BR112020024374A2

BR112020024374A2 - Dispositivos e sensores de captação de energia, e métodos de produção e uso dos mesmos

Info

Publication number: BR112020024374A2
Application number: BR112020024374-4A
Authority: BR
Inventors: Paul Thibado
Original assignee: Board Of Trustees Of The University Of Arkansas
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2021-08-24
Also published as: KR102695700B1; KR20210018836A; CO2020016155A2; MX2020012937A; PE20211258A1; EP3803991A1; JP2021525999A; CA3101791A1; JP7294682B2; CL2020003107A1; WO2019232232A1; US20190386584A1; CN112514087A; EP3803991A4; CN118119263A; AU2019278835A1; CN112514087B

Abstract

dispositivos e sensores de captação de energia, e métodos de produção e uso dos mesmos. são revelados no presente documento dispositivos e sensores de captação de energia, e métodos de produção e uso dos mesmos. os dispositivos de captação de energia podem compreender uma membrana disposta em um substrato, em que a membrana compreende um material bidimensional (2d) e uma ou mais ondulações; e um componente eletricamente, magneticamente, eletromagneticamente, eletrostaticamente/ capacitivamente, piezoeletricamente, magnetostritivamente e/ou mecanicamente acoplado à membrana e/ou ao substrato, de tal modo que o componente esteja configurado para captar energia da membrana. os sensores podem compreender uma membrana disposta em um substrato, em que a membrana compreende um material bidimensional ou uma ou mais ondulações; e um componente eletricamente, magneticamente, eletromagneticamente, eletrostaticamente/capacitivamente, piezoeletricamente, magnetostritivamente e/ou mecanicamente acoplado à membrana e/ou ao substrato, de tal modo que o componente esteja configurado para detectar um sinal da membrana.

Description

DISPOSITIVOS E SENSORES DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA, E MÉTODOS DE PRODUÇÃO E USO DOS MESMOS REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001]Este pedido reivindica a prioridade e o benefício do Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos de nº de série 62/677.826 depositado em 30 de maio de 2018 e do Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos de nº de série 62/741.234 depositado em 4 de outubro de 2018, ambos dos quais são incorporados por referência como se expostos totalmente neste documento.

DECLARAÇÃO SOBRE PESQUISA PATROCINADA FEDERALMENTE

[002]Nem os pedidos prioritários nem este pedido usaram fundos do governo ou se beneficiaram de pesquisas patrocinadas pelo governo.

CAMPO

[003]A tecnologia divulgada refere-se, em geral, a dispositivos e sensores de captação de energia, e a métodos de produção e uso dos mesmos.

ANTECEDENTES

[004]A captação de energia de vibração é a prática de capturar energia de vibração de fontes externas de vibração (por exemplo, veículos, máquinas, edifícios e movimentos humanos). Essa energia captada pode, então, ser usada para várias aplicações. Em determinadas abordagens para captação de energia de vibração, uma placa é fixada em uma extremidade e irá vibrar para cima e para baixo entre dois extremos quando for excitada. Ao flexionar e oscilar entre os dois extremos, a tensão/estresse desenvolvidos sobre a superfície da placa podem ser usados para gerar energia. As vibrações na escala atômica são onipresentes, mesmo em um ambiente mecanicamente silencioso. Isso é devido ao fato do material ser mantido a uma temperatura acima do zero absoluto e são chamadas de vibrações térmicas. É com relação a essas e outras considerações que as várias modalidades descritas abaixo são apresentadas.

DESCRIÇÃO RESUMIDA

[005]De acordo com os propósitos dos dispositivos e métodos divulgados, tal como incorporados e amplamente descritos no presente documento, o assunto divulgado refere- se a dispositivos e sensores de captação de energia, e a métodos de produção e uso dos mesmos.

[006]Em uma modalidade, um sistema para captar energia vibracional inclui uma membrana independente conectada a um ou mais suportes e tem uma primeira superfície que está desobstruída e livre para vibrar em resposta à energia ambiente. A vibração da membrana define formações de ondulação cíclica ao longo da primeira superfície, em que cada formação de ondulação alterna entre um pico e uma depressão em uma respectiva região de janela de uma pluralidade de regiões de janela da membrana. Um microscópio de varredura por tunelamento (STM) é conectado ao sistema e tem uma ponta e uma fonte de tensão. A ponta do STM é posicionada próxima à membrana para definir uma região capacitiva respectiva de cargas entre a ponta do STM e as regiões de janela da membrana. A distância entre a ponta do STM e cada respectiva região de janela das regiões de janela da membrana varia com os respectivos picos e depressões. A região capacitiva entre a ponta do STM e cada região de janela da membrana armazena e emite as cargas em ciclos de acordo com a distância entre a ponta e a respectiva região de janela. Um capacitor de armazenamento fixo é conectado à membrana e recebe cargas emitidas a partir da região capacitiva quando a distância entre a ponta do STM e cada região de janela está aumentando durante os períodos de pico de ondulação. A fonte de tensão fornece cargas à região capacitiva quando a distância entre a ponta do STM e uma respectiva região de janela está diminuindo durante os períodos de ondulação.

[007]Em outra modalidade, a divulgação fornece um sistema para converter energia vibracional em uma saída de corrente com uma membrana independente conectada a um ou mais suportes e compreendendo uma primeira superfície que está desobstruída e livre para vibrar em resposta à energia ambiente. A vibração da membrana define formações de ondulação cíclica ao longo da primeira superfície, em que cada formação de ondulação alterna entre um pico e uma depressão em uma respectiva região de janela de uma pluralidade de regiões de janela da membrana. Um microscópio de varredura por tunelamento (STM) com uma ponta é posicionado próximo à membrana e o STM inclui uma fonte de tensão definindo uma corrente de ajuste entre a ponta e a membrana para definir uma respectiva região capacitiva de cargas entre a ponta e as regiões de janela da membrana. A distância entre a ponta do microscópio e cada região de janela da membrana varia com os respectivos picos e depressões, e a região capacitiva armazena e emite as cargas em ciclos em resposta à distância entre a ponta e as regiões de janela e de acordo com o tunelamento de cargas adicionais através da região capacitiva. Um capacitor de armazenamento fixo é conectado à membrana e recebe cargas emitidas e cargas de tunelamento adicionais a partir da região capacitiva quando a distância entre a ponta do microscópio e uma respectiva região de janela está aumentando durante os períodos de pico de ondulação na respectiva região de janela.

[008]Em ainda outra modalidade, um sistema para converter energia vibracional em uma saída de corrente inclui um circuito de captação de corrente em um substrato, em que o circuito de captação de corrente compreende um contato de metal comum conectado por respectivos diodos orientados correspondentes a uma fonte de tensão e um capacitor de armazenamento fixo. Uma membrana independente se estende ao longo de pelo menos o contato de metal comum no circuito de captação de corrente, de tal modo que o contato de metal comum é separado da membrana por um suporte de espaçamento e está voltado para uma primeira superfície da membrana para definir uma região capacitiva entre o contato de metal comum e a primeira superfície da membrana. A primeira superfície da membrana está desobstruída e livre para vibrar em resposta à energia ambiente, em que a vibração da membrana define formações de ondulação cíclica ao longo da primeira superfície e em que cada formação de ondulação alterna entre um pico e uma depressão em relação ao contato comum. A região capacitiva entre o contato comum e a membrana acumula cargas entre o contato comum e a membrana, e o contato comum comuta uma saída de corrente de cargas acumuladas através de um dos respectivos diodos para direcionar a saída de corrente para tanto a fonte de tensão quanto o capacitor de armazenamento fixo em resposta às formações de ondulação cíclica na membrana.

[009]Em outra modalidade não limitante desta divulgação,

um método de montagem de um circuito de captação de energia inclui a formação de uma região capacitiva no circuito de captação de energia definindo uma primeira placa de capacitor tendo uma distância de separação inicial em relação a uma primeira superfície de um membrana independente, em que a primeira superfície da membrana independente define uma segunda placa de capacitor, em seguida, conectando a primeira placa de capacitor a uma fonte de tensão configurada para induzir o acúmulo de carga na região capacitiva. Em seguida, a membrana é posicionada em relação à primeira placa de capacitor de tal modo que a membrana esteja desobstruída e livre para vibrar em resposta à energia ambiente, em que a vibração da membrana define formações de ondulação cíclica ao longo da primeira superfície e em que cada formação de ondulação alterna entre um pico e uma depressão em relação à primeira placa de capacitor para alterar a distância de separação inicial. O método inclui descarregar a região capacitiva através de um respectivo diodo para direcionar cargas acumuladas para a fonte de tensão ou um carregamento, em que descarregar a região capacitiva compreende direcionar as cargas à fonte de tensão e direcionar as cargas ao carregamento durante um pico.

[010]Outra modalidade divulga um método de montagem de um circuito de captação de energia impregnando uma camada isolante de uma membrana independente com portadores de carga fixos e formando uma região capacitiva no circuito de captação de energia, definindo uma primeira placa de capacitor tendo uma distância de separação inicial em relação a uma primeira superfície da membrana independente. A primeira superfície da membrana independente define uma segunda placa de capacitor tendo os portadores de carga fixos. O método permite ainda posicionar a membrana em relação à primeira placa de capacitor de tal modo que a membrana esteja desobstruída e livre para vibrar em resposta à energia ambiente e alterar uma capacitância da região capacitiva, em que a vibração da membrana define formações de ondulação cíclica ao longo da primeira superfície, e em que cada formação de ondulação alterna entre um pico e uma depressão em relação à primeira placa de capacitor para alterar a distância de separação inicial. Durante os períodos de vibração, a carga acumulada é direcionada da primeira placa de capacitor para a região capacitiva. A carga acumulada pode ser descarregada a partir da região capacitiva através de pelo menos uma de um carregamento resistivo e um capacitor de armazenamento fixo.

[011]As vantagens adicionais dos dispositivos e métodos revelados serão apresentadas em parte na descrição a seguir, e em parte serão óbvias a partir da descrição. As vantagens dos dispositivos divulgados serão realizadas e alcançadas por meio dos elementos e combinações particularmente indicados nas reivindicações anexas. Deve ser entendido que tanto a descrição geral anterior como a descrição detalhada seguinte são somente exemplificativas e explicativas e não são restritivas dos dispositivos e métodos revelados, como reivindicado.

[012]Os detalhes de uma ou mais modalidades da invenção são apresentados nas figuras anexas e na descrição abaixo. Outras características, objetos e vantagens da invenção serão evidentes a partir da descrição e figuras, e das reivindicações.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[013]As figuras anexas, que são incorporadas e fazem parte deste relatório descritivo, ilustram vários aspectos da divulgação e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da divulgação.

[014]A Figura 1A é uma vista em perspectiva de uma membrana sujeita a formação de ondulação, conforme divulgado neste documento.

[015]A Figura 1B é um esquema de um sistema de captação e detecção de energia, conforme estabelecido nesta divulgação.

[016]A Figura 2A é uma vista superior de uma membrana sujeita a uma força compressiva que interage com a formação de ondulação vibracional de acordo com esta divulgação.

[017]A Figura 2B é uma vista lateral de uma membrana sujeita a forças compressivas laterais opostamente direcionadas e forças vibracionais ascendentes em pontos ao longo de uma borda de uma porção de uma membrana que mostra a formação de ondulação vibracional de acordo com esta divulgação.

[018]A Figura 2C é uma vista lateral de uma membrana sujeita a forças compressivas laterais opostamente direcionadas e forças vibracionais opostamente direcionadas em pontos ao longo de uma borda de uma membrana que mostra a formação de ondulação vibracional de acordo com esta divulgação.

[019]A Figura 2D é uma vista lateral de uma membrana tensa deslocada para uma formação de ondulação por forças compressivas e vibracionais, conforme descrito neste documento.

[020]A Figura 3A é uma vista esquemática de um circuito de capacitor variável tendo uma placa fixa e uma placa deslocável, conforme estabelecido neste documento.

[021]A Figura 3B é um gráfico da corrente em nanoamperes descarregada de um capacitor de armazenamento conectado ao circuito da Figura 3A.

[022]A Figura 4A é um diagrama esquemático de uma capacitância variável através de uma placa de capacitor fixa e uma placa de capacitor deslocável carregando devido a uma fonte de tensão, conforme estabelecido neste documento.

[023]A Figura 4B é um diagrama esquemático de uma capacitância variável através de uma placa de capacitor fixa e uma placa de capacitor deslocável descarregando para um carregamento de capacitor de armazenamento fixo e carregando a fonte de tensão, conforme estabelecido neste documento.

[024]A Figura 4C é um diagrama esquemático de um capacitor de armazenamento descarregando através de um carregamento amperométrico resistivo, conforme estabelecido neste documento.

[025]A Figura 5 é um gráfico de carga acumulada em nano- coulombs em um capacitor de armazenamento após operar o circuito nas Figuras 4A e 4B para o tempo mostrado e os pontos de ajuste de corrente de tunelamento para o microscópio, conforme divulgado neste documento.

[026]A Figura 6 é um gráfico de energia em pico-Joules armazenado em um capacitor de armazenamento após operar o circuito nas Figuras 4A e 4B para o tempo mostrado e as correntes de ponto de ajuste de corrente de tunelamento para o microscópio, conforme divulgado neste documento.

[027]A Figura 7 é um gráfico de carga armazenada em nano-

Coulombs no capacitor de armazenamento após 50 segundos de tempo de captação de energia em numerosas correntes de ponto de ajuste para o microscópio, conforme divulgado neste documento.

[028]A Figura 8 é um gráfico de carga armazenada em nano- Coulombs no capacitor de armazenamento após 100 segundos de tempo de captação em numerosas correntes de ponto de ajuste para o microscópio, conforme divulgado neste documento.

[029]A Figura 9 é um gráfico de carga armazenada em nano- Coulombs no capacitor de armazenamento após 200 segundos de tempo de captação em numerosas correntes de ponto de ajuste para o microscópio, conforme divulgado neste documento.

[030]A Figura 10 é um gráfico de carga armazenada em nano-Coulombs no capacitor de armazenamento após 500 segundos de tempo de captação em numerosas correntes de ponto de ajuste para o microscópio, conforme divulgado neste documento.

[031]A Figura 11 é uma vista esquemática que ilustra fontes de corrente descarregada e corrente de tunelamento através de um capacitor variável que inerentemente incorpora uma resistência variável, conforme divulgado neste documento.

[032]A Figura 12A é uma vista esquemática de um circuito de sensor usando um amperímetro para medir uma ou ambas a corrente emitida e a corrente de tunelamento através de uma região de capacitância variável, conforme descrito neste documento.

[033]A Figura 12B é um gráfico da corrente descarregada ao longo do tempo de um capacitor variável através de um amperímetro ao usar grafeno independente, conforme divulgado neste documento.

[034]A Figura 12C é um gráfico da corrente de tunelamento ao longo do tempo de um capacitor variável através de um amperímetro ao usar grafeno rígido, conforme divulgado neste documento.

[035]A Figura 12D é um gráfico dos valores de desvio padrão para corrente descarregada para ambos grafeno independente e grafeno rígido como uma função da corrente de tunelamento de ponto de ajuste para um microscópio de varredura por tunelamento, conforme divulgado neste documento.

[036]A Figura 12E é uma vista esquemática de um circuito sensor com capacitância parasita inerente usando um amperímetro para medir a corrente através de uma região de capacitância variável, conforme descrito neste documento.

[037]A Figura 12F é um gráfico da corrente captada ao longo do tempo de um capacitor variável através de um amperímetro para ambos grafeno independente e grafeno rígido, conforme divulgado neste documento.

[038]Figura 12G é um gráfico dos valores de desvio padrão para corrente descarregada para membrana de grafeno independente e uma amostra rígida de grafeno em carboneto de silício como uma função da corrente de ponto de ajuste para um microscópio de varredura por tunelamento, como divulgado neste documento.

[039]A Figura 12H é uma vista esquemática de um circuito sensor usando um amperímetro para medir uma ou ambas a corrente emitida e a corrente de tunelamento através de uma região de capacitância variável, conforme descrito neste documento.

[040]A Figura 12I é um gráfico da corrente captada sem corrente de tunelamento ao longo do tempo de um capacitor variável através de um amperímetro para três tensões de polarização diferentes, conforme divulgado neste documento.

[041]A Figura 12J é um gráfico da corrente captada sem corrente de tunelamento em função da tensão de polarização de ponto de ajuste para um microscópio de varredura por tunelamento, conforme divulgado neste documento.

[042]A Figura 13 é um gráfico da carga máxima armazenada em nano-Coulombs em um capacitor de armazenamento, conforme divulgado neste documento durante vários tempos de captação.

[043]A Figura 14 é um gráfico da energia máxima em pico- Joules armazenada em um capacitor fixo, conforme divulgado neste documento, durante vários tempos de captação.

[044]A Figura 15 é um gráfico da carga máxima armazenada em nano-Coulombs em um capacitor de armazenamento fixo, conforme divulgado neste documento, durante vários tempos de captação através de diferentes correntes de ponto de ajuste de tunelamento.

[045]A Figura 16 é um gráfico da energia armazenada em um capacitor de armazenamento fixo, conforme divulgado neste documento, durante vários tempos de captação através de diferentes correntes de ponto de ajuste.

[046]A Figura 17A é uma vista esquemática de uma matriz de capacitores variáveis em um circuito de captação de energia de acordo com a divulgação deste documento.

[047]A Figura 17B é uma vista em seção transversal de uma matriz em camadas de capacitores variáveis em um circuito de captação de energia de acordo com a divulgação deste documento.

[048]A Figura 18 mostra (a) ilustração de ondulações de ocorrência natural no grafeno independente. (b) Série de dados brutos de altura-tempo do STM adquiridos ao longo de

10.000 s mostrados com uma linha de tendência obtida de um algoritmo de filtro Wiener passa-baixa para isolar flutuações em grande escala. (c) Corrente de tunelamento medida associada aos dados mostrados em (b). (d) Dados de altura-tempo subtraídos de fundo mostrando somente as flutuações na altura da membrana. Os dados mostrados na altura zero são os dados de controle adquiridos de uma amostra de grafeno rígido. (e) Função de autocorrelação de altura () calculada a partir dos dados subtraídos de fundo mostrados em (d). (f) Densidade espectral de potência () calculada a partir dos dados do STM mostrados em (d).

[049]A Figura 19 mostra (a) geometria de ondulação convexa de dinâmica molecular, (b) série de altura-tempo de saída de simulação, (c) função de autocorrelação de altura, e (d) densidade espectral de potência da série de altura- tempo.

[050]A Figura 20 mostra (a) dados de altura-tempo de saída de simulação do modelo de membrana de spin (giro) e configurações em três momentos diferentes, (b) função de autocorrelação de altura ACF e (c) densidade espectral de potência.

[051]As Figuras 21A-21R são ilustrações iterativas de etapas para formar um circuito de captação de energia de acordo com esta divulgação usando padronização de feixe de elétrons.

[052]As Figuras 22A-22R são ilustrações iterativas de etapas para formar um circuito de captação de energia de acordo com esta divulgação usando fotolitografia.

[053]A Figura 23 é uma vista em perspectiva superior de um transdutor de energia formado em um substrato de acordo com esta divulgação.

[054]A Figura 24 é uma vista lateral de uma seção transversal do transdutor da Figura 23.

[055]A Figura 25 é uma vista superior de uma seção lateral esquerda do transdutor da Figura 24.

[056]A Figura 26 é uma vista lateral da seção transversal do transdutor da Figura 23.

[057]A Figura 27 é uma vista em perspectiva superior do transdutor de energia da Figura 23 com uma figura de inserção detalhada mostrando uma visão mais próxima de uma ponta e região de poço de acordo com esta divulgação.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[058]Os dispositivos e métodos descritos neste documento podem ser entendidos mais facilmente por referência à seguinte descrição detalhada de aspectos específicos do assunto revelado e dos Exemplos incluídos nos mesmos.

[059]Antes dos presentes dispositivos e métodos serem revelados e descritos, deve ser entendido que os aspectos descritos abaixo não estão limitados aos detalhes de construção e disposição dos componentes apresentados na descrição seguinte ou ilustrados nas figuras. A tecnologia divulgada tem capacidade para outras modalidades e de ser praticada ou executada de vários modos.

[060]Na descrição que se segue, são feitas referências às figuras anexas que formam uma parte da mesma e que mostram, a título ilustrativo, modalidades ou exemplos específicos.

[061]É também para ser entendido que a terminologia usada neste documento é para o propósito de descrever aspectos particulares somente e não pretende ser limitante. Na descrição de modalidades exemplares, a terminologia será usada por razões de clareza. Pretende-se que cada termo contemple o seu significado mais amplo como entendido pelos técnicos no assunto e inclui todos os equivalentes técnicos que operam de maneira semelhante para realizar um propósito semelhante. É também para ser entendido que a menção de uma ou mais etapas de um método não exclui a presença de etapas de método adicionais ou etapas de métodos intervenientes entre as etapas expressamente identificadas. As etapas de um método podem ser realizadas em uma ordem diferente das descritas neste documento sem sair do escopo da tecnologia divulgada. Da mesma forma, também deve ser entendido que a menção de um ou mais componentes em um dispositivo ou sistema não exclui a presença de componentes adicionais ou componentes intervenientes entre os componentes expressamente identificados.

[062]Além disso, ao longo deste relatório descritivo, várias publicações são referenciadas. As divulgações dessas publicações na sua totalidade são incorporadas neste documento por referência neste pedido de modo a descrever mais detalhadamente o estado da técnica a que o assunto divulgado pertence. As referências divulgadas são também individual e especificamente incorporadas por referência neste documento para o material contido nelas que é discutido na sentença em que a referência é invocada.

[063]O relatório descritivo faz referências a várias cargas elétricas de polaridade oposta, juntamente com a coleta de certas cargas positivas e negativas no hardware identificado. Nada neste relatório descritivo limita a divulgação a qualquer arranjo de polaridade positiva ou negativa em circunstâncias onde uma polaridade oposta também pode ser arranjada.

[064]O relatório descritivo ainda faz referência a picos e depressões de uma membrana independente sujeita a efeitos de ondulação devido a forças de energia externas e, se uma determinada estrutura da membrana é um pico ou uma depressão, depende da perspectiva, bem como da posição da membrana em relação a outra estrutura. Consequentemente, nada neste relatório descritivo detalhado requer qualquer orientação particular de estruturas ou hardware, e os termos "picos", "depressões" e "ondulações" não são limitados a qualquer orientação, mas são somente para fins de descrição.

DEFINIÇÕES

[065]Nesse relatório descritivo e nas reivindicações a seguir, será feita referência a um número de termos, que devem ser definidos para ter os seguintes significados:

[066]Ao longo da descrição e reivindicações deste relatório descritivo, a palavra “compreender” e outras formas da palavra, tais como “compreendendo” e “que compreende”, significam incluir, mas não se limitando a, e não se destinam a excluir, por exemplo, outros aditivos, componentes, números inteiros ou etapas.

[067]Conforme usado na descrição e nas reivindicações anexas, as formas singulares "um(a)" e "o/a" incluem referentes plurais, a menos que o contexto indique claramente o contrário. Assim, por exemplo, a referência a “uma composição” inclui misturas de duas ou mais de tais composições, a referência a “o composto” inclui misturas de dois ou mais de tais compostos, a referência a “um agente” inclui misturas de dois ou mais de tais agentes, e similares.

[068]Entende-se que ao longo deste relatório descritivo os identificadores "primeiro(a)" e "segundo(a)" são usados unicamente para ajudar o leitor a distinguir os vários componentes, características ou etapas do assunto divulgado. Os identificadores "primeiro(a)" e "segundo(a)" não têm a intenção de implicar qualquer ordem, quantidade, preferência ou importância específicas para os componentes ou etapas modificados por esses termos.

[069]O termo “ou combinações do(a) mesmo(a)”, como usado neste documento, refere-se a todas as permutações e combinações dos itens listados antes do termo. Por exemplo, “A, B, C ou combinações dos mesmos” destina-se a incluir pelo menos um dos seguintes: A, B, C, AB, AC, BC ou ABC, e se a ordem for importante em um contexto particular, também BA, CA, CB, CBA, BCA, ACB, BAC, ou CAB. Continuando com este exemplo, expressamente incluídas são combinações que contêm repetições de um ou mais itens ou termos, tais como BB, AAA, AB, BBC, AAABCCCC, CBBAAA, CABABB e assim por diante. O técnico no assunto compreenderá que normalmente não há limite no número de itens ou termos em qualquer combinação, a menos que aparente o contrário no contexto.

DISPOSITIVOS E SENSORES DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA

[070]São descritos no presente documento dispositivos 100 e sensores 195 de captação de energia. Os dispositivos e sensores de captação de energia podem compreender uma membrana 265 disposta sobre um substrato 258, em que a membrana 225 compreende um material bidimensional (2D) e uma ou mais ondulações tendo picos 286 e depressões 289, conforme mostrado na Figura 1A. Conforme ilustrado adicionalmente na Figura 1A, o substrato pode ser uma grade 258 definindo células de grade através de uma extensão do substrato para delinear regiões de janela 269 da membrana 265 sobreposta dentro de cada célula, como aqui discutido.

[071]Em uma modalidade exemplar, um dispositivo de captação de energia 100 tendo uma fonte de voltagem 105, 118, 200 para captação de energia de vibração ambiente é divulgado, tendo uma membrana bidimensional atômica 265 para flambagem a uma frequência relativamente baixa. A energia cinética vibracional anômala desses materiais bidimensionais, se usada como o componente ativo de um dispositivo de captação de energia 100, pode fornecer produção de energia superior quando comparada à tecnologia existente. Por exemplo, na atual tecnologia de captação de energia vibracional microeletromecânica (MEM) de silício, o componente ativo pode ser uma plataforma de silício de corrosão. Esta plataforma não vibra espontaneamente ou flamba mecanicamente porque é muito rígida. A “flambagem mecânica” é entendida nesta divulgação como um fenômeno não linear. As abordagens anteriores de estruturas MEM de silício são dispositivos de resposta linear. Em contraste, a membrana 265 dos dispositivos de captação de energia 100 descritos neste documento pode vibrar espontaneamente e flambar mecanicamente.

[072]O material bidimensional pode, por exemplo, compreender grafeno, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, ReS2, ReSe2, nitreto de boro (BN) ou uma combinação dos mesmos. Em certos exemplos, o material bidimensional pode compreender grafeno.

O grafeno pode incluir materiais de uma camada, materiais de duas camadas, materiais de três camadas e materiais de múltiplas camadas. Embora as modalidades exemplares deste documento indiquem que um material não limitante para a membrana independente é o grafeno, qualquer um dos materiais discutidos neste documento pode ser uma opção viável também para a membrana independente. Essas camadas podem ser empilhadas umas sobre as outras em orientações cristalográficas arbitrárias ou específicas, o que pode aperfeiçoar as propriedades vibracionais.

[073]A identidade do material bidimensional pode ser selecionada com base em uma variedade de fatores. Por exemplo, a rigidez à flexão varia entre os diferentes materiais bidimensionais e, portanto, diferentes frequências de vibração estariam disponíveis. Além disso, a condutividade elétrica dos vários materiais bidimensionais varia consideravelmente, o que pode controlar a eficiência da captação de energia usando uma abordagem eletrostática. Por conseguinte, a identidade do material bidimensional pode ser selecionada para controlar um ou mais desses parâmetros.

[074]Em alguns exemplos, a membrana 265 pode compreender grafeno independente que tem um componente de velocidade substancialmente grande na distribuição da probabilidade de velocidade. Em alguns exemplos, a membrana 265 pode exibir movimento não linear perpétuo à temperatura ambiente.

[075]A membrana 265 pode, por exemplo, ter uma espessura média de 0,3 nanômetros (nm) ou mais (por exemplo, 0,4 nm ou mais, 0,5 nm ou mais, 0,6 nm ou mais, 0,7 nm ou mais, 0,8 nm ou mais, 0,9 nm ou mais, 1,0 nm ou mais, 1,1 nm ou mais, 1,2 nm ou mais, 1,3 nm ou mais, 1,4 nm ou mais, 1,5 nm ou mais,

1,6 nm ou mais, 1,7 nm ou mais, 1,8 nm ou mais, 1,9 nm ou mais, 2,0 nm ou mais, 2,1 nm ou mais, 2,2 nm ou mais, 2,3 nm ou mais, 2,4 nm ou mais, ou 2,5 nm ou mais). Em alguns exemplos, a membrana 265 pode ter uma espessura média de 3,0 nm ou menos (por exemplo, 2,9 nm ou menos, 2,8 nm ou menos, 2,7 nm ou menos, 2,6 nm ou menos, 2,5 nm ou menos, 2,4 nm ou menos, 2,3 nm ou menos, 2,2 nm ou menos, 2,1 nm ou menos, 2,0 nm ou menos, 1,9 nm ou menos, 1,8 nm ou menos, 1,7 nm ou menos, 1,6 nm ou menos, 1,5 nm ou menos, 1,4 nm ou menos, 1,3 nm ou menos, 1,2 nm ou menos, 1,1 nm ou menos, 1,0 nm ou menos, 0,9 nm ou menos, 0,8 nm ou menos, 0,7 nm ou menos, 0,6 nm ou menos, ou 0,5 nm ou menos). A espessura média da membrana 265 pode variar a partir de qualquer um dos valores mínimos descritos acima a qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, a membrana 265 pode ter uma espessura média de 0,3 nm a 3,0 nm (por exemplo, de 0,3 nm a 2,5 nm, de 0,3 nm a 2,0 nm, de 0,3 nm a 1,5 nm, de 0,3 nm a 1,0 nm, ou de 0,3 nm a 0,6 nm).

[076]A membrana 265 pode, por exemplo, ter uma dimensão lateral média de 0,1 mícrons (μm) ou mais (por exemplo, 0,5 μm ou mais, 1 μm ou mais, 1,5 μm ou mais, 2 μm ou mais, 2,5 μm ou mais, 3 μm ou mais, 3,5 μm ou mais, 4 μm ou mais, 4,5 μm ou mais, 5 μm ou mais, 6 μm ou mais, 7 μm ou mais, 8 μm ou mais, 9 μm ou mais, 10 μm ou mais, 15 μm ou mais, 20 μm ou mais, 25 μm ou mais, 30 μm ou mais, 35 μm ou mais, 40 μm ou mais, 45 μm ou mais, 50 μm ou mais, 60 μm ou mais, 70 μm ou mais, ou 80 μm ou mais). Em alguns exemplos, a membrana 265 pode ter uma dimensão lateral média de 100 μm ou menos (por exemplo, 90 μm ou menos, 80 μm ou menos, 70 μm ou menos, 60 μm ou menos, 50 μm ou menos, 45 μm ou menos, 40 μm ou menos, 35 μm ou menos, 30 μm ou menos, 25 μm ou menos, 20 μm ou menos, 15 μm ou menos, 10 μm ou menos, 9 μm ou menos, 8 μm ou menos, 7 μm ou menos, 6 μm ou menos, 5 μm ou menos, 4,5 μm ou menos, 4 μm ou menos, 3,5 μm ou menos, 3 μm ou menos, 2,5 μm ou menos, 2 μm ou menos, 1,5 μm ou menos, ou 1 μm ou menos). A dimensão lateral média da membrana 265 pode variar a partir de qualquer um dos valores mínimos descritos acima a qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, a membrana 265 pode ter uma dimensão lateral média de 0,1 mícrons a 100 mícrons (por exemplo, de 0,1 μm a 50 μm, de 50 μm a 100 μm, de 0,1 μm a 20 μm, de 20 μm a 40 μm, de 40 μm a 60 μm, de 60 μm a 80 μm, de 80 μm a 100 μm, de 0,5 μm a 95 μm ou de 10 μm a 90 μm).

[077]Em alguns exemplos, a membrana 265 pode ter uma tensão por unidade de comprimento de 0,0 Newtons por metro (N/m) ou mais (por exemplo, 0,01 N/m ou mais, 0,02 N/m ou mais, 0,03 N/m ou mais, 0,04 N/m ou mais, 0,05 N/m ou mais, 0,06 N/m ou mais, 0,07 N/m ou mais, 0,08 N/m ou mais, 0,09 N/m ou mais, 0,10 N/m ou mais, 0,11 N/m ou mais, 0,12 N/m ou mais, 0,13 N/m ou mais, 0,14 N/m ou mais, 0,15 N/m ou mais, 0,20 N/m ou mais, 0,25 N/m ou mais, 0,30 N/m ou mais, 0,35 N/m ou mais, 0,40 N/m ou mais, 0,45 N/m ou mais, 0,50 N/m ou mais, 0,60 N/m ou mais, 0,70 N/m ou mais, 0,80 N/m ou mais, 0,90 N/m ou mais, 1,0 N/m ou mais, 1,5 N/m ou mais, 2,0 N/m ou mais, 2,5 N/m ou mais, 3,0 N/m ou mais, 3,5 N/m ou mais, 4,0 N/m ou mais, 4,5 N/m ou mais, 5,0 N/m ou mais, 6,0 N/m ou mais, ou 7,0 N/m ou mais). Em alguns exemplos, a membrana 265 pode ter uma tensão por unidade de comprimento de 10,0 N/m ou menos (por exemplo, 9,0 N/m ou menos, 8,0 N/m ou menos, 7,0 N/m ou menos, 6,0 N/m ou menos, 5,0 N/m ou menos,

4,5 N/m ou menos, 4,0 N/m ou menos, 3,5 N/m ou menos, 3,0 N/m ou menos, 2,5 N/m ou menos, 2,0 N/m ou menos, 1,5 N/m ou menos, 1,0 N/m ou menos, 0,90 N/m ou menos, 0,80 N/m ou menos, 0,70 N/m ou menos, 0,60 N/m ou menos, 0,50 N/m ou menos, 0,45 N/m ou menos, 0,40 N/m ou menos, 0,35 N/m ou menos, 0,30 N/m ou menos, 0,25 N/m ou menos, 0,20 N/m ou menos, 0,15 N/m ou menos, 0,14 N/m ou menos, 0,13 N/m ou menos, 0,12 N/m ou menos, 0,11 N/m ou menos, 0,10 N/m ou menos, 0,09 N/m ou menos, 0,08 N/m ou menos, 0,07 N/m ou menos, 0,06 N/m ou menos ou 0,05 N/m ou menos). A tensão por unidade de comprimento da membrana 265 pode variar a partir de qualquer um dos valores mínimos descritos acima a qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, a membrana 265 pode ter uma tensão por unidade de comprimento de 0,0 a 10,0 N/m (por exemplo, de 0,0 N/m a 8,0 N/m, de 0,0 N/m a 5,0 N/m, de 0,0 N/m a 3,0 N/m, de 0,0 N/m a 1,0 N/m, de 0,0 a 0,5 N/m, de 0,0 a 0,3 N/m, ou de 0,03 N/m a 0,12 N/m). A tensão pode ser medida usando microscopia de força atômica.

[078]As uma ou mais ondulações podem, por exemplo, ter um comprimento médio de 1 nm ou mais (por exemplo, 2 nm ou mais, 3 nm ou mais, 4 nm ou mais, 5 nm ou mais, 6 nm ou mais, 7 nm ou mais, 8 nm ou mais, 9 nm ou mais, 10 nm ou mais, 15 nm ou mais, 20 nm ou mais, 25 nm ou mais, 30 nm ou mais, 35 nm ou mais, 40 nm ou mais, 45 nm ou mais, 50 nm ou mais, 55 nm ou mais, 60 nm ou mais, 65 nm ou mais, 70 nm ou mais, 75 nm ou mais, ou 80 nm ou mais). Em alguns exemplos, uma ou mais ondulações podem ter um comprimento médio de 100 nm ou menos (por exemplo, 95 nm ou menos, 90 nm ou menos, 85 nm ou menos, 80 nm ou menos, 75 nm ou menos, 70 nm ou menos, 65 nm ou menos, 60 nm ou menos, 55 nm ou menos, 50 nm ou menos, 45 nm ou menos, 40 nm ou menos, 35 nm ou menos, 30 nm ou menos, 25 nm ou menos, 20 nm ou menos, 15 nm ou menos, 10 nm ou menos, 9 nm ou menos, 8 nm ou menos, 7 nm ou menos, 6 nm ou menos, ou 5 nm ou menos). O comprimento médio de uma ou mais ondulações pode variar a partir de qualquer ou dos valores mínimos descritos acima a qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, uma ou mais ondulações podem ter um comprimento médio de 1 nm a 100 nm (por exemplo, de 1 nm a 90 nm, de 1 nm a 80 nm, de 1 nm a 70 nm, de 1 nm a 60 nm, de 5 nm a 50 nm, de 10 nm a 40 nm ou de 20 nm a 30 nm). O comprimento das ondulações pode, por exemplo, ser medido usando microscopia eletrônica.

[079]Em alguns exemplos, uma ou mais ondulações podem ter uma altura média de 0,1 nm ou mais (por exemplo, 0,11 nm ou mais, 0,12 nm ou mais, 0,13 nm ou mais, 0,14 nm ou mais, 0,15 nm ou mais, 0,20 nm ou mais, 0,25 nm ou mais, 0,30 nm ou mais, 0,35 nm ou mais, 0,40 nm ou mais, 0,45 nm ou mais, 0,50 nm ou mais, 0,60 nm ou mais, 0,70 nm ou mais, 0,80 nm ou mais, 0,90 nm ou mais, 1,0 nm ou mais, 1,1 nm ou mais, 1,2 nm ou mais, 1,3 nm ou mais, 1,4 nm ou mais, ou 1,5 nm ou mais). Em alguns exemplos, uma ou mais ondulações podem ter uma altura média de 2,0 nm ou menos (por exemplo, 1,9 nm ou menos, 1,8 nm ou menos, 1,7 nm ou menos, 1,6 nm ou menos, 1,5 nm ou menos, 1,4 nm ou menos, 1,3 nm ou menos, 1,2 nm ou menos, 1,1 nm ou menos, 1,0 nm ou menos, 0,90 nm ou menos, 0,80 nm ou menos, 0,70 nm ou menos, 0,60 nm ou menos, 0,50 nm ou menos, 0,45 nm ou menos, 0,40 nm ou menos, 0,35 nm ou menos, 0,30 nm ou menos, 0,25 nm ou menos, ou 0,20 nm ou menos). A altura média de uma ou mais ondulações pode variar a partir de qualquer um dos valores mínimos descritos acima a qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, uma ou mais ondulações podem ter uma altura média de 0,1 nm a 2,0 nm (por exemplo, 0,1 nm a 1,5 nm, de 0,1 nm a 1,0 nm, de 0,1 nm a 0,70 nm, de 0,20 nm a 0,60 nm, de 0,30 nm a 0,50 nm, ou de 0,35 nm a 0,45 nm). A altura das ondulações pode, por exemplo, ser medida usando microscopia eletrônica.

[080]A membrana 265 pode, por exemplo, ser fixada em uma ou ambas as extremidades de um substrato de membrana 258. Em alguns exemplos, a membrana 265 está configurada para vibrar através de sua porção central.

[081]O substrato de membrana 258 pode, por exemplo, compreender cobre, silício, carboneto de silício, safira ou uma combinação dos mesmos. Em alguns exemplos, o substrato de membrana 258 pode compreender uma grade que compreende uma ou mais aberturas 263. Em certas descrições, as aberturas 263 são áreas entre as paredes laterais da grade que formam regiões de janela 264 da membrana 265.

[082]A discussão a seguir divulga um certo exemplo em que a membrana 265 compreende grafeno e o substrato 258 compreende uma grade de cobre, mas os mesmos conceitos podem ser aplicados a qualquer uma das membranas 265 e/ou substratos de membrana 258 descritos aqui.

[083]Em certas modalidades, a membrana 265 pode compreender um único plano atômico de carbono a partir de grafite como seu componente ativo. Uma folha de grafeno pode ser colocada no topo de uma grade de cobre servindo como o substrato de membrana 258 mencionado acima e pode definir uma ou mais aberturas 263 dentro das respectivas seções da membrana. Cada abertura 263, coberta com grafeno, pode formar uma geometria de quadro aberto com grafeno independente entre elas. Quando o grafeno é disposto na grade de cobre, há uma forte interação de van der Waals (~ 0,1 J/m2) entre a borda do grafeno e a parede lateral da célula de grade de cobre 264 (Figura 1A). Dependendo da quantidade de grafeno em excesso, o comprimento do contato irá aumentar ou diminuir naturalmente até que as forças estejam equilibradas. Este fenômeno é conhecido como autotensão. A tensão final pode ser ~ 0,1 N/m e a geometria final do grafeno independente pode ser composta de ondulações (Figuras 1A, 2A-2C). Essas ondulações podem se formar naturalmente e as ondulações podem ter uma distribuição de tamanho típica de 20-24 nm de comprimento e 0,3 a 0,5 nm de altura. Para que as ondulações se formem, o grafeno deve estar livre para se autocomprimir até a autotensão final.

[084]A deformação da compressão associada à geometria da ondulação é a alteração no comprimento dividido pelo comprimento original. A deformação da compressão pode, por exemplo, ser 0,01% ou mais (por exemplo, 0,02% ou mais, 0,03% ou mais, 0,04% ou mais, 0,05% ou mais, 0,06% ou mais, 0,07% ou mais, 0,08% ou mais, 0,09% ou mais, 0,1% ou mais, 0,2% ou mais, 0,3% ou mais, 0,4% ou mais, 0,5% ou mais, 0,6% ou mais, 0,7% ou mais, ou 0,8% ou mais). Em alguns exemplos, a deformação da compressão pode ser 1% ou menos (por exemplo, 0,9% ou menos, 0,8% ou menos, 0,7% ou menos, 0,6% ou menos, 0,5% ou menos, 0,4% ou menos, 0,3% ou menos, 0,2% ou menos, 0,1% ou menos, 0,09% ou menos, 0,08% ou menos, 0,07% ou menos, 0,06% ou menos, 0,05% ou menos, ou 0,04% ou menos). A deformação da compressão pode, por exemplo, variar a partir de qualquer um dos valores mínimos descritos acima a qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, a deformação da compressão pode variar de 0,01% a 1% (por exemplo, de 0,01% a 0,1%, de 0,1% a 1%, de 0,01% a 0,05%, de 0,05% a 0,1%, de 0,1% a 0,5 %, de 0,5% a 1% ou de 0,05% a 0,5%).

[085]É possível aplicar um carregamento de tração ao substrato 265 e ao conjunto de grafeno e alterar a forma das ondulações à medida que o grafeno é alongado. Alterar a forma das ondulações altera a deformação compressiva e altera a taxa na qual o grafeno irá inverter espontaneamente sua curvatura. Alternativamente, ao ajustar ao carregamento externo, as frequências de vibração da membrana 265 podem ser alteradas.

[086]Quando mantido à temperatura ambiente (por exemplo, 300 K), o grafeno independente pode vibrar espontaneamente, devido à energia térmica fluindo continuamente dos suportes de barra da grade de cobre. Em um nível atômico, como mostrado nas Figuras 1A, quando a membrana de grafeno 265 é mantida à temperatura ambiente, cada átomo de carbono tem uma energia cinética (0,5 m v2, onde m é a massa do átomo de carbono e v é sua velocidade) igual a kBT ou cerca de 25 meV. Esta é uma fonte abundante de energia, pois o grafeno tem 4 x 1015 átomos/cm2. Os cálculos de potência elétrica preveem que cada ondulação pode produzir 10 pW de energia, equivalente a 25.0000 W/m2, o que a coloca em uma categoria semelhante à produção de energia eólica e solar. Uma vez que a velocidade não é zero, os átomos dentro da membrana 265 estão em movimento constante. Uma vez que os átomos 267 estão conectados em uma rede, toda a membrana 265 forma ondulações e, às vezes, essas ondulações invertem sua curvatura entre os picos 286 e as depressões 289. Cada ondulação tem milhares de átomos e quando a curvatura se inverte, todos os átomos se movem juntos de forma coerente, em fase, e essa energia pode ser captada. Este movimento natural pode ser usado como o componente ativo de um dispositivo de captação de energia 100, ou este movimento natural pode ser usado para conduzir o componente ativo de um dispositivo de captação de energia vibracional 100 convencional.

[087]Em alguns exemplos, a membrana 265 pode ter uma ondulação. Em alguns exemplos, a membrana 265 pode compreender uma pluralidade de ondulações 271 que podem formar uma rede de ondulações em interação. Uma membrana 265 que mede 10 mícrons por 10 mícrons pode, em alguns exemplos, ter mais de 100.000 ondulações. O movimento de uma ondulação 271 pode afetar o movimento de outras ondulações próximas, fornecendo assim um mecanismo de realimentação que aperfeiçoa a capacidade de captação de energia.

[088]Os dispositivos de captação de energia 100 compreendem ainda um componente de carregamento 175 eletricamente, magneticamente e/ou mecanicamente acoplado à membrana 265 e/ou ao substrato 258, de tal modo que, em exemplos não limitantes, o componente 175 está configurado para captar ou medir energia da membrana 265.

[089]Em alguns exemplos, o substrato de membrana 258 é termicamente condutor e a membrana 265 está em contato térmico com o substrato de membrana 258, em que a energia térmica do substrato de membrana 258 pode ser convertida em uma vibração da membrana 265 de tal modo que a membrana 265 tenha uma energia vibracional, e um componente de carregamento 175, 199, 275 é configurado para converter a energia vibracional da membrana 265 em energia elétrica, magnética e/ou mecânica, captando assim energia da membrana

265. Em alguns exemplos, a energia térmica pode compreender energia térmica ambiente e/ou energia cinética ambiente.

[090]Em alguns exemplos, a membrana 265 pode ter uma energia vibracional e o componente 275 é configurado para converter a energia vibracional da membrana 265 em energia elétrica, magnética e/ou mecânica, captando assim energia da membrana 265. Em alguns exemplos, a energia vibracional compreende a energia vibracional ambiente.

[091]A energia vibracional pode, por exemplo, compreender vibrações tendo uma frequência de 0,1 miliHertz ou mais (por exemplo, 0,5 mHz ou mais, 1 mHz ou mais, 5 mHz ou mais, 10 mHz ou mais, 50 mHz ou mais, 100 mHz ou mais, 500 mHz ou mais, 1 Hz ou mais, 5 Hz ou mais, 10 Hz ou mais, 50 Hz ou mais, 100 Hz ou mais, 500 Hz ou mais, 1 kiloHertz (kHz) ou mais, 10 kHz ou mais, 50 kHz ou mais, 100 kHz ou mais, 500 kHz ou mais, 1 megaHertz (MHz) ou mais, 5 MHz ou mais, 10 MHz ou mais, 50 MHz ou mais, 100 MHz ou mais, 500 MHz ou mais, ou 1 GigaHertz (GHz) ou mais). Em alguns exemplos, a energia vibracional pode compreender vibrações tendo uma frequência de 10 GigaHertz (GHz) ou menos (por exemplo, 5 GHz ou menos, 1 GHz ou menos, 500 MHz ou menos, 100 MHz ou menos, 50 MHz ou menos, 10 MHz ou menos, 5 MHz ou menos, 1 MHz ou menos, 500 kHz ou menos, 100 kHz ou menos, 50 kHz ou menos, 10 kHz ou menos, 5 kHz ou menos, 1 kHz ou menos, 500 Hz ou menos, 100 Hz ou menos, 50 Hz ou menos, 10 Hz ou menos, 5 Hz ou menos, 1 Hz ou menos, 500 mHz ou menos, 100 mHz ou menos, 50 mHz ou menos, 10 mHz ou menos, ou 5 mHz ou menos) . A frequência das vibrações da energia vibracional pode variar a partir de qualquer um dos valores mínimos descritos acima a qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, a energia vibracional pode compreender vibrações tendo uma frequência de 0,1 mHz a 10 GHz (por exemplo, de 0,1 mHz a 1 kHz, de 1 kHz a 10 GHz, de 0,1 mHz a 1 Hz, de 1 Hz a 1 kHz, de 1 kHz a 1 MHz, de 1 MHz a 10 GHz ou de 5 mHz a 1 GHz).

[092]Em alguns exemplos, a membrana 265 é capaz de vibrar continuamente, uma vez que ela pode aproveitar a energia ambiente em frequências mais baixas e independentemente de restrições de ruído. Por sua vez, essa energia ambiente pode ser aproveitada pelo componente de carregamento 175, 275 e convertida em outras formas de energia, incluindo eletricidade.

[093]Considerando que os dispositivos convencionais de captação de energia vibracional 100 exigiram uma força motriz externa macroscópica para captar energia vibracional (por exemplo, as vibrações em um carro em movimento), em algum exemplo, os dispositivos de captação de energia 100 descritos neste documento podem ser acionados por meio de condições ambientais. Por exemplo, os dispositivos de captação de energia 100 descritos neste documento podem captar energia em um ambiente silencioso, bem como em um ambiente barulhento.

[094]Em alguns exemplos, o dispositivo de captação de energia 100 pode ser configurado de tal modo que cada uma das uma ou mais ondulações possa produzir uma potência de 1 picoWatt (pW) ou mais (por exemplo, 5 pW ou mais, 10 pW ou mais, 15 pW ou mais, 20 pW ou mais, 25 pW ou mais, 30 pW ou mais, 35 pW ou mais, 40 pW ou mais, 45 pW ou mais, 50 pW ou mais, 55 pW ou mais, 60 pW ou mais, 65 pW ou mais, 70 pW ou mais, 75 pW ou mais, 80 pW ou mais, 85 pW ou mais, ou 90 pW ou mais). Em alguns exemplos, o dispositivo de captação de energia 100 pode ser configurado de tal modo que cada uma das uma ou mais ondulações possa produzir uma potência de 100 pW ou menos (por exemplo, 95 pW ou menos, 9095 pW ou menos, 8595 pW ou menos, 8095 pW ou menos, 7595 pW ou menos, 7095 pW ou menos, 6595 pW ou menos, 6095 pW ou menos, 5595 pW ou menos, 5095 pW ou menos, 4595 pW ou menos, 4095 pW ou menos, 3595 pW ou menos, 3095 pW ou menos, 2595 pW ou menos, 2095 pW ou menos, 1595 pW ou menos, ou 1095 pW ou menos). A potência produzida por cada uma das uma ou mais ondulações pode variar a partir de qualquer um dos valores mínimos descritos acima a qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, o dispositivo de captação de energia 100 pode ser configurado de tal modo que cada uma das uma ou mais ondulações possa produzir uma potência de 1 pW a 100 pW (por exemplo, de 1 pW a 50 pW, de 50 pW a 100 pW, de 1 pW a 30 pW, de 20 pW a 40 pW, de 40 pW a 60 pW, de 60 pW a 80 pW, de 80 pW a 100 pW, de 10 pW a 90 pW, ou de 20 pW a 80 pW).

[095]Em alguns exemplos, o dispositivo de captação de energia 100 pode ter uma densidade de potência de 1 Watts por metro quadrado (W/m2) ou mais (por exemplo, 2 W/m2 ou mais; 3 W/m2 ou mais; 4 W/m2 ou mais; 5 W/m2 ou mais; 10 W/m2 ou mais; 50 W/m2 ou mais; 100 W/m2 ou mais; 500 W/m2 ou mais;

1.000 W/m2 ou mais; 5.000 W/m2 ou mais; 10.000 W/m2 ou mais; ou 50.000 W/m2 ou mais). Em alguns exemplos, o dispositivo de captação de energia 100 pode ter uma densidade de potência de 100.000 W/m2 ou menos (por exemplo, 90.000 W/m2 ou menos;

80.000 W/m2 ou menos; 70.000 W/m2 ou menos; 60.000 W/m2 ou menos; 50.000 W/m2 ou menos; 10.000 W/m2 ou menos; 5.000 W/m2 ou menos; 1.000 W/m2 ou menos; 500 W/m2 ou menos; 100 W/m2 ou menos; 50 W/m2 ou menos; 10 W/m2 ou menos; ou 5 W/m2 ou menos). A densidade de potência do dispositivo de captação de energia 100 pode variar a partir de qualquer um dos valores mínimos descritos acima a qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, o dispositivo de captação de energia 100 pode ter uma densidade de potência de 1 W/m2 a 100.000 W/m2 (por exemplo, de 1 W/m2 a 1.000 W/m2; de 1.000 W/m2 a 100.000 W/m2; de 1 W/m2 a 100 W/m2; de 100 W/m2 a 1.000 W/m2; de 1.000 W/m2 a 10.000 W/m2; de 10.000 W/m2 a 100.000 W/m2; de 10 W/m2 a 50.000 W/m2; ou de 100 W/m2 a

10.000 W/m2).

[096]Com referência agora à Figura 3, em alguns exemplos, a membrana 265 pode ter uma carga elétrica e um componente de carregamento 175 (mostrado explicitamente na Figura 4) é um capacitor eletricamente acoplado à membrana 265, em que o circuito incluindo a membrana 265 é configurado para converter a energia vibracional da membrana 265 carregada em uma corrente elétrica alternada, captando assim energia da membrana 265. Por exemplo, o movimento da membrana 265 carregada induz corrente em um componente de carregamento próximo.

[097]Em alguns exemplos, a membrana 265 tem uma energia vibracional e o circuito é configurado para detectar um sinal produzido pela energia vibracional da membrana 265. A energia vibracional pode, por exemplo, compreender a energia vibracional ambiente.

[098]A energia vibracional pode, por exemplo,

compreender vibrações tendo uma frequência de 0,1 miliHertz ou mais (por exemplo, 0,5 mHz ou mais, 1 mHz ou mais, 5 mHz ou mais, 10 mHz ou mais, 50 mHz ou mais, 100 mHz ou mais, 500 mHz ou mais, 1 Hz ou mais, 5 Hz ou mais, 10 Hz ou mais, 50 Hz ou mais, 100 Hz ou mais, 500 Hz ou mais, 1 kiloHertz (kHz) ou mais, 10 kHz ou mais, 50 kHz ou mais, 100 kHz ou mais, 500 kHz ou mais, 1 megaHertz (MHz) ou mais, 5 MHz ou mais, 10 MHz ou mais, 50 MHz ou mais, 100 MHz ou mais, 500 MHz ou mais, ou 1 GigaHertz (GHz) ou mais). Em alguns exemplos, a energia vibracional pode compreender vibrações tendo uma frequência de 10 GigaHertz (GHz) ou menos (por exemplo, 5 GHz ou menos, 1 GHz ou menos, 500 MHz ou menos, 100 MHz ou menos, 50 MHz ou menos, 10 MHz ou menos, 5 MHz ou menos, 1 MHz ou menos, 500 kHz ou menos, 100 kHz ou menos, 50 kHz ou menos, 10 kHz ou menos, 5 kHz ou menos, 1 kHz ou menos, 500 Hz ou menos, 100 Hz ou menos, 50 Hz ou menos, 10 Hz ou menos, 5 Hz ou menos, 1 Hz ou menos, 500 mHz ou menos, 100 mHz ou menos, 50 mHz ou menos, 10 mHz ou menos, ou 5 mHz ou menos) . A frequência das vibrações da energia vibracional pode variar a partir de qualquer um dos valores mínimos descritos acima a qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, a energia vibracional pode compreender vibrações tendo uma frequência de 0,1 mHz a 10 GHz (por exemplo, de 0,1 mHz a 1 kHz, de 1 kHz a 10 GHz, de 0,1 mHz a 1 Hz, de 1 Hz a 1 kHz, de 1 kHz a 1 MHz, de 1 MHz a 10 GHz ou de 5 mHz a 1 GHz).

[099]Por exemplo, em certas implementações do aparelho 100, um circuito pode ser operativamente conectado à membrana 265, em que a membrana 265 terá uma sensibilidade predeterminada operável para aproveitar vibrações de frequência relativamente baixa. Por conseguinte, o circuito pode ser configurado para detectar a frequência de flambagem da membrana 265 e quando uma alteração predeterminada na frequência da membrana 265 é detectada pelo circuito, por exemplo, com base na presença de uma massa adicionada, uma saída quanto ao a detecção da massa será determinada e transmitida, devido à sensibilidade da membrana 265 do dispositivo.

MÉTODOS DE PRODUÇÃO

[100]Também são divulgados neste documento métodos de produção dos dispositivos e sensores de captação de energia descritos neste documento. Por exemplo, os métodos de produção dos dispositivos e/ou sensores de captação de energia descritos neste documento podem compreender: comprimir uma folha do material bidimensional para formar a membrana; dispor a membrana no substrato; e eletricamente, magneticamente e/ou mecanicamente acoplar o componente à membrana e/ou ao substrato.

[101]A compressão da folha do material bidimensional pode, por exemplo, compreender aplicar uma força de compressão lateral 271 através da folha, como mostrado esquematicamente nas Figuras 2A-2C. A força de compressão lateral pode, por exemplo, ter uma magnitude de 1 nanoNewton (nN) ou mais (por exemplo, 5 nN ou mais, 10 nN ou mais, 15 nN ou mais, 20 nN ou mais, 25 nN ou mais, 30 nN ou mais, 35 nN ou mais, 40 nN ou mais, 45 nN ou mais, 50 nN ou mais, 55 nN ou mais, 60 nN ou mais, 65 nN ou mais, 70 nN ou mais, 75 nN ou mais, 80 nN ou mais, 85 nN ou mais, ou 90 nN ou mais). Em alguns exemplos, a força de compressão lateral pode ser 100 nN ou menos (por exemplo, 95 nN ou menos, 90 nN ou menos,

85 nN ou menos, 80 nN ou menos, 75 nN ou menos, 70 nN ou menos, 65 nN ou menos, 60 nN ou menos, 55 nN ou menos, 50 nN ou menos, 45 nN ou menos, 40 nN ou menos, 35 nN ou menos, 30 nN ou menos, 25 nN ou menos, 20 nN ou menos, 15 nN ou menos, ou 10 nN ou menos). A força de compressão lateral pode variar a partir de qualquer um dos valores mínimos descritos acima a qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, a força de compressão lateral pode ser de 1 nN a 100 nN (por exemplo, de 1 nN a 50 nN, de 50 nN a 500 nN, de 1 nN a 20 nN, de 20 nN a 40 nN, de 40 nN a 60 nN, de 60 nN a 80 nN, de 80 nN a 100 nN, de 5 nN a 95 nN, de 10 nN a 90 nN, ou de 20 nN a 80 nN).

[102]Em alguns exemplos, a folha de material bidimensional tem um comprimento original e a folha comprimida do material bidimensional tem um comprimento comprimido, por exemplo, como mostrado esquematicamente nas Figuras 2C, em que o comprimento comprimido é mais curto do que o comprimento original por uma quantidade de 0,01% a 1%.

[103]Em alguns exemplos, a faixa de flambagem da membrana 265 pode ser 0,2 nm ou mais (por exemplo, 0,3 nm ou mais, 0,4 nm ou mais, 0,5 nm ou mais, 0,6 nm ou mais, 0,7 nm ou mais, 0,8 nm ou mais, 0,9 nm ou mais, 1,0 nm ou mais, 1,5 nm ou mais, 2,0 nm ou mais, 2,5 nm ou mais, ou 3,0 nm ou mais). Em alguns exemplos, a faixa de flambagem da membrana pode ser 4,0 nm ou menos (por exemplo, 3,5 nm ou menos, 3,0 nm ou menos, 2,5 nm ou menos, 2,0 nm ou menos, 1,5 nm ou menos, 1,0 nm ou menos, 0,9 nm ou menos, 0,8 nm ou menos, 0,7 nm ou menos, 0,6 nm ou menos, ou 0,5 nm ou menos). A faixa de flambagem pode variar a partir de qualquer um dos valores mínimos descritos acima a qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, a faixa de flambagem pode ser de 0,2 nm a 4,0 nm (por exemplo, de 0,2 nm a 2,0 nm, de 2,0 nm a 4,0 nm, de 0,2 nm a 1,0 nm, de 1,0 nm a 2,0 nm, de 2,0 nm a 3,0 nm, de 3,0 nm a 4,0 nm ou de 0,5 nm a 3,5 nm). A faixa de flambagem é geralmente igual a duas vezes a altura média de uma ou mais ondulações. A flambagem mecânica é a inversão da curvatura de uma ondulação.

[104]Formar a membrana em um estado de pré-flambagem, comprimindo a folha bidimensional, como divulgado neste documento e ilustrado pelo exemplo das Figuras 2, pode retardar o processo de flambagem de modo que a membrana 265 seja capaz de interagir e aproveitar vibrações de frequência mais baixa, tais como aquelas associadas às condições ambientais. Se a membrana 265 for disposta sobre o substrato de membrana 258 usando um método livre de deformação, então a membrana pode se autocomprimir em um estado de pré- flambagem. Por exemplo, com grafeno sobre cobre, o cobre pode ser decapado usando uma solução líquida de cloreto de ferro. O grafeno pode permanecer flutuando na superfície da solução após a remoção do cobre. Em seguida, o grafeno pode ser retirado da solução e disposto sobre um substrato de membrana 258 compreendendo uma grade. Comprimir ou expandir a grade pode alterar o tamanho das ondulações e alterar a frequência natural da inversão de curvatura espontânea.

[105]Em uma modalidade mostrada na Figura 3A, a membrana 265 é uma membrana independente 265 tendo uma primeira superfície 125A e uma segunda superfície 125B. A primeira membrana da superfície 265 está sujeita a deslocamento devido às ondulações 261 formadas através da membrana 265 e formando picos 286 e depressões 289 como descrito acima.

[106]A Figura 3A ilustra uma modalidade não limitante de certos mecanismos fundamentais por trás da captação de energia vibracional usando um método eletrostático de tensão constante.

A Figura 3A mostra um capacitor variável 120 na parte superior, anexado por condutores a uma bateria 105 na parte inferior[2]. O capacitor variável 120 inclui uma primeira placa de capacitor 135A e uma segunda placa de capacitor 135B.

A segunda placa de capacitor 135B está sujeita a deslocamento devido a uma força Fth atuando sobre a segunda placa de capacitor 135B.

Conforme observado acima, a segunda placa de capacitor 135B é formada de um material que coleta carga e é suficientemente flexível para ser deslocado por forças ambientais, térmicas ou cinéticas.

A bateria 105 inicialmente coloca carga no capacitor 120, extraindo energia da bateria.

Uma vez que cada uma das duas placas 135A, 135B tem uma carga oposta, elas são atraídas uma pela outra devido à força de Coulomb.

No entanto, uma estrutura de suporte do capacitor variável 120 as mantém separadas.

Em seguida, a segunda placa de capacitor 135B (por exemplo, o lado direito da Figura 3A) é movida por uma força externa para a direita.

É notável que esta força deve superar a atração eletrostática que as duas placas 135A, 135B têm uma em relação à outra.

Esta força está trabalhando no sistema eletromecânico.

Com as placas 135A, 135B do capacitor 120 mais afastadas, o capacitor agora pode armazenar menos carga do que atualmente na primeira e segunda placas de capacitor 135A, 135B.

Essa carga está sujeita à equação, C = Q/V, onde C é a capacitância da região capacitiva 141 que diminuiu em valor com o aumento da separação entre as placas 135A, 135B (ou seja, como uma distância (d) entre as placas 135A, 135B aumenta, a capacitância diminui e vice-versa). V é a voltagem da bateria 105, que é constante, e Q é a carga total nas placas e dentro da região capacitiva 141. Consequentemente, conforme a distância (d) aumenta, a corrente (denotada de acordo com a notação padrão da direção positiva para negativa) se move para fora da primeira placa 135A (por exemplo, a placa esquerda como mostrado), de volta para dentro da bateria 105 (recarregando a bateria), para fora do outro lado da bateria 105 e para a segunda placa 135B deslocável do capacitor variável 120. O deslocamento devido à força Fth ilustrada da Figura 3A reduz a carga geral no capacitor variável 120. A força externa é responsável pelo trabalho ou energia necessários para mover a carga. Esta ilustração mostra o mecanismo físico básico, pelo qual uma força externa pode ser usada para mover cargas elétricas de um capacitor variável 120.

[107]Em uma modalidade e de acordo com a divulgação acima, a segunda placa de capacitor 135B (por exemplo, a placa deslocável no lado direito do capacitor variável 120 na Figura 3) é o grafeno independente e a força externa que move o grafeno independente vem do movimento induzido termicamente e/ou cinético de átomos no grafeno independente. A Figura 3B ilustra um exemplo de uma resposta de corrente para a modalidade de um capacitor variável de acordo com a Figura 3A. A Figura 3B é um exemplo de gráfico de corrente através de um componente de carregamento 175, 275 que captou energia como carga armazenada do circuito de exemplo da Figura 3A. Depois de captar a energia, um circuito de teste é usado para medir a carga coletada conectando um capacitor (C = 0,9 microfarad) que serviu como o componente de carregamento 175, 275 a um circuito de medição conduzido pelo componente de carregamento 175, 275 através de um resistor de 33 megaohm. A partir das medições na Figura, Imax = 30 nA e a carga total armazenada é Qmax = ImaxRC = 900 nC. Além disso, a energia total captada é Umax = Q2/2C = 450 nJ. A potência média da fonte é P = Umax/T = Q2/2CT, onde T é o tempo gasto na captação de energia. No exemplo da Figura 3B, o capacitor variável 120 foi carregado com uma fonte de alimentação de 1V.

[108]Nada nesta divulgação limita as modalidades a qualquer configuração para deslocamento de carga. Por exemplo, em outra modalidade, a membrana 265 é um material isolante que é impregnado com partículas carregadas que são incapazes de se mover ao longo da membrana. Nesse caso, a vibração da membrana induzirá o fluxo de uma corrente sem a necessidade de uma fonte de tensão. Conforme descrito abaixo, esta modalidade pode ser dominada por tunelamento de corrente de um eletrodo próximo ou por capacitância variável induzida pela carga fixa na membrana (ou seja, uma modalidade polarizada internamente). Além disso, como em outras modalidades abaixo, a corrente induzida pode carregar um capacitor de armazenamento fixo ou alimentar um carregamento resistivo.

[109]A Figura 4 ilustra mostra o circuito eletrônico de captação de energia. O circuito é reproduzido três vezes (Figura 4A, Figura 4B, Figura 4C) para mostrar suas três funções diferentes[3, 4]. O circuito tem uma fonte de tensão (por exemplo, bateria 105), um capacitor variável 120 (incluindo uma primeira placa de capacitor 135A e uma segunda placa de capacitor 135B), dois diodos 150A, 150B, um interruptor 153, um capacitor de armazenamento fixo 175 conectado como um primeiro componente de carregamento e outro circuito de carregamento comutado incluindo um resistor 199 e um amperímetro 195 conectado ao aterramento 118. A primeira placa de capacitor 135A pode estar em uma posição fixa e a segunda placa de capacitor 135B pode ser deslocável, tal como a membrana 265 descrita acima. Na modalidade que usa uma membrana para uma placa de capacitor 135B, uma primeira superfície 125A da membrana está voltada para a primeira placa de capacitor 135A. Uma segunda superfície 125B da membrana é oposta à primeira superfície 125A.

[110]O diagrama de circuito superior na Figura 4A ilustra o fluxo de carga inicial para o capacitor variável 120. A corrente flui somente no sentido horário ilustrado mostrado na parte esquerda do circuito - da bateria 105 para o capacitor variável 120, através do diodo 150A e de volta para a bateria 105. A energia U necessária para carregar o capacitor é U = 0,5 Cmax V, onde Cmax é a capacitância máxima do capacitor variável 120 e V é a tensão na fonte de alimentação 105. Essa energia vem da fonte de alimentação

105. Este circuito, mostrando a carga inicial (sentido horário na Figura 4A), estabelece uma carga inicial a uma primeira distância (d) entre as placas 135A, 135B do capacitor variável 120. O lado esquerdo do circuito ilustrado com a corrente no sentido horário da Figura 4A também estabelece uma capacitância máxima Cmax que a região capacitiva 141 pode atingir. Quanto mais próximas as placas do capacitor 135A, 135B estiverem posicionadas umas das outras em um determinado ciclo de deslocamento da placa de capacitor 135B, maior será a capacitância entre as placas.

[111]No circuito intermediário ilustrado na Figura 4B, uma força externa move uma placa 135B do capacitor variável 120 para longe do outro lado (ou seja, para longe da primeira placa de capacitor 135A) e, assim, reduz a capacitância geral para Cmin. Um capacitor menor mantém menos carga, portanto, o excesso de carga deve fluir do capacitor variável 120 através da bateria 105 na direção errada (recarregando-a). Esse excesso de carga deve sair da bateria 105 do outro lado, em seguida, fluir para o capacitor de armazenamento fixo 175 no meio do circuito, através do interruptor 153, através do segundo diodo 150B e de volta para o capacitor variável 120 para completar o circuito. Este fluxo de carga armazena carga no capacitor de armazenamento fixo 175. Cada vez que o ciclo é repetido, carga adicional é colocada no capacitor de armazenamento fixo 175.

[112]Uma vez que o capacitor de armazenamento fixo 175 está carregado o suficiente, então o interruptor 151 pode ser virado para a direita e o capacitor de armazenamento fixo 175 pode ser usado para alimentar o circuito à direita. Nesse caso, a corrente passa pelo resistor 199 e, em seguida, por um amperímetro 195 para medir quanta carga foi captada pelo circuito do capacitor variável. As seguintes fórmulas nas tabelas ilustradas podem ser usadas para ilustrar as alterações de corrente e carga presentes no circuito das Figuras 4A-4C.

Capacitância Variável

Tunelamento Variável adição de correntes paralelas

[113]As Figuras 5-10 ilustram os dados resultantes do uso do layout do circuito mostrado nas Figuras 4A-4C quando a primeira placa de capacitor 135A é uma ponta 138A de um microscópio de varredura por tunelamento (STM), como mostrado na Figura 1B.

Nada nesta divulgação é limitado a qualquer placa de capacitor variável sendo construída de uma ponta do STM, e a divulgação abrange o capacitor variável 120 tendo placas 135A, 135B de qualquer construção de contato de metal formada em qualquer forma funcional e/ou parte de outros aparelhos conectados.

Em um exemplo não limitante, no entanto, um microscópio de varredura por tunelamento (STM) compreende uma ponta de metal 138A que é feita de um material condutor e configurada para transmitir e/ou receber portadores de carga para uma superfície receptora, como discutido aqui.

Conforme mostrado no exemplo da Figura 1B, o STM posiciona a ponta 138A sobre uma amostra (neste exemplo, uma membrana 265) em distâncias próximas - meros Angstroms em alguns casos.

Na verdade, as distâncias são tão próximas que um uso de um STM é rastrear alterações no nível atômico em uma topografia que pode ser mapeada pela varredura da ponta sobre a amostra em um processo raster.

Em um uso padrão para um STM, a distância da ponta da amostra pode ser ajustada no eixo z conforme a varredura ocorre através da amostra no plano x-y.

Uma voltagem é aplicada entre a ponta 138A do STM e uma amostra, com a ponta tendo uma forma definida que, em certas modalidades não limitantes, afunila para uma ponta larga de átomo do metal condutor, como mostrado na forma de pirâmide da ponta 138A na Figura 1B.

Além dos usos padrão dos microscópios de tunelamento de varredura (STMs), o uso de um STM no contexto desta divulgação inclui, mas não está limitado a, um STM estacionário posicionado em um espaço fixo em relação a uma membrana 265, como descrito acima.

O tunelamento de elétrons entre a ponta 138A e uma amostra, neste caso a membrana 265, produz uma corrente que pode ser mantida em um circuito de realimentação que controla a fonte de alimentação 105. Em uma modalidade não limitante de uso para um microscópio de varredura por tunelamento (STM), um STM também pode ser configurado para colocar a ponta na proximidade da amostra, ou seja, a membrana 265, e medir alterações na acumulação de carga em várias correntes de ponto de ajuste aplicadas ao STM.

As alterações no acúmulo de carga em um capacitor variável são então usadas para determinar os níveis de energia dos estados quânticos na amostra (ou seja, medir o nível de energia e a disponibilidade de carga dos eventos de nível atômico em uma amostra). As Figuras 5-10 ilustram que, para os casos em que a ponta 138A do STM serve como a primeira placa de capacitor 135A, diferentes pontos de ajuste para a corrente de ponto de ajuste do STM podem ser usados para testar a capacidade de captação de potência de uma membrana vibratória, conforme descrito acima.

O capacitor variável 120 nestes exemplos inclui uma primeira placa de capacitor 135A composta pela ponta 138A do STM e uma segunda placa de capacitor 135B composta pela membrana 265 ou uma porção da mesma, que neste exemplo é grafeno.

Mais especificamente, e sem limitar a divulgação a qualquer modalidade, a segunda placa de capacitor 135B inclui uma primeira superfície 125A da membrana 265 na qual a carga é coletada.

E em ainda outra modalidade não limitante, a ponta 138A do microscópio de varredura por tunelamento (STM) varre uma superfície da membrana e coleta dados em relação à carga no capacitor variável e energia devido a essa carga nas regiões de janela 264 da membrana 265, em que as regiões de janela 264 que constituem uma superfície geral da membrana podem ter dimensões atômicas individualizadas determinadas de antemão. Dado que, em certas modalidades, a ponta 138A do STM é estacionária em relação à membrana 265, a maioria das regiões de janela próximas podem ser analisadas como tendo dimensões maiores do que as regiões de janela em porções da membrana mais distante da ponta 138A. Em outras modalidades, as regiões de janela 264 que estão remotas da ponta podem ser analisadas estatisticamente como contribuindo com menos carga para uma operação de captação geral. As dimensões das regiões de janela em consideração e a captação de carga de cada região de janela podem ser pré-planejadas pelo posicionamento estratégico da ponta em relação à membrana

265. Um objetivo não limitante do STM e da configuração da membrana 265 é controlar o acúmulo de carga em um capacitor variável 120 formado entre a ponta e a membrana e fornecer componentes de carregamento que captam e/ou usam esse acúmulo de carga para alimentação.

[114]A Figura 5 ilustra a carga armazenada em nano- coulombs no capacitor variável 120 a partir da energia cinética da membrana de grafeno independente 265 como uma função do tempo de captação em segundos. Cada traço é adquirido em uma diferente corrente de ponto de ajuste do STM em nanoamperes e segue a seguinte equação: ⟨∆ ⟩ = + ⟨∆ ⟩

[115]A Figura 6 ilustra a energia armazenada em pico- joules no capacitor variável 120 a partir da energia cinética da membrana de grafeno independente 265 em função do tempo de captação em segundos. Cada traço é adquirido em uma diferente corrente de ponto de ajuste do STM em nanoamperes e segue a equação: Energia = Q2/2C

[116]A Figura 7 ilustra a carga armazenada em nano- coulombs no capacitor variável 120 da energia cinética da membrana de grafeno independente 265 como uma função da corrente de ponto de ajuste do STM em nano-amperes e por um tempo de captação de 50 segundos. A inclinação e a interceptação são iguais aos termos da expressão matemática.

[117]A Figura 8 ilustra a carga armazenada em nano- coulombs no capacitor variável 120 a partir da energia cinética da membrana de grafeno independente 265 como uma função da corrente de ponto de ajuste do STM em nano-amperes e por um tempo de captação de 100 segundos. A inclinação e a interceptação são iguais aos termos da expressão matemática.

[118]A Figura 9 ilustra a carga armazenada em nano- coulombs no capacitor variável 120 a partir da energia cinética da membrana de grafeno independente 265 como uma função da corrente de ponto de ajuste do STM em nano-amperes e por um tempo de captação de 200 segundos. A inclinação e a interceptação são iguais aos termos da expressão matemática.

[119]A Figura 10 ilustra a carga armazenada em nano- coulombs no capacitor variável 120 da energia cinética da membrana de grafeno independente 265 como uma função da corrente de ponto de ajuste do STM em nano-amperes e por um tempo de captação de 500 segundos. A inclinação e a interceptação são iguais aos termos da expressão matemática.

[120]As Figuras 7 a 10 são estabelecidas de acordo com o seguinte: ⟨ ⟩ = + ⟨ ⟩

[121]No geral, as Figuras 4-10 desta divulgação são exemplos não limitantes de um arranjo de captação de energia para armazenamento de carga em um capacitor de armazenamento fixo 175. Em outras modalidades, quando o circuito da Figura 4 é usado em conjunto com um STM, o circuito também é configurado para medir a energia envolvida em um evento dinâmico em escala atômica. A resolução de energia pode ser de pelo menos um femto-joule. O circuito de teste explicado acima em relação a Figura 3B ilustra um exemplo de como um componente de carregamento pode ser anexado ao capacitor variável 120 desta divulgação e pode medir a transferência de carga em escala atômica para modelar um evento que altera a resposta cinética e termodinâmica de uma amostra sujeita a fenômenos físicos ambientais.

[122]A Figura 11 expande os conceitos ilustrados no exemplo do circuito não limitante das Figuras 4-10 para uso mais amplo em múltiplas aplicações devido a novos métodos de modelagem do capacitor variável 120 desta divulgação. Na ilustração da Figura 4, a seção do capacitor variável 120 do aparelho de circuito geral 100 na Figura 4 está, na verdade, dentro de uma câmara do STM. Um lado do capacitor variável 120 é a ponta 138A do STM e o outro lado do capacitor variável é a membrana de grafeno independente 265. A ponta 138A do STM está conectada ao lado positivo da fonte de alimentação 105, que sujeita a ponta a uma corrente constante que é mantida por um circuito de realimentação controlado pela fonte de alimentação 105. À medida que a membrana de grafeno independente 265 vibra para estabelecer ondulações 271, a distância (Figura 3A, ref. "D") entre a membrana de grafeno 265 e um eletrodo de metal próximo (a ponta 138A do STM) irá naturalmente variar conforme as respectivas ondulações comutam de posição entre os picos 286 e depressões 289. Na distância mais próxima entre a membrana 265 e o eletrodo de metal 138A, a capacitância será a maior que cerca de 1 femto- farad. Na maior distância entre as placas 135A, 135B de um capacitor variável 120, a capacitância será a menor que cerca de 0,1 femto-farads. Esta alteração na capacitância é uma fonte de captação de potência quando um componente de carregamento 175, 195, 199 é conectado ao capacitor variável em uma configuração de circuito (ou seja, com diodos de exemplo) permitindo que o capacitor variável descarregue em ciclos através do componente de carregamento.

[123]Conforme mencionado, o circuito da Figura 4 é conectado ao microscópio de varredura por tunelamento (STM). O grafeno independente é a amostra, devido à sua natureza que faz com que o grafeno esteja sempre em movimento [5], que o aquecimento também causa deformação mecânica [6], e que cada ondulação irá inverter espontaneamente sua curvatura [7]. Além disso, foi previsto de forma independente que o movimento térmico do grafeno nanoestruturado pode ser coletado para fornecer 10 pico-watts de potência contínua para uma fita de 1 nm por 17 nm[8].

[124]Para exemplos de teste, nas Figuras 11 e 12, esta divulgação mostra os resultados do uso de um STM em um sistema Omicron® de baixa temperatura e ultra-alto vácuo que foi modificado de forma personalizada[9]. Em particular, a conexão elétrica 225 à amostra da membrana de grafeno independente 265 está isolada do sistema e pode ser conectada a um circuito eletrônico de captação de energia 100 fora do vácuo da câmara do STM 219. Isso também é ilustrado acima na Figura 3B mostrando exemplos de hardware. Conforme discutido acima, as capacitâncias mínimas e máximas do capacitor variável 120 podem ser calculadas para uma configuração do STM com a ponta 138A do STM e uma membrana de grafeno 265 formando as placas 135A, 135B do capacitor variável 120. Observe que uma corrente de ponto de ajuste do STM é estabelecida por meio de uma fonte de alimentação de tensão 105 controlada por realimentação para a ponta 138A do STM para carregar o capacitor variável 120 para um primeiro nível de capacitância (C). Como mostrado abaixo, a alteração na distância (Figura 3A, distância "d") entre a membrana de grafeno 265 e a ponta 138A causa alterações correspondentes na capacitância do capacitor variável 120. Quando a ponta e a membrana estão mais próximas, a capacitância entre as duas está em Cmax, e quando a ponta e a membrana estão mais distantes, o capacitor variável 120 exibe sua capacitância mínima. A capacitância de base C pode ser determinada experimentalmente para uso em aplicações particulares, como "C" é dependente da corrente de ponto de ajuste selecionada para o STM, bem como a amplitude de movimento da ponta 138A do STM para posicionamento em um local fixo em relação à membrana 265. As informações abaixo explicam as relações dos componentes da Figura 11, resultando em características particulares no capacitor variável 120.

[125]Durante a fase de aumento de capacitância do capacitor variável 120, quando a membrana 265 e a ponta 138A do STM estão suficientemente próximas como durante um período de passagem da membrana 289, a membrana de grafeno 265 carrega com carga Q até a Qmax. Este evento foi descrito anteriormente em relação à Figura 4A em que a carga foi forçada através do diodo 150A, também mostrada pela seta na Figura 11 como corrente no sentido horário através do diodo 150A. A fase de diminuição de capacitância da Figura 4A ocorre durante uma formação de pico 286 na membrana 265 que separa as placas de capacitor variável 135A, 135B e a membrana de grafeno 265 perde carga a Qmax até a Qmin de volta ao STM. No exemplo da Figura 4A, com o diodo 150A, a corrente de ponto de ajuste do STM e uma fonte de tensão 105 controlada por realimentação mantendo a corrente de ponto de ajuste, a quantidade de carga disponível no circuito estabiliza a um valor constante Qmax e a carga no circuito da Figura 4A é transportado pelo efeito de ondulação da membrana em vez de depender somente da dinâmica elétrica na fonte de tensão como a única fonte de alimentação no circuito. Afinal, no circuito da Figura 4A, a fonte de tensão é consistentemente reabastecida e recarregada no mesmo ciclo de picos 286 e depressões 289 através da membrana. A membrana está fazendo o trabalho no circuito da Figura 4A.

[126]A Figura 11 explica em mais detalhes os fenômenos elétricos em ação no circuito da Figura 4A. No circuito da Figura 11, o capacitor variável 120 alterna entre alta e baixa capacitância com o efeito de ondulação na membrana

265. Durante os períodos de depressão, quando a membrana e a ponta do STM estão próximas, o capacitor variável é configurado para armazenar carga até a Qmax. Quando o capacitor variável 120 diminui em capacitância durante os períodos de pico de ondulações da membrana, a corrente direcionada positiva para negativa é forçada para fora da ponta 138A do STM de volta para a bateria 105, e como também mostrado na Figura 4A, o diodo 150A permite que a corrente flua em somente uma direção. A Figura 11 ilustra que, ao usar o circuito de captação de energia com um STM, um novo mecanismo de captação de energia foi encontrado. Quando a membrana de grafeno independente 265 está se movendo, formando os picos 286 e as depressões 289, o primeiro mecanismo de captação de carga vem da capacitância da junção da ponta-amostra 138A, 265 alterando no tempo, como já discutido acima. Um segundo mecanismo de captação de carga vem do tunelamento mecânico quântico de elétrons entre a ponta 138A e a amostra, tal como mas não se limitando à membrana de grafeno 120. A magnitude da corrente de tunelamento flutua quando a separação ponta-amostra flutua. Esse segundo mecanismo vem da teoria de tunelamento[10]. No entanto, semelhante à capacitância variável, quando a força térmica puxa a amostra 265 para longe da ponta 138A, é a força térmica fazendo o trabalho de mover a carga. Esta é a fase de coleta de energia do movimento. Usar energia térmica existente e picos e depressões induzidos por vibração da membrana fornece uma via para adicionar energia aos circuitos descritos nesta divulgação e, assim, mover a carga sem depender somente da alimentação armazenada em uma bateria ou fornecida por outra fonte de tensão externa.

[127]Ter a distância entre as placas do capacitor variável próxima o suficiente para ter uma alta probabilidade de tunelamento de elétrons aumenta o sinal de captação de energia. Em outras palavras, uma colocação inicial da ponta

138A dentro de uma faixa de movimento conhecida no eixo z da ponta em relação ao eixo x-y através da amostra 265 pode ser ajustada para garantir o tunelamento de carga sob determinadas condições.

[128]Um capacitor variável 120 que também vaza corrente através de uma rota planejada através dos componentes do circuito pode ser modelado como o circuito equivalente da Figura 11, no qual um resistor variável 133 e um capacitor variável 120 são conectados juntos em paralelo, como mostrado. Para o exemplo da Figura 11, ambos o capacitor e o resistor são variáveis, e a tensão em cada um é a mesma.

[129]Esta divulgação mostra que a corrente total I disponível para captação de carga pelo trabalho do efeito de ondulação na membrana 265 vem tanto do capacitor variável 120 (Ic) quanto do resistor variável 133 (o tunelamento — IR). Fundamentalmente, isso se deve ao modelo do capacitor variável e do resistor variável serem conectados em paralelo. Em vários limites, a eletrostática do capacitor variável ou a corrente de tunelamento dominam a captação de energia. Em distâncias muito próximas, o tunelamento irá dominar. Este é o caso de uma configuração do STM típica, mas não limitante. O uso de energia térmica existente e picos 286 e depressões 289 induzidos por vibração da membrana fornece uma via de movimentação de carga para o capacitor de armazenamento fixo sem gastar a bateria 105 como a única fonte de alimentação no sistema.

[130]A Figura 12A ilustra a modalidade da Figura 11, mas com um amperímetro 195 como um dispositivo de carregamento que também está conectado em série com um segundo diodo 250B direcionando a corrente de volta para uma segunda placa 135B

(por exemplo, a amostra ou membrana 265) do capacitor variável.

Na modalidade da Figura 12A, o capacitor variável 120 é formado novamente usando a ponta 138A do STM como a primeira placa de capacitor 135A e a membrana de grafeno 265 como a segunda placa de capacitor 135B dentro de uma câmara 219 do STM a vácuo.

A conexão elétrica 225 à membrana pode estar fora da câmara 219 para acesso na conexão dos diodos 250A, 250B.

O amperímetro 195 pode medir a corrente em tempo real, que por sua vez pode ser usado para mostrar a acumulação de carga no capacitor variável 120, capacidade de armazenamento de carga no capacitor variável e energia presente no capacitor variável 120. Essas medições podem ser tomadas durante um evento de nível atômico sob consideração em uma amostra, que pode ser a membrana 265 discutida acima.

É notável que a Figura 12A representa a primeira figura nesta divulgação pela qual um dispositivo de carregamento, tal como o amperímetro 195, é conectado diretamente em paralelo com o capacitor variável 120 e o diodo 250A de carga sem um comutador separando um circuito de carregamento de carga (Figura 4A, 4B) e circuito de descarregamento (Figura 4C). As direções de corrente positiva da Figura 12A corresponderão à da Figura 4A durante os períodos de passagem da amostra, ou membrana 265, ou seja, carregando o capacitor variável e, em seguida, corresponderão à Figura 4B durante os períodos de pico da membrana que descarrega o capacitor variável.

O carregamento e o descarregamento do capacitor variável 120 (um primeiro mecanismo para captar carga), juntamente com o efeito do resistor variável discutido em relação à Figura 11 (o segundo mecanismo para captação carga), funcionam em conjunto para fornecer carga a um componente de carregamento,

que na Figura 12A é um amperímetro 195. A configuração do circuito da Figura 12A, portanto, fornece caminho de corrente em uma primeira direção através da bateria 200 durante os períodos de capacitância máximos (ou seja, depressões da membrana trazendo a membrana para mais perto da ponta) e, em seguida, um segundo caminho de corrente através do amperímetro 195 durante os períodos de capacitância mínimos (ou seja, picos da membrana movendo a membrana para longe da ponta). Desta forma, a vibração da membrana que leva ao efeito de ondulação descrito acima permite que o capacitor variável 120 mova a carga para dentro e para fora das placas 135A, 135B do capacitor variável 120 para comutar a direção da corrente. O resultado é que o capacitor variável operando como um primeiro mecanismo de captação de energia fornece uma fonte de corrente alternada.

[131]A resposta da corrente do primeiro mecanismo para captação de energia — carga do capacitor variável 120 — é ilustrada na Figura 12B para corrente através do amperímetro 195 em um tempo de coleta de 100 segundos. A corrente mostrada na Figura 12B ilustra a corrente armazenada e emitida através do capacitor variável 120 durante o período de tempo para uma amostra da membrana de grafeno independente

265. A Figura 12C ilustra o segundo mecanismo disponível para captação de energia por corrente adicional no sistema fornecido por tunelamento de carga através do capacitor variável 120 e, conforme observado acima, esse segundo mecanismo pode ser modelado como corrente de tunelamento entre a ponta de um STM (ou qualquer outro elétrodo de metal discutido aqui) e a membrana 265. O tunelamento de carga através do capacitor variável 120 é proporcional, mas não idêntico à corrente de ponto de ajuste que o STM de um exemplo não limitante é projetado para rastrear em uma operação de estado estacionário da ponta do microscópio. As Figuras 12C e 12D mostram a diferença quando uma membrana de grafeno independente 265 serve como a amostra e a segunda placa de capacitor 135B. Em outras palavras, as modalidades desta divulgação ilustram que, para diferentes aplicações e condições sob consideração, pode-se usar a ponta 138A do STM como a primeira placa de capacitor 135A e usar uma membrana inerentemente sujeita a forças térmicas e energia cinética induzida por vibração como uma segunda placa de capacitor 135B. As forças ambientais no sistema, incluindo, mas não se limitando a, energia térmica e vibração induzidas pelas estruturas circundantes (tais como postes de afastamento 210 em configurações em camadas, substrato de membrana 258), podem fornecer a energia necessária para mover cargas para dentro ou para fora do sistema. A acumulação de carga captada geral inclui cargas do capacitor variável 120 e cargas adicionais disponíveis para captação por portadores de tunelamento através das placas de capacitor variável 135A, 135B, conforme modelado com o resistor variável 133 da Figura

11. Em algumas modalidades, as cargas de tunelamento dominam a carga média geral disponível para captação e as cargas de tunelamento são geralmente proporcionais à corrente de ponto de ajuste da fonte de tensão do STM, conforme ilustrado na Figura 12D.

[132]A faixa de captação de energia pode ser modulada selecionando pontos de ajuste do STM apropriados, posição da ponta do STM, faixa do movimento da ponta do STM em relação a uma placa de capacitor oposta e a membrana 265. Como mostrado na Figura 2, a membrana pode ser escolhida e/ou projetada para uma formação de ondulação desejada (por exemplo, distâncias entre picos e depressões) selecionando um substrato de grade particular 258 para a membrana 260, abertura ou tamanho de célula para a grade, e quaisquer forças compressivas na membrana.

Esses fatores estão disponíveis para configurar um sistema que fornece corrente de captação em um sistema que flutua em torno de um valor da corrente de tunelamento com formação de pico e depressão na membrana.

A Figura 12C ilustra um exemplo da corrente de tunelamento através do capacitor para o mesmo período de captação de 100 segundos da Figura 12B.

Conforme ilustrado pela Figura 12D, uma corrente de ponto de ajuste do STM é um valor constante que o STM se esforça para manter e o desvio padrão é próximo a zero para a corrente de ponto de ajuste.

O mesmo desvio zero é mostrado para o mecanismo de corrente de tunelamento que é o segundo componente descrito acima de qualquer operação de captação.

Também é notável que a corrente de carga emitida do capacitor variável 120, como mostrado na Figura 12B, é amplamente centrada em torno dos valores da corrente de tunelamento mostrados na Figura 12C.

Novamente, o valor da corrente de tunelamento da Figura 12C está diretamente relacionado à corrente de ponto de ajuste do STM.

Finalmente, o gráfico mostrado na Figura 12D ilustra que, conforme a corrente de ponto de ajuste do STM aumenta, o desvio padrão dos valores da corrente disponíveis para captação da carga emitida do capacitor variável 120 é muito maior.

Essas características estão disponíveis como pontos de dados para projetar sistemas de captação ou sistemas de detecção de energia com os circuitos descritos neste documento. Os resultados de teste indicam que, para o circuito da Figura 12A, quando a ponta 138A está 2 nm ou mais próxima da amostra (ou seja, a membrana 265), a corrente de elétrons de tunelamento (modelada como resistor variável 133 na Figura 11) domina. Quando a ponta está a 2 nm ou mais longe da amostra, o termo de capacitância variável domina.

[133]O arranjo de componentes apresentados nas Figuras 12A-12D ilustra ainda as opções de polarização do circuito de carga da Figura 4A com componentes polarizados internamente ou componentes polarizados externamente. Na Figura 12A, a fonte de tensão 200 está conectada como um dispositivo de polarização externo, inserindo não somente carga no circuito, mas também desempenhando um papel na direção da corrente através dos diodos 250A. 250B, bem como a energia geral disponível para portadores inseridos no capacitor variável 120. Em outras modalidades, um produto de acordo com esta divulgação pode ser configurado para ser operacional após a fonte de tensão 200 ser removida do circuito e os componentes restantes serem conectados a um elétrodo de metal que serve como a primeira placa de capacitor 138A. Nesse cenário, uma fonte de tensão fornece carga ao circuito que permanece no mesmo após a remoção da fonte de tensão, tornando o circuito pré-polarizado com carga para uso com amostras na ausência de uma fonte de tensão contínua conectada durante o uso.

[134]As Figuras 12E, 12F e 12G ilustram mais detalhes dos fenômenos físicos em ação quando a corrente de tunelamento domina um circuito conforme descrito aqui. Esses gráficos mostram a corrente fluindo através do diodo 250B, quando o sistema é dominado por tunelamento. A descoberta importante é que a corrente flutua em uma medida considerável quando a amostra é grafeno independente. Quando a amostra é rígida, essa flutuação desaparece.

[135]Uma medida das flutuações é dada pelo desvio padrão (st. Dev.). O gráfico inferior mostra como o desvio padrão é muito maior para o grafeno independente vs. rígido e que isso altera linearmente com a corrente de ponto de ajuste, conforme mostrado pela teoria acima. Por extrapolação, dessa linha para a corrente de tunelamento zero, as flutuações ainda persistem e dão um valor de cerca de 10 pA. Esses 10 pA de corrente podem ser usados como fonte de alimentação. A corrente de tunelamento domina o circuito de acordo com a fórmula abaixo: ∆! ∆ =

[136]As Figuras 12H, 12I, 12J ilustram mais detalhes dos fenômenos físicos em ação quando o capacitor variável é a fonte dominante de energia no circuito. Esses gráficos mostram a corrente fluindo através do diodo 250B, quando o sistema é dominado pelo capacitor variável 120. Nenhum elétron está fluindo da ponta 138A para a amostra 265, mas a força de indução eletrostática está criando a corrente. A descoberta importante é que a corrente flui através do diodo 250B simplesmente porque a membrana de grafeno independente 265 está em constante movimento e tem uma fonte de tensão carregando-a. O gráfico inferior mostra a corrente vs. tensão. E está de acordo com a teoria acima. Toda essa corrente pode ser usada como fonte de alimentação. O capacitor variável domina o circuito de acordo com a fórmula abaixo: ∆ ∆" =

[137]As Figuras 13-16 mostram os dados coletados do sistema das Figuras 4, 11 e 12A, reconhecendo que a energia e a carga armazenada vêm de dois mecanismos descritos acima - a descarga do capacitor variável e a corrente de tunelamento através do capacitor variável. A Figura 13 ilustra a energia correspondente em pico-joules acumulada no capacitor de armazenamento do grafeno independente como uma função do tempo de captação de energia em segundos. A Figura 14 mede a carga em nano-coulombs acumulada no capacitor de armazenamento do grafeno independente como uma função do tempo de captação de energia em segundos. Os diferentes pontos de ajuste de corrente do STM, 0,1, 0,2, 0,4 e 1,0 nanoamperes, são mostrados. A Figura 15 mostra a carga medida em nano-coulombs acumulada no capacitor de armazenamento do grafeno independente em função do tempo de captação de energia em segundos. Novamente, os diferentes pontos de ajuste do STM, 0,1, 0,2, 0,4 e 1,0 nanoamperes, são mostrados. A Figura 16 ilustra a energia medida em pico- joules acumulada no capacitor de armazenamento do grafeno independente como uma função do tempo de captação de energia em segundos. Os diferentes pontos de ajuste de corrente de tunelamento, 0,1, 0,2, 0,4 e 1,0 nanoamperes, são mostrados.

[138]As Figuras 17A e 17B são ilustrações esquemáticas de um circuito integrado à base de silício 400 com potencialmente milhões de elementos de captação de energia

225. Este projeto tem somente uma fonte de alimentação 200 e um capacitor de armazenamento 275. Um primeiro caminho (denotado com traços “- - - -”) é quando a corrente está adicionando carga à membrana de grafeno, enquanto o segundo caminho (denotado com pontos “• • • •”) é quando a corrente está adicionando carga ao capacitor de armazenamento fixo

275. O silício tem uma matriz de pares de diodos 250 com um contato de metal 225 entre cada par de diodos. Os contatos de metal 225 servem como os elementos acima mencionados de captação de energia do sistema. Acima do contato de metal 225 está o grafeno independente 265 e está em movimento constante, formando picos 286 e depressões 289 como descrito acima. Cada pequeno elétrodo 225 será usado para transportar carga para o capacitor de armazenamento 275 conforme a membrana de grafeno oscila. Este é um método para captar energia em nanoescala com milhões de ondulações de grafeno, cada uma contribuindo com carga elétrica para o capacitor.

[139]Para fins de ilustração e sem limitar esta divulgação a qualquer configuração, as modalidades das Figuras 17A e 17B são notáveis em que os contatos 225A-225I (ou até 225n com n sendo qualquer número de contatos) servem como o ponto de direção do tráfego para um capacitor variável 120 a ser carregado e descarregado de acordo com as modalidades descritas anteriormente. A membrana de grafeno 265 que cobre os componentes essenciais pode ser usada como uma primeira placa de capacitor 335 e o contato de metal 225 pode ser usado como a segunda placa de capacitor 235 para formar um capacitor variável 120. A membrana pode cobrir todo o circuito como mostrado ou pelo menos os contatos de metal 225 para formar o capacitor variável. Este capacitor variável 120 opera da mesma forma que as modalidades acima no que diz respeito à ondulação da membrana 265 ocorrendo devido à energia cinética térmica e vibracional ambiente fazendo com que a membrana 265 e, assim, uma das placas do capacitor sejam deslocadas e, em seguida, retornem (emitindo e armazenando carga em ciclos). Os ciclos causam uma alteração correspondente na carga no contato de metal 225 de tal modo que quando a região capacitiva entre a placa de metal 225 e a membrana 265 aumenta na distância entre as placas, a carga coletada no contato de metal é deslocada em direção ao capacitor de armazenamento para captação. Quando a região capacitiva entre as placas 235, 335 do capacitor variável 120 está no seu menor (ou seja, as placas estão mais próximas durante uma depressão de ondulação), a carga capacitiva está em Cmax com carga coletada no contato de metal 235. No exemplo mostrado para o circuito integrado 400, durante os tempos de pico de ondulação em uma região de janela da membrana de grafeno 265, os portadores de carga positiva coletados no contato de metal são direcionados para o capacitor de armazenamento para o fluxo de corrente na direção da seta para cima (ou seja, carregando o capacitor de armazenamento fixo 275). Durante os tempos de depressão de ondulação em uma região de janela da membrana de grafeno 265, os portadores de carga positiva são ainda coletados no contato de metal com os portadores negativos direcionados para a membrana de grafeno 265 para o fluxo de corrente na direção da seta para baixo (ou seja, carregando a fonte de tensão 200).

[140]A Figura 17B mostra uma vista lateral de uma seção transversal do circuito integrado mostrado na Figura 17A. Um circuito integrado em camadas 400 inclui a fonte de tensão ou bateria 200 descrita acima, um capacitor de armazenamento fixo 275 e um circuito de captação formado em um substrato, tal como, mas não limitado a, uma lâmina de silício 205. A membrana independente 265 é formada sobre a estrutura e,

neste exemplo não limitante, a membrana é feita de grafeno. Os diodos 250 são formados no substrato de lâmina de silício

205. Os suportes de espaçamento 210 garantem a separação adequada e são fontes de energia térmica e cinética ambiente. A membrana de grafeno independente 265 tem a mesma primeira superfície 125A descrita acima e a segunda superfície 125B com a primeira superfície servindo como uma placa de capacitor 335. A lâmina de silício inclui um contato de metal 225 que é outra placa de capacitor 235 como discutido acima. Em certas modalidades que não limitam esta divulgação, a membrana de grafeno independente 265 pode ser incorporada em uma grade 258 que define regiões de janela para emparelhar com os contatos de metal na formação do capacitor variável divulgado neste documento.

[141]Numerosos componentes computadorizados podem ser incorporados em todas as modalidades desta divulgação e, em particular, um STM incluirá processadores, memória e instruções computadorizadas para realizar funções de digitalização, conforme descrito e mostrado na Figura 1B como computador 180. Outros computadores podem ser usados em conjunto com o STM, e esta divulgação incorpora todos os processadores, hardware, dispositivos de memória, interfaces programáveis e semelhantes necessários para cumprir os objetivos das modalidades estabelecidas neste documento. EXEMPLO 1

[142]A teoria cinética de Einstein do movimento browniano tornou possível quantificar o vasto recurso renovável da energia térmica da Terra [E1]. Essa energia é encontrada no movimento aleatório e instável de cada átomo e molécula de líquido e gás. Estas vibrações ruidosas em escala atômica foram observadas usando microscopia de varredura por tunelamento (STM) [E2, E3]. Elas têm sido usadas para induzir movimento regular em um oscilador mecânico quando acoplado via ressonância estocástica [E2]. Além disso, um ciclo de Carnot com uma única partícula browniana também foi alcançado e mostrado seguir a estrutura da termodinâmica estocástica [E4, E5]. No entanto, captar energia desse movimento tem sido difícil [E6, E7]. Para captar energia térmica, o efeito termoelétrico tem sido usado historicamente. Aqui, a quantidade de energia captada é proporcional à diferença de temperatura entre as extremidades de um material condutor. Uma extensão inovadora dessa ideia foi feita recentemente por Cottrill et al. [E8]. Usando grafeno, espuma de metal e octadecano, uma grande área de material de alta condutividade térmica foi combinada com um material de alteração de fase. Isso desacelerou a transferência de calor e criou um gradiente térmico perpétuo vinculado ao ciclo diurno.

[143]Feynman, em sua série de palestras em 1964, descartou a possibilidade de obter trabalho útil do movimento browniano. Quase trinta anos depois, Magnasco confirmou que, embora Feynman estivesse correto, sua máquina estava imersa em um banho térmico ideal, no qual as correlações de tempo são desprezíveis. Magnasco então mostrou que se o banho térmico tiver correlações de longa data, ele pode funcionar [E7]. Desde então, a termodinâmica de sistemas com correlações de longa data tornou-se uma área ativa de pesquisa. Por exemplo, foi teoricamente mostrado que tais sistemas produzem calor em excesso sem violar a segunda lei da termodinâmica [E9]. Neste manuscrito, as três primeiras figuras demonstram que as membranas onduladas 2D têm movimento com correlações de longa data e que isso se deve a um efeito de muitos corpos. A última figura mostra que esse novo tipo de movimento térmico é grande o suficiente para fazer um trabalho útil.

[144]Uma nova pesquisa descobriu que materiais independentes e bidimensionais (2D) oferecem uma grande promessa no acesso a fontes organizadas de energia vibracional. Essas membranas cristalinas têm estruturas de rede interconectadas fortemente ligadas, que geram naturalmente o movimento coerente de milhares de átomos [E10]. Por exemplo, o grafeno independente não alongado (um de tal material 2D) exibe uma morfologia ondulada, com regiões adjacentes alternando entre curvatura côncava e convexa [E11]. As ondulações nanométricas são o resultado do acoplamento entre o trecho sutil das fortes ligações de carbono do grafeno à medida que ele se curva [E12] e o acoplamento elétron-fônon acontece [E13]. Além disso, essas membranas atômicas estão constantemente alterando entre um grande número de configurações morfológicas onduladas, de baixa energia e equivalentes [E14], visualmente semelhantes ao movimento da superfície do oceano. Um processo dinâmico chave ocorre quando a curvatura local das ondulações espontaneamente se inverte de côncava para convexa: a deformação de rede resultante comunica a nova orientação da ondulação para outras próximas, formando uma rede de realimentação estocástica [E15, 16]. Compreender essas propriedades dinâmicas complexas é fundamental para a captação de energia térmica do grafeno independente e outros materiais 2D.

[145]Neste estudo, os pesquisadores confirmam que as membranas de grafeno independentes onduladas exibem movimento coerente e demonstram a captação de sua energia cinética coletiva (vide Material Suplementar para materiais e métodos) [E17]. Um modelo cristalino simplificado de grafeno independente com múltiplas ondulações côncavas e convexas é mostrado na Figura 18(a). Uma ponta do STM polarizada, montada na extremidade de um scanner de tubo piezoelétrico, se aproxima da membrana por baixo (STM não mostrado). Uma série temporal típica para a altura medida do STM tomada a partir do centro do grafeno é mostrada na Figura 18(b). Observe a enormidade do movimento observado quando comparado às ondulações atômicas típicas de 0,01 nm e a uma medição de grafeno rígido mostrada na posição de altura zero na Figura 18(b). A distribuição de probabilidade de tempo de espera para este conjunto de dados foi calculada. Segue um exponencial simples (r2> 0,995), identificando-o como um processo de Poisson. A corrente de tunelamento medida simultaneamente, mostrada na Figura 18(c), permaneceu bem acima de zero e bem abaixo da saturação do amplificador, mesmo quando a altura da membrana mudou significativamente. Assim, o rastreamento bem-sucedido de seu movimento foi demonstrado. A contribuição das flutuações da corrente de tunelamento para variações na distância ponta-amostra foi considerada insignificante em comparação com a contribuição das flutuações da altura da membrana. Além disso, o coeficiente de correlação cruzada entre a altura medida e a corrente de tunelamento é menor que 0,01.

[146]Um dos objetivos deste trabalho é mostrar que flutuações em grande escala ocorrem no grafeno independente quando comparado ao grafeno rígido. Para isolar essas flutuações de qualquer desvio geral, o pesquisador forneceu um filtro passa-baixa de Wiener aos dados originais, o que produziu a linha de ajuste mostrada na Figura 18(b). O resultado após a subtração da deriva teve flutuação da altura geral restante em ~ 5 nm. Para comparação, um traço do STM típico adquirido de uma amostra rígida (ou seja, grafeno de uma camada cultivado em SiC) também é mostrado. Em trabalhos anteriores, os pesquisadores observaram autocorrelações de altura de dois tempos em cerca de 10% dos conjuntos brutos de dados de altura-tempo do STM [E14]. Aqui, os pesquisadores mostram que as correlações de tempo geralmente estão ocultas em alterações de altura em grande escala, necessitando que a subtração do fundo se torne evidente. A partir da série de altura-tempo () mostrada na Figura 18(d), os pesquisadores calculam sua função de autocorrelação de altura ACF (vide Material Suplementar para materiais e métodos), que é mostrada na Figura 18(e). As grandes alterações de altura e a ACF oscilatória são evidências de um movimento significativo e coerente de átomos na membrana. Na verdade, não é fisicamente possível que um átomo de carbono com ligação única se mova tão longe sem que átomos vizinhos também se movam com ele. A densidade espectral de potência PSD de () é mostrada na Figura 18(f). Ela tem um pico dominante em torno de 5-10 MHz, que está muito abaixo do modo de vibração fundamental do grafeno independente na faixa de GHz [E18]. O que causa essa frequência surpreendentemente baixa que domina o grande movimento coerente do grafeno é discutido na seção seguinte.

[147]A teoria da elasticidade produz uma frequência de flexão de ~ 10 GHz para uma ondulação típica medindo 10 nm por 10 nm, ou doze ordens de magnitude maior do que o resultado experimental (vide Material suplementar para a teoria da elasticidade para grafeno independente flambado) [E17]. Essa diferença surge devido ao longo tempo de escape necessário para superar a barreira de energia entre as orientações de ondulação côncava e convexa [E18]. Para confirmar o movimento organizado das ondulações, os pesquisadores realizaram simulações de dinâmica molecular (DM) em uma membrana quadrada de grafeno pré-flambada (15 × 15 nm2) a vácuo.

A amostra continha 10.000 átomos de carbono com um limite fixo e sem ponta do STM (vide Material Suplementar para simulações de dinâmica molecular) [E17]. Um instantâneo da membrana em uma geometria convexa é mostrado na Figura 19(a). O movimento do átomo central com 3 × 106 estapas de tempo (1 por fs) em uma alta temperatura (3000 K) mostra a altura flutuando acima e abaixo do limite fixo na Figura 19(b). Altas temperaturas foram usadas para acelerar as simulações usando dinâmica de temperatura acelerada [19]. Aqui, 1 ns corresponde a cerca de 1 ms.

Embora a escala de tempo das simulações de DM não seja a mesma dos experimentos do STM, os pesquisadores descobriram que todos os eventos de curvatura de ondulação contêm dinâmica de inversão semelhante, independente da escala de tempo.

O movimento aleatório resulta em numerosas inversões de curvatura de cima do limite fixo para baixo.

A série de altura-tempo (), mostrada na Figura 19(b), foi usada para calcular sua função de autocorrelação ACF, que é mostrada na Figura 19(c). Ele exibe oscilações decadentes semelhantes às observadas no experimento.

A densidade espectral de potência PSD de () é mostrado na Figura 19(d). Alguns picos de baixa frequência dominantes podem ser vistos. Assim, a complexa dinâmica interna da membrana de grafeno naturalmente leva a um movimento de baixa coerência com autocorrelações de altura de dois tempos semelhantes aos dados do STM.

[148]A simulação de DM mostra que a dinâmica de ondulação está em conformidade com o movimento em um potencial de poço duplo com um longo tempo de escape. Toda a membrana se move coerentemente de convexa para côncava. Observe que, na simulação, os átomos limites estão fixos e a amostra é pré- tensionada, enquanto o limite real de uma ondulação é outra ondulação, que influencia a dinâmica interna por meio da deformação de rede. No entanto, o grafeno independente não tensionado demonstrou formar ondulações espontaneamente [E12]. Além disso, o acoplamento elétron-fônon gera tensões que produzem flambagem e ondulação [E20]. Para confirmar ainda mais os resultados experimentais e obter mais informações sobre a complexa dinâmica dessas transições, os pesquisadores também modelaram o grafeno como uma membrana elástica de massas pontuais. Essas representam ondulações em uma rede hexagonal, cada uma das quais está sujeita a uma força aleatória para cima ou para baixo. Esta última surgindo do acoplamento entre as ondulações por meio de rotações de dois estados que interagem antiferromagneticamente. Enquanto as massas de tamanho de ponto satisfazem a segunda lei de Newton, as rotações de dois estados trocam energia com um banho térmico e invertem de acordo com a atualização de Glauber tipo Monte Carlo [E15, E16]. Aqui, as rotações modelam as interações internas que promovem a configuração não plana: o acoplamento elétron-fônon, bem como o efeito da multiplicidade de ligação química [E12, E13, E20]. Vide Material Suplementar para o modelo de membrana de spin 2D antiferromagnética [E17].

[149]Assim, os dados do STM, juntamente com a simulação de DM e o modelo de membrana elástica de spin antiferromagnética, confirmam que as membranas de grafeno independentes onduladas exibem um movimento coletivo coerente. Nesta seção, os pesquisadores demonstram que esse movimento pode ser explorado para gerar uma corrente elétrica. Existem quatro métodos conhecidos para captar energia elétrica de fontes vibratórias: eletromagnético, piezoelétrico, magneto-restritivo e eletrostático. Os pesquisadores usam a eletrostática, por meio do efeito de capacitância variável, incorporando a junção de ponta- amostra do STM em um circuito eletrônico. Até onde é conhecido, esse tipo de circuito nunca foi anexado a um STM antes. Para alcançar isso, o sistema foi primeiro customizado para eletricamente isolar a amostra do STM do resto da câmara e do aterramento [E21]. Uma passagem elétrica a vácuo permitiu o acesso à amostra de fora da câmara. Este circuito incomum [E22, E23] foi desenvolvido pela primeira vez como uma uma máquina de capacitância variável de ultra-alta eficiência para gerar energia elétrica quando acionada por vento ou fontes humanas. Usando diodos, o circuito separa o trabalho realizado ao adicionar carga ao capacitor variável do trabalho realizado ao remover carga do capacitor variável [E22, E24]. A junção de ponta-amostra do STM é o capacitor variável para o circuito.

[150]Para maior clareza da exposição do circuito elétrico, os pesquisadores ignoram o tunelamento de elétrons entre a ponta e a amostra (vide Material Suplementar para captação de energia de vibração durante tunelamento) [E17]. Além disso, os pesquisadores limitam a discussão a um ciclo de vibração, onde a amostra primeiro se afasta de uma ponta do STM estacionária e depois retorna à sua posição original. Conforme a distância de ponta-amostra, () aumenta, a capacitância da junção diminui. Para uma tensão de polarização constante, a carga estática total armazenada na junção de ponta-amostra deve diminuir com a diminuição da capacitância. Assim, à medida que a distância de ponta- amostra aumenta, o excesso de carga positiva flui da ponta e se move para trás através do circuito para a fonte de alimentação, através do amperímetro que a registra, através do diodo 2 e para a amostra. Se a fonte de alimentação for uma bateria recarregável, então ela é recarregada durante este ciclo [24]. É imprescindível perceber que a quantidade de trabalho realizado durante esta parte do ciclo não é conduzida pela bateria, mas pela força que separou a amostra da ponta, superando sua atração eletrostática (por exemplo, vento, humano, ou neste caso térmico). Observe, a corrente que flui através do diodo 2 (D2C) foi usada para carregar um capacitor (não mostrado), permitindo assim o armazenamento da corrente captada.

[151]Durante a outra metade do ciclo, conforme a distância de ponta-amostra diminui e a capacitância aumenta, a carga total armazenada na junção de ponta-amostra aumentará. A carga agora flui através do diodo 1, e não através do amperímetro. A energia gasta nesta metade do ciclo pela fonte de alimentação foi reabastecida durante a outra metade do ciclo (discutido acima). Para este circuito, a fonte de alimentação não desempenha nenhum papel na troca líquida de energia com o sistema [E23].

[152]É possível que o circuito de realimentação do STM forneça energia ao sistema movendo a ponta do STM para longe da amostra, o que resultaria em um D2C. Os pesquisadores evitaram isso coletando dados sem controle de realimentação. Para fazer isso, os pesquisadores gradualmente afastaram a ponta do STM da amostra usando o estágio de movimento grosso até que a distância fosse muito grande para que os elétrons passassem pela barreira a vácuo. Nesta posição, para garantir que a realimentação do STM não movesse a ponta do STM, os pesquisadores elevaram a corrente de ponto de ajuste (CPA) ao máximo (5 ou 50 nA). Em seguida, os pesquisadores aumentaram a tensão de polarização e observaram sistematicamente um fluxo de corrente intermitente e dependente do tempo através do diodo 2. Três resultados diferentes de tensão de polarização são apresentados, mostrando que a corrente aumenta com a tensão de polarização. A dependência é mais clara onde a corrente média para um grande número de conjuntos de dados é mostrada. Esses resultados são consistentes com a expectativa de que um aumento da tensão de polarização adiciona carga à junção do capacitor de ponta-amostra, aumentando assim a corrente induzida eletrostaticamente. Os pesquisadores repetiram esse experimento com várias pontas do STM, em diferentes locais na amostra e com muitas amostras diferentes. Além disso, os pesquisadores descobriram que quando uma amostra de grafeno rígida é usada, a corrente induzida zero ou a corrente de ponto de ajuste para todas as tensões são obtidas. O conjunto rígido de dados de grafeno também confirma a ausência de emissão de campo de elétrons, o que é razoável dadas as temperaturas relativamente baixas e tensões baixas usadas nos experimentos.

[153]Existem vários aspectos notáveis na demonstração de captação de energia. A energia cinética coletiva da flambagem, que está sendo convertida em carga elétrica armazenada, é igual à temperatura local. Todos os outros métodos de captação de energia térmica, tais como o efeito termoelétrico, derivam sua energia de uma diferença de temperatura. Além disso, o método elimina o circuito de realimentação do STM da medição, o que ajustaria continuamente a posição da ponta do STM para manter a distância desejada de ponta-amostra e minimizar efetivamente o movimento da amostra. Com a realimentação do STM incapaz de mover a ponta do STM, o papel do grafeno independente móvel é isolado e quantificado. Por conseguinte, na configuração, a ponta do STM funcionou somente como um elétrodo metálico estacionário próximo. Isso sugere que um circuito integrado poderia substituir o circuito de diodo- ponta do STM, abrindo o potencial para escalabilidade. Finalmente, a configuração prova que as propriedades dinâmicas do grafeno independente persistem mesmo sob a influência de um campo elétrico aplicado externamente. E, mais importante, o movimento térmico organizado do grafeno e o acoplamento eletrostático são grandes o suficiente para tornar a captação de energia viável [E25]. Mais especificamente, quando a ondulação do grafeno se afasta da ponta do STM, o trabalho feito para superar a atração eletrostática entre a ponta e a amostra é derivado da força térmica por trás desse movimento. O circuito de diodo coleta somente essa energia.

[154]Nesta configuração, a membrana de grafeno carregada é semelhante a uma membrana de microfone carregada. Usando o circuito descrito acima, os pesquisadores convertem a energia cinética coletiva das cargas móveis em uma fonte de corrente DC. Com o grafeno, a energia cinética é sua energia térmica, em vez de pressão sonora. A potência mecânica total de uma ondulação térmica foi estimada em 1 pW/nm2 [E18], ou cerca de 400 pW/ondulação [E26]. Este valor é consistente com o achado de 30 pA de corrente induzida a 10 V, se os pesquisadores assumirem uma área efetiva de 50 nm por 50 nm. Em última análise, a transferência de energia é conduziada pelo acoplamento entre as cargas no grafeno independente e as cargas dentro da ponta do STM (ou seja, um coeficiente de amortecimento elétrico) [E27, E28]. Este fenômeno é semelhante à frenagem regenerativa. O amortecimento remove a energia cinética do grafeno independente, equivalente à redução da temperatura local. Mesmo em uma temperatura reduzida, no entanto, a ondulação continuará a se mover porque seus modos de baixa energia estão disponíveis em uma ampla faixa de temperatura. Por exemplo, medições de mobilidade de elétrons mostram que fônons flexurais são o mecanismo de espalhamento dominante, mesmo em temperaturas tão baixas quanto 10 Kelvin [E29]. Claro, a temperatura ds ondulação individual não cairá tão baixo. O grafeno tem uma condutividade térmica extraordinária, pelo menos dez vezes a do cobre [E30]. A amostra é termicamente conectada ao ambiente externo através de seu suporte mecânico, para que o calor flua. Esta configuração não está em equilíbrio térmico; em vez disso, é um sistema aberto em estado estacionário.

[155]Embora a potência captada pela configuração seja baixa, sua densidade de potência é considerável, excedendo a do vento (~ 1 W/m2) e solar (~ 10 W/m2). Além disso, esta nova fonte térmica pode ser continuamente captada. Um benefício adicional dos geradores eletrostáticos é seu tamanho (vide Material Suplementar para obter o projeto da lâmina). Comparados aos geradores eletromagnéticos, os geradores eletrostáticos muito menos usados são pelo menos 100 vezes menores. Isso oferece uma vantagem significativa ao alimentar pequenos dispositivos, tais como os necessários para a Internet das Coisas [31]. Os nós de sensores sem fio com projetos de circuitos modernos, por exemplo, operam em um ciclo de trabalho muito baixo, consumindo somente 35 pW de potência em modo de espera e 226 nW de potência em modo ativo [32].

[156]Em suma, as dinâmicas das flutuações em escala atômica de uma membrana de grafeno independente foram estudadas usando microscopia de varredura por tunelamento em modo pontual. Usando simulações de DM e o modelo de membrana elástica de spin antiferromagnética, os pesquisadores mostraram que as ondulações invertem naturalmente sua curvatura, momento em que milhares de átomos se movem de forma coerente. As medições revelam que o movimento fora do plano da membrana é extremamente grande. Seu movimento, ou movimento browniano organizado, origina-se da energia térmica e das interações entre ondulações, formando naturalmente uma rede de realimentação estocástica. Os pesquisadores converteram com sucesso essa energia cinética significativa em uma corrente elétrica para armazenamento.

A captação de energia de vibração é uma fonte nova e estimulante de energia renovável derivada da temperatura ambiente.

MATERIAIS E MÉTODOS

[157]Para este estudo, o grafeno de uma camada (uma amostra na qual menos que 10% é grafeno de múltiplas camadas) foi cultivado comercialmente em Ni. Em seguida, foi transferido diretamente para uma grade de cobre ultrafina de 2000 malhas com uma rede de orifícios quadrados (cada um com 7,5 μm de largura) e suportes de barra (cada um com 5 μm de largura). As imagens do microscópio eletrônico de varredura confirmaram a cobertura de 90% da grade. Um Omicron a vácuo ultra-alto (UHV), STM de baixa temperatura (pressão de base 10−10 mbar) operado a temperatura ambiente foi usado para as medições de altura-tempo. O filme de grafeno foi montado em direção à placa de amostra em espaçadores, permitindo que a ponta do STM se aproximasse através dos orifícios da grade. Isso forneceu um suporte estável para o grafeno enquanto ele estava sob a influência atrativa eletrostática da tensão de polarização. Para encontrar o centro da membrana, os pesquisadores movem a ponta do STM lateralmente até que eles encontrem a borda da grade de cobre e, em seguida, movem a ponta para o centro. Toda a câmara do STM repousa sobre um sistema ativo de isolamento de vibração com cancelamento de ruído. Ele é alimentado por um enorme banco de baterias com um aterramento de construção isolado para alcançar ruído mecânico e elétrico excepcionalmente baixo.

[158]Os dados para este estudo foram adquiridos usando pontas do STM fabricadas internamente, usando condições de tunelamento de corrente constante (realimentação ativada),

com a varredura da topografia definida para o modo pontual (sem varredura x ou y). Os pesquisadores operaram o STM em modo de varredura, mas o movimento do grafeno independente é tão rápido que as imagens resultantes são borradas demais para serem úteis. Por esse motivo, o grupo foi o primeiro a adquirir dados no modo pontual. Esses conjuntos de dados mostram as flutuações de altura no tempo para um único local. Os pesquisadores então analisaram os conjuntos de dados como eventos de caminhada aleatória unidimensional, descobrindo que o movimento da membrana é extremamente ruidoso. Mesmo se 50 volts forem aplicados entre o grafeno e a ponta do STM, o grafeno continua a se mover. O sistema foi adaptado para permitir que dados de 16 bits sejam gravados continuamente para ambas a corrente de tunelamento real e a altura da ponta a uma taxa de 800 Hz para um intervalo de tempo de 104 s, gerando 8 × 106 pontos de dados por canal. Os pesquisadores monitoraram independentemente a deriva da amostra-ponta do STM e descobriram que ela é não estocástica, com uma velocidade de menos que 1 nm/h. Os dados foram coletados a partir de múltiplas membranas para condições fixas de imagem abrangendo várias ordens de magnitude em corrente de tunelamento (0,01 a 10 nA) e tensão de polarização (0,01 a 10 V), todas à temperatura ambiente. Ao obter imagens da superfície de grafeno com resolução atômica, os pesquisadores observaram somente grafeno de uma camada que estava livre de defeitos em uma escala de mícrons.

[159]Para calcular a altura ACF, os pesquisadores começaram com z(t) mostrado na Figura 1(d) como uma matriz de valores de altura indexados de 1 a N e calcularam: onde t indexa de 0. Esta expressão é frequentemente chamada de função de autocovariância, como CF(0) é a variação da primeira metade do conjunto de dados. Para calcular a densidade espectral de potência, os pesquisadores usaram o teorema de Wiener-Khinchin e calcularam a transformada de Fourier de ACF(t).

TEORIA DA ELASTICIDADE PARA GRAFENO INDEPENDENTE FLAMBADO

[160]Para modelar as oscilações de baixa frequência, os pesquisadores primeiro usaram a teoria da elasticidade, que produz a menor frequência de flexão, onde, ℎ, são rigidez de flexão, densidade de massa de área e vetor de onda permitido, respectivamente. Para uma ondulação de grafeno de 10 nm por 10 nm, =10Hz, que é doze ordens de magnitude maior do que a frequência observada. A física que falta neste modelo é a conhecida morfologia ondulada da membrana. Para incorporar isso, os pesquisadores primeiro imaginaram compactar o grafeno, permitindo assim que ondulações se formem devido às fortes ligações de carbono essencialmente incompressíveis. Para fins de ilustração, uma seção transversal estreita de uma ondulação de grafeno após a compressão em plano é mostrada na Figura 5(a). O grafeno comprimido irá se curvar para cima ou para baixo porque suas ligações de carbono são altamente flexíveis. A partir da forma geométrica de uma ondulação típica de 20 nm de largura, a relação entre a deformação de compressão e a altura é mostrada na Figura 5(b). Uma ondulação tem duas configurações de baixa energia equivalentes, côncava e convexa, formando naturalmente um perfil de energia potencial de poço duplo, conforme mostrado na Figura 5(c). A barreira de energia é dada por 2, onde é uma constante de energia, calculada para serc2=1,2 eV para uma deformação de 0,1%, e =(−)/Lo é a deformação compressiva

[E18]. A ondulação inverte sua curvatura cruzando a barreira na taxa de Kramer: . A partir da geometria de uma ondulação típica, os pesquisadores descobriram que 2=0,7V, que reduz a frequência de flexão por um fator de 1012. Em geral, a formação de ondulação reduz exponencialmente a frequência de flexão esperada da teoria da elasticidade. A taxa de transição de inversão de curvatura versus altura de ondulação é mostrada na Figura 5(d). Observe que a taxa se abrange por mais de quinze décadas, conforme a altura de ondulação varia em somente um angstrom.

SIMULAÇÕES DE DINÂMICA MOLECULAR

[161]Para confirmar o movimento organizado das ondulações, os pesquisadores realizaram simulações de dinâmica molecular (DM) em uma membrana quadrada de grafeno pré-flambada (15 × 15 nm2) contendo 104 átomos de carbono com átomos limites fixos e sem a ponta do STM. As simulações a vácuo foram realizadas em LAMMPS usando o potencial AIREBO. Um termostato de Nosé-Hoover foi usado para manter uma temperatura constante e as equações dos movimentos foram integradas usando um passo de tempo de 1 fs. O sistema foi primeiro equilibrado para 3,0 ns, começando com a configuração inicial. A trajetória subsequente, de uma execução de produção de 15,0 ns, foi usada na análise. Altas temperaturas aceleraram as simulações usando dinâmica de temperatura acelerada [19]. MODELO DE MEMBRANA DE SPIN 2D ANTIFERROMAGNÉTICA

[162]Esse modelo forneceu mais uma confirmação do movimento organizado das ondulações. Os pesquisadores consideram as massas pontuais colocadas nos nós de uma rede hexagonal que interagem por meio de molas harmônicas. Em cada local, a massa é linearmente acoplada a um spin de Ising de dois estados. Os spins são antiferromagneticamente acoplados. O hamiltoniano é: onde representam os valores dos spins, altura e momento, respectivamente, para a massa m colocada no local da rede hexagonal mostrada na Figura 6. A dinâmica do sistema consiste nas equações de movimento de Hamilton para (ij,ij), e dinâmica estocástica na temperatura para ij, vide [E15, E16] para mais detalhes.

[163]Conforme mencionado no texto principal, a dinâmica do spin imita o efeito do acoplamento elétron-fônon e a multiplicidade de ligações químicas para carbono [E12, E13, E20]. As equações de movimento para as posições das massas são integradas usando o algoritmo de Verlet, que inclui uma força externa agindo na massa no local (vide Hamiltoniano). Em cada passo de tempo, um local de rede é selecionado aleatoriamente; seu spin altera de acordo com a versão de Glauber da simulação de Monte Carlo, com taxa de probabilidade [E16]: onde é um parâmetro que define a escala de tempo característica para os flips de spin e T é a temperatura do banho medida em unidades de energia [E16]. Em simulações numéricas, o passo de tempo é 1/(N), onde é o número de nós da rede. Os resultados mostrados na Figura 3 do texto principal foram produzidos usando a altura de uma massa pontual na posição central do sistema, análogo aos experimentos do STM.

CAPTAÇÃO DE ENERGIA DE VIBRAÇÃO DURANTE TUNELAMENTO

[164]Em contraste com os resultados apresentados no texto principal, aqui os pesquisadores consideram o tunelamento de elétrons entre a ponta do STM e a amostra no circuito eletrônico mostrado na Figura S3(a). A junção de ponta-amostra forma um capacitor com vazamento, pois a carga pode passar pela barreira a vácuo. Consequentemente, a corrente que flui através do diodo 2 tem duas origens possíveis. Uma é devido à capacitância variável da junção de ponta-amostra (conforme discutido no texto principal), enquanto a outra é devido às flutuações da corrente de tunelamento. Esses dois termos se somam para dar a seguinte expressão:

[165]Onde e0 é a permissividade do espaço livre, A é a área efetiva da junção capacitiva de ponta-amostra, é a frequência da oscilação de ondulação, Δ() é a alteração na distância entre a ponta e a amostra, é a distância do ponto de ajuste de corrente de tunelamento, tm é a tensão de polarização aplicada à ponta do STM, tm é a corrente de ponto de ajuste de tunelamento (CPA), e é o número de onda de tunelamento. Quando a distância de ponta-amostra é de 2 nm ou menos, o termo de tunelamento domina; para distâncias maiores, o termo de capacitância variável domina.

[166]Quando o STM está em tunelamento, esta configuração pode ser usada para quantificar a energética das atividades dinâmicas em escala atômica. Ao fazer isso, é importante observar que a corrente que flui através do diodo 2 depende do CPA. Isso é mostrado na equação acima, bem como nos dados da Figura S3(b). Parte do D2C é um resultado do circuito de realimentação trabalhando para manter uma corrente de tunelamento constante. Flutuações na corrente de tunelamento fazem com que o circuito de realimentação mova a ponta em um esforço para mantê-la em . Essas flutuações ocorrem em uma alta frequência, onde o tempo de resposta do circuito é um fator limitante devido à capacitância parasita. Como resultado, quando a corrente para de fluir através do diodo 2, ela descarrega com uma constante de tempo longa. Antes que o D2C tenha tempo para diminuir significativamente, a corrente de tunelamento variável já atingiu o diodo 2 novamente. O resultado mostrado na Figura S3(b) é independente da tensão de polarização aplicada e da configuração de ganho de realimentação. Os pesquisadores também testaram o circuito com diodos Ge e diodos Schottky, que funcionam melhor em frequências mais altas. No entanto, eles sofrem com a corrente de fuga reversa, o que reduz a carga captada geral.

[167]Quando o grafeno independente é comparado com o grafeno rígido, o valor médio de D2C é o mesmo, enquanto o desvio padrão difere consideravelmente, como mostrado na Figura S3(c). Quando o CPA é 100 pA, o D2C flutua em cerca de 10 pA para o grafeno independente, mas somente em cerca de 0,1 pA para o grafeno rígido. À medida que o CPA é aumentado, o desvio padrão aumenta para ambos devido ao aquecimento da amostra. No entanto, o tamanho das flutuações permanece cerca de 100 vezes maior para a amostra independente. Em média, a realimentação é bem-sucedida no rastreamento do movimento do grafeno independente, mas sem sucesso instantaneamente. Pode-se extrapolar as flutuações da corrente de tunelamento de grafeno independente para a corrente de tunelamento zero e prever que as flutuações ainda contribuirão com cerca de 20 pA.

PROJETO DA LÂMINA

[168]Não é prático usar um STM para aplicações. Portanto, um projeto baseado em lâmina é apresentado neste documento. Na vista superior da Figura 17A, a sequência de pequenos quadrados 235 representa os contatos de metal no lugar da ponta do STM. Os diodos 250 são formados em ambos os lados para regular o fluxo de carga. O grafeno 265 é sobreposto no topo desta estrutura usando espaçadores, que podem ser vistos mais claramente na vista lateral. Este projeto usa dois capacitores 200, 275. Um primeiro capacitor 265, 335 carrega o grafeno e permite que a carga seja ligada e desligada, enquanto o segundo capacitor 275 armazena a carga captada. Os projetos da lâmina descritos nas figuras ilustram exemplos que não são limitantes da divulgação. Por exemplo, os substratos podem incluir não somente silício, mas também dióxido de silício, carboneto de silício, arseneto de gálio, substratos flexíveis, circuitos impressos flexíveis, substratos orgânicos, eletrônicos orgânicos ou qualquer substrato capaz de ter diodos formados dentro do substrato.

[169]As Figuras 21A-21R ilustram procedimentos de exemplo, que não são limitantes da divulgação, para formar um dispositivo de acordo com esta divulgação com etapas de fabricação de feixe de elétrons como segue: A Figura 21A Começar o processo de fabricação com um lâmina de silício de 4”<100> de 500 mícrons de espessura; A Figura 21B Oxidar a lâmina para estabelecer uma espessura de camada de SiO2 especificada (por exemplo, 300 nm); A Figura 21C Revestir por centrifugação o resiste no lado traseiro da lâmina e cozinhar suavemente; EL-6 MMA centrifugou a 5000 rpm, cozinhou por 4 min; lâmina/peça apoiada nos lados durante o cozimento no lado traseiro para evitar contaminação no lado frontal; A Figura 21D Revestir por centrifugação o resiste na parte frontal da lâmina e cozinhar/endurecer; CSAR 62 diluído 1:1 em anisol, centrifugar a 5000 rpm, cozinhar por 4 min; A Figura 21E Alinhar a Máscara Positiva 1 com o lado frontal da lâmina e expor por feixe de elétrons o revestimento de fotorresiste; 300 uC/cm2 a 50 keV; A Figura 21F Desenvolver resiste positivo em ambos os lados da lâmina, inspecionar e cozinhar o resiste; 20 s de acetato de n-amila, 15 s de MIBK IPA 1: 3, enxágue de IPA; seguido por plasma de-scum de O2 (30 s a 75 W, necessidade de verificar outras configurações em plasma etcher nano de O2); espessura do resiste: 100 nm (CSAR 62); largura padrão: 4 µm; A Figura 21G.

Gravura úmida isotrópica padronizada da camada de SiO2 com BOE; BOE 5:1, 3 minutos e 30 segundos; inspeção pós-gravura; espessura do resiste/óxido: > 4.000 A; manter a lâmina úmida quando colocada em BOE; A Figura 21H.

Remover por cinzas o resiste restante (nota: Provavelmente crescerá novamente alguns nm de óxido e poderá inibir a gravura na próxima etapa.

Sugestão de remover o resiste em Removedor PG e acetona, seguido de enxágue de IPA); Especificações: limpar/remover por plasma de O2 o fotorresiste; 256 W; 0,3 Torr; fluxo de O2: 220 sccm; 15 min; Inspeção pós-limpeza; espessura do óxido: > 3.000 A; Perfilômetro Dektak 3030; A Figura 21I.

Gravura úmida anisotrópica de silício em etapas até a profundidade especificada.

A profundidade da gravura é como um parâmetro crítico de projeto/fabricação para estabelecer a lacuna da ponta/grafeno desejada; especificações: (tudo isso precisa ser reescalonado para funcionar com 50 mL de água para feixe de elétrons); misturar a mistura de surfactante/água, 550mg de Triton X-100 para 5,5 litros de água; misturar a mistura de KOH/água com sabão, 2000 gramas de grânulos de KOH para 5,5 litros de água; aquecer o manto da solução a 50 °C; gravuda da lâmina por ~ 15 (TBD) min (~ 2.000 A/min), enxágue; Ie SRD; inspeção pós- gravura para profundidade de > 14.000 A; repetir conforme necessário para atingir a profundidade; A Figura 21J. Criar o perfil da lâmina para inspecionar recursos; medir a espessura da gravura de silício: Perfilômetro Dektak 303; nativo para trincheira: >

6.000 A (profundidade de gravura do óxido e silício); nativo para ponta: > 0; A Figura 21K. Oxidar termicamente a lâmina para formar uma camada isolante de SiO2, a espessura da camada de SiO2 é provavelmente um parâmetro crítico para estabelecer a lacuna da ponta/grafeno desejada. Especificações: Insira a lâmina no forno a 800 graus C em atmosfera de N2 por 30 min; atmosfera de O2 a 1.100 ° C durante 332 (TBD) min; atmosfera de N2 a 1.100 graus C por 5 min; atmosfera de N2 a 900 graus por 45 min; medir a espessura do óxido, elipsômetro de Gaertner, 1.000 – 1.600 (TBD) A; 3.000 A leva 5 horas 31 min 23 seg; consome 1.320 A de silício, então o crescimento é um aumento de 1.680 A; 4.482 A no óxido inicial; consome 1.972,4 A de silício, então 2.510,2 A crescem no topo;a diferença é 830 A; A Figura 21L. Criar o perfil da lâmina antes da deposição do metal; especificações: Perfilômetro Dektak 303; nativo para trincheira: > 4.400 A (profundidade de gravura do óxido e silício); nativo para ponta: > 1.400 A (oxidar para ponta de silício oxidado não gravurado);

A Figura 21M.

Revestir por centrifugação o resiste de feixe de elétrons positivo no lado frontal da lâmina; especificações: CSAR 62 diluído 1:1 em anisol, potencialmente centrifugado e cozido várias vezes para obter a espessura necessária; A Figura 21N.

Alinhar o padrão da máscara positiva 2 ao lado frontal da lâmina e as marcas de alinhamento estabelecidas pela máscara positiva 1, expor o resiste; especificações: 300 µC/cm2, 50 keV; A Figura 21O.

Desenvolver o resiste positivo e remover o material não desenvolvido; especificações: 20 s de n-amila, acetona, 15 s de MIBK:IPA 1:1, enxágue de IPA; A Figura 21P.

Depositar por vapor o cromo/ouro.

A espessura do metal pode ser um parâmetro crítico no estabelecimento da lacuna da ponta/grafeno desejada; Bombear para baixo a câmara por duas horas (laboratório Churchill): 1x10-6 torr 50 A Cr, 500 A Au; A Figura 21Q.

Remover o resiste do feixe de elétrons; imergir em Removedor PG de 50:50; acetona por duas horas, banho ultrassônico com acetona, enxágue de IPA; A Figura 21R.

Inspeção final da lâmina fabricada; especificações: medir o perfil com ponta de pirâmide de silício oxidado: perfilômetro Dektak 3030; nativo para metal em trincheira: > 3.900 A (profundidade de corrosão do óxido e silício); nativo para metal na ponta: > 900 A (oxidar para ponta de silício oxidado não gravurado). As Figuras 22A-22R ilustram procedimentos de exemplo, que não são limitantes da divulgação, para formar um dispositivo de acordo com esta divulgação com etapas de fabricação de fotolitografia como segue:

A Figura 22A Começar o processo de fabricação com um lâmina de silício de 4”<100> de 500 mícrons de espessura; A Figura 22B Oxidar a lâmina para estabelecer uma espessura de camada de SiO2 especificada (por exemplo, 300 nm); A Figura 22C Revestir por centrifugação o resiste no lado traseiro da lâmina e cozinhar suavemente; AZ-MiR 703, espessura de 1,08 mícrons, 5.000 rpms; cozinhar suavemente, placa quente de EMS, 90 graus C, 60 seg; A Figura 22D.

Revestir por centrifugação o resiste no lado frontal da lâmina e cozinhar/endurecer; AZ-MiR 703, 1,08 mícrons, 5.000 rpms; detalhes do processo a partir do Manual 2; cozinhar, forno Blue M, 90 graus C, 10 minutos; A Figura 22E.

Alinhar a Máscara positiva 1 com a parte frontal da lâmina e expor o revestimento de fotorresiste; especificações: Período de exposição: 65,0 seg (130 mJ/cm2 @ 2 mW/cm2), exp de linha i; pós-exposição, cozinhar a 110 graus C por 10 minutos; A Figura 22F.

Desenvolver resiste positivo em ambos os lados da lâmina, inspecionar e cozinhar o resiste; AZ300MIF 3:1, 60 seg; executar a inspeção pré-gravura; espessura do resiste > 2.000 Angstroms; largura padrão da trincheira, 2 mícrons; pós-desenvolvimento, cozinhar a 120 graus C por 20 min; A Figura 22G.

Gravura úmida isotrópica padronizada da camada de SiO2 com BOE; BOE 5:1, 3 minutos e 30 segundos; inspeção pós-gravura; espessura do resiste/óxido: > 5.000 A; manter a lâmina úmida quando colocada em BOE; A Figura 22H.

Remover por cinzas o fotorresiste restante; especificações: limpar/remover por plasma de O2 o fotorresiste; 256 W; 0,3 Torr; fluxo de O2: 220 sccm; 15 min; Inspeção pós-limpeza; espessura do óxido: > 3.000 A; Perfilômetro Dektak 3030; A Figura 22I. Gravura úmida anisotrópica de silício em etapas até a profundidade especificada. A profundidade da gravura é como um parâmetro crítico de projeto/fabricação para estabelecer a lacuna da ponta/grafeno desejada; especificações: (tudo isso precisa ser re-escalonado para funcionar com 50 mL de água para feixe de elétrons); misturar a mistura de surfactante/água, 550mg de Triton X-100 para 5,5 litros de água; misturar a mistura de KOH/água com sabão, 2000 gramas de grânulos de KOH para 5,5 litros de água; aquecer o manto da solução a 50 °C; gravura da lâmina por ~ 15 (TBD) min (~2.000 A/min), enxágue e SRD; inspeção pós- gravura para > 14.000 (TBD) profundidade A; repetir conforme necessário para atingir profundidade; A Figura 22J. Criar o perfil da lâmina para inspecionar recursos; medir a espessura da gravura de silício: Perfilômetro Dektak 303; nativo para trincheira: >

6.000 A (profundidade de gravura do óxido e silício); nativo para ponta: > 0; A Figura 22K. Oxidar termicamente a lâmina para formar uma camada isolante de SiO2, a espessura da camada de SiO2 é provavelmente um parâmetro crítico para estabelecer a lacuna da ponta/grafeno desejada. Especificações: inserir a lâmina no forno a 800 graus C em atmosfera de N2 por 30 min; atmosfera de O2 a 1.100 °C por 332 (TBD) min; atmosfera de N2 a 1.100 °C por 5 min; atmosfera de N2 a 900 graus por 45 min; medir a espessura do óxido, elipsômetro de Gaertner,

1.000 – 1.600 (TBD) A; 3.000 A leva 5 horas, 31 min e 23 seg; consome 1.320 A de silício, então o crescimento é um aumento de 1.680 A; 4.482 A no óxido inicial; consome 1.972,4 A de silício, portanto, 2.510,2 crescem no topo; a diferença é 830 A; A Figura 22L.

Criar o perfil da lâmina antes da deposição do metal; especificações: Perfilômetro Dektak 303; nativo para trincheira: > 4.400 (TBD) A (profundidade de gravura do óxido e silício); nativo para ponta: > 1.400 (TBD) A (oxidar para ponta de silício oxidado não gravurado); A Figura 22M.

Revestir por centrifugação o fotorresiste positivo negativo no lado frontal da lâmina; especificações: cozinhar e desidratar a lâmina, 30 min a 160 °C; cozinhar HMDS principal, 15 min; revestir por centrifugação, Futurexx NR9-3000PY a 3000 rpm; detalhes do processo no Manual 3; cozinhar suavemente por 1 min a 150 graus C, 143,4 Eaton Coater; A Figura 22N.

Alinhar o padrão da máscara negativa 2 ao lado frontal da lâmina e às marcas de alinhamento estabelecidas pela máscara positiva 1, expor o fotorresiste; especificações: alinhar a máscara negativa 2 à lâmina; expor: SUSS MA150; P-4: 300 mJ/cm2; 38,0 s (7,9 W/cm2); cozinhar após a exposição na placa quente de EMS; 100 graus C por 1 min; 98,3 graus C; A Figura 22O.

Desenvolver o resiste negativo e remover o material não desenvolvido; especificações: Desenvolver o positivo por 16 seg; Pós-cozinhar a 120 graus C por 20 min; preparar o banho de surfactante, 1 gota de Triton X-100 em 4,5L de água DI; mergulho em BOE 100:1, 30 seg para remover o óxido nas janelas de contato; A Figura 22P.

Depositar por vapor ouro.

A espessura do metal pode ser um parâmetro crítico no estabelecimento da lacuna da ponta/grafeno; bombear para baixo a câmara durante a noite: 1x10-6 torr; Camada 500 A; A Figura 22Q. Remover o fotorresiste; ultrassônico com acetona; A Figura 22R. Inspeção final da lâmina fabricada; especificações: medir o perfil com ponta de pirâmide de silício oxidado: perfilômetro Dektak 3030; nativo para metal em trincheira: > 3.900 A (profundidade de corrosão do óxido e silício); nativo para metal na ponta: > 900 A (oxidar para ponta de silício oxidado não gravurado).

[170]Começando com a Figura 23, certas montagens de transdutores são mostradas, particularmente montagens nas quais componentes significativos são fabricados dentro de um substrato de uma forma que elimina o descrito acima usado de um microscópio de varredura por tunelamento (STM). Em uma modalidade não limitante, os conceitos desta divulgação podem ser incorporados em um transdutor, uma vez que ele converte o movimento físico (ou seja, a vibração de uma membrana) em um sinal elétrico. Além disso, fundamentalmente falando, é a extrema flexibilidade dos materiais bidimensionais ultrafinos para membranas que permite que eles se movam por grandes distâncias quando experimentam uma força externa. Quanto maior for o movimento, maior será o sinal elétrico induzido. Os materiais 2-D identificados são

10.000 vezes mais flexíveis do que a tecnologia do estado da técnica de nitreto de silício.

[171]Considerando esta divulgação em termos de um transdutor, uma modalidade incorpora um sistema para captar energia e inclui um substrato tendo uma espessura inicial entre uma primeira face do substrato e uma face oposta do substrato.

Uma segunda face do substrato limita uma região de poço aberto que se estende da primeira face do substrato em direção à segunda face do substrato.

Uma membrana independente pode ser posicionada sobre a região de poço e suportada pela primeira face do substrato, em que a membrana independente é livre para vibrar em resposta à energia ambiente.

A vibração da membrana define formações de ondulação cíclica ao longo de uma primeira superfície da membrana, em que cada formação de ondulação alterna entre um pico e uma depressão sobre a região de poço.

Em vez do uso identificado acima de um microscópio de varredura por tunelamento (STM), o transdutor de energia desta modalidade usa uma estrutura de ponta formada como parte de ou anexada ao substrato e se estendendo a partir da segunda face do substrato.

Dado que um tipo de dispositivo transdutor descrito aqui converte energia mecânica de vibração em energia elétrica por meio de fluxo de corrente, o transdutor incorpora um primeiro contato conectado à primeira face do substrato e um segundo contato conectado à estrutura da ponta para extração de transportador e/ou injeção, dependendo da polaridade.

Em uma modalidade não limitante, uma fonte de tensão pode ser conectada ao segundo contato para induzir uma região capacitiva de cargas entre a ponta e a membrana.

Conforme descrito acima, a distância entre a ponta e a membrana varia com os respectivos picos e depressões devido à vibração cíclica do material da membrana sendo atuado por forças ambientais ou energia ambiente (calor, fluxo de ar, forças compressivas, forças expansivas, etc.) A região capacitiva entre a ponta e a membrana armazena e emite as cargas em ciclos de acordo com a distância entre a ponta e a membrana. Em uma modalidade, a fonte de tensão também pode ser um receptor de carga e dispositivo de armazenamento, como uma bateria. Um capacitor de armazenamento, portanto, pode ser conectado à membrana e receber as cargas emitidas a partir da região capacitiva quando a distância entre a ponta e a membrana está aumentando durante os períodos de pico de ondulação. Em um ciclo alternativo de fluxo de energia, a fonte de tensão distribui cargas para a região capacitiva quando a distância entre a ponta e a membrana está diminuindo durante os períodos de depressão de ondulação. Um sistema de computador pode estar em comunicação eletrônica com pelo menos um do primeiro contato e do segundo contato e, como na maioria dos sistemas computadorizados, um computador usado com este transdutor de energia pode ter pelo menos um processador e uma memória, em que a memória armazena instruções que, quando executadas pelo o pelo menos um processador, controlam o armazenamento de carga e a transmissão de carga da membrana.

[172]Um substrato no qual um transdutor é formado para esta divulgação pode incorporar uma pluralidade de montagens de transdutores individuais em um único substrato. Para acomodar várias montagens de transdutores, um substrato pode incluir um padrão de trincheiras ao longo da primeira face do substrato, em que cada trincheira isola uma ponta ou um primeiro contato, ou ambos, a partir de porções adjacentes do substrato. Uma montagem no substrato, portanto, conecta um circuito elétrico tendo, em parte, a fonte de tensão, o capacitor de armazenamento, uma ponta e a membrana direcionando energia para um aterramento comum. Antes do aterramento, o circuito inclui um primeiro diodo conectado a uma ou ambas a membrana ou ponta, o aterramento comum em paralelo com o receptor de energia fixo, por exemplo, o capacitor de armazenamento, e um segundo diodo conectado à membrana ou ponta em série com o capacitor de armazenamento. O capacitor de armazenamento, portanto, é um conduíte opcional e pode ser conectado ao aterramento comum. Um transdutor de acordo com esta divulgação pode se beneficiar de economias de escala usando uma matriz dos respectivos primeiros diodos e segundos diodos conectando as respectivas regiões da membrana ou ponta à fonte de tensão, ao capacitor de armazenamento fixo e ao aterramento comum. Tantos componentes quanto possível, particularmente os diodos, podem ser formados dentro do substrato por meio de técnicas de dopagem para vários materiais de substrato. Caso contrário, um sistema de acordo com esta divulgação pode incluir um circuito que inclui componentes conectados, selecionados a partir da fonte de tensão, do capacitor de armazenamento fixo, da ponta e da membrana, com alguns ou todos os componentes estando conectados uns aos outros através de uma placa de circuito que é separada do substrato.

[173]Muitos exemplos discutidos neste documento recitam que a membrana independente é uma membrana de grafeno independente, mas esse exemplo não limita os tipos de materiais que podem ser usados para implementar um transdutor de energia para esta aplicação. Para exemplos não limitantes que descrevem o uso de uma membrana de grafeno, a membrana independente é uma de duas camadas de grafeno, uma de três camadas de grafeno e uma de múltiplas camadas de grafeno. Outros materiais que podem ser usados de acordo com a divulgação da membrana vibratória, além do grafeno, incluem dissulfeto de molibdênio (MoS2), seleneto de molibdênio (MoSe2), dissulfeto de tungstênio (WS2), disseleneto de tungstênio (WSe2), dissulfeto de rênio (ReS2 ), disseleneto de rênio (ReSe2), nitreto de boro (BN) e outras combinações de um metal de transição e outro elemento ("MX2") ou uma combinação dos mesmos.

[174]O capacitor de armazenamento é um reservatório para o potencial elétrico gerado pelo movimento mecânico da membrana independente que está em uma relação capacitiva com a ponta devido a cargas elétricas na ponta e/ou na membrana. Em uma modalidade, que não é limitante da divulgação, a região capacitiva mostrou um ciclo de capacitância de uma capacitância mínima de cerca de 0,001 femto-farad a uma capacitância máxima de cerca de 1000 femto-farad. A capacitância mínima corresponde a períodos de tempo em que a distância entre a ponta e a membrana é maximizada durante os períodos de pico de ondulação. A capacitância máxima corresponde a períodos de tempo em que a distância entre a ponta e a membrana é minimizada durante os períodos de depressão de ondulação. A região capacitiva está sujeita ao tunelamento de corrente quando a distância entre a ponta e a membrana é minimizada durante os períodos de depressão de ondulação, fornecendo assim corrente para o capacitor de armazenamento. Em uma modalidade de teste, um amperímetro é conectado por meio de um comutador para operar em paralelo ao capacitor de armazenamento, em que o amperímetro mede a carga no capacitor de armazenamento para rastreamento por um usuário.

[175]A membrana é descrita como uma membrana independente em que a seção da membrana próxima à ponta do circuito (dentro do substrato geralmente) é liberada e pode vibrar ou ondular em um efeito de ondulação em pelo menos uma porção da membrana. A este respeito, a membrana pode ser considerada como tendo uma primeira superfície próxima ou mesmo diretamente voltada para a formação da ponta do substrato e uma segunda face oposta à primeira superfície, com as superfícies conectadas em pontos distantes de uma região de janela que está vibrando próxima à ponta. A energia mecânica do sistema vibra a membrana e pode ser energia ambiente na forma de energia térmica ou energia cinética de átomos na membrana independente. Em certas modalidades não limitantes, a membrana tem uma espessura média de 0,3 nm a 3,0 nm, de 0,3 nm a 2,0 nm, de 0,3 nm a 1,0 nm ou de 0,3 nm a 0,6 nm.

[176]O sistema para converter energia vibracional em uma saída de corrente, conforme divulgado neste documento, pode usar uma montagem de transdutor 300 formada dentro ou conectada a um substrato 325 tendo uma espessura inicial entre uma primeira face 330 do substrato e uma face oposta 340 do substrato. Uma segunda face 350 do substrato limita uma região de poço aberto 355 se estendendo da primeira face 330 do substrato em direção à segunda face 350 do substrato

325. Uma membrana independente 425 conectada à primeira face 330 do substrato 325 inclui uma primeira superfície 430 que está desobstruída e livre para vibrar em resposta à energia ambiente, em que a vibração da membrana define formações de ondulação cíclica 271 ao longo da primeira superfície 430 e em que cada formação de ondulação alterna entre um pico 286 e uma depressão 289 em uma respectiva região de janela 464 de uma pluralidade de regiões de janela da membrana 425. Uma ponta 360 é formada dentro do substrato 325 ou pelo menos posicionada na segunda face 350 do substrato próximo à membrana 425. Uma fonte de tensão 200 está em comunicação elétrica com a ponta ou membrana, mas as modalidades deste documento reconhecem uma ampliação do potencial de voltagem inicialmente aplicado pela fonte de tensão porque o excesso de carga permitido para conduzir por meio da montagem de transdutor 300 pode ser armazenado no capacitor de armazenamento 275 como um resultado da transdução de energia mecânica/elétrica.

A fonte de tensão, portanto, pode ser descrita em uma modalidade não limitante como definindo uma corrente de ponto de ajuste entre a ponta 360 e a membrana 425 para definir uma respectiva região capacitiva de cargas entre a ponta e a membrana.

A condução adicional para e da ponta 360 e da membrana 425 multiplica a condução de corrente no sistema como descrito acima.

A distância entre a ponta e a membrana varia com os respectivos picos e depressões, e a região capacitiva armazena e emite as cargas em ciclos em resposta à distância entre a ponta e a membrana.

Um capacitor de armazenamento fixo 275 é conectado à membrana ou ponta e recebe cargas emitidas e cargas de tunelamento adicionais a partir da região capacitiva quando a distância entre a ponta e a membrana é maximizada durante os períodos de pico de ondulação na respectiva região de janela.

Semelhante a outras modalidades descritas acima, a quantidade de cargas de tunelamento adicionais é proporcional à corrente de ponto de ajuste da ponta.

A corrente de ponto de ajuste da ponta é uma corrente fixa e a faixa da distância entre a ponta e a membrana é controlada entre uma distância mínima e uma distância máxima, em que a distância máxima é configurada para acomodar as cargas de tunelamento adicionais que cruzam a região capacitiva.

[177]A ponta 360, formada no substrato, serve como uma placa capacitiva comparável, enquanto a membrana 425 serve como a outra placa capacitiva de uma interação capacitiva entre a ponta e a membrana. Um sistema que usa esta interação para converter energia vibracional em uma saída de corrente pode incluir um circuito de captação de corrente 500 em um substrato, em que o circuito de captação de corrente compreende uma matriz de contatos de ponta conectados por respectivos diodos 235 correspondentes a uma fonte de tensão 200 e um capacitor de armazenamento fixo 275. Uma membrana independente se estende ao longo de pelo menos os contatos de ponta no circuito de captação de corrente, de tal modo que os contatos de ponta sejam separados da membrana e estejam voltados para uma primeira superfície da membrana para definir uma região capacitiva entre um contato comum conectando os respectivos contatos de ponta e a primeira superfície da membrana. Conforme observado em outras modalidades, a primeira superfície da membrana é desobstruída e livre para vibrar em resposta à energia ambiente, em que a vibração da membrana define formações de ondulação cíclica ao longo da primeira superfície e em que cada formação de ondulação alterna entre um pico e uma depressão em relação ao contato comum. As respectivas regiões capacitivas entre os contatos da ponta e a membrana acumulam cargas entre o contato de ponta e a membrana, em que o contato de ponta comuta uma saída de corrente de cargas acumuladas através de um dos respectivos diodos para direcionar a saída de corrente para a fonte de tensão ou capacitor de armazenamento fixo em resposta às formações de ondulação cíclica na membrana. Em algumas versões desta tecnologia, o circuito de captação 500 é formado dentro do substrato, definindo as respectivas trincheiras e regiões de poço como mostrado nas Figuras 21-27 neste documento. Em uma modalidade não limitante, a ponta 360 é formada como um componente do substrato 325 dentro de uma respectiva trincheira 510 próxima a uma seção de poço 520 também formada no substrato. O circuito de captação 500 incorpora um contato superior 530 e um contato inferior 540 para extração de carga. Em uma modalidade diferente, o circuito de captação 500 compreende a ponta 360 no substrato e outros componentes em uma placa de circuito adjacente (não mostrada).

[178]Claro, esta divulgação não está limitada a qualquer aparelho ou transdutor para tirar vantagem de um método de montagem de um circuito de captação de energia. Por exemplo, a divulgação mostra a formação de uma região capacitiva no circuito de captação de energia definindo uma primeira placa de capacitor tendo uma distância de separação inicial em relação a uma primeira superfície de uma membrana independente, em que a primeira superfície da membrana independente define uma segunda placa de capacitor. Ao conectar a primeira placa de capacitor (ou possivelmente a segunda placa de capacitor em uma instalação de polaridade oposta) a uma fonte de tensão, o método é configurado para induzir o acúmulo de carga na região capacitiva entre a ponta no substrato e a primeira superfície da membrana. O método continua posicionando a membrana em relação à primeira placa de capacitor de tal modo que a membrana esteja desobstruída e livre para vibrar em resposta à energia ambiente, em que a vibração da membrana define formações de ondulação cíclica ao longo da primeira superfície e em que cada formação de ondulação alterna entre um pico e uma depressão em relação à primeira placa de capacitor para alterar a distância de separação inicial. O descarregamento da região capacitiva através de um respectivo diodo direciona as cargas acumuladas para a fonte de tensão ou um carregamento, em que a descarga da região capacitiva compreende direcionar as cargas para a fonte de tensão durante uma depressão e direcionar as cargas para o carregamento durante um pico. Em uma modalidade, o carregamento é um capacitor de armazenamento de carga referido acima como um capacitor de armazenamento fixo. O capacitor de armazenamento fixo é diferente da interação capacitiva entre a membrana vibratória e a ponta de substrato (que é mais semelhante a um capacitor variável).

MÉTODOS DE USO

[179]São também revelados no presente documento métodos de uso dos dispositivos e sensores de captação de energia descritos neste documento. Por exemplo, também são revelados no presente documento métodos de captação de energia usando os dispositivos de captação de energia descritos neste documento.

[180]Os dispositivos de captação de energia descritos neste documento podem, por exemplo, ser incorporados em uma variedade de sistemas, dispositivos e métodos para extrair energia, incluindo sensores de descarregamento, sensores de força e massa e dispositivos autoalimentados. Os sistemas, dispositivos e métodos de acordo com determinadas modalidades exemplares que incorporam um ou mais dispositivos de captação de energia, como descrito no presente documento, podem usar a dinâmica de flutuações de escala atômica de uma membrana bidimensional independente. A membrana pode incorporar movimentos aleatórios fora do plano que exibem dinâmica anômala e distribuições de equilíbrio de cauda longa de variáveis dinâmicas sintomáticas das caminhadas de Lévy. A membrana flutuante pode ser controlada, por exemplo, usando microscopia de varredura por tunelamento (STM).

[181]Um fator não limitante a ser observado em relação a esta tecnologia diz respeito às descrições deste documento que usam a abordagem eletrostática/capacitiva para a captação de energia de vibração e que são somente exemplos de muitas modalidades. Se a membrana fosse magnetizada, então ela usaria a abordagem eletromagnética para captar energia de vibração. Para esta abordagem, nenhuma fonte de tensão é necessária, mas a “ponta” precisaria ser um circuito de arame. Da mesma forma, se a membrana fosse piezoelétrica ou magnetostritiva, ela usaria o fenômeno piezoelétrico ou magnetostritivo para captar energia quando ela vibrar. Novamente, nenhuma fonte de tensão seria necessária. O piezo de flexão induziria a tensão e geraria um direcionamento de corrente. O magnetostritivo de flexão precisaria de um circuito de arame. Nesses outros casos, um retificador de ponte de diodo seria usado para captar a corrente.

[182]Quando uma membrana eletricamente isolante como o nitreto de boro (BN) (versus uma membrana eletricamente condutora, como o grafeno) é usada, o BN seria primeiro pulverizado com cargas elétricas que estariam então presas no lugar, uma vez que é isolante. Com cargas presas à membrana, a fonte de tensão não é mais necessária no circuito descrito acima. Isso é chamado de polarizado internamente versus polarizado externamente, e esses são termos comumente usados para descrever dois tipos de microfones. Não exigir uma fonte de tensão é uma modalidade importante. Considere adicionar aqui a fórmula geral MX2 (termo do campo) para um metal de transição e outro elemento.

[183]Deve ser apreciado que qualquer um dos componentes ou módulos referidos no que diz respeito a dispositivos de captação de energia, e sistemas e métodos associados, da tecnologia divulgada, podem ser integralmente ou separadamente formados uns com os outros. Além disso, funções redundantes ou estruturas dos componentes ou módulos podem ser implementadas. Qualquer uma das características descritas neste documento e seus componentes discutidos aqui podem assumir todas as formas para fornecer e atender às exigências ambientais, estruturais e operacionais. Além disso, os locais e alinhamentos dos vários componentes podem variar conforme desejado ou exigido.

[184]O que foi descrito acima inclui exemplos de uma ou mais modalidades. Obviamente, não é possível descrever todas as combinações concebíveis de componentes ou metodologias para fins de descrição das modalidades acima mencionadas, mas um técnico no assunto pode reconhecer que muitas outras combinações e permutações de várias modalidades são possíveis. Consequentemente, as modalidades descritas destinam-se a abranger todas tais alterações, modificações e variações que se enquadram no espírito e âmbito da divulgação e reivindicações anexas neste documento e a serem depositadas em pedidos de patente não provisórios.

[185]Esforços têm sido feitos para garantir a precisão em relação aos números (por exemplo, valores, temperatura, etc.), mas alguns erros e desvios devem ser levados em conta. Salvo indicação em contrário, as partes são partes em peso, a temperatura está em °C ou está à temperatura ambiente e a pressão está próxima da pressão atmosférica. Existem inúmeras variações e combinações de condições reacionais, por exemplo, concentrações componentes, temperaturas, pressões e outras faixas de reações e condições que podem ser usadas para otimizar a pureza e rendimento do produto obtido a partir do processo descrito. Somente experimentos razoáveis e rotineiros serão necessários para otimizar tais condições do processo.

[186]Outras vantagens que são óbvias e que são inerentes à invenção serão evidentes para um técnico no assunto. Será entendido que certos recursos e subcombinações são úteis e podem ser empregados sem referência a outros recursos e subcombinações. Isto é contemplado e está dentro do escopo das reivindicações. Uma vez que muitas modalidades possíveis podem ser feitas da invenção sem se afastar do seu escopo, deve ser entendido que toda a matéria apresentada neste documento ou mostrada nas figuras anexas deve ser interpretada como ilustrativa e não em um sentido limitante.

[187]Os métodos das reivindicações anexas não estão limitados no escopo pelos métodos específicos descritos neste documento, os quais pretendem ser ilustrações de alguns aspectos das reivindicações e quaisquer métodos que sejam funcionalmente equivalentes pretendem estar dentro do escopo das reivindicações. Várias modificações dos métodos, além das mostradas e descritas neste documento, destinam-se a estar dentro do escopo das reivindicações anexas. Além disso, embora somente certas etapas de método representativas divulgadas neste documento sejam especificamente descritas, outras combinações das etapas de método também se destinam a cair dentro do escopo das reivindicações anexas, mesmo que não especificamente recitadas. Assim, uma combinação de etapas, elementos, componentes ou constituintes pode ser explicitamente mencionada neste documento ou menos, no entanto, outras combinações de etapas, elementos, componentes e constituintes estão incluídas, embora não explicitamente declaradas.

[188]REFERÊNCIAS PRINCIPAIS CITADAS:

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1.Sistema para captar energia, caracterizado por compreender: um substrato tendo uma espessura inicial entre uma primeira face do substrato e uma face oposta do substrato; uma segunda face do substrato que delimita uma região de poço aberto que se estende da primeira face do substrato em direção à segunda face do substrato; uma membrana independente posicionada sobre a região de poço e suportada pela primeira face do substrato, em que a membrana independente está livre para vibrar em resposta à energia ambiente, em que a vibração da membrana define formações de ondulação cíclica ao longo de uma primeira superfície da membrana, em que cada formação de ondulação alterna entre um pico e uma depressão sobre a região de poço; uma estrutura de ponta que se estende a partir da segunda face do substrato; um primeiro contato conectado à primeira face do substrato; um segundo contato conectado à estrutura de ponta; uma fonte de tensão conectada ao segundo contato induzindo uma região capacitiva de cargas entre a ponta e a membrana, em que a distância entre a ponta e a membrana varia com os respectivos picos e depressões, e em que a região capacitiva entre a ponta e a membrana armazena e emite as cargas em ciclos de acordo com a distância entre a ponta e a membrana; e um capacitor de armazenamento conectado à membrana e recebendo cargas emitidas a partir da região capacitiva quando a distância entre a ponta e a membrana está aumentando durante os períodos de pico de ondulação.

2.Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a fonte de tensão fornecer cargas para a região capacitiva quando a distância entre a ponta e a membrana está diminuindo durante os períodos de depressão de ondulação.

3.Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda um sistema de computador em comunicação eletrônica com pelo menos um do primeiro contato e do segundo contato e tendo pelo menos um processador e uma memória, em que a memória armazena instruções que, quando executadas pelo o pelo menos um processador, controlam o armazenamento de carga e a transmissão de carga da membrana.

4.Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda um padrão de trincheiras ao longo da primeira face do substrato, em que cada trincheira isola uma ponta ou um primeiro contato de porções adjacentes do substrato.

5.Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda um circuito elétrico conectando a fonte de tensão, o capacitor de armazenamento, a ponta e a membrana a um aterramento comum, em que o circuito compreende um primeiro diodo conectado à membrana ou ponta, o aterramento comum em paralelo com o capacitor fixo, e um segundo diodo conectado à membrana ou ponta em série com o capacitor fixo conectado ao aterramento comum.

6.Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender ainda uma matriz dos respectivos primeiros diodos e segundos diodos conectando as respectivas regiões da membrana ou ponta à fonte de tensão, ao capacitor de armazenamento fixo e ao aterramento comum.

7.Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de os componentes de conexão do circuito, selecionados a partir da fonte de tensão, do capacitor de armazenamento fixo, da ponta e da membrana, serem conectados uns aos outros por meio de uma placa de circuito que é separada do substrato.

8.Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a membrana independente ser uma membrana de grafeno independente.

9.Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a membrana independente ser uma de duas camadas de grafeno, uma de três camadas de grafeno e uma de múltiplas camadas de grafeno.

10.Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda um amperímetro conectado por meio de um comutador para operar em paralelo ao capacitor de armazenamento, em que o amperímetro mede a carga no capacitor de armazenamento.

11.Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a região capacitiva ter um ciclo de capacitância de uma capacitância mínima de cerca de 0,001 femto-farad a uma capacitância máxima de cerca de 1000 femto- farad.

12.Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de a capacitância mínima corresponder a períodos de tempo em que a distância entre a ponta e a membrana é maximizada durante os períodos de pico de ondulação.

13.Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de a capacitância máxima corresponder a períodos de tempo em que a distância entre a ponta e a membrana é minimizada durante os períodos de depressão de ondulação.

14.Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a região capacitiva estar sujeita a tunelamento de corrente quando a distância entre a ponta e a membrana é minimizada durante os períodos de depressão de ondulação.

15.Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a energia ambiente ser energia térmica.

16.Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a energia ambiente ser energia cinética a partir de átomos na membrana independente.

17.Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a membrana independente compreender grafeno, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, ReS2, ReSe2, BN, combinações de um metal de transição e outro elemento ("MX2") ou uma combinação dos mesmos.

18.Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a membrana ter uma espessura média de 0,3 nm a 3,0 nm, de 0,3 nm a 2,0 nm, de 0,3 nm a 1,0 nm ou de 0,3 nm a 0,6 nm.

19.Sistema para converter energia vibracional em uma saída de corrente, caracterizado por compreender: um substrato tendo uma espessura inicial entre uma primeira face do substrato e uma face oposta do substrato;

uma segunda face do substrato que delimita uma região de poço aberto que se estende da primeira face do substrato em direção à segunda face do substrato; uma membrana independente conectada à primeira face do substrato e compreendendo uma primeira superfície que está desobstruída e livre para vibrar em resposta à energia ambiente, em que a vibração da membrana define formações de ondulação cíclica ao longo da primeira superfície, em que cada formação de ondulação se alterna entre um pico e uma depressão em uma respectiva região de janela de uma pluralidade de regiões de janela da membrana; uma ponta posicionada na segunda face do substrato próximo à membrana, uma fonte de tensão em comunicação elétrica com a ponta ou membrana, a fonte de tensão definindo uma corrente de ponto de ajuste entre a ponta e a membrana para definir uma respectiva região capacitiva de cargas entre a ponta e a membrana, em que a distância entre a ponta e a membrana varia com os respectivos picos e depressões, e em que a região capacitiva armazena e emite as cargas em ciclos em resposta à distância entre a ponta e a membrana; e um capacitor de armazenamento fixo conectado à membrana ou ponta e recebendo cargas emitidas e cargas de tunelamento adicionais a partir da região capacitiva quando a distância entre a ponta e a membrana é maximizada durante os períodos de pico de ondulação na respectiva região de janela.

20.Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de a quantidade de cargas adicionais de tunelamento ser proporcional à corrente de ponto de ajuste da ponta.

21.Sistema, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de a corrente de ponto de ajuste da ponta ser uma corrente fixa e a faixa da distância entre a ponta e a membrana ser controlada entre uma distância mínima e uma distância máxima, em que a distância máxima é configurada para acomodar as cargas de tunelamento adicionais cruzando a região capacitiva.

22.Sistema para converter energia vibracional em uma saída de corrente, caracterizado por compreender: um circuito de captação de corrente em um substrato, em que o circuito de captação de corrente compreende uma matriz de contatos de ponta conectados, por respectivos diodos orientados correspondentes, a uma fonte de tensão e um capacitor de armazenamento fixo; e uma membrana independente que se estende ao longo de pelo menos os contatos de ponta no circuito de captação de corrente, de tal modo que os contatos de ponta sejam separados da membrana e estão voltados para uma primeira superfície da membrana para definir uma região capacitiva entre o contato comum e a primeira superfície da membrana, em que a primeira superfície da membrana está desobstruída e livre para vibrar em resposta à energia ambiente, em que a vibração da membrana define formações de ondulação cíclica ao longo da primeira superfície e em que cada formação de ondulação alterna entre um pico e uma depressão em relação ao contato comum, em que as respectivas regiões capacitivas entre os contatos de ponta e a membrana acumulam cargas entre o contato de ponta e a membrana, e em que o contato de ponta comuta uma saída de corrente de cargas acumuladas através de um dos respectivos diodos para direcionar a saída de corrente para a fonte de tensão ou para o capacitor de armazenamento fixo em resposta às formações de ondulação cíclica na membrana.

23.Sistema, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de o circuito de captação ser formado dentro do substrato.

24.Sistema, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de o circuito de captação compreender a ponta no substrato e outros componentes em uma placa de circuito adjacente.

25.Método de montagem de um circuito de captação de energia, caracterizado pelo fato de: formar uma região capacitiva no circuito de captação de energia definindo uma primeira placa de capacitor tendo uma distância de separação inicial em relação a uma primeira superfície de uma membrana independente, em que a primeira superfície da membrana independente define uma segunda placa de capacitor; conectar a primeira placa de capacitor a uma fonte de tensão configurada para induzir o acúmulo de carga na região capacitiva; posicionar a membrana em relação à primeira placa de capacitor de tal modo que a membrana esteja desobstruída e livre para vibrar em resposta à energia ambiente, em que a vibração da membrana define formações de ondulação cíclica ao longo da primeira superfície e em que cada formação de ondulação alterna entre um pico e uma depressão em relação à primeira placa de capacitor para alterar a distância de separação inicial; e descarregar a região capacitiva através de um respectivo diodo para direcionar as cargas acumuladas para a fonte de tensão ou um carregamento, em que descarregar a região capacitiva compreende direcionar as cargas para a fonte de tensão durante uma depressão e direcionar as cargas ao carregamento durante um pico.