CN101558510A

CN101558510A - 发电机

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Publication number: CN101558510A
Application number: CNA2007800437242A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·H·伯格纳二世; 加里·M·伦隆德
Original assignee: TTI ASSOCIATES LLC
Current assignee: Tti Associates LLC
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2027-09-25
Also published as: AU2007300147A1; MX2009003225A; US8736151B2; CN102843073A; JP2010505385A; WO2008039780A2; US20080246366A1; BRPI0717319A2; US20140252921A1; KR20090084828A; RU2009115661A; CN101558510B; US20140252920A1; WO2008039780A3; EP2062308A2; RU2446498C2; CA2664724A1; JP2013179825A

Abstract

本发明提供了用于发电的方法、构造和设备。电力通过机理核磁自旋和剩余极化发电而产生。所述设备可以包括与极化的铁电材料结合的具有高核磁自旋或高剩余极化强度的材料。所述设备还可以包括一对电接触，所述一对电接触被设置在所述极化的铁电材料和所述高核磁自旋或高剩余极化强度材料的相反侧上。此外，可以对所述高核磁自旋材料施加磁场。

Description

发电机

发明背景

本发明涉及用于发电的方法、设备和构造(composition)。具体地，它涉及利用核磁自旋发电(NMSG)和/或剩余极化发电(RPEG)以产生电的方法、设备和结构。

对于现代生活的几乎每一个方面，容易获得并且便携式的电源是关键性的。电力驱动已经在现代社会中起着关键作用的各种各样的装置。这些装置的范围是从家庭中的电灯和电器到用于例如医药、制造、军事和科学研究领域中的高科技装置。

在许多应用中，关键是具有便携式电源。这些需求通常通过各种类型的电池的使用而得以满足。当然，电池被用于启动汽车和卡车，并且还被用于对必须移动的电气装置供电。这些装置的范围是从手电筒到蜂窝式电话和膝上型计算机。

电力具有大的和非常小的应用。在大规模上，电由大规模发电机产生并且在分配线上分配到最终用户。在小规模上，小的电荷涉及现代生活中普遍存在的电子电路和存储器件的运行。这些装置和系统的每一种需要可靠和可控的电源。

涉及便携式的电子装置的主要技术问题之一是提供可靠并且连续的便携式电源。如上所述，这通常通过电池的使用来实现。然而，电池是有问题的。电池电力始终是例如膝上型计算机的装置的使用中的主要问题。如同电池电力的可靠性，电池寿命是关心所在。

电池电力遭遇的另一个问题是是对远的场所提供电池的充足供给。这可以通过考虑例如军事行动而理解。军事行动需要大批电子装置。这些装置的范围从膝上型计算机和相关装置到蜂窝式电话和其它的通信系统。当然，它们还包括使用电子部件的军事装备和武器。此类别的行动严重依赖于这种便携式的电子装置。为了对这种装置供电，必须提供电池并且不断地替换电池，以保证全部的装备不断地起作用。应理解，主要的后勤问题是对主要的军事行动简单地提供适当的电池电力。从供给源至战场，必须供给并撤去大量的电池。

商业、医药和研究领域中的其它类型的作业也一样。如上所述，这些领域全部严重依赖于便携式的电子装置。这些装置全部需要便携式的电源。提供电力已经成为了重大的挑战。

因而，本发明涉及用于产生电力，并且在需要时以便携的形式提供电力的新的方法、设备和构造。这通过使用将在以下简要讨论的核磁自旋(NMSG)和剩余极化发电(RPEG)而实现。

已知，放置在磁场中的具有非零自旋量子数的任何核可以通过电磁辐射吸收并发射能量。该辐射可以通过利用核磁共振的原理检测。氢核或质子的使用是最早和最普通的NMR方法，主要用于研究有机化合物。自旋I＝1/2的氢核围绕它的轴自旋，并且产生磁场。当将此核放置在外部磁场中时，氢核趋于沿外部磁场排列。该排列可以与外部场平行或反向-平行，原因在于该自旋可以被认为是轻微地离轴自旋的玩具陀螺(toy top)的自旋，并且被称为术语旋进。旋进的频率被称为拉莫尔频率(ω)。拉莫尔频率依赖于外部磁场的强度以及材料的磁性。在此情况下，相对于1特斯拉的外部磁场强度，氢核具有42.6MHz的拉莫尔频率。对磁场强度调谐的射频可以使核从反向-平行状态翻转到平行状态，从而释放可以被检测到的少量能量。射频随着氢核周围环境而改变，从而提供了关于氢核的化学环境的信息。

如上所述，氢核具有自旋I＝1/2。其它元素具有比1/2更大的自旋。此外，已知原子核具有正电荷Ze，其中，Z是将一种元素与另一种元素区分的原子序数，并且其中e是电子或质子的电荷数。元素还具有可以从一种同位素到另一种同位素变化的质量M。核还可以具有自旋、磁偶极距μ、电四极距和偶尔更高的矩。内禀核角动量是量子化的，并且可以被表示为

其中I是整数或半整数并且被称为自旋量子数。例如，其I＝3/2的核被认为具有3/2的自旋。对于不同的同位素，I可以不同。对核可以具有的自旋有限制。对于具有偶数质量数的核，I必须是整数或零，而对于具有奇数质量数的核，I必须是半整数。以下表1显示了一些普通的核性质，包括所选择的同位素的自旋。

表1：选择的同位素的自旋性质

一些核性质

按单位奥斯特场计的四极距，Q.单

核自旋I 核磁子中的磁距

共振频率，KHz 位10^-24cm²

H 1/2 2·79 4·26 -

D 1 0·86 0·65 0·0028

⁴He 0 - - -

¹²C 0 - - -

¹³C 1/2 0·70 1·07 -

¹⁴N 1 0·40 0·31 0·02

¹⁶O 0 - - -

¹⁹F 1/2 2·63 4·01 -

²³Na 3/2 2·22 1·13 0·1

³¹P 1/2 1·13 1·72 -

³²S 0 - - -

³⁵Cl 3/2 0·82 0·42 -0·08

³⁷Cl 3/2 0·68 0·35 -0·06

³⁹K 3/2 0·39 0·20 0·07

⁷⁹Br 3/2 2·10 1·07 0·33

⁸¹Br 3/2 2·26 1·15 0·28

¹²⁷I 5/2 2·79 0·85 -0·75

如果核的自旋为零，则其全部的矩为零，并且不出现核取向效应。如果自旋为1/2以上，则核具有磁距μ。在此性质中，核类似于任何的旋转电荷。核可以被认为具有其方向被固定平行于自旋轴的小磁体。负的距是指与自旋矢量相反的磁距矢量。表示核距的量度单位是核磁子，即

在此情况下，M是质子的质量。1核磁子＝5×10^-24尔格/高斯。自旋为1以上的核具有电四极距。核的角动量矢量在空间上可以具有2I+1个方向。空间上的这些方向通常由沿特定方向分解的角动量表征。分解的动量由M_I提供，并且具有I、I-1、I-2、...-I+1、-I的值。对于I＝1/2M_I＝+1/2或-1/2的普通情况，允许了跃迁，但是能量差过小，使其得不到有效观察。但是，在磁场中，存在必须考虑的另外的能量。这与将罗盘针从它所指的方向移开所需的能量类似。该能量为-μHcosθ，其中H是磁场的大小。磁场的能量设定了可以从在本公开中提出的发电机取得的电能的上限。

存在与M_I＝-1/2至+1/2之间的跃迁相关的频率。该频率由hv＝-(μ/I)H(-1/2-1/2)提供。该频率与将自旋从(+)“翻转”到(-)所需的能量有关，或更恰当地说，当偶极子平行于所述场时，取向势能为(-)项，并且当偶极子与所述场反向平行时，取向势能为(+)。该能量始终是2×偶极子自旋的大小。以下给出此计算的实例。可以根据磁旋比γ写出此方程，其中

或ω＝2πμ＝γH弧度/秒。表1的栏显示了在1奥斯特的磁场中跃迁的共振频率(拉莫尔频率)。

铁电性是其中某些材料可以具有自发偶极距的电现象，通过施加外部电场，所述自发偶极距的方向可以在等价状态之间切换。铁电材料的内部电偶极子被物理地限制(tie)到材料晶格，因此甚至在不存在跨过电容器的外部电压的情况下，改变物理晶格的任何情况也将改变偶极子的强度，并且导致电荷流入或流出该铁电材料(参见以下讨论)。改变材料的晶格尺寸的两个诱因是力和温度。响应对铁电材料施加力的电荷产生被称为压电性。响应温度变化的电流的产生被称为热电性。

术语铁电性与铁磁性类似地使用，其中，材料具有永久磁距。在发现铁电性时，铁磁性是已知的。因而，尽管大多数的铁电材料在它们的晶格中没有铁，但是将表示铁的前缀“铁(ferro)”用于描述该性质。对于一些铁电体，铁起限制铁电性质的污染物的作用。

将铁电材料放置在两个导电板之间，产生铁电电容器。铁电电容器表现出非线性性质并且通常具有非常高的介电常数。可以通过施加外部电压而迫使内部电偶极子改变它们的方向的事实导致电容器的“极化对电压”性质的滞后。参见滞后回线的普通形状的实例的图7。在此情况下，将极化定义为存储在电容器的板上的总电荷除以板的面积。与结晶结构无关的是，在铁电体中还看到与在铁磁畴中看到的那些畴类似的畴。在给定的畴中，存在在偶极子方向上指向的矢量。在含有许多单晶晶粒的给定块体(bulk)材料中，可能存在取向矢量彼此分开的铁电畴和畴壁。在极化的铁磁体中，大多数的畴矢量在外部电场强加的方向上排列。

此滞后和铁电电容的一种应用是用于计算机应用中的存储。其它应用使用存储、压电性和热电性的组合性质来制造现代社会中一些最有用的技术装置。铁电电容器被用于医学超声波机器(电容器产生，然后听到用于将身体的内部器官成像的超声波“咻咻声(ping)”)、高质量红外线照相机(红外线图像被投射在能够检测小至百万分之一摄氏度的铁电电容器的二维阵列上)、火焰传感器、声纳、振动传感器，以及甚至柴油机上的燃料喷射器。工程师利用铁电材料的高介电常数将大数值的电荷集中到小的体积中，从而产生非常小的表面安装电容器。在没有表面安装电容器所允许的空间节约的情况下，紧凑的膝上型计算机和蜂窝式电话将完全不可能。形成因特网的中枢的电光调制器由铁电材料制成。

显然，现有技术中存在的需要是更有效地和有效率地发电。特别需要以可以给便携式电装置供电的方式发电。以下公开的方法、设备和构造提供了电力生产以及在需要时便携式的这种电力的生产。

发明简述

本发明涉及利用例如核磁自旋(NMSG)和剩余极化发电(RPEG)的现象发电的方法、设备和构造。这种性质的发电机被观察到重复并可靠地充电，并且提供一致的电输出。这种发电机可以大规模地使用，以产生大量通过配电网分配的电力。它们还可以非常小规模地使用，例如用于便携式电装置例如膝上型计算机和蜂窝式电话的电源。这种发电机还可以更小规模地使用，以对电路内单独的电路部件供电。因而，应理解，本文中公开的发电机可以根据需要的应用而被调节。

应理解，在磁场中的运动电子是发电机。这是发电机的常规定义。本发明提供了用于从两种备选的来源发电的设备、构造和方法。

如上所述，第一种利用核磁自旋(NMSG)，即许多元素的一种天然性质来发电。如果NMS导致大的自旋角动量，则由于从核发出的正库仑力，外部轨道中的电子被诱导而以振动的方式移动。本发明范围内的发电机自发并连续地产生来自元素的NMS的电荷。

产生电能的第二方法与第一方法相当类似，但是利用被约束在先前已知通过压电效应来发电的铁电晶体例如钛酸锆铅(Lead Zirconium Titanate)中的外部电子。在以下所述的情形中，此材料自发并连续地产生电压以及少量的电流。

本发明的两个实施方案主要是界面或面积装置。这意味着可以在具有大面积的薄层中更有效率地产生电力。

第一方法利用在光谱学和成像领域中已经成功地使用了几十年的上述核磁自旋性质。核磁共振(NMR)是最初用于利用氢核的自旋测定有机分子结构的光谱技术。后来，此技术被用于利用氧和硅的同位素、O¹⁷、¹⁹F、²³N、³¹P和Si²⁹的自旋来测定无机材料例如无定形和结晶固体的结构和特殊取向。后来，NMR光谱技术扩展到成像的领域，例如在现在熟悉的磁共振成像MRI中。

在一个实施方案中，利用NMS的发电机使用彼此接触的两种材料的组合。尽管第一材料可以潜在地是多种元素，但是通常适宜的是该材料具有下列性质：a)高的核磁自旋或大的偶极距；b)大的电四极距，这意味着核具有大的非球形形状；c)高程度的天然丰度；d)对于商业应用，同位素应当不是放射性的，但是对于空间基或军事应用，对放射性的限制可以放松；e)描述与同位素相关的旋进速率的固有频率或拉莫尔频率；f)偶极距、四极距和拉莫尔频率的组合引起与同位素的外部电子的库仑相互作用。这些外部电子将响应核的非球形形状而运动。这些外部电子的运动越大，对第二材料铁电体的电影响将越大。

与压电材料响应机械运动产生电荷很类似，第二材料响应核磁材料的运动频率。通常，这些材料具有用于电荷存储的高的介电常数。此材料选择需要高压电常数。

核磁材料以拉莫尔频率旋进需要磁场。旋进的频率依赖于磁场的强度。

在磁场中的核磁材料和铁电体两者的组合要求此类型的装置通过两种材料的接触面积扩大。两种材料之间的接触面积越大，可以在装置的界面产生越多的电力。

还可以提供被认为根据RPEG原理运行的装置。剩余铁电发电机的效率可以概括如下。极化的铁电晶体可以通过下列方法得到：首先，将材料加热到高于T_c的温度，然后，施加充分大(大于矫顽力)的外部电场并且将铁电材料冷却到低于T_c的温度。在消除电场并且将材料冷却到室温时，最大极化实现。随着时间的过去，该极化根据材料的稳定性而可能衰减或可能不衰减。此产生的极化被称为“剩余极化”。参见剩余极化强度图的图8。

在一些情况下，剩余极化强度可以保持与自发极化强度相同。为了剩余极化发电机的最大输出，适宜的是使用具有高的、稳定的、可预测的剩余极化强度的材料。这通过将稳定的铁电畴保持在电极之间而得以实现。在此情况下，每一个层的厚度可以明显变化。这归因于可以更有效率地三维分布的铁电畴矢量的排列，而非在核磁自旋发电机的界面发生的相互作用。

RPEG和铁电体存储之间的一个显著区别是铁电畴的必要转换。为了快速转换以及＞10⁶个的多次循环的稳定性，大多数的存储材料被最优化。电子装置可能遇到剩余极化强度相对于温度极限的稳定性。其它的重要变量包括铁电晶体的生长取向以及该材料是铁电的，还是反铁电的。

反铁电状态被定义为其中晶体中的离子谱线自发极化，但是相邻的谱线在反向平行方向上极化的状态。在简单的立方晶格中，反铁电状态可能比铁电状态更稳定。对于第一级和第二级跃迁，研究了高于和低于反铁电居里点的介电常数。在任一种情况下，介电常数不需要非常高；但是如果跃迁是第二级，则ε连续跨过居里点。反铁电状态不是压电的。在居里点附近的热异常具有与铁电体中相同的属性和大小。与反铁磁性中的相应情形不同，如在钛酸锶中发现的C/(T+θ)形式的磁化率变化并不表示反铁电性。

铁电材料的选择可以来自两类材料，所述两类材料的更普通位移(displacive)类型BaTiO₃是原型的。在别处描述了离子的位移运动的大小。以及有序-无序类型，其中极性分子排列以产生大的偶极距，例如聚合物如聚偏二氟乙烯。

尽管两类发电机之间存在相异之处，但是也存在一些可以提高两类装置的效率的类似之处。在发电循环中，通过提供连续的电子供应，可以增强电荷的供应。已知接地是一种电子供给。为了输送电流，两种装置还依赖于电极。有时，如实施例中所示，活性元件(active element)也可以作为电极。高表面积电极的使用将增强装置的运行。之前，碳和氧化钌已经被用于制造电容器，以增加存储电荷或减小装置的尺寸。更有效率的电极可以选自根据极性提供n-型或p-型性能的那些。

在本发明范围内的发电机可以使用许多已知的技术制造。这些可以包括3个独立的分组，即薄膜制造法；厚膜制造法；和膨体加工(bulkprocessing)。薄膜法可以包括但不限于CVD、MOCVD、离子辅助溅射、激光烧蚀、MBE和旋涂液(spin-on liquid)。厚膜法可以包括但不限于丝网印刷、带式流延(tape casting)、聚合涂层、膨体加工、压制和热压。

应理解，在本发明范围内的发电机可以用于提供足以将电池和电容器“涓流充电”的恒定电流，所述电池和电容器对多种电子装置例如蜂窝式电话、PDA、笔记本电脑、GPS装置、便携式音乐播放器、手电筒、远程控制装置、无线电和通信装置等供电。其它的发电机可以对分立电路板芯片和医疗应用例如用于起搏器的医疗植入物和用于疼痛处理的电刺激供电。

在本发明范围内的发电机可以以足够的规模制造，以对远程场所、家庭、商店、汽车、船舶等提供独立的发电。军事应用可以包括用于卫星、航天探测器和战场应用的发电机。

本公开的这些和其它特征和优点可以被结合到发电装置、方法和构造中，并且从随后的描述和后附权利要求将变得更完全明显，或可以通过本公开的实践和实施而被获悉。如上所述，本公开不需要将本文中所述的全部的特征都结合到各个实施方案中，也不需要使用某些特征而排除其它特征。在本发明范围内的发电装置、构造和方法可以包括本文中所述的特征的一个或多个的组合。

附图简述

为了可以容易地理解本公开的上述以及其它的特征和优点，以下参考附图提供更具体的描述。这些附图仅描述根据本公开的血管通路装置(vascular access device)的示例性实施方案，并且因此不应当被认为是对本公开的范围的限制。

图1是测量的偶数-N、奇数-Z核和奇数-N和偶数-Z核的磁偶极距的图。

图2是左侧所示的具有偶数-N和奇数-Z的核和右侧所示的具有奇数-N和偶数Z的核的图示。

图3是振动核的几何形状的图示。

图4是具有排列的偶极子的铁电材料的图示。

图5是在本发明范围内的发电机的图示。

图6是在本发明的范围内使用多个材料层的发电机的图示。

图7是示出滞后回线的总体形状的图。

图8是示出剩余极化强度的图。

图9(a)和(b)是在本发明范围内的发电机的图示。

图10是在本发明范围内的大面积/多叠层发电机的图示。

发明详述

将容易理解的是，可以以多种不同构造的形式安置和设计在本文中概述并且在附图中示出的本公开的部件。因而，如在附图中表示的下列更详细的描述不意在限制本公开的范围，而仅是部件的示例性组合的代表。

如上所讨论的，本发明的一个方面是通过应用NMS制造发电装置。如在图1中所阐述的，可以通过奇数和偶数标记定义核的自旋。图1中的上图显示了测量的偶数-N、奇数-Z核的磁偶极距。Z是原子序数，并且N是原子或同位素中的中子的数量。如果奇数质子的自旋和轨道角动量彼此平行，则上施密特线是预测值。如果奇数质子的自旋和轨道角动量彼此反向平行，则下施密特线是预测值。下图显示了测量的奇数-N、偶数-Z核的磁偶极距。

自旋＞1的核还具有连接到自旋轴的电四极距，并且在它们处于电场梯度中时引起能量项，尤其是由价电子得到的那些。对于核，电偶极距为零，并且除电荷本身以外的主要电项是电四极距。这可以被认作是描述核的非球形形状。自旋轴必须是圆柱对称性的轴，但是核可以沿极轴拉长，在此情况下，该四极距是正的。相反，当距为负时，一些核在极点变平，具有拉长的赤道轴。参见这两种几何形状的图示的图2。方程Q＝ρr²(3cos²θ-1)dτ的积分，是四极距Q的定义，ρ是单位体积的电荷密度，r是体积元dτ离原点的距离，并且θ是矢径和自旋量子化轴之间的角。Q具有长度平方的因次(dimension)。

核四极距与其所处的电场E的梯度相互作用。这些梯度是电势V的二阶导数。这些量通常由具有表示方向的适合下标的q表示。将z方向作为最大场梯度。这是增加电荷产生效率的问题。

在与奇数值相比时，偶数自旋数具有更大的值。如下面在图2中所示，可以模拟偶数表示。在图2的左边显示了具有偶数-N和奇数-Z的核，并且在右边显示了具有奇数-N和偶数-Z的核。

由图2可以看出，核磁自旋是核的非球形几何形状的量度。自旋值越大，核越为非球形。具有最大角动量的核源于右手图中所示的性质，即具有奇数-N和偶数-Z的核。

为了利用最大的角动量并且将该运动转换为振动电子，必须考虑核振动对电子的影响。图3显示了振动核的几何形状。

对于磁场中的磁偶极距，系统无法使取向的势能ΔE消散。因此，磁偶极距不能使其本身与磁场排列。反而，磁偶极距将围绕B场轴旋进。该旋进运动是转矩(T)作用于偶极子的结果。以下方程给出了关于B的μι的旋进角频率的大小。

方程1

此现象被称为拉莫尔旋进，并且ω是拉莫尔频率。

转矩T＝μι×B. 方程2

一些符号与早期讨论有所变化。这源于与参考书的图和符号差别。但是，任何人应当能够辨别符号改变的情况；即，早期使用的1来自参考文献1并且等价于参考文献2中使用的μι。

玻尔磁子由下列方程给出。

方程3

方程4给出了作用于磁偶极子的平均力。

\overset{&OverBar;}{F_{z}} = \frac{{&PartialD; B}_{z}}{{&PartialD;}_{z}} μ_{ι_{z}}

方程4

这些方程的净效应在于，在具有非球形形状的核，特别是具有拉长的“赤道”的核的旋进运动的情况下，在核内不存在正电荷的非球形分布。此正电荷分布对电子，尤其是价电子具有库仑效应，所述电子在磁场中的运动将在铁电体或电容器-型材料上产生自发的、连续的电荷。

可以产生的能量的大小近似为2μιB。此方程与将磁场中的磁偶极子从与B场平行的取向翻转到与B场反向平行的取向所需的能量的量对应。如果我们假设，磁场为1特斯拉并且我们使用1摩尔其磁自旋为5/2的镨，则由此实例获得的能量的量为约27.8焦耳。下列使用镨的实例显示了如何得到此数值。

用于将偶极子排列的能量由方程ΔE＝μι·B给出；其中，μι是镨的核磁距(5/2)，并且B是我们假设为1特斯拉的磁场强度。因此，μι的两倍得到了与磁场排列以及反向排列所需的总能量。于是，我们获得能量E＝2(5/2)0.927×10^-23安培-m²×1焦耳/安培-m²或4.635×10^-23焦耳/原子。数值0.927×10^-23安培·m²是玻尔磁子的值。现在，我们得到当镨核将它的自旋从与磁场平行取向改变成与磁场反向平行取向时释放的能量。对于1摩尔原子，释放的能量为E＝4.635×10^-23焦耳/原子X6.022×10²³个原子/摩尔＝27.9焦耳/摩尔。焦耳×秒为瓦特，因此从1摩尔镨中我们可以潜在地释放的能量的量为27.9瓦特。

在原子和分子中存在几种振动模式。大多数的振动模式在微波范围内以及更高范围内，例如热振动(在室温为～10¹³Hz)、电子运动等。据测量一些振动在兆赫范围内以及之下。这些振动对于发电可以是有利的。这些类型的装置的实例是基于压电性质的那些装置，例如在点火器中看到的那些；以及利用温差产生电荷的热电发电机。据测量上述旋进的拉莫尔频率通常在0.1至20兆赫的范围内。这是可以利用的频率，因为如在其它原子振动的情况下，它与产生电荷的电子分量(component)的频率一致。此频率范围的优点在于它已经没有被利用过。并且，此频率范围在可以将外部电子电路用于使内部谐波振动最优化的范围内。外部电路的使用允许从来自压电晶体的相互作用的DC电流取得AC电流。由此实例构建装置，人们可以构造类似于由下列方程和讨论给出的电容器结构的大面积装置。电容方程由以下给出：

C＝kε₀面积/厚度方程5

其中，C是电容，ε₀是自由空间的电容率，并且k是电极之间的材料的介电常数。

并且，

C＝q/V 方程6

并且，求解出电压，我们得到下列方程

V＝(q×d)/kε₀面积方程7

并且

E＝1/2CV² 方程8

这些方程涉及装置设计的最优化。装置应当具有尽可能薄的层，并且面积应当大。备选设计可以将高核磁自旋原子结合在铁电体基质中。此涉及的优点在于，它具有自旋材料和铁电材料之间的最密切接触。

铁电性的特征在于晶体中的永久电偶极距。在铁电材料中，偶极子在固体结构中随机化。在极化的情况下，存在偶极子的排列。极化的铁电材料是优选的。在图4中示意性地显示了偶极子的此排列。原则上，在本发明范围内的发电机应当具有大的表面积。获得大的表面积的一个途径是制造具有多层的发电机，并且该层应当尽可能薄。许多商购的铁电体具有钙钛矿结构。

已知铁电体薄膜用于非易失性的铁电体随机存取存储器(NV-FRAM)装置。用于制备铁电体膜的各种技术是已知的。一种这样的方法包括薄膜沉积技术，例如制备非晶膜的溅射或MOCVD，随后退火。典型地，结晶贯穿中间相进行。例如，当将锆钛酸铅(PZT)退火时，首先形成烧绿石相，随后是钙钛矿相。

表2列出了一些铁电材料的特性。术语P_s表示铁电材料的表面电荷密度或其储存电荷能力的量度。

表2：一些铁电材料的特性

a(10^-2库仑/m²)，P_s的值是在室温的单晶的值

b在室温的反铁电体

c在低于T_c的温度熔融

d在约273K分解

e在100K

f在280K

发电机结构

图5显示了在本发明范围内的发电机的基本组件的图示。发电机包括具有高核磁自旋或高剩余极化强度的第一材料，以及与第一材料紧密结合的极化的铁电材料。如本文中所使用的，具有高核磁自旋的材料的自旋为1/2以上。这是指原子的核变平或拉长。具有更高自旋值的材料能够更多地发电。除在严格控制的那些应用中以外，自旋不应当高得产生放射性。图1中显示了高核磁自旋材料的实例。具有高的天然丰度、还具有“奇数”自旋特性的高自旋同位素是优选的。目前优选元素Pr、Mn和Mg。如在本文中所使用的，术语“紧密结合”包括相邻的层状材料和混合材料。

高核磁自旋材料和铁电材料被设置在电接触(electrical contact)之间。电接触可以是金属材料。在一个目前优选的实施方案中，一个电接触是受体材料，例如钽、金、铂或其它的已知受体材料。另一个电接触是给体材料，例如高功函材料。高功函材料的实例包括但不限于银(4.64eV)、Ni(5.22eV)、铝(4.20eV)和钽(4.15eV)。低功函金属的一些实例包括但不限于碱金属例如钠(2.36eV)或稀土金属例如铕(2.5eV)

磁场被施加到高核磁自旋材料上。可以通过将磁性材料在内部加入到装置的总体组成中而引入磁场，或可以在外部施加磁场。磁场的强度可以影响装置的耦合效率。优选地，可以为了谐波共振而对磁场进行调谐，以使装置性能最优化。可以用于本发明的有效磁场的典型强度可以在0.01特斯拉和10特斯拉之间的范围内。

对于连续使用的本发明范围内的发电机，为了最佳的性能，可能需要短时间储存电荷的感应体。电荷储存的时间由每一个功率元件(powerelement)的电容和电感确定。电容和电感的组合提供了LC电路所特有的时间常数。对于每一种应用，电容和电感将改变。对于间歇使用，对感应体的需要不太重要。对于连续使用，在每一个功率元件中，应当有置于装置中或者在外部集成的感应体。

图5中所示的示意性装置可以采用厚膜法或薄膜法，或这两种的组合而实现。厚膜法的实例在下列部分中描述。但是，可以实施薄膜法，以使装置的尺寸和性能最优化。

图6是在本发明范围内的多层装置的示意图。几个材料层一个在另一个上面成层。如同图5中所示的装置，该装置包括表示为1的具有高核磁自旋或高剩余极化强度的第一材料层，以及与所述第一材料紧密结合的表示为2的极化的铁电材料层。图6中还示出的是磁性材料层3，所述磁性材料层3是邻近极化的铁电材料层或第一材料层中的至少一个设置的。为了收集从该多层装置输出的电压，安置了电接触。另外，示出了如上所讨论的感应体。

图9和10是较大的“多重层叠体”装置的示意图。再次，这些装置由多个本文中讨论的材料层组成。

图9a和9b显示了使用高表面积电极例如氧化钌的铁电发电机的示意图。在此情况下，活性装置生长于硅衬底上。图10显示了图9中所示的单个装置的重复层叠体。在使用柔性电极和薄膜的情况下，这些层叠体可以被卷起以更有效地包装或利用空间。

以下概述使用铁电材料的固态发电机的可能结构。

钛酸钡是位移型铁电体的典型。极化使得离子从它的平衡位置轻微位移。这导致平衡离子位置的不对称位移，并且导致形成永久偶极距。在有序-无序铁电体中，在每一个晶胞中存在偶极距。在高温下，偶极子矢量指向任意的方向。对于铁电材料的每一种组成，存在称为临界温度的相变温度，由(T_c)表示。如果将温度高于T_c的铁电体在外部施加的电场中冷却，则偶极子将变得有序，其中大多数的偶极子矢量指向相同的方向。

与铁磁晶体非常类似，铁电晶体通常具有几个转变温度和畴结构滞后。在一些铁电晶体中的相变的性质还不非常了解。

在1921年，J.Valasek在罗谢尔盐(NaKC₄H₄O₆·4H₂O)的反常介电性质的研究中表明，此材料表现出铁电性质。直至1935年，才发现第二种铁电材料KH₂PO₄，随后发现了它的一些同形体。在1944年，A.von Hippel报道了第三种铁电体BaTiO₃。其后，已经发现了约250种单相材料和更多的混合晶体体系。

如果晶体具有可以根据大于晶体中固定偶极子矢量的矫顽力的外部电场的施加而排列的内部偶极子，则该晶体是铁电体。P_s是饱和极化或偶极子的最大排列程度。偶极子的反转又称为转换。在零外部电场中，所得到的每一种取向的状态在能量和对称性上是相等的。结晶性质例如缺陷分布和电导率以及温度、压力和电极条件可以影响铁电体反转。大多数的铁电体具有P_s和T_c的特征值。P_s的反转或再取向始终是原子位移的结果。

大多数铁电晶体中的自发极化在远低于T_c的温度最大，并且在T_c降为零。如果高温相还显示极性，则P_s可能在T_c仅通过最小值；类似地，如果另一种相在较低温度形成，则P_s在该转变之下可能增加、降低或变为零。

在多畴铁电晶体中，沿一个方向施加高于矫顽场的dc场导致全部的P_s矢量的平行取向。移动畴壁所需的最小dc场是矫顽场的量度。多畴晶体中的P_s的初始值随着dc场的增大而增大到材料所特有的最大值。当不同区域中的P_s的指向反转时，场的反转再引入畴壁。如果不存在外部施加的场，则晶体将具有不大于自发极化并且通常小于P_s。在完全反转场，最终的P_s将具有与最初的满(full)P_s相等的大小，但是具有相反的符号。这样观察到的滞后是使畴壁位移所需的功的函数，并且与晶体中的缺陷分布以及将不同的取向态分开的能垒紧密相关。

单畴材料的自发极化通常位于0.001C/m²至10C/m²的范围内。数值通常以10^-2uC/cm²的单位给出。单晶中的P_s的大小与铁电体反转中产生的原子位移直接相关，并且可以由晶胞内的原子位置计算，如果它们是已知的话。如果D_i作为沿P_s的方向连接原始和反转取向的第i原子位置的原子位移矢量的分量，Z_i作为有效电荷，并且V作为晶胞体积，则P_s＝(1/2V)S_iZ_iD_i。自发极化可以在实验上由可通过仔细的x-射线衍射结构测量得到的电荷密度直接获得。

位移性铁电晶体中的原子的排列是使得通常小于

的小位移导致稳定的状态，但是具有再取向的P_s的排列。中间位置的排列相应于较高的对称结构。偶极子的取向未必是随机的，因为在此状态下的偶极子全部为零，或者正好抵消。一个简单的实例是其“原型”晶体结构为立方晶系的BaTiO₃，其中钡原子处于拐角，钛原子处于体心，并且氧原子处于立方晶胞的面心。在低于393K的居里温度的温度，晶体结构是正方晶系，因为参照钡原子位置，钛原子从它的原型位置沿c-方向位移约

并且氧原子在相反的指向上位移约

产生的位移导致了自发极化。沿c轴施加的电场可以使钛原子位移约

并且使O位移约

使该轴的指向以及P_s的指向反转。

当将单畴晶体在低于T_c的温度冷却时，晶体中的P_s的相对指向由极化面上产生的电荷提供。可以通过利用x-射线衍射实验中的反常散射使该指向与原子排列相关。P_s的绝对指向的全部已知的实验测定与由有效点电荷分布计算的指向一致；因而，在正方晶系的BaTiO₃中，绝对指向由从氧层朝向最近的Ti离子的方向提供。一旦将电场关闭并且没有畴的变化，则P_s等于剩余极化强度。

基于产生P_s的反转的位移矢量D_i的性质，铁电材料可以分为三类。一维类涉及全部平行于c-轴的原子位移，如在正方晶系BaTiO₃的情况下。在此类别中，P_s为约0.25C/m²。二维类涉及在含有极化轴的平面中的原子位移。下面是使用BaCoF₄的说明性实例：

该钙钛矿具有在0.1C/m²至0.3C/m²的范围内的P_s值范围。三维类涉及在全部3维上的类似大小的原子位移。一个典型实例是Tb₂(MoO₄)₃。在此类中，P_s为约0.5C/m²。

表3中列出了一些铁电材料。磷酸二氢钾(KDP)在123K从斜方晶系铁电相转变成非极性的、却是压电的正方晶相。罗谢尔盐具有两个居里温度，在255K从非极性的、却是压电的斜方晶系转变成铁电单斜晶系，在297K返回到斜方晶系，但是具有稍微改变的结构。钛酸钡具有3个铁电相和3个居里温度：它在低于183K的温度是菱形晶系，在183至278K之间是另外的斜方晶相，并且在278至393K之间是正方晶系；并且在高于393K的温度变为立方晶系。铌酸钠在73K从铁电体三方晶系转变成反铁电体斜方晶系，在627K转变成非极性斜方晶系，并且在更高的温度转变成4种另外的非极性相。

表3：选择的材料的铁电性质

式	T_c(K)	P_s(C/m²)^a	P_r(C/m²)
式	T_c(K)	P_s(C/m²)^a	P_r(C/m²)	NH₄H₂PO₄	148	0^b
BaCoF₄	c	0.8		NH₄H₂PO₄	148	0^b
BaCoF₄	c	0.8		BaTiO₃	183，278，393	～0.2	0.15
Mg₃B₇O₁₃Cl	538	0.0005		BaTiO₃	183，278，393	～0.2	0.15
Mg₃B₇O₁₃Cl	538	0.0005		BiFeO₃	～925	～1.5	0.90
PbTiO₃	63	～0.75	0.30	BiFeO₃	～925	～1.5	0.90
PbTiO₃	63	～0.75	0.30	PbZrO₃	503	0^b	～0.25
LiNbO₃	1473	0.71	0.01	PbZrO₃	503	0^b	～0.25
LiNbO₃	1473	0.71	0.01	LiTaO₃	938	0.5
KH₂PO₄	123	0.05^e		LiTaO₃	938	0.5
KH₂PO₄	123	0.05^e		SrBi₂Nb₂O₉			0.38至0.50
NaNbO₃	73，627	0^b		SrBi₂Nb₂O₉			0.38至0.50
NaNbO₃	73，627	0^b		Tb₂(MoO₄)₃	436	0.0002
(NH₂CH₂COOH)₃.H₂SO₄	322	0.028		Tb₂(MoO₄)₃	436	0.0002

a.除非另外规定，否则P_s的值为在25℃的单晶的值

b.在室温的反铁电体

c.在低于T_c的温度熔融

d.在约273K分解

e.在100K分解

极化的铁电晶体可以通过下列方法得到：首先，将材料加热到高于T_c的温度，然后施加足够大(大于矫顽力)的外部电场，并且将铁电材料冷却到低于T_c的温度。在消除电场并且将材料冷却到室温时，实现最大极化。随着时间的过去，该极化根据材料的稳定性而可能衰减或可能不衰减。此产生的极化被称为“剩余极化”。在一些情况下，剩余极化强度可以保持与自发极化强度相同。为了剩余极化发电机的最大输出，适宜的是使用具有高的、稳定的、可预测的剩余极化强度的材料。这通过保持稳定的铁电畴而得以实现。

为了估计层状铁电装置能够产生多少功率，我们将利用来自电容器概念的常见方程和术语。在此情况下，我们将选择最大剩余极化强度的材料中的一种。

例如，在ZnO上生长的BiFeO₃的P_r为约0.90C/m²。

定义：

1 C＝库仑＝1安培×秒

2 C＝1法拉(F)×伏特(V)

4 焦耳/秒＝瓦特

5 焦耳＝1/2(伏特)²×库仑

6 焦耳＝(C×V)/2

由以上，我们可以说BiFeO₃的P_r为约0.90C/m²。

如果我们假定我们具有每层20伏特的电势，从

定义2，我们发现每层有0.90C/m²/20伏特＝0.045F。

由定义6，我们可以确定每层产生的能量是能量＝[20V×0.045法拉]/2＝9.0焦耳

如果我们假定电容器的充电时间(t)与发电机的充电时间相等，则假定下列方程适用；

t(秒)＝欧姆×电容

现在，我们需要假定一些内部损耗，因此，如果内部电阻为约10欧姆/m²，则10欧姆×0.045法拉＝0.45秒。然后由定义4，我们得到功率为约9.0焦耳/0.45秒，即20瓦特的连续功率。

因此，具有每层20瓦特的1,000个层的整个装置可以产生20,000瓦特。因而，可以利用RPEG机理制造连续功率发电机。

表4提供了作为用于本发明的候选者的选择元素的参考信息。

表4：参考信息

实施例

为了示出在本发明范围内的各种实施方案，给出下列实施例。这些仅作为实例给出，并且应当理解的是，下列实施例并不是本发明范围内的多个实施方案的全部或者穷举。

实施例1镨掺杂-NMSG

将宽约1.5英寸，长约8英尺并且厚约0.002英寸的钽片与由铝制成，只是铝厚约0.001英寸的类似片一起布置在桌上。将钛酸钡和氧化镨的活性混合物按5％增量从90∶10至50∶50的摩尔比混合。将该混合物与称为Resbond 907(Coltronics Inc.，纽约)的云母基粘固剂共混。粘固剂与活性粉末的比例为50∶50重量百分比。还以高达0.2摩尔％的氧化镨为代价将铁粉加入到某些共混物中。加入蒸馏水以制成浓浆液状糊料，随后将其涂或刷在两片金属箔上。然后将该两片箔彼此叠置，并且卷绕在1/2英寸的芯轴上。将铝箔连接到负电极并且将钽箔连接到正电极。将组合的线材卷(coil)在真空中加热到460℃，并且使用6,000伏特在约1毫安的小电流下极化。

在线材卷被极化以后，组装的发电机产生3.5V的电势。为了测试电流，LED被放置在电极之间并且连续照亮。该LED需要约2.2伏特的开启(turn on)电压和约10毫安。

实施例2锰掺杂-NMSG

将宽约1.5英寸，长约8英尺并且厚约0.002英寸的钽片与由铝制成，只是铝厚约0.001英寸的类似片一起布置在桌上。将钛酸钡和氧化锰的活性混合物以90∶10的摩尔比混合。将该混合物与称为Resbond907(Coltronics Inc.，纽约)的粘固剂共混。粘固剂与活性粉末的比例为50∶50重量百分比。还以高达0.2摩尔％的氧化锰为代价将铁粉加入到某些共混物中。加入蒸馏水以制成浓浆液状糊料，随后将其涂或刷在两片金属箔上。然后将该两片箔彼此叠置，并且卷绕在1/2英寸的芯轴上。将铝箔连接到负电极并且将钽箔连接到正电极。将组合的线材卷在真空中加热到460℃，并且使用6,000伏特在约1毫安的小电流下极化。

在线材卷被极化以后，组装的发电机产生约5V的电势。为了测试电流，LED被放置在电极之间并且连续照亮。该LED需要约2.2伏特的开启电压和约10毫安。

实施例3钛酸钡-RPEG

将宽约1.5英寸，长约8英尺并且厚约0.002英寸的钽片与由铝制成，只是铝厚约0.001英寸的类似片一起布置在桌上。将钛酸钡的活性混合物以50∶50的摩尔比混合。将该混合物与称为Resbond 907(Coltronics Inc.，纽约)的粘固剂共混。粘固剂与活性粉末的比例为50∶50重量百分比。加入蒸馏水以制成浓浆液状糊料，随后将其涂或刷在两片金属箔上。然后将该两片箔彼此叠置，并且卷绕在1/2英寸的芯轴上。将铝箔连接到负电极并且将钽箔连接到正电极。将组合的线材卷在真空中加热到460℃，并且使用6,000伏特在约1毫安的小电流下极化。

在线材卷被极化以后，组装的发电机产生约3V的电势。为了测试电流，LED被放置在电极之间并且连续照亮。该LED需要约2.2伏特的开启电压和约10毫安。

实施例4镨掺杂-NMSG

将宽约1.5英寸，长约8英尺并且厚约0.002英寸的钽片与由铝制成，只是铝厚约0.001英寸的类似片一起布置在桌上。将钛酸钡和氧化镨的活性混合物以90∶10的摩尔比混合。将该混合物与称为Resbond907(Coltronics Inc.，纽约)的粘固剂共混。粘固剂与活性粉末的比例为50∶50重量百分比。还以0.2摩尔％的氧化镨为代价将铁粉加入到某些共混物中。加入蒸馏水以制成浓浆液状糊料，随后将其涂或刷在两片金属箔上。然后将该两片箔彼此叠置，并且卷绕在1/2英寸的芯轴上。将铝箔连接到负电极并且将钽箔连接到正电极。将组合的线材卷在真空中加热到460℃，并且使用6,000伏特在约1毫安的小电流下极化。

在线材卷被极化以后，组装的发电机产生约100V的电势。为了测试电流，LED被放置在电极之间并且连续照亮。该LED需要约2.2伏特的开启电压和约10毫安。

实施例5钛酸锆铅加钛酸钡-PREG

将宽约1.5英寸，长约8英尺并且厚约0.002英寸的钽片与由铝制成，只是铝厚约0.001英寸的类似片一起布置在桌上。将钛酸钡和钛酸锆铅氧化物的活性混合物以50∶50的摩尔比混合。将该混合物与称为Resbond907(Coltronics Inc.，纽约)的粘固剂共混。粘固剂与活性粉末的比例为50∶50重量百分比。加入蒸馏水以制成浓浆液状糊料，随后将其涂或刷在两片金属箔上。然后将该两片箔彼此叠置，并且卷绕在1/2英寸的芯轴上。将铝箔连接到负电极并且将钽箔连接到正电极。将组合的线材卷在真空中加热到460℃，并且使用6,000伏特在约1毫安的小电流下极化。

该装置产生50伏特的电势，所述电势经过两个星期的时间缓慢衰减到约5伏特。该衰减归因于导致内部电阻降低的水的吸附。

实施例6溅射钒-NMSG

在射频(RF)磁控管真空室中，将钒金属溅射到从犹他州盐湖城的EDOCeramics获得的PZT盘上。该盘的厚度为约0.020英寸并且直径为约1.5英寸。该盘的一侧涂覆有银，并且钒作为另一个电极。将该盘放置到0.5特斯拉的外部磁体的内部。再次，除预期的电容效应以外，该钒层状装置不具有显著的电压或电流。

在将所述盘极化以后，组装的发电机提供了其中没有电压或电流产生的负面结果。这归因于下列事实：尽管钒具有高核磁自旋的高天然丰度；但是核自旋具有“偶数”结构。因此得出的结论是，仅“奇数”自旋核提供对铁电材料产生更大影响的足够的与外部电子的库仑相互作用。

实施例7溅射钼-NMSG

在射频(RF)磁控管真空室中，将钼金属溅射到从犹他州盐湖城的EDOCeramics获得的PZT盘上。该盘的厚度为约0.020英寸并且直径为约1.5英寸。该盘的一侧涂覆有银，并且钼作为另一个电极。溅射的银厚度为约200nm，并且钼厚度为约800nm。将该盘放置到0.5特斯拉的外部磁体内部。在钼层状装置上得到的电势为约0.5伏特，并且据测量电流为3至6微安。电流和电压保持约6个月不变。将该装置拆开，以对电极PZT界面分析析出物或组分的扩散。在界面没有注意到异常。

实施例8掺杂氘的镁-NMSG

在(RF)磁控管真空室中，在从犹他州盐湖城的EDO Ceramics获得的PZT盘上溅射800nm厚的镁金属层。该盘的厚度为约0.020英寸并且直径为约1.5英寸。该盘的另一侧上涂覆有200nm厚的银层。银和镁作为电极。将该涂覆的盘放置在RF磁控管真空室中，在此将氘反应性地溅射到镁层中。约7％的镁反应，以形成具有镁的氘化化合物。将该盘放置到0.5特斯拉的外磁体内部。在氘掺杂的钼上得到的电势为约1伏特，并且据测量电流为6微安。

实施例9-RPEG

在此情况下，将有时称为准电容器(pseudocapacitor)的超电容器拆开，以拆除用于制造剩余极化发电机的部件。这些中的几个是使用拆开的20至50法拉电容器制成的。将活性电解质材料移除并且用聚偏二氟乙烯代替。相应地，将此聚合物用四氢呋喃以按体积计为20/80的比率溶解。将由氧化钌制成的两个电极层浸渍到溶液中。将这两个电极层上的溶液在60℃进行空气干燥。通过卷绕将涂层制成装置，并且加热到170℃，历时2小时，此时聚偏二氟乙烯熔化。通过冷却，两个电极层由于约2兆欧的内电阻而彼此电绝缘。在此特别情况下，发生结晶和自极化过程，其中与人们在电极化上看到的效应非常类似，带电的官能团组织成正和负的区域。该装置自发地自充电，并且通过电极的适当连接，可以测量电流和电压。所测量的装置性能具有0.354伏特，并且产生2微安的电流。该装置的这些电极在高达2个星期的长的时长内短路数次，并且在全部情况下，该装置自发并且连续地再充电至以上所示的值。从未注意到充电和放电次数的下降。

基于上述小规模实验的结果，可以制造利用多层或卷绕构造的其它装置，所述装置产生显著更高的电流和电压。应理解，在本发明范围内的发电机可以用于提供足以将电池和电容器“涓流充电”的恒定电流，所述电池和电容器对多种电子装置例如蜂窝式电话、PDA、笔记本电脑、GPS装置、便携式音乐播放器、手电筒、远程控制装置、无线电和通信装置等供电。其它的发电机可以对分立电路板芯片和医疗应用例如用于起搏器的医疗植入物和用于疼痛处理的电刺激提供电力。

以上阐述的本公开被认为包括具有独立应用的多种不同的发明。尽管这些发明中的每一个以其优选形式被公开，但是由于众多的变化是可能的，因此其在本文中公开并示出的具体实施方案不应被认为是限制性的。本发明的主题包括本文中公开的各种元件、特征、功能和/或性质的全部新颖和非显然易见的组合和子组合(subcombination)。在本公开、当前提交的权利要求或随后提交的权利要求陈述“一个”或“一个第一”元件或其等价物的情况下，它应当在本发明的范围之内，使得这种公开或权利要求可以被理解为包括一个或多个这样的元件的结合，既不需要也不排除两个或更多个这样的元件。

申请人在此提交权利要求，并且保留提交涉及某些组合和子组合的权利要求的权利，所述某些组合和子组合涉及所公开的发明中的一个并且被认为是新颖并且非显然易见的。可以通过在该申请或相关申请中修改这些权利要求或提供新的权利要求，要求保护以特征、功能、元件和/或性质的其它组合和子组合的形式体现的发明。这种修改的或新的权利要求，不论它们是涉及不同的发明还是涉及相同的发明，不论在范围上不同于、宽于、窄于或等于原始权利要求，都同样被认为包括在本公开的发明的主题之内。

在不背离在本文中宽泛地描述并且在以下要求保护的其结构、方法或其它必要特征的情况下，本发明可以以其它的具体形式体现。应当认为，所述的实施方案在全部的方面仅是说明性的，而非限制性的。因此，本发明的范围由后附权利要求指出，而非由以上描述指出。在权利要求的等价物的含义和范围内的全部变化都应当包含在它们的范围内。

Claims

1.一种发电机，其包括：

具有高核磁自旋的材料；

极化的铁电材料，所述极化的铁电材料与所述高核磁自旋材料紧密结合；

一对电接触，所述一对电接触被设置在所述极化的铁电材料和所述高核磁自旋材料的相反侧上；和

对所述高核磁自旋材料施加的磁场。

2.根据权利要求1所述的发电机，其中所述极化的铁电材料和所述高核磁自旋材料是相邻的层状材料。

3.根据权利要求1所述的发电机，其中所述极化的铁电材料和所述高核磁自旋材料是混合的材料。

4.根据权利要求1所述的发电机，其中所述电接触是金属材料。

5.根据权利要求1所述的发电机，其中一个电接触是受体材料，并且另一个电接触是给体材料。

6.根据权利要求1所述的发电机，其中所述磁场在约0.01特斯拉至约10特斯拉的范围内。

7.根据权利要求6所述的发电机，其中所述受体材料选自钽、金、铂和p-型半导体。

8.根据权利要求6所述的发电机，其中所述给体材料选自高功函材料和n-型半导体。

9.根据权利要求1所述的发电机，其中所述磁场是通过将磁性材料与所述高核磁自旋材料混合而施加的。

10.根据权利要求1所述的发电机，其中所述磁场是以外部磁体的形式施加的。

11.根据权利要求2所述的发电机，其中通过将磁性材料层邻近极化的铁电材料或高核磁自旋材料的层中的至少一个安置而施加外部磁场。

12.根据权利要求1所述的发电机，其中所述磁场具有被调谐以将电能的产生最优化的强度。

13.根据权利要求1所述的发电机，其中所述发电机提供对电子装置涓流充电的充足电力。

14.根据权利要求1所述的发电机，所述发电机还包括与所述发电机电连接的感应体电路。

15.根据权利要求1所述的发电机，所述发电机还包括多个具有高核磁自旋材料的材料层，每一个高核磁自旋材料层被分隔在一对极化的铁电材料层之间。

16.根据权利要求1所述的发电机，其中所述高核磁自旋材料的自旋为+1/2以上。

17.根据权利要求1所述的发电机，其中所述高核磁自旋材料的自旋为-1/2以下。

18.根据权利要求1所述的发电机，其中所述高核磁自旋材料是放射性的。

19.一种发电机，其包括：

具有高剩余极化强度的材料；

极化的铁电材料，所述极化的铁电材料与所述高剩余极化强度材料紧密结合；

一对电接触，所述一对电接触被设置在所述极化的铁电材料和所述高剩余极化强度材料的相反侧上；和

对所述高剩余极化强度材料施加的磁场。

20.根据权利要求19所述的发电机，其中所述极化的铁电材料和所述高剩余极化强度材料是相邻的层状材料。

21.根据权利要求19所述的发电机，其中所述极化的铁电材料和所述高剩余极化强度材料是混合的材料。

22.根据权利要求19所述的发电机，其中所述电接触是金属材料。

23.根据权利要求19所述的发电机，其中一个电接触是受体材料，并且另一个电接触是给体材料。

24.根据权利要求23所述的发电机，其中所述受体材料选自钽、金、铂和p-型半导体。

25.根据权利要求23所述的发电机，其中所述给体材料选自高功函材料和n-型半导体。

26.根据权利要求19所述的发电机，其中所述磁场是通过将磁性材料与高核磁自旋材料混合而施加的。

27.根据权利要求19所述的发电机，其中所述磁场是以外部磁体的形式施加的。

28.根据权利要求19所述的发电机，其中通过将磁性材料层邻近极化的铁电材料或高核磁自旋材料的层中的至少一个安置而施加外部磁场。

29.根据权利要求19所述的发电机，其中所述磁场具有被调谐以将电能的产生最优化的强度。

30.根据权利要求19所述的发电机，其中所述发电机提供对电子装置涓流充电的充足电力。

31.根据权利要求19所述的发电机，所述发电机还包括与所述发电机电连接的感应体电路。

32.根据权利要求19所述的发电机，所述发电机还包括多个具有高剩余极化强度材料的材料层，每一个高剩余极化强度材料层被分隔在一对极化的铁电材料层之间。

33.一种发电机，其包括：

一对电接触，所述一对电接触与通过核磁自旋或剩余极化的机理独立地发电的材料接触。

34.根据权利要求33所述的发电机，其中所述材料选自镨、锰、钛酸钡和钛酸锆铅。

35.一种制造发电装置的方法，所述方法包括以下步骤：

获得第一材料，所述第一材料是高核磁自旋材料或高剩余极化强度材料；

获得极化的铁磁材料，并且将它安置成与所述第一材料紧密结合；

在所述极化的铁磁材料和所述第一材料的相反侧上设置一对电接触；和

对所述第一材料施加磁场。