CN101366129A

CN101366129A - 类钻碳热电能转换装置及其使用和制造方法

Info

Publication number: CN101366129A
Application number: CNA2006800035381A
Authority: CN
Inventors: 宋健民
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2009-02-11
Also published as: TW200701287A; TWI310956B; JP2008538861A

Abstract

本发明是一种可改善转换功率、并增加可靠性的类钻碳热电能转换装置及其制造和使用方法。该装置包括一个阴极(25)，其披覆有一个包含例如无晶钻石之类的类钻碳材料(5)的基层构件(60)。一个电介质中间构件(55)可以电性耦合在类钻碳材料(5)和阳极(30)之间。许多额外的结构层和配置皆可改善性能，例如设有数个阴极层和/或数个中间结构层。该热电能转换装置可轻易配置为一台电产生器和/或冷却器。此外，本发明的装置并不需要在真空环境中形成，且特点在于每处均完全坚固。故本发明的装置是可容许在降低成本下大量生产，并改善其转换效率及可靠度的。

Description

类钻碳热电能转换装置及其使用和制造方法

技术领域

本发明是关于一种从类钻碳材料产生电子的装置和方法，以及利用该类钻碳材料产生的电子的装置和使用方法，因此本发明可应用在物理、化学、电子和材料科学等领域。

背景技术

热离子发射器和场效发射器是众所周知且应用广泛的装置。常见的场效发射器有阴极射线管及场效发射显示器。一般而言，热离子电子发射器会喷射出可穿过能量障碍的热电子，而场效发射装置使电子穿过能量障碍。这种装置的实施例可参考美国专利第6,229,083号、第6,204,595号、第6,103,298号、第6,064,137号、第6,055,815号、第6,039,471号、第5,994,638号、第5,984,752号、第5,981,071号、第5,874,039号、第5,777,427号、第5,722,242号、第5,713,775号、第5,712,488号、第5,675,972号以及第5,562,781号，且每一个皆可并入本发明作参考。

热离子发射器的电子发射性质对温度的敏感度比场效发射器的电子发射器高。热离子发射器在温度上的增加会严重地影响从该热离子发射器表面射出的电子数量。

虽然基本上很多应用是成功的，但由于场效发射器可输出较高的电流，故热离子发射器的成功率较场效发射器低。虽然有这些关键优点，但大部分的场效发射器仍有各种不同的缺点，以至限制了其使用范围，例如材料限制、用途限制、成本效益、使用寿命限制以及能效限制等。

场效发射器可应用多种不同的材料改善上述缺点，并达到以低输入能量转换成高输出电流的优点。尤其钻石是目前引起业界关注的一种材料。特别的是，纯钻石的物理性质包括接近真空状态的低阴电性。钻石掺杂一些具有负阴电性(negative electron affinity，NEA)的低离子化能的元素，如铯(cesium，Cs)，而该负电性可让电子维持在轨道中，并利用最小的输入能量使该电子振荡甩出。然而，钻石具有可使其成为绝缘体的高能隙，该能隙会阻止电子进出钻石。因此，修饰或降低上述的能隙是欲改善的目标，该修饰或降低能隙的方法可在钻石中掺杂一些掺杂物形成特定的几何构型。而这个目标到目前为止已经大致成功，但还是有一些性能上的限制、能效以及成本问题依然存在。因此利用场效发射器的装置还是局限在小规模及低输出电流的情形。

因此，寻找可以由能量来源吸收的低能量产生高输出电流，且适用于有实用价值设备的材料是目前研究以及工业上努力的目标。

发明内容

因此，本发明提出了用以转换能量的热电能转换装置的材料、装置和方法。其中一个方面，本发明提供了一种改善转换效率并增加可靠度的类钻碳热电能转换装置。该装置包括一个阴极，其具有至少部分披覆有一层类钻碳材料的基层构件。该电介质中间构件与类钻碳材料电性耦合。而一个阳极也电性耦合于中间构件相对于类钻碳材料的一侧。

而另一特性是该阴极的基层构件包括多层的结构，配置成可改善从类钻碳材料发射的电子发射效率的状态。特别是该基层构件的第二结构层具有小于第一传导阴极层的功函数。

在另一个更详细的特性中，该电介质材料可以是高分子、玻璃、陶瓷材料或其混合物或复合物。而大部分用来做电容的材料皆可被使用；尤其是压电性的电介质材料可以被使用。合适的电介质材料的无任何限制的例子可包括钛酸钡(BaTiO₃)、锆钛酸铅(PZT)、氧化钽(Ta₂O₃)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、锆酸铅(PbZrO₃)、钛酸铅(PbTiO₃)、氯化钠(NaCl)、氟化锂(LiF)、氧化镁(MgO)、二氧化钛(TiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化钡(BaO)、氯化钾(KCl)、硫酸镁(Mg₂SO₄)、熔融硅玻璃、钠钙硅玻璃、高铅玻璃及其混合物或化合物。适合作为中间构件的材料可包括石墨以及石墨和其它材料如陶瓷材料或其它电介质物质的组合物。

而另一个更详细的特性是该阴极与阳极是可弯曲的，因此该热电能转换装置可设置在具有弯曲轮廓的表面及其它需要该弯曲特性的应用中。

本发明的热电能转换装置可装配成电产生器或冷却器任一者或二者。而一个能量收集器可耦合于该设置阴极相对于类钻碳材料的一侧，使得该类钻碳热电能转换装置可作为一电产生器。这个实施方案实现热能或光能向电能的转换。另外，除了电产生器外，在阳极和阴极之间连接一个电压源，使得该类钻碳热电能转换装置可作为一个冷却器。这样该装置可选择性地控制热能流过装置以冷却相邻的结构或空间。

本发明的热电能转换装置可用许多不同的技术制成，例如气相沉积法。除此之外，本发明的装置并不需要在真空环境下形成，而且整体为完全固态的。故本发明的装置可在减少成本下大量生产，并且在一段时间后还可保持高度健全性及可靠度。

本发明的装置的另一特性是可在经过热处理后强化界面边界并减少材料缺陷(defects)。

现在本发明仅描述出一个初步、广大的概念以及较重要的特色，因此在接下来的详细说明中将更进一步地理解，并且对于在本领域所做的贡献会有更佳的领会。而本发明的其它特征将会从接下来的详细说明及其附图和申请专利范围中变得更为清晰，也能在实行本发明时得到。

附图说明

图1为本发明的无晶钻石材料第一实施例的侧视图。

图2为本发明的热电能转换装置的一个实施例装配成太阳能蓄电池的侧视图。

图3为本发明利用阴极电弧法所制造的无晶钻石材料的一个实施例立体图。

图4为图3所示的无晶钻石材料的放大剖视图。

图5为利用本发明的无晶钻石产生器的第一实施例于不同温度的电场所产生电流的关系图。

图6为具有以碳-碳键结的规则或称正常四面体配位的四面体钻石立体图。

图7为具有以碳-碳键结的不规则，或称非正常四面体配位的四面体钻石立体图。

图8为大部分物质的电阻率与热导率的关系图。

图9A为本发明的一个实施例于热处理前的原子浓度与厚度的关系图。

图9B为图9A所示的实施例经过热处理后的原子浓度与厚度的关系图。

图10为在实施例3中装配成太阳能蓄电池的热电能转换装置侧视图。

该图示将在以下详细说明中有进一步的阐述，而且这些图示仅用于示范而非用于限制本发明，尤其在大小及形状上可不同于所述图示中所揭示的大小及形状。

具体实施方式

在本发明揭示以及描述之前，必须了解本发明并不限制在此所述的特定形状、制作步骤或材料，而是扩展至所属技术领域具有通常知识者所能推想到的等效范围。也必须了解在此使用专有名词的目的仅在叙述特定实施例，并非对本发明有任何的限制。

而在开始叙述之前值得注意的是在本说明书及其申请专利范围所使用的单数型态字眼如“一”、“该”和“其”，皆仅是先行词，除非在上下文中清楚明白地指示为单数，不然这些单数型态的先行词也包括多数对象。因此，举例来说，如“一层”可指一个或多个这种层，如“一个碳源”可指一个或多个此种碳源，如“阴极电弧技术”可指一个或多个此种技术。

定义：

以下是在本发明的说明及权利要求中所出现的专有名词的定义。

“真空”，是指压力小于10^-2托(torr)。

“钻石”，是指一种碳原子键结其它碳原子于一个四角晶格中的结晶型态，即sp³键结型态。特别的是每一个碳原子被其它四个位于正四面体的四角的碳原子围绕并键结。此外，尽管实验结果可能会有微小变化，但在室温下实验后的任两个碳原子的键长为1.54埃(angstrom，

)，其键角为109°28’16”。形成钻石的正常且规则的四面体中的碳-碳键表示在图6。钻石的结构与性质，包括其物理及电学性质已为习知的技术，故在此不赘述。

“扭曲四面体配位结构”，是一个四面体中碳原子不规则的键结结构，或其脱离了上述正常的钻石四面体型态。大部分的扭曲是由于一些键被拉长，而另一些被缩短，而键角的差异也是因此而产生的。除此之外，这种四面体的扭曲结构改变了碳的特征与性质，而该特征与性质变成界在碳键结呈sp³结构(如钻石)以及碳键结呈sp²结构(如石墨)的特性之间。一个在扭曲四面体中的碳原子键结材料的例子是无晶钻石。而该扭曲四面体配位结构的碳-碳键结表示在图7中。但必须了解图7仅代表扭曲四面体的其中一种能出现的配置型态，而其它多种变化通常会表现在无晶钻石中。

“类钻碳”，是指主要组成物为碳原子，且大量碳原子键结于一扭曲四面配位结构的含碳物质。即使类钻碳(diamond-like carbon，DLC)能利用化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)或其它气相沉积法等方法制造，但最常使用的制造方法还是物理气相沉积法(physical vapordeposition，PVD)。尤其，一些其它在类钻碳中的元素为不纯物或掺杂物，包括但不限制为氢、硫、磷、硼、氮、硅及钨等。

“无晶钻石”，属于类钻碳的一种，其主要组成物为碳原子，且大量碳原子键结于一扭曲四面配位结构。一方面，在无晶钻石中的碳原子含量至少约为90％，其中至少约20％的碳原子属于扭曲四面体配位结构，无晶钻石的原子密度比一般钻石(176 atoms/cm³)高。而且无晶钻石与钻石会在熔化时收缩。

“气相沉积”，是一种藉由气体相将物质沉淀在基座上的方法，例如化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)皆属于气相沉积法的范畴。每一气相沉积法的使用皆可由本领域具通常知识者在不改变主要原理的情况下做变动，例如热丝气相沉积法(filament CVD)、射频化学气相沉积法(rf-CVD)、激光化学气相沉积法(laser CVD，LCVD)、金属有机物化学气相沉积法(metal-organic CVD，MOCVD)、溅镀、蒸渡(evaporation PVD)、离子化金属物理气相沉积法(ionized metal PVD，IMPVD)、电子束气相沉积法(electron beam PVD，EBPVD)、反应性气相沉积法(reactive PVD)、原子层沉积法(atomic layer deposition，ALD)等其它类似的方法。

“表面粗糙度”，是以表面解剖结构的多项特征所评估的表面粗糙度。许多测量方法如测量尖端的高度或其投影的高度以及凹处或凹面凹陷的深度可用来显示该表面粗糙度。此外，表面粗糙度的测量方法还包括测量该表面积上所具有尖端或凹面的数量(例如峰密度或凹面密度)，以及尖端或凹面之间的距离。

“金属”，是指一个金属、包含两个以上金属的合金。本领域具有通常知识者皆通晓金属物质的范畴，如铝、铜、铬、铁、钢、不锈钢、钛、钨、锌、锆、钼等及其合金或化合物。

“电亲合力”，是指一个原子倾向去吸引或束缚一个自由电子进入该原子的轨道。另外，负电亲合力(negative electron affinity，NEA)是指一个原子排斥自由电子的趋势，或有小能量输入下，允许电子从轨道中脱离。NEA通常是一个在导带(conduction band)中真空与最低能状态之间的能量差，熟习该项技术者皆通晓具有负电亲合力的材料是可通过化合物本性或不规则结晶，如缺陷夹杂、晶粒边界、双晶面或上述的综合方式而形成的。

“电介质”，是指任何有电阻的材料。电介质材料包含任何种类的材料，如玻璃、高分子物质、陶瓷材料、石墨、碱金属盐、碱土族金属盐或其组合物或复合物。

“功函数”，是指使电子在一种材料的最大能量状态下，从该材料中释放至真空环境所需的能量，通常以电子伏特(eV)表示。例如铜的功函数约为4.5eV，即铜需要4.5eV的能量供电子从表面逃逸至理论上完全真空的状态(OeV)。

“电性耦合”，是数个结构的关系且至少有电流在结构之间流动。其包含结构中的物理性接触以及非物理性接触。通常，两种以电性耦合方式连接的材料之间含有电位能或电流。例如，两个由电阻器物理性耦合在一起的平板即属于物理性接触，且可让电流流通于二平板之间。相反地，由电介质分开的两平板就不属于物理性接触，但当其接触交流电时，电流就能由电容方法流过两平板之间。此外，由于电介质材料具有绝缘性质，因此当有足够能量时，电子可穿过或跳过该电介质材料。

“热电能转换”，是将热能转换成电能、将电能转换成热能或让热能流动。而本发明的类钻碳是在热离子发射器下操作。如之前文中所讨论过的，热离子发射器可在增加材料温度时，增加电子发射量，如无晶钻石等的类钻碳材料能够在温度远低于其它大部分材料的情况下达到相同的热电发射量。例如，很多材料在加热超过1100℃时才能达到大量的热电发射量或其它与温度高低有关的功效。相反，无晶钻石的温度从接近室温至1000℃或以上的时候，热电发射量亦会随着温度的增加而增加。因此热离子发射器的材料如无晶材料可在温度从低于室温至300℃之间达到功效。

“电产生器”，是指被配置成用来产生电的热电能转换装置。

“冷却器”，是指被配置成由提供电压控制热转换的热电能转换装置。

“基本上的”一词用来形容材料的个数或数量，或是该材料的某一特征时，其是指一个足够达到效果的材料或特征的量，而造成误差的程度必须依文章内容作判断。同样地，“基本上无”等词是指在组成中缺乏明确数量的元素或药剂，特别是在物质大致没有的情况下，其并非指在组成中完全不存在，而是量小到无法测量。

多数个物品、结构组件、组成元素或/和材料基于方便可出现在一般的常见列举中，然而这些列举可解释为列举中的单一构件单独或个别地被定义，因此，这样列举中的单一构件不能视为任何单独基于在一般族群中无相反表示的解释的相同列举中实际上相等的其它构件。

浓度、数量以及其它数值上的数据能够以范围的形式来加以呈现或表示。而需要了解的是这种范围形式的使用仅基于方便及简洁的要求，因此在解释时，应具有相当的弹性，不仅包括在范围中明确显示出来以作为限制的数值，同时亦可包含所有个别的数值以及在数值范围中的次范围，如同每一个数值以及次范围被明确地引述出来一般；例如一个数值范围“约一微米到约五微米”应该解释成不仅仅包括明确引述出来的大约一微米到大约五微米，同时还包括在此指定范围内的每一个数值以及次范围，因此，包含在此数值范围中的每一个数值，例如2、3及4，或例如1-3、2-4以及3-5等的次范围等。

此原则适用于仅引述一系列列举的单一数值，而且，无论是范围幅度的范围或所述的特性皆适用这种解释。

本发明：

本发明是关于一种在足够能量进入时可产生电子的无晶钻石材料。如现有技术所说的，一些材料的使用已经被用来试图达到这个目的，包括钻石材料及装置已经揭示在WO 01/39235、美国专利申请案第11/112,724号及第11/045,016号的专利案以及美国专利案号第6,806,629号的专利案中，每一个专利案皆可并入本发明作为参考。由于其高能隙的特性，除非经过修饰以降低或改变这能隙，否则钻石并不适合释放电子。到目前为止，改变能隙的技术，如掺杂不同的掺杂物到钻石中和将钻石配置成有一些几何构型所生产出电子释放器在使用方面还有疑虑。

目前发现很多类钻碳物质当有适当能量时可轻易释放电子，这种材料具有钻石的负电亲和力性质，但不会遭受纯钻石因能隙所产生的问题，因此电子在获得能量而激发后可轻松地穿过类钻碳材料，并在使用明显比钻石还低的输入能量后即可被释放。而且，本发明的类钻碳材料已被发现具有高的能量吸收范围，能将更广范围的能量都转换成电子以增加转换效率。

多种可提供所要的电子量的特定类钻碳材料皆属于本发明的范围。在一个特定实施例中，类钻碳材料可为无晶钻石材料，这种帮助释放电子的无晶钻石材料是具有多数个碳原子键结的扭曲四面体配位结构，四面体配位结构可供碳原子保有sp³键结特性，此特性会帮助表面具有负电亲合力(NEA)，并且提供多数个有效的能隙，这是由于在扭曲四面体配位结构中，碳原子键结之间的键长不同所导致。因此，纯钻石所出现能隙的缺点已经被克服，而无晶钻石就成为有效释放电子的材料。其中一种情形是该无晶钻石材料可包含至少约90％的碳原子，其中至少约20％的碳原子是键结形成扭曲四面体配位结构。另一种情形是该无晶钻石包含至少约95％的碳原子，其中至少约30％的碳原子是键结形成扭曲四面体配位结构。再一种情形是该无晶钻石包含至少约80％的碳原子，其中至少约20％的碳原子是键结形成扭曲四面体配位结构，而最佳的是至少约30％的碳原子是键结形成扭曲四面体配位结构。而上述的情形还可以是至少约50％的碳原子是键结形成扭曲四面体配位结构。

可帮助电子发射无晶钻石材料的另一方面是具有某种几何构型。参考图1所示，其是以本发明制作方法所制成无晶钻石材料5的其中一个配置型态实施例的侧视图。具体而言，该无晶钻石材料具有一个可接受如热能等能量的能量输入表面10以及从中发射电子的发射表面15，为了进一步帮助电子发射，该发射表面15可配置有一能集中电子流或增强电流输出，并具有粗糙度或表面粗糙度的发射表面，该表面粗糙度以多数个尖端20或突出部所表示，值得注意的是虽然图1呈现出均一的尖端20，但其仅为了方便，因此本发明的无晶钻石的尖端20通常是非一致的，各个尖端20之间的距离及尖端20的高度可如图3及图4所示为不一致。

而一些已知的如由多数个金字塔形物或锥形物将电子发射到发射表面以试图集中电子的设备，至目前为止还没有一个设备能在合理的能源输入且符合经济效益的情况下，可达到高电流输出的功效以使用在各种应用上。上述金字塔形物及锥形物等不适用的结果多半是由于密度的过大或不足，使所需的电子无法集中以增强电流，这种尺寸通常在高度方面大于好几个微米，因此只能准许突出部的密度在每一平方厘米内有一百万个突出部。尽管碳纳米管能达到比一般已知发射器更高的输出电流，但碳纳米管易碎、使用寿命短，而且达到的电子程度及流量并不一致。

就本发明一方面而言，该发射表面的表面粗糙度的高度约在10纳米到10,000纳米或10纳米到1,000纳米，另一方面，该表面粗糙度的高度还可为800纳米左右。另一方面，该表面粗糙度的高度还可为100纳米左右。另外，表面粗糙度的尖端密度至少在一平方厘米的发射表面上约有一百万个尖端、一亿个尖端或是十亿个尖端，任何达到特定发射表面粗糙度的高度和密度的组合皆为了产生特定发射表面的表面粗糙度，并被要求以产生所要的电流输出。然而，表面粗糙度可包含大约800纳米的尖端高度以及至少约或大于约每一平方厘米的发射表面中约有一百万个尖端的尖端密度，或包含大约1,000纳米的尖端高度以及至少约或大于约每一平方厘米的发射表面中约有十亿个尖端的尖端密度。

本发明的无晶钻石能使用各种不同能量输入型态以制造电子，其中适合的能量型态包括而不限制为热或热能、光或光能、电或电场能，因此适合的能量来源并不限制在可见光或任何特定的频率范围，而是可包括全部的可见光、红外线以及紫外线范围的频率。本领域具通常知识者可知的其它能量型态，其可为能够充分振动在无晶钻石材料中的电子以影响电子的释放以及进出材料的移动，另外，多种能量型态的组合亦可用来达到特定想要的结果或符合与类钻碳结合的特别装置的运作。

本发明使用的能量型态可为热能，为此，一个能量吸收器及收集层可用来结合或耦合本发明的类钻碳材料，以帮助吸收或转换热量至材料中；同样地，在所属领域具有通常知识者可轻易得知该吸收器可被许多预先倾向于吸热的材料如碳黑等构成。根据本发明，由类钻碳材料所吸收的热能具有约小于500℃的温度。另外，光能或热能可足够让阴极保持在温度约100℃到1800℃左右。基本上，从约200℃到300℃的能量输入是很平常的。另外，吸收及收集层可为吸收光能或/和热能而被设计，如碳黑、喷洒石墨粒子或其它暗色或黑色物体，或者，该吸收收集层具有增加的表面粗糙度以增加所吸收的光或/和热量，多种制造特定结构表面的方法已为本领域具通常知识者所知悉。

在本发明另一特征中，用来帮助电流的能量可为电场能(如正偏压(positive bias))，因此，在本发明的一些实施例中，正偏压适合被用于连接其它能源如热或/和光，这样的正偏压可适用于无晶钻石材料或/和以下所述的中间构件或于本领域具通常知识者所知的各种其它机械装置中。特别的是，电池的负极或其它电流来源可被连接于电极或/和无晶钻石以及与无晶钻石或与置于无晶形钻石电子发射表面和阳极之间的栅门组件连接的正极。

本发明的类钻碳材料可进一步与一些不同组件耦合或结合以制成不同的设备。参考图2所示，其表示本发明的类钻碳热电能转换装置的其中一个实施例是配置为电产生器。尤其，该阴极25披覆一类钻碳材料层5，类钻碳材料层接触于该阴极25的表面为一能量输入表面10。而如上所述，一个选用的能量收集层40可耦合在阴极上相对于无晶钻石材料层的一侧，该能量收集层可依需要而被使用，以增加热能或光能到类钻碳材料层上的收集与传递，一个中间构件55是电性耦合于类钻碳材料层5的电子发射表面15，一个阳极30电性耦合于与中间构件上相对于类钻碳材料层的一侧。

在另一实施例中，类钻碳材料层5可被披覆于阳极30而非阴极25上，在一些配置型态中，其装置的效能可因披覆有类钻碳材料层的阳极而改善，或者，每一个阳极或阴极皆可有类钻碳材料层披覆其上。不论电子发射表面是否有类钻碳材料层的存在，阳极的类钻碳材料层的使用可提供所想要的电子释放是已被发现的事，而类钻碳材料层在阳极上比在阴极上对于电子释放有明显的影响，因此，在一些实施例中阴极可以直接与中间结构层接触却没有类钻碳材料层，而阳极上有类钻碳材料层形成。而粗糙表面可被导引至中间结构层，既然如此，该类钻碳材料层与之前所讨论过的阴极相同而可沉淀在阳极上，或类钻碳材料层可形成于中间结构层以致该粗糙表面被导引至阳极。在本实施例中，阳极可经由任何如上所述的适当方法形成在类钻碳材料层上。

就本发明来说，类钻碳热电能转换装置整体为一个固体装置，其具有与相邻的各结构层和/或构件紧密接触的结构层，最具特色的是阳极和阴极实际上是平行的，故阴极和阳极之间的距离实际上就是整个装置的距离。

本领域的普通技术人员可轻易得知其它可以或可能被增加到图2的组件中的对象，以达到特定目的或制造特定装置。由以下例子说明所谓的对象，但该对象并不局限于下列例子中，如一可被放置在阴极与阳极之间的连接线50以形成一个完整的电路，并可让电通过以被利用于运转一个或多个需要电的设备(图中未示)或执行其它工作，另外，本领域普通技术人员亦可轻易发现如输入线、输出线和电源(图中未示)，皆可连接中间构件55，以提供诱发电场、正偏压或其它所需组件的电流，以制成一个特定的装置。

上述对象可采取不同的配置型态，并被不同的材料所制成，以下所述的每一结构层可用许多已知技术但不限制为气相沉积法、薄膜沉积法、固体预先制成法、粉末堆积法、丝网印刷法等所制成，其中，每一结构层所用的气象沉积法如PVD、CVD或其它已知的薄膜沉积法制成，而PVD法是溅镀法或阴极电弧法。另外，本领域具通常知识者可轻易得知作为阴极25和阳极30的适当导电材料及其配置，这种材料与配置部分决定于连接有组件的装置的功能。另外，每一结构层可为黄铜、粘着剂或其它不会妨碍以下所讨论的热性质与电性质的固定方式，虽然不同的几何构型以及不同的结构层的厚度皆可被利用，但常见作为类钻碳发射表面的厚度可从10纳米左右到3微米左右，而作为其它结构层的厚度约为1微米至1毫米。

该阴极25可被形成具有一个至少部分披覆有无晶钻石材料层5的基层构件60，该基层构件可被如金属的传导性电极材料制成，合适的金属包括但不限制于铜、铝、镍、其合金及相似金属，目前适合作为基层构件的较佳材料为铜，另一较佳材料为铝镁合金或导电性银膏，各种银膏是可以商购，或根据已知的方法制造的，银膏可利用传统的丝网印刷法进行披覆。同样的，阳极30可用与基层构件相同或不同的导电材质制成，目前，较佳的阴极材料为铜，如同一般所指示的阳极或/和阴极基层构件有一个约从3.5eV至6.0eV的功函数，第二实施例中的功函数约从3.5eV至5.0eV，尽管许多不同基层构件厚度对阴极和/或阳极而言都有效果，但一般的厚度范围约在0.1毫米至10毫米。

该阴极25的基层构件60可为单一或多个结构层，其中一个实施例中的基层构件为单一材料结构层，而另一实施例中的基层构件包含第一结构层与第二结构层(图中未示)，以至于第二结构层是耦合于第一结构层与无晶钻石层的能量输入表面之间，该第二结构层是用来改善电子传导至无晶钻石层的发射表面的传导度。一般而言，当第二结构层被利用作为基层构件的一部分时，该较佳的第二结构层是具有数值小于第一结构层的功函数的材料，而该第二层具有一个具有功函数从约2.0eV到4.0eV的低功函数材料，即使功函数在2.0eV到3.0eV也很适合，而更佳的功函数是在1.5eV到3.5eV左右，适合作为第二结构层的材料包含但不限制在铯(Cs)、钐(Sm)、铝镁合金(Al-Mg)、锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、硼(B)、铈(Ce)、铝(Al)、镧(La)、铕(Eu)及其混合物或合金，一种情形是第二结构层可包含铯(Cs)、钐(Sm)、铝镁合金(Al-Mg)及其合金，更特定的情况下，第二结构层可包括铍(Be)、镁(Mg)、铯(Cs)或钐(Sm)，其中最佳的是铯(Cs)。

为了改善将热传导至类钻碳层的情形，第二结构层是包括具热导率大于100W/mK的材料，当与其它结构层或组件组合时，不同厚度的第二结构层皆可被使用，然而，第二结构层的厚度经常从1微米至1毫米左右，而本领域普通技术人员可知典型的低功函数材料容易被氧化，因此，在利用该材料制作第二结构层时，整个热电能转换装置置入真空或其它惰性气体环境中。

在不希望局限于任何特定的原理下，本发明产生电子的能力可被视为与材料之间的能隙、功函数和每一结构层层热导率有关的步骤过程，特别是在阴极的第二结构层可由能驱使电子靠近真空能量或传导带(如降低第一结构层与真空能量之间的能隙)的材料所制成。另外，第二结构层可具有高的热导率以改善电子流动至电子发射表面的流量。在第二结构层的电子可被传送至类钻碳层，其无晶形钻石的扭曲四面体配位结构可产生各种不同的功函数与在无晶钻石层中的能隙值(如在未被占据的导电带之间)，以致于一些电子状态接近或超过真空能量。

用作中间构件的材料可让电子传递或“阶梯式”降回阳极材料以让热散失达到最小化，如此可减少在系统中损失的能量，例如，从无晶钻石到一种具有高功函数材料的一大能阶可被用于本发明，然而，其中一些电能会以热能形式散失，因此，数量多于1的中间构件或/和基层构件层可结合于装置中以提供在各层中能隙之间不同程度的“能阶跃进”和“能阶下降”，因此，中间构件是以多数个具有不同电性质或热性质的结构层所组成的。

另外，由于中间构件的热导率经常被要求最小化，以使得从阴极到阳极之间保有热梯度，而操作温度可依不同的应用或能量来源而有很大的差异，阴极温度可从大约100℃至1800℃，而通常是大于300℃左右，或者，阴极温度还可以小于100℃左右，如约从0℃至100℃，尽管脱离这些范围也还是可以被使用，但这些范围是提供说明可存在于本发明的装置的温度梯度。

如图2所示，一个中间构件55可耦合于电子发射表面15。根据本发明，该中间构件55可为电介质材料，该电介质材料可为任何本领域普通技术人员能够得知的电介质材料，包括高分子聚合物、玻璃、陶瓷材料、无机化合物、有机化合物或以上的混合物，例如但不限制于钛酸钡(BaTiO₃)、锆钛酸铅(PZT)、氧化钽(Ta₂O₃)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、锆酸铅(PbZrO₃)、钛酸铅(PbTiO₃)、氯化钠(NaCl)、氟化锂(LiF)、氧化镁(MgO)、二氧化钛(TiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化钡(BaO)、氯化钾(KCl)、硫酸镁(Mg₂SO₄)、熔融硅玻璃、钠钙硅玻璃、高铅含量玻璃及其混合物或复合物，其中一种情形的电介质材料可为钛酸钡(BaTiO₃)，亦可为锆钛酸铅(PZT)、锆酸铅(PbZrO₃)或钛酸铅(PbTiO₃)。另外，电介质材料可为石墨材料，一些石墨材料可具有足以承受0.1伏特电压的高电阻率，再者，还可利用电导性与热导性比石墨低的材料，如六角晶形氮化硼(hexagonal boron nitride)(约40W/mK)、氧化铝(alumina)、氧化锆(zirconia)、其它陶瓷材料或者上述电介质材料可与具相对较高热导性(约200W/mK)的石墨混合，例如，目前较佳实施例为中间组件可包括石墨与六角晶形氮化硼的混合物，该材料可以提供一个堆栈的组合物或压缩的粉状混合物。另外，适合用在中间构件的材料包括但不限制为：金属基材复合物、逆金属基材复合物、锑化铋(BiSb)、碲化铋(Bi₂Te)、碲化铅(PbTe)、硅化锗(SiGe)、碲化铋(Bi₂Te₃)、锑化锌(Zn₄Sb₃)、碲化镧(La₂Te₃)及其混合物、复合物或组合物，金属基材复合(MMC)材料在具有足够电导率用以保持通过中间构件的电压的材料中很有用处，另外，热导率和电阻率可通过改变复合物中第二材料的浓度和/或不同第二材料的组成来调整，通常有用的MMC材料包括一种散布有第二材料的金属基材材料，大部分的第二材料浓度经常从5％到25％左右(虽然其它不在此范围的浓度皆可被使用)，如铝矾土亦可如MMC一样被高度利用，类似的纤维、晶须或材料微粒，例如但不限制为铝、硅、碳化物、钢、石墨、碳等相似物可散布于金属基材中，而逆MMC材料(reverse MMC)也是非常有用的材料，这种逆MMC材料包括一个有金属散布的非金属基材，针对逆MMC特别适合的例子是掺杂金属的派热克斯玻璃(PYREX glass)。

大部分任何可用于制造一个电容器的材料皆是有用的电介质材料，然而，其中一种电介质材料可为压电材料，出现在阴极的类钻碳层让大部分以其它种类材料制成的中间构件无法使用。

该电介质材料可用任何方式配置以保持类钻碳层与阳极之间为分开的状态，而类钻碳层可电性耦合于两电极，又该中间构件可为单一层或是多层。既然如此，电介质材料可为了改善转换效能而挑选订做，并借着调整材料让电介质材料更能接近符合邻近材料的能隙，而优点在于该电介质层的配置可减少因更多电价一致性散布于中间构件，而产生对较佳电子流动路径的影响，而且在这种多层配置型态，中间构件可包括一个或多数个额外添加的类钻碳层。

电介质层可为任何能够让热能转换成电能或达成本发明其它的目的厚度，特别的是该中间构件的厚度与组成可被调整以控制电阻率，另外，调整中间构件厚度是为了平衡电压和电流(如效能)，例如，一个较薄的中间结构层在电压减小时可使电流加大，特别是钻石材料具有一个大约5eV的能隙，在某些情况下大于5eV，这是依据键结在无晶钻石材料中sp²/sp³结构的比例，而目前的太阳能蓄电池倾向于具有一个大约0.5伏特的输出电压(硅材装置具有一仅1.1eV的能隙却能产生约0.6伏特的电压)，而本发明的太阳能蓄电池却能增加到5.5伏特。另外，无晶钻石材料具有较广范围的能隙，因此不需要添加掺杂物，故被激发的电子一般皆可保持在一个较高能阶状态，而不会突然掉回基态。然而，无晶钻石不同于相互堆栈的金属材料，其能态是不连续的，因此电子是以如同上阶梯的方法在该不连续能态爬升，而中间结构层的厚度可用来设计特殊应用的热电能转换装置，在一些应用上，该热电能转换装置可被要求具有较低的电压与较高的电流，而其它的应用则要求较高的电压与较低的电流，特别的是该中间构件可为具有足够厚度的固体材料，并可承受大于0.1伏特的电压，例如从0.1伏特到6伏特左右，较佳的范围是从1伏特到5.5伏特左右，如上所述，该中间构件的材料与厚度可影响电阻率并可承受通过中间构件的电压。

虽然特定材料的厚度基于实验及在此提出的指导很好地确定，但中间构件必须有一个厚度足以让电阻率达到约0.1μΩ-cm到100μΩ-cm，更佳的是从约20μΩ-cm到80μΩ-cm，该范围与因不同材料而有的厚度相对应，但通常的范围为约0.05微米到500微米。而在电介质材料中，其厚度可从0.2微米到100微米左右，而电介质材料层的厚度是从0.5微米到10微米左右。举例来说，一个以PZT制作的中间构件的厚度在约1微米左右时可产生较好的效果。

此外，无晶钻石具有高辐射硬度，故可承受长时间的老化或降解，相反的，典型的半导体材料会因照射到紫外光而降解，并且会因时间而降低可靠度。如在其它地方所提及的，无晶钻石中的电子会经由热电效应而非光电效应而激发，因此，无晶钻石材料存在一个会随着温度变化而改变的电子释放性质，例如，无晶钻石材料不论在何种温度皆可被用来将大量热能转换成电能。故当温度增加时可知实际上是在增加释放的电子，转换率可大于30％，在利用本发明原理制成的太阳能蓄电池中大于50％，转换率会随着电阻率和电压的增加而增加，所以根据预期的应用，无晶材料意欲用来平衡通过中间构件的电流转换率。

而中间构件可被具有热导率约小于200W/Mk或小于100W/Mk的材料所制成，在很多时候约小于100W/Mk，而中间构件在20℃时的电阻率约小于80μΩ-cm，在选择用于中间结构层的适当材料时，至少要考虑两个因素：第一个因素是该材料必须让在穿过结构层的热能最小化，因此希望该材料具有相对低的热导率，而该中间构件热导率约小于200W/mK左右，如约小于80W/mK左右的材料，热导率小于40W/mK左右的材料也是有用的；第二个因素是中间构件具有相对传导性，该中间构件温度20℃时具有约小于80μΩ-cm的电阻率，更佳的是温度20℃时具有约小于10μΩ-cm的电阻率。参看图8所示，此为各种元素的电阻率与热导率的相对关系图，需要理解的是各种合金与化合物在中间构件中存在的特性，也是在本发明的范畴中所被考虑的。

参考图8所示，其表示在各元素之中，大致的趋势是电阻率增加(传导性降低)时，热导率会降低。但是，在虚线框区域中的元素皆呈现低的热导率和高的电导率，在这区域中的示范材料例如有铅(Pb)、钒(V)、铯(Cs)、铪(Hf)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、镓(Ga)及其混合物或合金，在本发明的一种情形中，该中间构件包含铯(Cs)。功函数是一个有助于检测不同层的适合的电子性质的方法，该中间构件可包括功函数在1.5eV至4.0eV左右或2.0eV至4.0eV的材料，亦可根据以上所指示而挑选适合的材料，在本发明的一个实施例中，中间构件具有一个大约在0.1毫米至1毫米的厚度。

在另一实施例中，当扩大可用材料的种类时，凡符合以上关于热导性与电导性的指示的中间构件皆可被使用。特别是中间构件主要以贯穿有多数个孔洞(图中未示)的绝热材料所制成，虽然电导性材料是较佳的材料，但绝热材料亦可被使用。本领域普通技术人员有能力选择合适的绝热材料，合适的绝热材料例如但不限制包括陶瓷材料及氧化物，目前较佳的氧化物包括氧化锆(ZrO₂)、氧化硅(SiO₂)以及氧化铝(Al₂O₃)，该孔洞是从无晶钻石层的电子发射表面贯穿至阳极，其中一种便于制造孔的方法是激光钻孔法，其它方法包括如铝的电镀，在此过程中，铝表面会形成小凹陷，因此在之后的电镀中，电子会优先流过锯齿状的表面以熔解铝，并形成笔直或平行排列的孔洞，而在孔洞附近会被氧化成氧化铝(Al₂O₃)。

该孔洞一旦形成，更多高传导性物质可以沉淀在该孔洞中，该孔洞可被电沉积、物理性流动或其它方法所填充，大部分传导性物质皆可被利用，而在一种情形中，该传导性物质可为铜、铝、镍、铁或其混合物及合金，因此，具有高传导性但不局限于热导性的传导性物质是可以被选择使用的。而孔洞面积与该绝缘材料表面面积的比例可被调整，以达到符合之前所述的热传导率与电传导率。另外，孔洞的排列图形、大小及深度皆可被调整，以达到理想的结果，一种情形是该表面孔洞面积占该和无晶钻石层的电子发射表面接触的中间结构层表面面积的10％到40％左右。

由于本发明的类钻碳材料容易产生电子，因此发现利用合适电场而诱发的电子流可帮助在能量输入表面的吸收热量，故本发明的电子发射器可作为一冷却器，因此本发明包括一个可通过在诱发电场中释放电子以吸收热量的冷却器。这样的装置可具有各种型态，并使用许多例如可以应用于上述电产生器的辅助组件。在一种情形下，冷却器可降低附近区域的温度至100℃以下。另外本发明亦可作为一个热泵以从具低热量的区域或空间将热量传送至具高热量的区域。

在本发明的这些实施例中，电流的运用是从阴极驱动热流到阳极，因此，热电能转换装置亦有冷却器的功能，这样的冷却器可用来将如超大规模集成电路(ULSI)、激光二极管(laser diode)、中央处理器(CPU)等的高动力电子装置中的热量驱散，或可与冷藏系统中的冷却器一样的使用方式。

本发明的无晶形材料可被在本领域具通常知识者所知悉的各种方法制成，而该材料可用阴极电弧方法制成，而各种阴极电弧法步骤是熟知该项技艺人士所能轻易得知的，例如美国专利案第4,448,799号、第4,511,593号、第4,556,471号、第4,620,913号、第4,622,452号、第5,294,322号、第5,458,754号以及第6,139,964号的专利案可被并入本发明作为参考，一般来说，电弧技术包括有在靶材或基层构件上的碳原子物理气相沉积(PVD)，该电弧是借着因大量电流通过作为阴极的石墨电极，并利用电流汽化碳原子所产生的，该经汽化的原子也转变为离子化而带正电荷，而不同强度的负偏压是被用来驱使碳原子朝导电性靶材移动，假使该碳原子具有足够的能量(约100eV)，该碳原子将会冲击靶材并附着在该靶材的表面以形成一个含碳的材料，如无晶钻石，无晶钻石可披覆于没有接触阻力或接触阻力基本上在减少的金属基层构件上。

一般而言，碳原子冲击的动能可通过在基层构件上不同的负偏压来调整，而沉积率可通过电弧的电流来控制，控制这些参数如同控制其它参数一样，也可通过调整碳原子四面体配位结构的扭曲程度和无晶钻石材料的几何型态或配置(例如高负偏压可以让碳原子加速并增加sp³键结构造)，通过测量材料的拉曼光谱(Raman Spectra)，可决定sp³与sp²的比例，然而，应该记住该无晶钻石层中扭曲四面体的部分既不是sp³结构，也不是sp²结构，而是在具有上述两种结构的中间特性的范围内键结，另外，电弧电流的增加可增加靶材受高流率碳离子的冲击频率，结果温度会上升，以致沉淀的碳可以转变成比较稳定的石墨，因此最终无晶钻石材料的配置与组成(如能隙、NEA以及发射表面粗糙度)可通过形成材料的阴极电弧情况来控制，另外，其它可被用来形成类钻碳(DLC)的方法，如气体沉积法(例如PVD、CVD等)，而激光烧蚀法是一种获得具过大表面积的类钻碳薄膜的方法。利用激光烧蚀碳源制造钻石的Oak Ridge国家实验室及其它研究团体和公司对该激光烧蚀法有新的发展。不论使用何种特定的方法，类钻碳材料或在装置中的其它结构层可不需要在介于电子发射层与阳极之间的真空环境下形成，而该真空环境会大量减少生产成本，并增加所制成的装置的可靠度。

在此讨论的不同装置或方法的应用皆可被本领域具通常知识者所知晓。其中，本发明的热电能转换装置可结合于会产生废热的装置中。本发明的阴极侧或能量输入表面可耦合于一热源，如锅炉、电池(如充电电池)、中央处理器(CPU)、电阻器、其它电子组件或任何其它在操作时所产生的副产物为无用废热的装置的热源耦合。例如，本发明的电产生器可和笔记本计算机的电池耦合，该电产生器本身而论可补充电力供给并延长电池寿命。另一个例子是一个或多个电产生器可设置于锅炉或其它机器设备的产热组件的外表面，该电产生器同样也可以补充这些设备在生产过程中所需的电。因此，可想而知，这种可多方面应用的设备可以用在热、光或其它能源以制造有用额度的电能。

此外，类钻碳可披覆在一般电极上以帮助电子的流动。这种电极可用于电池和金属的电子沉积，如电镀，其中，电极在水溶液中使用。例如，用来监控水质量或其它如果酱、啤酒、苏打水等的食品的电极可通过测量水中电阻率来监控，无晶钻石制成的电极由于具有抗腐蚀的特性而具有比传统电极更大的优势。

其中一个特别的应用，就是在电子沉积所使用的无晶钻石电极具有显著的优势。具体而言，在于绝大多数的电子沉积设备所产生的问题是电极通过各种气体吸收而极化的问题，但因无晶钻石强烈的惰性而让披覆有无晶钻石的阴极和阳极实际上无法极化，而且这种惰性使其在水溶液中会产生一个高于金属或碳电极所得到的电位能，在正常的情况下，这种电压会分解水。然而，由于无晶钻石的高电位能，在溶液中的溶质会在水可被分解前被分离出来。因此这种特性是非常有用的，使电子沉积法可用于在过去极难或甚至不可能使用的高氧化物质，如锂和钠。

在类似的情况下，由于无晶钻石电极在溶液中可达到高电位能，所出现非常微量的溶质皆可从溶液中被分离并被检测。因此，本发明的材料也可用在高灵敏诊断工具或仪器中，用于测量在溶液中的不同元素，如含量低于十亿分之一(ppb)左右的铅，这样的应用可检测几乎任何可被电荷驱离或吸引的元素，包括生物材料，如血或其它如尿液的体液。

在本发明另一个实施例中，至少一个阴极或阳极可被配置来传送光，其中一个例子是配置来传送光的电极是由披覆有铟锡氧化物的透明材料组成，该透明或可透光的材料可为任何已知的透明材料，如玻璃或像塑料、压克力(acrylic)等的高分子物质。在这样的实施例中，透明度可符合美学或其它实质理由，特定光发射装置与配置的详细说明是所用的类钻碳或无晶钻石及其配置是包含在2005年1月26日提申且序号为11/045,016的美国专利案中皆可并入本发明作为参考。

阴极和阳极可以为任何形状或配置，并可用在本发明各种实施例中。一方面阴极和阳极是平的，另一种方面阴极和/或阳极为刚性的，但在许多商业性实施例中，其为可弯曲的材质，因此，可弯曲的阴极和/或阳极可用在具弯曲结构的太阳能蓄电池中。

本发明的其它方面可思考改善热电能转换装置的可靠度。一方面，该可靠度可通过避免有机附着物与电极键结而改善。很多有机物材料特别在高温的时候并不稳定，避免使用有机附着物的其中一个方法是直接将一层电介质材料和任何阴极和/或阳极材料沉淀在一个电极上。本领域具通常知识者可知晓各种达成上述目的方法，包括但不限制在低温等离子体法。另外，利用低温烧结以键结各结构层的方法可避免有机附着物，就烧结法而论，其可在低于约500℃时完成以避免无晶钻石层的降解，而目前，热稳定性附着物如硅胶黏着物可被使用。

之前间接提到本发明包含在此揭示的类钻碳热电能转换装置的制造及使用方法，除了前述提到的电产生器和冷却器之外，还有很多用此释放电子的原则所操作的仪器皆利于使用本发明的无晶钻石材料。许多这样的机器是可以被于本领域具通常知识者所知晓的，包括但不限制在晶体管、极快开关、环状激光回旋仪、电流扩大器、微波发射器、冷光光源以及其它电子束仪器。

可通过吸收足够能量以发射电子的无晶钻石材料的制造方法，包括以下步骤：提供碳源、从该碳源形成无晶钻石材料以及使用阴极电弧，产生电子流或产生电流的步骤包括：之前提到的制作无晶钻石材料以及输入能量到材料中以足以产生电子流，阴极基层构件的第二结构层以及中间构件可用CVD、PVD、溅镀法或其它已知方法制成，其中，该层是用溅镀法制成。另外，该阳极可与中间构件以CVD、PVD、溅镀法、铜焊、黏着(如加入银膏)或其它于本领域具通常知识者所知道的方法来耦合，虽然阳极一般适用溅镀法或电弧沉积法，但阳极可用铜焊的方式和中间构件耦合。

一个选用的步骤为该类钻碳热电能转换装置可在真空炉中被热处理。热处理可改善在不同材料界面间的热性质和电性质，实施于类钻碳热电能转换装置的热处理是为强化界面边界以及减少材料缺陷，典型的热处理温度可依所选择的特定材料从200℃至800℃左右，而更佳温度是从350℃至500℃左右。

以下实施例是说明制作本发明的电子发射器的不同方法，但必须了解的是以下实施例仅为依本发明原则的应用的示范与说明。许多修改以及具选择性的组成、方法和系统在不脱离本发明精神与范畴的情况下皆可被本领域具通常知识者所能推想出来的，所附的权利要求倾向于包括这些修饰与安排。本发明特征已于上文陈述，以下将会提出多个特定实施例对本发明进一步的详细说明。

实施例1

一片铜片粘着在一个聚酰亚胺支撑层上。一个1微米的无晶钻石层是通过阴极电弧的方法沉积在一片暴露的铜片电极上，该无晶钻石具有50纳米的表面粗糙度，一个PZT材的中间结构层利用丝网印刷的方法沉积于无晶钻石，其厚度为30微米，一层银膏通过丝网印刷的方法涂布于PZT中间结构层以形成阳极。之后，该组件在加热炉中去除丝网印刷中所使用的粘着剂，并将该组件连接在装置上，将线安装于铜电极可让热电能转换作为吸收热量的电产生器或是通过电流应用的冷却器。

实施例2

除了PZT层被石墨粉和六角晶形氮化硼粉末的混合物所取代之外，其余步骤与实施例1相同。

实施例3

除了PZT层被石墨粉和氧化铝粉末的混合物所取代之外，其余步骤与实施例1相同。

实施例4

除了PZT层被石墨粉和氧化锆粉末的混合物所取代之外，其余步骤与实施例1相同。

实施例5

除了PZT层被注入银的环氧化物所取代，以使电阻率足够支撑及承受通过两电极的0.1伏特的电压之外，其余步骤与实施例1相同。

实施例6

将一个玻璃板披覆碳黑，再将银膏涂布于碳黑上以作为阴极层，接下来，无晶钻石以阴极电弧法形成在该银膏上，一个钛酸钡(BaTiO₃)材的中间结构层再沉积于该无晶钻石上。第二次使用的银膏是形成于具有一个环氧化物薄层的中间结构层上，这些连续结构层用这些方法被涂布时，大体上在每一层中或各层之间是没有掺杂空气或水气的，因为空气会降低电子流，而水气会降低披覆层质量与可靠度。

该透明的玻璃外层是从太阳汲取热能，类似温室效应。而碳黑可吸收太阳光以增加温度(如到200℃)，该热离子无晶钻石可通过电子发射到中间结构层而将热能转换成电能，该钛酸钡中间结构层是用来控制电阻率及因此产生的电压的。虽然其他具可弯曲的导电材料皆可用来做可弯曲的电极，但这里使用银膏，该环氧物是作为保护机器并使其绝缘的便利性包材。

上述设计简单、容易以自动化操作而生产。而每一层的厚度与一致性很重要。假使刚性的玻璃被置换成可弯曲的PET或其它透明、透光的材料，则该太阳能板会变得可以弯折，因此可以设置在各种基体上，如汽车具有弧度的车顶。

实施例7

请参看图10所示，一个玻璃板70涂布一层碳黑72，一铝镁合金将碳黑溅镀其上以形成一阴极层74，而一薄铯涂层76被溅镀在基底阴极层74，一无晶钻石层78再利用阴极电弧法形成于该薄铯涂层上，接着，一个PZT中间结构层80沉积在该无晶钻石层上，而铜阳极82接着形成在附着于一个玻璃绝缘层84的中间结构层上，一个电池或其它电子装置86可与每个电极连接以储存电能或完成其它有用的工作。

实施例8

利用阴极电弧沉积法制造如图3所示的无晶形材料。特别的是发射表面的表面粗糙度有一个约200纳米的高度，而尖端密度约一平方厘米内有一百万个尖端。这种材料的制成，首先，[200]方向的一个N型晶片的硅胶基层构件利用氩离子蚀刻约20分钟，接下来，该经蚀刻的硅晶片利用Rockaway，N.J.发明的复合电弧的

披覆系统将无晶钻石披覆其上。该披覆系统中的石墨电极被蒸发形成一具有80安培电流的电弧，该电弧被20伏特的负偏压驱动而朝向该硅胶基层构件，并沉积于其上，产生的无晶钻石材料从披覆系统中移出，并通过原子力显微镜(AFM)观察，如图3及图4所示。

该无晶钻石材料随后被耦合在一个电极上以形成阴极，而本发明的电产生器就此完成，此时使用一个外加的偏压，则该通过无晶钻石材料所产生的电流则可在不同温度下被测量与纪录，如图5所示。

实施例9

一个10微米的铜层可用溅镀的方法沉积在基层构件上。并在真空环境下，将2微米的钐溅镀于铜表面上。在此同时必须小心避免让钐接触到会让其氧化的环境中(如整个流程可在真空下操作)。而一个无晶钻石材料层可接着用如实施例4所述的阴极电弧技术而沉积，并产生约0.5微米的厚度，用溅镀的方法在该无晶钻石层的生成表面上沉积一层厚度约10微米的镁，最后，一个厚度为10微米的铜层以溅镀的方法沉积以形成阳极。

实施例10

一个10微米的铜层可用溅镀的方法沉积在基层构件上。并在真空环境下，将2微米的铯溅镀于铜表面上，当然在此时必须小心避免让铯接触到会氧化的环境(整个流程可在真空下操作)。而一无晶钻石材料层可接着用如实施例4所述的阴极电弧技术而沉积并产生约65纳米的厚度，用溅镀的方法在该无晶钻石层的生成表面上沉积厚度约16微米的钼。此外，一个厚度20纳米的铟锡氧化物层是通过溅镀的方式沉积而形成阳极。最后，一个厚度为10微米的铜层是以溅镀的方法沉积在该铟锡氧化物层上，该组合层的沉积组成的部分剖面如图9A所示。该组合层随后在真空炉中加热到400℃，该最终的无晶钻石电子产生器的部分剖面图如图9B所示。要注意的是在各结构层之间的界面并非总是存在有明显的边界，而是在一个结构层到下结构层之间形成一个组成物梯度的特性。该热处理可改善电子在阳极与中间材料之间以及无晶钻石与中间材料之间的传导，在25℃下测量所使用电场的强度相对于电流密度的关系结果几乎与图5所示温度在400℃下的结果一样，因此可预期在温度高于25℃的测量结果亦会与在图5所阐述的温度作用有相似的趋势，其中在较低使用电压下，电流密度亦会增加。

实施例11

有铟锡氧化物(ITO)披覆于玻璃电极的第一装置可借着以阴极电弧方式将无晶钻石层披覆其上的第一ITO电极以及以丝网印刷方式将掺杂铜的硫化锌披覆其上的第二ITO电极所构成。接着，该ITO电极借着环氧化物使电极彼此相对并有披覆有物质的表面相互黏着在一起，于该ITO电极披覆表面之间被环氧化物填充的缝隙总量大约为60微米。

第二装置中的ITO披覆玻璃电极与第一装置中的相似，但第二装置中的第一ITO电极缺少了无晶钻石层，这些ITO电极通过朝向有用环氧化物的第一电极的掺杂铜的硫化锌涂料黏合在一起，于第一ITO电极与第二ITO电极的披覆表面之间被环氧化物填充的缝隙总量大约为60微米。

实施例12

直流电适用于实施例7的电极的第一及第二装置。当直流电用于电极的第一装置时，则需要有40伏特的电压以从掺杂铜的硫化锌层中产生冷光。当直流电用于电极的第二装置时，则需要80伏特的电压以从掺杂铜的硫化锌层中产生冷光。

实施例13

一个电极装置是通过实施例7中的第一电极所制成，并具有一类钻碳层。而交流电适用于此电极装置。为从掺杂铜的硫化锌材料中产生某一亮度的冷光时需要有60赫兹及40伏特；产生冷光亮度大于在60赫兹所产生的亮度需要100赫兹及3伏特；产生一个冷光亮度大于100赫兹所产生的亮度需要1000赫兹及3伏特；而产生大于1000赫兹所产生的亮度需要3500赫兹及3伏特。

实施例14

一个ITO电极的装置是以利用阴极电弧法披覆有无晶钻石层的两个ITO电极所组成，由于无晶钻石沉积在两个ITO电极上，因此在之后的制造过程中所用的热必须小于500℃以避免无晶形碳层的降解。掺杂铜的硫化锌层与一黏着剂混合并且旋转披覆于基层构件上以形成一个薄膜，该掺杂铜的硫化锌层接着被两个电介质材料层包夹并干燥、烘烤，再经热处理以让掺杂物扩散到硫化锌层内。

实施例15

一个组件耦合在阴极和阳极之间，并且组件与披覆有无晶钻石的电极之间具有一个界面，阴极露出的一侧另外还披覆有碳黑以吸收热。该组件是用来通过不同的组成和厚度来最大化其电导率(electricalconductance)与热阻(thermal resistance)，而两电极的制造是将银膏以丝网印刷方式设置于PET塑料上而使整体装置具有可弯曲性，该组件可为钛酸钡(barium titanate)、锆钛酸铅(PZT)、碲化铋(Bi₂Te₃)及石墨和六角晶形氮化硼的混合物或铝矾土。

当阴极的一侧加温到约100℃时，在两极之间会产生电。电压会随着该组件的电阻率而增加，而电流是随着其传导性而有所不同，热电的转换效率也会随着该组件的热阻率而增加。在上述的设计中，若无至少一个电极没有以无晶钻石披覆的话，就无法产生电。

依照本发明所述的原则，同样的装置可连接于电池上。因此，阴极就会因为用于电子的驱动力远离阴极而变得比阳极冷，这个电冷效应可用在从热表面移除热能的散热器或在冷却箱中的致冷装置中。

当然，必须要了解上述排列仅仅叙述根据本发明的原则所呈现的应用，还有许多改变及不同的排列亦可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下被本领域具通常知识者所设想出来，而申请范围也涵盖上述的改变和排列，因此，尽管本发明被特定及详述地描述呈上述最实用和最佳实施例，本领域具通常知识者可在不偏离本发明的原则和观点的情况下做许多如尺寸、材料、形状、样式、功能、运作状态、组合和使用等的变动。

Claims

1.一种类钻碳热电能转换装置，包括：

(a)第一电极，具有至少部分披覆有一层类钻碳材料的基层构件；

(b)中间构件，与该类钻碳材料电性耦合，该中间构件包括一个可承受穿过中间构件的大约0.1伏特至大约6伏特电压的固体电介质材料；

(c)第二电极，电性耦合于中间构件相对于该类钻碳材料的一侧。

2.如权利要求1所述的装置，其中该第一电极是阴极而且该基层构件至少有两层。

3.如权利要求2所述的装置，其中该基层构件包括第一传导性阴极层与第二结构层，该第二结构层具有小于第一传导阴极层的功函数。

4.如权利要求3所述的装置，其中该第二结构层所包括的物质选自于以下群组：Cs，Sm，Al-Mg，Li，Na，K，Rb，Be，Mg，Ca，Sr，Ba，B，Ce，Al，La，Eu及其混合物或合金。

5.如权利要求1所述的装置，其中该第一电极为阳极。

6.如权利要求1所述的装置，其中该中间构件具有小于约200W/mK的热传导率。

7.如权利要求1所述的装置，其中该电介质材料是高分子物质、玻璃、陶瓷材料、石墨或其混合物或复合物。

8.如权利要求1所述的装置，其中该电介质材料选自于以下群组：BaTiO₃，PZT，Ta₂O₃，PET，PbZrO₃，PbTiO₃，NaCl，LiF，MgO，TiO₂，Al₂O₃，BaO，KCl，Mg₂SO₄，熔融硅玻璃，钠钙硅玻璃，高铅玻璃，石墨，六角晶形氮化硼，金属基复合物，逆金属基复合物，BiSb，Bi₂Te，PbTe，SiGe，Bi₂Te₃，Zn₄Sb₃，La₂Te₃及其混合物、复合物或组合物。

9.如权利要求1所述的装置，其中该第一电极及该第二电极是可弯曲的。

10.如权利要求1所述的装置，其中该类钻碳材料具有约10纳米到3微米的厚度。

11.如权利要求1所述的装置，其中该类钻碳材料包括至少约80％的碳原子，而其中至少20％的所述碳原子与扭曲四面体配位结构键结。

12.如权利要求1所述的装置，其还包括一个耦合在第一电极相对于类钻碳材料的一侧以使该类钻碳热电能转换装置配置为一个电产生器的能源收集器。

13.如权利要求1所述的装置，其还包括一个有效地结合于第二电极与第一电极之间以使该类钻碳热电能转换装置配置为一冷却器的电压源。

14.一种制造如权利要求1所述的类钻碳热电能转换装置的方法，包括：

(a)在第一电极上以气体沉积法形成类钻碳材料层，所述的类钻碳材料具有一个相对于第一电极的电子发射表面；

(b)在该电子发射表面形成中间构件；

(c)将第二电极耦合于中间构件相对于第一电极的一侧。

15.如权利要求14所述的方法，其中在第一电极上形成类钻碳材料层的步骤包括使用物理气相沉积法。

16.如权利要求14所述的方法，其中形成中间构件的方法包括气相沉积法、薄膜沉积法、固体预先制成法、粉末堆积法或丝网印刷法。

17.如权利要求14所述的方法，该方法还包括在第一电极相对类钻碳材料层的一侧形成一个能量收集层的步骤。

18.如权利要求14所述的方法，该方法还包括使该类钻碳热电能转换装置经由热处理以强化界面边界、并减少材料缺陷的步骤。

19.一种产生电流的方法，包括将光能或热能输入如权利要求1所述的类钻碳热电能转换装置的能量输入表面，该能量输入表面足以产生电流，该能量输入表面位于第一电极相对于类钻碳材料的一侧。

20.如权利要求19所述的方法，其中该光能或热能足以让第一电极保持在100℃到1800℃的温度范围内。