CN103081126A - 具有增强场和电子发射的光学天线 - Google Patents

具有增强场和电子发射的光学天线 Download PDF

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Abstract

描述了一种电磁能收集和传感的器件。所述器件使用增强的场来发射电子以进行能量收集。所述器件配置用于收集来自可见光、红外辐射和紫外电磁辐射的能量。所述器件包括具有几何结构的波导，所述几何结构经选择用于增强沿导体的电场以形成局部高电场，这导致跨过间隙向电子返回面的电子发射。

Description

具有增强场和电子发射的光学天线
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2010年6月8日的美国临时专利申请序号61/352,697的优先权，该申请通过引用而全文并入于此。
背景技术
传统上，使用带隙能量调整至所要收集的期望光子能量的半导体来收集紫外线(UV)、可见光和红外线电磁能或光能。备选地，光能可通过吸收器转化为热能，而热能继而可由诸如斯特林发动机(sterling engine)、蒸汽机或其他方法之类的传统热能收集器来收集。这些主要的太阳能收集技术可进一步归类如下：1)基于无机半导体的光伏(“PV”)发电，2)基于有机的PV发电，3)纳米技术，其包括碳纳米管和量子点，以及4)太阳热能或太阳能集中器技术。硅(基于半导体)PV技术、太阳热能技术和太阳能集中器技术是目前最广泛使用的商业化成熟技术。
在一些情况下，光伏技术使用由p型掺杂和n型掺杂半导体材料所生成的离散的带隙势来从光中收集能量。典型无机PV效率的范围可从单结电池的10％至三结PV电池的28％左右。PV技术因带隙能量收集限度和半导体电阻而在物理上限于33％的能量收集效率。
此外，基于半导体的PV具有与所使用的材料和制造工艺相关联的高成本。材料成本包括生产纯晶片和使用稀有昂贵材料的高成本。制造成本包括建造半导体工厂、控制所使用的有毒材料以及用以在制造过程中避免任何杂质掺入产品的洁净度要求的巨额资金成本。这些成本对于集成电路(IC)电子器件而言可能是适当的，这是因为允许IC发挥功能所需要的大多数(如果不是全部)特征可位于较小的面积内，并且许多器件生产于单一的晶片上。
与IC电子器件的需求相反，太阳能收集技术需要较大的表面面积来收集光。所述大面积需求由于产生基于PV的太阳能的表面积成本而对使用昂贵工艺的器件造成固有局限。因此，对许多能源市场而言，无机PV的使用存在成本制约。
当前PV技术的另一主要缺点是在PV器件的加工过程中和在最终PV产品中对有毒材料的使用。当前PV器件的寿命结束后，包含在此类器件中的对环境有毒或有害的材料会造成环境处理问题。
可用于收集光子能量的另一类技术包括使用电压增强型场发射的传感器。此类器件利用光电效应，使用高电压来检测通常为低强度的光子。此类器件具有净能量损失，并且使用外部电源来放大信号。这些器件与其所产生的功率相比消耗更多的功率，而且不可用作能量收集器。
另一类技术基于最近发现已有检测器上的电场增强可改善光检测器性能。这种增强方法使用表面结构来增强期望位置上的电场。根据此类技术创造的增强电场允许在器件中更大的电子迁移率。
虽然常规天线从天线结构到远场或从远场到天线结构转换电流，但光学天线也可用于近场应用，比如通过接触传感器成像和触摸屏显示器。可使用刚性或柔性衬底、金属层和介电层来设计天线结构以赋予更多的集成灵活性，以及利用光学天线阵列在宏观尺度上的几何形状来支持电磁场操纵。单位晶胞水平上的微几何结构和阵列水平上的宏观几何特征的此类组合在限定阵列的有效介电常数和磁导率的有效值方面提供了更多的自由度。例如，使用具有光谱内的色散性质的超材料结构内层来提高光学天线效率，以及支持对空气与内部界面处的电磁吸收和折射的操纵。此外，光学天线可通过或不通过1)热转换，2)使用金属的等离子体激元频率，或3)利用构建此类结构所用的材料的量子性质，来执行此类转换。
这些新技术前景广阔，但大多数局限于使用离散的量子能带来收集光，这造成了与半导体PV技术相同的固有效率局限性。增加结或阱的数目会增加带隙的数目并且增加可用的能量，从而提高跨可见光谱的效率。像无机半导体的情况一样，这种方法存在缺点，这是因为每个新的阱或结会产生可对其下面的阱或结造成干扰(遮掩)的层，并同时增加光和自由电荷二者的径程长度，从而增大因吸收和电阻而造成的损失。此外，纳米技术和量子点仍具有毒性、制造能力和效率方面的问题。
可以更经济地并以高产率制造这些光学天线的底层结构，从而允许将这些小而简单的结构使用在与尺寸、成本、效率或精度相关的各种应用中。
发明内容
本文所公开的系统和方法涉及光学天线，所述光学天线使用场集中方法从入射电磁波中产生能量，以便从不良场源创造电子发射。此类光学天线基于使用导电层和电介质层形成的纳米结构来捕捉光并使用电流或电压将其转化成能量，或从施加的电流(电压)或严重不良的电磁场发光。
在一些实施方式中，通过光子收集器和转化设计的物理特征来局部地增强光的电磁(EM)场。在一个实施方式中，利用光的电磁波特性，使用导体层与绝缘体层或电介质层之间的结构几何形状和分层来增强光波的电场和磁场。在另一实施方式中，金属包覆的纳米球状颗粒形成电子与入射电磁波的集体耦合。在一些情况下，颗粒的大小和金属决定这种耦合的特性，所述耦合也称为等离子体激元波。在另一实施方式中，等离子体激元波形成强大的局部场增强。
在一些实施方式中，使用利用或不利用等离子体激元的具有光学天线功能的波导来形成场增强。入射光被俘获在波导形式的结构中，该结构在宽范围的频率范围内共振，通过在所述结构的一部分上对场的高度集中来使更多的光能够被捕捉并转化成电流，由此提高总效率。等离子体激元存在于金属与电介质的界面上。在正确的情况下，光波引起波与金属表面处的移动电子之间的共振相互作用。根据光学天线结构，这些共振跨越宽范围的频率范围，所述频率范围关联于在所述结构中或通过高次模激发而俘获的波导的性质。所述相互作用生成表面等离子体激元。因此，使用表面金属上的选择性几何结构引起了频率依赖性共振吸收。
一些实施方式中所描述的系统和方法总体上提高电磁辐射的收集效率，并且更特定地提高可见光的收集效率。在一些情况下，这种效果的实现是通过：1)消除量子能带约束并且利用电磁辐射的连续光谱(例如，对于可见波长，利用整个可见和近可见光谱)，以及/或者2)通过改善天线结构与负责收集感生电流的相邻元件之间的匹配来降低自由电子的电阻。在具有诸如匹配、辐射场、方向性、效率等常规天线参数的不良场、场集中和增强场之间存在直接联系。此外，在某些情况下，本文所述系统和方法不需要或不包含半导体材料。在一些情况下，半导体材料的缺失产生出明显比基于半导体的传统光伏器件更便宜的器件。在一些潜在的应用中，半导体是优选的选择。
在一些实施方式中，本文所述系统和方法使用增强场来收集电磁能，以创造电子发射。在一些情况下，本文所述系统和方法使用与入射电磁波的尺度相似的特征尺寸来产生导体内的局部场增强，以便从电磁谱捕获能量。换言之，本文所述系统或方法的特征尺寸、结构特征、使用的材料和/或几何形状(例如，凹式结构的宽度、长度、直径、形状、深度、下降角等；凹式结构之间的距离；阳极的形状或连接性；等等)是可调节的，目的在于提高总能量收集；调整系统以改善从一定波长的光收集能量的方式和效率；以及做出匹配从而支持向电流的高效转换，等等。
在一些实施方式中，在导体中捕获电场，该导体的器件几何形状形成高场强区域的。所述场强足以引起电子发射跨过间隙至接地面或电子发射穿过界面至电流端口，从而形成电势差和电流。在一些实施方式中，利用本文所述系统或方法来收集UV光、可见光和/或红外光。例如，特定的特征尺寸和几何结构提供了在其中使用单一几何结构捕获紫外(UV)光、可见光和/或红外(IR)光整个光谱的系统。
本文提供的系统和方法可应用于各种场合之中，例如包括太阳能收集、传感器、近场成像、触摸屏、隐身、集中电磁能收集和光信号至电信号转换。作为另一示例，本文提供的系统和方法用于需要电力的应用或用于其他电磁传感器和系统应用。
在一个方面中，场增强能量收集器件或系统包括：
衬底，
所述衬底包括基面，
所述基面包括至少一个凹式结构，该凹式结构具有一个或多个从所述基面向下渐缩的成角度的壁面，在所述成角度的壁面之间形成了凹陷空隙，
所述凹陷空隙是空的或用透明或半透明材料填充，
所述一个或多个成角度的壁面在离基面的一定距离上接触或极为接近，
所述一个或多个成角度表面包含电磁能传导波导材料，
所述电磁能传导波导材料光学暴露于所述凹陷空隙，以及
阳极，其中所述器件包括介于所述阳极与所述凹式结构的所述电磁能传导波导材料之间的间隙。
在一些实施方式中，该器件的电磁收集区域包括跨过平面(例如，基面)的光学天线结构和波导(例如，在凹式结构内)的阵列。在某些实施方式中，本文所述系统或器件的一个或多个凹式结构、光学天线结构、波导、阳极或其他部分根据所要收集的电磁谱而定制。优选地，所述凹式结构包括一个或多个斜面结构或锥形结构(诸如圆锥结构、角锥结构、或成角度或锥形的其他多边形结构)，并且所述波导存在于或光学暴露于所述一个或多个斜面结构或锥形结构的表面上(即，光可到达于此)。此类光学天线类似于射频(“RF”)喇叭天线，不同之处在于它们在导体和绝缘体潜在地表现不同的光频率下操作。在一些实施方式中，所述基面与所述凹式结构的内壁表面之间的角度(见图3A中的Θ)为约90°、或在约70°与85°之间、或约54°与70°之间、或小于90°等。在一些情况下，所述凹式结构从顶部到底部的尺寸(深度)决定或影响(至少部分地)将要收集的光的波长。在一些情况下，顶面还包含弯曲或倾斜的边缘，用于进一步提高所述结构中的光俘获。在一些情况下，底面还包含弯曲或倾斜的边缘，用于进一步提高电子发射水平上的场强以及与电路界面的匹配条件。在一些情况下，提供这些结构用于收集连续频谱的电磁能或者对连续频谱电磁能的收集加以促进。总体上，这些结构形成本文所述系统和器件的阴极或电子发射体。
此外，在一些情况下，这些结构中的两个或更多个之间的间距(提供至少两个凹式结构的基面尺寸——见图3A中的311)形成针对其他波长的共振区域。换言之，在某些情况下，所述斜面结构收集一个波长谱，而它们之间的间隔收集另一个谱，从而提供或促进对多个波长的收集。在一些情况下，单位晶胞水平上的光学天线结构在阵列中的各点不同，从而能够更好地操纵空气或内层界面上电磁场的吸收和传播。
一个附加的实施方式包括管结构(例如，其中Θ为90°)。在一些情况下，所述管结构的形状呈圆形、椭圆形或多边形。这种管结构取代锥形结构，对于椭圆形或多边形形状，这种管结构具有一个宽度或有限数目的宽度。在某些情况下，这样的结构提供适合从特定波长收集能量的器件或系统。在某些情况下，具有设定距离的此类结构(例如，具有多个不同基面尺寸和/或几何形状)的阵列还提供所要收集的额外的特定波长。在一些实施方式中，此类系统用作传感器或使用于能量收集器件之中，其中收集来自特定类型/波长的光的能量。在某些情况下，改变这些器件的阵列宽度，允许通过确定来自具有特定大小的每个器件的信号强度来收集波长特异性信息。正因如此，诸如此类的器件可选地在特定频率检测器中得到利用。
在某些实施方式中，所述收集结构(凹式结构)为具有圆形横截面的圆锥形；然而，在其他实施方式中，所述收集结构具有其他形状，举例而言，诸如正方形、椭圆形、五边形、多边形或者甚至抛物线形。在一些情况下，所述收集结构的锥形横截面在沿表面的多个位置上形成所要收集的每个波长的波节。在一些情况下，所述收集结构还包含弯曲的、螺旋的或倾斜的边缘，用于进一步改善在电子发射水平上的场强以及与电路界面的匹配条件。在一些情况下，一种配置将许多结构紧密堆积在一起，从而使得收集表面的绝大部分由圆锥体所覆盖。在某些应用中，诸如六边形之类的锥形多边形结构对提高堆积密度更为有利。附加的实施方式包括非均匀区域，用于改变共振面积或者创造波节以相对于其他频率增强特定频率。
在一些实施方式中，所述结构为三角形或抛物线形的轨道。在一些情况下，用同心的或螺旋的圆形、正方形或其他结构来制造所述器件。这使该器件能够具有若干个隔离区域，所述隔离区域可限制损害的影响或者还可使制造该器件更容易。在一些情况下，所述置于器件内的结构的实施方式聚集成簇，以绕过具有损坏晶胞的簇。一般而言，制造工艺在制造过程中不会提供任何短路的晶胞；然而一些晶胞可能出现断路。
对于优选的宽光谱能量收集实施方式，所述结构是颠倒的，从而使所述结构的基底位于顶部并且所述结构向下渐缩。位于顶部的基底正对太阳能或其他光能的来源。在一些情况下，顶部基底直径(或其他横截面尺寸，即，凹式结构的基面尺寸)与所收集的光的最长波长相仿，所述光包括电磁波谱的红外线(IR)部分、可见光部分和紫外线(UV)部分。对可见光部分而言，在一个实施方式中，波导基底(或基面尺寸)介于约1000纳米(nm)与600nm，或约800nm与750nm之间。该尺寸对于紫外光会更短。在一些实施方式中，对红外线收集而言，所述基底大于1微米。在某些情况下，1微米大小以上的基底的尺寸增加将会降低可见光的收集效率，这是因为有更大量的面积专用于红外光。正因如此，当选择波导收集尺寸时，需要考虑所要收集的期望频率范围。
在某些情况下，与喇叭天线相似的斜面几何结构形成这样的环境：其中入射谱的一定范围的波长在波导中具有俘获区域，所述俘获区域具有对应于光的每个波长的相应直径或宽度。在一些情况下，通过在顶部或底部表面处包含倾斜表面或圆柱形表面，或者通过沿所述斜面几何结构的内表面包含凹槽或某种表面粗糙度，或者通过包含沿内侧的超材料共振结构或金属-绝缘体-金属(“MIM”)层，可进一步增强这种俘获。
在一些情况下，波导结构包括厚度由期望的收集性质所决定的导体(例如，电磁能传导材料)。在某些实施方式中，所述厚度与导电介质中的电磁趋肤深度的波长相似。在特定实施方式中，可用于所述波导壁的导体包括诸如金、银、铜和铝等金属。在其他实施方式中，还使用其他非金属材料。例如，石墨烯具有形成极低电阻光阱的特殊相对论性量子电动力学性质。在合适的情况下，根据入射波长和期望的收集谱，任何在传导表面界面创造等离子体激元波的材料都将在不同程度上工作。在一些实施方式中，传导(波导)层由电介质材料(诸如SiO2)或其他一些容易制造的材料(诸如塑料或另一非传导介质)所支撑。
在一个可选模式中，使用多个导体、多个金属层、金属-绝缘体-金属(MIM)层或基于超材料的层来改变在不同材料层之间的界面处生成的等离子体激元波，从而进一步增强利用MIM层俘获光，或者支持沿MIM层的电子量子隧穿。在合适的情况下，在电介质/金属或双金属界面处与等离子体激元波耦合的金属中的驻波形成每个波导结构尖端处的高场区域。对于尚未到达匹配其波长的圆锥体区域的较短波长的光而言，导电材料界面处的等离子体激元波沿圆锥体形成波导。在某些情况下，所述波导结构的尖端结构处的增强的场形成局部高场区，其中电子发射跨过间隙。在合适的情况下，基于间隙的介电强度以及器件所需的操作电压而针对器件定制间隙。在特定实施方式中，用于可见光的配置的间隙距离小于所要收集的光的最短波长，然而，在一些情况下比此距离更大的间隙距离也可工作。这种波导尖端形成了场发射体的阴极。
在合适的情况下，当在电子收集界面形成正确匹配时，增强的场导致电子从导电阴极跃过间隙到达阳极或接地面。在一些实施方式中，所述电子流是光的强度、波导的几何结构和材料、介电材料、两个导体之间的距离、跨阴极阳极间隙的任何电压以及在该点处增强的场的函数。在某些实施方式中，所述电压是场强和介电材料或真空间隙的函数。
在合适的情况下，接地面或阳极收集发射的电子。所述接地面连接到具有适当匹配条件的负载。在一些实施方式中，所述负载有利地是马达、电池、存储器件或任何其他器件，其使用或收集由本文所公开的能量收集器生成的电能，或者在传感器或触摸屏应用的情况下感测电流强度。在一个实施方式中，所述阳极具有向上指向阴极的倒锥形结构，所述阴极为圆锥形结构的电子发射尖端。这在阴极和阳极之间形成更高的场扰动，从而降低发射所需的场。
在所述系统和方法的某些实施方式中，阴极和阳极连接的电压源改变所述阴极和阳极之间的场。在一些实施方式中，这种连接针对各种类型的应用负载而增大电压或者增大电子流。在某些实施方式中，这还导致所述阳极发射电子，从而反转电流。在合适的情况下，存在某些这样的应用：其中在施加某些电压之后需要电流反转；在一些情况下，这些应用包括AC电压调整或耦合。
附图说明
根据附图，本文公开了根据本发明多个方面的系统和方法，其中：
图1根据本发明的一个实施方式图示了锥形波导收集结构的透视图，其中光(或处于电磁谱的另一波长的能量)从顶部进入波导，所述波导是倒锥形结构的基底；
图2根据本发明的一个实施方式图示了阳极之上的波导或阴极阵列的透视图；
图3A和图3B根据本发明的一个实施方式图示了图2的波导阵列结构的正视横截面图将要沿其安置阴极，并且示出了阴极与导电接地面(阳极)之间的电介质；
图4根据本发明的一个实施方式图示了在收集锥形体的尖端处的电场增强；
图5A和图5B示出了根据本发明的一个实施方式的锥形波导结构，其颠倒的阳极指向每个阴极，以便增加局部的场增强；
图6根据本发明的一个实施方式图示了一种变化的系统的电路，其使用低电流或零电流电压源来提高跨所述接地面与所述收集结构电子发射尖端之间间隙的电压；
图7示出了根据本发明的一个实施方式的特殊结构，其中波导结构经设计用于收集更窄的光波长谱，该结构不是锥形而是圆柱形；
图8示出了轨道结构，其中每个阴极为连续区域。根据本发明的一个实施方式，由器件的锥形下部区域形成发射区域；
图9示出了根据本发明的一个实施方式的光学天线的功能框图；
图10根据本发明的一个实施方式示意性地图示了将光学天线纳米结构嵌入宏观几何结构；
图11图示了根据本发明的一个实施方式的锥形结构的变型；并且
图12A图示了根据本发明的一个实施方式的具有场增强区域的光波导。图12B图示了根据本发明的一个实施方式的具有场增强区域的光波导。
具体实施方式
附图及以下描述示例说明了用于实现本发明的系统和方法的优选实施方式。在一些实施方式中，还可使用其他形状和配置来形成如下的公开效果：从电磁波收集电场，以及使所述电场汇集到导电平面之上的局部场区域，在此处从不良场点或线发射电子。
本文使用的术语“波导”指对诸如电磁能之类的波加以引导的结构或器件。
本文使用的术语“电磁能”指电磁辐射(本文也称为“光”)，其为表现出波的行为的能量形式。电磁辐射包括无线电波、微波、红外线辐射、可见光、紫外线辐射、X射线和伽马射线。电磁辐射包括光子，它是电磁相互作用的量子以及光的基础。
本文使用的术语“邻近”包括紧邻或邻接，比如接触或接近。与另一个层、器件或结构邻近的一个层、器件或结构紧邻或邻接该另一个层、器件或结构。在一个示例中，邻近第二结构的第一结构直接在该第二结构之后。本文所述的任何器件的邻近组件如此互相接触或接近而使得该器件发挥功能，比如用于本文所述的用途。在一些情况下，互相接近的邻近组件位于彼此的20微米内、彼此的10微米内、彼此的5微米内、彼此的1微米内、彼此的500nm内、彼此的400nm内、彼此的300nm内、彼此的250nm内、彼此的200nm内、彼此的150nm内、彼此的100nm内、彼此的90nm内、彼此的80nm内、彼此的75nm内、彼此的70nm内、彼此的60nm内、彼此的50nm内、彼此的40nm内、彼此的30nm内、彼此的25nm内、彼此的20nm内、彼此的15nm内、彼此的10nm内、彼此的5nm内，等等。在一些情况下，互相接近的邻近组件由真空、空气、气体或固体材料(例如，衬底、导体、半导体等)隔开。
本文使用的术语“场增强区域”指增强或聚焦波导中或与该波导光学连通的结构中的电场的结构或器件。
本文使用的术语“电极”指电子进入或离开器件或结构所通过的导体。在一些情况下，电极包括器件的阳极。在其他情况下，电极包括器件的阴极。
场增强能量收集器件
在本发明的一方面，提供场增强能量收集器件。在一个实施方式中，场增强能量收集器件包括衬底。所述衬底包括基面，所述基面具有至少一个凹式结构，所述凹式结构具有一个或多个向下并远离基面渐缩的成角度的壁面，所述成角度的壁面之间形成凹陷空隙。所述凹陷空隙是空的或者用透明或半透明材料填充。所述一个或多个成角度的壁面与所述基面接触或与其极为接近。所述一个或多个成角度的表面包含电磁能传导波导材料，所述电磁能传导波导材料光学暴露于所述凹陷空隙。所述器件还包括邻近所述衬底的电极。在一些情况下，所述电磁能传导波导材料包括所述器件的阴极，而所述电极包括阳极。备选地，所述电磁能传导波导材料包括阳极，而所述电极包括阴极。所述器件包括所述阳极与所述凹式结构的电磁能传导波导材料之间的距离(“间隙”)。在一些情况下，所述间隙的距离低于约100纳米(“nm”)，而最佳距离取决于材料形态。在一个实施方式中，对于光滑表面，所述距离介于约1nm与6nm之间，或者5nm与30nm之间。在某些实施方式中，所述距离(“间隙”)为约1nm至约500nm、约1nm至约200nm、约1nm至约100nm、约1nm至约50nm、约1nm至约20nm、约20nm至约100nm、约20nm至约50nm、小于约20nm、小于约50nm，或者是任何合适的距离。在电子从波导材料发射至阳极的一些情况下，所述距离(“间隙”)为约1nm至约500nm、约1nm至约200nm、约1nm至约100nm、约1nm至约50nm、约20nm至约100nm、约20nm至约50nm、小于约50nm，或者是任何合适的距离。在电子从波导材料隧穿至阳极的一些情况下，所述距离为约1nm至约50nm、约1nm至约20nm、小于约20nm，或者是任何合适的距离。
图9示出了本文提供的根据本发明的一个实施方式的光学天线的功能框图。该图示出了用于通过几何波导进行远场至近场光俘获的三个基本构造块。表面等离子体激元的可选激发根据选定的金属和电介质衬底的共振频率而发生。通向位于接地面附近间隙的场集中区域负责聚集共振场，以便将电子释放到接地面表面。还通过选择沿几何波导的内层和/或接地面之上的金属-绝缘体-金属(“MIM”)层的材料和/或配置，经由量子力学隧穿(本文也称为“量子隧穿”)来释放(或生成)电子。这些构造块的功能及其对应的互联从根本上不同于传统的近场或光伏效应。此外，在一些情况下，将此类纳米结构光学天线制成位于刚性或柔性片上或衬底上的阵列，以赋予具有集成的柔性。在一个示例中，柔性片符合给定的几何形状(比如图10中描绘的几何形状)以允许经由保角映射或感测入射光的方向性来进行电磁近场操纵。例如，在图10中，沿平行于y轴的矢量传播的入射电磁能(“光”)由沿负y轴定位的纳米结构更有效地捕获。在一些情况下，此类纳米结构更有效地感测入射信号的方向性。在一些应用中，这使得对入射光的方向性的映射或感测成为可能。亦即，沿y轴定向的波导比沿x轴定向的波导在每单位时间生成更多的电子(或“电流”)，所述沿x轴定向的波导不响应于沿y轴定向的光而明显地(或可测地)生成任何电子。通过确定哪些波导或波导组生成最多的电流，入射光的方向性得到确定。
在一些实施方式中，场增强能量收集器件的电极与电磁能传导波导材料之间的间隙包括真空空隙、衬底或它们的组合。在一些实施方式中，电磁能传导波导材料为阴极。在其他实施方式中，阴极与电磁能传导波导材料相分离。在某些实施方式中，电磁能传导波导材料和/或阴极包含导电材料或由导电材料构成，所述导电材料诸如为选自包含Al、Ag、Au、Cu、Ni、Pt、Mn、Mg、W、Ti、Ru、Rh、C或石墨烯在内的组中的一种或多种材料。
在一些实施方式中，场增强能量收集器件的衬底为非导电或半导电材料。所述衬底包括电介质、塑料、陶瓷、半导体或它们的组合。
在一些实施方式中，凹式结构的基面尺寸310(例如，本文所述系统或器件的基面处的凹式结构的宽度、直径、长度等——见图3A中的310)为任何合适的大小。在某些实施方式中，将基面尺寸定义为图3A的表面303上的开口，其中该尺寸是横截面尺寸(例如，如果开口是圆形，则为直径)或边缘尺寸(例如，多边形开口的边长，或者圆形开口的周长)，等等。在一些实施方式中，所述基面尺寸(比如横截面表面，例如，圆的直径或边缘尺寸)为大于约5nm、大于约20nm、或大于约100nm、或大于约250nm、或大于约500nm、或大于约1微米(“micron”)、或大于2微米、或约5nm至约5微米(例如，针对可见光)、或约5nm至约20微米(例如，针对可见光或红外光)、或约5微米至约20微米、或约10微米至约20微米(例如，针对红外光)，等等。
在一些实施方式中，场增强能量收集器件的衬底同时与电磁能传导波导材料和阳极二者相接触。在某些实施方式中，凹式结构为圆锥形、角锥形、多边形、直线轨道或圆形轨道。
在一些实施方式中，凹陷空隙包含真空或惰性材料。在某些实施方式中，所述惰性材料是惰性气体或惰性固体。
在其他实施方式中，凹陷空隙包含半导体光伏(“PV”)材料，诸如有机PV材料。在某些实施方式中，所述有机光伏材料包括TiO2和电解质。
在一些实施方式中，场增强能量收集器件还包括透明的外覆保护层。
在一些实施方式中，场增强能量收集器件的电磁能传导波导材料位于凹式结构的表面上。场增强能量收集器件包括多个凹式结构。
在一些情况下，所述多个凹式结构的电磁能传导波导材料由与所述基面相对的衬底表面上的电磁能传导波导材料相互连接。在某些实施方式中，所述多个凹式结构中的每一个都包括与所述凹式结构隔开的隔离阳极。在一个实施方式中，所述隔离阳极借助于间隙而与所述凹式结构隔开。所述间隙将所述阳极与所述多个凹式结构电隔离。在一些情况下，这使该器件能够充当图像生成传感器。
在一些实施方式中，阳极包括与电磁能传导波导材料隔开的平坦平面。
在某些实施方式中，阳极包括与电磁能传导波导材料隔开的平坦表面，并且还包括从所述平坦表面的凸起，其中阳极凸起与电磁能传导波导材料之间的间隙小于阳极平坦表面与电磁能传导波导材料之间的间隙。
示例性图1是本文所述系统和方法的某个实施方式的锥形波导收集结构100的透视图。所述收集结构包括从基底102向点104渐缩的导电材料。在一些实施方式中，导电材料为薄导电膜。在一些情况下，导电材料包括金属或金属材料，诸如金、铜、银、铝、石墨烯(在一个原子厚的平面板中密集排布的碳原子的蜂窝状晶格)，或其他导电的碳材料。在一些实施方式中，导电材料包含一种或多种导电材料。在某些情况下，所述导电材料的厚度与导电介质中的电磁趋肤深度的波长相似。
如图1中所图示，在一个实施方式中，锥形收集结构100是颠倒的，使得基底102位于顶部，而点104则位于底部。该圆锥体在顶部是“敞开的”，使得基底102对电磁辐射(例如，可见光和/或红外光)是透明的。在一些实施方式中，所述圆锥体用光学透明材料(例如，对可见光和/或红外光透明)填充。在合适的情况下，所述基底朝向太阳或者其他光源或电磁能来源，从而使光(或者处于电磁谱的另一波长的能量)经由顶部进入波导并朝尖端发射体传播。在一些实施方式中，所示实施方式的基底为圆形。其他实施方式提供非圆形基底以在所述圆锥体内创造波节点。不同于典型的波导，在一些情况下，本文公开的波导的共同特征为所述波导渐缩至一个点或者具有圆形或多边形形状的开口。在具有非圆形横截面的其他配置中，波导在某些情况下渐缩成一条线。
圆锥形波导
示例性图2图示了根据本发明的某些实施方式的波导100的阵列110的透视图。图3A和图3B图示了图2的波导阵列的正视横截面图。如以下所讨论，在一些情况下，每个或者一个或多个波导发挥阴极的功能(备选地，在本文所述器件中还包括阴极)。如图3B中所示，波导的尖端104通过间隙(或隔离层)122与传导性(或导电性)接地面120隔开。间隔122由尖端104与传导性接地面120的顶面所限定。在一些实施方式中，这个区域包含与区域126(见图3B)相同的材料。在某些情况下，所述导电性接地面包含电导体并且发挥阳极的功能。在图3的一个实施方式中，电子发射区域124位于每个波导(例如，还充当阴极)与阳极之间。在一些实施方式中，所述波导形成在电介质衬底126中，所述电介质衬底126包括隔离层122，或者隔离层122在所述电介质衬底126中形成。
在合适的情况下，电磁波从每个单独的圆锥形波导100的宽开口端(基底)之上入射。每个入射电磁波130在包含导电材料的波导中形成镜电场。在合适的情况下，光经由在金属界面处形成的等离子体激元波而被向内反射或引导，直至锥形横截面的尺寸(例如，对于具有圆形基底的圆锥体而言为直径)等于电磁波的波长。在一些情况下，如图3B中所示，匹配尺寸形成驻波，该驻波部分地俘获波132。此外，波在所述传导性波导中生成的电场在合适的情况下与其他波长的电磁能生成的电场相结合，从而在波导尖端上的点104处形成高场区域。在一些实施方式中，整个波导结构发挥阴极或电子发射体的功能。利用波导尖端处足够的局部场强，电子在合适的情况下克服金属的逸出功，从而跃过间隙124到达接地面(阳极)120。
在一些实施方式中，为了优化俘获光与电子发射之间的匹配以及为了阻止电子从阳极120返回阴极点104，在阴极尖端与阳极之间使用间隙124，所述间隙124处于真空下、填充有惰性气体，或者具有进一步增强间隙电容和匹配条件的MIM、超材料结构或其他几何金属化层。在某些情况下，基于作为入射电磁波的几何形状和强度的函数的场强，来选择形成所述间隙的材料。例如，所述间隙用诸如惰性气体之类的气体填充。在一些实施方式中，气体是额外电子生成的原因，额外的电子生成进一步增强了生成的电流，并且降低了电子发射能量。在一些情况下，这还可以改变跨阴极阳极间隙的隔离电压。
在一些实施方式中，如图3B的实施方式所示，使用电绝缘(或电介质)隔离层122来支撑阴极100的尖端104与阳极120之间的所需距离。在一些情况下，对所述电介质隔离层材料的选择至少部分取决于电介质场强和制造成本中之一或全部二者。在一些实施方式中，使用氧化硅、塑料和/或陶瓷作为电介质隔离层122。在其他实施方式中，阴极尖端104与阳极(接地面)120之间的距离根据光能收集应用而小于约100纳米(“nm”)、或90nm、或80nm、或70nm、或60nm、或50nm、或40nm、或30nm、或20nm、或10nm。
不希望受理论约束的情况下，图4图示了波导100的尖端104处的增强的场。在图4中，为了方便呈现示图，波导的尖端指向上方。图4中的单位相对于安置在相对坐标(0，0)处的尖端位置的最大场而归一化。在合适的情况下，当阴极或波导100内导电材料中的自由电子与电磁波的电场相互作用时，只要金属的等离子频率高于电磁波频率，则所述自由电子即以所述电磁波的频率振荡。在一些情况下，这样的共振现象引起尖端处的场增强。在一些实施方式中，所述共振不是通过等离子体激元耦合而是通过光学天线的几何结构而形成。在这样的情况下，所述共振是天线喇叭本身的不同尺寸的函数，从而在尖端处形成场压缩区域。
根据本发明的一些实施方式，示例性图5A和图5B图示了具有上部基底202和下部尖端(锥端)204的圆锥形波导收集器200的详细横截面。在一些情况下，如图5A中所示，尖端204通过间隙222与接地面(阳极)220隔开。在一些情况下，如图5B中所示，所述尖端是具有圆形或多边形形状的开口。在一些实施方式中，形成所述波导收集器的壁包括电介质230金属层232。在一些情况下，电场传播至锥端204。等离子体激元表面波形成光波与金属表面波的耦合，从而形成波导。等离子体激元波取决于诸如频率、材料和厚度等各种因素。例如，在通过引用而整体并入本文的S.Maier，Plasmonics：Fundamentals and Applications.Springer.(ISBN 978-0387331508)(2007)；H.Atwater，“The Promise of Plasmonics”，Scientific American296(4)：56-63(2007)；以及Dione，Sweatlock，Atwater and Polman，Plasmon slot Waveguides：Towards  chip-scale propagation withsubwavelength-scale localization，Physical Review B 73，035407(2006)中详细讨论了等离子体激元。
在一些情况下，表面等离子体激元将入射光波的电磁场能量耦合至传导区域，并且沿光导的导电区域232与绝缘体230、电介质230、气体(202)或真空区域202的界面传播能量。在一个实施方式中，区域230对所要收集的光的波长是半透明的。在一些情况下，区域230还被用来优先吸收光的某些波长，以便对光加以过滤或形成对光进行降频转换(如光致发光材料那样)的区域。在一些实施方式中，通过在金属层上放置薄电介质层或不同的导电材料(例如，金属、半导体、石墨烯)来增强或修改等离子体激元表面波。在一些情况下，穿越电介质与导电界面的表面等离子体激元波受控于表面上的特征，正如在通过引用而整体并入本文的Pendry，Martin-Moreno，Garcia-Vidal，Mimicking Surface Plasmons with Structured Surfaces，Science 305，847(2004)；DOI：10.1126/science.1098999中所示。在一些实施方式中，通过在锥形结构的顶部或底部包含倾斜或圆柱表面，或者通过沿斜面几何结构的内表面包含凹槽或某种表面粗糙度，或者通过沿内侧包含超材料共振结构或MIM层，来进一步增强光俘获和电子发射。
在一些实施方式(诸如图5A)中，阳极220是在一个或多个阴极尖端204对面的平面；在其他实施方式(诸如图5B)中，阳极234包括颠倒的导电尖端233以进一步增强光在收集器200中传播时所生成的电场。一般而言，存在间隙235，用于在阴极204与阳极234之间提供电隔离层。在一些实施方式中，间隙235是真空或由真空形成或包含真空，填充有气体(例如，惰性气体)或其他材料(例如，本文所述的衬底材料)。在某些实施方式中在电子跨间隙222迁移之时，当设计不需要材料与电子相互作用时使用真空。然而，在合适的情况下使用气体来与电子相互作用，以便使电子的速度减慢或从电子转移能量并形成更多但具有更低能量的电子。在某些情况下，间隙中的材料影响场强，从而允许针对特定入射光强度和能量而定制发射，并因此根据环境而定制最终的电子发射。
在一些实施方式中，锥形结构具有不止一种锥形形状，诸如图11A、图11B和图11C中所示的形状。在一些情况下，锥形物在器件基面的近侧具有第一角度，并且在器件基面的远侧(或者位于或接近尖端)具有第二角度或其他形状(例如，凸形、凹形、圆形等形状)，比如正交于基面。在一些情况下，所述锥形结构的尖端包括如图11C中所示具有朝向底部间隙的更尖锐锥形区域，用于进一步增大场强，从而增大电子发射。图11中所示的锥形结构如图5B中所示通过间隙222与接地面220分离。所述接地面例如包括顶部MIM层以进一步增强电子发射。在一些实施方式中，间隙235包括真空，填充有气体(例如，惰性气体)或其他材料(例如，本文所述的衬底材料)。在某些实施方式中，在电子跨间隙222迁移之时，当设计不需要材料与电子相互作用时使用真空。然而，在合适的情况下使用气体来与电子相互作用，以便使电子速度减慢或从电子转移能量并形成更多但具有更低能量的电子。在某些情况下，间隙中的材料也影响场强，从而允许针对特定入射光强度和能量而定制发射，并因此根据环境而定制最终电子发射。
在一些实施方式中，阳极与阴极之间的间隙处于压强小于约760torr、或1torr、或1x10-3torr、或1x10-4torr、或1x10-5torr、或1x10-6torr、或1x10-7torr、或1x10-8torr、或1x10-9torr的真空下。在一些情况下，限定所述间隙的阳极壁和阴极壁是气密密封的，以提供处于期望压强的真空。所述压强是可选择的，以便实现阴极与阳极之间区域中的期望发射。
以非限制性示例图1而言，圆锥形波导100的某个实施方式的不同横截面直径(或者，对于其他形状为跨横截面的距离)优选地与所收集的电磁辐射的波长相似。改变从圆锥形波导顶面至底部尖端的距离可改善匹配条件和电子发射。对收集可见光而言，在一些实施方式中所述圆锥体的内径在大约800纳米至不足400纳米之间变化。在一些情况下，所述直径还基于波的谐波而增大或减小，所述谐波具有以nλ/2描述的谐波尺寸，其中‘n’是整数，而‘λ’是电磁波的波长。在一个实施方式中，对于其他应用所述直径是波长的倍数。在某些实施方式中，最靠近所述点的内径足够小，因此所述圆锥体能够收集紫外线范围中的电磁能。
在某些实施方式中，波导包括导电金属介质，该介质具有比光的期望收集频率更高的等离子体频率。所述等离子体频率ωpe(以弧度每秒为单位)定义为：
ωpe＝Error！Objects cannot be created fromediting field codes.rad/s
其中‘ne’是电子密度，‘e’是电荷，‘εo’是自由空间介电常数，并且‘me’是电子质量。频率则为fp＝ωpe/2π。
在一些实施方式中，使用诸如金、银、铝、铂等金属或复合金属用于可见光收集器。在某些情况下，一些金属(比如铜)具有可见光范围中的等离子体频率，从而产生明显的黄色。在一些情况下，此类金属对于全光谱应用并不是最有利的材料，这是因为它们排除对一些电磁谱的收集。在其他情况下，此类金属对于要过滤掉较高频率的光的应用而言是更优选的候选物。在此类应用中，所公开的系统过滤特定或预定频率的光。金属的等离子体频率和材料为本领域技术人员所知，并根据所要收集的电磁辐射谱来选择。
金属的厚度也是重要的考虑；金属量不充足可使得电磁能量向衬底中大量透射。而且金属的光滑度——尤其是金属与凹陷空隙之间的光滑度也很重要。如果金属表面太粗糙或起皱，则金属的光学性质可能改变。同样，如果金属较薄且与光频趋肤深度相似或更薄，则金属衬底界面的粗糙度也可影响波导的响应。
此外，本文公开了与图5A或图5B中所示的结构阵列相似的结构阵列的电子发射。
在合适的情况下，当有足够的场或足够的局部电子密度时，在图1-图3的实施方式中电子从阴极(波导)100的尖端104发射至阳极(接地面)120。在一些实施方式中，通过与阴极至阳极路径并联地放置图6的高电阻电压源242来修改场。在其他实施方式中，如图6中所示，电压源240包括直流(DC)电源242(例如，电池，或源于异种金属或半导体带隙的固有电压)。在一些情况下，添加二极管244以限制电子从阳极向阴极的回流。电压源与顶部导电平面246和阳极之间的阴极至阳极路径并联地安置。在一些实施方式中，这个电压源还是交流(AC)电源，用于形成与外部(或外界)负载的耦合电流。在一些实施方式中，顶部导电平面将多个波导100互连起来(图2)。非限制性示例而言，负载248连接在顶部导电平面与阳极(接地面)之间。在一个示例中，所述负载是使用由本文提供的器件和结构所生成的电能(或功率)的任何器件。当在低强度环境中(比如在传感器应用中)使用波导时，图6中所示的实施方式特别有用。在备选的实施方式(未示出)中，串联放置两个或更多个波导以增大生成的电压。
在一些实施方式中，为了使收集面积最大化，所述多个圆锥形波导100(诸如图2和图3中所示的那些波导)紧密排布以占据尽可能多的表面积。在其他应用中，使用波导之间的间距来形成取决于波导之间距离的表面等离子体激元波，从而添加额外的共振模。由多个波导产生的电流是光强度、波导中使用的几何结构和金属、与光谱相关的能量以及总电阻的函数。在一些实施方式中，使用将锥形几何结构嵌入类似于聚酯片(Mylar sheet)的双层金属电介质层之中的简单材料来制造所述多个波导。在某些实施方式中，整个器件的厚度小于4微米、或小于1000纳米(“nm”)、或小于500nm、或小于100nm。在其他实施方式中，使用更厚的阳极来提供结构支撑，从而使总厚度增加到4微米以上。如上文所讨论，在某些实施方式中，在尖端104与接地面120之间的发射区域124中嵌入真空或气体。在其他实施方式中，还使用其他绝缘材料。在一些实施方式中，借助于绝缘隔离层122来保持尖端与接地面之间的距离(并且尖端和接地面是电绝缘的)。发射区域124中嵌入的气体或真空允许基于入射电磁波的强度和能量而定制电子发射能量以及电子产生的数目。
管波导
在一些实施方式中，示例性图7示出了用于特定波长收集的备选方案版本。波导是管(Θ为90度)，其具有导电材料100、阴极发射体204和阳极平面120。在一个实施方式中，所述结构由绝缘材料126支撑，并且该锥形体的内部由透明材料230填充，所述透明材料230是根据半透明性、对电子发射的影响以及对阴极与阳极之间场强的影响而选定的。在另一实施方式中，还可通过颠倒阳极结构(未显示)但使其类似于图5B中的233而修改这个上述实施方式。
示例性图8示出了本发明的另一实施方式，其中锥形结构为轨道配置。在一些实施方式中，这些结构是同心圆或成螺旋形状。在这种配置中，阴极发射体204是阳极120之上的连续表面。间隙区域235中的材料与其他器件实施方式中描述的材料相似。在一些实施方式中，这种配置对于制造下述特定区域是具有优势：该区域与其他收集区域相隔离，且通过表面等离子体激元基于轨道区域之间距离而收集额外共振频率。
光收集和增强结构
在本发明的另一方面，场增强能量收集器件包括一个或多个场增强区域(或结构)，所述场增强区域(或结构)配置用于向场增强能量收集器件(或天线)提供电场或磁场增强。场增强区域可应用于本文提供的各种场增强能量收集器件。
本文提供的场增强区域包括一个或多个场增强结构。在一些情况下，场增强结构包括一个或多个具有尖点的结构，从而使得电场在所述一个或多个结构的一个或多个尖端处发散(或接近发散)(例如，见图11C)。在一些情况下，比如在图5B中，阳极具有指向阴极的导电性尖状结构233，以进一步增强场。在其他情况下，场增强结构包括量子力学隧穿(“隧穿”)结，比如图12B中所示使用薄绝缘体或氧化物5的结。
波导阵列中的单个波导包括场增强区域。备选地，波导阵列包括场增强区域。
在一个实施方式中，场增强区域邻近场增强能量收集器件的电极(例如，阳极)和该器件的波导(例如，阴极)。在另一实施方式中，场增强区域与器件的电极相接触。
图12A示出根据本发明的一个实施方式的光波导。图12B示出根据本发明的一个实施方式，用于提供图12A的整流的备选模式的器件。
参考图12A，光波导包括光学透明顶部表面1、光收集层2、支撑结构3、空心锥形体4、电绝缘体5、气体或真空区域6、电子返回面7和发射区域8。在一些情况下，电子返回面7被称为集电极或电极。在一些情况下，集电极7是阳极，而顶部表面1是阴极。在一个实施方式中，顶部表面1和集电极7是电极。
在一些实施方式中，图12B的结构通过允许光同时在光收集和增强结构2的两侧上进入而增强势场吸收。如图所示，光通过该结构的顶部进入光波导。在一个实施方式中，支撑结构3由光学透明材料形成。
在一些情况下，图12A的器件包括覆盖支撑结构3的导电材料，该导电材料使电流能够流向波导2。在一个实施方式中，这种材料是光学透明的，从而允许光同时进入凹式结构的两侧。在一个示例中，将氧化铟锡(ITO)材料用作覆盖支撑结构3的导电材料。在另一示例中，使用对期望的收集波长是透明的其他电导体。在一个实施方式中，光收集和增强结构2是由金属(例如，Ag、Al和Au中的一种或多种)、石墨烯或其他导电材料形成的锥形结构，所述材料具有等离子体频率，以使材料中的电子能够响应于要在结构中收集的光频率。光收集和增强结构2由支撑结构3来支撑。在一些情况下，支撑结构3是光学透明的。
在图12A中，电子发射用于整流。在一些实施方式中，电绝缘体5具有介于约1纳米(“nm”)与40nm、或10nm与300nm、或20nm与100nm之间的厚度。发射区域8由尖锐或非常尖锐的尖端形成，所述尖锐的尖端形成更高的场以增强电子发射。在一些情况下，发射区域8处增强的场导致电子克服逸出功并穿越气体或真空区域6。电子继而由电子返回面7收集，电子返回面7由导电材料形成。在图12A中，由于所述锥形形状，光既进入敞开的集电极区域4，又穿过光学透明支撑结构3，并通过共振、几何压缩和等离子体激元波而得到集中，从而在发射区域8形成场增强。在一些情况下，空心锥形体4具有圆锥体的形状。通过锥形区域中的波长尺度几何结构和谐波而发生共振。这在发射区域8处具有高场区域的内表面上形成增强的场。在一些情况下，光还通过顶部表面1并进入到支撑结构3中。在一些情况下，顶部表面1是图12A的器件的电接触。顶部表面1是光学透明但导电的。光在通过顶部表面1进入支撑结构3之后，在金属外表面2上集中。支撑结构3是光学透明的，以允许光进入所述结构。在一个实施方式中，光收集和增强表面(或结构)2的厚度大于期望的光收集频率在特定金属中的趋肤深度。例如，光收集和增强结构2具有介于约1nm与500nm、或5nm与100nm之间的厚度。对于光收集和增强结构2由Al、Ag或Au形成的情况而言，光收集和增强结构2的厚度大于约5nm、或10nm、或40nm、或50nm。
在一个实施方式中，平面7与负载电连通，所述负载与顶部表面1电连通。当光收集和增强结构2暴露于光时，电子从发射区域8发射并在平面7处得到收集。电子随后移动到负载并返回到顶部表面1。
在一些实施方式中，图12B的器件采用金属绝缘体金属(MIM)结构，电子隧穿跨过MIM结构的绝缘层。MIM由光收集层2、绝缘体5和集电极7所限定。在图12B的器件中，来自场集中点8的电子隧穿跨过绝缘体5到达集电极7。对于这种配置，绝缘体的厚度非常薄以允许电子隧穿跨过绝缘体。在一些情况下，绝缘体的厚度是使用Simmons电子隧穿方法计算的，在这种情况中绝缘体具有介于约1nm与30nm之间的厚度。在其他实施方式中，MIM结构与其他量子力学隧穿二极管相结合或由其修改，所述量子力学隧穿二极管诸如为在通过引用而整体并入本文的Cowell等人，Adv.Mater.2011，23，74-78)和Dagenais等人，“Solar Spectrum Rectification Using Nano-Antennasand Tunneling Diodes”，Optoelectronic Integrated Circuits XII，Proceedings of SPIE Volume：7605(12February 2010)中描述的那些二极管。
在一些实施中，绝缘体5包含氧化物，诸如金属氧化物或绝缘氧化物。在一个示例中，绝缘体5由氧化钛(例如，TiO2)、氧化铝(例如，Al2O3)和/或氧化硅(例如，SiO2)形成。在一些情况下，根据各种性质来选择绝缘体，所述性质包括隔离电压以及在阳极7上以光滑方式进行制造和沉积的能力。
举几例而言，在一些实施方式中使用原子层沉积(ALD)、等离子体增强ALD、化学气相沉积(CVD)或等离子体增强CVD来形成绝缘体5。在一些实施方式中，绝缘体5具有非常低的缺陷密度，以便使光收集层2与集电极7之间的短路最小化。此外，绝缘体5具有一个或多个表面。在另一配置中，如图12B中所示，电子返回路径1在绝缘体5之上。这种配置允许光学透明支撑结构3不被覆盖，从而不需要电子返回材料1为透明。在这种情况下，光学透明支撑结构3的顶部表面不是如图12A中所示那样在顶部表面上具有导电材料1，而是阴极导电平面1位于绝缘体5之上。在绝缘体之上拥有阴极或电子返回层1具有额外的潜在优势，即：电流不通过光收集层(或收集材料)2传导。在一些情况下，这降低或排除了来自由光收集层2上的电流流动所产生的电磁场的潜在负面影响。
在一些情况下，本文提供的波导和光学天线可与其他结构、系统和/或方法结合或因其而修改，举例而言，所述其他结构、系统和/或方法是在提交于2008年10月27日的美国专利申请号12/259,104；Warner，Jr.的美国专利号3,994,012(“PHOTOVOLTAICSEMI-CONDUCTOR DEVICES”)；M.Laan，J.Aarik，R.Josepson和V.
Figure BDA00002755439300251
Low current mode of negative coronas：mechanism of electronemission，J.Phys.D：Appl.Phys.，36，2667-2672，2003；V.
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M.Laan和T.Plank，Electric Field Modeling for Point-Plane Gap，Institute of Experimental Physics and Technology，University of Tartu，
Figure BDA00002755439300253
Estonia publication，2002；P.Dombi和P.Rácz，Ultrafast monoenergeticelectron source by optical waveform control of surface plasmons，Optics Express，Vol.16，No.5，pages 2887-2893，3March 2008；以及Mark I.Stockman，Matthias  F.Kling，Ulf Kleineberg  和Ferenc  Krausz，Attosecond nanoplasmonic-field microscope，Nature Photonics，Vol.1，pages 539-544，September 3，2007；Palash Bharadwaj等人，Advances inOptics and Photonics 1，438-483(2009)；Peter Mühlschlegel，Ph.D.Thesis，University of Basel/Germany，February 2006；以及Jong-YeonPark等人，Japanese Journal of Applied Physics Vol.43，No.6A，2004，pp.3320-3327；Knight等人，“Photodetection with Active OpticalAntennas，”Science 332，702(2011)；以及Kotter等人，“SolarNANTENNA Electromagnetic Collectors”，ASME Proceedings of the2nd International Conference on Energy Sustainability，August 10-14，2008，Jacksonville，Florida，USA中描述的结构、系统和/或方法，上述文献通过引用而整体并入本文。
可见光的应用十分广泛，并且例如在一些实施方式中包括需要电能的任何应用，比如建筑、汽车、电子器件等，其中系统暴露于光中。由于该系统可置于可获得充足光的任何地方，因此应用并不限于户外应用。在一些情况下，该系统使用包括反光镜或菲涅尔透镜在内的光聚焦技术而得到有利地增强。在合适的情况下，其他应用包括使用红外能或微波能给航空器补充燃料，其中圆锥尺寸与电磁辐射的预期波长相似。在一些实施方式中，对于较低频率的应用，由于每光子的能量在较低频率上较低，因此增大强度以生成足够强的局部场。
根据上文应当理解，虽然已经说明和描述了特定的实现，但另外可对其做出许多修改，并且本文也设想到了这些修改。本发明也并不旨在受限于说明书内提供的具体示例。虽然已参考上述说明书描述了本发明，但本文的优选实施方式的描述和说明并不应以限制性的意义理解。此外应当理解，本发明的所有方面都不限于本文提出的特定描绘、配置或相对比例，它们取决于多种条件和变量。本发明实施方式的形式和细节上的各种修改对本领域技术人员而言显而易见。因此，设想到本发明还应覆盖任何这样的修改、变化和等效项。

Claims (68)

1.一种场增强能量收集器件，包括：
衬底，其包括基面，所述基面包括凹式结构，所述凹式结构具有一个或多个从所述基面向下渐缩的成角度的壁面，在所述成角度的壁面之间形成凹陷空隙，所述凹陷空隙是空的或用透明材料或半透明材料填充，所述一个或多个成角度的壁面在离所述基面一定距离处彼此接触或非常接近，所述一个或多个成角度的表面包括光学暴露于所述凹陷空隙的电磁能传导波导；以及
电极，其邻近或非常接近所述衬底，
其中所述场增强能量收集器件包括与所述电极相分离的场增强区域。
2.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述凹陷空隙的曲率在离所述基面的所述距离处改变。
3.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述器件在所述电极与所述凹式结构的所述电磁能传导波导之间包括间隙。
4.根据权利要求3的场增强能量收集器件，其中所述电极与所述电磁能传导波导之间的所述间隙包括真空空隙、气体、衬底或它们的组合。
5.根据权利要求3的场增强能量收集器件，其中所述间隙包含光伏材料。
6.根据权利要求5的场增强能量收集器件，其中所述光伏材料包括电解质和TiOx，其中‘x’是大于0的数。
7.根据权利要求6的场增强能量收集器件，其中TiOx是TiO2。
8.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述电磁能传导波导包括阴极，并且所述电极包括阳极。
9.根据权利要求8的场增强能量收集器件，其中所述阴极包含选自包括Al、Ag、Au、Cu、Pt、Ni、Cu、Fe、W、氧化钇、氧化钯、石墨或石墨烯在内的组中的一种或多种材料。
10.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述衬底包含绝缘材料或半导体材料。
11.根据权利要求10的场增强能量收集器件，其中所述衬底由选自包括电介质、聚合物、陶瓷和半导体在内的组中的一种或多种材料形成。
12.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述凹式结构的所述基面尺寸大于500纳米(“nm”)。
13.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述衬底同时与所述电磁能传导波导和所述阳极相接触。
14.根据权利要求13的场增强能量收集器件，其中所述衬底与所述电磁能传导波导电绝缘。
15.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述凹式结构处在圆锥形、半圆顶形、角锥形、多边形、直线轨道或圆形轨道配置之中。
16.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述凹陷空隙处于真空下或包含光学透明材料。
17.根据权利要求16的场增强能量收集器件，其中所述透明材料为惰性气体。
18.根据权利要求1的场增强能量收集器件，还包括邻近所述基面的透明外覆保护层。
19.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中在所述凹式结构的表面上进行所述电磁能收集。
20.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述衬底包括不止一个凹式结构，其中所述凹式结构限定凹式结构阵列。
21.根据权利要求20的场增强能量收集器件，其中所述凹式结构阵列中的每个凹式结构包括与隔离阳极隔开的阴极。
22.根据权利要求21的场增强能量收集器件，其中每个凹式结构包括与所述凹式结构的电磁能传导波导电连通的电磁能传导波导。
23.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述电极包括与所述电磁能传导波导隔开的平坦表面。
24.根据权利要求23的场增强能量收集器件，其中所述电极还包括从所述平坦表面的凸起，其中所述凸起和所述电磁能传导波导限定第一间隙，并且其中所述平坦表面和所述电磁能传导波导限定第二间隙。
25.根据权利要求24的场增强能量收集器件，其中所述第一间隙小于所述第二间隙。
26.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中光学暴露于所述凹陷空隙的所述电磁能传导波导的一部分包含金属-绝缘体-金属(MIM)层。
27.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中光学暴露于所述凹陷空隙的所述电磁能传导波导的一部分包含超材料结构。
28.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中光学暴露于所述凹陷空隙的所述电磁能传导波导的一部分包含弯曲的或倾斜的顶部或底部边缘，所述弯曲的或倾斜的顶部或底部边缘配置用于提高所述凹式结构中的光俘获。
29.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述场增强区域包括量子力学隧穿结。
30.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述场增强区域由所述一个或多个成角度的壁面所限定。
31.根据权利要求1的场增强能量收集器件，其中所述场增强区域具有相对于所述表面的其余部分的尖锐尖端。
32.一种光学天线，包括：
几何波导，其具有锥形结构，所述几何波导配置用于远场至近场俘获电磁辐射，所述锥形结构包括第一部分、第二部分以及位于或靠近所述第二部分的场集中区域，所述第一部分具有第一宽度并且所述第二部分具有第二宽度，其中所述第一宽度大于所述第二宽度；以及
接地面，其邻近所述几何波导，所述接地面配置用于在向所述几何波导施加电磁辐射后电子从所述场集中区域发射时收集电子，
其中所述波导的所述第二部分与所述接地面彼此电隔离。
33.根据权利要求32的光学天线，其中所述波导的所述第二部分和所述接地面限定间隙。
34.根据权利要求32的光学天线，其中所述几何波导的曲率朝向所述第二部分改变。
35.根据权利要求32的光学天线，还包括表面特征，所述表面特征配置用于沿所述锥形结构的壁提供表面等离子体激元波。
36.根据权利要求32的光学天线，其中所述几何波导是等离子体激元波导。
37.根据权利要求32的光学天线，其中所述锥形结构包括金属-绝缘体-金属(MIM)层。
38.根据权利要求32的光学天线，其中所述场集中区域包括位于或邻近所述第二部分的尖端。
39.根据权利要求32的光学天线，其中所述光学天线包括具有多个几何波导的光学天线阵列。
40.根据权利要求39的光学天线，其中所述多个几何波导形成于刚性或柔性衬底之中。
41.根据权利要求39的光学天线，其中所述光学天线阵列配置用于经由保角映射或感测入射在所述阵列上的电磁辐射的方向性而进行电磁近场操纵。
42.根据权利要求32的光学天线，其中所述接地面安设在邻近所述几何波导的电子发射区域之处。
43.根据权利要求32的光学天线，其中所述几何波导包括阴极，并且所述接地面包括所述光学天线的阳极。
44.根据权利要求32的光学天线，其中所述光学天线阵列聚集成簇，以绕过具有损坏晶胞的簇。
45.根据权利要求32的光学天线，其中所述锥形结构具有选自包括圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形和十边形在内的组中的横截面形状。
46.根据权利要求32的光学天线，其中所述锥形结构包括凹槽。
47.根据权利要求32的光学天线，其中所述锥形结构包括一个或多个褶皱表面。
48.根据权利要求32的光学天线，其中所述锥形结构在所述锥形结构的锥形表面中的一个或多个表面上包括纳米结构。
49.根据权利要求48的光学天线，其中所述纳米结构选自包括量子点、量子阱、纳米纤维、纳米线、纳米管和纳米点在内的组。
50.根据权利要求32的光学天线，其中所述锥形结构在所述锥形结构的一个或多个表面上包括金属绝缘体金属氧化物(MIMO)。
51.根据权利要求32的光学天线，其中所述锥形结构在所述锥形结构的所述锥形表面中的一个或多个表面上包括超材料共振结构。
52.一种电磁场集中器，包括：
一个或多个波导，所述一个或多个波导中的单个波导具有包含一个或多个成角度表面的衬底，所述一个或多个成角度表面从所述衬底的第一端朝向所述衬底的第二端渐缩，所述一个或多个成角度表面限定配置用于收集电磁辐射的凹陷空隙，所述一个或多个成角度表面由电磁辐射传导材料形成；和
电极，其邻近所述一个或多个波导，所述电极配置用于收集在向所述一个或多个波导施加电磁辐射时生成的电子，
其中所述电极和所述第二端限定所述波导与所述一个或多个波导中的所述单个波导之间的间隙，并且
其中所述电磁场集中器包括邻近所述电极的场增强结构。
53.根据权利要求52的电磁场集中器，其中所述凹陷空隙的曲率朝向所述第二端改变。
54.根据权利要求52的电磁场集中器，其中所述第一端具有第一宽度并且所述第二端具有第二宽度，所述第一宽度大于所述第二宽度。
55.根据权利要求52的电磁场集中器，其中所述电极是所述电磁场集中器的阳极。
56.一种场增强能量收集器件，包括：
支撑结构，其包括至少一个凹式结构，所述凹式结构具有第一端和与所述第一端相对的第二端，所述凹式结构具有一个或多个从所述第一端向下渐缩的成角度壁面，所述成角度壁面限定凹陷空隙，所述凹陷空隙是空的或者用光学透明材料或半透明材料填充，所述一个或多个成角度壁面在所述第二端处或在靠近所述第二端处彼此接触或非常接近，所述一个或多个成角度表面包括光学暴露于所述凹陷空隙的电磁能传导波导；和
电极，其邻近所述支撑结构，所述电极配置用于收集在向所述至少一个凹式结构施加电磁辐射时生成的电子，所述电极与所述电磁能传导波导隔开，
其中场增强能量收集器件包括邻近所述电极的场增强结构。
57.根据权利要求56的场增强能量收集器件，其中所述第二端包括场增强区域。
58.根据权利要求57的场增强能量收集器件，其中所述场增强区域包括非常尖锐的尖端。
59.根据权利要求56的场增强能量收集器件，其中所述凹陷空隙的曲率朝向所述第二端改变。
60.根据权利要求56的场增强能量收集器件，其中所述凹陷空隙具有圆锥形形状。
61.根据权利要求56的场增强能量收集器件，其中所述支撑结构是衬底。
62.根据权利要求56的场增强能量收集器件，其中所述支撑结构由光学透明材料形成。
63.一种场增强能量收集器件，包括：
波导阵列，所述阵列的单个波导包括一个或多个从所述单个波导的第一端朝向所述单个波导的第二端渐缩的成角度表面，所述一个或多个成角度表面限定凹陷空隙，所述一个或多个成角度表面由电磁辐射传导材料形成，所述单个波导配置用于收集和引导从所述第一端到所述第二端的电磁辐射；和
电极，其邻近所述波导阵列，所述电极与所述波导阵列中的每个波导电隔离，所述电极配置用于收集或引导在向所述阵列施加电磁辐射时生成的电子，
其中所述场增强能量收集器件包括一个或多个邻近所述电极的场增强结构。
64.根据权利要求63的场增强能量收集器件，其中所述凹陷空隙的曲率朝向所述第二端改变。
65.根据权利要求63的场增强能量收集器件，其中所述波导阵列在具有基面的支撑结构中形成，其中所述波导安设在所述基面与所述电极之间。
66.根据权利要求65的场增强能量收集器件，其中所述基面包含光学透明材料或半透明材料。
67.根据权利要求63的场增强能量收集器件，其中所述基面包含氧化铟锡。
68.根据权利要求63的场增强能量收集器件，还包括位于所述电极与场增强结构之间的非导电区域内的导电金属结构。
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