CN102203949A - 具有纳米结构二极管的整流天线设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种整流天线设备。所述设备包括一对电极结构(14.16)以及至少一个纳米结构二极管(12)，所述纳米结构二极管(12)至少接触该对电极结构的第一电极结构并且至少邻近该对电极结构的第二电极结构。该对电极结构中的至少一个电极结构接收AC辐射，并且纳米结构二极管(一个或多个)(18)至少部分地对AC辐射所产生的电流进行整流。

Description

具有纳米结构二极管的整流天线设备
本发明的领域和背景
本发明在其一些实施例中涉及整流天线设备，并且更具体地但非唯一地，涉及一种在红外(IR)光和可见光中工作的整流天线设备。
存在许多应用，在该应用中，将能量从能量产生位置辐射到将使用能量的目的地是有用的。“照射的”能量一般是微波或射频。然而，很多能量应用需要直流(DC)电电力。
进行整流的天线，也称为“整流天线(rectenna)”是促进微波和射频交流电(AC)辐射转化成DC电力的电气设备。这种转化通过结合在天线中的整流二极管发生。在操作中，天线以与其尺寸和形状一致的频率聚集电磁能，并且该二极管将该能量整流成DC电压。
天线可用作电力传输系统的接收终端。在该配置中，终端可以将DC电力输送到物理传输线路不可行的负载。电力输送可以通过自由空间。整流天线在DC电力需要被分布到大量在空间上分布的负载元件的应用中也可以是有用的。
传统地，整流天线使用半导体二极管或大的真空管以达到毫米波段的频率将电磁波整流至直流电。同样已知的是使用用于整流直流电的第一场发射二极管的整流天线(例如见美国专利No.5,043,739)。
近来，多壁碳纳米管(MWCNT)的周期及随机阵列已经合成在多种基底上。该阵列中的每个纳米管是直径大约为10-100nm且长度为200-1000nm的导电棒。因此，可以将具有电磁辐射的这些阵列的相互作用认作是偶极天线的阵列的相互作用。已经对MWCNT阵列进行了研究，以确定似天线(antenna-like)的相互作用，因为最有效的天线相互作用出现在天线的长度与进入的辐射的波长的数量级相当时。
美国公开专利No.20070240757公开了一种太阳能电池，其包括具有位于半导体层下方的导体层的平面基板和碳纳米管阵列，其中碳纳米管在第一端与半导体层接合，并且在第二端包括光学天线。整流材料层沉积在纳米管上。
另外的背景技术包括Weiss等人的“用作天线和用于太阳能向光能的转化的整流器的新颖纳米线/纳米管设备(A Novel Nanowire/Nanotube Device Acting as Both Antenna and Rectifier for Solar Energy Conversion up to the Optical)”，见2008年的电子材料会议的会议摘要；Kempa等人的“作为光学天线的碳纳米管(Carbon Nanotubes as Optical Antennae)”，Adv.Mater.2007，19，421-426；美国专利No.7,132,994，美国公开申请No.20070240757，Abrams等人的“用于创建大规模碳纳米管网络的完整方案(A Complete Scheme for Creating Large Scale Networks of Carbon Nanotubes)”，见Nano Letters，7(2007)2666-2671；美国申请No.12/155,089；Slepyan等人的“通过非手性碳纳米管及其作为光学纳米天线的潜能实现光学散射理论( Theory of optical scattering by achiral carbon nanotubes and their potential as optical nanoantenn
发明内容
本发明的发明人发现，由于半导体二极管的固有限制，使用半导体二极管的整流天线具有频率上限和强度上限。这些限制包括设备容量和高速半导体设备的易碎性。使用大的真空管的整流天线也具有频率上限，并且组建昂贵。例如，使用传统真空管的大的整流天线阵列对组建而言贵得让人不敢问津，并且不能以紧凑的形式制造。
本发明的发明人还发现，使用半导体二极管的整流天线不能在高光学频率和准光学频率处工作。结果，高频辐射范围内的传统能量高产设备(例如，太阳能电池)不依赖进行整流的天线的原理，而是使用低效率的固态光伏电池。光伏电池不仅受限于低的转化效率，而且还不得不根据辐射频率具体地设计。这是因为在固态光伏电池中，材料属性(能隙(bang-gap)能量等)决定了设备的光谱灵敏度。因此，光伏电池被限制在特定的频率窗口。
本发明的实施例包括具有纳米结构的二极管设备的整流天线设备。纳米结构优选具有足够小的尺寸和足够高的移动性，使得纳米结构二极管设备具有高的截止频率。在本发明的多种示例性实施例中，纳米结构的尺寸有几纳米的数量级并且移动性有10m2/Vs的数量级，这产生了处于THz范围的截止频率。
本发明实施例的整流天线设备通常包括通过纳米结构相互连接的两个电极结构，每个电极结构均具有纳米级(nanometric)的尺寸(一般长度小于500nm，宽度小于100nm)。还被构想的是用于更连贯的辐射的较大天线设备。
在本发明的一些实施例中，电极结构具有不同的材料，使得连接两种不同材料的纳米结构用作整流二极管。
在本发明的一些实施例中，电极结构由相同的材料制成。在这些实施例中，纳米结构仅仅接触电极结构中的一个，但是其相反端与这对电极结构中的另一个电极结构紧邻。
本发明实施例的整流天线设备可以具有多种形状，例如但不限于直线形、蝴蝶结形等。若干这种纳米结构二极管设备可以被布置以形成整流桥。例如，在本发明的一些实施例中，设置具有四个二极管全整流桥的蝴蝶结整流天线。
因此，根据本发明的一些实施例的方面，提供了一种整流天线设备。该设备包括一对电极结构和至少一个纳米结构二极管，该纳米结构二极管至少接触该对电极结构中的第一电极结构，并至少紧邻该对电极结构中的第二电极结构。该对电极结构中的至少一个电极结构接收AC辐射，并且纳米结构二极管(一个或多个)至少部分地对AC辐射所产生的电流进行整流。
根据本发明的一些实施例，所述设备还包括用于接收和加强AC辐射的至少一个介电共振器，使得该对电极结构中的至少一个电极结构接收已加强的辐射。
根据本发明的一些实施例的方面，提供了一种整流天线系统。该系统包括多个整流天线设备，其中所述整流天线设备中的至少一个是在此所描述的整流天线设备。
根据本发明的一些实施例，整流天线设备被设置成接收两个极化(polarization)。
根据本发明的一些实施例，电极结构至少部分地由不同的导电材料制成。
根据本发明的一些实施例，纳米结构二极管(一个或多个)接触该对电极结构的两个电极结构。
根据本发明的一些实施例，电极结构由相同的导电材料制成。
根据本发明的一些实施例，纳米结构二极管(一个或多个)接触该对电极结构中的一个电极结构，但是不接触该对电极结构中的另一个电极结构。
根据本发明的一些实施例，所述设备还包括至少一个被基本垂直于由所述一对电极结构限定的假想轴线而定向的附加的电极结构。
根据本发明的一些实施例，电极结构被为确保不对称电性配置而成形的间隙分开。
根据本发明的一些实施例，该对中的电极结构基本是平面的，并且以部分重叠的方式设置，其中所述设备还包括介电层，所述介电层用于确保该对中的电极结构之间没有电接触，并且其中纳米结构二极管(一个或多个)接触该对电极结构中的一个电极结构并与该对电极结构中的另一个电极结构重叠。
根据本发明的一些实施例，介电层是穿孔的。
根据本发明一些实施例的方面，提供了一种制造整流天线设备的方法。该方法包括：在基底上沉积第一电极结构；在基底上沉积第二电极结构，从而形成一对电极结构，所述一对电极结构至少部分地暴露并且在其之间没有接触；以及在该对电极结构中的至少一个的暴露部分上沉积至少一个纳米结构，从而形成至少与该对电极结构中的第一电极结构接触并至少邻近该对电极结构中的第二电极结构的纳米结构二极管(一个或多个)。
根据本发明的一些实施例，所述方法还包括在基底上以使得纳米结构二极管(一个或多个)将第一电极结构与所述附加的电极结构相互连接的方式沉积附加的电极结构。
根据本发明的一些实施例，所述附加的电极结构被基本垂直于由第一电极结构和第二电极结构限定的假想轴线而定向。
根据本发明的一些实施例，所述方法还包括对所述附加的电极结构施加电场，从而使纳米结构二极管(一个或多个)的端头燃烧，由此防止纳米结构二极管(一个或多个)与第二电极结构之间的接触。
根据本发明的一些实施例，第一电极结构和第二电极结构被横向移位一间隙。
根据本发明的一些实施例，所述方法还包括在第二电极结构的沉积之前沉积介电层，使得介电层部分地覆盖第一电极结构，其中第二电极结构沉积到介电层上，使得第二电极结构部分地覆盖第一电极结构，并且其中该至少一个细长的纳米结构二极管沉积在第二电极结构上，使得纳米结构二极管部分地重叠第一电极结构。
根据本发明的一些实施例，所述方法还包括沉积用于将电极结构连接到外部设备的至少一个附加的纳米结构。
根据本发明的一些实施例，纳米结构的沉积通过压印技术(stamping technique)来实现。
根据本发明的一些实施例，纳米结构二极管(一个或多个)包括多个纳米结构二极管。
根据本发明的一些实施例，所述多个纳米结构二极管的数量被选择以便与所述一对电极结构的阻抗相匹配。
根据本发明的一些实施例，所述一对电极结构形成偶极天线。
根据本发明的一些实施例，所述一对电极结构形成蝴蝶结(bow tie)天线。
根据本发明的一些实施例，所述蝴蝶结天线具有不对称的间隙。
根据本发明的一些实施例，所述设备还包括附接于所述一对电极结构中的至少一个的有机分子。
根据本发明的一些实施例，所述设备配置成对可见范围内的辐射进行整流。
根据本发明的一些实施例，所述设备配置成对红外范围内的辐射进行整流。
除非另外限定，否则，在此所使用的所有技术和/或科学术语都具有与如本发明所属领域的普通技术人员所普遍理解的相同的含义。尽管与文中所描述的方法和材料相似或等同的方法和材料都可以在实际中或者在测试本发明的实施例时被使用，但是下面仅对示例性方法和/或材料进行描述。在抵触的情况下，本专利说明书包括其限定在内将占据主导。此外，材料、方法和示例仅仅是示例性的，并不意在必然的限定。
附图说明
在此参照附图和图像通过仅为示例的方式对本发明的一些实施例进行描述。现在具体地参照附图，需要强调的是，示出的细节仅仅是作为示例，用于对本发明的实施例进行示例性论述的目的。就这一点而言，与附图相结合的描述将使本发明的实施例可以如何实施对本领域普通技术人员显而易见。
在附图中：
图1A-C是根据本发明的多种示例性实施例的偶极整流天线设备的示意性图示；
图2A-E是根据本发明的多种示例性实施例的蝴蝶结整流天线设备的示意性图示；
图3A-C是根据本发明的多种示例性实施例的整流天线设备的示意性图示，该整流天线设备包括位于电极结构之间的介电层；以及
图4是根据本发明的多种示例性实施例的二极管桥式整流器的示意性图示；
图5A-C是根据本发明的多种示例性实施例的整流天线系统的示意性图示；
图6A-C是根据本发明的多种示例性实施例，适于形成整流天线设备的过程的示意性图示；
图7A-F是根据本发明的多种示例性实施例，适于形成整流天线设备的另一过程的示意性图示；
图8A-C是根据本发明的多种示例性实施例，能够用于纳米结构的沉积的过程的示意性图示；
图9A和9B是利用金属电极电性地连线的直的碳纳米管的高分辨率扫描电子显微镜图像，所述金属电极利用本发明实施例的压印技术沉积在包含这些金属电极的基底上；以及
图10A-F是描述根据本发明的多种示例性实施例，适于制造压印设备的方法的示意性图示。
具体实施方式
本发明在其一些实施例中涉及整流天线设备，并且更具体地但非唯一地，涉及一种在红外(IR)和可见光中工作的整流天线设备。
在对本发明的至少一个实施例进行详细的阐释之前，应当理解，在其应用中，本发明的应用不必被限制到下面的描述中阐述的和/或附图和/或示例中示出的部件和/或方法的构造和设置的细节。本发明能够以其他实施例实现或者以多种方式来实施或执行。
现在参照附图，图1A-C示出了根据本发明的多种示例性实施例的偶极整流天线设备。图1A示出了具有长度L和宽度W的简单的偶极天线12，其可以是纳米级尺寸的金属天线。
此处使用的术语“纳米级尺寸”指的是1000纳米(nm)以下的特征。
例如，偶极天线12的长度L可以为大约500nm，并且偶极天线12的宽度W可以是100nm以下。其他的尺寸并不排除在本发明的范围之外。
图1B示出了本发明的实施例中的整流天线设备10，其中设备10包括一对20电极结构14和16、以及将所述一对电极结构20相互连接的一个或多个细长的纳米结构二极管18(为了呈现的清楚起见，在图1B中仅示出了一个二极管)。所述一对电极结构20限定假想轴线38，该轴线38可以是连接电极结构14和16的中心的直线。图1C示出了实施例中的设备10，其中该设备还包括用于耦合输出(coupling out)整流过的信号的附加的细长纳米结构22。附加的细长纳米结构22可以连接到外部设备(未示出)。
术语“细长纳米结构”通常指的是这样的任何细长形导电或半导体材料：其包括小于500nm、更优选地小于100nm的至少一个横截面尺寸，并且具有大于2或大于4或大于8或大于20或大于50或大于100的纵横比(长度/宽度)。
电极结构14、16中每个的尺寸在长度上可以从大约10nm到大约10μm，在宽度上可以从大约20nm到大约100nm。
一个或全部两个电极结构14和16接收AC辐射，优选地但不必需在可见光或IR光范围内，并且细长纳米结构二极管(一个或多个)18至少部分地对AC辐射产生的电流进行整流。应当理解，设备10也可被用来对其他频率的AC辐射(包括但不限于微波辐射)进行整流。
在图1B和1C中所示的示意性图示中，电极结构14、16是细长形的，并且以共线的方式布置，从而形成偶极结构，并且纳米结构二极管18基本平行于电极结构14和16。然而，情况并非一定如此，因为对于某些应用而言，电极结构14和16不必是细长的和共线的，并且对于某些应用而言，二极管18不必平行于所述一对电极结构20。因此，在本发明的一些实施例中，整流天线设备10具有不同于偶极的结构。例如，在本发明的一些实施例中，设备10是蝴蝶结天线设备。这些实施例示出在图2A-E中。
所述一对电极结构20中的电极结构可以由能够接收辐射并产生电流作为响应的任何导电材料制成。适用于电极结构14、16的材料对的代表性示例包括但不限于钛-铂或钛-金。
纳米结构二极管(一个或多个)18可以具有纳米管或纳米线的形状。
在本发明的一些实施例中，纳米结构二极管中的至少一个包括碳，或者由碳制成。在这些实施例中，纳米结构二极管称作碳纳米结构二极管。
在本发明的一些实施例中，所述附加的纳米结构中的至少一个包括碳，或者由碳制成。在这些实施例中，该纳米结构称作碳纳米结构。
在本发明的一些实施例中，碳纳米结构或碳纳米结构二极管由基本纯的碳以其将为平面石墨(如果是平的的话)的管的形式构成。
碳纳米结构可以是碳纳米管(CNT)或碳纳米线(CNW)。
术语“碳纳米结构”、“碳纳米管”和“碳纳米线”在此互换地使用。
碳纳米管是基于sp2-键合碳的片材。通过连接该片材的两个碳原子的手性矢量来描述该片材的特征是普遍可接受的，所述两个碳原子在折叠后重合。该手性矢量垂直于纳米管的轴线，并且其长度对应于纳米管的圆周。在数学上，手性矢量在相应的六角形栅格上定义为跨越栅格的两个独立基矢量(通常用a1和a2表示)的线性组合。一般地，但非必须地，基矢量a1和a2是单位矢量。a1和a2的系数形成被称作碳纳米管的手性的对，通常用(n，m)表示。广义地来说，手性表示碳原子沿管的轴线的对称的旋转。当所述系数中的一个为0时，碳纳米管称为“Z字形纳米管”，当两个系数相等时，碳纳米管被称为“扶手椅形纳米管”，而由两个非零且不同的系数所表征的碳纳米管被称为“手性纳米管”。
当纳米结构或纳米结构二极管是碳纳米管时，纳米管中的任何一个可以是Z字形纳米管、扶手椅形纳米管或手性纳米管。
另外，本实施例的碳纳米结构可以是单壁碳纳米管(SWCNT)、双壁碳纳米管(DWCNT)或多壁碳纳米管(MWCNT)。SWCNT由滚卷成筒的一个石墨烯片材构成，DWCNT由两个平行的石墨烯片材构成，并且MWCNT由多个石墨烯片材构成(一般地，但非必须地，从大约2个到大约30个)。注意，DWCNT是MWCNT家族的成员。
尽管特别着重于碳纳米结构描述了本实施例，但是应当理解，对碳纳米结构的更多详细参考不应被以任何方式解读为限制本发明的范围。因此，任何纳米视觉等级(nanoscopic-scale)的细长结构都可以被使用，包括但不限于生物的、有机的或无机的、导电的或半导体的纳米结构等。还被想象到的是可不是分子线而是具有纳米视觉等级的其他导电或半导体元件，例如无机结构，如主族和金属原子基线状(metal atom-based wire-like)硅、含有过渡金属的线、砷化镓、锗、硒化镉结构、通过平版印刷技术形成的薄的金属线等。多种这些和其他纳米视觉等级线能够以对本实施例的整流天线设备的制备有用的图案生长在表面上和/或应用于表面，而无需进行过多的试验。例如，可以根据美国专利No.6,762,331的教导来制备细长的有机纳米结构，可以根据国际专利公开No.WO2004052773或国际专利公开No.WO2004060791或国际专利公开No.WO2006027780或美国公开申请No.20030113714的教导来制备细长的生物纳米结构，并且可以根据美国专利No.6,808,605或美国公开申请No.20070221917的教导来制备金属纳米结构。
能够通过以非对称电性配置构成设备10来确保纳米结构二极管18的二极管性能。
如此处使用的，“非对称电性配置”指的是这样一种配置：在该配置中，配置的一侧处的电荷移动性与配置的另一侧处的电荷移动性不同。
非对称电性配置可以被以不止一种方式实现。例如，在本发明的一些实施例中，对20包括具有基本不同的逸出功的电极结构。
材料的逸出功定义为使电子从材料的表面释放所需要的最小能量。
在电极结构14、16的逸出功彼此不同的实施例中，设备10可以是导体-绝缘体-导体(CIC)类型，其中电极结构14、16用作(具有不同导电率的)导体，而薄的介电材料30用作绝缘体。因此，在这些实施例中，电极结构14和16至少部分地由不同的导电材料制成，并且纳米结构18具有半导体或导体属性。
非对称电性配置还可以通过在电极结构14和16之间提供非对称间隙来实现。该实施例的代表性示例示出在图2B中。如图所示，在该实施例中，电极结构14和16成形并设置为形成蝴蝶结配置，其中两个电极被非对称空气间隙24隔开。这种非对称间隙配置提供了能够用作场发射二极管的极性相关(polarity-dependent)效应。
图2C是本发明另一实施例的示意性图示，其中设备10还包括附接于电极结构14和16中的一个或多个的有机分子26。分子26用于加强电极结构14和16对辐射的吸收率。
适于本实施例的有机分子的代表性示例包括但不限于视紫质，具体地但非唯一地是菌视紫质，或者其他对光反应变色的物质，这种物质具有响应于两个或更多个相应波长的电磁辐射而呈现两种或更多种吸收状态的属性(为此，例如参见美国专利No.5,346,789，5,253,198和5,228,001)。这些物质表现出有用的对光反应变色和光电属性。例如，菌视紫质具有大的光学非线性，并且能够产生光致电信号，其极性取决于材料对各种波长的光的在先暴露以及用来导致信号的光的波长。
视紫质包括可视视紫质(其负责将光转化成软体动物、节肢动物和脊椎动物的图像分解眼中的神经脉冲)和菌视紫质。这些蛋白质还包括一类起光合作用和趋光功能的蛋白质。菌视紫质实际上在晶状体膜中发现，称为盐生盐杆菌(Halobacterium Halobium)的“紫膜”。该膜通过激活光子的跨膜质子泵作用(photon-activated transmembrane proton pumping)将光转化为能量。在吸收到光后，菌视紫质分子在明确定义的光周期(photocycle)中经历若干结构性转变，其中能量存储在对光能的吸收时形成的质子梯度中。该质子梯度随后被用来合成富含能量的ATP。
出现在菌视紫质的光致质子泵作用过程中的结构性变化被反映在对分子的吸收光谱的变化中。这些变化是周期的，并且在通常的生理条件下，在大约10毫秒的光吸收之后使分子回到其初始状态。在菌视紫质吸收光子之后小于1微微秒内，其产生称为“J”状态的中间状态，该状态具有最大的红色偏移吸收。菌视紫质还呈现被称为“K”、“L”和“M”的其他中间状态。
这些中间状态中的每个都具有光化学地转变回到基本状态的能力。在使得特定的中间状态稳定的条件下，利用对应于所讨论的中间状态的吸收的波长处的光的照射导致菌视紫质状态的重生。此外，菌视紫质状态和中间状态表现出大的双光子吸收过程，所述过程可被用来导致不同状态之间的相互转换。
另外，在菌视紫质分子内存在光致矢量电荷传输。这种电荷传输可以检测为具有极性的电信号，该极性取决于分子的物理朝向以及取决于所导致的光化学反应。
不对称电性配置还可以通过在纳米结构18的两端提供不同水平的电接触来实现。例如，在本发明的一些实施例中，设备10还包括一对电极结构以及一个或多个纳米结构二极管，其设置成使得纳米结构二极管仅仅接触该对的电极结构中的一个，但是其相反端在极接近于该对的电极结构的另一个电极结构处。在这些实施例中，电极结构14和16可以根据需要由相同的材料或不同的材料制成。用于实施这些实施例的代表性示例在图2E中示出。如图所示，纳米结构18接触电极结构16而不接触电极结构14。在一些实施例中，设备10还包括位于纳米结构18和电极结构14之间的间隙处的附加电极28。电极28优选被定向为基本垂直于轴线38。电极28一般在设备10的制造过程中被使用。首先，设备10制造成使得纳米结构18从电极结构16延伸到附加电极28(见图2D)。随后，垂直于轴线38极化的AC电场或者具有到电极28的触部的DC电场被施加，以产生通过附加电极28的电流。所施加的电场的强度被选择为，使得所产生的电场的强度足以使附加电极28附近处的纳米结构18燃烧(图2E)。在下文中更详细地描述根据本发明多种示例性实施例的用于制造设备10的方法。
不对称电性配置还可以通过电极结构14和16之间的部分重叠来实现。这可以例如通过基本平面的一对电极结构来实现，如图3A-C示意性所示。如图所示，电极结构14和16通常是平面的，并且在电极结构14和16之间存在重叠区域(为了呈现的清楚起见，仅在图3A中以32标出)。因此，这些实施例中的电性非对称性通过细长纳米结构二极管(一个或多个)18和平面形下层电极结构之间的几何不对称而确保。
电极结构14和16至少在重叠区域32处被介电层30分开。图3A-C是设备10的俯视图，其中电极结构14接合电极结构16和层30下方的平面，并且电极结构16接合电极结构14和层30上方的平面。
层30还将纳米结构二极管(一个或多个)18与电极结构14分开，从而进一步促进非对称电性配置，由此纳米结构二极管(一个或多个)18接触电极结构16而不接触电极结构16。在这些实施例中，电极结构14和电极结构16可以根据需要由相同的材料或不同的材料制成。
在本发明的多种示例性实施例中，介电层被穿孔，从而增强纳米结构二极管18与电极结构14之间的电子注入(见图3B)。穿孔可以通过本领域已知的任何过程来实现。例如，可以在纳米结构二极管18沉积在介电层30上之前或之后在介电层30中钻孔。从电场和整流加强的观点来看，后者是有利的。
尽管在图3A和3B中示出了平面的电极结构14和16，但是情况不是必须如此。本发明的发明人想到了用于平面电极结构的任何几何形状。例如，电极结构中的一个(比如说，上方的电极结构16)的形状可被选择以减少重叠区域32的面积。在图3C中示出了其中电极结构16具有三角形形状的示例性的配置，其中重叠只在三角形的端头34处。当期望保持小的并联电容时，小的重叠面积是有利的。
因此，纳米结构二极管(一个或多个)18与电极结构14之间的距离与层30的厚度大约相等。在本发明的多种示例性实施例中，层30的厚度优选选择为使得纳米结构二极管(一个或多个)18充分地靠近电极结构14。一般地，层30的厚度大约为5nm。
在本发明的多种示例性实施例中，存在多个纳米结构二极管。多个纳米结构二极管能被用来减小负载阻抗。对于收获的最大能量(接收功率)，负载阻抗与天线的负载阻抗相匹配。对于一般的偶极天线，天线辐射阻抗在共振时大约为70Ω。与单个CNT相关联的一般阻抗大约为6kΩ。因此，在本发明的多种示例性实施例中，碳纳米结构二极管的阵列将该对相互连接。
此处使用的术语“阵列”指的是彼此邻近地附接于材料的多个纳米结构。
下面是使用整流天线设备10的本发明的多种实施例。
图4是根据本发明多种示例性实施例的二极管桥式整流器40的示意性图示。该配置可用来提高天线效率，并且提供完全整流或几乎完全整流。为了呈现的清楚起见，利用二极管符号来示出纳米结构二极管18。电极结构14和16以蝴蝶结布置示出，但是可以使用上述配置中的任何一种。纳米结构二极管18被校直在两个触部焊盘46和48之间，从而以形成二极管桥。
导线50和52优选是纳米级尺寸。例如，导线50和52可以具有与纳米结构18相似的结构和尺寸。在本发明的多种示例性实施例中，导线50和52是CNT。
桥式整流器40的工作原理如下。AC辐射被电极结构14和16接收。在电极14为正且电极16为负的AC辐射的半周期中，电流沿下部纳米结构二极管18的左段和上部纳米结构二极管18的右段朝左流动。在电极14为负且电极16为正的AC辐射的半周期中，电流沿上部纳米结构二极管18的左段和下部纳米结构二极管18的右段朝左流动，从而再次使导线50为正且使导线52为负。因此，在该周期的两个一半中，导线50为正且导线52为负，并且辐射被整流。
图5A-C是根据本发明多种示例性实施例的整流天线系统60的示意性图示。系统60包括一个或多个介电共振器62以及处于多个方位的两个或更多个整流天线设备64。共振器62优选具有足够的对称性，从而有助于在相同频率的两个正交共振模式。这种模式通常称作退化模式。适于本实施例的共振器的代表性示例包括但不限于球形共振器、圆柱形共振器、立方体形共振器等。共振器62也可以是同样具有退化模式的光子晶体中的微型腔或纳米腔的形式。在图5A的代表性示例中，共振器62成形为立方体。
共振器62用于增强进入的辐射的场，从而能够使用小尺寸的整流天线设备64。例如，在本发明的一些实施例中，每个整流天线设备64的总长度均小于1μm，该尺寸基本小于基于金属导体并且没有纳米结构二极管的传统天线的尺寸。从减少导电损失和提高天线效率的观点来看，小尺寸的整流天线设备是有利的，特别是在可见光和IR光频率。
整流天线设备以两个或更多个不同的方位布置，从而允许系统60收集和整流在任意极性的辐射。在图5A的代表性示例中，系统60包括两个在共振器62的相邻面上设置使得它们相互垂直的天线设备64。
整流天线设备64中的每个可以与根据上述实施例中的任何一个的整流天线设备10相同或相似。图5B是设备64中的一个的示意性图示。如图所示，设备64包括如上文另外详细描述的一对电极结构14和16，以及一个或多个纳米结构二极管18。可选地，设备64包括用于耦合输出整流过的信号的附加的细长纳米结构22。
可以具有任意极性的AC辐射66撞击在共振器62的垂直于面接合设备64的面上。共振器62的正交模式能够通过AC辐射66的正交极化来激发，并且耦接于设备64，从而促进任意极性的所有进入的辐射的接收和整流。该特征例如对于具有随机的随时间改变的极性的太阳辐射的整流特别有用。
图5C是介电共振器62基于布雷格反射的实施例中的系统60的示意性图示。在图5C中示出了多个具有各种形状的介电共振器62。为了呈现的清楚起见，设备64没有在图5C中示出，但是本领域普通技术人员将知道如何对每个共振器62添加两个或更多个设备64。
系统60包括被布雷格镜(Bragg mirror)70覆盖的基底72，并且共振器62布置在基底72的被覆盖侧上，即布置在布雷格镜70上。共振器62中的至少一些包括介电腔74，介电腔74被布雷格镜76覆盖，使得腔74位于布雷格镜70和布雷格镜76之间。
布雷格镜在本领域是已知的。例如，镜70和76能够通过沉积高折射率材料和低折射率材料的根据期望的折射带来选择其厚度并且根据期望的细度来选择层的数量的交替层而形成。
腔74优选是Fabri-Perot类型，并且可以具有任何横截面，例如但不限于长方形横截面、圆形横截面、椭圆形横截面、多边形横截面等。
腔的总厚度优选根据期望的共振器的共振频率按照公式ωm＝πmc/neffH来选择，其中m是整数，neff是有效反射率，c是光在真空中的速度，H是腔的总厚度，并且ωm是(角)共振频率。
电磁辐射66照射腔并在其中聚集。在腔内的场的强度增强由细度确定。
本实施例的整流天线设备和系统能够通过本领域已知的任何技术制造。
例如，在本发明的一些实施例中，整流天线设备通过以下方式制造：在基底上沉积第一电极结构；在基底上沉积第二电极结构，从而形成至少部分地暴露并且其之间没有接触的一对横向移位的电极结构，以及在电极结构的暴露部分上沉积至少一个纳米结构(例如，碳纳米结构)，从而形成将电极结构相互连接的至少一个纳米结构二极管。
该方法示意性地示出在图6A-C的过程图中。图6A示出了制造阶段，包括在覆盖基底80(例如，硅晶圆)的氧化膜81(例如，二氧化硅)上沉积第一导电(例如，金属的)层82，然后是对层82进行选择性蚀刻。选择性蚀刻之前是平版印刷过程，平版印刷可以是光刻或者任何其他的平版印刷，例如但不限于电子束平版印刷。在图6A中还示出了层82上的光刻胶掩模84。图6B示出了包括自对准氧化物蚀刻86的制造阶段。
图6C示出了制造阶段，该阶段包括在蚀刻的氧化膜81上沉积第二导电(例如，金属的)层88，之后是去除光刻胶掩模84，以及沉积细长纳米结构90(例如，CNT)。纳米结构90的沉积例如可以通过如本领域所已知的化学气相沉积、热化学气相沉积、压印技术、气相生长等来完成。
如图所示，纳米结构90与基底80上的两个不同平面接合。在纳米结构的沉积之后，可以应用附加的图案化和蚀刻。层82和88用作电极结构并且纳米结构90用作整流天线设备的纳米结构二极管。
所述过程还可以包括诸如附加纳米结构的沉积的附加的可选阶段，该附加纳米结构可用作附加纳米结构二极管或用于耦合输出整流过的信号。
尽管纳米结构二极管在图6C中示出为与两个电极结构都接触，但是情况并非必须如此，因为对于一些实施例，特别地但非唯一地，对于两个电极结构具有相同材料的实施例，纳米结构可以仅仅接触电极结构中的一个，同时仅仅靠近另一个。根据这些实施例的整流天线设备可以多于一种方式制造。
例如，制造可以包括沉积介电层以在两个电极之间分开。这种过程的代表性示例在图7A-F中示出。图7A示出了被氧化膜102(例如，二氧化硅)覆盖的基底100，整流天线设备被制造在氧化膜102上。
图7B示出了制造阶段，该阶段包括第一导电(例如，金属的)层110在薄膜102上的沉积，随后是层110的选择性蚀刻。选择性蚀刻之前是平版印刷过程，平版印刷可以是光刻或者任何其他的平版印刷，例如但不限于电子束平版印刷。在图7B中还示出了层110上的光刻胶掩模114。
图7C示出了制造阶段，该阶段包括氧化膜102的局部蚀刻，之后是绝缘层104在氧化膜102上的沉积和掩膜114的去除。
图7D示出了制造阶段，该阶段包括沉积介电层106从而覆盖其上的绝缘层104以及导电层110。
图7E示出了制造阶段，该阶段包括在介电层106上沉积第二导电(例如，金属的)层108，使得存在区域116，在该区域116处，层108与110重叠但是被层106分开。
图7F示出了制造阶段，该阶段包括沉积细长的纳米结构112(例如，CNT)，使得纳米结构112接触层108和106。
纳米结构仅仅接触电极结构中的一个的整流天线设备还可以通过使用附加电极来制造，该附加电极随后用于使纳米结构的端头燃烧。根据这些实施例的制造过程所选择的阶段示意性地示出在图2D和2E中。一般地，这些实施例包括在基底上沉积一对电极结构(图2D和2E中的电极结构14和16)，沉积一个或多个附加电极结构(图2D和2E中的电极结构28)。所有电极结构14、16和28可由相同的材料制成。可替代地，电极结构14、16和28中的两个或更多个的材料可以不同。这些实施例还包括一个或多个纳米结构(例如，CNT)在电极结构的暴露部分上的沉积。例如，如图2D所示，纳米结构可以接触电极结构16和28。在本发明的多种示例性实施例中，附加电极结构28被垂直于电极结构14和16定向，从而接收垂直极化的AC辐射/与垂直极化的AC辐射相互作用。
电极结构和纳米结构的沉积可以通过本领域已知的任何技术来完成，或者可以执行上述制造过程的所选择的操作。
一旦电极结构和纳米结构被沉积，便对附加电极28施加电场以产生足够强度的电流，从而使在附加电极28的附近的纳米结构燃烧(图2E)。
在上述实施例中的任何一个中，在纳米结构和/或纳米结构二极管的沉积之后可以施加用于操纵纳米结构的电磁场，从而校直纳米结构。该实施例在该对中的电极结构的电极结构之间存在间隙时(例如，见图1B、1C和2A-E)特别有用，因为在间隙中电磁场加强，导致纳米结构沿天线方向的校直。电磁场校直可以例如在化学气相沉积生长之后对随机分布的纳米结构如CNT使用。
本实施例的纳米结构和纳米结构二极管的沉积还可以通过压印技术来执行，例如美国申请No.12/155,089中公开的技术，在此通过参引的方式将该美国申请的内容并入。
这些实施例示意性地示出在图8A-C中。提供了其上优选已经包括电极结构(未示出)的目标基底252以及包括模板结构212的纳米结构压印设备254。
模板结构212优选包括形成在基底216上或附接于基底216的支撑结构214，基底216一般为平面形。支撑结构214用于支撑纳米结构220的网络。在图8A-C所示的实施例中，支撑结构214示出为多个在空间上分开的柱。然而，并非必须是这样的情况，因为对于一些应用，支撑结构214不必成形为柱。例如，支撑结构214可以具有开槽的格栅等形状。另外，尽管支撑结构214示出为包括16个柱，但并非必须是这样的情况，因为对于一些应用，柱的数量不一定是16。然而，在本发明的多种示例性实施例中，使用至少两个柱。
当使用两个或更多个柱时，它们优选基本垂直于基底216布置。
术语“基本垂直”指的是柱与平面(例如，基底16的表面)之间的角度关系。当柱与平面法线之间的角度平均小于10°时，更优选地小于5°时，再优选地小于2°、例如者1°或者更小时，认为支柱基本垂直于该平面。
下面提供用于制造压印设备254的优选技术。
纳米结构220优选可拆卸地由柱214支撑，从而允许纳米结构220到目标基底252的转移。目标基底可以是任何类型并优选根据纳米管网络的设计所针对的应用来选择；代表性的示例包括但不限于玻璃、石英、硅、塑料、聚合物材料等。本实施例的至少一个优点在于，该技术允许纳米结构网络形成在很多类型的基底上，因为纳米结构被转移到基底上而非在其上生长。
在本发明的一些实施例中，为所述转移制备目标基底252。这可以通过例如在目标基底252上应用优选为液体形式的缓冲介质层256来完成。适于本实施例的缓冲介质的代表性示例包括但不限于乙醇、己烷、去离子水、丙酮、异丙醇和光刻胶。在本发明的一些实施例中，使用乙醇作为缓冲介质。
使用缓冲介质的优点在于，其减少了可能存在于目标基底252上的纳米等级(nano-scaled)的杂质或缺陷对转移的潜在的破坏效果。
无论缓冲介质是否应用在目标基底252上，在压印设备254和目标基底252之间建立起接触(见图8B)，从而将纳米结构220从模板结构212转移到目标基底252(见图8C)，由此在目标基底252上形成纳米管网络250。通过悬挂的纳米管节段与目标基底252之间的相互作用来引起转移。由于与接触柱的纳米结构的相对较小的部分相反、纳米结构220和基底252之间的表面接触面积相对较大，因此能够使纳米结构220与模板结构212分离。
尽管图8A和8B示出了压印设备254从上方与目标基底252接触，但是并非必须是这样的情况，因为在一些实施例中，压印设备254从下方与目标基底252接触。另外，尽管图8A和8B示出了目标基底252保持静止并且压印设备254与其相接触，但是并非必须是这样的情况，因为在一些实施例中，压印设备254保持静止并且目标基底252从下方或从上方与其相接触。
选择压印设备254与目标基底252之间的接触在其处被建立的周围条件，以便有助于所述网络转移到目标表面。例如，接触可以是在升高的温度。在本发明的一些实施例中，接触建立在热板的表面上(例如，被加热到大约100℃)，以允许缓冲介质快速地蒸发。
还能够想到在真空条件下的压印过程。例如，一旦缓冲介质被应用并且使压印设备254与目标基底252接触，设备254和基底252便能够放置在真空室中。然后可以开始进行泵作用(pumping)，以将柱之间的缓冲介质排空，从而在压印设备254和目标基底252之间产生压力。
能够进一步想到使用前驱印模(precursor stamp)进行转移的技术。在该实施例中，压印设备254首先被压靠在平面形的前驱印模上，该前驱印模可以是聚合物，包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。前驱印模用作易弯层，该易弯层与柱的远端表面和/或目标基底上可能的缺陷引起的纳米拓扑易于一致。该易弯层还附着于纳米结构。随后，前驱印模被压靠在目标基底上，并且聚合物能够在适当的溶液(例如，丙酮)中溶解。
图9A和9B是利用金属电极电性连线的直的碳纳米管的高分辨率扫描电子显微镜图像。利用上述压印技术将直的碳纳米管沉积在含有金属电极的基底上。
现在参照图10A-F，图10A-F是描述根据本发明多种示例性实施例，适于制造压印设备(例如，压印设备254)的方法的示意性图示。
图10A-D示出了用于形成模板结构212的优选过程。基底，例如包括被二氧化硅的较薄层(大约500nm)覆盖的硅的厚层(厚度大约为450μm)的二氧化硅晶圆，受到光刻(photo lithography)图案化处理(图10A)，然后是暴露于光(例如，UV暴露)以及光刻胶的形成(图10B)。所述图案化、暴露以及形成用于标记柱的x-y位置和直径。柱之间的直径和间隔可以不同。
然后应用蚀刻过程(图10C和10D)以形成柱。在一些实施例中，蚀刻过程包括氧化层的反应性离子蚀刻(RIE)，然后是取决于柱的期望高度，将下面的硅层通过深度反应性离子蚀刻(DRIE)蚀刻到预定深度。
一旦柱形成，便应用溶液催化剂，例如通过在其末端表面上压印来应用。催化剂可以是任何适于促进纳米管生长的催化剂。例如，在本发明的一些实施例中，催化剂包括悬浮在异丙醇(iso-propynol)中的Fe2(NO)3纳米微粒。还能够想到的是过渡金属的薄层，例如但不限于Ni、Fe和Co。催化剂能够例如通过压印技术来应用。在这些实施例中，催化剂溶液应用到平面形模板表面，例如但不限于PDMS模板表面，并且在模板表面与柱的末端表面之间建立接触，如图10E所示。
携载具有催化剂的柱的基底然后经历纳米管生长过程，这在本领域是已知的。可以使用任何纳米管生长过程，包括但不限于化学气相沉积、热化学气相沉积、气相生长等。生长过程导致由柱的末端表面支撑的多个悬浮纳米管(见图10F)的形成，如前面所另外详细描述的。
本实施例的设备和系统对于多种应用都是有用的。
一般来说，所述设备和系统用于将强的高频电磁辐射、特别是可见和IR范围内的电磁辐射转化成直流电。因此，本实施例的设备和系统能够用于消除一些应用中对有功功率的需要。在本发明的一些实施例中，所述设备和系统用于收集太阳辐射并将其转化成直流电。因此，本实施例的设备和系统能够例如用于为有规律地暴露在太阳辐射之下诸如卫星和无人驾驶飞行器等运载工具、或者诸如冷却器的装置供电。
本实施例的设备和系统还能够在信息以AC辐射的形式发送的通信系统中使用。所述设备和系统能够用于电磁波中的电力的接收，并将该电力转化成直流电力，从而降低虚假信号的水平。
本实施例的设备和系统还能够结合射频识别(RFID)系统。RFID系统是标签设备，其能够通过利用与询问器的反向散射通信发送其内嵌存储器的内容而对被读取作出响应。本实施例的设备和系统能够结合在无源RFID中，以便允许其接收来自载波信号的至少一部分以及更优选地所有所需能量。
文中使用的术语“大约”指的是±10％。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”及其变化形式意指“包括但不限于”。
术语“由……构成”意指“包括并且限于”。
术语“基本上由……构成”意指成分、方法或结构可以包括附加的组分、步骤和/或部件，但是只要附加的组分、步骤和/或部件不在实质上改变要求保护的成分、方法或结构的基本特征和新颖的特征即可。
如文中使用的，单数形式“一”、“该”包括复数含义，除非上下文中明确另外说明。例如，术语“化合物”或“至少一个化合物”可以包括多个化合物，包括其混合物在内。
在整个本申请中，本发明的多种实施例可以范围的形式来呈现。应当理解，范围形式的描述仅仅是为了方便和简洁，不应被理解为是对本发明范围的硬性限制。因此，范围的描述应当被认为具有具体公开的所有可能的子范围以及落在该范围内的各个数值。例如，诸如从1到6的范围的描述应当理解为具有具体公开的子范围，例如从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等，以及落在该范围内的各个数，例如1、2、3、4、5和6。这适用而不管范围的宽度。
本申请中数值范围无论何时被指出，其意味着包括落在该指出的范围内的任何引用数字(分数或整数)。短语“在”第一指出数和第二指出数“之间的范围”以及“从”第一指出数“到”第二指出数的“范围”在文中互换地使用，并且意味着包括第一指出数和第二指出数以及其之间的所有分数和整数。
应当注意到，为了清楚起见而在各个实施例的背景下描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中以组合的形式提供。相反地，为了简洁起见而在单个实施例的背景下描述的本发明的多个特征也可以单独地或者以任何适当的子组合的形式或者适当地在本发明的任何其他实施例中提供。不同实施例的背景中所描述的某些特征不应认为是这些实施例的基本特征，除非该实施例在没有这些元件的情况下是不起作用的。
尽管已经结合其具体实施例描述了本发明，但是显然，多种替代形式、修改和变型对本领域普通技术人员而言是显而易见的。因此，本发明意在包括落在所附的权利要求的精神和广义范围内的所有这种替代形式、修改和变型。
本说明书中述及的所有公开文献、专利和专利申请都通过参引的方式整体并入本文，如同具体并单独地指明了将每个单独的公开文献、专利或专利申请都通过参引的方式并入本文。此外，在本申请中对任何参考的引用或标识都不应理解为承认该参考文献是对本发明可用的现有技术。就使用标题来说，不应理解为必然是限定性的。

Claims (28)

1.一种整流天线设备，包括：
一对电极结构；以及
至少一个纳米结构二极管，所述至少一个纳米结构二极管至少接触所述对中的第一电极结构并且至少邻近所述对中的第二电极结构，
其中，所述对中的至少一个电极结构接收AC辐射，并且所述至少一个纳米结构二极管至少部分地对所述AC辐射产生的电流进行整流。
2.如权利要求1所述的设备，还包括至少一个用于接收和增强所述AC辐射，使得所述对中的至少一个电极结构接收所述增强的辐射的介电共振器。
3.一种整流天线系统，包括多个整流天线设备，其中所述整流天线设备中的至少一个是如权利要求1或2所述的整流天线设备。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述多个整流天线设备设置成接收两个极化。
5.如权利要求1至3中任一项所述的设备或系统，其中，所述电极结构至少部分地由不同的导电材料制成。
6.如权利要求1至5中任一项所述的设备或系统，其中，所述至少一个纳米结构二极管接触所述对中的两个电极结构。
7.如权利要求1至3中任一项所述的设备或系统，其中，所述电极结构由相同的导电材料制成。
8.如权利要求1至5中任一项所述的设备或系统，其中，所述至少一个纳米结构二极管接触所述对中的一个电极结构而不接触所述对中的另一个电极结构。
9.如权利要求1至7中任一项所述的设备或系统，其中，所述设备还包括至少一个被基本垂直于由所述一对电极结构限定的假想轴线而定向的附加的电极结构。
10.如权利要求1至9中任一项所述的设备或系统，其中，所述电极结构被成形为确保不对称电性配置的间隙分开。
11.如权利要求1至9中任一项所述的设备或系统，其中，所述对中的所述电极结构基本是平面的并且以部分重叠的方式设置，其中所述设备还包括介电层，所述介电层用于确保所述对中的所述电极结构之间没有电接触，并且其中所述至少一个纳米结构二极管接触所述对中的一个电极结构并与所述对中的另一个电极结构重叠。
12.如权利要求11所述的设备或系统，其中，所述介电层是穿孔的。
13.一种制造整流天线设备的方法，包括：
在基底上沉积第一电极结构；
在所述基底上沉积第二电极结构，从而形成一对电极结构，所述一对电极结构至少部分地暴露并且之间没有接触；以及
在所述对中的至少一个的暴露部分上沉积至少一个纳米结构，从而形成至少一个至少与所述一对电极结构中的第一电极结构接触并至少邻近所述一对电极结构中的第二电极结构的纳米结构二极管。
14.如权利要求13所述的方法，还包括在所述基底上以使得所述至少一个纳米结构二极管将所述第一电极结构与所述附加的电极结构相互连接的方式沉积附加的电极结构，。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述附加的电极结构被基本垂直于由所述第一电极结构和所述第二电极结构限定的假想轴线而定向.
16.如权利要求13所述的方法，还包括对所述附加的电极结构施加电场，从而使所述至少一个纳米结构二极管的端头燃烧，因此防止所述至少一个纳米结构二极管与所述第二电极结构之间的接触。
17.如权利要求13至16中任一项所述的方法，其中，所述第一电极结构和所述第二电极结构被横向移位一间隙。
18.如权利要求13至16中任一项所述的方法，还包括在所述第二电极结构的所述沉积之前沉积介电层，使得所述介电层部分地覆盖所述第一电极结构，其中所述第二电极结构沉积到所述介电层上，使得所述第二电极结构部分地覆盖所述第一电极结构，并且其中所述至少一个纳米结构二极管沉积在所述第二电极结构上，使得所述纳米结构二极管与所述第一电极结构部分地重叠。
19.如权利要求13至18中任一项所述的方法，还包括沉积用于将所述电极结构连接到外部设备的至少一个附加的纳米结构。
20.如权利要求13至19中任一项所述的方法，其中，所述纳米结构的所述沉积通过压印技术来实现。
21.如权利要求1至20中任一项所述的设备、系统或方法，其中，所述至少一个纳米结构二极管包括多个纳米结构二极管。
22.如权利要求21所述的设备、系统或方法，其中，所述多个纳米结构二极管的数量被选择以便与所述一对电极结构的阻抗相匹配。
23.如权利要求1至22中任一项所述的设备、系统或方法，其中，所述一对电极结构形成偶极天线。
24.如权利要求1至23中任一项所述的设备、系统或方法，其中，所述一对电极结构形成蝴蝶结天线。
25.如权利要求24所述的设备、系统或方法，其中，所述蝴蝶结天线具有不对称的间隙。
26.如权利要求1至25中任一项所述的设备、系统或方法，其中，所述设备还包括附接于所述电极结构中的至少一个的有机分子。
27.如权利要求1至26中任一项所述的设备、系统或方法，其中，所述设备被配置成对可见范围内的辐射进行整流。
28.如权利要求1至26中任一项所述的设备、系统或方法，其中，所述设备被配置成对红外范围内的辐射进行整流。
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