CN102318179A - 用于产生电力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于将热能直接转换成电力的装置及方法。该装置包括优选地具有不同材料的第一表面及第二表面、及在所述表面之间的具有处于热运动的气体分子的气体介质。该第一表面可用来将电荷转移至与第一表面相互作用的气体分子，而该第二表面可用来接收来自与第二表面相互作用的气体分子的电荷。

Description

用于产生电力的装置及方法

技术领域

本发明在其某些实施例中涉及能量转换，且更明确地但非排他性地涉及用于产生电力的装置及方法。

背景技术

能量转换系统接收一种形式的能量并将其转换成另一种形式的能量。例如热电转换器接收热能并产生电力。

一种类型的热电转换器采用塞贝克热电效应(Seebeck thermoelectric effect)，根据该效应电流是在相异导电材料的两个结点之间产生。基于Seebeck的热电产生器通常被用作还被称为热电偶的温度传感器，但是还已试图使用热电产生器来给电子电路供电(例如参见国际专利公开第WO 07/149185号)。

另一种类型的热能转换器是采用热离子发射效应的热离子转换器，根据该效应在充分高的温度下可自固体表面发射出电子。热离子转换器通常包括热体及冷体且热梯度为至少几百摄氏度。为了发生热离子发射效应，使该热体保持在充分高的温度(通常大于1000℃)下。电子自该热体的表面发射且与该冷体的表面碰撞，由此产生跨越所述表面之间的空隙的电压。热离子转换器的说明可在美国专利第7,109,408号中找到。

该热离子转换器的操作原理不同于热电产生器的操作原理。一个差异在于跨越该装置的电荷传输的性质。在热离子转换器中，电荷传输是通过自由电子的运动而管控的，而在热电产生器中，电荷传输是通过处于物理接触的导体中的电子及空穴的扩散而管控的。

附加类型的热转换器为采用量子力学隧穿效应的热隧穿转换器，根据该效应粒子可穿透高于其动能的势垒。热隧穿转换器包括热表面及冷表面，且通常在真空中操作。使所述表面保持充分地彼此接近以便允许电子通过隧穿自热表面移动至冷表面。热隧穿转换器的说明在美国专利第3,169,200号及第6,876,123号中找到。合并所述热离子及热隧穿原理的混合能量转换器在美国专利第6,489,704号中公开。

还感兴趣的是J. M. Dudley在Infinite Energy Magazine 66 (2006) 21中发表的名称为“Maxwell’s Pressure Demon and the Second Law of Thermodynamics”的论文。Dudley描述一种包括一对铝板的装置，其中在所述铝板之间有两个玻璃纤维筛网（screen）且在所述玻璃纤维筛网之间有铜箔。Dudley声称当在所述铝板上施加压力时增加跨越该装置的电压降。Dudley试图不考虑环境湿度以便排除或减少电化学反应的影响并认定该电压降起因于隧穿效应。

发明内容

本发明的某些实施例涉及用于产生电力的装置，其自气体分子的热运动取得能量。在本发明的某些实施例中，该装置包括一对隔开的由不同材料制成的表面、及位于所述表面之间的气体介质。每个该表面对及中间的气体在文中可称为电池。气体分子在该对的第一表面处变成带电且通过热运动而移动至该对的第二表面以将净电荷自该对的第一表面转移至该对的第二表面。在本发明的某些实施例中，整个系统是在环境或接近环境温度下操作。

不想受任何特定理论束缚，据信在所述表面之间的电荷的传输受两种机制之间的相互作用的影响。第一机制为该气体介质与热源(其可以是环境)之间的热交换。第二机制为气体介导的电荷转移，其在下文中被进一步详述且在随后的示例章节中被例证。

该热交换维持气体分子的热运动，且该气体介导的电荷转移维持两个表面之间的电位差。由于其热能，充分快的气体分子可将电荷自一个表面传输至另一表面。由于所述气体分子与表面之间的相互作用，所以可发生电荷转移。如在下文中所述，该相互作用可为瞬时的(例如经由弹性或非弹性碰撞过程)或持久的(例如经由吸附-解吸附过程)。

当气体分子与该第一表面相互作用时，该第一表面可例如通过将电子转移至该气体分子或自该气体分子转移电子而使该分子带电。当带电的气体分子与该第二表面相互作用时，该第二表面可自带电的气体分子接收过量电荷。因此，该第一表面用作电荷施体（donor）表面且该第二表面作为电荷受体（receiver）表面，或反之亦然。

可选地在没有任何外部施加的电压的情况下，转移的电荷在所述表面之间产生电位差，且可用以产生电流。

据信作为由于气体分子在跨越该空隙传输电荷时作功（克服其像电荷的吸引力）而减慢的结果，该气体冷却。为了提供稳态系统，优选地例如自环境将热能转移至该气体。

由于所述表面之间的电位差是通过用作电荷传输器的分子自一个表面至另一表面的热运动而产生，所以不需要维持所述表面之间的温度梯度。因此，这两个表面可在彼此的50℃内或在10℃内或在1℃内。在本发明的某些实施例中，所述表面的以开尔文温标(Kelvin scale)表示的温差小于5%或小于3%或小于2%，例如1%或更小。

在本发明的各种示例性实施例中，这两个表面可基本上处于相同温度下。虽然就该电池或装置的操作而言不需要极端的温度条件，但是能够成为高效电荷传输器的高速气体分子的比例随温度而增加。因此，预期任何特定电池或装置的效率在其操作范围内随温度的增加而增加。在本发明的各种示例性实施例中，这两个表面处于在400℃以下或在200℃以下或在100℃以下或在50℃以下的温度下。在本发明的某些实施例中，这两个表面是处于小于30℃且大于15℃的温度下，例如处于室温(例如约25℃)或在其附近。在本发明的某些实施例中，这两个表面处于小于15℃且大于0℃的温度下，且在本发明的某些实施例中，这两个表面处于小于0℃的温度下。

在本发明的各种示例性实施例中，该第一表面将特定极性的电荷转移至气体介质的能力不同于该第二表面将电荷转移至气体介质的能力。该配置允许所述气体分子在与表面之一相互作用时获得电荷且在与另一表面相互作用时失去电荷。

当所述表面经由电触点而连接到外部电力负载时，电流通过该负载自更可能使气体介质失去负电荷的表面流至更可能自气体介质得到负电荷的表面。

理解的是，为了提供高效的电荷转移，大量的带电分子应该自该第一表面行进至第二表面。在本发明的优选实施例中，所述表面之间的距离足够小，使得符合本条件。充分小的空隙减少分子间的碰撞数并降低通过该带电分子而产生的像电荷势垒，因此增加充分快的分子离开第一表面的附近以成功越过该空隙且不会与其它气体分子碰撞并将电荷移至该第二表面的可能性。优选地，所述表面之间的空隙大约为所述气体分子的平均自由程。一般而言，期望的是，所述表面之间的距离为在操作的温度及压力下所述分子的平均自由程的小于10倍且优选地小于5倍、2倍或者某个更小或中间倍数。其理想地应该是一个平均自由程或更小。一般而言，期望的是，所述表面之间的距离小于1000纳米（nm）、更优选地小于100纳米、更优选地小于10纳米、且理想地(但不必)小于2纳米。

不管上述理论的正确性，本发明人已发现：在特定环境下，电流及电压可通过系统的两个元件之间的气体介导的电荷转移而产生，其中除了经由所述气体分子的热能外未将能量输入到该系统。

可将数个该电池布置在一起以形成电源装置。在本实施例中，将所述电池布置于其中以便允许电流在以串联布置的相邻电池之间流动。该电池优选地串联及/或并联布置，其中与单一电池相比该串联布置提供增加的电压输出且该并联布置提供增加的电流。

根据本发明某些实施例的方面，提供用于将热能直接转换成电力的电池装置。该电池装置包括：第一表面及第二表面，其中在所述表面之间有空隙；以及位于所述表面之间的具有处于热运动的气体分子的气体介质；该第一表面可用来将电荷转移至与该第一表面相互作用的气体分子，且该第二表面可用来自与该第二表面相互作用的气体分子接收该电荷；其中在不存在外部施加的电压的情况下所述表面之间的电位差通过该电荷转移而产生。

根据本发明某些实施例的方面，提供用于将热能直接转换成电力的电池装置。该电池装置包括：第一表面及第二表面，其中在所述表面之间有空隙；以及位于所述表面之间的具有处于热运动的气体分子的气体介质；该第一表面可用来将电荷转移至与该第一表面相互作用的气体分子，且该第二表面可用来自与该第二表面相互作用的气体分子接收该电荷；其中该空隙小于1000纳米。

根据本发明某些实施例的方面，提供用于将热能直接转换成电力的电池装置。该电池装置包括：第一表面及第二表面，其中在所述表面之间有空隙；以及位于所述表面之间的具有处于热运动的气体分子的气体介质；该第一表面可用来将电荷转移至与该第一表面相互作用的气体分子，且该第二表面可用来自与该第二表面相互作用的气体分子接收该电荷；其中该第一表面与第二表面在彼此的50℃内。

根据本发明某些实施例的方面，提供用于将热能直接转换成电力的电池装置。该电池装置包括第一表面及第二表面，其中在所述表面之间有空隙；以及位于所述表面之间的具有处于热运动的气体分子的气体介质；该第一表面可用来将电荷转移至与该第一表面相互作用的气体分子，且该第二表面可用来自与该第二表面相互作用的气体分子接收该电荷；其中该第一表面与第二表面处于小于200℃的温度下。

根据本发明的某些实施例，该第一表面具有正电荷可转移性，而该第二表面具有负电荷可转移性。

根据本发明某些实施例的方面，提供用于产生电力的电池装置。该电池装置包括：与第一电触点电连通（communication）的第一表面；与第二电触点电连通且在该第一表面的50℃内的第二表面；以及位于所述表面之间的空隙内的气体介质；其中该第一表面具有正电荷可转移性，且其中所述电触点可连接至负载以使负载电流自第一表面流经该负载到第二表面。

根据本发明的某些实施例，至少一个表面为导电衬底的表面。

根据本发明的某些实施例，至少一个表面为具有小于10^-9S/m的导电率的衬底的表面。

根据本发明某些实施例的方面，提供电源装置。该电源装置包括多个如文中所述的电池装置，其中至少一对相邻电池装置通过导体而互连，使得电流通过该导体自该对的第一装置的第二表面流至该对的第二装置的第一表面。

根据本发明的某些实施例，所述相邻电池装置对是以串联及并联布置而布置的，使得该电源装置的电流大于任何单一电池的电流且使得该电源装置的电压大于任何一个电池装置的电压。

根据本发明某些实施例的方面，提供电源装置。该电源装置包括：第一导电电极及第二导电电极；在所述电极之间的第一电池装置堆（stack）及第二电池装置堆，每个电池装置如文中所述；其中在每个堆中，该堆的每个相邻电池装置对通过导体而互连，使得电流通过该导体自该对的第一电池装置的第二表面流至该对的第二电池装置的第一表面；且其中该第一堆及第二堆自第一电极将电荷输送至第二电极。

根据本发明的某些实施例，该导体为具有两侧的导电衬底，该衬底的一侧构成一个电池装置的表面，而相对侧构成相邻电池装置的表面。

根据本发明的某些实施例，该导体为涂覆有导电材料的衬底，使得在该衬底的第一侧与该衬底的第二侧之间产生导电性，其中该导体为具有两侧的导电衬底，该衬底的一侧构成一个电池装置的表面，而相对侧构成相邻电池装置的表面。

根据本发明的某些实施例，所述电池的表面以有序或随机方式彼此重叠，使得单一衬底的表面是部分由至少两电池共享。

根据本发明某些实施例的方面，提供将热能直接转换成电力的方法。该方法包括：提供第一表面及第二表面，其中在所述表面之间有空隙；使气体介质的分子与该第一表面相互作用以将电荷转移至至少一些所述气体分子；并使一部分所述气体分子与第二表面相互作用以便自至少一些所述气体分子将该电荷转移至第二表面，由此在所述表面之间产生电位差；其中该空隙小于1000纳米。

根据本发明某些实施例的方面，提供将热能直接转换成电力的方法。该方法包括：提供第一表面及第二表面，其中在所述表面之间有空隙；使气体介质的分子与该第一表面相互作用以便将电荷转移至至少一些所述气体分子；并使一部分所述气体分子与第二表面相互作用以便自至少一些所述气体分子将该电荷转移至第二表面，由此在所述表面之间产生电位差；其中该第一表面及第二表面在彼此的50℃内。

根据本发明某些实施例的方面，提供将热能直接转换成电力的方法。该方法包括：提供第一表面及第二表面，其中在所述表面之间有空隙；使气体介质的分子与该第一表面相互作用以便将电荷转移至至少一些所述气体分子；并使一部分所述气体分子与第二表面相互作用以便自至少一些所述气体分子将该电荷转移至第二表面，由此在所述表面之间产生电位差；其中该第一表面及第二表面处于小于200℃的温度下。

根据本发明某些实施例的方面，提供将热能直接转换成电力的方法。该方法包括：提供第一表面及第二表面，其中在所述表面之间有空隙；使气体介质的分子与该第一表面相互作用以便将电荷转移至至少一些所述气体分子；并使一部分所述气体分子与第二表面相互作用以便自至少一些所述气体分子将该电荷转移至第二表面，由此在所述表面之间产生电位差；其中所述表面之间的电位差在不存在外部施加的电压的情况下通过该电荷转移而产生。

根据本发明的某些实施例，表面之一使所述气体分子带电且另一表面中和（neutralize）所述带电的气体分子。

根据本发明的某些实施例，这两个表面都使气体分子带电，一个表明使气体分子带正电，而另一表面使气体分子带负电。

根据本发明的某些实施例，所述表面之间的任何电压在不存在外部施加的电压的情况下通过该电荷转移而产生。

根据本发明的某些实施例，该装置进一步包括用于防止该气体介质泄露的密封外壳。

根据本发明的某些实施例，该密封外壳内的压力高于环境压力。根据本发明的某些实施例，该密封外壳内的压力低于环境压力。根据本发明的某些实施例，该密封外壳内的压力高于1.1个大气压。根据本发明的某些实施例，该密封外壳内的压力高于2个大气压。

根据本发明的某些实施例，该空隙小于1000纳米或小于100纳米或小于10纳米或小于5纳米或小于2纳米。

根据本发明的某些实施例，该第一表面与第二表面在彼此的50℃内或在10℃内或在1℃内。

根据本发明的某些实施例，该第一表面与第二表面处于小于200℃或小于100℃或小于50℃的温度下。

根据本发明的某些实施例，该第一表面与第二表面基本上是平滑的且通过隔片（spacer）而隔开。

根据本发明的某些实施例，该空隙通过自所述表面中的至少一个向外突起的粗糙特征而维持。

根据本发明的某些实施例，所述表面中的至少一个包括至少一个选自由以下所组成的群组的磁性或非磁性物质：金属、半金属、合金、本征或掺杂、无机或有机半导体、介电材料、层状材料、本征或掺杂聚合物、导电聚合物、陶瓷、氧化物、金属氧化物、盐、冠醚、有机分子、季铵化合物、金属陶瓷、及玻璃与硅酸盐化合物。

根据本发明的某些实施例，所述表面每个都独立地包括至少一个选自由以下所组成的群组的磁性或非磁性物质：铝、镉、铬、钴、铜、钆、金、石墨、石墨烯(graphene)、铪、铁、铅、镁、锰、钼、钯、铂、镍、银、钽、锡、钛、钨、锌；锑、砷、铋；氧化石墨、氧化硅、氧化铝、二氧化锰、氧化镍锰、二氧化钨、三氧化钨、氧化锡铟、氧化钙、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化锶、氧化铜钡钙钇；黄铜、青铜、铝钢(duralumin)、殷钢(invar)、钢、不锈钢；硫化钡、硫化钙；本征或掺杂硅晶圆、锗、硅、砷化镓铝、硒化镉、砷化锰镓、碲化锌、磷化铟、砷化镓及聚乙炔；MACOR^?、氮化铝、氮化硼、氮化钛、六硼化镧；碳化铪、碳化钛、碳化锆、碳化钨；钛酸钡、氟化钙、钙盐、稀土盐、锆盐、锰盐、铅盐、钴盐、锌盐；硅化铬、Cr₃Si-SiO₂、Cr₃C₂-Ni、TiN-Mo；玻璃及金云母(phlogopite mica)、苯胺黑(nigrosine)、石油磺酸钠(sodium petronate)、聚乙烯亚胺、马拉加胶(gum malaga)、OLOA 1200、卵磷脂、基于本征及掺杂的硝酸纤维素的聚合物、基于聚氯乙烯的聚合物、及丙烯酸树脂。

根据本发明的某些实施例，所述表面包括至少一个独立地选自由以下所组成的群组的物质：铝、铬、钆、金、镁、钼、不锈钢、硅石、二氧化锰、氧化镍锰、三氧化钨、经还原的氧化石墨、石墨、石黑烯、硅化铬硅石、氟化铯、HOPG、碳酸钙、氯酸镁、玻璃、金云母、氮化铝、氮化硼、玻璃陶瓷、掺杂硝酸纤维素、经硼掺杂的硅晶圆、及经磷掺杂的硅晶圆。

根据本发明的某些实施例，该第一表面及第二表面中的每一个通过石墨烯衬底而支撑。

根据本发明的某些实施例，该第一表面及第二表面中的每一个通过石墨衬底而支撑。

根据本发明的某些实施例，该第一表面及第二表面中的每一个是改性石墨或石墨烯衬底。

根据本发明的某些实施例，该第一表面及第二表面中的一个是改性石墨或石墨烯衬底，而另一个为未改性石墨或石墨烯衬底。

根据本发明的某些实施例，该第一表面包括至少一个选自由以下所组成的群组的物质：金、镁、氟化铯、HOPG、碳酸钙、铝、铬、钆、钼、不锈钢、硅石、金云母、二氧化锰、氧化镍锰、三氧化钨、经还原的氧化石墨、石墨、石墨烯、硅化铬硅石、经硼掺杂的硅晶圆、经磷掺杂的硅晶圆、及氮化硼。

根据本发明的某些实施例，该第二表面包括至少一个选自由以下所组成的群组的物质：金、氯酸镁、铝、玻璃陶瓷、掺杂硝酸纤维素、玻璃、硅石、氮化铝、及经磷掺杂的硅晶圆。

根据本发明的某些实施例，该气体介质包括至少一个选自由以下所组成的群组的元素：卤素、氮、硫、氧、含氢的气体、惰性气体、碱性气体及稀有气体。

根据本发明的某些实施例，该气体介质包括至少一个选自由以下所组成的群组的气体：At₂、Br₂、Cl₂、F₂、I₂、WF₆、PF₅、SeF₆、TeF₆、CF₄、AsF₅、BF₃、CH₃F、C₅F₈、C₄F₈、C₃F₈、C₃F₆O、C₃F₆、GeF₄、C₂F₆、CF₃COCl、C₂HF₅、SiF₄、H₂FC-CF₃、CHF₃、CHF₃、Ar、He、Kr、Ne、Rn、Xe、N₂、NF₃、NH₃、NO、NO₂、N₂O、SF₆、SF₄、SO₂F₂、O₂、CO、CO₂、H₂、氘、i-C₄H₁₀、CH₄、Cs、Li、Na、K、Cr、Rb及Yb。

根据本发明的某些实施例，该气体介质包括至少一个选自由以下所组成的群组的气体：六氟化硫、氩、氦、氪、氖、氙、氮、甲烷、四氟化碳、八氟丙烷（octofluoropropane）、水蒸汽及空气。

根据本发明的某些实施例，该气体介质在装置操作期间不被消耗。

根据本发明某些实施例的方面，提供一种方法，其包括：提供至少一个具有第一表面及第二表面的电池装置，其中位于所述表面之间的空隙填充有其中具有电活化粒种（species）的液体介质，该空隙小于50微米；在该第一表面与第二表面之间施加电压以诱发该电活化粒种与至少一个表面的电化学或电泳相互作用，由此使该经相互作用的表面的表面性质改性；并排出至少一部分液体以便使该空隙减少至少50%。

根据本发明的某些实施例，就多个电池装置而言同时执行该方法。

根据本发明的某些实施例，该排出使空隙减少至少90%。

根据本发明的某些实施例，在进行表面改性前，该第一表面及第二表面由相同材料制成，且所述电活化粒种选择为使得在电沉积后，该第一表面的特性电荷可转移性不同于第二表面的特性电荷可转移性。

根据本发明的某些实施例，该相同材料为石墨烯。

根据本发明的某些实施例，该相同材料为石墨。

根据本发明的某些实施例，所述电活化粒种选自由盐及染料组成的群组。

除非另有定义，文中使用的所有技术及/或科学术语具有如本发明所属领域的普通技术人员普遍理解的相同意义。虽然可使用与文中所述的类似或相当的方法及材料以实践或测试本发明的实施例，但是下面描述示例性方法及/或材料。如果互相抵触，则该专利说明书(包括定义)应该适用。此外，所述材料、方法、及示例仅用于阐明并无意成为必要性限制。

附图说明

参考以下附图及图像，仅作为示例在文中说明本发明的某些实施例。现在详细参考附图，强调的是，所示的细节是作为示例且用于本发明实施例的阐明性论述的目的。关于这点，所述附图所附的说明使本领域技术人员显而易见可如何实践本发明实施例。

在所述附图中：

图1A及1B为根据本发明各种示例性实施例的用于产生电力的电池的图解。

图1C-1F为图1A的电池或其经改性变体内的电位的图解。图1C及1D示出跨越经修改而具有相同表面的图1A的电池的空隙的像电荷电位。图1E及1F示出跨越图1A的电池的空隙的电位，其中所述表面是不同的。图1G及1H示出作为图1A的电池内的空隙大小的函数的势垒(图1G)及每表面积的电流(图1H)。

图2A及2B为根据本发明各种示例性实施例的电源装置的图解。

图3为用于测量以响应于流经网孔(mesh)的气体喷流而在目标网孔与喷嘴之间所产生的电流表示的电荷可转移性的、根据本发明某些示例性实施例所使用的实验设备（setup）的图解。

图4示出在图3中所阐明的设备中所测量的、各种材料的尖峰电流。

图5示出在存在各种气体时各种材料的开尔文探针测量值。

图6为用于通过气体分子的热运动而产生电流的、根据本发明某些实施例所使用的实验设备的图解，其中所述表面处于非直接或间接接触。

图7A-7C为在根据本发明某些实施例使用图6中所阐明的实验设备所执行的实验期间所获得的典型示波器输出。

图8为根据本发明的某些实施例的用于功函数修改的实验设备的图解。

图9为根据本发明的某些实施例的用于分析用作隔片的几种非导电材料的实验设备的图解。

图10示出根据本发明某些实施例使用图9中所阐明的实验设备而被研究用作隔片的几种材料的放电图。

图11为用于通过气体分子的热运动而产生电流的根据本发明某些实施例所使用的实验设备的图解，其中所述表面通过凸凹不平或隔片而处于直接或间接接触。

图12示出在根据本发明某些实施例使用图11中所阐明的实验设备所执行的实验期间针对几种气压而测量的、作为时间的函数的电流。箭头指示气压的变化。

图13为示出在根据本发明某些实施例所执行的实验中所测量的、用于在特定设备中获得最大电流的阈值压力的图。所述压力呈现为该气体分子的直径平方的倒数（reciprocal diameter square）的函数。

图14示出在根据本发明某些实施例使用图11中所阐明的实验设备所执行的实验期间针对几种温度所测量的、作为时间的函数的电流。

图15示出在根据本发明某些实施例所执行的8次实验操作（experiment run）中所测量的、作为温度的函数的电流。

图16示出在根据本发明某些实施例所执行的实验中经过数分钟(底横坐标)后跨越单对表面(连续线)或经过数小时(顶横坐标)后跨越表面堆(虚线)所测量的、随时间所累积的电压。

图17示出在根据本发明某些实施例所执行的实验中同时测量的、作为时间(横坐标)的函数的电流(左纵坐标)的变化及室温度(右纵坐标)的波动。

图18示出在根据本发明某些实施例所执行的9次实验操作中所测量的、作为隔片大小的函数的在阈值压力下的电流。

图19示出在不存在或存在隔片下根据本发明某些实施例所执行的9次实验操作中所测量的、作为所述气体分子的直径平方的倒数的函数的、为获得最大电流所需的阈值压力。

图20A-20D示出在根据本发明某些实施例所执行的实验中所测量的、作为所施加电压的函数的电流(图20A及20C)及功率(图20B及20D)。

图21示出在根据本发明某些实施例所执行的实验中所测量的、作为压力的函数的电流。

具体实施方式

本发明在其某些实施例中涉及能量转换，且更明确地但非排他性地涉及用于产生电力的装置及方法。

在详细解释本发明至少一个实施例前，要理解本发明在其应用上不必受限于以下说明书中所公开的及/或附图及/或示例中所阐明的元件及/或方法的构造及布置的细节。本发明能够有其它实施例或者以各种方式来实践或执行。而且，虽然本发明人认为针对各种实施例的操作所给出的理论解释是正确，但是所述并要求保护的装置及方法不取决于所述理论。各种实施例不必互相排斥，因为某些实施例可与一个或多个其它实施例合并以形成新的实施例。为了清楚起见，一些附图中的某些元件未按比例阐明。所述附图不要被视为蓝图规范。

现在参考所述附图，图1A阐明根据本发明的各种示例性实施例的用于产生电力的装置10(单一电池)。电池装置10包括一对隔开的表面12及14、及位于表面12与14之间的气体介质16。表面12及14分别为衬底32及34的一部分或由它们支撑。气体分子18将电荷自第一表面12传输至第二表面14。所述气体分子的运动由它们的热能而引起且由该气体的温度确定。该气体的温度通过由如下文中进一步详述的贮热器20所供应的热能22而维持。在图1A的图解内，表面12在该分子与表面12的相互作用期间将负电荷转移至电中性分子，因此使该分子带电有负电荷。当该带负电的分子抵达表面14并与其相互作用时，表面14自该分子接收负电荷以中和该分子。

所述分子与表面的相互作用可：为瞬时的，例如经由弹性或非弹性碰撞过程；或持久的，例如经由吸附-解吸附过程。

如文中使用的，“吸附-解吸附过程”或“吸附-解吸附电荷转移过程”意指其中该分子首先被表面吸附充分长的时间以使得该分子失去大量的其动能且随后自该表面进行解吸附的过程，其中该吸附前的分子的净电荷不同于该解吸附后的分子的净电荷。

在一些吸附-解吸附过程中，在该分子被吸附的时间间隔期间该分子及表面处于热平衡。在吸附的时间期间，该分子可被视为表面的一部分。因此，在该时间间隔期间，该表面的电子波函数包括表面处的所有分子(包括被该表面所吸附的那些分子)的电子波函数。通常但不必，经吸附的分子位于该表面的最外分子层。

分子与表面之间的“瞬时过程”是指其中该气体分子充分接近表面以允许在该表面与分子之间的电荷转移的过程，其中该过程的时间间隔显著短于为在该分子与表面之间达到热平衡所需的时间。

典型的瞬时过程类型为碰撞。如果分子的电子波函数与表面的电子波函数之间存在至少一部分空间重叠，则气体分子与固体表面被说成处于“碰撞”。通常，当气体分子的中心与固体表面的最外原子之间的距离小于10埃或替代地小于5埃时，该气体分子与固体表面被视为处于碰撞。

当碰撞前的动能等于碰撞后的动能时，该碰撞被说成是“弹性”，且当碰撞前的动能高于碰撞后的动能时，该碰撞被说成是“非弹性”。所述分子与该表面之间的碰撞可为弹性或非弹性。

虽然图1A阐明该分子当自表面14移动至表面12时为中性且当自表面12移动至表面14时带负电，但是情况不必如此，因为所述分子可替代地当自表面14移动至表面12时带正电且当自表面12移动至表面14时为中性。在任一种上述方案中，如图1A所示，普通技术人员将明白该过程使表面12带正电并使表面14带负电。因此，根据本发明的实施例，所述气体分子介导自表面12至表面14的负电荷转移及/或自表面14至表面12的正电荷转移。

在本发明的各种示例性实施例中，自表面12至所述分子的电荷转移、及自所述分子至表面14的电荷转移通过转移电子而促进。因此，在这些实施例中，所述分子接收来自表面12的电子并将电子转移至表面14。

图1B以图解方式阐明其中是采用双向电荷转移的实施例中的装置10。在这些实施例中，如图1A所示，当自表面12移动至表面14时，所述分子带负电，且当自表面14移动至表面12时带正电。这些实施例的优点为热能转换过程的效率较高。现在将说明根据本发明某些实施例的双向电荷转移。

考虑刚才已接收来自表面12的负电荷且正沿着表面14的方向移动的分子。假定该带负电分子与表面14碰撞并与其相互作用。该碰撞过程不是瞬时的。在该分子在表面14附近度过的时间期间，该分子可转移单一负电荷至表面14(或相等地自表面14接收单一正电荷)-或可转移大于单一电荷。例如在该相互作用的第一半段期间(当该分子接近表面14或被其吸附时)，该分子可将第一负电荷转移至表面14以变成电中性，且在该相互作用的第二半段(当该分子退缩或自表面14解吸附时)，该分子可将第二负电荷转移至表面14以变成带正电。也可在表面12的附近发生互补性电荷转移过程。例如在带正电分子与表面12相互作用的第一半段期间，该分子可接收来自表面12的第一负电荷以变成电中性，且在相互作用的第二半段期间，该分子可接收来自表面12的第二负电荷以变成带负电。当所述分子自一个表面将电荷传输至另一表面时，表面12变成带正电而表面14变成带负电，因此在所述表面之间产生电位差。可通过连接负载24(例如经由电触点26)至所述表面而利用该电位差。电流i通过该负载自表面12流至表面14。因此，可将装置10并入供应电流至电路、器具或其它负载的电源装置中。

在本发明的各种示例性实施例中，所述气体分子的动能仅归因于气体的温度。在这些实施例中，不需要额外机制(诸如外部电压源)来维持所述气体分子的运动，其完全归因于热能。而且，虽然该气体与所述操作表面相互作用，但是不像燃料电池，该相互作用未含有不可逆化学反应且气体在该过程中未被消耗。

当装置10达到稳态时，通过该负载的电荷量与通过所述气体分子而转移至相应表面的电荷量近似相同，且，就特定负载及温度而言，所述表面之间的电位差近似恒定。所述表面之间的小温差即使存在，也在上述电荷转移机制中未起重大作用。

表面12及14上的电荷的存在产生电位，其对所述将电荷自一个表面传输至另一表面的分子产生势垒。当所述分子自它们的相应表面弹开时，该势垒显示其自身作为通过表面12或14对带相反电荷的分子施加的吸引力及对带同样电荷的分子施加的排斥力。

在热隔离条件下，通过在所述表面之间弹跳的分子而进行的电荷转移(且这样做，克服势垒)将持续降低气体分子的平均动能，导致将气体介质冷却至所述气体分子的动能不再能克服势垒的温度。然而，由于装置10与贮热器20热连通，所以热能22持续供应至该气体介质，因此再补充所述气体分子的动能。贮热器20可以例如是在其中操作装置10的环境(例如自然环境)，且可通过传导、对流及/或辐射而将热能供应至装置10，并进而转移至该气体介质。

一旦所述表面之间的电位差达到稳态，由于电荷在所述表面累积后已积聚的电场而抑制电荷转移。当装置10连接至负载24时，已累积的电荷通过负载而自所述表面传导，由此允许持续该电荷转移的过程。由于流经该负载的电流，所以在该负载处产生热或其它有用功。因此，负载24使用至少部分自贮热器20转移至气体介质16的热能以执行有用功。

一般而言，在特定非零温度下，虽然所有气体分子处于运动，但是不是所有分子具有相同速率。因此，在自带电表面弹开后，不是所有带电气体分子都能够成功地越过所述表面之间的空隙。仅通过势垒后具有足够动能的分子可跨越该空隙并确保电荷转移。较慢(较小能量)的分子不能克服该势垒且未参与该电荷传输过程。就特定热力学条件而言，可通过统计力学，尤其麦克斯韦─玻尔兹曼(Maxwell-Boltzmann)速度分布(其是描述分子在特定速度范围内移动(或等同地，具有特定动能)的概率的标量函数)，而分析气体分子的运动。因此，可使用该麦克斯韦-玻尔兹曼分布来估计具有足以克服表面12与14之间的势垒的能量的气体分子的分数。注意的是，就任何正动能而言，该麦克斯韦-玻尔兹曼分布为正。因此，总是存在发现充分能量的分子的非零概率。在通过本发明人而执行的实验中，通过负载24观测到显著大于背景噪声的电流信号，其表示至少一些气体分子成功地克服该势垒。下面描述这些实验。

分子离开表面的方向取决于许多参数，诸如该分子抵达表面的速率(即速度及方向)、及该分子与表面之间的相互作用类型(例如参与该碰撞的表面原子的数目、位置及取向)。一旦该气体分子以特定方向离开表面时，其行进特定距离，直到其与表面或另一气体分子碰撞并改变方向为止。气体分子的两个连续碰撞之间的平均距离被称为平均自由程，且由希腊字母λ表示。λ值取决于该分子的直径、气压及温度。在本发明的各种示例性实施例中，就任一给定压力及气体组成而言，所述表面之间的空隙d充分小以便限制分子间的碰撞数。该配置增加充分能量的分子成功地越过该空隙而不与其它气体分子碰撞的概率。

除降低分子间的碰撞数外，如现在将参考图1C-1F所解释，充分小的空隙也降低通过该带电分子与所述表面之间的相互作用而产生的像电荷势垒。该像电荷势垒为两个表面的所述像电荷电位的贡献的总和。两个表面之间的任一带电气体分子被吸引至两个表面。

图1C阐明针对其中所述表面是相同且通过2纳米的空隙而分离的情况下表面12与14之间的像电位。电位的z相关性被示为曲线62并且针对其中一个电子至该气体分子的电荷转移以离该表面5埃(?)的距离发生的情况进行计算。该像电位具有局部最大值64的点，其大约跨越该空隙的半途，在该点处没有像电荷力作用在该带电分子上。在局部最大值64的像电荷电位以V_max表示且其值取决于d(该空隙的大小)。

图1D阐明当该空隙的大小d增加至10纳米从而导致V_max水平增加时的情况。图1E及1F描述当表面12与14不相同（文中以0.5eV的功函数的差异阐明）时跨越相同2纳米及10纳米示例性空隙的电位。在此情况下，该标绘的电位对应于像电荷电位及由于功函数差异的电位。对该带电分子无净力作用的局部最大值64朝具有较高功函数的表面偏移且该势垒V_max随空隙大小的增加而增加。

因此，当该空隙的大小降低时，克服该势垒(包括像电荷势垒)所需的动能量也降低，允许较慢的带电分子跨越该空隙。

优选地，表面12与14之间的空隙d大约为在装置10的操作温度及压力下所述气体分子的平均自由程。例如d可小于平均自由程的10倍、更优选地小于平均自由程的5倍、更优选地小于平均自由程的2倍。例如，d可以近似为平均自由程或更小。表面12与14之间的空隙d的典型值小于或约1000纳米、更优选地小于约100纳米、更优选地小于约10纳米、更优选地小于或约2纳米。

可以不止一种方法维持表面12与14之间的分离。在本发明的某些实施例中，将一个或多个非导电性隔片28插入在所述表面之间以维持分离。该隔片在其防止该空隙中的短路的意义上为“非导电的”。隔片28的大小根据空隙的大小d而选择。优选地，该隔片的尺寸为所期望间隔。该隔片可以例如是任何形状的纳米结构。在基本上与所述表面平行的平面中所述隔片的截面积优选地基本上小于表面12与14的面积（例如，小于表面12与14的面积的10%），以便允许所述表面充分有效地彼此暴露。

在本发明的某些实施例中，通过表面的向外突起的粗糙特征(这里未示出，但是为了阐明起见参见图2B)而维持所述表面之间的分离。当表面12与14中的至少一个表面由具不良导电的材料制成时，这些实施例特别有用。

分子18自表面提取电荷并经由气体介导的电荷转移效应而将电荷转移至另一表面，因此气体分子一旦与表面相互作用时获得或失去电荷。例如该气体分子可通过自表面提取电子而获得电子或通过提供电子至该表面而失去电子。可通过不止一种机制而进行该气体介导的电荷转移。电子转移至分子实体可导致分子-电子单元，其中在该分子实体的电子与带正电原子核之间存在特定结合能。然而，在该(短程)电子结合与(长程)库仑排斥(Coulombic repulsion)之间存在互相作用，其影响该分子-电子单元的稳定性。广泛地说，分子-电子单元的量子力学态可为稳定的、亚稳定的或不稳定的。

当结合能充分高时，该量子力学态是稳定的且该分子-电子单元被说成是离子。就较低结合能而言，该电子仅宽松地附着至该分子且该量子力学态是亚稳定的或不稳定的。针对电子附着尤其针对亚稳定或不稳定分子单元的形成的研究在以下文献中找到：参见，例如?ade?等人，“Electron attachment to molecules and its use for molecular spectroscopy”, Acta Chim. Slov. 51 (2004) 11-21; R.A. Kennedy and C.A. Mayhew, “A study of low energy electron attachment to trifluoromethyl sulphur pentafluoride, SF₅CF₃: atmospheric implications”, International Journal of Mass Spectrometry 206 (2001) i-iv; Xue-Bin Wang and Lai-Sheng Wang, “Observation of negative electron-binding energy in a molecule”, Letters to Nature 400 (1999) 245-248。

本发明的发明人已发现由于该分子-电子量子力学态的寿命通常比该分子-电子单元越过所述表面之间的空隙所需的平均时间更长，具有宽松附着电子的分子-电子单元可将电子自表面12传输至表面14。预期所述表面之间的电荷转移主要是经由在亚稳定或不稳定量子力学态下的分子-电子单元。然而，不排除经由电离分子的电荷转移。

在本发明的构思及付诸实施期间，已预期电子与所述气体分子或表面的附着并自所述气体分子或表面的分离可通过与摩电效应类似或有关的气体介导机制而进行。

该摩电效应(也称为“接触带电”或“摩擦电力”)为两个一起摩擦或关于彼此相对运动的不同对象的带电以及电子自一个对象至另一对象的剪切。可轻易地以丝及玻璃说明该带电效应。本发明人已发现并相信似摩电效应也可通过气体而介导。

在本发明的各种示例性实施例中，一旦例如经由如上文进一步详述的吸附-解吸附或碰撞过程而接触该表面时，所述分子获得或失去电子。

根据本发明某些实施例的在所述表面之间所进行的气体介导的电荷转移是在基本上在400℃以下或在200℃以下或在100℃以下或在50℃以下的温度下发生。然而在某些实施例中，该气体介导的电荷转移也在高于400℃的温度下发生。

在本发明的各种示例性实施例中，这两个表面处于小于30℃并大于15℃的温度下，例如处于室温(例如约25℃)下或在其附近。在本发明的某些实施例中，这两个表面处于小于15℃且大于0℃的温度下，且在本发明的某些实施例中，这两个表面处于小于0℃的温度下。

由于所述表面之间的电位差通过用作自一个表面至另一表面的电荷传输器的分子的热运动而产生，所以不需要维持该表面之间的温度梯度。因此，这两个表面可处于基本上相同的温度下。这不像传统热电转换器，其中相对于收集电极，使发射电极保持在高温下并通过塞贝克效应而维持电子流经该电负载。在这种传统热电转换器中，没有用作电荷传输器的气体分子。相反，所述热电子自热发射电极直接流至冷收集电极。

表面12及14可具有任何类型。通常如图1A及1B中所阐明，所述表面为平面，但是也预期非平面配置。表面12及14通常由不同材料制成或是相同材料的表面改性以便允许气体分子经由该气体介导的电荷转移效应而当接触表面12时获得负电荷(例如通过获得电子)及/或当接触表面14时获得正电荷(例如通过失去电子)。

本实施例的气体介导的电荷转移归因于该电荷可转移性。

如文中使用的“电荷可转移性”意指表面将电荷转移至所述气体分子或自所述气体分子接收电荷的能力、或替代地气体分子将电荷转移至该表面或自该表面接收电荷的能力。

该电荷可转移性由所述表面或气体分子的性质确定且也可取决于温度。电荷可转移性描述该特定表面与特定气体分子之间的相互作用并反映通过该相互作用而导致的电荷转移的可能性、电荷转移的程度以及电荷转移的极性。在本文件中，当该气体分子使表面带正电时，该表面被说成具有正电荷可转移性，且当该气体分子使表面带负电时，该表面被说成具有负电荷可转移性。例如，具有正电荷可转移性的表面为可以失去电子给气体分子以中和该气体分子或形成分子-电子单元的表面。具有负电荷可转移性的表面为自中性气体分子或分子-电子单元接收电子的表面。电荷可转移性取决于这两个表面及参与该电荷转移的气体。电荷可转移性也可取决于温度，因为温度影响所述气体分子的动能以及许多材料性质，诸如能隙、热膨胀、导电率、功函数等。数量上，以Θ表示的电荷可转移性可以能量单位表示。例如正电荷可转移性可定义为Θ=E^S _min，其中E^S _min为自该表面移除电子并使其附着于中性气体分子所需的最低能量，而负电荷可转移性可定义为Θ=-E^M _min，其中E^M _min为自中性气体分子移除电子并将其转移至该表面所需的最低能量。

明白的是，当Θ以如上文定义的能量单位表示时，其值在某些情况下不必等于用于将该电荷转移至中性分子所需的能量，因为当已经使所述分子及/或表面带电时，也可发生电荷转移。因此，如现在将更详细解释，为自该气体分子移除电子并使电子与该表面结合所需的能量可高于或低于E^M _min，且为自表面移除电子并使电子附着于该气体分子所需的能量可高于或低于E^S _min。

当气体分子带正电时，在该分子与电子之间存在库仑吸引力。因此，在自该表面移除电子并使电子附着于该带正电的分子时所作的功可小于E^S _min，因为该分子便于该附着作用。另一方面，在自该带正电的分子移除电子并将电子转移至该表面时所作的功可高于E^M _min，因为带正电的分子不便于电子从中的分离。

当气体分子带负电时，该情况被逆转。尤其在其中电子是宽松地附着于该分子的情况下，在自该带负电的分子移除电子并将电子转移至该表面时所作的功可低于E^M _min。这是因为宽松连接的电子的结合能低于中性分子的价电子的结合能。在自该表面移除电子并将电子附着于带负电的分子时所作的功可高于E^S _min，这是由于该电子与分子的库仑排斥力所致。

E^S _min及E^M _min取决于该固体表面以及气体介质的性质。因此，描述特定固体表面与一种气体介质的相互作用的电荷可转移性不必与描述相同固体表面与另一气体介质的相互作用的电荷可转移性相同。

就某些固体表面而言，该表面的电荷可转移性与该表面的功函数有关。然而，这两个量不相同。该表面的功函数定义为自该表面释放电子(一般而言到真空)所需的最低能量，而该电荷可转移性与为移除电荷并将该电荷附着于气体分子所需的能量有关，且因此其是与该气体分子的性质以及表面的那些性质有关。

注意，在真空中具有特定功函数的固体材料可在存在气体介质时不同地表现且可在各种气态环境中显示不同的接触电位差。本说明书从头至尾且在权利要求书中，该术语电荷可转移性描述在存在特定气体介质下而非在真空中特定固体表面的行为。

除该功函数外，表面的电荷可转移性也取决于其介电常数且取决于该气体分子接收或失去电荷的能力。该气体分子接收或失去电荷的能力受该气体介质的电子亲和力、电离电位、电负性及电正性的影响，其因此也大致上与电荷可转移性有关。

本发明人已发现一种评估测试材料的电荷可转移性的技术。在本技术中，使用超音速气体喷嘴以产生超音速气体喷流，其指向由该测试材料制成或用该测试材料涂覆的导电目标网孔。电流计连接在该目标网孔与喷嘴之间。流经该电流计的电流的方向及大小表示在存在该气体下与测试材料有关的电荷可转移性的正负号及水平。通过本发明人而执行的超音速气体喷流实验的代表性结果提供在随后的示例章节的示例2及图3中。

在本发明的某些实施例中，该电荷可转移性Θ通过测量文中称为I_mesh的量而评估，其中I_mesh为响应于流经预定密度的网孔的超音速气体喷流而在目标网孔与喷嘴间所产生的电流。I_mesh的某些例证性测量描述在下面的示例章节（参见示例2）中。

在本发明的各种实施例中，描述表面12与该气体介质的相互作用的电荷可转移性是正的。通常但不必，描述表面14与该气体介质的相互作用的电荷可转移性是负的。明白的是，表面12的电荷可转移性为正就足以，因为当具有宽松附着的电子的分子与表面14碰撞或由其吸附时，即使当表面14的电荷可转移性对中性分子不是负的时，其具有将电子转移至表面14的不可忽略的概率。

可通过正确地选择气体介质及制成表面12与14所用的材料（其可以是表面32及34的表面改性）而获得用于每个表面的适当电荷可转移性。可使用由合适材料制成的衬底而没有任何改性。替代地，一旦选择衬底时，根据本发明某些实施例，相应表面可经改性或涂覆以便使电荷可转移性增强或减少至所期望水平。表面改性可包括该衬底表面的更改、添加一种或多种材料至该衬底的表面、自该表面移除一种或多种材料、或这些程序的组合。表面改性也可包括添加材料至该表面，使得该衬底下面的材料仍然是该表面的一部分且参与电荷转移过程。该衬底表面的更改可包括化学反应，该化学反应包括但不限于氧化或还原。对该表面添加一种或多种材料可包括而不限于：通过一层或多层而进行的涂覆、一层或多层分子或原子的吸附等。自该表面移除一种或多种材料包括而不限于：抬离（lift off）技术、蚀刻等。该表面改性中的任一种在文中都可称为表面活化。

表面改性可包括涂覆。可以用不止一种方法来实现该衬底的涂覆。在某些实施例中，形成相应表面的材料直接涂覆该衬底。在某些实施例中，在该衬底与形成相应表面的材料之间提供、插入一个或多个底涂层。

该衬底的表面的改性或涂覆可允许相同材料用于衬底32及34，因此使用不同的表面处理程序来实现表面12及14的特性电荷可转移性的差异。例如，衬底32及34都可以由首先用金涂覆以形成用于导电性的底涂层的玻璃制成。就表面12而言，该金底涂层可进一步用氟化铯(CsF)或碳酸钙(CaCO₃)涂覆，且就表面14而言，该金底涂层可进一步用氯酸镁(Mg(ClO₃)₂)涂覆。

也可通过薄膜涂覆领域中已知的溅射技术而涂覆所述衬底。在本技术中，通过将材料自靶溅射到衬底上而沉积薄膜。

可用作可将涂料溅射于其上的衬底的材料的代表性示例包括而不限于：铝、不锈钢、金属箔、玻璃、浮法玻璃、塑料膜、陶瓷及半导体（包括用各种掺杂剂(例如磷及硼掺杂剂)掺杂并处于各种晶向(例如<100>、<110>、<111>)的硅）、以及先前在一侧或两侧涂覆的任何衬底——包括但不限于：经铝溅射的玻璃、经铝溅射的浮法玻璃及经铬溅射的浮法玻璃。可用作可溅射到衬底上以在其上形成涂层或底涂层的靶材料的材料的代表性示例包括而不限于：铝(Al)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)、铜(Cu)、金(Au)、六硼化镧(LaB₆)、镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、钯-金(Pd-Au)、铪(Hf)、锰(Mn)、二氧化锰(MnO₂)、钽(Ta)、钛(Ti)、铬(Cr)、钼(Mo)、钆(Gd)、硅石(SiO₂)、氧化钇(Y₂O₃)、氮化钛(TiN)、钨(W)、碳化铪(HfC)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、碳化钨(WC)、氧化锆(ZrO₂)、三氧化钨(WO₃)、氧化锡铟(ITO)、氧化镧(La₂O₃)、钛酸钡(BaTiO₃)、氧化锶(SrO)、氟化钙(CaF₂)、氧化铜钡钙钇(YCaBaCuO)、氧化钙(CaO)、硅化铬(Cr₃Si)、氧化铝(Al₂O₃)、硫化钡(BaS)、硫化钙(CaS)、及它们的组合。

在本发明的某些实施例中，使衬底32及34经受处理以原位确保表面12及14的特性电荷可转移性的差异。例如，具有衬底32及34的装置10可填充有其中具有电活化粒种(诸如但不限于盐及染料)的液体介质。当衬底32与34之间的空隙填充有该液体介质时，所述空隙的大小可相当高，例如大于50微米。该液体介质可包含极性溶剂或非极性溶剂。

例如通过使衬底32与34连接外部电源，使衬底32与34、及该液体介质经受电流以便开始电沉积(ED)过程。该电沉积可以是：电化学沉积(ECD)，其中所述电活化粒种在溶剂内是离解成离子；或电泳沉积(EPD)，其中所述电活化粒种在溶剂内带电。

本发明人已发现该ED过程可导致衬底32及34的至少一个表面的改性或其上的保护层，使得在它们的特性电荷可转移性中存在差异。例如在电化学沉积中，任一表面通过存在于该液体介质中的离子而改性或涂覆，或两个表面同时被改性或涂覆，一个表面用阴离子改性或涂覆而另一表面经阳离子改性或涂覆。在电泳沉积中，该液体介质中的溶解或悬浮粒种可电泳地沉积在一个或两个表面上。

无论如何，该液体介质及衬底32与34的材料选择为使得在该ED过程后，所得到的表面12及14每个具有不同的特性电荷可转移性。

一旦衬底32及34之一或两者通过该ED过程而改性或涂覆时，优选地通过在烘箱内干燥或通过真空或通过任何其它已知的干燥方法而自装置10排出该液体介质。在本发明的某些实施例中，该排出或干燥程序缩小总体积(表面及液体)，使得在排出后，表面之间的距离可基本上小于干燥前的距离。例如，该空隙可自排出前的50微米减少至少50%或至少60%或至少70%或至少80%或至少90%，且甚至可减少至小于5微米。更大的空隙减少比率也是可能的。

上述程序因此用作确保表面12与14之间的特性电荷可转移性的差异的活化过程。不论衬底32及34是否具有相同材料或每个衬底是否由不同材料制成，可执行该活化过程。如所期望的，单一电池装置或多个电池装置都可执行上述程序。就多个电池装置而言，优选地针对所有装置同时执行该程序。

适合于本实施例的表面处理程序的其它示例详述在下面的示例章节中。

表面12及14中的每一个优选地但不必是平滑的。也预期不是基本上平滑的但未彼此接触的表面。如通过使用标准程序进行原子力显微镜(AFM)的图像分析而常规确定的，表面12及14的表面粗糙度优选地小于或约20埃RMS粗糙度、更优选地小于或约10埃RMS粗糙度、更优选地小于或等于约5埃RMS粗糙度。也预期原子级平坦表面。进一步预期具有数十纳米(例如约100纳米)的RMS粗糙度的表面。

可用于表面12及/或表面14的合适材料包括磁性或非磁性物质，诸如但不限于：金属、半金属、合金、本征或掺杂、无机或有机半导体、介电材料、本征或掺杂聚合物、导电聚合物、层状材料、陶瓷、氧化物、金属氧化物、盐、冠醚、有机分子、季铵化合物、金属资料、玻璃与硅酸盐化合物、及它们的任何组合。

代表性示例包括而不限于：金属与半金属(例如镍、金、钴、钯、铂、石墨、石墨烯、铝、铬、钆、钼)及它们的氧化物(例如氧化石墨(可选地经还原或部分还原)、硅石、二氧化锰、氧化镍锰、及三氧化钨)、合金(例如不锈钢)、半导体(例如经硼或磷掺杂的硅晶圆)、陶瓷(例如玻璃陶瓷、诸如MACOR^?、氮化铝、及氮化硼)、金属瓷料(例如硅化铬硅石)、玻璃及硅酸盐化合物(例如玻璃及金云母)、盐、诸如钙盐(例如石油磺酸钙、环烷酸钙盐（Calcium naphtenate salt），诸如NAP-ALL^?)、稀土盐(例如稀土新癸酸或柯赫酸(versatate)盐诸如TEN-CEM^?、稀土辛酸盐诸如HEX-CEM^?——其是自2-乙基己酸所制成的辛酸盐)、锆盐(例如羰酸锆盐诸如CEM-ALL^?、锆HEX-CEM^?)、锰盐(例如锰HEX-CEM^?、锰NAP-ALL^?、锰Hydro Cure^?及Hydro Cure^? II)、季铵盐Arquad^?(例如Arquad 3HT-75^?)、铅盐(例如铅CEM-ALL^?、铅NAP-ALL^?)、钴盐(例如钴TEN-CEM^?、钴NAP-ALL^?、钴CEM-ALL^?)、锌盐(例如锌NAP-ALL^?、锌CEM-ALL^?、锌HEX-CEM^?、硬脂酸锌)、苯胺黑、石油磺酸钠、聚乙烯亚胺、马拉加胶、OLOA 1200、卵磷脂、聚合物诸如硝酸纤维素、基于硝酸纤维素的聚合物、可选地经掺杂(例如Zaponlack)、基于聚氯乙烯的聚合物(例如Episol^? 310、Episol^? 410、Episol^? 440、Epivyl^? 32、Epivyl^? 40、Epivyl^? 43、Epivyl^? S 43、Epivyl^? 46)及丙烯酸树脂(例如Elvacite^? 2041)及它们的任何组合。

某些上述材料也适合于衬底32及/或34，其适用程度使它们能够形成自支撑结构。

文中参考的某些标记可以是第三方的普通法律或注册商标。这些标记的用途是作为示例且不应被视为叙述性的或将本发明的范围限于仅与该标记有关的材料。

可用作气体介质16的合适材料包括而不限于：卤素及含卤素气体，例如At₂、Br₂、Cl₂、F₂、I₂、WF₆、PF₅、SeF₆、TeF₆、CF₄、AsF₅、BF₃、CH₃F、C₅F₈、C₄F₈、C₃F₈、C₃F₆O、C₃F₆、GeF₄、C₂F₆、CF₃COCl、C₂HF₅、SiF₄、H₂FC-CF₃、CHF₃及CHF₃；惰性气体，例如Ar、He、Kr、Ne、Rn、及Xe；含氮气体，例如N₂、NF₃、NH₃、NO、NO₂、及N₂O；含硫气体，例如SF₆、SF₄、SO₂F₂；含氧气体，例如O₂、CO、及CO₂；含氢气体，例如H₂、氘、i-C₄H₁₀、及CH₄；碱性气体，例如Cs、Li、Na、K、Cr、Rb、及Yb；以及它们的组合。在本发明的各种示例性实施例中，该气体介质关于电池或装置的所述表面是化学惰性的。

如进一步在上文中所详述，表面12及14可在存在该气体介质下根据它们的电荷可转移性而配对。表面12优选地具有正电荷可转移性且在某些实施例中表面14具有负电荷可转移性。

在本发明的某些实施例中，表面12可以由选自如该示例章节(参见示例2)的表1中所列示的第1至19号材料的材料所制成且表面14可以由选自第23至46号材料的材料所制成。然而，情况不必如此，因为在某些实施例中表面12及14都可选自第1至19号材料，且在其它实施例中表面12及14都可选自第23至46号材料。也预期这样的实施例，其中表面12及14之一或两者由选自示例8的表6中所列示的材料的材料制成。

作为一些非限制性配对示例，当该气体介质为六氟化硫(SF₆)时，一个表面可由锆CEM-ALL^?制成，而另一表面可由以下材料中的一种制成：锰Hydro Cure^? II、锆HEX-CEM^?、Arquad^? 3HT-75、铅NAP-ALL^?、稀土HEX-CEM^?、钴CEM-ALL^?、镍、钙NAP-ALL^?、锰NAP-ALL^?、氧化石墨、钴NAP-ALL^?、稀土TEN-CEM、苯胺黑、铅CEM-ALL^?、锰HEX-CEM^?、锌NAP-ALL^?、钴TEN-CEM^?、石油磺酸钙、OLOA 1200、锌HEX-CEM^?、卵磷脂、锰Hydro Cure^?、金、钴、硬脂酸锌、石油磺酸钠、钯、Epivyl^? 32、锌CEM-ALL^?、石墨、铂、聚乙烯亚胺(PEI)、Epivyl^? 40、马拉加胶、硝酸纤维素、Episol 310、Episol 440、Epivyl? S 43、Elvacite^? 2041、Epivyl^? 46、Epivyl^? 43、及Episol 410。另外的非限制性配对示例及合适气体介质提供在示例8的表6中。

由于所期望的电荷可转移性可通过表面改性技术而获得，所以衬底32及34可由任何材料制成，只要其可至少沿厚度方向传导足够的电流。在本发明的某些实施例中，一个或两个衬底由具有高体导电率的材料(诸如金属)制成。然而，情况不必如此，因为材料的电导受其几何形状及取向的影响。可被视为具有不良体导电率的某些材料可在它们的晶态轴中足够地传导电流。例如某些层状材料可具有不良体导电率，但是可具有通过该材料的薄层(不论是包含单一原子单层还是多层)的足够导电率。

作为进一步示例，玻璃及MACOR^?被认为是不良导体，因为在室温下它们的典型导电率(分别为10^-15 S/m及10^-12 S/m)显著低于金属的典型导电率(大约10⁶ S/m)。不过，该材料的充分薄层可传导对某些低功率应用而言足够的大量电流。考虑一种构造，其中装置10的所述衬底之一为直径50毫米且厚度为100微米的玻璃板。假定该气体介导的电荷转移产生跨越该玻璃厚度的1V电压。此电压可产生通过该玻璃板的若干pA的可测量电流。因此，就某些低电流应用而言，衬底32及34也可由具有相对不良导电率的材料制成。

适合于衬底32及34的材料的代表性示例包括而不限于：金属，诸如但不限于铝、镉、铬、铜、钆、金、铁、铅、镁、锰、钼、镍、钯、铂、银、钽、锡、钛、钨、及锌；半金属，包括但不限于锑、砷、及铋；合金，包括但不限于黄铜、青铜、铝刚、殷钢、及钢；本征及掺杂的无机及有机半导体与半导体异质结构，包括但不限于硅晶圆、锗、硅、砷化镓铝、硒化镉、砷化锰镓、碲化锌、磷化铟、砷化镓及聚乙炔；层状材料，包括但不限于石墨、石墨烯、氧化石墨、二硫化钨、二硫化钼、二硫化锡、及六方氮化硼；本征或掺杂氧化物，包括但不限于硅石、三氧化钨、二氧化锰、氧化镍锰、经锡掺杂的氧化铟(ITO)；本征或掺杂陶瓷，包括但不限于氮化硼、氮化铝、及玻璃陶瓷诸如MACOR^?；金属陶瓷，包括但不限于硅化铬硅石；玻璃及硅酸盐化合物，包括但不限于玻璃及金云母；或它们的组合。也预期用任何上述材料涂覆的任何材料的衬底。

适合于衬底及涂层的材料可为磁性(例如Co、Fe、Gd、Ni、GaMnAs等)及非磁性(例如Al、Cu等)。

在本发明的任一上述实施例中，如上文中进一步详述，该衬底必须提供足够的导电率(例如以允许电流流经该负载)。可使用具有高体导电率(例如大于10³ S/m)的衬底或具有不良体导电率(例如低于10^-9 S/m)的衬底或具有中范围体导电率(例如介于10^-9至10³ S/m之间)的衬底来获得足够的导电率，只要该衬底在厚度方向上(即在电流流动的方向上)具有充分电导。

表面12及14可以是裸衬底(32及34)、经表面改性的衬底或涂覆衬底。裸衬底32及34的典型厚度为自约1纳米至约100微米。在本发明的某些实施例中，该裸衬底的厚度可介于1-20纳米之间。在某些实施例中，该厚度可低至单一原子单层(在石墨烯的情况下是0.34纳米)。在某些经表面改性的衬底(诸如经电化学改性、氧化或还原表面)的情况下，表面12及14的典型厚度可在1纳米以下。然而，在经涂覆表面的情况下，表面12及14的典型厚度为自约1纳米至约600纳米，但是本发明范围不排除其它厚度。在衬底32与表面12之间或在衬底34与表面14之间的任何中间层或结合层(如果存在)的情况下，典型厚度为自低于1纳米至约250纳米。

在本发明的各种示例性实施例中，装置10进一步包括用于维持气压并防止该气体介质的泄露或污染的密封外壳36。外壳36内的压力可不同于(大于或低于)环境压力。封装36内的压力可经选择以便获得所期望的平均自由程及/或所期望的导热率(压力愈高，导热率愈高)。如随后的示例章节中的方程式1中所解释，该平均自由程与压力成反比。因此，通过降低封装36内的压力，可增加平均自由程。通过增加压力，载体分子的数目如同导热率那样增加。最佳压力平衡这些效应以产生最大电流。在本发明的各种示例性实施例中，封装36内的压力低于10个大气压，但是尤其就紧密间隔的空隙而言，也预期更高压力。事实上，就在纳米范围中的空隙而言，尤其当使用小分子直径的气体(诸如氦)而言，在数百大气压的气压下可获得高效率。一般而言，就该小空隙而言，压力上限将在操作温度下通过压力安全壳考虑或通过该气体的液化压力而设定。可优选的气压超过一个大气压。通常，该气压高于1.1个大气压或高于2个大气压或高于3个大气压或高于4个大气压或高于5个大气压。

现在参考图2A及2B，它们是根据本发明的各种示例性实施例的电源装置40的图解。装置40包括每个都具有一对上述表面12及14及在所述表面之间的气体介质(未示出，为了阐明起见参见图1A及1B)的多个电池10。如上文进一步详述，经由该气体介导的电荷转移效应，该气体介质的分子自表面12将负电荷传输至表面14及/或自表面14将正电荷传输至表面12。

电池10互连于其间以便允许电流在相邻串联连接的电池之间流动。在图2A及2B中所示的图解中，装置40被布置成多个双构件44，每个双构件由具有两个相对表面12及14的核心42形成，其中所述表面之一将负电荷转移至至少一些气体分子且该相对侧的表面自至少一些带电气体分子接收负电荷。使双构件44取向，使得具有不同电荷可转移性的表面彼此相向。在图2A中所示的图解中，双构件44是通过隔片28而分离，且每个双构件的两个表面经由衬底42而处于电连通。在图2B中所示的图解中，双构件44之间的空隙通过相对面向的表面的向外突出粗糙特征50而维持。也预期其中一些双构件通过如图2A中所阐明的隔片而分离且一些双构件通过如图2B中所阐明的向外突出粗糙特征而分离的实施例。如果所述面向表面中的至少一个表面由不良导电材料制成且接触面积小，则使通过该接触而导致的“泄露”最小化。

该双构件配置例证类似于电池10的几个电池的布置。两个相邻且互连的电池共享核心，因此核心42的一侧上的表面12例如用作电池的电子施体，而核心42的另一侧上的表面14例如用作另一电池的电子受体。该气体介质与贮热器20之间的热交换维持在每个电池的表面之间传输电荷的气体分子的热运动。所述热交换可直接地在该气体与贮器20之间及/或经由衬底42的导热性而实现。可通过使大部分核心层42导电及/或通过用导电材料涂覆层42以实现两个电池之间的电互连，其经由衬底42的边缘而提供导电性。

可将双构件的布置放置在第一导电构件46及第二导电构件48之间。所述导电构件46及48的内表面也可分别用作电子施体表面及电子受体表面。因此，电子通过双构件44而自构件46传输至导电构件48，由此可选地在不存在任何外部电压源下在构件46及48之间产生电位差。构件46及48可连接至外部负载24。

应注意，自电气观点而言，该电池以串联及/或并联布置，其中与单一电池比较，串联布置提供增加的电压输出且并联布置提供增加的电流。该装置的总电压为沿着该串联方向的电压的总和，且总电流通过在横向上的传输面积而确定。

在本发明的优选实施例中，如上文定义，装置40进一步包括用于防止该气体介质泄露或污染且用于允许控制该室内的压力的密封室。

如文中使用的术语“大约”是指±20%。

所述术语“包含”、“含”、“包括”、“具有”及它们的变形词意指“包括但不限于”。

所述术语“由…组成”意指“包括但不限于”。

该术语“基本上由…组成”意指组成、方法或结构可包括另外成份、步骤及/或部分，但是只有所述另外成份、步骤及/或部分不会实质上更改所要求保护的组成、方法或结构的基本及新颖特性。

除非文中另有清楚指定，如文中使用，单数形式“一”、“一个”、及“该”包括复数个参考物。例如该术语“化合物”或“至少一个化合物”可包括多个化合物，包括其混合物。

明白的是，为清楚起见在单独实施例的背景下所述的本发明某些特征也可组合地提供在单一实施例中。相反，为简明起见在单一实施例的背景下所述的本发明各个特征也可单独地或以任何合适的子组合提供或如合适地提供在本发明的任何其它所述实施例中。在各个实施例的背景下所述的某些特征不被视为那些实施例的必要特征，除非该实施例没有那些要素不工作。

如上文描绘的及如下面权利要求书章节中所要求保护的本发明各个实施例及方面在以下示例中找到实验支持。

示例

现在参考以下示例，其与上述说明书一起以非限制性形式阐明本发明的某些实施例。

示例1

理论考虑

自气体的动力学理论已建立：气体分子在由温度相关的麦克斯韦─玻尔兹曼分布函数所定义的范围内的各个速度下以随机方向移动，其中该麦克斯韦─玻尔兹曼分布函数可使用统计力学的方法来导出。该麦克斯韦─玻尔兹曼分布函数描述在由大量非相互作用粒子所组成的碰撞支配性系统中的速度分布，其中量子效应可忽略。

气体分子彼此碰撞并也与限制它们所在的容器碰撞。就直径σ的气体分子而言，在特定压力P及绝对温度T(oK)下的平均自由程λ由以下给出：

,                  (方程式1)

其中R为通用气体常数(R=0.082大气压.升.摩尔^-1.oK^-1)而N为阿伏加德罗数(Avogadro number)。因此，就特定压力及温度而言，气体分子的平均自由程取决于所述气体分子的直径，其中与较大分子比较，较小分子具有较大的平均自由程。

在5个大气压的压力P及25℃的温度下针对一些代表性气体的直径σ(以埃为单位)及如使用方程式1所计算的对应平均自由程λ(以纳米为单位)为：

氩(σ=4.0埃，λ=11.2纳米)、CF₄(σ=4.2埃，λ=10.3纳米)、C₃F₈(σ=4.8埃，λ=7.9纳米)、CH₄(σ=4.4埃，λ=9.6纳米)、氦(σ=2.4埃，λ=31.5纳米)、氪(σ=4.6埃，λ=8.6纳米)、氖(σ=2.9埃，λ=22.2纳米)、N₂(σ=3.8埃，λ=13.0纳米)、SF₆(σ=5.5埃、λ=6.0纳米)及氙(σ=5.4埃，λ=6.2纳米)。这些计算指示在指示的条件下一般气体的平均自由程值通常在纳米计量（nanometric）的距离范围中。就较高温度(大于25℃)及/或较低压力(低于5个大气压)而言，这些分子的平均自由程更长。

当将气体分子放置在通过距离d<λ而分离的表面之间时，显著的相互作用在所述分子与表面之间，且仅小部分的相互作用为分子间碰撞。因此，就d<λ而言，大多数分子在表面之间前后移动。每单位时间与所述表面相互作用的分子数目与压力线性相关。一旦与合适表面相互作用时，所述分子可失去或得到电子，因此获得正或负电荷。在表面的附近，各种力可对带电的气体分子作用。带电的气体分子在该表面中诱发相反极性的像电荷，其进而在带电分子及表面之间产生吸引力。充分高速度的带电气体分子可克服该像电荷的吸引力以逃脱第一表面并跨越空隙以到达另一表面。

当将气体分子放置在通过距离d>λ而分离的表面之间时，分子间碰撞变得更频繁且跨越该表面之间的空隙的气体分子的概率η可写成

      ,                           (方程式2)

因此，作为方程式1中所述的λ及P之间的相关性的结果，跨越该空隙的分子的概率随压力的增加而降低。

可将气体分子的平均速度写成

，                      (方程式3)

其中T为温度，而M为该气体的分子量。如自方程式3所计算，在25℃温度下许多代表性气体的平均速度(以米/秒为单位)为：

氩(398米/秒)、CF₄(268米/秒)、C₃F₈(183米/秒)、CH₄(627米/秒)、氦(1,256米/秒)、氪(274米/秒)、氖(559米/秒)、N₂(474米/秒)、SF₆(208米/秒)及氙(219米/秒)。这些平均速度中的一些超过声音的速度(在25℃下在空气中约346米/秒，也定义为1马赫(Mach))。

就成功地跨越通过该像电荷而产生的势垒V_max并抵达另一表面的带电分子而言，其动能必须高于V_max。这意味着如果分子的速度大于ν_min则该分子可跨越势垒，其中ν_min是由以下给出：

，                  (方程式4)

且其中m为该分子的质量。预期其速度大于该值的气体分子能够在所述表面之间传输电荷。

可根据基于麦克斯韦─玻尔兹曼分布的以下方程式来计算能够通过克服势垒V_max而自表面逃逸的分子的分数x：

。               (方程式5)

可根据上述方程式4自V_max来计算ν_min。充分快速分子的分数x的所计算值反映100%电荷转移效率的理想情况。实际上，预期显著较低分数的分子将参与该电荷转移过程。例如，就以不与该表面垂直的方向运动的分子而言，所需的逃逸速度高于与该表面垂直地移动的分子。

作为数值示例，考虑由具有0.5eV的功函数的差异的理想金属所制成的两个表面12及14。假定每气体分子的一个电子的电荷转移以离该表面5埃的距离发生且所述表面之间的空隙填充有SF₆气体(M＝146克/摩尔，直径σ≈5.5埃)。

就2纳米的空隙大小而言，势垒V_max估计为0.39eV，该像电荷电位单独贡献0.25eV。使用方程式3所计算的ν_min值为ν_min＝710米/秒(约2.1 Mach)——其约为在25℃温度下SF₆分子的平均速度(

＝208米/秒)的3倍，且使用方程式4所计算的x值为1.6×10^-4%。注意，虽然该百分比低，与表面12、14碰撞(在或不在吸附下)的分子数目大(例如在1大气压及25℃下就SF₆而言大约为每微米²每秒10²¹次碰撞)。因此，就本示例而言，约10¹⁵个分子/秒可通过克服势垒并参与电荷转移过程而潜在地自所述表面之一逃逸。

就10纳米的空隙大小(及相同表面与气体)而言，该势垒V_max值为0.92eV，该像电荷势垒贡献0.62eV，且v_min值为1084米/秒(约3.1 Mach)——其是在25℃下该平均速度的约5倍，且x值为2.5×10^-11%。

针对在两个相同表面之间携带一个电子的分子计算该像电荷势垒对空隙大小的相关性且示于图1C(就2纳米空隙而言)及图1D(就10纳米空隙而言)。针对其中表面12的功函数比表面14的功函数低0.5eV的情况计算势垒(其包括该像电荷势垒)的相关性且示于图1E(2纳米空隙)及图1F(10纳米空隙)。如所示，当所述表面不相同时，局部最大值64的点朝较高功函数的表面偏移。表面不同时的势垒V_max值高于表面相同时的V_max值，在该情况下V_max单独对应于该像电荷势垒。

图1G示出在具有0.5eV功函数差异的表面之间携带一个电子的分子的相同说明性条件下作为高达100纳米的空隙的空隙d(纳米)大小的函数的预期势垒V_max(V)。

由于V_max影响可参与电荷转移的分子数目(因此影响所述表面之间的有效电荷转移的概率)，所以所得到的电流也取决于空隙大小。例如就在上述数值示例的条件下自表面12携带一个电子至表面14的SF₆分子而言，作为空隙大小(纳米)的函数的每表面积所产生的电流(安培/厘米²(A/cm²))理想上如图1H所阐明的那样表现。注意，图1H对应于完美情况，其中已与表面12相互作用的每个气体分子自该表面接收电子且每个充分快速的带电分子成功地跨越该空隙并将电子转移至表面14。而且，在假定表面12及14基本上平坦、平行及重叠下进行上述计算，使得跨越所述表面的空隙大小相同。实际上，预期较低的每面积的电流值。不过，该电流对空隙大小的非线性相关性预期类似。如在下文的一些示例中所示，所产生的电流随空隙大小的降低而增加。

因此，空隙愈小，为克服势垒所需的最小速度愈低且成功地越过该空隙的带电气体分子的部分愈高。类似地，较小的空隙实现采用较高的气压，即具有较短平均自由程及较高导热率。太高的压力水平可降低所述表面之间的气体介导的电荷转移的效率，因为较高压力对应于分子间碰撞的较高概率。然而，较高的气压也增加可与所述表面相互作用的且可高效地转移电荷的分子数目。因此，在分子间碰撞的速率、用作电荷载体的分子数目、及该空隙的宽度之间存在平衡。如在下文的一些实施例中所示，存在阈值压力，在该阈值压力下该气体介导的电荷转移达到其最高效率。大于该阈值压力，如果较高压力的逆效应(增加的分子间碰撞对与表面相互作用的增加的分子数目)彼此抵消，则该电流可保持在平稳值。在不大理想的平衡情况下，大于该阈值压力点，该电流可随压力的增加而降低。

示例2

通过超音速气流而进行的电荷可转移性测量

本示例描述用于在存在气体介质下测量表面的电荷可转移性的根据本发明某些实施例所执行的实验。本示例中的电荷可转移性以响应于流经网孔的超音速气体喷流而在目标网孔及喷嘴之间所产生的电流表示。

方法

图3为用于所述测量的实验设备的图解。该设备包括填充有气体的气体供应单元302、目标金属线网孔306、喷嘴312、及经由一对连接线314而在网孔306与喷嘴312之间连接的电流计304。

气体供应单元302包括经由导管324而连接的室320及出口322。室320填充有气体介质并配备有用于控制从室320通过导管324流至出口322的气流的阀326。

喷嘴312是基于NASA设计KSC-11883(NASA Tech Briefs, KSC-11883)。导流嵌件（insert）310位于沿着精密钻孔柱形部308的对称轴的中心。嵌件310整形为具有渐增直径的第一部分316及渐减直径的第二部分318的心轴。允许来自供应单元302的出口322的气体介质向外流至在柱形部308与嵌件310的内壁之间所形成的体积328中的嵌件310。当向外流至嵌件310的第一部分316时，由于第一部分316的渐增直径，该气体经历体积328的变窄，且当向外流至嵌件310的第二部分318时，由于第二部分318的渐减直径，该气体经历体积328的变宽。为说明目的，气体的几种流动轨道以图3中的粗箭头指示。

体积328的变窄导致该气体压缩并加速，在嵌件310的最大直径的平面处达到音速。该平面(与图3的平面垂直)由虚线340指示。在该平面后，允许该流膨胀并加速以进一步在喷嘴312的超音速出口342处获得超音速速度。

网孔306为使用第20或40型网孔金属线筛网的20毫米圆盘，其中不锈钢的金属线分别通过750或450微米而分离。所述金属线涂覆有感兴趣的材料。涂覆是通过将网孔浸在包含该感兴趣材料的溶液或悬浮液中达15分钟而获得的。在水或挥发有机溶剂(诸如丙酮、乙酸丁酯、乙醇、及己烷)中以感兴趣材料的如下浓度制备悬浮液：足以获得网孔的均匀涂覆，同时避免开放空间被多余的材料堵塞。通常，使用包含0.05-30% w/w材料的悬浮液。浸泡后，通过毛细管自该网孔移除过量材料，且在110℃下干燥金属线达48小时。

该经涂覆网孔定位成与超音速出口342相对，使得该气体介质以超音速速度通过网孔。

电流计304为皮安培计(picoammeter)(Model 617; Keithley)。通过电流计的电流(大小及方向)指示所述气体分子与涂层材料之间的电荷转移。进行电流测量达至少2秒的时段，其中记录每种感兴趣材料的尖峰电流。

在未施加热至目标或外部电场的情况下执行所有实验。这不像超热表面电离技术(例如参见Danon A. and Amirav A., “Hyperthermal surface ionization: a novel ion source with analytical applications”, International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes 96 (1990) 139-167)。

使用流经微细金属线网孔筛网而非撞击平面目标的超音速气体喷流的原因在于后者的条件产生防止该气流剥离表面电荷的牢固边界层。相反，流过该网孔的微细金属线的超音速喷流使得大量气体分子撞击金属线表面并且然后与它们的电荷一起通过剪切气流而撤离。

结果

表1概述针对六氟化硫的气体介质(SF₆；BOC Gases；99.999%纯度)及46种不同的感兴趣材料通过皮安培计所测量的尖峰电流。在本实验中使用SF₆的动机在于其是非毒性气体并已知能够进行低能电子附着(如由L.G. Gerchikov及G. F. Gribakin在“Electron attachment to SF₆ and lifetimes of SF₆ ^- negative ions” Phy. Rev. A 77 (2008) 042724 1-15中所述)。

一些结果也指示在图4的曲线图上。

表1

实验编号	网孔类型	经测试材料	尖峰电流(pA)
				1	20	锆CEM-ALL? 24%	296
2	40	锰Hydro Cure? II	100
				3	40	锆HEX-CEM? 24%	90
4	40	Arquad? 3HT-75	28
				5	40	铅NAP-ALL? 24%	20
6	40	稀土HEX-CEM? 12%	20
				7	40	钴CEM-ALL? 12%	18
8	20	镍	13
				9	40	钙NAP-ALL? 4%	10
10	40	锰NAP-ALL? 6%	10
				11	20	氧化石墨	9
12	40	钴NAP-ALL? 6%	9
				13	40	稀土TEN-CEM? 6%	8
14	20	苯胺黑	6
				15	40	铅CEM-ALL? 30%	6
16	40	锰HEX-CEM? 6%	6
				17	40	锌NAP-ALL? 10%	5
18	40	钴TEN-CEM? 12%	3
				19	20	石油磺酸钙	3
20	40	镁TEN-CEM 4%	1
				21	40	辛酸锆	-1
22	40	钴HEX-CEM? 12%	-1
				23	20	OLOA 1200	-3
24	40	锌HEX-CEM? 18%	-5
				25	20	卵磷脂10%	-5
26	40	锰Hydro Cure?	-10
				27	20	金	-10
28	20	钴	-11
				29	40	硬脂酸锌	-13
30	20	石油磺酸钠	-18
				31	20	钯	-19
32	20	Epivyl? 32	-20
				33	40	锌CEM-ALL? 16%	-20
34	20	石墨	-21
				35	20	铂	-28
36	20	PEI	-30
				37	20	Epivyl? 40	-44
38	20	马拉加胶	-71
				39	20	硝酸纤维素	-73
40	20	Episol 310	-90
				41	20	Episol 440	-100
42	20	Epivyl? S 43	-273
				43	20	Elvacite? 2041	-300
44	20	Epivyl? 46	-390
				45	20	Epivyl? 43	-500
46	20	Episol 410	-500

表1证明在第1-19实验中的显著正电流、在第23-46号实验中的显著负电流、及在第20-22号实验中的非显著电流。因此，在第1-19号实验中的材料带正电，并因此在存在SF₆气体介质下具有正电荷可转移性；而在第23-46号实验中的材料带负电且因此在存在SF₆气体介质下具有负电荷可转移性。在存在SF₆气体介质下在第20-22号实验中的材料的电荷可转移性为低或与零一致。

使用本实验设备已发现一些小变化(在±20%内)，其被认为是归因于以下因素，诸如环境空气条件、湿度、残留气体冷凝及/或气体-表面化学相互作用的变化。尽管这些不一致性，然而，电荷可转移性的一般趋势与所测试材料的功函数及/或摩电特性相当不错地关联。

讨论

在本实验组中所获得的结果提供关于固体材料与气体分子之间的电荷转移的信息。所述气体分子自经涂覆网孔获得电荷(正或负)，使该经涂覆网孔带相反电荷。跨越微细金属线网孔的表面剪切的至少一些所述气体分子的高速度允许它们克服显现为在该表面及气体分子之间的吸引力的像电荷电位。

本实验已示出高能气体分子可将电荷转移至特定表面并自特定表面转移电荷。由于根据麦克斯韦─玻尔兹曼分布，存在能量足以进行这种电荷转移的某些分子的非零概率，所以甚至在不存在所述分子的外部加速下仍然将发生电荷转移。

本示例证明热运动足以允许所述带电分子自带相反电荷的表面带走电荷，使气体分子的热运动成为用于在两个表面之间转移电荷的合适机制。本示例也证明如根据本发明某些实施例所定义的电荷可转移性为可测量的量。

示例3

通过开尔文探针而进行的测量

本示例描述通过开尔文探针而评估表面的电荷可转移性的根据本发明某些实施例所执行的实验。

开尔文探针为测量探针表面与感兴趣表面之间的接触电位差(CPD)的装置。接触电位差与所述参考及测试表面的功函数的差异有关。通过在极接近该感兴趣表面处振动探针而进行本测量。开尔文探针表面与该测试表面之间的功函数的差异导致电场。导体表面的功函数定义为自该导体的内部移动电子至超过像电荷区域的点所需的最低量功。

因此，也至少可使用开尔文探针以评估该电荷可转移性，因为其可用以测量为自该感兴趣表面移除电荷并使其附着于气体分子所需的能量。特别地，在本示例中使用开尔文探针以在真空中及在存在各种气体介质下各种表面行为之间进行比较，且因此提供用于电荷可转移性的各种表面-气体对的合适性的指示。

方法

将开尔文探针(Kelvin Control 07, Besocke Delta Phi)放置在其中气体环境受控制的可密封室中。在各种压力下在真空中、在环境空气中或在存在各种气体下进行测量。在室温下进行所有测量。

将待测试的固体材料、及参考固体材料一起放置在旋转桌上并因此在它们的表面上的许多点处进行探测以便该测量与每个样本的经扫描段(而非仅单一斑点)有关。本方法避免可能反映局部异常而不反映表示该材料性质的总值的单一点测量。使用已知功函数的样本材料(诸如金)以校准开尔文探针。

将80%乙氧基化的聚乙烯亚胺(PEI; Sigma Aldrich；在水中37% w/w)、碳酸铯(Cs₂CO₃；Alfa Aesar; 99%)、氟化铯(CsF; Sigma Aldrich; 99%)及镁(Mg)放置在旋转盘上并在真空、空气、三氟化氮(NF₃; BOC Gases; 99.999%纯度)、氙(Xe; BOC Gases; 99.999%纯度)、氩(Ar)、乙炔(C₂H₂)、二氧化碳(CO₂)、氦(Kr)、氮(N₂)、氧(O₂)及六氟化硫(SF₆; BOC Gases; 99.999%纯度)内进行测试。

结果

表2概述在室温及一个大气压(除在4个大气压下测试的NF₃气体外)下通过开尔文探针而评估的以eV为单位的接触电位差。一些气体介质(空气、NF₃、Xe、O₂及SF₆)的结果示于图5中。

表2

如所示，在真空中及在存在气体下该CPD不相同，且其取决于气体介质的类型。就给定固体材料而言，相对于真空条件，在存在一种类型的气体介质下CPD增加，而在存在另一类型的气体介质下CPD降低。类似地，相对于真空条件，就一种固体材料而言，特定气体介质的存在增加CPD，而就另一固体材料而言，降低CPD。

假设：在测量室中的气体分子由于其与测试材料的表面的相互作用而变成带电。带电的气体分子云保持被截获在该表面附近、通过该像电荷的吸引力而保持，作为其电荷的程度及极性而更改所测量的CPD。

本现象允许定义每个气体介质的零电荷可转移性(ZCT)的点。该点定义为该气体自电子施体变成电子受体的材料的CPD。换句话说，气体的ZCT落在显示CPD增加的所述材料的最高功函数与显示CPD降低的所述材料的最低功函数之间。

例如就PEI而言，空气的存在使CPD自在真空中的约4.6eV降至在存在空气下的约4.4eV。因此，空气表现为PEI的电子受体。该行为在图5中阐明为使在真空条件下的4.6eV点与在气体条件下的4.4eV点连接的降低实线。就Cs₂CO₃而言，空气的存在使CPD自在真空中的约4.0eV增加至在存在空气下的约4.5eV。因此，空气表现为Cs₂CO₃的电子施体。该行为在图5中阐明为使真空条件下的4.0eV点与气体条件下的4.5eV点连接的增加实线。根据上述定义，空气的ZCT估计为约4.45eV。

还对Xe执行相同的估计，导致约4.45eV的ZCT。由于就所有经测试材料而言NF₃表现为电子受体，所以可以不评估ZCT，但是其预期低于2.9eV。如根据上述程序所估计的一些气体介质的ZCT值列示在表3中。

表3

气体介质	ZCT (eV)
		空气	4.45
Xe	4.45
		O2	4.60-5.05
SF6	2.90-4.90

本示例证明所述气体分子自固体表面带走正或负电荷，且证明由于与该气体分子相互作用而使表面变成带电至的电位取决于固体材料的类型及气体介质。本示例进一步证明开尔文探针可用于提供如在本发明某些实施例中所定义的电荷可转移性的指示。

示例4

通过气体分子的热运动而产生电流

本示例描述通过既非直接接触也在其间没有隔片的相邻表面之间的气体分子的热运动而产生电流的根据本发明某些实施例所执行的实验。

方法

该实验设备图解在图6中。在由不锈钢制成的可加压且可密封室607中使两个由不锈钢制成的相对圆盘形贮留（hold）电极601及602容纳有测试气体。替代地，所述贮留电极及室可由具有低热膨胀系数的材料(诸如Super Invar 32-5)制成。室607的形状为柱形，直径9厘米，高度4.3厘米，且气体容量14立方厘米。室607的壁厚为至少2.3厘米。提供用于控制该室中的气体组成及压力的、具有入口阀622的入口605及具有出口阀624的出口606。室607能够维持10个大气压的最大压力。经由入口605及出口606而修改室607中的压力，且使用压力计620(Model ATM 0-10 Bar; STS)来监测该压力。

如下文进一步详述，电极601及602用以贮留具有负电荷可转移性及正电荷可转移性的样本。在某些实验中，所述电极上的样本为平面(扁平圆盘)，而在某些实验中，用所述测试样本涂覆一片或二片由玻璃制成的平凸透镜611及612并将它们安装在电极上。

使电极601连接至通过高电压电源及控制器604(Model E516/E761; Physik Instrumente)而驱动的堆叠压电晶体603(Physik Instrumente)。响应于来自控制器604的信号，由压电晶体603产生电极601的往复运动。电容式传感器613(Model D105, Physik Instrumente)监测电极601与602之间的距离并发送反馈信号至控制器604。，本配置允许以约0.2纳米的分辨率控制电极上所述样本的最外层之间的距离。用于所述实验中的距离范围为自约1纳米至几十微米。

将电极602固定并机械性连接至室607。金属电极614将电极602连接至灵敏电流计615(皮安培计Model 617; Keithley)，其本身电连接至电极601。电流计615测量通过电极601及602上的两个样本之间的气体介导电荷转移而产生的电流i。输出显示在示波器618(Tektronix TDS3012)上。

通过具有范围自DC至2Hz的频率的三角形电压脉冲而把晶体603设定成振荡，使得可获得完全接触至几十微米间隔之间的任何距离。除该振荡外，也可通过施加DC电压而使晶体603移动固定距离。在某些实验中，连续使用DC电压及振荡电压二者以控制晶体603的位置及因此控制电极上两样本的外表面之间的距离。在振荡期间，通过该电流计而测量跨越这两个表面所产生的电流。同时测量来自电容式传感器613的模拟电压信号以便监测所述表面之间的距离。通过示波器618而显示并测量该模拟电压信号及该电流信号的模拟输出。

在室温下执行所有实验。使用的唯一电压用于控制压电晶体的运动且用于给该示波器供电。所述电极与电源隔离并进行测量以确保电源及距离测量系统在所述电极之间不产生电场。

使用具有正电荷可转移性的以下测试材料：(a)镁圆盘，厚度1毫米且直径10毫米：(b)高取向热解石墨(HOPG)方形物，厚度1毫米且尺寸为10毫米×10毫米(Micromasch, USA, 类型: ZYH品质，嵌镶扩展：3.5±1.5度，颗粒大小在30-40纳米范围中)；(c)覆金的玻璃透镜；以及(d)进一步用具有正电荷可转移性的材料(例如CsF及CaCO₃)涂覆的覆金玻璃透镜。

如本领域中已知的，抛光该测试材料的表面且使用AFM遵照标准程序以测量其粗糙度(例如参见C. Nogues and M. Wanunu, “A rapid approach to reproducible, atomically flat gold films on mica”, Surface Science 573 (2004) L383–L389)。HOPG是一种被视为亚纳米范围的原子级平坦及平滑的材料，因此在没有进一步的表面抛光处理的情况下被使用。在本行业中可容易获得用于达成小于0.5纳米表面粗糙度的抛光技术。所有测试材料是基本上平滑的且大部分具有小于5埃RMS的表面粗糙度。

采用以下程序以制备所述覆金透镜，其被裸(仅涂覆金)使用或可进一步用增加或降低其初始电荷可转移性的材料涂覆。

通过常规电子束(e-beam)蒸发以200纳米厚99.999%纯金层涂覆玻璃透镜。通过在乙醇(分析级；Gadot)的第一浴槽中的超声处理而清洗直径52毫米及厚度2毫米的硅酸硼玻璃透镜(Casix Inc.)，接着是在正-己烷(分析级；Gadot)中的第二超声处理清洗。然后在室温下在N₂气氛下干燥所述透镜。通过电子束蒸发而首先用薄粘着层(厚度约2-5纳米)的99.999%纯铬(Cr)然后用较厚层(厚度约200-250纳米)的99.999%纯金(Au)来涂覆所述透镜的凸侧。在10^-7毫巴的压力下执行该蒸发。使用石英晶体微量天平以监测所述铬层及金层的厚度。将该最外金层退火并先后通过如在前Nogues中所述的AFH及图像分析而评估其表面粗糙度。所获得的表面具有小于5埃RMS的粗糙度。

在某些实验中，进一步以具有不同电荷可转移性的材料涂覆该金层。使用以下技术中的一种获得该另外涂层：(a)旋涂；(b)对施加至支撑表面的滴液的干燥；(c)电化学沉积；以及(d)通过例如经由使用具有自由巯基(-SH)端子的分子而产生分子的自组装单层。

提供正或负电荷可转移性的表面的另外方法例证在随后的示例5中。

结果

图7A-C为在3种不同实验中的示波器输出。

图7A对应于实验，其中正电荷可转移性的表面由CsF制成且负电荷可转移性的表面由Mg(ClO₃)₂制成，其中这两种材料沉积在玻璃透镜所携带的金层上。

图7B对应于实验，其中正电荷可转移性的表面由Mg扁平圆盘制成，且负电荷可转移性的表面为玻璃透镜所携带的金层。

图7C对应于类似于图7B的实验的实验，但是两个表面的相反位置，因此该电流的相反方向用作实验的对照（control）。

用于这些实验的气体为SF₆，且该室维持于3个大气压的压力下。

图7A-C中示出来自电流计615(下曲线图)的信号i及指示电极601及602之间的距离d的电容式传感器613(上曲线图)的输出。注意，图7C描述由于在电极上的正及负电荷可转移性的所述材料的相反位置而相对于图7A-B的相反电流。

在点A_min(所述电极之间的最大施加的电压及最小距离)处，d等于几纳米。在点A_max(所述电极之间的最小施加的电压及最大距离)处，d等于约300纳米。在图7A中观测到类似振幅的两个主要电流尖峰(在图7A-C中以a及b指示)均为约20pA。这两尖峰对应于压电晶体603使所述电极在彼此相距小于5纳米的距离内时的、单一振荡循环内的两时刻。

图7A-C中所述的电流轮廓为许多所述实验的典型轮廓。在以下实验中获得类似结果：正电荷可转移性的表面由高取向热解石墨(HOPG)的扁平表面制成且负电荷可转移性的表面为玻璃透镜所携带的金层的实验；及正电荷可转移性的表面由沉积在玻璃透镜所携带的金层上的CaCO₃制成且负电荷可转移性的表面为玻璃透镜所携带的金层的实验。在某些实验中，观测到不同的轮廓。

在其中两个表面为相同覆金透镜的对照实验中，在相同范围上测试的所有距离下未检测出电流。

如通过将建议直接接触的单一电流尖峰的不存在所确认，该装置设定为防止所述测试表面之间的直接接触。

由于该实验在不存在任何外电场下执行(所述电极与任何电源隔离)，在电流计615中的电流信号指示经由气体分子的热运动而进行的电荷传输。

本示例证明通过自气体分子的热运动而导出能量来产生电流。

示例5

电沉积

本示例描述经由电沉积(ED)而进行的涂覆。电沉积可细分成：电化学沉积(ECD)，其中电活化粒种(通常为盐)在溶剂内离解成离子；以及电泳沉积(EPD)，其中电活化粒种在溶剂内带电。在这两种情况下，该溶剂可为极性或非极性。

在电化学沉积中，例如在水性溶液中，任一表面可用存在于电解溶液中的离子来涂覆或修改，或两个表面同时被涂覆或修改，表面之一用阴离子涂覆或修改而另一表面用阳离子涂覆或修改。该电化学沉积可修改表面的功函数。

在电泳沉积中，例如在非极性溶剂中，该功函数通过已溶解或悬浮材料而修改。在某些情况下，将溶解或悬浮的粒种(诸如染料)电泳沉积在极性溶剂(诸如水或乙醇)中。

一般而言，当该表面用作阳极时，其用具有较高功函数的材料涂覆或修改，且当表面用作阴极时，其用具有较低功函数的材料涂覆或改性。

在由本发明人所执行的实验中，使用包含单一盐的溶剂及包含其它溶解或分散的粒种的溶剂与包含它们的混合物的溶剂以获得上述结果。

方法

图8为根据本发明某些实施例的用于修改功函数的实验设备的图解。

在导电衬底、阴极810及阳极808之间形成ED电池800。使用电压源806以在该阴极与阳极之间应用电位差。该ED电池也包括至少一个导电支撑结构802或804及一种或多种盐或其它已溶解或分散粒种在极性或非极性溶剂中的溶液。如图8中所图解示出，导电支撑结构802及804被设计成为接收所述导电衬底(其可彼此相同或不同)并使它们维持在合适位置而构造的凹槽金属环。

在某些实验中，该支撑结构为金属圆盘，且在某些实验中，该衬底为覆金玻璃透镜，其中电流是通过导电金层自该贮留电极输送至待涂覆的表面。就单一电极涂覆而言，这些衬底用作阳极或阴极。就同时涂覆而言，这些衬底用作阳极及阴极二者。下文提供用于所述衬底的材料。

该阳极及阴极通过DC电源806(Titan TPS 6030)而连接，且施加恒定电压达固定时间段。通过DC毫安计812而监测流经该电路的电流。

为了确保精准地测量电沉积并防止所述阴离子及阳离子自支撑表面随机扩散回到该溶液，将放置在所述表面之间的待涂覆多孔材料814浸渍在包含电活化粒种的溶液内。该多孔材料由玻璃微纤维滤纸(Whatman^?; GF/D 2.7微米)制成或由热塑性聚酯所制成的且具有约5微米的孔直径的非织造织物制成。以温和压力施加该经浸泡的多孔材料至目标表面以确保接触及导电率。在每个电沉积实验结束时，自该电池移除湿多孔材料。

然后自该ED电池移除经涂覆表面且在室温下在约10^-2毫巴的压力下放置在真空室中达4小时。通过使用开尔文探针(Kelvin Control 07, Besocke Delta Phi)如前述地测量功函数而评估该涂覆。该探针在真空中测量功函数。

在某些实验中，还通过能量分散X射线分析(EDX)而分析该衬底涂覆或改性的性质。EDX已确认该衬底表面上新物质的存在。

在本实验中采用由以下材料制成的圆盘作为衬底：不锈钢(经抛光AISI 314；直径25毫米；厚度1.5毫米)；铝(Al6061；直径25毫米；厚度1.5毫米)；金(用金溅射的不锈钢圆盘)；用在市面上称为Grafoil^?的石墨(GrafTech; GT?A石墨；厚度约0.13毫米)、通过根据Hummers的方法(美国专利第2,798,878号及W.S. Hummers与R.E. Offeman, “Preparation of graphite oxide”, J. Am. Chem. Soc. 80 (1958) 1339)进行石墨薄片(Asbury Carbon 3763；大小介于40-71微米之间)氧化而制备的氧化石墨(GO)、通过该Hummers方法而制备的氧化Grafoil^? (GFO)的柔性层覆盖的不锈钢圆盘；以及如示例4所述的那样制备的覆金玻璃透镜。

在第一组实验中，在上述ED电池中用包含20mM或2μM的任一以下盐或染料的水性溶液来处理该支撑材料：Ba(CH₃COO)₂、Ba(NO₃)₂、BaSO₄、CsBr、CsF、CsN₃、乙二胺(EDA)、KF、KNO₃、Na(CH₃COO)、NaNO₃、NH₄CO₃、(NH₄)₂CO₃、碱性蓝(Basic Blue)7及9、碱性绿(Basic Green)1及5、碱性橙(Basic Orange)2及14、碱性红(Basic Red)1、1：1、2、12、13、14、18、碱性紫(Basic Violet)2、10、11、11：1、碱性黄(Basic Yellow)2、11、37、直接红(Direct Red)80、甲基紫(Methyl Violet)2B、若丹明(Rhodamine)FB及这些盐及染料的混合物。所述盐为购自Sigma Aldrich或其它供应商的纯化学品，且所述染料购自Dynasty Chemicals或其它供应商。

用于制备所述水性溶液的水经双蒸馏且过滤(微孔过滤系统：ExtraPure; 18.2 MΩ.cm)且所得到的溶液在最大功率(SoniClean)下经超声处理5分钟以确保盐或染料的完全溶解。当采用染料时，添加另外过滤步骤(0.2微米过滤)。

在第二组实验中，该支撑材料在上述ED电池中用已溶解在分析级乙醇中的0.02M CsN₃+0.02 M CsF来处理并如上文进一步详述的那样经超声处理。

在第三组实验中，在该ED电池中用包含以下组成中的任一种的基于Isopar^? L的溶液来处理该支撑材料：30% w/w石油磺酸钙、30% w/w Lubrizol、30% w/w卵磷脂、3% w/w卵磷脂、0.3% w/w卵磷脂、30% w/w Zr-Hex-Cem^? 12%、3% w/w Zr-Hex-Cem^? 12%。卵磷脂(Eastman Kodak)、及品名为Zr-Hex-Cem^? (Mooney Chemicals)的2-乙基己酸辛酸盐分别用作食品添加物及油漆干燥剂。

结果

下表4描述一些结果。在表4的所有条目中，就该ED电池的阴极及阳极位置而言，衬底材料相同。如使用示例3中所述的开尔文探针而在真空中测量的，在沉积后该阳极及阴极的功函数以绝对值(分别第5及第7栏)及以相对值(分别第6及第8栏)提供在表4中。相对值指示差异Δ = W _f  - W _i ，其中W _i 是（在沉积前）该支撑材料的初始功函数而W _f 是在沉积后阳极或阴极的最终功函数。因此，正相对值指示增量而负相对值指示减量。

注意，GO涂覆的材料比其它材料更易于变异，这取决于涂覆方法。下面引用的结果的准确度大约为绝对测量的± 20 %且在相对测量的几个百分点内。

表4

表4证明在具有盐及染料的极性溶剂以及在具有各种已溶解/已分散粒种的非极性溶剂中，所述的电沉积技术能够将相对高功函数材料沉积在该阳极上并将相对低功函数材料沉积在该阴极上。一般而言，根据所采用的气体，当使根据文中的教导而经涂覆或改性的阳极及阴极暴露于合适的气体介质时，该阳极通常将具有比阴极更高的负电荷可转移性，且该阴极将具有更高的正电荷可转移性。

示例6

非导电隔片的选择

本示例描述用以估计几种材料的电阻并评估它们作为本实施例的电池及电源装置的潜在非导电隔片的效力的、根据本发明某些实施例所执行的实验。

方法

实验设备图解在图9中。使用以下技术之一，通过隔片测试材料的均匀膜而涂覆金属圆盘900：旋涂、滚轮涂覆、喷涂或本领域中已知的任何其它涂覆方法。在不能被容易地制成均匀涂层的不可溶材料的情况下，首先以导电粘性树脂来涂覆该金属圆盘，测试材料的粉末层被粘着于其上。

然后将经涂覆的圆盘900安装在经电气接地的旋转铝桌902(每分钟30转数)上。通过放置在该旋转桌上的如美国专利第2,836,725号中所述的电晕充电装置904而将圆盘900充电25秒。将该电晕充电装置的钨线发射体906维持在+5kV的DC偏压下。然后，在电压关闭且桌902持续旋转下，通过放置在旋转圆盘上并与示波器910连接的圆盘形铜电极908而测量该圆盘电荷。通过观测在该铜电极上诱发的电位降而监测该圆盘表面电荷的衰变速率达8分钟。因此，通过使用静电放电速率而比较各种候选隔片材料的电阻率。

此外，使用如示例3中所述的开尔文探针来评估所有测试材料在存在氮下的电荷可转移性。

结果

图10示出在实验中已经研究的许多材料的放电曲线图。结果表示为残留电荷百分比对时间(以秒为单位)。如所示，某些材料诸如乙酸镁及乙酸铵在充电后的8分钟内失去其初始电荷的约80%，而其它材料诸如氧化铝及氧化钙在全部测量时段期间保留其初始电荷的约100%。最好地保留其电荷的所述材料被视为作为本发明各种示例性实施例的电池及电源装置中的非导电隔片的潜在候选。

可通过该程序而评估预期用于除间隔外的用途的材料的非导电性。例如，金云母及MACOR^?在本实验设备中测试且分别显示在2分钟后约90%及约98%的残留电荷，它们在8分钟后下降至约50%及约75%。

示例7

溅射

本示例描述用以通过将由阴极溅射而发射的另一材料薄层沉积在材料的表面而修改所述材料的电荷可转移性的根据本发明某些实施例所执行的实验。

方法

广泛使用溅射以通过将材料自靶沉积到衬底上来沉积薄膜或在该过程的颠倒中移除非期望膜。溅射方法在薄膜涂覆领域中是已知的(例如参见第2版“Materials science of thin films”(by Milton Ohring, 2001)中的第4及第5章)。

通过使用氩气体离子冲击靶材料以涂覆附近衬底而获得的溅射过程在下至2.7×10^-7毫巴的低基础压力下在真空室内进行。使用ATC Orion 8 HV溅射系统(AJA International Inc)来执行溅射。该溅射系统包括DC及RF电源，且被定制成适应高达4个3”靶(约7.6厘米)，其允许用不同材料进行顺序溅射或用不同材料的组合进行共溅射。该溅射系统也能够适应反应性气体（诸如N₂、O₂等）以执行反应性溅射。使该系统最佳化以获得厚度均匀性，其中在直径高达约15厘米的衬底上变化小于1%。

使用以下结构作为衬底：(i)铝(Al, AL6061-T4)或不锈钢(S/S, AISI303)的圆盘，其直径为50毫米，厚度为5毫米，粗糙度不超过100纳米；(ii)薄玻璃圆盘(TGD,  Menzel-Gl?ser Inc.)，其直径为50毫米、厚度为100微米且粗糙度小于50纳米；(iii)浮法玻璃圆盘(FGD, Perez Brothers, Israel)，其直径为40毫米或50毫米，厚度为5毫米或10毫米且粗糙度小于10纳米；(iv)双侧抛光硅(Si)晶圆圆盘(Virginia Semiconductor Inc.)，其直径为50.8毫米，厚度为300微米，粗糙度为至多1纳米，晶向<100>且硼掺杂剂的电阻率为8-12=Ω·cm或0.1-1.2Ω·cm，或者磷掺杂剂的电阻率为8-12Ω·cm；以及(v)单侧抛光硅晶圆圆盘(Virginia Semiconductor Inc.)，其直径为50.8毫米，厚度为350微米，晶向<111>，且磷掺杂剂的电阻率为7-10Ω·cm。

通过表面轮廓仪(Veeco-Dektak 3ST)而测量所述衬底的粗糙度。

使用以下材料作为待(单独或组合地)最终涂覆所述衬底的靶材料：铝(Al)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)、金(Au)、六硼化镧(LaB₆)、镍(Ni)、钯-金(Pd-Au)、铪(Hf)、锰(Mn)、钽(Ta)、钛(Ti)、铬(Cr)、钼(Mo)、钆(Gd)、硅石(SiO₂)、氧化钇(Y₂O₃)、钨(W)、氧化锆(ZrO₂)、三氧化钨(WO₃)、氧化镧(La₂O₃)、钛酸钡(BaTiO₃)、氧化锶(SrO)、氧化钙(CaO)及硅化铬(Cr₃Si)。每个靶材料的纯度为至少99.9%。所有靶材料均购自AJA International Inc.或Kurt Lesker Company。为确保最佳粘着性及均匀薄膜沉积，首先在有机溶剂中通过超声处理(顺序地在正-己烷、丙酮及异丙醇中进行，每个达5分钟)而清洗衬底，接着是在已过滤去离子水中通过超声处理而冲洗达1分钟，并在氮气流下干燥。在溅射前，使用典型20分钟的4×10^-3毫巴、30W(瓦)RF功率、10Sccm(每分钟的标准立方厘米)Ar的等离子体同时衬底加热至250℃，使所述样本经历等离子蚀刻以自表面移除任何残留有机/非有机污染物。

结果

如此制成的涂覆衬底的选定示例提供在表5中。表5中列示主要溅射条件，包括电源类型及其强度(瓦)、气体的流率(每分钟的标准立方厘米，sccm)、室中的压力(毫巴)、及溅射的持续时间(秒)。在所有以下示例中，靶与衬底之间的距离为146毫米。通过表面轮廓仪而测量所得到的均匀膜的厚度(纳米)及粗糙度。该膜涂层足够薄以便不会显著修改衬底的原有平滑性。TGD/Al及FGD/Al分别指已完全溅射在含有铝的衬底的两侧上的薄及扁平玻璃圆盘。类似地，FGD指完全用铬溅射的玻璃衬底。如果必要，可在该衬底的一侧或两侧上执行溅射。星号指示在溅射程序后所述样本在500℃下、在10^-6毫巴下后退火达1小时。

表5

如下面示例8中进一步详述，在图11中所图解的实验设备中使用根据上述方法所制备的表面。

示例8

通过气体分子的热运动而产生电流

本示例描述通过具有不同电荷可转移性的表面之间的气体分子的热运动而产生电流的根据本发明某些实施例所执行的实验。在下述实验中，通过隔片或向外突出的粗糙特征而使所述表面分开。

实验概论

设备

用于本示例的所有实验中的实验设备图解在图11中。将电气接地结构1101放置在可密封不锈钢室1125(AISI 316)内。将结构1101定位在内部加热器1105的电绝缘陶瓷界面1103上。经由连接线1128而使控制器1107(Ceramisis-Controllable Sample Heater，高达1,200℃)连接至加热器1105。结构1101至地电位的连接以1109示出。无接地结构1111定位在室1125内的结构1101上。结构1101表面的电荷可转移性不同于结构1111的电荷可转移性。

在其中结构1101及1111的一个或多个由不良体导电率的材料制成的实验中，除非另有指定，直接将结构1111定位在结构1101上。在这些实验中，结构1101与1111的面向表面之间的距离部分地通过它们的粗糙度而规定。根据粗糙特征的大小及分布，该距离在其它区域中跨越所述表面自0(即直接接触)变化至数十或数百纳米。

在其中结构1101及1111二者由体导电性材料制成的实验中，将隔片1113放在放在它们之间。将隔片1113旋涂在面向1111的接地结构1101的表面上。沿着z方向(通常与结构1101及1111的表面垂直，参见图11)的隔片1113的高度为自几百纳米至几微米。

导电弹簧(由琴弦高碳钢制成)1115定位在室1125内的结构1111上并通过室1125的上壁中的电馈通而连接至外部静电计1117(Keithley 6517A)。该静电计被校准并显示读数的小于±1%的高准确度。在某些实验中，在该室内堆叠多个电池，每个电池包含其间有空隙的一对结构1101及1111。在这些实验中，使该堆的最下层结构1101连接至地面1109且使该堆的最上层结构1111连接至静电计1117。该堆内的最上层结构在文中称为“无接地结构”。

向室1125提供用于将气体注入该室内的入口1119、1121及1123、与配置用于经由真空泵1129(Boc Edwards, XDS 10；可选地通过第二真空泵Boc Edwards, EXT-225H Turbo而串联连接)而自该室排出气体的出口1127。室1125的形状为柱形，其平均直径为约8.5厘米，高度为约7厘米，壁厚度为约0.17厘米、且气体容量为约400立方厘米。该室由耐蚀性低放气材料制成，其部件及通过O环的连接件适于至少保留操作真空及温度条件。一旦气体注入及排出时，控制室1125内的压力。使用压力计1131(BOC Edwards，主动数字控制器，其量规型号为APG100-XLC, ASG 2000毫巴、及WRG-SL，每个覆盖压力测量的范围中的不同部分)以监测压力。在各种压力下(在10^-10至8巴的范围中)进行实验。

以下述两种方式控制所述实验期间的温度：经由内部加热器1105及控制器1107而控制结构1101的温度T_In，并通过连接至该室的外壁的外部带式加热器(未示出)而控制室1125的壁的温度T_Ex，在各种内部及外部温度下进行所述实验。明确地，T_In自25℃变化至400℃，而T_Ex自50℃变化至150℃。使用k型热电偶及控制器1133(Eurotherm 2216e)以监测T_In及T_Ex。

在其中结构1101及1111连接至热电偶的初步实验中建立：当仅施加内部加热(经由加热器1105)且关闭该外部加热时，在存在气体下可忽略结构1101与1111之间的温差。明确地，结构1101的开尔文温度比结构1111的开尔文温度高不超过1%。而且，残留温度梯度如果有的话将在低温下呈现热离子发射，在其中该接地结构被加热的本实验设备中产生负电流。在本操作温度下未预期热离子发射，在不存在温度梯度下也未预期热离子发射。此外，热离子所产生的电流还应该可存在于真空中，其与根据本发明所产生的电流不同，如所述，根据本发明所产生的电流取决于气体介导的电荷转移且因此在真空中不存在。如通过下面结果章节所证明，在真空中没有大于噪声水平的电流。

由于本实验中所监测的信号通常在1mA(毫安)以下，所以一旦不再需要，切断可能影响所记录信号的且在测量时不是必需的任何装置。例如一旦达到并测出所期望稳定压力时，关闭压力计。

材料

下面描述的实验将具有高导电率(大于10³ S/m)、不良导电率(低于10^-9 S/m)或中间范围导电率(介于10^-9与10³ S/m之间)的材料用于结构1101及1111。

方法

当制造商未提供时，结构1101及1111的表面的粗糙度通过表面轮廓仪而测量。一般而言，使用具有0.1微米累积的α-氧化铝的悬浮液的抛光圆盘(Struers, MD-NAP)将金属表面温和地抛光。因此，除非另有指定，所述表面具有约100纳米或更小的粗糙度。

在每个实验前，使用Wavetek Meterman DM28XT万用表(未绘制)来测量结构1101与1111之间的电阻。该电阻总是大于2千兆欧姆（GigaOhm）以确保在所述表面之间无电短路。

根据以下程序，在每个实验前将室1125抽空。将该室密封，施加真空达至少1小时(以达至多10^-5巴的基线压力)同时将该接地结构加热至至少100℃以移除残留湿气。在高真空下定期将该室抽空达整夜同时加热至150℃的T_Ex以进一步消除实验之间的放气污染的可能性。通过确保稳定的基线压力P_b及约零基线电流i_b而证实该实验设备的稳定性。除非另有指定，P_b小于10^-5巴而i_b小于0.1皮安培(pA)。

就每个实验而言，改变并监测以下参数：(i)馈入先前经抽空的室内的气体类型、(ii)该室中的压力(P)、(iii)内部加热器的温度(T_In)、及(iv)该室的壁的温度(T_Ex)。

以每秒约1次测量的采样速率来测量并记录每组参数的通过所述结构的所得到电流或电压。由于单一实验的典型时标为10-50小时，所以每回操作有10⁴-10⁵测量值。因此，所述实验的统计误差很微小。本发明人已预测其中接地结构的电荷可转移性为正的且无接地结构的电荷可转移性为负的实验的负电流信号。本发明人也已预测该相反配置(接地结构的负电荷可转移性及无接地结构的正电荷可转移性)的正电流信号。

虽然在以下实验中，结构1101及1111的面向表面每个可具有至少2.5厘米的直径且在某些情况下每一对具有约20平方厘米的理论重叠面积，但是要理解有效面积可能小于最大理论重叠面积。就任一对材料而言，已发现当通过未超过在所述操作条件下使用的气体的平均自由程的数倍的空隙而隔开(通过隔片或向外突起的粗糙特征)相邻表面时，该重叠面积最有效。两个表面之间的有效重叠的比例取决于每个表面的几何形状、形状、平坦度、粗糙度及突起特征的分布。

实验I

材料及方法

使用钆(Gd；24.7毫米直径及1.5毫米厚度的圆盘；99.95%纯度；Testbourne Ltd.)作为接地结构，使用铝(Al; AL6061-T4；50毫米直径及12毫米厚度的圆盘)作为无接地结构，并使用C₃F₈(具有高电子亲和力的气体)作为气体介质。在真空中钆的经测量功函数为3.2eV而铝的经测量功函数为3.9eV。自在异丙醇中0.01重量%的悬浮液以2,000RPM将平均颗粒大小为约5微米的氧化铝微粒(Al₂O₃;K.C.A.)旋涂在钆圆盘上，导致在该圆盘的表面上的高分散隔片。

在该实验的初始阶段时，将该室抽空并将内部加热器加热至400℃。对该室未施加外部加热。随后，在3个不同时间点将5、11及23毫巴的C₃F₈注入该室内。

在不同条件下采用电配置及各种类型的隔片与气体以重复进行使用Gd及Al结构的本实验。

结果

图12示出作为时间(秒)的函数的测量电流(pA)。如图12中所示，经整夜抽空后，在真空条件下的电流为约+0.1pA。箭头1指示当将5毫巴C₃F₈注入该室内时的时间点。在约30分钟的瞬态电流增加后，该电流在存在气体下稳定至约-0.2pA的负值。箭头2指示当该C₃F₈的压力上升至11毫巴时的时间点。在修改所述测量条件时，再次观测到短尖峰的正电流，但是此后该电流稳定回到约-0.25pA的负电流。箭头3指示当该C₃F₈气体的压力进一步上升至23毫巴时产生(在该瞬态正尖峰后)约-0.4pA的稳定负电流。所观测电流是负的事实指示跨越该钆-铝对的电位是负的。由于这些金属的标准还原电位为-2.4V(Gd)及-1.67V(Al)，所以如果该C₃F₈气体由液体电解质取代，则将预期上述设备提供正电化学电流。因此负电流的测量排除所观测的电流来自电化学反应的可能性。

图12证明与在真空条件中所观测的基线电流比较，所产生的电流具有较大振幅及相反的方向。图12进一步证明根据气体介导的电荷转移的原理，该电流的绝对值是压力相关的。

用以逆取向位于该室内的本材料对(Al接地，Gd无接地)、用不同隔片及/或气体所执行的另外实验操作的结果在下表6中示为条目第2至4号。

实验II

材料及方法

MACOR^?为包含二氧化硅(SiO₂)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化钾(K₂O)、三氧化二硼(B₂O₃)及氟(F)的可切削玻璃陶瓷。在宏观尺度上，在室温下MACOR^?的导电率为约10^-15 S/m。

在本实验中，使用MACOR^?圆盘(直径50毫米，厚度3.5毫米，且粗糙度小于400纳米)作为接地结构。使铝圆盘(Al; AL6061-T4；直径50毫米，厚度12毫米)作为无接地结构。单独使用每种所述气体CF₄、C₃F₈、SF₆、N₂、及惰性气体氩(Ar)、氦(He)、氪(Kr)、氖(Ne)、及氙(Xe)(全部至少99.99%纯度且干燥)作为气体介质。在不使用任何隔片的情况下以直接接触的方式将MACOR^?及铝圆盘定位在该室中，且材料表面粗糙度提供该空隙。

将内部加热器加热至200℃且对该室未施加外部加热。在该室被抽空后且在几乎零正电流的基线值已稳定后，注入每种相应气体。

就每种气体而言，逐渐增加压力。一旦稳定时，测量并记录每个压力的电流。

在不同条件下采用气体(包括空气(N₂：O₂：Ar：CO₂比率为约78：21：0.9：0.04体积比))的各种组合、及CF₄与C₃F₈(1：1体积比)的组合来重复进行使用MACOR^?及铝结构的本实验。

本实验进一步包括使用作为该接地结构的薄玻璃圆盘(如示例7中所述，即直径50毫米，厚度100微米，且表面粗糙度小于50纳米)进行几回实验操作。在室温下玻璃的导电率为约10^-12 S/m。如示例7中所述，使该玻璃圆盘的一侧用铝溅射以促进与接地端子的良好接触。在这些实验操作中的无接地结构为铝圆盘(如实验I中所述，即厚度12毫米且直径50毫米)，且上述气体中的一些作为该气体介质。该玻璃圆盘定位成未经涂覆侧面向铝圆盘。使用经铬溅射在一侧以便接触地面而作为该接地结构的薄玻璃圆盘(相同尺寸)、及通过完全溅射涂覆浮法玻璃圆盘(在厚度10毫米且直径50毫米的玻璃衬底上，Cr厚度为230纳米)而制备作为该无接地结构的铬圆盘并采用几种上述气体介质类型，执行另外实验操作。

结果

在所有情况下，经测量电流为正的，指示MACOR^?用作电子受体而铝用作电子施体。观测到该电流的绝对值与气压的相关性。明确地，就每种气体而言，存在第一阶段，其中电流随压力的增加而线性增加，直到该电流达到最大值为止，然后在压力范围上维持恒定或缓慢下降。在本实验中，该术语“阈值压力”涉及在平台阶段时首先测得最大电流的最低压力。本观测结果详述在下述实验XI中。使用各种纯气体及混合气体所观测的阈值压力及最大电流在下表6中汇总为条目第5-15号。

图13示出作为1/σ²的函数的某些气体的阈值压力(毫巴)，其中σ为该气体分子的直径(以埃为单位)。根据上述方程式1，该平均自由程(λ)与1/σ²成线性比例。如图13中所示，在经测量阈值压力与1/σ²之间存在线性相关性(R²=0.9898)：该气体分子的直径愈低，观测最大电流所处的压力愈高。

就使用一侧经铝溅射的薄玻璃圆盘作为该接地结构、不含隔片的附在该玻璃侧上的无接地铝圆盘、及在T_In=200℃与T_Ex=70℃下的纯气体所进行的实验而言，所述最大电流及阈值压力在下表6中提供为条目第16、20号。在不使用隔片的实验中获得类似的结果，其中该接地结构为经铬溅射在一侧上的薄玻璃圆盘而该无接地结构为通过完全溅射涂覆扁平玻璃、使用在T_In＝150℃下的纯气体而制备的铬圆盘。该外部带式加热器未有效。这些结果在下表6中汇总为条目第21-23号。用隔片执行的实验汇总为条目第33-41号且在下文中描述(参见实验III及VIII)。

可注意到，在汇总为表6中的条目第24号的、其中在铝-玻璃配置中的811毫巴干燥空气产生电流的单独实验中已确认气体混合物是合适的事实(就MACOR^?-铝配置而言，参见条目第14-15号)。

实验II以各种气体证实了电流通过各个表面之间的气体介导的电荷转移而产生。在不存在气体下未观测电流，证实没有对电流的可检测热离子贡献。观测到该电流的压力相关性。不想受限于任何理论，认为该阈值压力值取决于该气体的表面间空隙与平均自由程之间的关系。使用惰性气体观测到稳定电流的事实排除来自气体化学反应的贡献。实验II进一步证明本发明的电池装置的操作表面也可由具有相对低导电率的诸如玻璃及MACOR^?的材料制成。以气体组合所获得的结果证明也使用气体的混合物来操作本实施例的电池装置。

实验Ш

材料及方法

本实验包括如下下面称为操作(a)-(i)的几回实验操作。在操作(a)中，使用层状金云母的薄圆盘(直径50毫米，厚度50微米)作为无接地结构。以Pd/Au溅射该金云母的一侧上以增强与导电弹簧1115的电接触。使用铝圆盘(AL6061-T4，直径40毫米，厚度3毫米)作为接地结构。在无隔片下，所述接地与无接地结构处于直接接触。将内部加热器加热至400℃。关闭外部加热器。将该室抽空且在真空下该基线电流小于1fA(即小于10^-15A)。在本阶段下，将300毫巴氦注入该室内。在约80小时的总时间段内，内部温度可不同，且测量并记录该电流。

在操作(b)中，使用掺杂硝酸纤维素作为接地结构；使用不锈钢(AISI303，40毫米直径、5毫米厚度的圆盘)作为无接地结构，且使用在100毫巴的恒压下的氩气作为气体介质。通过在1,000rpm下使用包含基于硝基纤维的Zweihorn Zaponlack NR 10026 (Akzo Nobel Deco GmbH，5重量%溶剂)及LiClO₄(40重量%的Zaponlack)的环己酮溶液来旋涂铝圆盘(AL6061-T4，具有50毫米直径及12毫米厚度)而制备该接地结构。在无隔片的情况下使所述接地与无接地结构直接接触。使T_In自约25℃逐渐上升至约85℃。

在操作(c)中，使用铝圆盘(AL6061-T4，直径50毫米且厚度12毫米)作为接地结构，使用薄玻璃圆盘(直径50毫米，厚度100微米，粗糙度小于50纳米，溅射有铝以接触该导电弹簧)作为无接地结构，且使用在300毫巴的恒压下的氦作为气体介质。在无隔片的情况下使所述接地及无接地结构直接接触。使T_Ex自60℃逐渐上升至100℃。

在操作(d)中，使用MACOR^?圆盘(直径50毫米，厚度3.5毫米，且粗糙度小于400纳米)作为接地结构，使用铝(AL6061-T4，如上述)作为无接地结构，并使用300毫巴氩作为气体介质。在无隔片的情况下使所述接地及无接地结构直接接触。使T_In自100℃逐渐上升至200℃。

在操作(e)中，使用薄玻璃圆盘(直径50毫米，厚度100微米，且表面粗糙度小于50纳米，其一侧上用铬溅射以接触地面)作为接地结构，且使用完全用230纳米铬层溅射的扁平较厚玻璃圆盘(直径50毫米，厚度10毫米，且粗糙度小于10纳米)作为无接地结构。通过具有3微米的平均高度的氧化铝隔片而分离所述接地与无接地结构。如实验I中所述，将所述隔片旋涂在玻璃表面上。在存在130毫巴的恒压下的氙下，使T_In自150℃逐渐上升至250℃。

在操作(f)至(i)中，使用薄玻璃圆盘(直径50毫米，厚度100微米，且表面粗糙度小于50纳米，其一侧上用铬溅射以接触地面)作为接地结构。在操作(f)中，如实验XII中所述，使该无接地结构经r-GO旋涂在不锈钢圆盘上。在操作(g)中，该无接地结构为通过完全溅射涂覆具有40毫米直径、5毫米厚度及小于10纳米表面粗糙度的扁平玻璃圆盘而制备的MnO₂圆盘(220纳米厚度)。在操作(h)中，该无接地结构为通过完全溅射涂覆具有40毫米直径、5毫米厚度及小于10纳米表面粗糙度的扁平玻璃圆盘而制备的钼圆盘(330纳米厚度)。在操作(i)中，该无接地结构为通过溅射涂覆具有50毫米直径、100微米厚度、及小于50纳米表面粗糙度的薄玻璃圆盘而制备的Cr₃Si及SiO₂所制成的金属陶瓷圆盘(540纳米厚度)。

在无任何隔片存在下，使所述接地与无接地结构直接接触。在存在1,100毫巴的恒压下的氦下，使T_In自约70℃逐渐上升至约180℃。

结果

图14示出就使用该金云母-铝对的操作(a)而言作为时间(以秒计)的函数的经测量电流(以pA计)。在每个时间间隔下的内部温度指示在图14的上部分中。当该内部温度为400℃时，经测量电流为约2.1 pA达至少7小时。在t＝194,500秒(约54小时)下，内部加热器的温度T_In降至300℃并使电流降至约0.2pA，其中该电流维持稳定达约10小时测量。在t＝231,000秒(约64小时)下进一步冷却至200℃，导致电流下降至约4fA。在t＝280,000秒(约78小时)下，使该温度回升至300℃且该电流增加至约0.25 pA，接近先前在该温度下所获得的值。

在本配置内，电流方向为正，指示该铝用作电子受体而该金云母用作电子施体。本实验确认体绝缘体可用于本发明的装置及方法内。注意，在所述测量的时间窗口内经测量电流稳定达数小时。该电流是温度相关的事实是根据由本发明人发现的气体介导的电荷转移机制。

图15示出就操作(b)-(i)而言作为温度的函数的以绝对值(安培)表示的经测量电流。

图15中的正方形对应于使用该掺杂硝酸纤维素-不锈钢对的操作(b)。如所示，T_In自约25℃逐渐上升至约85℃导致电流自76fA增加至20pA。注意，在约室温下经测量的低电流大于在真空条件下经测量的基线电流(1fA)。

图15中的圆对应于使用该铝-薄玻璃对的操作(c)。如所示，T_Ex自60℃逐渐上升至100℃导致电流自65fA增加至0.4pA。

图15中的三角形对应于使用该MACOR^?-铝对的操作(d)。如所示，T_In自约100℃逐渐上升至约200℃导致电流自11fA增加至3.67pA。

图15中的菱形对应于使用该薄玻璃-铬对的操作(e)。如所示，T_In自约150℃逐渐上升至约250℃导致电流自78fA增加至17pA。这些结果以条目第25-29号示于表6中。

图15中的十字形对应于使用该薄玻璃-r-GO对的操作(f)。如所示，T_In自约72℃逐渐上升至约180℃导致电流自78fA增加至86pA。空心圆对应于使用该薄玻璃-MnO₂对的操作(g)。如所示，T_In自约136℃逐渐上升至约180℃导致电流自43fA增加至0.16pA。

图15中的加号(+)对应于使用薄玻璃-Mo对的操作(h)。如所示，T_In自约111℃逐渐上升至约180℃导致电流自15fA增加至3pA。空心正方形对应于使用该薄玻璃-(Cr₃Si-SiO₂)对的操作(i)。如所示，T_In自约126℃逐渐上升至约180℃导致电流自15fA增加至0.48pA。这些结果以条目第63-66号示于表6中。

这些实验证明不考虑用于加热的技术(在操作(b)、(d)至(i)中为内部加热，而在操作(c)中为外部加热)，经测量电流的温度相关性通常类似且大体上为指数。这证实当仅将下表面加热时，该经测量电流并非来自可存在于所述表面之间的任何较小温度梯度，而是来自该气体本身的温度。

使用惰性气体观测到稳定电流的事实排除来自气体化学反应的贡献。操作(b)的结果证明在室温下单一结构对足以产生充分大于噪声水平的可测量电流。而且，图15中的任一曲线的外推法表明：就操作(b)-(i)中的任一项而言，在室温或更低温度下充分大于噪声水平的可测量电流可自单一对产生。显然，在串联堆中的多个该对的使用将增加通过该堆的所产生电位且并联的多个该对将增加该电流。

实验IV

本实验涉及确认颠倒这两种结构导致电流方向的逆转的预测。除使用该玻璃圆盘作为接地结构并使用该铝圆盘作为无接地结构外，该实验类似实验III、操作(c)。在室抽空后，注入300毫巴氦同时从外部将该室加热至T_Ex=60℃。所得到的电流为-100fA，其符号与在实验III的操作(c)中所测量的电流(+65fA)相反但通常具有类似强度。经颠倒结构的结果以条目第27及30号示于表6中。本发现证实该经测量电流来自这两个表面之间的差异及它们与该气体介质的相互作用而非来自非期望实验效应。两个电流之间的绝对值差异可归因于许多因素，诸如空隙尺寸与重叠区域的轻微差异。

实验V

材料及方法

如示例7中所述，用铝溅射在薄玻璃圆盘(直径50毫米，厚度100微米，粗糙度小于50纳米)的一侧上。将十片该经铝溅射的玻璃圆盘的堆放置在该室中，使得就每两个相邻圆盘而言，一个圆盘的经溅射侧接触另一圆盘的暴露(无溅射)侧。最下层圆盘定位成使其经溅射侧面向该内部加热器并接地且其暴露侧面向从最下层圆盘算起倒数第二层。因此，在本实验中，该接地侧为玻璃而该无接地侧为铝。使用氦作为气体介质。

将该室抽空后，将该内部加热器加热至200℃，并注入300毫巴氦。测量并记录电压信号。就单一玻璃-铝对而言，重复本程序。

结果

图16示出就单一结构对(连续线)及十对堆(虚线)而言作为时间的函数的电压。该原点(t＝0)对应于将该实验设备自用于电流测量的短路切换至用于电压测量的开路的时间点。就该单一对(下轴)而言，时间是以分钟示出，而就该堆(上轴)而言，时间是以小时示出，因为该堆具有较高电阻。注意，该实验设备的总电容受测量装置(就所有实验操作而言，其都是相同)支配。因此，虽然该堆的总电阻显著高于单一对的总电阻，但是这两种情况而言，该电容通常相同。由于特性响应时间与被乘以该电容的电阻成比例，所以该堆的响应时间显著高于单一对的响应时间。

如图16中所示，经6小时后，该堆的累积电压达3V，而经6分钟后，该单一对的累积电压达0.3V。这些电压之间的比率为10：1，其与该堆操作中的电池数(10)及该单一对操作中的电池数(1)之间的比率相同。本发现支持以下结论：该经测量电压来自通过每个气体填充的电池而产生的电位而非来自任何非期望实验效应。

实验VI

在本实验中，测量3种不同施体-受体结构对的累积电压。在第一回操作中采用玻璃-铝对，在第二回操作中采用铝-MACOR^?对，而在第三回操作中采用玻璃- MACOR^?对。在所有回操作中，将该内部加热器加热至200℃且在将室抽空后，注入300毫巴氦。

第一回操作产生约0.3V的电压平台。该铝用作电子施体，而该玻璃用作电子受体。第二回操作产生约0.9V的电压平台。该MACOR^?用作电子施体，而该铝用作电子受体。第三回操作产生约1.15V的电压平台。该MACOR^?用作电子施体，而该玻璃用作电子受体。

已证明使用该玻璃-MACOR^?对测量的累积电压(1.15V)约等于使用该玻璃-铝对测量的电压(0.3V)及使用铝-MACOR^?对测量的电压(0.9V)的总和。该电压是相加的事实证实所述测量来自发生于所述表面之间的气体介导的电荷转移而并非来自外部电路。

实验VII

材料及方法

在先前实验(例如参见实验III，尤其图14及15)中已证明：所产生电池稳定达至少几小时的时段，并且该电流取决于T_In或T_Ex。在本实验中，以超过4天监测T_In及T_Ex二者。在本实验中的接地结构地为通过经LiClO₄掺杂的硝酸纤维素而旋涂的铝圆盘，该无接地结构为不锈钢圆盘(直径40毫米，厚度5毫米)，且使用氩作为气体介质。

将该内部加热器加热至80℃，将该室抽空且该基线电流稳定于约0.1 pA。经约17小时后，注入100毫巴氩，且在这些条件下监测该系统达4天。

结果

图17示出作为时间的函数的电流及外部温度T_Ex。该电流以pA指示在左纵坐标上，T_Ex以摄氏度数指示在右纵坐标上，且时间以小时指示在横坐标上。在相同时间点下记录电流及外部温度。在图17内，自t＝0至t＝19的时段对应于自该室初始抽出空气以进行稳定化。在t＝19小时下，以将氩注入该室内开始进行该实验。

在将气体注入该室内时观测到瞬态电流尖峰。经约20小时后，该系统达到稳态且电流通常稳定至约1pA的值。当该室温度变化时观测到电流波动。当该室处于约24℃时，电流水平为约1.25pA，当经约12小时后该室温度降至约18℃时，该电流降至约0.8pA。

本实验证实一旦达到稳态时，该电流通常稳定数天（具有亚皮安培的波动）。本实验还证实该电流对温度的相关性。假定在约21℃的平均温度下平均电流为1.0pA，本实验示出室温度的±3℃波动可导致所测量电流的约±20%的变化。结果以条目第31号示于表6中。表6的条目第26号及第31号之间有差异，这可归因于几项因素，诸如空隙尺寸的轻微差异及该掺杂硝酸纤维素涂层厚度的差异。

实验VIII

本实验涉及电流(及可获得最大电流时的压力)对这两个表面之间的空隙大小的相关性的研究。

概括地说，有两种用于通过本发明实施例的装置而产生电力的条件：在气体与所述固体表面之间的电荷转移、及带电的气体分子成功地越过所述表面之间的空隙。就较小空隙而言，由所述气体分子进行的电荷传输的概率较大(假设该空隙充分大以使气体分子进入)。因此，在所有其它相同的情况下，较小的空隙将产生较高电流且在较高压力下将获得最大电流。

材料及方法

本实验包括如下下面称为操作(a)-(i)的9回实验操作。

在操作(a)至(c)中，该接地结构为用铬溅射于一侧上的薄玻璃圆盘(直径50毫米，厚度100微米，粗糙度小于50纳米)，而该无接地结构为如实验III操作(e)中所述的用230纳米铬层完全溅射涂覆的扁平玻璃圆盘(直径50毫米，厚度10毫米，粗糙度小于10纳米)。将该一侧经涂覆的玻璃圆盘定位在该室中，其中其经涂覆侧连接地面端子且其未经涂覆侧面向完全涂覆的铬圆盘。通过具有3微米平均高度的氧化铝(Al₂O₃)隔片而分离这两种结构。如上文实骤I中所述，将所述氧化铝隔片旋涂在薄玻璃表面上。在操作(a)中，该气体介质为氙，在操作(b)中该气体介质为氩，且在操作(c)中，该气体介质为氦。

除氧化铝隔片具有1微米的平均高度外，操作(d)至(f)分别与操作(a)至(c)相同。

除了未使用隔片外，操作(g)至(i)分别与操作(a)至(c)相同。就这些操作而言，空隙大小并非0，而是对应于所述表面的平均粗糙度。

在T_In=150℃下进行所有操作。操作(a)对应于实验III操作(e)中所述曲线中的最低温度点，其中在150至250℃的内部温度范围内建立T_In与该测量电流之间的关系。除氧化铝隔片具有7微米的平均高度外，在T_In=250℃下再进行3次类似(a)-(c)的操作。在每回操作内，确定阈值压力并记录最大电流。这些测量值以条目第21-23、及32-41号示于表6中。

结果

图18示出作为每个所使用3种气体的间隔(微米)的函数的在阈值压力下所测量的电流(pA)。正方形对应于氦(σ=2.4埃)，圆对应于氩(σ=4.0埃)，而三角形对应于氙(σ=5.4埃)。如所示，该电流随间隔的增加而降低。对空隙大小的相关性的非线性使本发明人获得以下结论：该空隙大小的进一步减少将导致高得多的电流。图18还证明该气体分子的直径愈小，在阈值压力下所测量的电流愈高，这与依照其较小分子具有较大平均自由程的气体介导的电荷转移模型一致，因此跨越给定空隙的电荷传输的概率更高。

图19示出作为1/σ²的函数的阈值压力(毫巴)，在所述压力下在平台阶段时首先测出最大电流，其中σ为该气体分子的直径(以埃计)。在图19中，菱形对应于即使用3微米隔片的操作(a)-(c)，三角形对应于即使用1微米隔片的操作(d)-(f)，而正方形对应于即未使用隔片的操作(g)-(i)。注意，在对应于操作(a)及(g)（即使用3微米隔片的操作及以氙执行的不含隔片的操作）的数据点之间有重叠。

如所示，在该阈值压力与1/σ²之间有线性关联：该气体分子的直径愈小，阈值压力愈高，这与上述实验II的结果一致。图19还示出在该空隙大小与阈值压力之间有反关联：较大空隙大小需要较低压力以产生最大电流。

实验IX

这是对照实验，其中电化学导出的电流是精心产生的。据此，使用水蒸汽作为该气体介质。不像其它气体诸如上述气体，在执行所述实验的温度及压力下，水可处于液相。

材料及方法

使用薄玻璃圆盘(厚度100微米，直径50毫米，且粗糙度小于50纳米)作为接地结构。该玻璃圆盘的一侧用铝溅射以促进与地面端子的良好接触。在这些操作中该无接地结构为铝圆盘(厚度7毫米，且直径40毫米)，且使用水蒸汽作为气体介质。在无隔片的情况下，该玻璃圆盘定位成未经涂覆侧面向铝圆盘。

将该内部加热器设定至60℃并将压力设定至7毫巴以便确保该室内不存在水冷凝。此后，将该压力设定至27毫巴同时维持内部加热器于60℃下以便诱发水冷凝。遍及该实验监测并记录电流。

结果

在存在7毫巴水蒸汽下所测量的电流为+0.6pA，而在27毫巴的较高压力下所测量的电流为-12pA(参见表6，条目第42-43号)。该27毫巴压力对应于通过使该室饱和有水蒸汽以达其在室温下的蒸汽压力而获得的压力。以水冷凝模式的该电流方向与基于电化学的电流一致，而在不存在水冷凝下该电流的方向相反。本实验证明当表面间的空隙由非冷凝气体充填时所产生的电流并非来自电化学过程。

实验X

本实验涉及确定功率产生区域并涉及找出其中使用本发明装置或方法而获得最大功率的最佳工作点(电流及电压)。

材料及方法

稍微修改该实验设备(见图11)并在结构1101与地面1109之间连接DC电压源(Yokogawa 7651)。该DC电压源并未示于图11中。施加电压并通过连接至第二结构1111的外部静电计1117而监测电流。执行两回实验操作。在操作(a)中，使用硅石圆盘(在先前用铝预涂覆以接触地面的、具有40毫米直径、5毫米厚度及小于10纳米粗糙度的扁平玻璃圆盘上溅射600纳米厚度的SiO₂)作为接地结构，且二氧化锰(220纳米，溅射在溅射前涂覆有铝的具有50毫米直径、100微米厚度且小于50纳米粗糙度的薄玻璃圆盘上)用作无接地结构。在无任何隔片的情况下该二氧化锰面向接地结构的硅石侧。在操作(b)中，使用具有50毫米直径、100微米厚度且小于50纳米粗糙度的薄玻璃圆盘(其一侧上已用铝溅射以接触地面)作为接地结构，且旋涂于具有52毫米直径且5毫米厚度的不锈钢圆盘上的还原性氧化石墨(r-GO)用作无接地结构。下面(参见示例XII)进一步详述该r-GO圆盘的制备。在无任何隔片的情况下该r-GO面向接地结构的玻璃侧。就操作(a)及(b)而言，将该内部加热器加热至180℃，并在室抽空后，在1,100毫巴下注入用作气体介质的氦。

结果

图20A及20C示出作为施加的电压V(以伏特计)的函数的所测量电流I(以皮安计)，而图20B及20D示出作为施加的电压V的函数的经计算功率p(以皮瓦计)（p=I?V）。图20A及20B涉及操作(a)，而图20C及20D涉及操作(b)。

如图20A所示，当未施加电压时操作(a)中的短路电流为约2.5pA，而当电流为0pA时该开路电压为-0.63V。如图20B所示，功率在-0.63至0V的施加的电压之间产生，且在约-0.34V的施加的电压V下最大获得的功率（以绝对值计）为约3.3pW。如图20C所示，当未施加电压时操作(b)中的该短路电流为约94pA，而当电流为0pA时该开路电压为-1V。如图20D所示，功率在-1至0V的施加的电压之间产生，且在约-0.4V的施加的电压V下最大获得的功率（以绝对值计）为约16.3pW。因此，就操作(a)而言在0至-0.63伏特的范围内及就操作(b)而言在0至-1伏特的范围内，电阻是负的，且该系统作为发电机操作。本实验的结果证明本发明的装置自气体分子的热运动产生电力。

实验XI

本实验涉及测量作为压力的函数的电流值以确定使用本申请的教导而获得最大电流的阈值压力。

材料及方法

所述接地及无接地结构与用于上述实验VIII中的薄玻璃及铬结构相同。将T_In设定至200℃，将T_Ex设定至50℃，并使用氦作为气体介质。室抽空并使零基线电流稳定后，以50毫巴的压力步进自50到大于1,200毫巴下注入氦。在第一压力步进下，允许该系统稳定至少2小时，然后记录电流。在每个接下来的压力步进下，允许电流稳定，然后记录该电流。在本实验中，15分钟的稳定阶段足以，因为所述测量在50毫巴压力下而非在真空中开始，且因为施加50毫巴的小压力步进。

结果

图21示出作为该气压(毫巴)的函数的经测量电流(pA)。图21中所示，在以50毫巴的增量使压力自50逐渐增加至约700毫巴的第一阶段中，该电流单调地自约2.7pA上升至约5.7pA。在第二阶段中，自约700至约1,250毫巴，该电流达到作为压力的函数的平台。

所观测的压力相关性是根据由本发明人发现的该气体介导的电荷转移机制。所产生的电流随高至其中所述气体分子的平均自由程小于这两个表面之间的空隙的压力而增加。将压力增加大于该点也在所述气体分子可将它们的电荷传输跨越空隙抵达第二表面之前增加气体分子之间碰撞的概率，而且还增加能够转移所述电荷的分子数目。因此在所述分子间碰撞(其降低每分子的电荷传输速率)与分子总数目之间存在平衡，所述分子总数目增加欲转移的气体介导的电荷的总量。据信图21证明这种平衡。两个冲突的效应似乎彼此抵消，使得大于阈值压力，该电流不再取决于或仅微弱取决于气压。

该曲线图的单调增加部分对应于产生大于空隙大小的平均自由程的压力。如示例1中所解释，在λ>d的条件下，每单位时间与所述表面相互作用的分子数目预期与压力线性相关。该曲线图的平台部分对应于产生小于空隙大小的平均自由程的压力。阈值压力可定义为电流不再随压力而显著增加的最低压力。可能的是：就表面材料、气体及操作条件的特定组合而言，该电流可随压力的增加而下降，而非稳定在平台处。在本实验图21中，该阈值压力为约700毫巴。

实验XII

实验III操作(a)指示层状材料可以用作表面。当所述表面之一由不良导电矿物(金云母，一种天然硅酸盐化合物)制成时，其被说明。在本实验中，所使用层状材料为导电还原的氧化石墨(r-GO)，其对应于石墨烯(包含石墨的单层)。

材料及方法

使用Hirata方法(例如参见美国专利第6,596,396号)将石墨(具有约25、75微米范围内的薄片大小的Asbury石墨3763)氧化。清洗、洗涤并使用Microza^?膜滤器(Pall Corp., UMP-1047R)浓缩所得到的氧化石墨(GO)。AFM扫描确认如此获得的GO纳米薄层的厚度范围为自约1纳米厚的单一GO薄片至多个薄片，其总平均厚度为约3纳米。

然后通过在230℃下在真空中整夜加热而使该GO热还原成石墨烯，获得还原GO，其预期仅包含15-20%残留官能基。以0.4%的重量浓度使该r-GO分散在1%乙酸溶液中。

经抛光D2钢圆盘(具有52毫米直径，约5毫米厚度，并且小于50纳米粗糙度)用作支撑表面。将该圆盘的外缘切削以避免在涂覆期间r-GO厚度积累。首先用异丙醇清洗的该圆盘用粘着性底漆(Microlite HST-XE 20的上澄清液)的薄层进行预涂覆。将该经预涂覆的圆盘放置在旋涂机上并用r-GO悬浮液弄湿。然后以1,200RPM旋涂该圆盘。干燥所形成的薄r-GO(石墨烯)涂层，同时在不超过80℃下的温度下用热空气吹风机进行旋转。当该层看起来干燥时，重复该旋涂程序，直到使用总共9克r-GO悬浮液为止。使用旋涂法以确保所述层状石墨烯层被积累为取向层状涂层。

然后在真空烘箱内，在95℃下进一步干燥该层状r-GO旋涂圆盘达24小时。在本初步干燥步骤后，将该圆盘转移至炉(Ney Vulcan 3-1750)上，在此处其以20℃增量每次加热2小时的时段，直到温度达到230℃为止，在该温度下使其静置最后10小时烘干以确保完全干燥。此后，在使用前将其贮存于干燥器（dessicator）中。

使用薄玻璃圆盘(直径50毫米，厚度100毫米，且在一侧上用铝溅射以与地面接触)作为接地结构，且该r-GO圆盘用作无接地结构(其中在无任何隔片的情况下，该r-GO面向玻璃且该不锈钢衬底用作到外电路的接触)。将T_In设定至180℃且在室抽空及零基线电流确定后，使用氦作为气体介质。

结果

在存在1,100毫巴的氦下，如下表6中以条目第59号所汇总，经测量电流为约+150pA。在本设备中，玻璃用作电子受体而r-GO用作电子施体。本实验证明层状材料可用于本发明某些实施例的装置中。

实验XШ

上述实验已确认具有广范围的体导电率的各种材料适合于本发明某些实施例的装置的表面。在本实验中，在7回实验操作中研究由半导体制成的表面。

材料及方法

在操作(a)中，使用具有<100>表面晶向及8-12Ω·cm的电阻率的掺杂磷的硅晶圆圆盘(双侧经抛光，具有50.8毫米直径、300微米厚度及小于1纳米粗糙度)作为接地结构。

在操作(b)中，使用具有相同尺寸及晶向但电阻率为0.1-1.2Ω·cm的掺杂硼的硅晶圆的圆盘作为接地结构。

在操作(a)及(b)二者中，使用铝圆盘(200纳米厚，溅射在40毫米直径及5毫米厚度的扁平玻璃圆盘上)作为无接地结构。

在操作（c）中，操作（a）和（b）的硅晶圆圆盘被配对，即上述掺杂磷的硅晶圆圆盘被用作接地结构而掺杂硼的硅晶圆圆盘被用作无接地结构。

在操作(d)中，使用具有<110>表面晶向及0.7-1.3Ω·cm的电阻率的掺杂磷的硅晶圆的圆盘(双侧经抛光，具有50.8毫米直径、140微米厚度、小于1纳米粗糙度)作为接地结构并使用钆圆盘(560纳米厚度，溅射在40毫米直径及5毫米厚度的扁平玻璃圆盘上)作为无接地结构。

在所有操作(a)-(d)中，在无隔片的情况下，使所述接地及无接地结构彼此面对。在1,100毫巴的恒压及不同于下面详述的每个操作的内部温度T_In(但总是包含200℃下的共同点)下使用氦作为气体介质。

在操作(e)-(g)中，如操作(a)-(b)中的铝圆盘作为接地结构且如操作(a)中的掺杂磷的硅晶圆的圆盘作为无接地结构。如实验I中所述，将具有7微米的平均高度的铝隔片旋涂在该接地结构上。将该内部加热器设定于T_In＝250℃下并将外部加热器设定于T_Ex＝70℃下。在室抽空后，在1,100毫巴的恒压下注入该气体介质。在操作(e)中，该气体介质为氙，在操作(f)中为氩，且在操作(g)中为氦。

结果

该实验的结果列示在下表6的条目第44-50号中。

如条目第44-47号中所示，当在无任何隔片的情况下所使用的所述表面中的至少一个表面由半导体材料制成时，经测量电流显著地增加了若干数量级达纳米安培范围。在操作(a)中，将T_In自150℃增加至200℃将电流自8.5nA增加至52nA。在操作(b)中，内部温度的相同增加将电流自-2.7nA提高至-15nA。该负电流指示在本设备中，该掺杂硼的硅晶圆用作电子施体。在操作(c)中，在T_In＝200℃下测试该包含两个经不同掺杂的硅晶圆的对，且经测量电流为0.9nA。

如条目第48-50号中所示，当在该金属与半导体表面之间使用隔片时，当该气体介质为氙，则经测量电流为0.24pA且当该气体介质为氩或氦，则该经测量电流为1pA。虽然隔片的存在导致经测量电流的显著下降，但是其仍然是显著的。这些实验证明半导体材料可用于本发明某些实施例的装置中。具有中间范围体导电率的材料(诸如半导体)的一个优点在于它们对传输电流充分地导电且在无任何隔片的情况下使用时充分地不导电。

实验XIV

在本实验中，研究通过根据本发明某些实施例的电沉积而进行的原位表面活化。

材料及方法

使用在一侧上用铬溅射以接触的薄玻璃圆盘(50毫米直径，100微米厚度且小于50纳米表面粗糙度)作为无接地结构。使用r-GO圆盘(如实验XII中所述的那样制备)作为无接地结构。将每重量含0.01% Sodium Petronate?L(Witco)作为电活化粒种的Isopar? L溶液放置在该玻璃表面上。在无任何隔片的情况下，将该r-GO放置在非极性溶液上。在第一阶段中，该无接地r-GO结构通过其钢支撑件而连接至电压源的正端子并在室温下施加+100V达2小时。

在电沉积后，将该活化电池(同时仍处于电压偏置下)加热至T_In=120℃并将该室抽空达10小时以移除基于Isopar? L的溶液及任何残留湿气。通过将所述表面短路而将该电池完全放电，因此确认零基线电流。在1,100毫巴的恒压下注入氦以作为气体介质。

结果

如下表6中所示，在条目第61号中，当所述表面的至少一个表面通过电沉积过程而活化时，经测量电流为约130pA。注意，在约120℃的相同温度下，玻璃-r-GO的未经活化电池产生约2pA的电流。本实验证明根据本发明某些实施例的所述表面的活化导致所产生电流显著地增加约2个量级。

注意，在所有上述实验中气压不存在下降，指示通过气体反应未消耗气体。

表6概述实验I-XIV及使用图11的设备所执行的其它实验中所获得的结果。在表6中，NA指示特定条目不适用。玻璃指示所使用的表面为具有50毫米直径、100微米厚度及小于50纳米粗糙度的薄玻璃圆盘。所示的温度涉及所适用的T_In及/或T_Ex。

表6

表6证明使用根据本发明各种示例性实施例的装置及方法来产生电流。所述实验示出所测量电流及电压源自选定材料与气体介质之间的相互作用。这通过该电流的温度及压力相关性、通过在真空中未观测到电流的事实、及通过当颠倒该电池结构时逆转电流方向的事实而证明。所述实验进一步示出甚至使用稀有气体及/或惰性材料来产生电流，因此排除电化学反应。所述实验另外证明该电流的方向与将由电化学反应而产生的电流相反。

多对结构的堆的总电压对应于单一对(实验V)的电压的适当倍数的事实进一步指示通过本发明而产生的经测量电力不是从任何外部电路或非期望实验效应中导出。

针对根据本发明某些实施例的电流及电压的产生所做的观测结果与通过本发明人而发现的该气体介导的电荷转移机制一致。在跨越几个数量级的导电率范围下，针对不同电荷可转移性的各种表面示出电力的产生。在各种工作条件下已发现许多气体是合适的。效率对温度及压力的相关性证实本发明的气体介导的电荷转移机制的存在。所述实验示出依照本发明，在室温下已显著大于噪声的电流随温度而指数地增长(图15)。就特定隔开的表面对及特定气体而言，在与所述气体分子的大小有关的阈值压力下，该电流达到最大值的平台。就特定表面对及特定气体而言，该空隙愈小，经测量电流愈高，且该空隙愈小，产生最大电流时的阈值压力愈高。

所述实验数据清楚地证明本发明的基本机制：将热能直接转换成电流的气体介导的电荷转移效应。

虽然本发明已经参考其特定实施例而说明，但显示许多备选、修改及变化将为本领域技术人员所知。因此，有意涵盖属于所附权利要求书的精神及广泛范围内的所有这种备选、修改及变化。例如图2的装置示为具有串联连接电池的并联列。在本发明的某些实施例中，可重叠所述电池，以便它们并非呈并联列的形式，而是呈形成更复杂结构的电池的形式，诸如砌砖或随机结构。而且，当所述隔片被描述为由颗粒或单独元件形成时，所述部分导电表面的表面凹凸不平(表面粗糙度)本身可用作隔片，原因在于一个表面的仅小百分比实际接触其它表面，以便尽管该表面凹凸不平的触点，仍使所述表面之间的总导电率维持低。此外，虽然本发明描述在室温下或接近室温下操作的方法及装置，但是可以在高温，诸如50、100、150、200或400℃下以及在更高、中间或较低温度下实践该方法。

本说明书中所提及的所有公开、专利及专利申请在此全文并入本说明书以供参考，其并入程度就如同每个单独公开、专利或专利申请被详细且独立地指示并入本文以作为参考一般。此外，本申请中的任何参考文献的列举或确认不应被视为承认此参考文献可用作本发明的现有技术。在使用章节标题的意义上，它们不应视为必要的限制。

Claims (72)

1. 一种用于将热能直接转换成电力的电池装置，包括：

第一表面与第二表面，其中在所述表面之间有空隙；以及

位于所述表面之间的具有处于热运动的气体分子的气体介质；

所述第一表面可用来将电荷转移至与所述第一表面相互作用的气体分子，而所述第二表面可用来接收来自与所述第二表面相互作用的气体分子的所述电荷；

其中所述表面之间的电位差通过在不存在外部施加的电压的情况下的所述电荷转移而产生。

2. 一种用于将热能直接转换成电力的电池装置，包括：

第一表面与第二表面，其中在所述表面之间有空隙；以及

位于所述表面之间的具有处于热运动的气体分子的气体介质；

所述第一表面可用来将电荷转移至与所述第一表面相互作用的气体分子，而所述第二表面可用来接收来自与该第二表面相互作用的气体分子的所述电荷；

其中所述空隙小于1000纳米。

3. 一种用于将热能直接转换成电力的电池装置，包括；

第一表面与第二表面，其中在所述表面之间有空隙；以及

位于所述表面之间的具有处于热运动的气体分子的气体介质；

所述第一表面可用来将电荷转移至与所述第一表面相互作用的气体分子，而所述第二表面可用来接收来自与所述第二表面相互作用的气体分子的所述电荷；

其中所述第一表面与所述第二表面在彼此的50℃内。

4. 一种用于将热能直接转换成电力的电池装置，包括：

第一表面与第二表面，其中在所述表面之间有空隙；以及

位于所述表面之间的具有处于热运动的气体分子的气体介质；

所述第一表面可用来将电荷转移至与所述第一表面相互作用的气体分子，而所述第二表面可用来接收来自与所述第二表面相互作用的气体分子的所述电荷；

其中所述第一表面与所述第二表面处于小于200℃的温度下。

5. 如权利要求1-4中任一项的装置，其中所述表面之一使气体分子带电，而另一表面中和带电的气体分子。

6. 如权利要求1-4中任一项的装置，其中所述表面二者使气体分子带电，其中一个表面使气体分子带正电而另一表面使气体分子带负电。

7. 如权利要求1-6中任一项的装置，其中所述第一表面具有正电荷可转移性，而所述第二表面具有负电荷可转移性。

8. 一种用于产生电力的电池装置，包括：

与第一电触点电连通的第一表面；

与第二电触点电连通的且在所述第一表面的50℃内的第二表面；以及

位于所述表面之间的空隙中的气体介质；

其中所述第一表面具有正电荷可转移性，且其中所述电触点可连接至负载以提供通过所述负载自所述第一表面流至所述第二表面的负载电流。

9. 如权利要求1-8中任一项的装置，其中所述表面中的至少一个是导电衬底的表面。

10. 如权利要求1-8中任一项的装置，其中所述表面中的至少一个是具有小于10^-9S/m的导电率的衬底的表面。

11. 一种电源装置，包括多个如权利要求1-10中任一项的电池装置，其中至少一个相邻电池装置对通过导体而互连，使得电流通过所述导体自所述对的第一装置的第二表面流至所述对的第二装置的第一表面。

12. 如权利要求11的电源装置，其中所述相邻电池装置对是以串联及并联布置而布置的，使得该电源装置的电流大于任何单一电池的电流，且使得该电源装置的电压大于任一电池装置的电压。

13. 一种电源装置，包括：

第一导电电极及第二导电电极；

在所述电极之间的第一电池装置堆及第二电池装置堆，每个电池装置是如权利要求1-10中任一项；

其中在每个堆中，所述堆的每个相邻电池装置对通过导体而互连，使得电流通过所述导体自所述对的第一电池装置的第二表面流至所述对的第二电池装置的第一表面；且

其中所述第一堆及所述第二堆将电荷自所述第一电极输送至所述第二电极。

14. 如权利要求11-13中任一项的装置，其中所述导体为具有两侧的导电衬底，其一侧构成一个电池装置的表面而相对侧构成相邻电池装置的表面。

15. 如权利要求11-13中任一项的装置，其中所述导体为涂覆有导电材料以便在所述衬底的第一侧与所述衬底的第二侧之间建立导电的衬底；以及

其中所述涂覆衬底具有两侧，其一侧构成一个电池装置的表面而相对侧构成相邻电池装置的表面。

16. 如权利要求11-15中任一项的装置，其中所述电池的表面以有序或随机方式彼此重叠，使得单一衬底的表面由至少两个电池部分地共享。

17. 如权利要求1-16中任一项的装置，进一步包括用于防止所述气体介质的泄漏的密封外壳。

18. 如权利要求17的装置，其中所述密封外壳内的压力高于环境压力。

19. 如权利要求17的装置，其中所述密封外壳内的所述压力低于环境压力。

20. 如权利要求17的装置，其中所述密封外壳内的所述压力高于1.1个大气压。

21. 如权利要求17的装置，其中所述密封外壳内的所述压力高于2个大气压力。

22. 如权利要求2-21中任一项的装置，其中所述表面之间的任何电压通过在不存在外部施加的电压的情况下的所述电荷转移而产生。

23. 如权利要求1及权利要求3-20中任一项的装置，其中所述空隙小于1000纳米。

24. 如权利要求1-23中任一项的装置，其中所述空隙小于100纳米。

25. 如权利要求1-24中任一项的装置，其中所述空隙小于10纳米。

26. 如权利要求1-25中任一项的装置，其中所述空隙小于5纳米。

27. 如权利要求1-26中任一项的装置，其中所述空隙小于2纳米。

28. 如权利要求1、2、4、7及9-26中任一项的装置，其中所述第一表面与所述第二表面在彼此的50℃内。

29. 如权利要求1-28中任一项的装置，其中所述第一表面与所述第二表面在彼此的10℃内。

30. 如权利要求1-29中任一项的装置，其中所述第一表面与所述第二表面在彼此的1℃内。

31. 如权利要求1-3及权利要求4-30中任一项的装置，其中所述第一表面与所述第二表面处于小于200℃的温度下。

32. 如权利要求1-31中任一项的装置，其中所述第一表面与所述第二表面处于小于100℃的温度下。

33. 如权利要求1-32中任一项的装置，其中所述第一表面与所述第二表面处于小于50℃的温度下。

34. 如权利要求1-33中任一项的装置，其中所述第一表面与第二表面是基本上平滑的且通过隔片而隔开。

35. 如权利要求1-33中任一项的装置，其中所述空隙通过从所述表面中的至少一个向外突起的粗糙特征而维持。

36. 如权利要求1-35中任一项的装置，其中所述表面中的至少一个包含至少一个选自由以下所组成的群组的磁性或非磁性物质：金属、半金属、合金、本征或掺杂的无机或有机半导体、介电材料、层状材料、本征或掺杂的聚合物、导电聚合物、陶瓷、氧化物、金属氧化物、盐、冠醚、有机分子、季铵化合物、金属陶瓷、及玻璃与硅酸盐化合物。

37. 如权利要求1-36中任一项的装置，其中所述表面每个都独立地包括至少一个选自由以下所组成的群组的磁性或非磁性物质：铝、镉、铬、钴、铜、钆、金、石墨、石墨烯、铪、铁、铅、镁、锰、钼、钯、铂、镍、银、钽、锡、钛、钨、锌；锑、砷、铋；氧化石墨、氧化硅、氧化铝、二氧化锰、氧化镍锰、二氧化钨、三氧化钨、氧化锡铟、氧化钙、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化锶、氧化铜钡钙钇；黄铜、青铜、铝刚、殷钢、钢、不锈钢；硫化钡、硫化钙；本征或掺杂硅晶圆、锗、硅、砷化镓铝、硒化镉、砷化锰镓、碲化锌、磷化铟、砷化镓及聚乙炔；MACOR?、氮化铝、氮化硼、氮化钛、六硼化镧；碳化铪、碳化钛、碳化锆、碳化钨；钛酸钡、氟化钙、钙盐、稀土盐、锆盐、锰盐、铅盐、钴盐、锌盐；硅化铬、Cr₃Si-SiO₂、Cr₃C₂-Ni、TiN-Mo；玻璃及金云母、苯胺黑、石油磺酸钠、聚乙烯亚胺、马拉加胶、OLOA 1200、卵磷脂、基于本征及掺杂的硝酸纤维素的聚合物、基于聚氯乙烯的聚合物、及丙烯酸树脂。

38. 如权利要求1-37中任一项的装置，其中所述表面包括至少一个独立选自由以下所组成的群组的物质：铝、铬、钆、金、镁、钼、不锈钢、硅石、二氧化锰、氧化镍锰、三氧化钨、经还原的氧化石墨、石墨、石黑烯、硅化铬硅石、氟化铯、HOPG、碳酸钙、氯酸镁、玻璃、金云母、氮化铝、氮化硼、玻璃陶瓷、掺杂硝酸纤维素、经硼掺杂的硅晶圆、及经磷掺杂的硅晶圆。

39. 如权利要求1-38中任一项的装置，其中所述第一表面与所述第二表面中的每个通过石墨烯衬底而支撑。

40. 如权利要求1-38中任一项的装置，其中所述第一表面与所述第二表面中的每个通过石墨衬底而支撑。

41. 如权利要求1-38中任一项的装置，其中所述第一表面与所述第二表面中的每个为改性石墨或石墨烯衬底。

42. 如权利要求1-38中任一项的装置，其中所述第一表面与所述第二表面之一为改性石墨或石墨烯衬底，而另一个为未改性石墨或石墨烯衬底。

43. 如权利要求1-38中任一项的装置，其中所述第一表面包括至少一个选自由以下所组成的群组的物质：金、镁、氟化铯、HOPG、碳酸钙、铝、铬、钆、钼、不锈钢、硅石、金云母、二氧化锰、氧化镍锰、三氧化钨、经还原的氧化石墨、石墨、石墨烯、硅化铬硅石、经硼掺杂的硅晶圆、经磷掺杂的硅晶圆、及氮化硼。

44. 如权利要求1-38中任一项的装置，其中所述第二表面包括至少一个选自由以下所组成的群组的物质：金、氯酸镁、铝、玻璃陶瓷、掺杂硝酸纤维素、玻璃、硅石、氮化铝、及经磷掺杂的硅晶圆。

45. 如权利要求1-44中任一项的装置，其中所述气体介质包括至少一个选自由以下所组成的群组的元素：卤素、氮、硫、氧、含氢的气体、惰性气体、碱性气体及稀有气体。

46. 如权利要求1-45中任一项的装置，其中所述气体介质包括至少一个选自由以下所组成的群组的气体：At₂、Br₂、Cl₂、F₂、I₂、WF₆、PF₅、SeF₆、TeF₆、CF₄、AsF₅、BF₃、CH₃F、C₅F₈、C₄F₈、C₃F₈、C₃F₆O、C₃F₆、GeF₄、C₂F₆、CF₃COCl、C₂HF₅、SiF₄、H₂FC-CF₃、CHF₃、CHF₃、Ar、He、Kr、Ne、Rn、Xe、N₂、NF₃、NH₃、NO、NO₂、N₂O、SF₆、SF₄、SO₂F₂、O₂、CO、CO₂、H₂、氘、i-C₄H₁₀、CH₄、Cs、Li、Na、K、Cr、Rb及Yb。

47. 如权利要求1-46中任一项的装置，其中所述气体介质包括至少一个选自由以下所组成的群组的气体：六氟化硫、氩、氦、氪、氖、氙、氮、甲烷、四氟化碳、八氟丙烷、水蒸汽及空气。

48. 如权利要求1-47中任一项的装置，其中所述气体介质在装置的操作期间未被消耗。

49. 一种将热能直接转换成电力的方法，包括：

提供第一表面与第二表面，其中所述表面之间有空隙；

使气体介质的分子与所述第一表面相互作用以便将电荷转移至至少一些所述气体分子；且

使一部分所述气体分子与所述第二表面相互作用以便自至少一些所述气体分子将所述电荷转移至所述第二表面，由此在所述表面之间产生电位差；

其中所述空隙小于1000纳米。

50. 一种将热能直接转换成电力的方法，包括：

提供第一表面与第二表面，其中所述表面之间有空隙；

使气体介质的分子与所述第一表面相互作用以便将电荷转移至至少一些所述气体分子；且

使一部分所述气体分子与所述第二表面相互作用以便自至少一些所述气体分子将所述电荷转移至所述第二表面，由此在所述表面之间产生电位差；

其中所述第一表面与所述第二表面在彼此的50℃内。

51. 一种将热能直接转换成电力的方法，包括：

提供第一表面与第二表面，其中所述表面之间有空隙；

使气体介质的分子与所述第一表面相互作用以便将电荷转移至至少一些所述气体分子；且

使一部分所述气体分子与所述第二表面相互作用以便自至少一些所述气体分子将所述电荷转移至所述第二表面，由此在所述表面之间产生电位差；

其中所述第一表面与所述第二表面处于小于200℃的温度下。

52. 一种将热能直接转换成电力的方法，包括：

提供第一表面与第二表面，其中所述表面之间有空隙；

使气体介质的分子与所述第一表面相互作用以便将电荷转移至至少一些所述气体分子；且

使一部分所述气体分子与所述第二表面相互作用以便自至少一些所述气体分子将所述电荷转移至所述第二表面，由此在所述表面之间产生电位差；

其中所述表面之间的电位差通过在不存在外部施加的电压的情况下的所述电荷转移而产生。

53. 如权利要求49-52中任一项的方法，其中所述表面之一使所述气体分子带电而另一表面中和带电的气体分子。

54. 如权利要求53的方法，其中所述表面二者使气体分子带电，一表面使气体分子带正电而另一表面使气体分子带负电。

55. 如权利要求49-51、53及54中任一项的方法，其中所述表面之间的任何电压通过在不存在外部施加的电压的情况下的所述电荷转移而产生。

56. 如权利要求50-55中任一项的方法，其中所述空隙小于1000纳米。

57. 如权利要求49及51-56中任一项的方法，其中所述第一表面与所述第二表面在彼此的50℃内。

58. 如权利要求50及52-57中任一项的方法，其中所述第一表面与所述第二表面处于小于200℃的温度下。

59. 如权利要求49-58中任一项的方法，其中所述第一表面与第二表面是基本上平滑的且通过隔片而隔开。

60. 如权利要求49-58中任一项的方法，其中所述空隙通过自所述表面中的至少一个向外突起的粗糙特征而维持。

61. 如权利要求49-60中任一项的方法，其中所述第一表面与所述第二表面中的每个通过石墨烯衬底而支撑。

62. 如权利要求49-60中任一项的方法，其中所述第一表面与所述第二表面中的每个通过石墨衬底而支撑。

63. 如权利要求49-60中任一项的方法，其中所述第一表面与所述第二表面中的每个为改性石墨或石墨烯衬底。

64. 如权利要求49-60中任一项的方法，其中所述第一表面与所述第二表面之一为改性石墨或石墨烯衬底，而另一表面为未改性石墨或石墨烯衬底。

65. 如权利要求49-64中任一项的方法，其中所述气体介质在装置操作期间未被消耗。

66. 一种方法，包括：

提供至少一个具有第一表面与第二表面的电池装置，其中所述表面之间的空隙填充其中具有电活化粒种的液体介质，所述空隙小于50微米；

在所述第一表面与所述第二表面之间施加电压以便诱发所述电活化粒种与所述表面中的至少一个的电化学或电泳相互作用，由此改性所述相互作用表面的表面性质；且

将至少一部分所述液体排出以便使所述空隙减少至少50%。

67. 如权利要求66的方法，其中所述至少一个电池装置为多个电池装置。

68. 如权利要求66及67中任一项的方法，其中所述排出使所述空隙减少至少90%。

69. 如权利要求66-68中任一项的方法，其中在所述表面改性前所述第一表面与所述第二表面由相同材料制成，且其中所述电活化粒种选择为使得在所述电化学或电泳相互作用后所述第一表面的特性电荷可转移性不同于所述第二表面的特性电荷可转移性。

70. 如权利要求69的方法，其中所述相同材料为石墨烯。

71. 如权利要求69的方法，其中所述相同材料为石墨。

72. 如权利要求66-71中任一项的方法，其中所述电活化粒种选自由盐及染料所组成的群组。

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