изготовления массы слоя 42 сердечника электропроводящим и/или за счет покрытия слоя 42 электропроводящим материалом, который создает проводимость через кромки подложки 42.
Конструкция в виде спаренных элементов может быть установлена между первым проводящим элементом 46 и вторым проводящим элементом 48. Внутренние поверхности проводящих элементов 46 и 48 также могут служить соответственно как донорная поверхность электронов и рецепторная поверхность электронов. Таким образом, электроны транспортируются от элемента 46 через спаренные элементы 44 к проводящему элементу 48, за счет чего создается разность потенциалов между элементами 46 и 48, возможно, при отсутствии любого внешнего источника напряжения. Элементы 46 и 48 могут быть подключены к внешней нагрузке 24.
Следует иметь в виду, что электрически такие гальванические элементы могут быть подключены последовательно и/или параллельно, причем последовательное подключение создает повышенное выходное напряжение по сравнению с единичным гальваническим элементом, а параллельное подключение создает повышенный ток. Полное напряжение устройства является суммой напряжений последовательно включенных гальванических элементов, а полный ток является суммой токов параллельно включенных гальванических элементов.
В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения устройство 40 дополнительно содержит герметизированный отсек (оболочку) для исключения утечки или загрязнения среды с возможностью регулирования давления внутри оболочки, как уже было указано здесь выше.
Использованный здесь термин "около" следует понимать как ±20%.
Термин "содержит" и его производные следует понимать как "включает в себя, но без ограничения ".
Термин "состоит из" следует понимать как "включает в себя, но с ограничением ".
Термин "главным образом состоит из" следует понимать как то, что композиция, способ или конструкция могут содержать дополнительные ингредиенты, операции и/или детали, но только если дополнительные ингредиенты, операции и/или детали материально не изменяют базовые и новые характеристики заявленных композиции, способа или конструкции.
Использованное в описании единственное число не исключает использования множественного числа, если только из контекста четко не следует иное. Например, термин "химическое соединение" или "по меньшей мере одно химическое соединение" может обозначать множество химических соединений, в том числе и их смеси.
Следует иметь в виду, что некоторые признаки изобретения, которые, для ясности, описаны в контексте отдельных вариантов осуществления изобретения, также могут быть использованы в комбинации в единственном варианте осуществления изобретения. Наоборот, различные признаки изобретения, которые, для краткости, описаны в контексте единственного варианта осуществления изобретения, также могут быть использованы раздельно или в любой подходящей субкомбинации или в любом другом подходящем варианте осуществления изобретения. Некоторые признаки, описанные в контексте различных вариантов осуществления изобретения, не следует считать существенными признаками этих вариантов осуществления изобретения, если только такой вариант не становится недействующим без этих признаков.
Различные заявленные в формуле изобретения варианты и аспекты осуществления настоящего изобретения найдут экспериментальную поддержку в приведенных далее примерах.
ПРИМЕРЫ
Обратимся теперь к рассмотрению примеров, которые вместе с описанием изобретения поясняют неограничительным образом некоторые варианты осуществления настоящего изобретения.
ПРИМЕР 1
Теоретические соображения
В кинетической теории газов установлено, что газовая молекула движется в случайных направлениях с различными скоростями в диапазоне, который определяется зависящей от температуры функцией распределения Максвелла-Больцмана, которая может быть получена с использованием методик статистической механики. Функция распределения Максвелла-Больцмана описывает распределение скоростей в системе доминируемого столкновения, состоящей из большого числа не взаимодействующих частиц, в которой квантовые эффекты являются пренебрежимо малыми.
Газовые молекулы сталкиваются друг с другом и также с контейнером, в котором они находятся. Для газовой молекулы диаметром σ средний свободный пробег λ при некотором давлении Р и абсолютной температуре Т (К) может быть выражен как
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mi>T</mi></mrow><mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt><mi>π</mi><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup><mi>N</mi><mi>P</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                          </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>EQ</mtext><mtext>.1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
-1
-1
в котором R - универсальная газовая постоянная (R=0.082 atm.liter.mol. К) и N - число Авогадро. Таким образом, для данных давления и температуры средний свободный пробег газовых молекул зависит от диаметра газовых молекул, причем менее крупные молекулы имеют больший средний свободный пробег, чем более крупные молекулы.
Диаметр σ (в ангстремах) и соответствующий средний свободный пробег λ (в нм), вычисленные с использованием уравнения 1 для некоторых представительных газов при давлении Р 5 атмосфер и при температуре 25ºС, являются следующими:
4
3
8
4
2
6
аргон (σ=4.0 Å, λ=11.2 нм), CF (σ=4.2 Å, λ=10.3 нм), СF (σ=4.8 Å, λ=7.9 нм), СН (σ=4.4 Å, λ=9.6 нм), гелий (σ=2.4 Å, λ=31.5 нм), криптон (σ=4.6 Å, λ=8.6 нм), неон (σ=2.9 Å, λ=22.2 нм), N (σ=3.8 Å, λ=13.0 нм), SF(σ=5.5 Å, λ=6.0 нм) и ксенон (σ=5.4 Å, λ=6.2 нм). Эти вычисления показывают, что средний свободный пробег обычных газов, при указанных условиях, в основном лежит в нанометровом диапазоне расстояний. При более высоких температурах (свыше 25ºС) и/или при меньших давлениях (меньше чем 5 атмосфер) средний свободный пробег этих молекул становится длиннее.
Когда газовые молекулы расположены между поверхностями, разделенными расстоянием d<λ, то тогда преобладают взаимодействия между молекулами и поверхностями, и только небольшая часть взаимодействий представляет собой межмолекулярные столкновения. Таким образом, для d<λ, большая часть молекул движется вперед и назад между поверхностями. Число молекул, взаимодействующих с поверхностями в единицу времени, линейно зависит от давления. После взаимодействия с соответствующей поверхностью молекула может терять или получать электрон, получая таким образом положительный или отрицательный электрический заряд. В непосредственной близости от поверхностей различные силы могут воздействовать на заряженные газовые молекулы. Заряженные газовые молекулы создают зеркальный заряд противоположной полярности на поверхности, который, в свою очередь, создает силу притяжения между заряженной молекулой и поверхностью. Заряженные газовые молекулы, имеющие достаточно высокие скорости, могут преодолевать силу притяжения зеркального заряда, выходить из первой поверхности, проходить через зазор и доходить до другой поверхности.
Когда газовые молекулы расположены между поверхностями, разделенными расстоянием d>λ, межмолекулярные столкновения становятся более частыми и вероятность η прохода газовой молекулы через зазор между поверхностями может быть записана как
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>λ</mi><mi>d</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>                         </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>EQ</mtext><mtext>.2</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Следовательно, в результате зависимости между λ и Р в соответствии с уравнением 1, вероятность прохода газовой молекулы через зазор снижается при повышении давления.
Средняя скорость газовой молекулы может быть записана как
<mrow><mover accent="true"><mi>ν</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>8</mn><mi>R</mi><mi>T</mi></mrow><mrow><mi>π</mi><mi>M</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext>               </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>EQ</mtext><mtext>.3</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
где T - температура и М - молекулярная масса газа. Средние скорости (м/сек) при температуре 25ºС для некоторых представительных газов, вычисленные по уравнению 3, равны:
4
3
8
4
2
6
аргон (398 м/сек), CF (268 м/сек), СF (183 м/сек), СН (627 м/сек), гелий (1,256 м/сек), криптон (274 м/сек), неон (559 м/сек), N (474 м/сек), SF (208 м/сек) и ксенон (219 м/сек). Некоторые из этих средних скоростей превышают скорость звука (около 346 м/сек в воздухе при 25ºС, которую также называют Mach 1).
max
max
min
min
Чтобы заряженная молекула успешно проходила через потенциальный барьер V, созданный за счет зеркального заряда, и доходила до другой поверхности, ее кинетическая энергия должна быть больше чем V. Это означает, что молекула может проходить через потенциальный барьер, если ее скорость превышает ν, причем ν равна:
<mrow><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>V</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mi>m</mi></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext>            </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>EQ</mtext><mtext>.4</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
и где m - масса молекулы. Можно ожидать, что газовые молекулы, имеющие скорости выше этой величины, будут способны переносить заряд между поверхностями.
max
Фракция x молекул, способных покидать поверхность за счет преодоления потенциального барьера V, может быть вычислена по следующему уравнению, которое основано на распределении Максвелла-Больцмана:
<mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi></mrow></mrow></mstyle><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>M</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>R</mi><mi>T</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mfrac bevelled="true"><mn>3</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>M</mi><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mi>R</mi><mi>T</mi></mrow></msup><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup><mi>d</mi><mi>v</mi><mo>,</mo><mtext>         </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>EQ</mtext><mtext>.5</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
min
max
причем ν может быть вычислена из V в соответствии с приведенным выше уравнением 4. Вычисленное значение фракции х достаточно быстрых молекул отражает идеальную ситуацию 100% эффективности передачи заряда. На практике можно ожидать, что значительно меньшая фракция молекул будет участвовать в процессе передачи заряда. Например, для молекулы, которая движется в направлении, не перпендикулярном к поверхности, требуемая скорость выхода будет выше, чем для молекулы, которая движется перпендикулярно к поверхности.
6
В качестве численного примера рассмотрим две поверхности 12 и 14, которые изготовлены из идеальных металлов, имеющих разность работ выхода 0.5 эВ. Предположим, что передача заряда один электрон на одну газовую молекулу происходит на расстоянии 5 Å от поверхности и что зазор между поверхностями заполнен газом SF (М=146 г/моль, диаметр σ≈5.5 Å).
max
min
min
6
6
<mrow><mover accent="true"><mi>ν</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>208</mn></mrow>
-4
2
15
Для размера зазора d 2 нм потенциальный барьер V составляет 0.39 эВ, причем потенциал зеркального заряда один дает 0.25 эВ. Значение ν, вычисленное с использованием уравнения 3, составляет ν=710 м/сек (около 2.1 Mach), что ориентировочно в 3 раза больше средней скорости (
м/сек) молекул SF при температуре 25ºС, а значение х, вычисленное с использованием уравнения 4, составляет 1.6×10%. Обратите внимание на то, что несмотря на то что процент является низким, число молекул, сталкивающихся с поверхностями 12, 14 (с адсорбцией или без нее), является большим (например, около 10 столкновений в секунду на мкм для SF при 1 атмосфере и 25ºС). Таким образом, в этом примере около 10 молекул в секунду могут потенциально выходить из одной из поверхностей за счет преодоления потенциального барьера и могут участвовать в процессе передачи заряда.
max
min
-11
Для зазора размером 10 нм (и при тех же поверхностях и газе) значение потенциального барьера V равно 0.92 эВ, барьер зеркального заряда вносит 0.62 эВ, и значение ν равно 1084 м/сек (около 3.1 Mach), что ориентировочно в 5 раз больше средней скорости при 25ºС, а значение х равно 2.5×10%.
max
max
max
Зависимость барьера зеркального заряда от размера зазора, вычисленная для молекулы, переносящей один электрон между двумя одинаковыми поверхностями, показана на фиг.1C для зазора 2 нм и на фиг.1D для зазора 10 нм. Зависимость потенциального барьера, который содержит потенциальный барьер зеркального заряда, вычисленная для случая, когда работа выхода поверхности 12 составляет на 0.5 эВ меньше, чем работа выхода поверхности 14, показана на фиг.1Е (зазор 2 нм) и 1F (зазор 10 нм). Можно видеть, что когда поверхности не являются идентичными, тогда точка локального максимума 64 сдвинута в направлении к поверхности с большей работой выхода. Значение потенциального барьера V, когда поверхности являются разными, выше, чем значение V, когда поверхности являются одинаковыми, причем в этом случае V соответствует только одному потенциальному барьеру зеркального заряда.
max
На фиг.1G показан ожидаемый потенциальный барьер V (В) в функции размера зазора d (нм), для зазоров до 100 нм, при тех же самых примерных условиях, когда молекулы переносят один электрон между поверхностями, имеющими разность работ выхода 0.5 эВ.
max
6
2
Так как V влияет на число молекул, которые могут участвовать в передаче заряда (и, таким образом, влиять на вероятность эффективной передачи заряда между поверхностями), то результирующий ток также зависит от размера зазора. Например, для молекул SF, переносящих один электрон от поверхности 12 к поверхности 14 при условиях приведенного выше численного примера, генерируемый ток на единицу площади поверхности (А/см) в функции размера зазора (нм) ведет себя, идеально, как это показано на фиг.1Н. Следует иметь в виду, что на фиг.1Н показана идеальная ситуация, когда каждая газовая молекула, имеющая взаимодействие с поверхностью 12, получает электрон от нее, и каждая достаточно быстрая заряженная молекула успешно проходит через зазор и переносит электрон к поверхности 14. Более того, приведенное выше вычисление было выполнено в предположении, что поверхности 12 и 14 являются главным образом плоскими, параллельными и имеющими перекрытие, так что размер зазора является одинаковым для всей поверхности. На практике можно ожидать более низкие значения тока на единицу площади. Тем не менее можно ожидать, что нелинейная зависимость тока от размера зазора будет такой же. Как это показано ниже в некоторых примерах генерируемый ток увеличивается при уменьшении размера зазора.
Таким образом, чем меньше зазор, тем ниже минимальная скорость, необходимая для прохода через потенциальный барьер, и тем больше порция заряженных газовых молекул, которые успешно проходят через зазор. Аналогично, меньшие зазоры позволяют использовать более высокие газовые давления, то есть с более короткими средними свободными пробегами и с более высокой теплопроводностью. Слишком высокие газовые давления могут снижать эффективность опосредованной газом передачи заряда между поверхностями, так как более высокие давления соответствуют более высокой вероятности межмолекулярных столкновений. Однако более высокое давление газа также увеличивает число молекул, которые могут взаимодействовать с поверхностями и которые могут эффективно переносить заряд. Таким образом, имеется баланс между частотой межмолекулярных столкновений, числом молекул, являющихся переносчиками заряда, и шириной зазора. Как это показано в некоторых приведенных ниже примерах, существует пороговое давление, при котором опосредованная газом передача заряда достигает своей максимальной эффективности. Выше порогового давления ток может не увеличиваться, если противодействующие эффекты высокого давления (повышенное число межмолекулярных столкновений относительно повышенного числа молекул, взаимодействующих с поверхностями) уравновешивают друг друга. В менее идеальной ситуации баланса, выше точки порогового давления, ток может снижаться при повышении давления.
ПРИМЕР 2
Измерения переносимости заряда при помощи сверхзвукового газового потока
В данном примере описаны эксперименты, проведенные в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, для измерения переносимости заряда поверхностей в присутствии газовой среды. Переносимость заряда в этом примере выражена в терминах электрического тока, генерируемого между сеткой мишени и форсункой, при протекании через сетку сверхзвуковой газовой струи.
Методика
На фиг.3 схематично показана экспериментальная установка, использованная для проведения измерений. Эта установка содержит блок 302 газоснабжения, заполненный газом, проволочную сетку 306 мишени, форсунку 312 и амперметр 304, который включен между сеткой 306 и форсункой 312 при помощи пары соединительных проводов 314.
Блок 302 газоснабжения содержит камеру 320 и выходную секцию 322, подключенную через трубопровод 324. Камера 320 заполнена газовой средой и снабжена клапаном 326 для регулирования газового потока от камеры 320 к выходной секции 322 через трубопровод 324.
Форсунка 312 сконструирована на базе конструкции NASA KSC-11883 (NASA Tech Briefs, KSC-11883). Вставка 310 для направления потока установлена центрально вдоль оси симметрии точно просверленной цилиндрической секции 308. Вставка 310 выполнена в виде оправки, имеющей первую часть 316 с постепенно увеличивающимся диаметром и вторую часть 318 с постепенно уменьшающимся диаметром. Газовая среда с выхода 322 блока 302 газоснабжения может втекать снаружи во вставку 310, в объем 328, образованный между внутренними стенками цилиндрической секции 308 и вставкой 310. При втекании снаружи в первую часть 316 вставки 310 газ встречается с сужением объема 328 за счет постепенно увеличивающегося диаметра первой части 316, а при втекании снаружи во вторую часть 318 вставки 310 газ встречается с расширением объема 328 за счет постепенно уменьшающегося диаметра второй части 318. Для пояснения, различные траектории течения газа показаны на фиг.3 жирными стрелками.
Сужение (уменьшение) объема 328 приводит к сжатию и ускорению газа, который достигает звуковой скорости в плоскости максимального диаметра вставки 310. Эта плоскость (перпендикулярная плоскости фиг.3) показана пунктирной линией 340. После этой плоскости поток может расширяться и дополнительно ускоряться, достигая сверхзвуковой скорости у сверхзвукового выхода 342 форсунки 312.
Сетка 306 представляет собой диск диаметром 20 мм и выполнена с использованием проволочной сетки типа 20 или 40, в которой проволоки из нержавеющей стали расположены с промежутками 750 или 450 мкм соответственно. Проволоки покрыты представляющими интерес материалами. Покрытие получали за счет погружения сетки на 15 минут в раствор или суспензию, содержащую представляющий интерес материал. Суспензии были приготовлены в воде или в летучих органических растворителях, таких как ацетон, бутилацетат, этиловый спирт и гексан, при концентрациях представляющего интерес материала, достаточных для обеспечения однородного покрытия сетки, но при исключении забивания открытых ячеек избыточным материалом. Обычно используют суспензии, которые содержат 0.05-30 вес.% материалов. После погружения избыток материала был удален с сетки за счет капиллярного действия, и сетку сушили при 110ºС в течение 48 часов.
Покрытую сетку устанавливали напротив сверхзвукового выхода 342, так что газовая среда проходит через сетку на сверхзвуковой скорости.
Амперметр 304 представляет собой пикоамперметр (Model 617; Keithley). Электрический ток (сила и направление тока) через амперметр несет информацию о переносе заряда между газовыми молекулами и покрывающим материалом. Измерения тока проводили в течение времени по меньшей мере 2 секунды, причем пиковый ток регистрировали для каждого представляющего интерес материала.
Все эксперименты были проведены без нагревания мишени и без внешнего электрического поля. Это отличается от техники ионизации гипертепловой поверхности (см., например, публикацию Danon A. and Amirav A., "Hyperthermal surface ionization: a novel ion source with analytical applications". International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes 96 (1990) 139-167).
Причиной использования сверхзвуковой газовой струи, протекающей через мелкую проволочную сетку, а не имеющей столкновение с плоской мишенью, является то, что в последнем случае создается значительный граничный слой, который не позволяет газовому потоку отбирать поверхностные заряды. В отличие от этого пропускание сверхзвуковой газовой струи через сетку позволяет значительному числу газовых молекул сталкиваться с поверхностями проволок и затем освобождаться вместе с их зарядами за счет сдвига потока газа.
Результаты
6
6
6
В Таблице 1 приведены пиковые токи, измеренные при помощи пикоамперметра для газовой среды элегаза (SF; газы ВОС; чистота 99.999%) и 46 различных представляющих интерес материалов. Мотивацией для использования SF в данном эксперименте было то, что он представляет собой нетоксичный газ и позволяет прикреплять электрон с низкой энергией (что описано в публикации L.G.Gerchikov and G.F.Gribakin in "Electron attachment to SF and lifetimes of SF6" negative ions" Phys. Rev. A 77 (2008) 042724 1-15).
Некоторые результаты также показаны на графике на фиг.4.
Таблица 1
Эксперимент No.
Тип сетки
Испытуемый материал
Пиковый ток (пА)
1
20
цирконий СЕМ-ALL 24%
296
2
40
марганец Hydro Cure II
100
3
40
цирконий HEX-СЕМ 24%
90
4
40
Arquad 3HT-75
28
5
40
свинец NAP-ALL 24%
20
6
40
редкоземельный HEX-СЕМ 12%
20
7
40
кобальт CEM-ALL 12%
18
8
20
никель
13
9
40
кальций NAP-ALL 4%
10
10
40
марганец NAP-ALL 6%
10
11
20
оксид графита
9
12
40
кобальт NAP-ALL 6%
9
13
40
редкоземельный TEN-СЕМ 6%
8
14
20
нигрозин
6
15
40
свинец CEM-ALL 30%
6
16
40
марганец НЕХ-СЕМ 6%
6
17
40
цинк NAP-ALL 10%
5
18
40
кобальт TEN-СЕМ 12%
3
19
20
петронат Са
3
20
40
магний TEN-CEM 4%
1
21
40
октоат циркония
-1
22
40
кобальт НЕХ-СЕМ 12%
-1
ЭкспериментNo.
Тип сетки
Испытуемый материал
Пиковый ток (пА)
23
20
OLOA 1200
-3
24
40
цинк HEX-СЕМ 18%
-5
25
20
лецитин 10%
-5
26
40
марганец Hydro Cure
-10
27
20
золото
-10
28
20
кобальт
-11
29
40
стеарат цинка
-13
30
20
петронат Na
-18
31
20
палладий
-19
32
20
Epivyi 32
-20
33
40
цинкСЕМ-АLL16%
-20
34
20
графит
-21
35
20
платина
-28
36
20
PEI
-30
37
20
Epivyi 40
-44
38
20
малагская камедь
-71
39
20
нитроцеллюлоза
-73
40
20
Episol 310
-90
41
20
Episol 440
-100
42
20
Epivyi S 43
-273
43
20
Elvacite 2041
-300
44
20
Epivyi 46
-390
45
20
Epivyi 43
-500
46
20
Episol 410
-500
6
6
В Таблице 1 показан значительный положительный ток в экспериментах Nos. 1-19, значительный отрицательный ток в экспериментах Nos. 23-46 и незначительный ток в экспериментах Nos. 20-22. Таким образом, материалы в экспериментах 1-19 были положительно заряжены и поэтому имеют положительную переносимость заряда в присутствии SF6 газовой среды; материалы в экспериментах 23-46 были отрицательно заряжены и поэтому имеют отрицательную переносимость заряда в присутствии SF газовой среды. Переносимость заряда материалов в экспериментах 20-22 в присутствии SF газовой среды является низкой или близкой к нулю.
Некоторые небольшие вариации (в пределах ±20%) были обнаружены при использовании этой экспериментальной установки, что, как полагают, вызвано такими факторами, как изменения состояния окружающего воздуха, влажность, конденсация остаточного газа и/или химические взаимодействия газа с поверхностью. Однако вопреки этим вариациям общий тренд переносимости заряда коррелирует разумно хорошо с работой выхода и/или с трибоэлектрическими характеристиками испытуемых материалов.
Обсуждение
Результаты, полученные в этом наборе экспериментов, дают информацию относительно передачи заряда между твердыми материалами и газовой молекулой. Газовая молекула получает заряд (положительный или отрицательный) от покрытой сетки и покидает ее противоположно заряженной. Высокие скорости по меньшей мере некоторых газовых молекул, движущихся вдоль поверхностей мелкой проволочной сетки, позволяют им преодолевать потенциалы зеркального заряда, которые действуют как силы притяжения между поверхностью и газовыми молекулами.
Этот эксперимент показал, что имеющие достаточную энергию газовые молекулы могут переносить заряд к и от некоторой поверхности, так как в соответствии с распределением Максвелла-Больцмана существует не нулевая вероятность наличия некоторых молекул, имеющих достаточную энергию для такой передачи заряда, так что передача заряда будет происходить даже в отсутствие внешнего ускорения молекул.
Данный пример показывает, что тепловое движение является достаточным для того, чтобы позволить заряженным молекулам переносить заряд от противоположно заряженной поверхности, что делает тепловое движение газовых молекул подходящим механизмом для переноса заряда между двумя поверхностями. Данный пример также показывает, что переносимость заряда, заданная в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, может быть измерена количественно.
ПРИМЕР 3
Измерения при помощи зонда Кельвина
В данном примере описаны эксперименты, проведенные в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, чтобы оценить переносимость заряда поверхностями при помощи зонда Кельвина.
Зонд Кельвина представляет собой устройство, позволяющее измерять контактную разность потенциалов (CPD) между поверхностью зонда и представляющей интерес поверхностью. Контактная разность потенциалов коррелирует с разностью работ выхода эталонной и испытуемой поверхностей. Это измерение производят путем создания вибраций зонда в непосредственной близости от представляющей интерес поверхности. Разность работ выхода между поверхностью зонда Кельвина и испытуемой поверхностью создает электрическое поле. Работу выхода поверхности проводника определяют как минимальное количество работы, которое требуется для перемещения электрона от внутренней части проводника до точки над областью зеркального заряда.
Таким образом, зонд Кельвина также может быть использован по меньшей мере для оценки переносимости заряда, так как он может быть использован для измерения энергии, которая требуется для удаления электрического заряда с представляющей интерес поверхности и его присоединения к газовой молекуле. В частности, зонд Кельвина был использован в данном примере для сравнения параметров различных поверхностей в вакууме и в присутствии различных газовых сред, чтобы таким образом получить данные относительно пригодности различных пар поверхность-газ для переносимости заряда.
Методика
Зонд Кельвина (Kelvin Control 07, Besocke Delta Phi) был установлен в герметизированной камере с регулируемой газовой средой. Измерения были проведены в вакууме, в окружающем воздухе или в присутствии различных газов при различных давлениях. Все измерения были проведены при комнатной температуре.
Испытуемые твердые материалы, вместе с эталонными твердыми материалами, помещали на поворотный столик и зондировали в различных точках на их поверхностях, так что измерения связаны со сканируемым сегментом каждого образца, а не только с единственным пятном. Эта методика позволяет избежать проведения измерения в одной точке, которое может отражать локальные аномалии и не отражает надлежащим образом полные представительные свойства материала. Зонд Кельвина калибровали с использованием эталонных материалов с известной работой выхода, таких как золото.
2
3
3
2
2
2
2
2
6
Образцами были полиэтилен имин, на 80% этоксилированный (PEI; Sigma Aldrich; 37 вес.% в воде); карбонат цезия (CsСО; Alfa Aesar; 99%); фторид цезия (CsF; Sigma Aldrich; 99%) и магний (Mg), которые помещали на поворотный столик и проверяли в вакууме, в воздухе, в трифториде азота (NF; газы ВОС; чистота 99.999%), ксеноне (Хе; газы ВОС; чистота 99.999%), аргоне (Аr), ацетилене (СН), диоксиде углерода (СO), криптоне (Кr), азоте (N), кислороде (O) и элегазе (гексафториде серы) (SF; газы ВОС; чистота 99.999%).
Результаты
3
3
2
6
В Таблице 2 приведены контактные разности потенциалов в эВ, полученные при помощи зонда Кельвина при комнатной температуре и при давлении одна атмосфера (за исключением газа NF, испытанного при 4 атмосферах). Результаты для некоторых газовых сред (воздух, NF, Хе, O и SF) показаны на фиг.5.
Можно видеть, что CPD (контактная разность потенциалов) не является одинаковой в вакууме и в присутствии газа и зависит от типа газовой среды. Для данного твердого материала CPD повышается в присутствии одного типа газовой среды и снижается в присутствии другого типа газовой среды, относительно измерения в вакууме. Аналогично, присутствие данной газовой среды повышает CPD для одного твердого материала и снижает CPD для другого твердого материала, относительно измерения в вакууме.
Можно выдвинуть гипотезу, что газовые молекулы в измерительной камере становятся заряженными в результате их взаимодействия с поверхностью испытуемого материала. Облако заряженных газовых молекул остается захваченным поблизости от поверхности и удерживается за счет притяжения зеркального заряда, что изменяет измеренную CPD в функции степени и полярности заряда молекул.
Это явление позволяет определить точку нулевой переносимости заряда (ZCT) для каждой газовой среды. Эта точка может быть определена как CPD материалов, в которой газ изменяется от донора электрона до рецептора электрона. Другими словами, ZCT газа лежит между самой высокой работой выхода материалов, которые показывают повышение CPD, и самой низкой работой выхода материалов, которые показывают снижение CPD.
2
3
2
3
Например, для PEI присутствие воздуха снижает CPD ориентировочно от 4.6 эВ в вакууме до 4.4 эВ в присутствии воздуха. Таким образом, воздух ведет себя как рецептор электрона для PEI. Эта характеристика показана на фиг.5 как снижающаяся сплошная линия, соединяющая точку 4.6 эВ в вакууме с точкой 4.4 эВ в присутствии газа. Для CSCO присутствие воздуха повышает CPD ориентировочно от 4.0 эВ в вакууме до 4.5 эВ в присутствии воздуха. Таким образом, воздух ведет себя как донор электрона для CsCO. Эта характеристика показана на фиг.5 как повышающаяся сплошная линия, соединяющая точку 4.0 эВ в вакууме с точкой 4.5 эВ в присутствии газа. В соответствии с приведенным выше определением ZCT воздуха считают ориентировочно равной 4.45 эВ.
Такие же оценки, проведенные для Хе, дают ZCT около 4.45 эВ. Так как NF3 ведет себя как рецептор электрона для всех испытуемых материалов, оценка ZCT не может быть произведена, однако ожидают, что она составляет ниже 2,9 эВ.
Значения ZCT для тех же самых газовых сред, оценка которых была проведена в соответствии с указанной выше процедурой, приведены в Таблице 3.
Таблица 3
Газовая среда
ZCT (эВ)
Воздух
4.45
Хе
4.45
O<sub>2</sub>
4.60-5.05
SF<sub>6</sub>
2.90-4.90
Данный пример показывает, что газовые молекулы транспортируют положительный или отрицательный заряд в направлении удаления от твердой поверхности и что потенциал, до которого поверхность будет заряжена за счет взаимодействия с газовыми молекулами, зависит как от типа твердого материала, так и от газовой среды. Данный пример дополнительно показывает, что зонд Кельвина может быть использован для получения показаний относительно переносимости заряда, определенной (заданной) в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
ПРИМЕР 4
Генерация электрического тока за счет теплового движения газовых молекул
В данном примере описаны эксперименты, проведенные в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения для того, чтобы генерировать электрический ток за счет теплового движения газовых молекул между смежными поверхностями, не имеющими прямого контакта друг с другом и не имеющими распорок между ними.
Методика
3
Экспериментальная установка схематично показана на фиг.6. Два противоположных удерживающих электрода 601 и 602 в виде дисков, изготовленные из нержавеющей стали, были установлены в заполненной испытуемым газом герметизированной камере 607, изготовленной из нержавеющей стали. Альтернативно, удерживающие электроды и камера могут быть изготовлены из материала с низким коэффициентом теплового расширения, такого как Super Инвар 32-5. Камера 607 имеет цилиндрическую форму с диаметром 9 см и высотой 4.3 см, с газовой емкостью 14 см. Толщина стенок камеры 607 составляет по меньшей мере 2.3 см. Впускной канал 605 с входным клапаном 622 и выпускной канал 606 с выходным клапаном 624 предусмотрены для регулировки композиции газа и давления в камере. Камера 607 позволяет выдерживать максимальное давление 10 атмосфер. Давление в камере 607 можно изменять через впускной канал 605 и выпускной канал 606 и контролировать с использованием манометра 620 (Model ATM 0-10 бар; STS).
Электроды 601 и 602 служат для удержания образцов, имеющих отрицательную и положительную переносимость заряда, как это описано далее более подробно. В некоторых экспериментах используют плоские образцы на электродах (плоские диски), а в других экспериментах используют одну или две плоско-выпуклые линзы 611 и 612, изготовленные из стекла, покрытые материалом испытуемых образцов и установленные на электродах.
Электрод 601 соединен с батареей 603 пьезокристаллов (Physik Instruments), которая приводится в движение от источника высокого напряжения и контроллера 604 (Models E516/E761; Physik Instruments). Возвратно-поступательное движение электрода 601 создается пьезокристаллом 603 по сигналам от контроллера 604. Емкостный датчик 613 (Model D105, Physik Instruments) контролирует расстояние между электродами 601 и 602 и подает сигнал обратной связи на контроллер 604. Эта конфигурация позволяет контролировать расстояние между внешними слоями образцов на электродах с точностью около 0.2 нм. Диапазон использованных в экспериментах расстояний составляет ориентировочно от 1 нм до нескольких десятков мкм.
Электрод 602 является фиксированным и механически соединен с камерой 607. Металлический электрод 614 соединяет электрод 602 с чувствительным амперметром 615 (пикоамперметр Model 617; Keithley), который в свою очередь электрически соединен с электродом 601. Таким образом, амперметр 615 измеряет ток i, созданный за счет опосредованной газом передачи заряда между двумя образцами на электродах 601 и 602. Выходной сигнал виден на осциллографе 618 (TektronixTDS3012).
Кристалл 603 совершает колебания за счет треугольного импульсного напряжения с частотой в диапазоне от постоянного тока до 2 Гц, так что может быть получено любое расстояние, от полного контакта до промежутка несколько десятых мкм. Кроме колебаний, кристалл 603 также можно перемещать на фиксированное расстояние за счет приложения постоянного напряжения. В некоторых экспериментах последовательно используют постоянное напряжение и колебательное напряжение для контроля положения кристалла 603 и, таким образом, расстояния между внешними поверхностями двух образцов на электродах. Ток, протекающий через две поверхности при колебаниях, измеряют амперметром. Одновременно измеряют сигнал аналогового напряжения от емкостного датчика 613, чтобы контролировать расстояние между поверхностями. Как сигнал аналогового напряжения, так и аналоговый выходной токовый сигнал индицируют и измеряют при помощи осциллографа 618.
Все эксперименты были проведены при комнатной температуре. Один и тот же источник напряжения (only voltage) использовали для управления движением пьезокристалла и для питания осциллографа. Электроды были изолированы от источников питания, причем были приняты меры для того, чтобы источники питания и система измерения расстояния не создавали электрического поля между электродами.
3
Были использованы следующие испытуемые материалы с положительной переносимостью заряда: (а) диск из магния толщиной 1 мм и диаметром 10 мм; (b) квадрат из высокоориентированного пиролитического графита (HOPG) толщиной 1 мм и с горизонтальными размерами 10 мм×10 мм (Micromasch, USA, Тип: ZYH качество, мозаичный разброс: 3.5±1.5 градуса, размер зерна в диапазоне 30-40 нм); (с) линза из покрытого золотом стекла; (d) линза из покрытого золотом стекла, дополнительно покрытая материалами, имеющими положительную переносимость заряда (например, CsF и СаСО).
Поверхность испытуемого материала полировали в соответствии с известной методикой и ее шероховатость определяли с использованием АРМ при помощи стандартных процедур (см., например, С.Nogues and M.Wanunu, "A rapid approach to reproducible, atomically flat gold films on mica", Surface Science 573 (2004) L 383-L389). HOPG представляет собой материал, который считают атомарно плоским и гладким в субнанометровом диапазоне, и поэтому его используют без дополнительной полировки поверхности. Известные широко распространенные процедуры полировки позволяют получать шероховатость поверхности меньше чем 0.5 нм. Все испытуемые материалы были по существу гладкими и большинство из них имели среднеквадратическую шероховатость меньше чем 5 Å.
Следующая процедура была использована для приготовления покрытых золотом линз, которые покрывают только золотом или дополнительно покрывают материалами, которые повышают или снижают его начальную переносимость заряда.
2
-7
Стеклянные линзы были покрыты слоем толщиной 200 нм золота с чистотой 99.999% при помощи стандартного электронно-лучевого испарения. Линзы из боросиликатного стекла диаметром 52 мм и толщиной 2 мм (Casix Inc.) были очищены при помощи обработки ультразвуком в первой ванне этилового спирта (аналитическая градация; Gadot) с последующей очисткой при помощи обработки ультразвуком в n-гексане (аналитическая градация; Gadot). Затем линзы сушили под атмосферой N при комнатной температуре. Выпуклые стороны линз покрывали при помощи электронно-лучевого испарения сначала тонким адгезивным слоем (толщиной около 2-5 нм) хрома (Сr) с чистотой 99.999%, а затем покрывали более толстым слоем (толщиной около 200-250 нм) золота (Аи) с чистотой 99.999%. Испарение производили под давлением 10 мбар. Толщину слоев хрома и золота контролировали с использованием микровесов на кристалле кварца. Самый верхний слой золота отжигали и оценку шероховатости поверхности производили при помощи АРМ с последующим анализом изображения, как это описано выше в публикации Nogues. Полученная поверхность имеет среднеквадратическую шероховатость меньше чем 5 Å.
В некоторых экспериментах слой золота дополнительно покрывали материалом, имеющим другую переносимость заряда. Дополнительное покрытие получали при помощи одной из следующих технологий: (а) покрытие, полученное методом центрифугирования; (b) сушка капли, нанесенной на опорную поверхность; (с) электрохимическое осаждение; (d) при помощи создания самосборной монослойной молекулы, например, за счет использования молекулы, имеющей свободный тиольный (-SH) конец.
Дополнительная возможность использования поверхности с положительной или отрицательной переносимостью заряда показана в приведенном ниже Примере 5.
Результаты
На фиг.7А-С показаны осциллограммы для трех различных экспериментов.
3
2
На фиг.7А показана осциллограмма для эксперимента, в котором поверхность с положительной переносимостью заряда была изготовлена из CsF, a поверхность с отрицательной переносимостью заряда была изготовлена из Мg(СlO), причем оба эти материала были осаждены на слой из золота, нанесенный на стеклянную линзу.
На фиг.7В показана осциллограмма для эксперимента, в котором поверхностью с положительной переносимостью был плоский диск Mg, a поверхностью с отрицательной переносимостью заряда был слой из золота, нанесенный на стеклянную линзу.
На фиг.7С показана осциллограмма для эксперимента, аналогичного эксперименту в соответствии фиг.7В, но при обратных положениях двух поверхностей, то есть при противоположном направлении тока, которую используют как контрольный эксперимент.
6
Использованный в этих экспериментах газ представляет собой SF, причем камеру поддерживали под давлением 3 атмосферы.
На фиг.7А-С показаны сигнал; амперметра 615 (нижний график) и выходной сигнал емкостного датчика 613 (верхний график), который несет информацию относительно расстояния d между электродами 601 и 602. Следует иметь в виду, что на фиг.7С показан противоположный ток относительно тока на фиг.7А-В, за счет обратных положений материалов с положительной и отрицательной переносимостью заряда на электродах.
min
max
В точке A (максимальное приложенное напряжение и минимальное расстояние между электродами) d составляет несколько нм. В точке А (минимальное приложенное напряжение и максимальное расстояние между электродами) d составляет около 300 нм. Можно видеть два главных пика тока одинаковой амплитуды (показанные как а и b на фиг.7А-С), которые на фиг.7А имеют амплитуду 20 пА. Эти два пика соответствуют двум моментам времени в одном периоде колебаний, когда пьезокристалл 603 перемещает электроды так, что их расстояние друг от друга составляет меньше чем 5 нм.
3
Показанные на фиг.7А-С профили тока являются типичными для многих экспериментов. Аналогичные результаты были получены в эксперименте, в котором поверхностью с положительной переносимостью заряда была плоская поверхность высокоориентированного пиролитического графита (HOPG), а поверхностью с отрицательной переносимостью заряда был золотой слой, нанесенный на стеклянную линзу; в эксперименте, в котором поверхностью с положительной переносимостью заряда был СаСО, осажденный на золотой слой, нанесенный на стеклянную линзу, а поверхностью с отрицательной переносимостью заряда был золотой слой, нанесенный на стеклянную линзу. В некоторых экспериментах наблюдали другие профили.
В контрольном эксперименте, в котором обе поверхности были поверхностями одинаковых покрытых золотом линз, ток не был обнаружен при всех проверенных расстояниях в этом же диапазоне.
Устройство настраивают таким образом, чтобы исключить прямой контакт между испытуемыми поверхностями, что подтверждается отсутствием одиночного пика тока, свидетельствующего о прямом контакте.
Так как указанные эксперименты были проведены в отсутствие любого внешнего электрического поля (электроды были изолированы от любого источника питания), то ток сигнала амперметра 615 несет информацию о переносе заряда за счет теплового движения газовых молекул.
Данный пример демонстрирует генерирование электрического тока за счет отбора энергии от теплового движения газовых молекул.
ПРИМЕР 5
Электроосаждение
В данном примере описано нанесение покрытия за счет электроосаждения (ED). Электроосаждение может быть подразделено на электрохимическое осаждение (ECD), в котором электроактивные разновидности, в основном соли, диссоциируют с образованием ионов в растворителе, и электрофоретическое осаждение (EPD), в котором электроактивные разновидности заряжаются в растворителе. В том и другом случае растворитель может быть полярным или неполярным.
При электрохимическом осаждении, например, в водном растворе, одна поверхность может быть покрыта или модифицирована ионами, присутствующими в электролитическом растворе, или обе поверхности одновременно могут быть покрыты или модифицированы, причем одна поверхность анионами, а другая поверхность катионами. Электрохимическое осаждение позволяет изменять работу выхода поверхности.
При электрофоретическом осаждении, например, в неполярном растворителе, работа выхода изменяется за счет растворенных или суспендированных материалов. В некоторых случаях растворенные или суспендированные разновидности, такие как красители, электрофоретически осаждают в полярных растворителях, таких как вода или спирт.
Обычно, когда поверхность действует как анод, ее покрывают или модифицируют материалом, имеющим более высокую работу выхода, а когда поверхность действует как катод, ее покрывают или модифицируют материалом, имеющим более низкую работу выхода.
В экспериментах, проведенных авторами настоящего изобретения, приведенные выше результаты были получены как для растворителей, содержащих единственную соль, так и для растворителей, содержащих другие растворенные или диспергированные разновидности, и для растворителей, содержащих их смеси.
Методика
На фиг.8 схематично показана экспериментальная установка, использованная для модификации работы выхода, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
ED гальванический элемент 800 был образован между проводящими подложками, катодом 810 и анодом 808. Источник 806 напряжения был использован для приложения разности потенциалов между катодом и анодом. ED гальванический элемент также содержит по меньшей мере одну проводящую опорную конструкцию 802 или 804 и раствор одной или нескольких солей или других растворенных или диспергированных разновидностей в полярном или неполярном растворителе. Как это схематично показано на фиг.8, проводящие опорные конструкции 802 и 804 выполнены как желобчатые металлические кольца, в которые могут быть введены проводящие подложки (которые могут быть одинаковыми или могут отличаться друг от друга), и которые поддерживают их в заданном положении.
В некоторых экспериментах опорной конструкцией был металлический диск, причем в некоторых экспериментах подложкой была покрытая золотом стеклянная линза, при этом ток протекал от удерживающего электрода к покрываемой поверхности через проводящий золотой слой. При покрытии одного электрода эти подложки использовали как анод или катод. При одновременном покрытии эти подложки использовали как анод и катод. Использованные для изготовления подложек материалы указаны ниже.
Анод и катод были соединены друг с другом через источник 806 питания постоянного тока (Titan TPS 6030), причем постоянное напряжение было приложено в течение фиксированных промежутков времени. Ток в конуре контролировали при помощи миллиамперметра 812 постоянного тока.
Для обеспечения точности измерений при электроосаждении и для исключения случайной (стохастической) диффузии катионов и анионов от опорной поверхности назад в раствор, содержащим электроактивные разновидности раствором пропитывали пористый материал 814, введенный между покрываемыми поверхностями. Пористый материал был изготовлен из микростекловолокнистой фильтровальной бумаги (Whatman; GF/D 2.7 мкм) или из нетканого полотна из термопластичного полиэфира и имеет диаметр пор около 5 мкм. Пропитанный пористый материал наносили на поверхность мишени с легким давлением, чтобы обеспечить контакт и проводимость. После окончания каждого эксперимента электроосаждения мокрый пористый материал снимали с гальванического элемента.
-2
Покрытые поверхности затем снимали с ED гальванического элемента и помещали на 4 часа в вакуумную камеру с давлением около 10 мбар при комнатной температуре. Оценку покрытий производили путем измерения работы, аналогично описанному здесь выше, с использованием зонда Кельвина (Kelvin Control 07, Besocke Delta Phi). Зонд позволяет измерять работу выхода в вакууме.
В некоторых экспериментах природу покрытия или модификации подложки также анализировали с использованием рентгеновского анализа рассеянной энергии (EDX). EDX подтверждает наличие нового материала на поверхности подложки.
В эксперименте использовали в качестве подложек диски, изготовленные из следующих материалов: нержавеющая сталь (полированная, AISI 314; диаметр 25 мм; толщина 1.5 мм); алюминий (Аl 6061; диаметр 25 мм; толщина 1.5 мм); золото (диски из нержавеющей стали с напыленным золотом); диски из нержавеющей стали, покрытые гибкими слоями графита типа Grafoil (GrafTech; GT™, толщина графита около 0.13 мм); оксид графита (GO), полученный при помощи окисления графитных чешуек (Asbury Carbon 3763; размер 40-71 мкм) по способу Хаммерса (U.S. Patent No. 2,798,878 and W.S.Hummers and R.E.Offeman, "Preparation of graphite oxide", J. Am. Chem. Soc. 80 (1958) 1339), оксид Grafoil (GFO), приготовленный по способу Хаммерса; и покрытые золотом стеклянные линзы, приготовленные в соответствии с описанным в Примере 4.
3
2
3
2
4
3
3
3
3
4
3
4
3
В первом наборе экспериментов опорный материал обрабатывали в описанном выше ED гальваническом элементе водными растворами, которые содержат 20 mM или 2 µM любой из следующих солей или любого из следующих красителей: Ва(СНСОО), Ва(NO), BaSO, CsBr, CsF, CsN, этилендиамин (EDA), KF, KNO, Na(CHCOO), NaNO, NHCO, (NH)СО, основной синий 7 и 9, основной зеленый 1 и 5, основной оранжевый 2 и 14, основной красный 1,1:1,2, 12, 13, 14 и 18, основной фиолетовый 2, 10, 11 и 11:1, основной желтый 2, 11 и 37, прямой красный 80, метил виолевый 2В, родамин FB, и смеси этих солей и красителей. Соли представляют собой чистые химикаты, закупленные на фирме Sigma Aldrich или у других поставщиков, а красители могут быть закуплены на фирме Dynasty Chemicals или у других поставщиков.
Воду, которую использовали для приготовления водных растворов, дважды дистиллировали и фильтровали (система фильтрации Millipore: ExtraPure; 18.2 MΩ.cm) и полученные растворы подвергали ультразвуковой очистке в течение 5 минут при максимальной мощности (SoniClean), чтобы обеспечить полное растворение солей или красителей. Когда используют красители, тогда применяют дополнительную операцию фильтрации (фильтр 0.2 мкм).
3
Во втором наборе экспериментов опорный материал обрабатывали в описанном выше ED гальваническом элементе при помощи солей 0.02 М CsN + 0.02 М CsF, растворенных в этиловом спирте аналитической градации, и подвергали ультразвуковой очистке в соответствии с описанным здесь выше.
В третьем наборе экспериментов опорный материал обрабатывали в описанном выше ED гальваническом элементе при помощи Isopar L-based растворов, которые имеют одну из следующих композиций: 30 вес.% петроната Са; 30 вес.% лубризола; 30 вес.% лецитина, 3 вес.% лецитина, 0.3 вес.% лецитина, 30 вес.% Zr-Hex-Cem 12%, и 3 вес.% Zr-Hex-Cem 12%. Лецитин (Eastman Kodak) и октоат 2-этилгексановый кислоты с торговым названием Zr-Hex-Cem (Mooney Chemicals) обычно используют соответственно как пищевые добавки и осушители краски.
Результаты
ƒ
i
i
ƒ
В Таблице 4 ниже приведены некоторые результаты. Везде в Таблице 4 материал подложки был одинаковым для сторон катода и анода ED гальванического элемента. Работы выхода анода и катода поле осаждения, измеренные в вакууме с использованием зонда Кельвина и описанные в Примере 3, приведены в Таблице 4 как в абсолютных величинах (пятая и седьмая колонки, соответственно), так и в относительных величинах (шестая и восьмая колонки, соответственно). Относительные величины указывают разность ∆=W-W, где W - начальная работа выхода опорного материала (до осаждения) и W - конечная работа выхода анода или катода после осаждения. Таким образом, положительные относительные величины указывают увеличение, а отрицательные относительные величины указывают снижение.
Следует иметь в виду, что покрытые GO (оксидом графита) материалы более склонны к изменчивости, чем другие материалы, в зависимости от способа нанесения покрытия. Точность приведенных ниже результатов составляет ±20% для абсолютных измерений и несколько процентов для отрицательных измерений.
Таблица 4
Материал подложки
Растворенные/диспергированные разновидности
U(B)
Время осаждения (мин)
Работа выхода
Анод
Катод
абс.
отн.
абс.
отн.
0.02 М каждой в воде
Нержавеющая сталь+GFO
BaSO<sub>4</sub>
3
15
5.76
0.76
5.15
0.15
CsF
3
15
5.81
0.81
4.72
-0.08
CsN<sub>3</sub>
3
15
5.57
0.57
4.89
-0.11
KF
3
15
5.44
0.44
5.16
0.16
Базовый синий 7
3
5
5.13
0.13
4.61
-0.39
Базовый зеленый 5
3
5
5.12
0.12
4.87
-0.13
Базовый оранжевый 14
3
5
5.42
0.42
4.53
-0.47
Базовый красный 1
3
5
5.14
0.14
4.27
-0.73
Базовый фиолетовый 11:1
3
5
4.99
-0.01
3.18
-1.82
Базовый желтый 2
3
5
5.17
0.17
4.45
-0.55
Метил виолевый 2В
3
5
5.31
0.31
4.46
-0.56
BaSO<sub>4</sub>+CsF
3
15
5.63
0.63
4.50
-0.50
EDA+CsBr
3
5
5.41
0.41
4.84
-0.16
CsN<sub>3</sub>+CsF
3
15
5.71
0.71
4.33
-0.67
Нержавеющая сталь+GO
CsN<sub>3</sub>+CsF
3
15
5.56
0.36
4.77
-0.43
0.02 М каждой в EtOH
Покрытые Аu линзы+GO
CsN<sub>3</sub>+CsF
40
30
4.74
-0.46
4.59
-0.61
В Isopar L
Алюминий
30 вес.% Zr-Hex-Cem 12%
700
2880
5.32
1.42
3.95
0.05
петронат Са
700
2880
4.75
0.85
3.92
0.02
лубризол 1191
700
2880
5.55
1.65
3.70
-0.20
Нержавеющая сталь
30 вес.% Zr-Hex-Cem 12%
700
2880
5.08
0.18
4.14
-0.76
3 вес.% лецитина
700
2880
5.77
0.87
4.60
-0.30
Таблица 4 показывает, что описанная технология электроосаждения позволяет осаждать имеющий относительно высокую работу выхода материал на аноде и имеющий относительно низкую работу выхода материал на катоде, в полярных растворителях с солями и красителями, а также в неполярных растворителях с различными растворенными/ диспергированными разновидностями. Вообще говоря, в зависимости от использованного газа, когда аноды и катоды, покрытые или модифицированные в соответствии с настоящим изобретением, открыты для воздействия подходящей газовой среды, тогда анод обычно будет иметь более отрицательную переносимость заряда, чем катод, который будет иметь более положительную переносимость заряда.
ПРИМЕР 6
Выбор непроводящих распорок
В данном примере описаны эксперименты, выполненные в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения для оценки электрического сопротивления различных материалов и для оценки их эффективности в качестве непроводящих потенциал (ток) распорок гальванического элемента и источника питания заявленных вариантов.
Методика
Экспериментальная установка показана на фиг.9. Металлический диск 900 был покрыт однородной пленкой испытуемого материала распорки с использованием одной из следующих технологий: покрытие методом центрифугирования, покрытие валиком, покрытие методом распыления или любой другой подходящий известный способ нанесения покрытия. В случае нерастворимых материалов, которые с трудом позволяют наносить однородные покрытия, металлический диск сначала был покрыт проводящей липкой смолой, на которую наносили слой порошка испытуемого материала.
Покрытый диск 900 затем устанавливали на вращающийся алюминиевый столик 902 (30 об/мин), который был электрически заземлен. Диск 900 заряжали в течение 25 секунд при помощи устройства 904 коронного заряда, описанного в патенте США No. 2,836,725, расположенного над вращающимся столиком. Эмиттер 906 из вольфрамовой проволоки устройства коронного заряда удерживали под постоянным напряжением +5 кВ. Затем, после выключения напряжения и при продолжении вращения столика 902, заряд диска измеряли при помощи медного электрода 908 в виде диска, расположенного рядом с вращающимся диском и подключенного к осциллографу 910. Скорость спада поверхностного заряда диска контролировали в течение 8 минут, наблюдая падение потенциала, возбужденного в медном электроде. Таким образом, можно произвести сравнение электрического удельного сопротивления различных возможных материалов распорок с использованием скоростей электростатического разряда.
Кроме того, для всех испытуемых материалов была произведена оценка переносимости заряда в присутствии азота с использованием зонда Кельвина, как это описано в Примере 3.
Результаты
На фиг.10 показаны графики разряда для различных материалов, которые были изучены в этом эксперименте. Результаты выражены как процент остаточного заряда в функции времени (сек). Можно видеть, что некоторые материалы, такие как ацетат магния и ацетат аммония, теряют около 80% их начального заряда в течение 8 минут после зарядки, в то время как другие материалы, такие как оксид алюминия и оксид кальция, сохраняют около 100% их начального заряда в течение всего периода измерений. Материалы, которые лучше всего сохраняют свой заряд, следует считать потенциальными кандидатами для использования в качестве непроводящих распорок в гальваническом элементе и источнике питания в соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Оценка непроводящих материалов, которые могут быть использованы в других применениях, кроме распорок, также может быть проведена при помощи этой процедуры. Например, флогопит и MACOR были испытаны в этой экспериментальной установке и показали остаточный заряд соответственно около 90% и около 98% после 2 минут, который падает до 50% и ориентировочно до 75% после 8 минут.
ПРИМЕР 7
Напыление
В данном примере описаны эксперименты, выполненные в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения для модификации переносимости заряда материалов, за счет осаждения на их поверхности тонкого слоя другого материала при помощи катодного распыления.
Методика
nd
Распыление широко используют для нанесения тонких пленок за счет осаждения материала с мишени на подложку или для удаления нежелательных пленок при реверсировании этого процесса. Методики напыления хорошо разработаны в области тонкопленочных покрытий (см., например главы 4 и 5 книги 2 edition of" Materials science of thin films" by Milton Ohring, 2001).
-7
2
2
Процесс напыления (распыления), который производят за счет бомбардировки материала мишени ионами газообразного аргона, чтобы покрывать расположенную поблизости подложку, осуществляют внутри вакуумной камеры под низким донным давлением ниже 2.7×10 мбар. Напыление производят с использованием системы напыления АТС Orion 8 ИВ (AJA International Inc). Система напыления содержит источник питания постоянного тока и источник питания высокой частоты и позволяет использовать до четырех мишеней размером 3” (около 7.62 см), что позволяет производить последовательное напыление различных материалов или совместное напыление комбинаций различных материалов. Система напыления также позволяет использовать различные химически активные газы, такие как N, O и т.п., чтобы производить реактивное распыление. Система была оптимизирована для получения однородности толщины с изменениями меньше чем 1% на подложках диаметром до 15 см.
В качестве подложек были использованы следующие: (i) диски из алюминия (Al, AL6061-T4) или нержавеющей стали (S/S, AISI303), имеющие диаметр 50 мм и толщину 5 мм, с шероховатостью не более 100 нм; (ii) тонкие стеклянные диски (TGD, Menzel-Glaser Inc.), имеющие диаметр 50 мм и толщину 100 мкм, с шероховатостью меньше чем 50 нм; (iii) диски из флоат-стекла (FGD, Perez Brothers, Israel), имеющие диаметр 40 мм или 50 мм и толщину 5 мм или 10 мм, с шероховатостью меньше чем 10 нм; (iv) двухсторонние полированные кремниевые (Si) пластины (Birginia Semiconductor Inc.), имеющие диаметр 50.8 мм и толщину 300 мкм, с шероховатостью менее 1 нм, с кристаллографической ориентацией <100> и электрическим удельным сопротивлением 8-12 Ω·см или 0.1-1.2 Ω·см при легировании бором, или 8-12 Ω·см при легировании фосфором; (v) односторонние полированные кремниевые (Si) пластины (Birginia Semiconductor Inc.), имеющие диаметр 50.8 мм и толщину 350 мкм, с кристаллографической ориентацией <111> и электрическим удельным сопротивлением 7-10 Ω·см при легировании фосфором.
Шероховатости подложек были определены при помощи поверхностного профилометра (Veeco - Dektak 3ST).
6
2
2
3
2
3
2
3
3
3
-3
Следующие материалы были использованы в качестве материалов мишени при окончательном покрытии подложек, изолированно или в комбинации: алюминий (Аl), нитрид алюминия (AlN), нитрид бора (BN), золото (Аu), гексаборид лантана (LаВ), никель (Ni), палладий-золото (Pd-Au), гафний (Hf), марганец (Мn), тантал (Та), титан (Ti), хром (Сr), молибден (Мо), гадолиний (Gd), диоксид кремния (SiO), оксид иттрия (YO), вольфрам (W), диоксид циркония (ZrO), триоксид вольфрама (WO), оксид лантана (LаО), титанат бария (ВаТiO), оксид стронция (SrO), оксид кальция (СаО) и силицид хрома (CrSi). Чистота каждого материала мишени составляет по меньшей мере 99.9%. Все материалы мишени были закуплены на фирме AJA International Inc. или на фирме Kurt Lesker Company. Для обеспечения оптимальной адгезии и однородности при осаждении тонкой пленки подложки сначала очищали за счет обработки ультразвуком в органических растворителях (последовательно в n-гексане, ацетоне и изопропаноле, по 5 минут в каждом растворителе), с последующей промывкой под ультразвуком в фильтрованной деионизированной воде в течение одной минуты, и сушкой под потоком газообразного азота. До проведения напыления производили плазменное травление образцов для удаления любых остаточных органических/ неорганических загрязнений с поверхностей, типично в течение 20 минут, с использованием давления плазмы 4×10 мбар, ВЧ мощности 30 Вт и 10 Sccm Ar, при нагреве подложки до 250ºС.
Результаты
-6
Выбранные примеры покрытых полученных указанным образом подложек приведены в Таблице 5. В Таблице 5 приведены также основные параметры напыления, в том числе тип источника питания и его мощность (Вт), расход газов (в стандартных кубических сантиметрах в минуту, sссm), давление в камере (мбар), и длительность напыления (сек). Во всех последующих примерах расстояние между мишенью и подложкой было 146 мм. Толщину (нм) и шероховатость полученной однородной пленки измеряли при помощи поверхностного профилометра. Нанесенная пленка была достаточно тонкой для того, чтобы существенно не изменять исходную гладкость подложек. TGD/Al и FGD/Al означают соответственно тонкий стеклянный диск и диск из флоат-стекла, причем на обеих сторонах подложки имеется полное напыление алюминием. Аналогично, FGD/Cr означают стеклянную подложку с полным напылением хромом. Напыление может быть осуществлено на одной или обеих сторонах подложки, по желанию. Звездочка указывает, что после процедуры напыления образцы затем были отожжены в течение одного часа при 500ºС и при 10 мбар.
Таблица 5
Подложка
Мишень
Источник питания
Мощность [Вт]
Ar поток [seem]
O<sub>2</sub> поток [seem]
Давление [мбар]
Время [сек]
Толщина пленки [нм]
TGD
Al
DC
200
10
0
4×10<sup>-3</sup>
1,800
200
TGD
Cr
DC
200
10
0
4×10<sup>-3</sup>
1,800
230
S/S
SiO<sub>2</sub>
RF
250
15
1.5
4×10<sup>-3</sup>
14,400
430
S/S
AlN
RF
150
10
0
4×10<sup>-3</sup>
14,400
300
Si
Al
DC
200
10
0
4×10<sup>-3</sup>
1,800
200
Si
BN
RF
200
10
0
4×10<sup>-3</sup>
10,800
220
TGD/Al
WO<sub>3</sub>
RF
200
10
5
4×10<sup>-3</sup>
7,200
100
TGD/Al
Mn
DC
100
10
8
4×10<sup>-3</sup>
21,600
220
TGD/Al
Cr
DC
200
10
0
4х10<sup>-3</sup>
1,800
230
TGD/Al
Mn
DC
90
10
8
4×10<sup>-3</sup>
18,000
300
Ni
DC
60
TGD/Al*
Cr<sub>3</sub>Si
DC
190
10
0
4×10<sup>-3</sup>
5,400
300
SiO<sub>2</sub>
RF
75
FGD
Al
DC
200
10
0
4×10<sup>-3</sup>
1,800
200
Подложка
Мишень
Источник питания
Мощность[Вт]
Ar поток [seem]
O<sub>2</sub> поток [seem]
Давление [мбар]
Время [сек]
Толщина пленки [нм]
FGD
Сr
DC
200
10
0
4×10<sup>-3</sup>
1,800
230
FGD/Al
SiO<sub>2</sub>
RF
250
10
0
4×10<sup>-3</sup>
12,000
600
FGD/Al
AlN
RF
150
10
0
4×10<sup>-3</sup>
14,400
300
FGD/Cr
Мо
DC
200
10
0
4×10<sup>-3</sup>
5,400
330
FGD/Cr
Gd
DC
100
10
0
4×10<sup>-3</sup>
2,400
560
Поверхности, подготовленные в соответствии с описанным выше способом, были использованы в экспериментальной установке, схематично показанной на фиг.11, как это дополнительно описано ниже в Примере 8.
ПРИМЕР 8
Генерирование электрического тока за счет теплового движения газовых молекул
В данном примере описаны эксперименты, выполненные в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения для генерирования электрического тока за счет теплового движения газовых молекул между поверхностями, имеющими различную переносимость заряда. В описанных ниже экспериментах поверхности удерживали со смещением друг от друга при помощи распорок или выступающих наружу неровностей.
Планы экспериментов
Сборка установки
Экспериментальная установка, которая была использована во всех экспериментах данного примера, схематично показана на фиг.11. Электрически заземленная конструкция 1101 была установлена в герметизируемой камере 1125 из нержавеющей стали (AISI 316). Конструкция 1101 была установлена поверх электрически изолированного керамического переходника 1103 внутреннего нагревателя 1105. Контроллер 1107 (фирма Ceramisis, регулируемое нагревание образца до 1,200ºС) был подключен к нагревателю 1105 при помощи соединительной линии 1128. Соединение конструкции 1101 с нулевым потенциалом показано как 1109. Незаземленная конструкция 1111 была установлена в камере 1125 поверх конструкции 1101. Переносимость заряда поверхности конструкции 1101 отличается от этого параметра для конструкции 1111.
В экспериментах, в которых одна или несколько конструкций 1101 и 1111 были изготовлены из материала с плохой объемной проводимостью, конструкция 1111 была установлена, если не указано иное, непосредственно поверх конструкции 1101. В этих экспериментах расстояние между обращенными друг к другу поверхностями конструкций 1101 и 1111 определялось частично их шероховатостью. Расстояние по поверхности изменялось от 0 (прямой контакт) до десятков или сотен нм в других областях, в зависимости от размера и распределения элементов шероховатости.
В экспериментах, в которых обе конструкции 1101 и 1111 были изготовлены из материала с хорошей объемной проводимостью, распорки 1113 были введены между ними. Распорки 1113 были получены за счет процесса покрытия с центрифугированием на поверхности заземленной конструкции 1101, обращенной к конструкции 1111. Высота распорок 1113 в направлении z (в основном перпендикулярно к поверхностям конструкций 1101 и 1111, см. фиг.11) составляет от нескольких сотен нм до нескольких мкм.
Проводящая пружина 1115, изготовленная из высокоуглеродистой стали для струн, была установлена в камере 1125 поверх конструкции 1111 и была соединена через электрический ввод в верхней стенке камеры 1125 с внешним электрометром 1117 (Keithley 6517A). Электрометр был откалиброван и имеет высокую точность показаний, меньше чем ±1%. В некоторых экспериментах использовали несколько гальванических элементов, каждый из которых содержит пару конструкций 1101 и 1111 с зазором между ними, образующих батарею (уложенных стопой) внутри камеры. В этих экспериментах самая нижняя конструкция 1101 батареи была соединена с землей 1109, а самая верхняя конструкция 1111 батареи была соединена с электрометром 1117. Самую верхнюю конструкцию батареи называют далее "незаземленной конструкцией".
Камера 1125 имеет впуски 1119, 1121 и 1123 для вдувания газа в нее и выпуск 1127, предназначенный для удаления газа из камеры при помощи вакуумного насоса 1129 (Вое Edwards, XDS 10; возможно, подключенный последовательно через второй вакуумный насос Вое Edwards, EXT-255H Turbo).
3
-10
Камера 1125 имеет цилиндрическую форму, со средним диаметром около 8.5 см, с высотой около 7 см, с толщиной стенки около 0.17 см, и с газовой емкостью (газоизмещением) около 400 см. Камера изготовлена из коррозионностойких материалов с низким выделением газов (с низким гажением), с деталями, соединенными с использованием уплотнительных колец, позволяющих выдерживать по меньшей мере рабочий вакуум и температуру. Давление внутри камеры 1125 при вводе и удалении газа контролируют. Давление контролируют при помощи манометра 1131 (ВОС Edwards, активный цифровой контроллер, с измерителями APG100-XLC, ASG 2000 мбар, и WRG-SL, каждый из которых перекрывает свой соответствующий участок в диапазоне измерений давления). Эксперименты проводили при различных давлениях, в диапазоне от 10 до 8 бар.
In
Eх
In
In
Eх
Температуры во время экспериментов регулировали двумя путями: температуру T конструкции 1101 регулировали при помощи внутреннего нагревателя 1105 и контроллера 1107, а температуру Т стенок камеры 1125 регулировали при помощи внешнего ленточного нагревателя (не показан), соединенного с внешней стенкой камеры. Эксперименты проводили при различных внутренних и внешних температурах. В частности, T изменяли от 25ºС до 400ºС и тех изменяли от 50ºС до 150ºС. T и Т контролировали с использованием термопары типа k и контроллера 1133 (Eurothenn 2216e).
В предварительных экспериментах было установлено (обнаружено), что когда обе конструкции 1101 и 1111 соединены с термопарами и когда используют только внутренний нагрев (при помощи нагревателя 1105), а внешний нагрев отключен, тогда разность температур между конструкциями 1101 и 1111 является пренебрежимо малой в присутствии газа. В частности, абсолютная температура конструкции 1101 превышает не больше чем на 1% абсолютную температуру конструкции 1111. Более того, остаточный градиент температуры, если он есть, будет, при условии термоионной эмиссии при низких температурах, генерировать отрицательный ток в данной экспериментальной установке, когда заземленная конструкция нагрета. Термоионную эмиссию не ожидают как при заданных рабочих температурах, так и в отсутствие градиента температуры. Кроме того, термоионно генерируемый ток также будет существовать в вакууме, в отличие от тока, генерируемого в соответствии с настоящим изобретением, который, как указано, зависит от опосредованной газом передачи заряда и потому не существует в вакууме. Как это показано далее в секции Результаты, в вакууме отсутствует ток выше уровня шумов.
Так как контролируемые в этом эксперименте сигналы в основном не превышают 1 мА, то отключают любые устройства, которые не требуются в данный момент и которые могут влиять на регистрируемые сигналы. В частности, манометр отключают после достижения желательного стабильного давления и его измерения.
Материалы
3
-9
-9
3
В описанных ниже экспериментах для конструкций 1101 и 1111 использовали материалы, имеющие высокую удельную электропроводность (больше чем 10 См/м), низкую удельную электропроводность (меньше чем 10 См/м) или среднюю удельную электропроводность (между 10 и 10 См/м).
Методика
Шероховатости поверхностей конструкций 1101 и 1111, когда они не даны изготовителем, измеряли при помощи поверхностного профилометра. Обычно использовали металлические поверхности, хорошо отполированные при помощи полировального круга (Struers, MD-NAP) с суспензией 0.1 мкм агломерированного альфа оксида алюминия. Таким образом, если не указано иное, поверхности имеют шероховатость около 100 нм или меньше.
До проведения каждого эксперимента измеряли сопротивление между конструкциями 1101 и 1111 с использованием мультимера Wavetek Meterman DM28XT (не показан). Сопротивление всегда должно быть выше ориентировочно 2 гигаом, что гарантирует отсутствие короткого замыкания между поверхностями.
-5
-5
Eх
b
b
b
b
Каждый эксперимент начинают с откачки камеры 1125 в соответствии со следующей процедурой. Камеру герметизировали, прикладывали вакуум по меньшей мере на 1 час (до базового давления самое большее 10 бар), причем заземленную конструкцию нагревали по меньшей мере до 100ºС, чтобы удалить остаточную влагу. Камеру периодически откачивали в течение ночи для получения высокого вакуума, при нагреве до Т 150ºС, чтобы дополнительно исключить возможность загрязнения между экспериментами за счет выделения газов. Стабилизацию экспериментальной установки считали достигнутой при стабильном базовом давлении Р и при практически нулевом базовом токе i. Если не указано иное, Р составляет меньше чем 10 бар и i составляет меньше чем 0.1 пА.
In
Eх
В каждом эксперименте изменяли и контролировали следующие параметры: (i) тип газа, подаваемого в ранее откаченную (вакуумированную) камеру, (ii) давление (Р) в камере, (iii) температура (T) внутреннего нагревателя и (iv) температура (Т) стенки камеры.
4
5
Результирующий ток или напряжение на конструкциях для каждого набора параметров измеряли и регистрировали с частотой выборки приблизительно 1 измерение в секунду. Так как типичная шкала времени для одного эксперимента составляет 10-50 часов, то делают 10-10 измерений в одном прогоне. Поэтому статистическая ошибка экспериментов является минимальной. Авторы настоящего изобретения прогнозируют отрицательный ток сигнала для экспериментов, в которых переносимость заряда заземленной конструкции является положительной, а переносимость заряда незаземленной конструкции является отрицательной. Авторы настоящего изобретения также прогнозируют положительный ток сигнала для противоположной конфигурации (отрицательная переносимость заряда для заземленной конструкции и положительная переносимость заряда для незаземленной конструкции).
2
Несмотря на то, что каждая из обращенных друг к другу поверхностей конструкций 1101 и 1111 может иметь в следующих экспериментах диаметр по меньшей мере 2.5 см, а в некоторых случаях теоретическая область перекрытия одной пары составляет около 20 см, следует иметь в виду, что эффективная область может быть меньше чем максимальная теоретическая область перекрытия. Для любой пары материалов было обнаружено, что область перекрытия является наиболее эффективной, когда смежные поверхности смещены друг от друга (при помощи распорок или выступающих наружу неровностей), и имеется зазор, который составляет несколько крат среднего свободного пробега для газа, который используют в рабочих условиях. Пропорция эффективного перекрытия между двумя поверхностями зависит от геометрии, формы, плоскостности, шероховатости и распределения выступающих элементов каждой поверхности.
Эксперимент I
Материалы и методика
3
8
2
3
Гадолиний (Gd; диск диаметром 24.7 мм и толщиной 1.5 мм; с чистотой 99.95%; Testboume Ltd.) был использован как заземленная конструкция, а алюминий (Al; AL6061-T4; диск диаметром 50 мм и толщиной 12 мм) был использован как незаземленная конструкция, и СF (газ, имеющий высокое электронное сродство) был использован как газовая среда. Измеренная работа выхода в вакууме для гадолиния составляет 3.2 эВ и для алюминия составляет 3.9 эВ. Микрочастицы оксида алюминия (АlO; К.С.А.) со средним размером около 5 мкм были нанесены за счет центрифугирования из суспензии, содержащей 0.01 вес.% изопропанола, при вращении со скоростью 2,000 об/мин, на диск из гадолиния, за счет чего получают хорошо распределенные распорки на поверхности диска.
3
8
На начальной стадии эксперимента камеру откачивали и температуру внутреннего нагревателя повышали до 400ºС. Внешний нагрев для камеры не применяли. После этого вводили последовательно 5, 11 и 23 мбар CF в камеру при трех различных моментах времени.
Этот эксперимент, в котором используют Gd и Al конструкции, повторяли при различных условиях, с использованием обеих электрических конфигураций и различных типов распорок и газов.
Результаты
3
8
3
8
3
8
3
8
На фиг.12 показан измеренный ток (пА) в функции времени (сек). Как это показано на фиг.12, после откачки в течение ночи ток в условиях вакуума составляет около +0.1 пА. Стрелкой 1 показан момент времени, когда 5 мбар СF вводят в камеру. После переходного роста тока в течение времени около 30 минут ток стабилизируется в присутствии газа на отрицательном значении около -0.2 пА. Стрелкой 2 показан момент времени, когда давление СF повышают до 11 мбар. Короткий пик положительного тока опять наблюдают при изменении условий измерения, но после этого ток опять стабилизируется на отрицательном значении около -0.25 пА. Стрелкой 3 показано, когда давление газа СF дополнительно повышают до 23 мбар, что дает (после переходного положительного пика) стабильный отрицательный ток около -0.4 пА. Тот факт, что наблюдаемый ток является отрицательным, указывает, что потенциал на паре гадолиний-алюминий является отрицательным. Так как стандартное снижение потенциалов для этих металлов составляет соответственно -2.4 В для Gd и -1.67 В для Аl, то описанная выше схема позволяет создать положительный электрохимический ток, если газ СF заменить жидким электролитом. Измерение отрицательного тока исключает возможность получения наблюдаемого тока за счет электрохимических реакций.
На фиг.12 показано, что генерируемый ток имеет большую амплитуду и противоположное направление по сравнению с базовым током в вакууме. На фиг.12 дополнительно показано, что абсолютное значение тока зависит от давления, в соответствии с принципом опосредованной газом передачи заряда.
Результаты дополнительных экспериментальных прогонов, выполненных с этой парой материалов, расположенных в обратной ориентации внутри камеры (Аl заземлен, а Gd незаземлен), с другими распорками и/или газами, показаны ниже в Таблице 6 как вводы Nos. 2-4.
Эксперимент II
Материалы и методика
2
2
3
2
2
3
-15
Материал MACOR представляет собой способную к обработке резанием стеклокерамику, которая содержит диоксид кремния (SiO), оксид магния (MgO), оксид алюминия (АlО), оксид калия (КО), оксид бора (ВО) и фтор (F). В макроскопической шкале удельная электропроводность материала MACOR при комнатной температуре составляет около 10 См/м.
4
3
8
6
2
В данном эксперименте использовали диск из материала MACOR (диаметром 50 мм и толщиной 3.5 мм, с шероховатостью меньше чем 400 нм) как заземленную конструкцию. Алюминиевый диск (Аl; AL6061-T4; диаметр 50 мм и толщина 12 мм) был использован как незаземленная конструкция. Каждый из газов CF, СF, SF, N, и благородных газов аргон (Аr), гелий (Не), криптон (Кr), неон (Ne) и ксенон (Хе), сухих и с чистотой по меньшей мере 99.99%, использовали отдельно как газовую среду. Диск из материала MACOR и алюминиевый диск были установлены в камере в прямом контакте, безо всяких распорок, так как поверхностная шероховатость материала создает зазор.
Температуру внутреннего нагревателя повышали до 200ºС, а внешний нагрев для камеры не использовали. Каждый соответствующий газ вводили в камеру после ее откачки и после стабилизации базового значения почти равного нулю положительного тока.
Давление каждого газа постепенно повышали. После стабилизации тока ток измеряли и записывали для каждого давления.
2
2
2
4
3
8
Этот эксперимент, с использованием конструкций из MACOR и алюминия, повторяли при различных условиях, с использованием различных комбинаций газов, в том числе воздуха (отношение N:O:Ar:CO около 78:21:0.9:0.04 по объему) и комбинации CF и СF при отношении 1:1 по объему.
-12
Этот эксперимент дополнительно содержит несколько экспериментальных прогонов с тонкими стеклянными дисками (описанными в Примере 7, то есть имеющих диаметр 50 мм, толщину 100 мкм и шероховатость поверхности меньше чем 50 нм) в качестве заземленной конструкции. Электропроводность стекла при комнатной температуре составляет около 10 См/м. На стеклянный диск был напылен алюминий на одной стороне, как это описано в Примере 7, для получения хорошего контакта с зажимом заземления. Незаземленной конструкцией в этих прогонах был алюминиевый диск (описанный в Эксперименте I, то есть имеющий толщину 12 мм и диаметр 50 мм), причем использовали несколько указанных выше газов в качестве газовой среды. Стеклянный диск был обращен непокрытой стороной к алюминиевому диску. Дополнительные прогоны были проведены с тонким стеклянным диском (имеющим такие же размеры), на одной стороне которого был напылен хром для контакта с зажимом заземления, причем этот диск использовали как заземленную конструкцию, а диск из хрома, приготовленный за счет полного напыления хромового покрытия на диск из плоского стекла (толщина Сr 230 нм, на стеклянной подложке, имеющей толщину 10 мм и диаметр 50 мм), использовали как незаземленную конструкцию, причем в этих прогонах использовали несколько типов указанных выше газовых сред.
Результаты
Во всех случаях измеренный ток был положительным, что свидетельствует о том, что MACOR служит акцептором электронов, а алюминий служит донором электронов. Наблюдали зависимость абсолютного значения тока от давления газа. В частности, для каждого газа имеется первая фаза, когда ток линейно растет при повышении давления, пока ток не доходит до максимального значения, и затем во всем диапазоне давлений остается постоянным, или медленно снижается. В данном эксперименте пороговое давление представляет собой минимальное давление, при котором максимальный ток переходит на пологий участок кривой (плато). Это наблюдение описано более подробно в описанном ниже Эксперименте XI. Пороговое давление и максимальный ток наблюдали при использовании различных чистых и смешанных газов, указанных как вводы Nos. 5-15 в Таблице 6 ниже.
2
2
2
2
На фиг.13 показано пороговое давление (мбар) для некоторых газов в функции 1/σ, где σ - диаметр газовой молекулы в ангстремах. В соответствии с приведенным выше уравнением EQ. 1, средний свободный пробег, λ, линейно пропорционален 1/σ. Как это показано на фиг.13, имеется линейная корреляция (R=0.9898) между измеренным пороговым давлением и 1/σ: чем меньше диаметр газовой молекулы, тем выше давление, при котором наблюдают максимальный ток.
In
Eх
In
Максимальные токи и пороговые давления для экспериментов, в которых использовали тонкий стеклянный диск с напыленным на одну его сторону алюминием как заземленную конструкцию, а незаземленный алюминиевый диск установливали без распорок на стороне стекла, и использовали чистые газы при T=200ºС и Т=70ºС, показаны как вводы Nos. 16-20 в приведенной ниже Таблице 6. Аналогичные результаты были получены в экспериментах без распорок, в которых заземленная конструкция представляет собой тонкий стеклянный диск с напыленным на одну его сторону хромом, а незаземленная конструкция представляет собой диск из хрома, полученный за счет полного напыления хромового покрытия на плоском (flat, возможно, должно быть float, флоат. - Прим. переводчика) стекле, и в которых использовали чистые газы при T=150ºС. Внешний ленточный нагреватель не включали. Эти результаты показаны как вводы Nos. 21-23 в приведенной ниже Таблице 6. Результаты экспериментов, проведенных с распорками, показаны как вводы Nos. 33-41 и описаны ниже (см. Эксперименты III и VIII).
Следует иметь в виду, что факт возможности использования газовых смесей (см. вводы Nos. 14-15 для конфигурации MACOR - алюминий) был подтвержден в отдельном эксперименте, в котором использовали 811 мбар сухого воздуха в конфигурации алюминий - стекло и генерировали ток, показанный как ввод No. 24 в Таблице 6.
Эксперимент II подтверждает для различных газов возможность генерирования тока за счет опосредованной газом передачи заряда между различными поверхностями. Никакого тока не наблюдали в отсутствие газа, что подтверждает отсутствие обнаруживаемого термоионного вклада в ток. Наблюдали зависимость тока от давления. Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, все же можно полагать, что пороговое давление зависит от связи между зазором между поверхностями и средним свободным пробегом для газа. Факт наблюдения стабильных токов с использованием инертных газов исключает вклады от газовых химических реакций. Эксперимент II дополнительно покрывает, что рабочие поверхности устройства в виде гальванического элемента в соответствии с настоящим изобретением также могут быть изготовлены из таких материалов, как стекло и MACOR, которые имеют относительно низкую проводимость. Результаты, полученные с газовыми комбинациями, показывают, что устройство в виде гальванического элемента в соответствии с настоящим изобретением также может работать с газовыми смесями.
Эксперимент III
Материалы и методика
-15
Этот эксперимент содержит несколько экспериментальных прогонов, которые названы далее прогонами (a)-(i). В прогоне (а) был использован тонкий диск из пластинчатого флогопита (диаметром 50 мм и толщиной 50 мкм) как незаземленная конструкция. На одну сторону флогопита напыляли Pd/Au для повышения электрического контакта с проводящей пружиной 1115. Алюминиевый диск (AL6061-T4, диаметром 40 мм и толщиной 3 мм) был использован как заземленная конструкция. Заземленная и незаземленная конструкции были в прямом контакте без распорок. Температуру внутреннего нагревателя повышали до 400ºС. Внешний нагреватель был выключен. Камера была откачена и базовый ток в вакууме составлял меньше чем 1 фА (то есть меньше чем 10). На этой стадии в камеру вводили 300 мбар гелия. Внутреннюю температуру изменяли в течение периода времени около 80 часов, при этом измеряли и регистрировали ток.
4
In
В прогоне (b) легированная нитроцеллюлоза была использована как заземленная конструкция; нержавеющая сталь (AISI303, диск диаметром 40 мм и толщиной 5 мм) была использована как незаземленная конструкция и газообразный аргон при постоянном давлении 100 мбар был использован как газовая среда. Незаземленная конструкция была изготовлена с использованием покрытия, полученного методом центрифугирования, нанесенного на алюминиевый диск (AL6061-T4, имеющий диаметр 50 мм и толщину 12 мм), при 1,000 об/мин, с раствором циклогексанона, который содержит материал на базе нитроцеллюлозы Zweihom Zaponlack NR 10026 (Akzo Nobel Deco GmbH, 5 вес.% в растворителе) и LiClO (40 вес.% материала Zaponlack). Заземленная и незаземленная конструкции были в прямом контакте без распорок. T постепенно повышали ориентировочно от 25ºС до 85ºC.
Eх
В прогоне (с) диск из алюминия (AL6061-T4, 50 мм диаметром и 12 мм толщиной) был использован как заземленная конструкция, тонкий стеклянный диск (диаметром 50 мм и толщиной 100 мкм, с шероховатостью меньше чем 50 нм, с напыленным алюминием для контакта с проводящей пружиной) был использован как незаземленная конструкция, а гелий при постоянном давлении 300 мбар был использован как газовая среда. Заземленная и незаземленная конструкции были в прямом контакте без распорок. T постепенно повышали от 60ºСдо 100ºС.
In
В прогоне (d) диск из материала MACOR (диаметром 50 мм и толщиной 3.5 мм, с шероховатостью меньше чем 400 нм) был использован как заземленная конструкция, алюминий (AL6061-T4, такой как выше) был использован как незаземленная конструкция и аргон 300 мбар был использован как газовая среда. Заземленная и незаземленная конструкции были в прямом контакте без распорок. T постепенно повышали от 100ºС до 200ºС.
In
В прогоне (е) тонкий стеклянный диск (диаметром 50 мм и толщиной 100 мкм, с шероховатостью поверхности меньше чем 50 нм, с напыленным на одной его стороне хромом для контакта с зажимом заземления) был использован как заземленная конструкция, а более толстый диск из плоского стекла (диаметром 50 мм и толщиной 10 мм, с шероховатостью меньше чем 10 нм), с полностью напыленным слоем хрома толщиной 230 нм, был использован как незаземленная конструкция. Заземленная и незаземленная конструкции были разделены распорками из оксида алюминия, имеющими среднюю высоту 3 мкм. Распорки были изготовлены в виде покрытия, полученного методом центрифугирования, нанесенного на поверхность стекла, как это описано в Эксперименте I. T постепенно повышали от 150ºС до 250ºС, в присутствии ксенона при постоянном давлении 130 мбар.
2
3
2
В прогонах (f)-(i) тонкий стеклянный диск (диаметром 50 мм и толщиной 100 мкм, с шероховатость поверхности меньше чем 50 нм, с напыленным на одной его стороне хромом для контакта с зажимом заземления) был использован как заземленная конструкция. В прогоне (f) незаземленная конструкция содержит покрытие r-GO, полученное методом центрифугирования, нанесенное на диск из нержавеющей стали, как это описано в Эксперименте XII. В прогоне (g) незаземленная конструкция представляет собой диск из МnO (толщиной 220 нм), приготовленный за счет полного напыления покрытия на диск из плоского стекла, имеющий диаметр 40 мм и толщину 5 мм, с шероховатостью поверхности меньше чем 10 нм. В прогоне (h) незаземленная конструкция представляет собой диск из молибдена (толщиной 330 нм), приготовленный за счет полного напыления покрытия на диск из плоского стекла, имеющий диаметр 40 мм и толщину 5 мм, с шероховатостью поверхности меньше чем 10 нм. В прогоне (i) незаземленная конструкция представляет собой диск из кермета, содержащего CrSi и SiO (толщиной 540 нм), приготовленный за счет полного напыления покрытия на тонкий стеклянный диск, имеющий диаметр 50 мм, толщину 100 мкм и шероховатость поверхности меньше чем 50 нм.
In
Заземленная и незаземленная конструкции были в прямом контакте без всяких распорок. T постепенно повышали ориентировочно от 70ºС до 180ºС, в присутствии гелия при постоянном давлении 1,100 мбар.
Результаты
In
На фиг.14 показан измеренный ток (пА) в функции времени для прогона (а) с парой флогопит - алюминий. Внутренние температуры в каждом временном интервале показаны в верхней части на фиг.14. Когда внутренняя температура равна 400ºС, тогда измеренный ток составляет около 2.1 пА в течение по меньшей мере 7 часов. В момент времени t=194,500 сек (около 54 часов) температуру внутреннего нагревателя T снижали до 300ºС, при этом ток падает до 0.2 пА и остается стабильным в течение времени измерения около 10 часов. Дополнительное охлаждение до 200ºС в момент времени t=231,000 сек (около 64 часов) приводит к падению тока до 4 фА. При t=280,000 сек (около 78 часов) температуру вновь повышали до 300ºС, при этом ток возрастает до 0.25 пА, что близко к ранее полученному значению при этой температуре.
В этой конфигурации направление тока было положительным, что указывает на то, что алюминий действует как акцептор электронов, в то время как флогопит действует как донор электронов. Этот эксперимент подтверждает, что объемные изоляторы могут быть использованы в устройствах и способах в соответствии с настоящим изобретением. Следует иметь в виду, что измеренные токи были стабильными в течение часов временных окон измерений. Тот факт, что ток зависит от температуры, находится в соответствии с механизмом опосредованной газом передачи заряда, обнаруженной авторами настоящего изобретения.
На фиг.15 показан измеренный ток в абсолютных значения (амперы) в функции температуры (ºС) для прогонов (b)-(i).
In
Квадратики на фиг.15 соответствуют прогону (b) с парой легированная нитроцеллюлоза - нержавеющая сталь. Показано, что постепенное повышение T ориентировочно от 25ºС до 85ºС приводит к росту тока ориентировочно от 76 фА до 20 пА. Следует иметь в виду, что низкий ток, измеренный ориентировочно при комнатной температуре, превышает базовый ток (1 фА), измеренный в условиях вакуума.
Eх
Кружки на фиг.15 соответствуют прогону (с) с парой алюминий - тонкое стекло. Показано, что постепенное повышение Т от 60ºС до 100ºС приводит к росту тока от 65 фА до 0.4 пА.
In
Треугольники на фиг.15 соответствуют прогону (d) с парой MACOR - алюминий. Показано, что постепенное повышение T ориентировочно от 100ºС до 200ºС приводит к росту тока от 11 фА до 3.67 пА.
In
Ромбики на фиг.15 соответствуют прогону (е) с парой тонкое стекло - хром. Показано, что постепенное повышение T ориентировочно от 150ºС до 250ºС приводит к росту тока от 78 фА до 17 пА. Эти результаты показаны как вводы Nos. 25-29 в Таблице 6.
In
2
Крестики на фиг.15 соответствуют прогону (f) с парой тонкое стекло - r-GO. Показано, что постепенное повышение T ориентировочно от 72ºС до 180ºС приводит к росту тока от 78 фА до 86 пА. Пустые кружки соответствуют прогону (g) с парой тонкое стекло - МnО. Можно видеть, что постепенное повышение Tin ориентировочно от 136ºС до 180ºС приводит к росту тока от 43 фА до 0.16 пА.
In
Плюсики на фиг.15 соответствуют прогону (h) с парой тонкое стекло - Мо. Показано, что постепенное повышение T ориентировочно от 111ºС до 180ºС приводит к росту тока от 15 фА до 3 пА.
3
2
In
Пустые квадратики соответствуют прогону (i) с парой тонкое стекло - (СrSi-SiO). Можно видеть, что постепенное повышение T ориентировочно от 126ºС до 180ºС приводит к росту тока от 15 фА до 0.48 пА. Эти результаты показаны как вводы Nos. 63-66 в Таблице 6.
Эти эксперименты показывают, что зависимость от температуры измеренного тока является в основном аналогичной и примерно экспоненциальной, вне зависимости от использованного вида нагревания (внутреннее нагревание в прогонах (b), (d)-(i) и внешнее нагревание в прогоне (с)). Это подтверждает, что измеренный ток не возникает за счет какого-либо незначительного градиента температуры, который может существовать между поверхностями, когда нагревают только нижнюю поверхность, а зависит от самой температуры газа.
Тот факт, что были получены стабильные токи при использовании инертных газов, исключает вклады за счет газовых химических реакций. Результаты прогона (b) показывают, что единственная пара конструкций достаточна для того, чтобы генерировать измеримый ток, существенно превышающий уровень шума при комнатной температуре. Более того, экстраполирование любой из кривых на фиг.15 подсказывает, что существенно превышающий уровень шума измеримый ток можно генерировать при комнатной температуре или ниже нее в любом из прогонов (b)-(i) с использованием единственной пары. Совершенно очевидно, что использование множества таких пар при последовательном подключении будет повышать генерируемый электрический потенциал на батарее, а использование множества таких пар при параллельном подключении будет увеличивать ток.
Эксперимент IV
Eх
Этот эксперимент направлен на подтверждение прогноза того, что реверсирование двух конструкций приведет к изменению направления тока. Эксперимент был аналогичен Эксперименту III, прогон (с), за исключением того, что стеклянный диск был использован как заземленная конструкция, а алюминиевый диск был использован как незаземленная конструкция. После откачивания камеры в нее водили 300 мбар гелия и производили внешний нагрев камеры до температуры Т=60ºС. Полученный ток - 100 фА имел противоположный знак и в основном такую же величину, что и ток, измеренный в прогоне (с) Эксперимента III (+65 фА). Результаты, полученные при реверсировании двух конструкций, показаны как вводы Nos. 27 и 30 в Таблице 6. Этот эксперимент подтверждает, что измеренный ток зависит от различия между двумя поверхности и их взаимодействия с газовой средой, а не от случайных нежелательных воздействий в экспериментах. Разница абсолютных значений между двумя токами может быть приписана различным факторам, таким как небольшая разница размера зазора и области перекрытия.
Эксперимент V
Материалы и методика
Тонкий стеклянный диск (диаметром 50 мм и толщиной 100 мкм, с шероховатостью меньше чем 50 нм) имел напыление алюминия на одной стороне, как это описано в Примере 7. Пакет из десяти таких стеклянных дисков с напыленным алюминием помещали в камеру таким образом, что в каждой паре смежных дисков сторона с напылением одного диска контактирует со стороной без напыления другого диска. Самый нижний диск был установлен таким образом, что его напыленная сторона была обращена к внутреннему нагревателю и была заземлена, а сторона без напыления была обращена ко второму снизу диску. Таким образом, в этом эксперименте незаземленной стороной было стекло, а заземленной стороной был алюминий. Гелий был использован как газовая среда.
После откачивания камеры температуру внутреннего нагревателя повышали до 200ºС и вводили 300 мбар гелия. Сигнал напряжения измеряли и регистрировали. Эту процедуру повторяли для единственной пары стекло-алюминий.
Результаты
На фиг.16 показано напряжение в функции времени для единственной пары конструкций (сплошная линия) и для батареи из десяти пар (пунктирная линия). Начало координат (t=0) соответствует моменту времени, в котором экспериментальную установку переключали из режима короткого замыкания для измерений тока в режима холостого хода для измерений напряжения. Время показано в минутах для единственной пары (нижняя ось) и в часах для батареи (верхняя ось), так как батарея имеет более высокое сопротивление. Следует иметь в виду, что в полной емкости экспериментальной установки преобладает емкость измерительного устройства, которая является одинаковой для всех экспериментальных прогонов. Таким образом, в то время как полное сопротивление существенно выше для батареи, чем для единственной пары, емкостное сопротивление является в основном одинаковым в обоих случаях. Так как постоянная времени пропорциональна сопротивлению, умноженному на емкость, то постоянная времени батареи существенно больше, чем постоянная времени одной пары.
Как это показано на фиг.16, накопленное напряжение для батареи приближается к 3 В после 6 часов, в то время как накопленное напряжение для одной пары приближается к 0.3 В после 6 часов. Отношение между этими напряжениями составляет 10:1, что соответствует отношению числа гальванических элементов в батарее (10) к числу гальванических элементов в одной паре (1). Этот факт подтверждает заключение о том, что измеренное напряжение возникает за счет электрического потенциала, генерируемого каждым наполненным газом гальваническим элементом, а не за счет каких-либо нежелательных экспериментальных погрешностей.
Эксперимент VI
В этом эксперименте было измерено накопленное напряжение для трех различных пар конструкций донор-акцептор. В первом прогоне была использована пара стекло-алюминий, во втором прогоне была использована пара алюминий - MACOR и в третьем прогоне была использована пара стекло - MACOR. Во всех прогонах температуру внутреннего нагревателя повышали до 200ºС и после откачки камеры в нее вводили 300 мбар гелия.
Первый прогон дает плато (пологий участок кривой) напряжения около 0.3 В. Алюминий служит донором электронов, а стекло служит акцептором электронов. Второй прогон дает плато напряжения около 0.9 В. MACOR служит донором электронов, а алюминий служит акцептором электронов. Третий прогон дает плато напряжения около 1.15 В. MACOR служит донором электронов, а стекло служит акцептором электронов.
Было показано, что накопленное напряжение, измеренное с использованием пары стекло - MACOR (1.15 В), ориентировочно равно сумме напряжений, измеренных с использованием пары стекло-алюминий (0.3 В) и пары алюминий - MACOR (0.9 В). Тот факт, что напряжение является аддитивным, подтверждает, что результаты получены за счет опосредованной газом передачи заряда между поверхностями, а не за счет внешнего контура.
Эксперимент VII
Материалы и методика
In
Eх
In
Eх
4
В предыдущих экспериментах (см., например, Эксперимент III, особенно фиг.14 и 15) было показано, что генерируемый ток является стабильным в течение периодов времени, составляющих по меньшей мере несколько часов, и что ток зависит от T или Т. В данном эксперименте контролировали T и Т в течение времени больше чем 4 дня. Заземленной конструкцией в этом эксперименте был алюминиевый диск, покрытый при помощи центрифугирования легированной LiClO нитроцеллюлозой, незаземленной конструкцией был диск из нержавеющей стали (диаметром 40 мм и толщиной 5 мм), и аргон был использован как газовая среда.
Температуру внутреннего нагревателя повышали до 80ºС и камеру откачивали, при этом базовый ток стабилизируется на уровне около 0.1 пА. Ориентировочно по истечении 17 часов вводили 100 мбар аргона и систему контролировали при этих условиях в течение четырех дней.
Результаты
Ех
Ех
На фиг.17 показаны ток и внешняя температура Т в функции времени. Ток в пА показан на левой ординате, Т в градусах Цельсия показана на правой ординате, а время в часах показано на абсциссе. Ток и внешние температуры регистрировали в одинаковые моменты времени. На фиг.17 период времени от t=0 до t=19 часов соответствует начальной откачке воздуха из камеры для стабилизации. Эксперимент начинают с вводом аргона в камеру в момент времени t=19 часов.
Пик переходного тока наблюдали при вводе газа в камеру. Ориентировочно на 20 часов позже система доходит до установившегося состояния и ток в основном стабилизируется на уровне около 1 пА. Флуктуации тока наблюдают при изменении температуры камеры. Когда камера имеет температуру около 24ºС, уровень тока составляет около 1.25 пА и снижается до 0.8 пА, когда температура камеры падает до 18ºС по истечении времени около 12 часов.
Этот эксперимент подтверждает, что после достижения установившегося состояния ток в основном является стабильным (с флуктуациями менее пикоампера) в течение нескольких дней. Этот эксперимент также показывает зависимость тока от температуры. При условии, что средний ток составляет 1.0 пА при средней температуре около 21ºС, данный эксперимент показывает, что флуктуации ±3ºС температуры в камере могут приводить к изменениям около ±20% измеренного тока. Результаты показаны как ввод No. 31 в Таблице 6. Имеются различия между вводами Nos. 26 и 31 Таблицы 6, что можно приписать влиянию различных факторов, таких как небольшие различия размеров зазора и разность толщины покрытия из легированной нитроцеллюлозы.
Эксперимент VIII
Этот эксперимент был направлен на исследование зависимости электрического тока (и давления, при котором был получен максимальный ток) от размера зазора между двумя поверхностями.
Вообще говоря, существуют два необходимых условия для генерирования электричества при помощи устройства в соответствии с настоящим изобретением, а именно: передача заряда между газом и твердыми поверхностями и успешный проход через зазор между поверхностями заряженных газовых молекул. Вероятность транспортирования заряда газовыми молекулами выше для меньших зазоров (при условии, что зазор является достаточно большим, чтобы газовые молекулы могли войти в него). Таким образом, при равных других условиях меньшие зазоры позволяют генерировать более значительные электрические токи, причем максимальный ток получают при более высоком давлении.
Материалы и методика
Этот эксперимент содержит девять экспериментальных прогонов, названных ниже прогонами (a)-(i).
2
3
В прогонах (а)-(с) заземленная конструкция представляет собой тонкий стеклянный диск (диаметром 50 мм и толщиной 100 мкм с шероховатостью меньше чем 50 нм), на одной стороне которого напылен хром, а незаземленная конструкция представляет собой плоский стеклянный диск (диаметром 50 мм и толщиной 10 мм с шероховатостью меньше чем 10 нм), полностью покрытый при помощи напыления слоем хрома толщиной 230 нм, как это описано в Эксперименте III, прогон (е). Стеклянный диск с односторонним покрытием был установлен в камере так, что его покрытая сторона соединена с зажимом заземления, а непокрытая сторона обращена к диску, полностью покрытому хромом. Две конструкции разделены распорками из оксида алюминия (АlО), имеющими среднюю высоту 3 мкм. Распорки из оксида алюминия получены при помощи центрифугирования в виде покрытия на поверхности тонкого стеклянного диска, как это описано выше в Эксперименте I. В прогоне (а) газовая среда представляет собой ксенон, в прогоне (b) газовая среда представляет собой аргон, а в прогоне (с) газовая среда представляет собой гелий.
Прогоны (d)-(f) соответствуют прогонам (а)-(с), но в них использованы распорки из оксида алюминия со средней высотой 1 мкм.
Прогоны (g)-(i) соответствуют прогонам (а)-(с), но в них распорки не используют. В этих прогонах размер зазора не равен 0, а соответствует средней шероховатости поверхностей.
In
In
In
Все прогоны были проведены при T=150ºС. Прогон (а) соответствует точке самой низкой температуры на кривой, описанной в Эксперимент III, прогон (е), причем зависимость между T и измеренным током устанавливается в диапазоне внутренних температур от 150 до 250ºС. Три дополнительных прогона, аналогичных прогонам (а)-(с), но с распорками из оксида алюминия, имеющими среднюю высоту 7 мкм, были проведены при T=250ºС. В каждом прогоне определяли пороговое давление и регистрировали максимальный ток. Результаты этих измерений показаны в Таблице 6 как вводы Nos. 21-23 и 32-41.
Результаты
На фиг.18 показан ток (пА), измеренный при пороговом давлении в функции зазора (мкм) для каждого из трех использованных газов. Квадратики соответствуют гелию (σ=2.4 Å), кружки соответствуют аргону (σ=4.0 Å), а треугольники соответствуют ксенону (σ=5.4 Å). Можно видеть, что ток уменьшается при увеличении зазора. Нелинейная зависимость от размера зазора привела авторов настоящего изобретения к заключению о том, что дополнительное уменьшение размера зазора будет приводить к намного большим электрическим токам. На фиг.18 также показано, что чем меньше диаметр газовых молекул, тем больше ток, измеренный при пороговом давлении, что соответствует модели опосредованной газом передачи заряда, в соответствии с которой более мелкие молекулы имеют больший средний свободный пробег, а следовательно, более высокую вероятность передачи заряда через данный зазор.
2
На фиг.19 показаны пороговые давления (мбар), при которых максимальные токи переходят на фазу плато, в функции 1/σ, где σ представляет собой диаметр молекул газа в ангстремах. На фиг.19 ромбики соответствуют прогонам (а)-(с), а именно прогонам с распорками 3 мкм, треугольники соответствуют прогонам (d)-(f), а именно прогонам с распорками 1 мкм, и квадратики соответствуют прогонам (g)-(i), а именно прогонам без распорок. Следует иметь в виду, что имеется перекрытие между точками данных, соответствующими прогонам (а) и (g), а именно, между прогонами с распорками 3 мкм и прогонами без распорок, проведенными с ксеноном.
2
Можно видеть, что имеется линейная корреляция между пороговым давлением и 1/σ: чем меньше диаметр газовых молекул, тем выше пороговое давление, что соответствует результатам описанного выше Эксперимента II. На фиг.19 также показано, что имеется обратная корреляция между размером зазора и пороговым давлением: при большем размере зазора необходимо более низкое давление для генерирования максимального тока.
Эксперимент IX
Это контрольный эксперимент, в котором сознательно генерируют электрохимически возбуждаемые токи. Для этого используют водяной пар в качестве газовой среды. В отличие от других газов, таких как описанные выше, вода может быть в фазе жидкости при температурах и давлениях, при которых были проведены эксперименты.
Материалы и методика
Тонкий стеклянный диск (толщиной 100 мкм и диаметром 50 мм с шероховатостью меньше чем 50 нм) был использован как заземленная конструкция. На одну сторону стеклянного диска был напылен алюминий для создания хорошего контакта с зажимом заземления. Незаземленной конструкцией в этих прогонах был алюминиевый диск (толщиной 7 мм и диаметром 40 мм), причем водяной пар был использован как газовая среда. Стеклянный диск был обращен непокрытой стороной к алюминиевому диску, без распорок.
Задавали температуру внутреннего нагревателя 60ºС и создавали давление 7 мбар, чтобы исключить конденсацию воды в камере. После этого повышали давление до 27 мбар при поддержании температуры внутреннего нагревателя 60ºС, чтобы вызвать конденсацию воды. Ток измеряли и регистрировали в течение всего эксперимента.
Результаты
Ток, измеренный в присутствии 7 мбар водяного пара, составляет +0.6 пА, в то время как ток, измеренный при более высоком давлении 27 мбар, составляет -12 пА (см. Таблицу 6, вводы Nos. 42-43). 27 мбар давления соответствуют давлению, возникающему за счет насыщения камеры водяным паром, до его давления насыщенного пара при комнатной температуре. Направление тока в режиме конденсации воды соответствует электрохимически получаемому току, в то время как направление тока в отсутствие конденсации воды является противоположным. Этот эксперимент показывает, что ток, генерируемый, когда зазор между поверхностями заполнен неконденсированным газом, не возникает за счет электрохимического процесса.
Эксперимент X
Этот эксперимент был направлен на определение области генерирования мощности (выработки электроэнергии) и на нахождение оптимальных рабочих точек (ток и напряжение), в которых получают максимальную мощность с использованием устройства или способа в соответствии с настоящим изобретением.
Материалы и методика
2
Экспериментальная установка (см. фиг.11) была слегка изменена и источник напряжения постоянного тока (Yokogawa 7651) был подключен между конструкцией 1101 и землей 1109. Источник напряжения постоянного тока на фиг.11 не показан. Включали напряжение и измеряли ток через внешний электрометр 1117, соединенный со второй конструкцией 1111. Были проведены два экспериментальных прогона. В прогоне (а) диск из диоксида кремния (SiO толщиной 600 нм, напыленный на плоский стеклянный диск, имеющий диаметр 40 мм, толщину 5 мм и шероховатость меньше чем 10 нм, ранее покрытый за счет напыления (с одной стороны) алюминием для контакта с зажимом заземления) был использован как заземленная конструкция, а диск из диоксида марганца (толщиной 220 нм, напыленный на тонкий стеклянный диск, имеющий диаметр 50 мм, толщину 100 мкм и шероховатость меньше чем 50 нм, ранее покрытый за счет напыления (с одной стороны) алюминием) был использован как незаземленная конструкция. Диоксид марганца (незаземленной конструкции) обращен к стороне диоксида кремния заземленной конструкции безо всяких распорок. В прогоне (b) тонкий стеклянный диск, имеющий диаметр 50 мм, толщину 100 мкм и шероховатость меньше чем 50 нм, с напыленным на одной его стороне алюминием для контакта с зажимом заземления, был использован как заземленная конструкция, а восстановленный оксид графита (r-GO), нанесенный в виде покрытия при помощи центрифугирования на диск из нержавеющей стали, имеющий диаметр 52 мм и толщину 5 мм, был использован как незаземленная конструкция. Приготовление r-GO диска дополнительно поясняется ниже (см. Эксперимент XII). Восстановленный оксид графита r-GO обращен к стеклянной стороне заземленной конструкции безо всяких распорок. В прогонах (а) и (b) температуру внутреннего нагревателя повышали до 180ºС и после откачки камеры в нее вводили гелий под давлением 1,100 мбар, который служит газовой средой.
Результаты
На фиг.20А и 20С показан измеренный ток I (пА) в функции приложенного напряжения (V), а на фиг.20В и 20D показана вычисленная мощность (пВт) (р=I·V) в функции приложенного напряжения. На фиг.20А и 20В показан прогон (а), а на фиг.20С и 20D показан прогон (b).
Как это показано на фиг.20А, ток короткого замыкания в прогоне (а), когда напряжение не приложено, составляет около 21.5 пА, в то время как напряжение холостого хода равно -0.63 В, когда ток равен 0 пА. Как это показано на фиг.20В, мощность генерируется между приложенным напряжением от -0.63 до 0 В, причем абсолютное значение максимальной полученной мощности составляет около 3.3 пВт при приложенном напряжении около -0.34 В. Как это показано на фиг.20С, ток короткого замыкания в прогоне (b), когда напряжение не приложено, составляет около 94 пА, в то время как напряжение холостого хода равно -1 В, когда ток равен 0 пА. Как это показано на фиг.20D, мощность генерируется между приложенным напряжением от -1 до 0 В, причем абсолютное значение максимальной полученной мощности составляет около 16.3 пВт при приложенном напряжении около -0.4 В. Таким образом, в диапазоне от 0 до -0.63 В для прогона (а) и в диапазоне от 0 до -1 В для прогона (b) сопротивление является отрицательным и система работает как электрический генератор. Результаты данного эксперимента показывают, что устройство в соответствии с настоящим изобретением генерирует электрическую мощность за счет теплового движения газовых молекул.
Эксперимент XI
Этот эксперимент был направлен на измерение тока в функции давления, чтобы определить пороговое давление, при котором получают максимальный ток в соответствии с настоящим изобретением.
Материалы и методика
In
Eх
Заземленной и незаземленной конструкциями были описанные ранее конструкции в виде тонкого стеклянного диска и покрытого хромом диска, использованные в Эксперименте VIII. Температуру Т устанавливали на 200ºС, температуру Т устанавливали на 50ºС, причем гелий был использован как газовая среда. После откачки камеры и стабилизации нулевого базового тока гелий вводили с повышением давления ступенями по 50 мбар от 50 до 1,200 мбар. На первой ступени давления создавали возможность стабилизации системы по меньшей мере в течение двух часов и затем регистрировали ток. На каждой последующей ступени давления создавали возможность стабилизации тока и затем его регистрировали. В этом эксперименте был достаточен период стабилизации 15 минут, так как измерения начинают под давлением 50 мбар, а не в вакууме, и так как используют небольшие ступени давления по 50 мбар.
Результаты
На фиг.21 показан измеренный ток (пА) в функции газового давления (мбар). Как это показано на фиг.21, ток монотонно растет ориентировочно от 2.7 пА до 5.7 пА в первой фазе, когда давление постепенно повышают от 50 до 700 мбар ступенями по 50 мбар. Во второй фазе, ориентировочно от 700 до 1,250 мбар, ток в функции давления доходит до плато (до пологого участка кривой).
Наблюдаемая зависимость от давления находится в соответствии с механизмом опосредованной газом передачи заряда, открытой авторами настоящего изобретения. Генерируемый ток растет с повышением давления до такого давления, при котором средний свободный пробег газовых молекул становится меньше, чем зазор между двумя поверхности. Повышение давления выше этой точки также повышает вероятность столкновения между газовыми молекулами, до того как они смогут перенести свой заряд через зазор ко второй поверхности, но также повышает число молекул, способных переносить указанные заряды. Поэтому существует баланс между межмолекулярными столкновениями, которые уменьшают степень переноса заряда одной молекулой, и полным числом молекул, которые увеличивают полный переносимый при посредстве газа заряд. Можно полагать, что на фиг.21 показан такой баланс. Два конфликтующих явления балансируют друг друга, так что выше порогового давления ток больше не зависит или слабо зависит от газового давления.
Часть графика с монотонным ростом соответствует давлениям, при которых средний свободный пробег больше, чем размер зазора. Как это показано в Примере 1, при условии λ>d, число молекул, взаимодействующих с поверхностями в единицу времени, линейно зависит от давления. Часть графика с пологим участком (плато) соответствует давлениям, при которых средний свободный пробег меньше, чем размер зазора. Пороговое давление может быть определено как самое низкое давление, при котором ток больше существенно не растет при повышении давления. Возможно, что при некоторых комбинациях материалов поверхности, газов и режимов работы ток может снижаться при повышении давления, а не оставаться постоянным на участке плато. В данном эксперименте пороговое давление, показанное на фиг.21, составляет около 700 мбар.
Эксперимент XII
Прогон (а) Эксперимента III показал, что пластинчатые материалы могут быть использованы как поверхности. Это было показано для случая, когда одна из поверхностей была изготовлена из плохо проводящего минерального флогопита, который представляет собой природное силикатное соединение. В данном эксперименте был использован пластинчатый материал в виде электропроводящего восстановленного оксида графита (r-GO), который соответствует графену, отдельные слои которого содержат графит.
Материалы и методика
Графит (графит 3763 фирмы Asbury, имеющий размер чешуек в диапазоне около 25-75 мкм) был окислен с использованием способа Hirata (см., например, US Patent No. 6,596,396). Полученный оксид графита (GO) был очищен, промыт и обогащен с использованием ультрафильтрации через полупроницаемую мембрану Microza (Pall Corp., UMP-1047R). AFM сканирование показало, что полученные таким образом нанопластинки GO имеют толщину в диапазоне от одиночных листов GO толщиной около 1 нм до множества листов с полной средней толщиной около 3 нм.
GO затем был термически восстановлен в графен за счет нагревания в течение ночи при 230ºС в вакууме, что дает восстановленный GO (то есть r-GO), который, как ожидают, содержит только 15-20% остающихся функциональных групп.Этот r-GO был диспергирован в растворе 1% уксусной кислоты при весовой концентрации 0.4%.
Полированный D2 стальной диск, имеющий диаметр 52 мм, толщину около 5 мм и шероховатость меньше чем 50 нм, служил опорной поверхностью. Периметр диска был обработан на станке, чтобы избежать нарастания толщины r-GO во время покрытия. На этот диск, сначала очищенный изопропанолом, был нанесен тонкий слой адезивного грунтовочного покрытия (надосадочная жидкость Microlite HST-XE 20). Загрунтованный диск был помещен в установку для нанесения покрытий методом центрифугирования и смочен суспензией r-GO. Затем диск приводили во вращение со скоростью 1,200 об/мин. Полученное тонкое покрытие r-GO (графен) сушили, при продолжении вращения, горячим воздухом от воздуходувки при температуре не выше 80ºС. Когда слой становился сухим, процедуру нанесения покрытия методом центрифугирования повторяли, пока не были использованы все 9 граммов суспензии r-GO. Нанесение покрытия методом центрифугирования было использовано для того, чтобы пластинчатые графеновые слои были нанесены как ориентированное многослойное покрытие.
Диск с нанесенным методом центрифугирования многослойным r-GO покрытием затем дополнительно сушили в течение 24 часов при 95ºС в вакуумной печи. После этой операции предварительной сушки диск переносили в печь (Ney Bulcan 3-1750), в которой его нагревали ступенями с нарастанием по 20ºС в течение 2 часа каждая, пока температура не достигнет 230ºС, при которой диск оставляли на 10 часов, чтобы обеспечить полную сушку. Высушенный диск хранили в эксикаторе до момента использования.
In
Тонкий стеклянный диск (диаметр 50 мм и толщина 100 мкм с напыленным на одной его стороне алюминием для контакта с зажимом заземления) был использован как заземленная конструкция, а r-GO диск был использован как незаземленная конструкция (причем r-GO обращен к стеклу безо всяких распорок, а подложка из нержавеющей стали служила контактом с внешним контуром). Устанавливали температуру T 180ºС и после откачки камеры и установления нулевого базового тока вводили гелий, который был использован как газовая среда.
Результаты
В присутствии 1,100 мбар гелия измеренный ток был около +150 пА, как это показано во вводе No. 59 в Таблице 6 ниже. В данной установке стекло служило акцептором электронов, a r-GO служил донором электронов. Этот эксперимент показывает, что пластинчатые материалы могут быть использованы в устройстве в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
Эксперимент XIII
В проведенных выше экспериментах было показано, что различные материалы, имеющие широкий диапазон объемной проводимости, подходят для использования в качестве поверхностей устройства в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения. В данном эксперименте были изучены поверхности, изготовленные из полупроводников, в семи экспериментальных прогонах.
Материалы и методика
В прогоне (а) диск из легированной фосфором кремниевой пластины (полированный с двух сторон, имеющий диаметр 50.8 мм, толщину 300 мкм и шероховатость меньше чем 1 нм) с поверхностной кристаллографической ориентацией <100> и электрическим удельным сопротивлением 8-12 Ω·см был использован как заземленная конструкция.
В прогоне (b) диск из легированной бором кремниевой пластины, имеющей такие же размеры и кристаллографическую ориентацию, но электрическое удельное сопротивление 0.1-1.2 Ω·см, был использован как заземленная конструкция.
В обоих прогонах (а) и (b) диск из алюминия (толщиной 200 нм, напыленный на плоский стеклянный диск диаметром 40 мм и толщиной 5 мм) был использован как незаземленная конструкция.
В прогоне (с) были спарены диски из кремниевых пластин прогонов (а) и (b), а именно описанный выше диск из легированной фосфором кремниевой пластины был использован как заземленная конструкция, а диск из легированной бором кремниевой пластины был использован как незаземленная конструкция.
В прогоне (d) диск из легированной фосфором кремниевой пластины (полированный с двух сторон, имеющий диаметр 50.8 мм, толщину 140 мкм и шероховатость меньше чем 1 нм) с поверхностной кристаллографической ориентацией <110> и электрическим удельным сопротивлением 0.7-1.3 Ω·см был использован как заземленная конструкция, а диск из гадолиния (толщиной 560 нм, напыленный на плоский стеклянный диск диаметром 40 мм и толщиной 5 мм) был использован как незаземленная конструкция.
In
Во всех прогонах (a)-(d) заземленная и незаземленная конструкции были обращены друг к другу безо всяких распорок. Гелий был использован как газовая среда при постоянном давлении 1,100 мбар и при внутренней температуре T, различной для каждого прогона, как указано ниже, но всегда с общей точкой при 200ºС.
In
Eх
В прогонах (e)-(g) диск из алюминия, как и в прогонах (а)-(b), был использован как заземленная конструкция, а диск из легированной фосфором кремниевой пластины, как и в прогоне (а), был использован как незаземленная конструкция. Распорки из оксида алюминия, имеющие среднюю высоту 7 мкм, были нанесены в виде покрытия при помощи центрифугирования на заземленную конструкцию, как это описано в Эксперименте I. Задавали температуру внутреннего нагревателя T=250ºС и температуру внешнего нагревателя Т=70ºС. Вводили газовую среду, после откачки камеры, при постоянном давлении 1,100 мбар. Газовой средой был ксенон в прогоне (е), аргон в прогоне (f) и гелий в прогоне (g).
Результаты
Результаты этого эксперимента показаны как вводы Nos. 44-50 в Таблице 6 ниже.
In
In
Как это показано во вводах Nos. 44-47, когда по меньшей мере одна из поверхностей, которую используют безо всяких распорок, изготовлена из полупроводникового материала, тогда измеренный ток резко возрастает на порядок в наноамперном диапазоне. В прогоне (а) повышение T от 150ºС до 200ºС приводит к росту тока от 8.5 нА до 52 нА. В прогоне (b) такое же повышение внутренней температуры приводит к росту тока от -2.7 до -15 нА. Отрицательный ток указывает, что в этой схеме легированная бором кремниевая пластина служит донором электронов. В прогоне (с) была испытана пара, которая содержит две различно легированные кремниевые пластины, при температуре T=200ºС, при этом измеренный ток был 0.9 нА.
Как это показано во вводах Nos. 48-50, когда используют распорки между металлической и полупроводниковой поверхностями, измеренный ток был 0.24 пА, когда газовой средой был ксенон, и 1 пА, когда газовой средой был аргон или гелий. Несмотря на то, что наличие распорок вызывает резкое падение измеренного тока, он все еще остается значительным. Эти эксперименты показывают, что полупроводниковые материалы могут быть использованы в устройстве в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения. Одним из преимуществ материалов, имеющих среднюю объемную проводимость, таких как полупроводники, является то, что они являются достаточно проводящими для пропускания тока и достаточно непроводящими, что позволяет их использовать безо всяких распорок.
Эксперимент XIV
В данном эксперименте была изучена возможность активирования поверхности in situ (на месте) при помощи электроосаждения в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
Материалы и методика
Тонкий стеклянный диск с напыленным на одной его стороне хромом для контакта (контакта с зажимом заземления) (диаметром 50 мм, толщиной 100 мкм и с шероховатостью поверхности меньше чем 50 нм) был использован как заземленная конструкция. Диск из r-GO (приготовленный в соответствии с описанным в Эксперименте XII) был использован как незаземленная конструкция. Раствор Isopar L, который содержит в качестве электроактивной разновидности 0.01 вес.% петроната натрия L (Witco), был нанесен на поверхность стекла. Оксид r-GO был нанесен поверх неполярного раствора безо всяких распорок. На первой стадии незаземленная r-GO конструкция была соединена через ее стальную опору с положительным зажимом источника напряжения и +100 В были приложены на 2 часа при комнатной температуре.
In
После электроосаждения активированный гальванический элемент, который остается под напряжением смещения, был нагрет до T=120ºС и камеру откачивали в течение 10 часов для удаления раствора на основе Isopar L и любой остаточной влажности. Гальванический элемент был полностью разряжен за счет короткого замывания поверхностей, за счет чего создавали нулевой базовый ток. Гелий вводили как газовую среду при постоянном давлении 1,100 мбар.
Результаты
Как это показано во вводе No. 61 в Таблице 6 ниже, когда по меньшей мере одну из поверхностей активируют за счет процесса электроосаждения, измеренный ток составляет около 130 пА. Следует иметь в виду, что при той же самой температуре около 120ºС неактивированный гальванический элемент стекло - r-GO генерирует ток около 2 пА. Этот эксперимент показывает, что активирование поверхностей в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения приводит к значительному росту генерируемого тока, ориентировочно на два порядка величины.
Следует иметь в виду, что во всех описанных выше экспериментах отсутствует падение газового давления, что указывает на то, что газ не расходуется за счет газовой реакции.
In
Eх
В Таблицу 6 сведены результаты, полученные в экспериментах I-XIV и в других экспериментах, выполненных с использованием установки, показанной на фиг.11. В Таблице 6 нет данных, указывающих на то, что данный ввод неприменим. Стекло означает, что использованной поверхностью был тонкий стеклянный диск, имеющий диаметр 50 мм, толщину 100 мкм и шероховатость меньше чем 50 нм. Показанной температурой является соответственно температура T и/или Т.
Таблица 6
No.
Поверхность заземленной конструкции
Поверхность не заземленной конструкции
Распорки
Газ
Условия измерения Р (мбар)
Измеренный ток (пА)
Т<sub>In</sub> (ºС)
T<sub>Ex</sub> (ºC)
1
Гадолиний
Алюминий
Оксид алюминия, 5 мкм
C<sub>3</sub>F<sub>8</sub>
Р 5-23 мбар
от -0.2 до -0.4 пА
Т<sub>In</sub> 400ºС
2
Алюминий
Гадолиний
Оксид алюминия, 3 мкм
Гелий
Р 400 мбар Т<sub>In</sub> 200ºС
+0.06 пА
3
Алюминий
Гадолиний
Оксид алюминия. 1 мкм
С<sub>3</sub>F<sub>8</sub>
Р 7 мбар
+0.15 пА
Т<sub>In</sub> 230ºС
T<sub>Ex</sub> 50ºС
No.
Поверхность заземленной конструкции
Поверхность не заземленной конструкции
Распорки
Газ
Условия измерения Р (мбар)
Измеренный ток (пА)
Т<sub>In</sub> (ºС)
T<sub>Ex</sub> (ºС)
4
Алюминий
Гадолиний
Чешуйки слюды, 300 нм
С<sub>3</sub>F<sub>8</sub>
Р 10 мбар
+0.13 пА
T<sub>In</sub> 180ºC
5
Macor
Алюминий
нет данных
Аргон
P 135 мбар
+1.9 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
6
Macor
Алюминий
нет данных
Гелий
Р 525 мбар
+4.0 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
7
Macor
Алюминий
нет данных
Криптон
Р 75 мбар
+1.3 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
8
Macor
Алюминий
нет данных
Неон
Р 300 мбар
+1.9пА
T<sub>In</sub> 200ºC
9
Macor
Алюминий
нет данных
Ксенон
Р 45 мбар
+0.5 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
10
Macor
Алюминий
нет данных
N<sub>2</sub>
Р 113 мбар
+2.2 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
11
Macor
Алюминий
нет данных
SF<sub>6</sub>
Р 30 мбар
+1.6 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
12
Macor
Алюминий
нет данных
CF<sub>4</sub>
Р 53 мбар
+1.7пА
T<sub>In</sub> 200ºC
13
Macor
Алюминий
нет данных
C<sub>3</sub>F<sub>8</sub>
Р 22 мбар
+1.3 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
14
Macor
Алюминий
нет данных
CF<sub>4</sub>+
Р 12.5 мбар
+1.7пА
C<sub>3</sub>F<sub>8</sub>
T<sub>In</sub> 200ºC
15
Macor
Алюминий
нет данных
Воздух
Р 225 мбар
+2.6 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
16
Стекло
Алюминий
нет данных
Аргон
Р 170 мбар
+2.3 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
TEx 70ºC
17
Стекло
Алюминий
нет данных
Криптон
Р 120 мбар
+2.0 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
T<sub>Ex</sub> 70ºC
18
Стекло
Алюминий
нет данных
Гелий
Р 1,000 мбар
+3.0 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
T<sub>Ex</sub> 70ºC
19
Стекло
Алюминий
нет данных
Ксенон
Р 135 мбар
+1.4пА
T<sub>In</sub> 200ºC
T<sub>Ex</sub> 70ºC
No.
Поверхность заземленной конструкции
Поверхность не заземленной конструкции
Распорки
Газ
Условия измерения Р (мбар)
Измеренныйток (пА)
T<sub>In</sub> (ºC)
T<sub>Ex</sub> (ºC)
20
Стекло
Алюминий
нет данных
СН<sub>4</sub>
Р 170 мбар
+3.5 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
T<sub>Ex</sub> 70ºC
21
Стекло
Хром
нет данных
Аргон
Р 320 мбар
+0.3 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
22
Стекло
Хром
нет данных
Гелий
Р 1,300 мбар
+1.2 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
23
Стекло
Хром
нет данных
Ксенон
Р 200 мбар
+0.2 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
24
Алюминий
Стекло
нет данных
Воздух
Р 811 мбар
-1.1 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
25
Алюминий
Флогопит
нет данных
Гелий
Р 300 мбар
от +0.004 до 2.1 пА
T<sub>In</sub> 200-400ºC
26
Легированная нитроцеллюлоза
Нержавеющаясталь
нет данных
Аргон
Р 100 мбар
от +0.076 до 20.3 пА
T<sub>In</sub> 25-87ºC
27
Стекло
Алюминий
нет данных
Гелий
Р 300 мбар
от +0.065 до 0.4 пА
T<sub>Ex</sub> 60-100ºC
28
Масог
Алюминий
нет данных
Аргон
Р 300 мбар
от +0.011 до 3.67 пА
T<sub>In</sub> 100-200ºC
29
Стекло
Хром
Оксид алюминия, 3 мкм
Ксенон
Р 130 мбар
от +0.078 до 17 пА
T<sub>In</sub> 150-250ºC
30
Алюминий
Стекло
Нет данных
Гелий
Р 300 мбар
-0.1 пА
T<sub>Ex</sub> 60ºC
31
Легированная нитроцеллюлоза
Нержавеющая сталь
Нет данных
Аргон
Р 100 мбар
от +0.8 до 1.25 пА
T<sub>In</sub> 80ºC
T<sub>Ex</sub> 18-24ºC
32
Стекло
Хром
Оксид алюминия, 1 мкм
Аргон
Р 200 мбар
+0.14 пА
TIn 150ºC
33
Стекло
Хром
Оксид алюминия. 1 мкм
Гелий
Р 500 мбар
+0.3 пА
T<sub>In</sub> 150ºC
34
Стекло
Хром
Оксид алюминия. 1 мкм
Ксенон
Р 110 мбар
+0.08 пА
TIn 150ºC
35
Стекло
Хром
Оксид алюминия. 3 мкм
Аргон
Р 120 мбар
+0.07 пА
T<sub>In</sub> 150ºC
No.
Поверхность заземленной конструкции
Поверхность не заземленной конструкции
Распорки
Газ
Условия измерения Р (мбар)
Измеренный ток (пА)
T<sub>In</sub> (ºC)
T<sub>Ex</sub> (ºC)
36
Стекло
Хром
Оксид алюминия, 3 мкм
Гелий
Р 400 мбар
+0.1 пА
T<sub>In</sub> 150ºC
37
Стекло
Хром
Оксид алюминия, 3 мкм
Ксенон
Р 200 мбар
+0.06 пА
T<sub>In</sub> 150ºC
38
Стекло
Хром
Оксид алюминия, 3 мкм
Ксенон
Р 130 мбар
+17 пА
T<sub>In</sub> 250ºC
39
Стекло
Хром
Оксид алюминия, 7 мкм
Аргон
Р 320 мбар
+2.3 пА
T<sub>In</sub> 250ºC
40
Стекло
Хром
Оксид алюминия,7 мкм
Гелий
Р 1,000 мбар
+5пА
T<sub>In</sub> 250ºC
41
Стекло
Хром
Оксид алюминия.7 мкм
Ксенон
Р 240 мбар
+1 пА
T<sub>In</sub> 250ºC
42
Стекло
Алюминий
нет данных
Водяной пар
Р 7 мбар
+0.6 пА
T<sub>In</sub> 60ºC
43
Стекло
Алюминий
нет данных
Водяной пар
Р 27 мбар
-12 пА
T<sub>In</sub> 60ºC
44
Ph легированная Si пластина (8-12 Oм.см)
Алюминий
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
от +8.5×10<sup>3 </sup>до 52×10<sup>3</sup> пА
T<sub>In</sub> 150-200ºC
45
Во легированная Si пластина (0.1-1.2 Ом.см)
Алюминий
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
от -2.7 до -15×10<sup>3 </sup>пА
T<sub>In</sub> 150-200ºC
46
Ph легированная Si пластина (8-12 Ом.см)
Во легированная Si пластина (0.1-1.2 Ом.см)
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
+0.9×10<sup>3</sup> пА
T<sub>In</sub> 200ºC
47
Ph легированная Si пластина (8-12 Ом.см)
Гадолиний
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
от +6.5×10<sup>3 </sup>до 110×10<sup>3 </sup>пА
T<sub>In</sub> 110-195ºC
48
Алюминий
Ph легированная Si пластина (8-12 Ом.см)
Оксид алюминия, 7 мкм
Ксенон
Р 1,100 мбар
+0.24 пА
T<sub>In</sub> 250ºC
T<sub>Ex</sub> 70ºC
No.
Поверхность заземленной конструкции
Поверхность не заземленной конструкции
Распорки
Газ
Условия измерения Р (мбар)
Измеренный ток (пА)
T<sub>In</sub> (ºC)
T<sub>Ex</sub> (ºC)
49
Алюминий
Ph легированная Si пластина (8-12 Ом.см)
Оксид алюминия. 7 мкм
Аргон
Р 1,100 мбар
+1 пА
T<sub>In</sub> 250ºC
T<sub>Ex</sub> 70ºC
50
Алюминий
Ph легированная Si пластина (8-12 Ом.см)
Оксид алюминия, 7 мкм
Гелий
Р 1,100 мбар
+1 пА
T<sub>In</sub> 250ºC
TEx 70ºC
51
SiO<sub>2</sub>
WO<sub>3</sub>
нет данных
Гелий
Р 500 мбар
от +1.25 до 1.50пА
T<sub>In</sub> 250-300ºC
52
BN
Алюминий
Оксид алюминия. 1 мкм
Гелий
Р 1,100 мбар
-1 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
53
Алюминий
BN
Оксид алюминия. 1 мкм
Гелий
Р 1,100 мбар
+0.2 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
54
Стекло
Алюминий
Оксид алюминия, 3 мкм
Гелий
Р 750 мбар
+1.6 пА
T<sub>In</sub> 200ºC
TEx 70ºC
55
AlN
MnO<sub>2</sub>
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
+0.2 пА
T<sub>In</sub> 180ºC
56
SiO<sub>2</sub>
МnО<sub>2</sub>
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
+6пА
T<sub>In</sub> 180ºC
57
Алюминий
Mn-Ni-0
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
+1 пА
T<sub>In</sub> 180ºC
58
SiO<sub>2</sub>
Mn-Ni-0
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
+2пА
T<sub>In</sub> 180ºC
59
Стекло
r-GO (графен)
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
+150 пА
T<sub>In</sub> 180ºC
60
Стекло
Cr<sub>3</sub>Si-SiO<sub>2</sub>
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
+1 пА
T<sub>In</sub> 180ºC
61
Стекло
Мо
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
+8пА
T<sub>In</sub> 180ºC
62
Активированное стекло
Активированый r-GO
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
+130 пА
T<sub>In</sub> 120ºC
63
Стекло
r-GO (графен)
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
от +0.008 до 86 пА
T<sub>In</sub> 72-180ºC
64
Стекло
Cr<sub>3</sub>Si-SiO2
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
от +0.015 до 0.48 пА
T<sub>In</sub> 126-180ºC
No.
Поверхность заземленной конструкции
Поверхность не заземленной конструкции
Распорки
Газ
Условия измерения Р (мбар)
Измеренный ток (пА)
T<sub>In</sub> (ºC)
T<sub>Ex</sub> (ºC)
65
Стекло
Мо
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
+0.015 до 3 пА
T<sub>In</sub> 111-180ºC
66
Стекло
МnO<sub>2</sub>
нет данных
Гелий
Р 1,100 мбар
от +0.043 до 0.16 пА
T<sub>In</sub> 136-180ºC
Таблица 6 показывает, что электрический ток можно генерировать с использованием устройств и способов в соответствии с различными примерными вариантами осуществления настоящего изобретения. Эксперименты показали, что измеренный ток и напряжение возникают за счет взаимодействий между выбранными материалами и газовой средой. Это подтверждается зависимостью тока от температуры и давления, а также тем фактом, что ток не наблюдается в вакууме, и тем фактом, что направление тока изменяется на обратное, когда инвертируют конструкции гальванического элемента. Эксперименты дополнительно показали, что ток возникает даже при использовании благородных газов и/или инертных материалов, что исключает электрохимические реакции. Эксперименты также показали, что направление тока является противоположным направлению тока, который может возникать за счет электрохимических процессов.
Тот факт, что полное напряжение батареи из множества пар конструкций равно соответствующему кратному напряжения одной пары (Эксперимент V), дополнительно подтверждает, что измеренная электрическая мощность, генерируемая в соответствии с настоящим изобретением, не создается за счет какого-либо внешнего контура или за счет нежелательных экспериментальных погрешностей.
Наблюдения, сделанные в связи с генерированием тока и напряжения в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, хорошо согласуются с механизмом опосредованной газом передачи заряда, открытым авторами настоящего изобретения. Было показано, что выработка электричества в случае использования различных поверхностей с различной переносимостью заряда происходит в диапазоне проводимости, перекрывающем несколько  порядков величины. Было обнаружено, что многие газы подходят для использования в различных режимах эксплуатации. Зависимость эффективности от температуры и давления свидетельствует о существовании механизма опосредованной газом передачи заряда в соответствии с настоящим изобретением. Эксперименты показали, что в соответствии с настоящим изобретением ток, уже значительно превышающий шум при комнатной температуре, растет экспоненциально при повышении температуры (фиг.15). Для данной пары смещенных друг от друга поверхностей и при использовании специфического газа ток достигает плато максимального значения при пороговом давлении, которое коррелирует с размером газовых молекул. Для данной пары поверхностей и при использовании специфического газа чем меньше зазор, тем больше измеренный ток, и чем меньше зазор, тем выше пороговое давление, при котором возникает максимальный ток.
Экспериментальные данные четко подтверждают следующий основной механизм настоящего изобретения: эффект опосредованной газом передачи заряда преобразует тепловую энергию непосредственно в электрический ток.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на специфические варианты его осуществления, следует иметь в виду, что в него специалистами в данной области могут быть внесены различные изменения, модификации и вариации. Соответственно, настоящее изобретение охватывает все такие изменения, модификации и вариации, которые соответствуют духу настоящего изобретения и подпадают под действие приложенной формулы изобретения в ее широком толковании. Например, устройство на фиг.2 показано как имеющее параллельные колонки последовательно включенных гальванических элементов. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения гальванические элементы могут быть установлены с перекрытием, так что они образуют не параллельные колонки, а скорее более сложные конструкции гальванических элементов, такие как кирпичи или случайные конструкции. Дополнительно, в то время как распорки описаны как образованные из частиц или отдельных элементов, неровности поверхности (шероховатость поверхности) частично электропроводящих поверхностей сами по себе могут образовывать распорки, так что только небольшой процент одной поверхности реально имеет контакт с другой поверхностью, при этом полная проводимость между поверхностями остается низкой, несмотря на то, что имеется контакт поверхностных неровностей. Кроме того, несмотря на то, что в соответствии с настоящим изобретением описаны способы и устройства, которые работают при комнатной температуре или при близкой к ней температуре, заявленный способ может быть осуществлен при повышенных температурах, таких как 50, 100, 150, 200 или 400ºС, а также при более высоких, промежуточных и при более низких температурах.
Все публикации, патенты и заявки на патенты, упомянутые в описании настоящего изобретения, включены в него в том объеме, который соответствует объему каждой индивидуальной специфической публикации, патента и заявки на патент. Кроме того, любую ссылку в описании настоящего изобретения не следует рассматривать как известный уровень техники. Разделение на секции в описании настоящего изобретения не следует считать вносящим ограничение патентных притязаний.