CN103946986A - 用于电磁能量收集的设备、系统和方法 - Google Patents

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贾斯汀·哈拉斯
菲利普·雷顿
迈克尔·芬内尔
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Abstract

本发明提供用于收集电磁能量的系统。该系统可包括一个或多个电磁能量收集设备。单个的设备包含邻近于半导体层的第一导电层。该第一导电层在所述第一导电层与半导体层之间的界面处形成对电荷流的肖特基势垒。邻近半导体层并远离第一导电层安置第二导电层。该第二导电层形成与半导体层的欧姆接触。当设备暴露于电磁能量时，第一导电层生成局域表面等离子体激元共振，所述局域表面等离子体激元共振与第二导电层共振相互作用，从而提供近完全光吸收。光的吸收在所述第一层中创造出热电子，所述热电子跨过肖特基势垒来驱动外部负载。

Description

用于电磁能量收集的设备、系统和方法
交叉引用
本申请要求提交于2011年11月14日的美国临时申请No.61/559,583的权益，该申请通过引用而全文并入于此。
背景技术
光伏(PV)是通过使用表现出光伏效应的半导体将太阳辐射转换成直流电来产生电功率的方法。光伏发电可采用由含有光伏材料的多个太阳能电池构成的太阳能电池板。
传统的无机光伏(PV)使用半导体p-n结来吸收光，创造出自由载流子以及输运这些载流子以生成功率。将光转换成电能的一种替代方法是通过热电子跨肖特基势垒的内光电发射。例如，见E.W.McFarland和J.Tang,“A photovoltaic device structure based on internalelectron emission,”Nature,vol.421,no.6923,pp.616-8,Feb.2003，该文献通过引用而全文并入于此。
发明内容
本文认识到用于将光转换成电能(或电气能量)的当前可用设备的各种限制。例如，具有由二氧化钛上的薄金层构成的肖特基二极管的设备可通过内光电发射来将光转换成电能，但这样的设备可能受限于各种抵触过程，诸如从金属到染料的电荷转移，染料发光以及由耦合到声子而造成的非辐射退激发。虽然一些设备可包括金属纳米结构，但金属纳米结构可因导致光的强吸收和散射的电子集体振荡(被称为等离子体激元)而表现出强光学共振。通过内光电发射来操作的设备可使用来自金属纳米结构的热电子流代替肖特基势垒上的染料来利用和感测光，但此类设备仅可将入射能量的一小部分转换成热电子；等离子体激元的大部分能量辐射衰减并被损失。
本公开提供通过内光电发射来高效地耦合光以产生可例如用于发电或光电检测的热电子的设备、系统和方法。在一些实施方式中，在第一阶段，通过可允许光的近完全吸收的组合电共振和磁共振在导电结构中产生热电子。在第二阶段，经由内光电发射或直接隧穿跨肖特基势垒转移热电子。除了提供强吸收之外，该方法还实现在由设备几何结构和材料成分所决定的宽光谱带宽或窄波长带中的光子俘获。可以调谐窄波长吸收体以使其具有单一吸收带或多个吸收带。基于这种概念的设备可设计成使得吸收与入射偏振及角度无关。这些设计产生非常薄的形状因子并可很容易地扩展到柔性和保形的传感器和能量采集器。
本公开的一个方面提供用于收集电磁能量的设备。该设备包括含有导电纳米结构的第一层。所述第一层适于在暴露于电磁能量时生成热电子。该设备包括与所述第一层相邻的第二层。所述第二层包含半导体材料。所述第一层与第二层之间的界面在设备暴露于电磁能量时对电荷流构成肖特基势垒。该设备还包括与所述第二层相邻的第三层。所述第三层包含导电材料。当设备暴露于电磁能量时，所述第一层中的纳米结构生成局域表面等离子体激元共振，所述局域表面等离子体激元共振与所述第三层共振相互作用以产生功率。
在一个实施方式中，当设备暴露于电磁能量时，所述第一层与所述第三层的结合响应造成对来自所述第一层的方向的入射电磁能量的共振电响应。在另一实施方式中，所述第三层形成与所述第二层的肖特基接触。在又一实施方式中，所述第三层形成与所述第二层的欧姆接触。在另一所述方式中，该设备还包括与所述第二层和所述第三层相邻的电极。该电极可横向相邻于所述第二层，并且该电极可形成与所述第二层的欧姆接触。
在一个实施方式中，所述第三层形成与所述第二层的欧姆接触。在另一实施方式中，该设备还包括与所述第三层相邻的第四层。所述第四层可与所述第一层形成电共振和磁共振。
在另一实施方式中，所述第一层的导电纳米结构和/或所述第三层的导电材料包括选自铝、银、金、铜、铂、镍、铜、铁、钨、氧化钇、氧化钯、石墨和石墨烯中的一种或多种材料。在另一实施方式中，半导体材料包括选自氧化钛、氧化锡、氧化锌、硅、金刚石、锗、碳化硅、氮化镓、碲化镉中的一种或多种材料。
在一个实施方式中，所述第一层的导电纳米结构被包括在多个细长的行中。在另一实施方式中，所述第一层的导电纳米结构被包括在一个或多个三维柱中。所述一个或多个三维柱中的单个柱可具有大于1的高宽比。在另一实施方式中，单个柱相对于单个柱的基部具有介于约50度与90度之间的锥角。在另一实施方式中，单个柱具有至少约2:1的高宽比。在另一实施方式中，单个柱具有至少约10:1的高宽比。
在一个实施方式中，所述第一层为光学透明的。在另一实施方式中，该设备还包括与所述第一层相邻的第四层。所述第四层可包含半导体材料。在另一实施方式中，所述第一层包含被吸收于所述第一层的暴露表面上的一个或多个探针分子。所述一个或多个探针分子可适于(i)与在接触所述第一层的溶液中的分析物相互作用，以及(ii)调制在设备中生成的功率和/或流经设备的电流。在一个实施方式中，所述第一层包含纳米颗粒的基质。在另一实施方式中，所述第一层的单个纳米颗粒具有从约1纳米(nm)至100nm的颗粒尺寸。在一个实施方式中，纳米颗粒由选自铝、银、金、铜、铂、镍、铜、铁、钨、氧化钇、氧化钯中的一种或多种材料构成。在另一实施方式中，基质包括选自氧化钛、氧化锡、氧化锌、硅、金刚石、锗、碳化硅、氮化镓、碲化镉中的一种或多种材料。
在一个实施方式中，所述第二层具有从约1纳米(nm)至500nm的厚度。在另一实施方式中，所述导电纳米结构安置于所述第一层中的图案化阵列中。
在一个实施方式中，所述第一层包含延伸穿过所述第一层的一个或多个开口。在另一实施方式中，所述第二层的几个部分通过所述第一层的所述一个或多个开口而暴露。在另一实施方式中，所述第三层与所述第一层相隔离。
本公开的另一方面提供用于收集电磁能量的系统。该系统包括一个或多个电磁能量收集设备。单个的电磁能量收集设备包含第一导电层，该第一导电层与半导体层相邻。所述第一导电层在所述第一导电层与所述半导体层之间的界面处形成对电荷流的肖特基势垒。该设备还包含第二导电层，该第二导电层与所述半导体层相邻并且安置在远离所述第一导电层之处。所述第二导电层形成(i)与所述半导体层的欧姆接触，或者(ii)在所述第二导电层与所述半导体层之间的界面处对电荷流的肖特基势垒。当该设备暴露于电磁能量时，所述第一导电层生成局域表面等离子体激元共振，所述局域表面等离子体激元共振与所述第二导电层共振相互作用以产生功率。
在一个实施方式中，所述半导体层具有从约1纳米(nm)至500nm的厚度。在另一实施方式中，所述半导体层具有从约1nm至100nm的厚度。
在一个实施方式中，所述第二导电层形成在所述第二导电层与所述半导体层之间的界面处对电荷流的肖特基势垒。在另一实施方式中，该系统包括多个电磁能量收集设备。在另一实施方式中，所述电磁能量收集设备彼此串联电耦合。在另一实施方式中，当该系统暴露于电磁能量时，所述第一导电层与所述第二导电层的结合响应造成对来自所述第一导电层的方向的入射电磁能量的共振电响应。在另一实施方式中，该设备还包含与所述半导体层和所述第二导电层相邻的接触。所述接触可相对于所述半导体层横向安置。所述接触可形成与所述半导体层的欧姆接触。
在一个实施方式中，所述第一导电层包括导电纳米结构。在另一实施方式中，所述导电纳米结构和/或所述第二导电层包括选自铝、银、金、铜、铂、镍、铜、铁、钨、氧化钇、氧化钯、石墨和石墨烯中的一种或多种材料。
在一个实施方式中，所述导电纳米结构被包括在多个细长的行中。在另一实施方式中，所述导电纳米结构被包括在一个或多个三维柱中。所述一个或多个三维柱中的单个柱可具有大于1的高宽比。在另一实施方式中，单个柱相对于单个柱的基部具有介于约50度与90度之间的锥角。在另一实施方式中，单个柱具有至少约2:1的高宽比。在另一实施方式中，单个柱具有至少约10:1的高宽比。在另一实施方式中，所述导电纳米结构的单个纳米结构具有从约1纳米(nm)至100nm的颗粒尺寸。
从以下仅示出和描述本公开的示例说明性实施方式的详细描述中，本公开的额外方面和优点将很容易由本领域技术人员所明晰。应当认识到，应当认识到，本公开能够有其他的和不同的实施方式，并且其若干细节能够在各种显而易见的方面加以修改，所有这些都不与本公开相偏离。相应地，应将附图和描述的性质视为示例说明性，而非限制性。
援引并入
本说明书中提及的所有公开、专利和专利申请均通过引用而并入于此，程度犹如具体地和个别地指出要通过引用而并入每一单个的公开、专利或专利申请。
附图说明
本发明的新颖特征在随附权利要求中具体阐述。通过参考以下对在其中利用到本发明原理的示例说明性实施方式加以阐述的详细描述和附图，将会获得对本发明的特征和优点的更好的理解；在附图中：
图1示出本公开的设备的能带图。
图2a示意性地图示了处于窄带传感器配置下的设备。图2b示出图2a的设备的柱的特写。
图3为图2的设备的光学吸收、反射和透射的计算机模拟的示例。
图4示意性地示出具有交叉杆配置的设备。
图5示意性地示出具有包含金属纳米颗粒聚集体的顶部层的设备。
图6示意性地图示了大高宽比宽带宽能量收集器。
图7为示出图6的设备的光学吸收、反射和透射的计算机模拟的示例。
图8a示意性地图示了具有顶部欧姆层的大高宽比宽带宽能量收集器。图8b为图8a的设备的柱的特写。
图9示意性地图示了可用作生物传感器或化学传感器的设备。
图10图示了用于形成电磁能量收集设备的工艺流程。
具体实施方式
虽然已在此示出和描述了本发明的各实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，此类实施方式只是以示例方式提供的。本领域技术人员可以想到不偏离本发明的许多更改、改变和替换。应当理解，可以采用对本文所述发明实施方式的各种替代方案。
本文所使用的术语“热电子”一般是指半导体中的非平衡电子(或空穴)。该术语可以指可由费米函数描述，但具有升高的有效温度的电子分布。热电子可量子力学地隧穿出半导体材料而不是与空穴复合或经材料被传导至收集器。
本文所使用的术语“电磁能量”一般是指电磁辐射(本文中亦称“光”)，其为表现出波与粒子样行为的能量形式。电磁辐射包括无线电波、微波、红外辐射、可见光、紫外辐射、X射线和伽马射线。电磁辐射包含光子，其为电磁相互作用的量子以及光的根本。
本文中所使用的术语“节距”一般是指特征之间——举例而言，诸如相似特征之间——的中心至中心距离。在一个示例中，节距为材料层中的柱或开口之间的中心至中心距离。
本文中所使用的术语“相邻”一般是指“紧邻”或“邻接”，诸如与…相接触，或者靠近…。与另一层、设备或结构相邻的层、设备或结构紧邻或邻接所述另一层、设备或结构。在一个示例中，与第二层相邻的第一层直接紧邻该第二层。在另一示例中，与第二层相邻的第一层通过第三(中间)层与该第二层隔开。本文所述任何设备的相邻组件彼此相接触或靠近使得该设备发挥功能，诸如本文所述的用途。在一些情况下，彼此靠近的相邻组件处于彼此的20微米(“百万分之一米”)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500纳米(“nm”)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。在一些情况下，彼此靠近的相邻组件通过真空、空气、气体、流体或固体材料(例如，衬底、导体、半导体等)隔开。
本文所使用的术语“欧姆”一般是指行为符合欧姆定律(即，V＝I*R)的材料，其中‘V’表示电势，‘I’表示电流，而‘R’表示电阻。
本公开提供可用于收集电磁能量的设备、系统和方法。在一些示例中，本公开的系统和设备能够以相对于基于内光电发射来收集电磁能量的其他设备提高的总外部效率收集电磁能量。
电磁能量收集设备和系统
本公开的一个方面提供用于收集或采集电磁能量的设备。该设备包含第一层，该第一层包含导电纳米结构。所述第一层适于在该第一层暴露于电磁能量时生成热电子。所述第一层可包括延伸穿过该第一层的一个或多个开口。所述一个或多个开口可具有各种形状并且能够以各种图案分布。在一些情况下，所述一个或多个开口具有圆形、三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形或部分形状的横截面，或者它们的组合。所述一个或多个开口可以包括可沿着彼此平行的细长的行分布的，或者沿着彼此平行的第一组行和与所述第一组行正交的第二组行分布的多个开口。
设备还可包括与所述第一层相邻的第二层。该第二层可包括半导体材料。在一些情况下，所述第二层的几个部分通过所述第一层的所述一个或多个开口而暴露。所述第一层与第二层之间的界面可包括在设备暴露于电磁能量时对电荷流的肖特基势垒。
设备还可包括与所述第二层相邻的第三层。该第三层包含导电材料。在一些情况下，当设备暴露于电磁能量时，所述第一层中的纳米结构生成局域表面等离子体激元共振，所述局域表面等离子体激元共振与所述第三层共振相互作用以产生功率。
所述第一层可与所述第三层隔离。在一个示例中，所述第三层与所述第一层物理隔离。在另一示例中，所述第三层与所述第一层电隔离。在一些情况下，所述第一层和第三层通过所述第二层而彼此电接触。
图1示意性地图示了能量收集设备。图1的设备可用于从光——诸如阳光(本文亦称“太阳辐射”)——收集电磁能量。图1的设备可用于收集能量以驱动外部负载，或者如在耦合至储能系统(例如，电池)的包括图1的设备的传感器或系统中。
图1的设备包括半导体层209，该半导体层209介于第一层203与第二层205之间。半导体层209可包括n型半导体。第一层203可包括图案化纳/微金属纳米结构(例如，纳米点、纳米棒、纳米线、纳米颗粒聚集体)，并且第二层205可包括连续金属膜。半导体层209与电导体204电接触，该电导体204与半导体层209形成欧姆接触202。第一层203和电导体204提供与半导体层209的电接触。第一层203和电导体204可耦合至负载(例如，电网、电子设备、储能系统)。第一层203和第二层205可形成与半导体层209的肖特基接触(例如，提供肖特基势垒)。在一些示例中，选择用于第一层203和第二层205中的每一个的材料，以在第一层203与半导体层209之间的界面处以及第二层205与半导体层209之间的界面处提供肖特基接触。在其他示例中，第一层203的材料提供与半导体层209的肖特基接触，而第二层205具有与半导体层209的欧姆接触。
外部负载可电耦合至第一层203和第二层204。在一个示例中，外部负载的第一端子(例如，正端子)耦合至与第一层203电接触的第一电极，并且外部负载的第二端子耦合至与第二层204电接触的第二电极。
在图1的设备的操作期间，入射光(向纳米结构203的左侧的波浪线)可至少部分地因电(等离子体激元)共振和磁共振的激发而由第一层203的纳米结构和第二层205的连续金属膜所吸收。在一些情况下，入射光的至少约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或99％由第一层203和第二层205所吸收。第一层203与半导体209之间的接触可提供肖特基接触201，该肖特基接触201可以是肖特基势垒。
在一个示例中，在图1的设备的操作期间，被吸收的光在等离子体激元衰变时创造出热电子(“热e-”)，而这些电子可隧穿或越过肖特基接触201(其构成肖特基势垒)并于随后在半导体209中热化到半导体209的导带中。热电子的生成伴随着空穴(“h+”)的生成。这些热化电子在由电导体204收集时可驱动负载。具有大于肖特基势垒高度(φ)的能量(hν)的光的频率可转换成电能以生成功率。在其中肖特基势垒的厚度相对较小的配置中，热电子可直接隧穿肖特基势垒并驱动电耦合至图1的设备的负载。在一些示例中，图1的设备可具有约0.1eV至30eV、或0.1eV至20eV、或0.1eV至10eV的肖特基势垒高度。
半导体209可以是掺杂的或无掺杂的。在一些情况下，半导体209被掺杂成n型或p型，而在其他情况下半导体209为本征的。在一些情况下，半导体209借助于氮或磷而被掺杂成n型，以及借助于硼或铝而被掺杂成p型。半导体209具有介于半导体209的价带与导带之间的费米能级210。半导体209的价带和导带由帯隙211(“Eg”)隔开。在一些示例中，帯隙是从约0.1eV至10eV，0.1eV至3.5eV，或者0.2eV至1.0eV。在一些示例中，半导体209包括TiOx并且帯隙为约3eV。
本公开提供用于电磁辐射的收集和所收集的电磁辐射向电能的转换的方法。在一些实施方式中，能量收集设备包括图案化的导电顶部接触层，其几何结构被定制成使入射光的吸收最大化。
图2a和图2b示出能量收集设备的示例。在图示的示例中，能量收集设备可为传感器。在传感器配置中，可施加外部偏压来改善光检测。图2b为图2a中所示设备的特写。图2a和图2b的设备包括顶部导体层101、底部导体层102、安置于顶部导体层101与底部导体层102之间的半导体层103，以及横向欧姆接触104。横向欧姆接触104可为设备的电极。半导体层103可形成与顶部导体层101的肖特基接触。
顶部导体层101与底部导体层102的组合响应可导致对来自顶部导体层101的方向的入射光的共振电响应。这些电响应还激发形成磁共振的电流回路。例如，见J.Hao,J.Wang,X.Liu,W.J.Padilla,L.Zhou和M.Qiu,“High performance optical absorber based on aplasmonic metamaterial,”Applied Physics Letters,vol.96,no.25,p.251104,2010，该文献通过引用而全文并入于此。图3是围绕图2a和图2b的设备的计算机模拟，其示出针对可见波长的光而优化的一种配置的吸收、反射和透射。
参考图2a和图2b，电共振和磁共振的激发可实现对入射在顶部导体层101上的基本上所有的光的吸收。顶部导体层101包括柱。顶部导体层101中的等离子体激元激发(见图2b)可衰变成热电子105，所述热电子105可在其于顶部导体层101中被热化和转换成热量之前经由内光电发射而输运到半导体层103中。半导体层103的厚度(即，沿着定向为从顶部导体层101到底部导体层102的矢量的距离)可至少为半导体层103的折射率和电阻的函数。半导体层103可具有从约1纳米(nm)至2000nm、1nm至1000nm、1nm至500nm、1nm至400nm、1nm至300nm、1nm至200nm、1nm至100nm、1nm至50nm或者1nm至10nm的厚度107。在一些示例中，诸如对于可见光应用而言，半导体层103具有从约1nm至100nm或者1nm至50nm的厚度107。在其他示例中，半导体层103具有从约20nm至500nm或者20nm至150nm的厚度107。对于红外(IR)光和波长更长的光，半导体层103可具有从约50nm至800nm或者100nm至400nm的厚度107。半导体层103的厚度可取决于所使用的材料和期望的收集波长。
可以选择或以其它方式提供顶部接触层101的几何结构，使得在肖特基接触的一个平均自由程内生成热载流子以供高效操作。在一些示例中，顶部接触层101具有圆形、三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形或部分形状的横截面，或者它们的组合。
波长敏感度可取决于以下的一项或多项：(1)设备的节距110，其可以是相邻的顶部接触层之间的平均距离(见图2a)，(2)顶部导体层101的柱的宽度106与厚度107之间的比率，以及(3)半导体层103的厚度108。在一个示例中，对于可见光而言，宽度106和厚度107为从约1nm至1000nm，或者20nm至500nm，并且节距110与宽度106的比率范围从约1至10，或者1.5至5。在一些情况下，宽度与厚度之间的比率越高，入射光的完全或基本上完全吸收的波长越长。对于更长的波长吸收，诸如对于IR感测，总尺寸与可见光感测相比可以更大。
底部导体层102可(a)形成与半导体层103的欧姆接触，或者(b)如果使用横向欧姆接触104，则形成与半导体层103的肖特基势垒。在一些示例中，选择或以其他方式配置底部导体层102以形成与顶部导体层101的共振，从而增强吸收。选择与半导体层103形成欧姆接触的导体的好处是，其减少了经过半导体103的距离，从而使热损失最小化。
当存在对从半导体到金属的电子流的负势垒或者不存在势垒时，可获得欧姆接触。底部导体层102的厚度可提供与半导体103的欧姆接触。底部导体层102在一些情况下足够薄，以致不在感兴趣的光频率下形成共振。在一些情况下，可在底部导电层102之上提供第三导体层，以创造与半导体层的欧姆接触。底部导体层102的材料性质可类似于横向接触104中所使用的材料。可以提供第三导体层来匹配边界条件，诸如匹配材料层之间的晶体结构。在这种情况下，可以选择底部导体层102的厚度，使得第三导体层在光入射到顶部导体层101上时不形成共振。
在其中提供横向欧姆接触104(上文的选项(b))的情况下，可在无中间导电层的情况下定制图2a和图2b的设备的光学吸收。底部导体层102可形成与半导体层103的肖特基势垒。
顶部导体层101可包括Au、Ag、Al、Cu、Pt、Pd、Ti、氧化铟锡(ITO)、Ru、Rh或石墨烯中的一种或多种。顶部导体层101可包括纳米颗粒，举例而言，诸如Au、Al、Ag、Cu、Pt、Pd、Ti、Pt或它们的组合的纳米颗粒，所述纳米颗粒可嵌入在复合基质中。半导体层103可形成n型或p型半导体，并且可形成与顶部导体层101的肖特基势垒。半导体层103可包括一种或多种半导体材料或绝缘材料，诸如II-VI族材料、III-V族材料，以及IV族材料。在一些示例中，半导体层103包括TiOx(例如，TiO2)、SnOx(例如，SnO2)、ZnO、硅、碳(例如，金刚石)、锗、SiC和GaN中的一种或多种。这些可以用于根据等离子体激元激发中的热电子能量来创造肖特基势垒。底部导体层102可包括Au、Ag、Al、Cu、Pt、Pd、Ti、ITO、Ru、Rh、Mn、Mg、C和石墨烯中的一种或多种。在一些示例中，针对可见光应用，底部导体层102由Ti形成。横向欧姆接触104可由Au、Ag、Al、Cu、Pt、Pd、Ti、ITO、Ru、Rh、Mn、Mg、C和石墨烯或者它们的组合(例如，它们的合金)来形成。
图2a和图2b的顶部导体层101可具有各种形状和配置。例如，在一些情况下，可以提供交叉杆配置下的顶部导体层101。顶部导体层101可包括延伸穿过顶部导体层101并暴露半导体层103的几个部分的一个或多个开口。在图2a的说明示例中，顶部导体层101包括彼此间隔开一定空间的行，所述空间限定延伸到半导体层103的开口。所述空间(或开口)可处于真空下或者用诸如惰性气体(例如，He、Ar)等气体填充。在一些情况下，可以用诸如介电材料之类的电绝缘材料来填充所述空间。
顶部导体层101中的开口可具有各种形状和配置。开口可具有圆形、三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形或部分形状的横截面，或者它们的组合。开口可延伸穿过顶部导体层101的至少一部分。在一些情况下，开口仅延伸穿过顶部导体层101的一部分，而在其他情况下开口基本上贯穿顶部导体层101并暴露半导体层103的几个部分。
开口可具有从约1nm至5000nm、10nm至5000nm、100nm至5000nm、200nm至5000nm或者400nm至2500nm的节距。开口可具有从约1nm至2000nm、10nm至2000nm、100nm至2000nm或者100nm至300nm的宽度(例如，顶部导体层101的相邻特征之间的距离)。
图4示意性地图示了具有交叉杆配置的光收集设备。图4的设备包括顶部导体层501、底部导体层502、安置于顶部导体层501与底部导体层502之间的半导体层503，以及与半导体层503和底部导体层502相接触的横向导体504。横向导体504可形成与半导体层503的欧姆接触。图4的设备可包括位于顶部导体层501中的开口(或孔洞)。这些开口可决定等离子体激元共振状态的一个或多个波长，并因此决定该波长下的光学吸收。开口的几何结构可决定被吸收的光的波长。开口可暴露半导体层503的表面的几个部分。开口可由顶部导体层501的特征所限定。在图示的示例中，开口各自为正方形或矩形横截面，在所有各边由顶部导体层501的特征(例如，交叉杆)所定界。
在一些实施方式中，顶部导体层501包括选自Al、Ag、Au、Cu、Ni、Pt和Pd的一种或多种导电材料。顶部导体层501可由透明电极(未示出)所覆盖，所述透明电极可由ITO、银、石墨烯、氟掺杂氧化锡(FTO)、掺杂氧化锌、有机介质中的碳纳米管或者其他导电性的透明或近透明材料所形成。透明电极可提供为连续片或者一个或多个纳米结构(例如，纳米线)。这些配置还表现出对称性，因此将会同时实现角度无关及偏振无关的响应。
在一种替代配置中，顶部层可完全不经纳米图案化，而在这样的情况下该配置可支持顶部金属层与底部金属层之间的法布里-珀罗共振(Fabry-perot resonance)。通过改变半导体层503的厚度或折射率，可获得在这种情况下的波长敏感性。这种配置中的法布里-珀罗共振可在顶部导体层501中生成热电子。
在一些示例中，通过光电器件、声光器件或液晶对周围介质的折射率的调制可改变作为波长的函数的光学响应，从而创造出电磁能量的可调收集器，举例而言，诸如检测器或其他传感器。在该配置中，可通过时变输入信号、由声信号、光信号和/或电信号来控制所述调制，从而实现动态可控收集器。在一些示例中，可通过使用电/光至机械运动转换机构拉伸或压缩顶部导体层501和底部导体层502来实现波长可调检测。
作为备选，可将多个传感器配置于阵列之中，使得每个传感器生成特定于其位置和该位置处的入射光强度及波长的独特信号。在一些情况下，图2的底部导体102与阵列中的其他传感器隔离。可以在底部导体102上并且远离半导体103提供附加的薄隔离隧穿绝缘体，随后是感测栅。在一些情况下，隧穿绝缘体为氧化物，诸如金属氧化物或半导体氧化物(例如，SiO2或TiO2)。所述栅可测量底部导体上的电荷，并且可使导体102能够在传感器被读取时放电。在该配置中，传感器将会创造出特定于波长的阵列传感器。
图5示出一种替代的电磁辐射收集器。在图5的配置中，顶部导体层701为复合层，其包含嵌入在顶部导体层701中的隔离的导电纳米/微米颗粒706。图5的收集器可与本文中其他设备或收集器一起使用或者由本文中其他设备或收集器所修改。在一些示例中，颗粒706为纳米颗粒，其具有从约0.1nm至约1000nm的数量级的颗粒尺寸(例如，宽度、直径)。在一些情况下，纳米颗粒具有从约1nm至1000nm、1nm至500nm、1nm至100nm或者1nm至50nm的颗粒尺寸。在其他示例中，颗粒706为微米颗粒，具有1微米(“百万分之一米”)至1000微米数量级的颗粒尺寸。在其他示例中，颗粒706既为纳米颗粒又为微米颗粒。顶部导体层701可以是透明的。导电颗粒706可创造出局域表面等离子体激元共振，并与底部导电层703共振相互作用。在一个示例中，顶部导体层701包含嵌入在导体基质或半导体基质中的金属纳米颗粒。该基质可以是复合基质。该基质可以是导电基质。颗粒706可包括Al、Pd、Ag、Au、Cu、Pt、Ni、Cu、Fe、W、氧化钇、氧化钯、石墨及石墨烯中的一种或多种。顶部导体层701可具有从约1nm至1000nm或者20nm至500nm的厚度。可用于半导体基质的材料可以是n型或p型半导体。基质可包括TiOx(例如，TiO2)、SnOx(例如，SnO2)、ZnO、其他半导体氧化物、Si、金刚石、Ge、SiC、GaN、ZnO、III-V族材料、II-VI族材料和V族材料中的一种或多种。颗粒706可嵌入在形成顶部导体层701的基质中。可用于半导体层702的材料可以是n型或p型半导体材料。半导体层702可形成与顶部导体层701的肖特基势垒。半导体层702可由TiOx(例如，TiO2)、SnOx(例如，SnO2)、ZnO、Si、金刚石、Ge、SiC、GaN、ZnO或者III-V族材料、II-VI族材料或IV族材料或者其他金属氧化物或半导体氧化物中的一种或多种形成。在一个示例中，顶部导体701包含纳米复合物，该纳米复合物包括Au/TiOx并具有小于约40nm的厚度。纳米复合物中的金属颗粒可创造出与半导体层702的肖特基势垒，并且有可能创造出纳米复合物层本身的等离子体激元纳米颗粒与基质材料之间的肖特基势垒。在与半导体层702的界面处增大顶部导体层701中金属纳米颗粒的填充因子(或浓度)可允许在基质中使用诸如SiOx或氧化铝(AlOx)等绝缘体，而同时仍创造与半导体层702的肖特基势垒。半导体层702与底部导电层703欧姆接触。该配置可允许宽光谱范围吸收。例如，见M.K.Hedayati,M.Javaherirahim,B.Mozooni,R.Abdelaziz,A.Tavassolizadeh,V.S.K.Chakravadhanula,V.Zaporojtchenko,T.Strunkus,F.Faupel和M.Elbahri,“Design of a perfect black absorber at visible frequencies usingplasmonic metamaterials.,”Advanced materials(Deerfield Beach,Fla.),vol.23,no.45,pp.5410-4,Dec.2011，该文献通过引用而全文并入于此。
图6示出宽带吸收设备结构。图6的设备包括顶部导体层301、半导体涂层302、半导体层303、底部导体层304、横向欧姆接触305、接触线306和接触线307。图6的设备在至少一些方面类似于图2的设备，区别在于顶部导体层301的高度延长从而创造出大高宽比(即，高度比宽度)纳米结构或柱。所述柱可以是三维柱。该配置可在“柱”之间创造出混合腔-面等离子体激元共振，以供更宽的吸收谱。这样的结构可扩宽吸收谱。例如，见C.-hung Lin,R.-lin Chern和H.-yan Lin,“Nearly perfect absorbers in the visible regime,”Optics Express,vol.19,no.2,pp.686-688,2011，该文献通过引用而全文并入于此。
这些大高宽比的柱创造出空腔共振，所述空腔共振还通过法布里-珀罗共振而与底部金属膜相互作用。宽带吸收体的性能可通过调谐如图6中所示的柱的高宽比或锥角308来改变和优化。顶部导体层301的尺寸针对所要收集的电磁谱而定制。在一些示例中，对于可见光采集，柱的高度309处在约100nm至2000nm或者300nm至1000nm的范围内；柱的宽度313处在约100nm至2000nm或者100nm至300nm的范围内；而节距310处在约200nm至5000nm或者400nm至2500nm的范围内。在一些示例中，柱具有至少约1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1、11:1、12:1、13:1、14:1、15:1、16:1、17:1、18:1、19:1或20:1的高宽比(即，高度比宽度)。在图6中所示的实施方式中，在柱的顶部和侧面沉积半导体302的保形涂层，以使创造热电子的区域与肖特基势垒之间的距离最小化。该距离应当小于热电子在金属中的平均自由程以供高效操作。对于可见光收集，半导体层302的厚度311的范围可在约1nm至800nm、1nm至500nm、1nm至400nm、1nm至300nm、1nm至200nm、1nm至100nm或者1nm至50nm；然而，亦可使用更厚的层。厚度低于约5nm的更薄的层可能需要光滑表面以防止半导体中的缺陷，所述缺陷可能因材料迁移而随时间推移产生短路。半导体层303位于顶部导体层301与底部导体层304之间。可用于半导体层302和303的材料可以是n型或p型；可以选择每个半导体层302和303的材料以形成与顶部导体层301的肖特基势垒。半导体层302和半导体层303可由TiOx(例如，TiO2)、SnOx(例如，SnO2)、ZnO、Si、金刚石、Ge、SiC、GaN、ZnO或者III-V族材料、II-VI族材料或IV族材料或者其他金属氧化物或半导体氧化物中的一种或多种形成。锥角308可大于约10度、20度、30度、40度、45度、50度、55度、60度、65度、70度、75度、80度或85度。在一些情况下，锥角308可介于约50度与90度或者70度与90度之间。图6的设备可具有与图4中所示相似的交叉线配置，这可以提供进一步的偏振无关性和角度无关性。
半导体层303可具有从约1纳米(nm)至1000nm、1nm至100nm或者1nm至50nm的厚度312。在一些示例中，半导体层303具有从约20nm至500nm或者20nm至150nm的厚度312。在一些示例中，对于光学吸收，厚度312小于100nm。
图7为示出可针对可见波长优化的图6的设备的光学吸收、反射和透射的计算机模拟。该设备显示出对光的宽带以及偏振(横电和横磁)无关吸收。
图8a和图8b示出另一电磁辐射收集器。图8b为图8a的柱的特写。图8a和图8b的设备包含顶部导体层401、第一半导体层402、第二半导体层403、底部导体层404、透明导体层405、第一(电)接触测试点406和第二接触测试点407。透明导体层405形成与第一半导体层402的欧姆接触。在图8b中已指示出热电子路径408；热电子路径408从顶部导体层401经过第一半导体层402并进入透明导体层405。透明导体层405可包括对挑选的光波长透明的任何材料。对于可见和近IR，透明导体层405可包括但不限于ITO、银纳米线、掺杂ZnO、石墨烯或其他合适的材料。透明导体层405的厚度可从约10nm至500nm或者50nm至150nm。可以选择该厚度使得图8a和图8b的设备在暴露于光时生成功率而同时对入射光透明。底部导体层404可以是浮动的，或者备选地，电耦合至用于感测或控制应用的另一电接触点。在一个示例中，顶部导体层401和底部导体层404可各自包括Au、Ag、Al、Cu、Sn、Ni、Pt、Pd、Ti、ITO、Ru、Rh和石墨烯或者与其他材料的组合中的一种或多种。在一些示例中，顶部导体层401或底部导体层404包括SnNi合金或Ag/Al。可以选择第二半导体层403的材料和/或厚度以缩短经过第二半导体层403的电子路径。透明顶部导体层405可连接至第二接触测试点407，并且顶部导体层401可连接至第一接触测试点406。第一接触测试点406和第二接触测试点407如本文其他部分所述，可由电导体形成。
在一些情况下，顶部透明导体层405可对电磁谱的期望部分不透明，从而有效地滤除期望频率的光而同时使其他频率的光能够透入收集器中。在该配置中，设备可作为针对期望的电磁谱定制的宽谱传感器和能量收集器来操作。这可实现自供电传感器或过滤不期望的光。例如，可以选择顶部透明导体层405的材料性质，使得入射光的一部分与顶部导体层401相接触以生成电子，所述电子用于为设备供电和提供感测能力。
本公开提供可用作生物传感器和/或化学传感器的设备。参考图9，图中示出用于对生物分子感测的实时、无标记检测的设备。举例而言，图9的设备可用于诸如通过功率生成或流过设备的电流中的变化来感测、检测或监测互补生物分子(诸如但不限于寡核苷酸以及抗体/抗原)之间的结合事件。
图9的设备包括顶部导体层601、底部导体层602、介于顶部导体层601与底部导体层602之间的半导体层603，以及横向接触604(例如，欧姆接触)。如本文其他部分所述，顶部导体层601可为纳米结构化顶部金属层。负载耦合至顶部导体601和横向接触604。该设备包括光源608，该光源608向顶部导体601和半导体层603传送光。所述光可具有已知的频率(或波长)和强度。
图9的设备适于与包含一种或多种分析物的溶液相接触。设备可包括流通池以将溶液传送到顶部导体601。
在一个示例中，在图9的设备的操作期间，当溶液中的靶分子606靠近(或接触)结合至设备的顶部导体601的表面的探针分子607时，可发生信号转导，从而允许发生互补反应。互补靶分子在探针分子的表面上的积聚可导致纳米结构化顶部金属层601的周围介质的折射率中的变化，这转而可以调制在由已知波长和强度的光源608所驱动的设备中生成的功率量和/或流经该设备的电流。当施加本领域中技术人员所熟知的适当实验控制和过程时，有可能检测基于复合溶液的样品中的靶生物分子。
图9的设备可配置作为针对气体和蒸汽的化学传感器。在一个示例中，当气体/蒸汽存在于纳米结构化顶部金属导体601的周围介质中和/或被吸收到纳米结构化顶部金属导体601、半导体603或底部导体602中时，折射率和/或几何结构可被改变。这转而可以调制由来自光源608的已知波长和强度的光所驱动的设备中生成的功率和/或流经该设备的电流。在一个示例中，设备可用于通过汞(Hg)与金(Au)的反应来检测汞。
电磁能量收集系统可包括一个或多个上述的或本文其他部分所述的电磁能量收集设备。在其中该系统包括多个电磁能量收集设备的情况下，可将单个的设备彼此串联或并联耦合。在一个示例中，通过将第一电磁能量收集设备的底部导体层电连接至第二电磁能量收集设备的顶部导体层，以及将第二电磁能量收集设备的底部导体电连接至外部负载或电连接至第三电磁能量收集设备的顶部导体，来将单个电磁能量收集设备串联耦合起来。第一电磁能量收集设备的顶部导体可电耦合至第四电磁能量收集设备的底部导体或者电耦合至外部负载。
形成设备的方法
本公开的另一方面提供用于形成适于收集电磁辐射(或能量)的设备的方法。该方法可包括形成与第一金属层的表面相邻的半导体层，以及形成与所述半导体层和第一金属层相邻的横向接触。继而可邻近所述半导体层形成第二金属层。
在一些示例中，通过气相传送方法来形成设备。在一些示例中，通过溅射来制造设备。在这种情况下，半导体和金属全都使用一个腔室来沉积，这可以减少制造时间。作为替代方案，可以使用单独的腔室。在一些情况下，使用一种或多种气相传送方法在真空室或惰性环境(例如，Ar或He背景)中形成电磁辐射收集设备。在其他示例中，可通过溶液传送方法来形成设备。在其他示例中，可通过气相传送方法和溶液传送方法的组合来形成设备。
参考图10，在第一操作1001中，提供第一金属材料的第一层。所述第一金属材料可提供在衬底架或衬托器上。在一些示例中，在反应室(或反应器)中提供所述第一层作为衬底，所述反应室具有反应空间来接纳各种用于形成本公开的设备的前体。所述第一层可为第一金属材料(诸如金)的连续片。如本文其他部分所述，可以选择第一金属材料来形成与半导体材料的肖特基接触。可以诸如借助于酸溶液和/或氧化剂来清洁所述第一层。在一个示例中，借助于H2SO4和H2O2来清洁所述第一层。
接下来，在第二操作1002中，邻近所述第一层形成半导体层。在一些示例中，该半导体层直接形成于所述第一层上。该半导体层可通过诸如使用气相沉积技术在所述第一层上沉积半导体层来形成。气相沉积技术的示例包括原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)或者其各种变体，举例而言，诸如等离子体增强ALD或等离子体增强CVD。在一个示例中，所述半导体层包括硅，所述硅通过使所述第一层在从约500℃至900℃的温度下与Si2H6相接触而沉积。
接下来，在第三操作1003中，将所述半导体层化学掺杂成n型或p型。在一个示例中，借助于n型化学掺杂物的前体来将所述半导体层掺杂成n型。前体可包括NH3或PH3。如果旨在将所述半导体层掺杂成p型，则可使用p型化学掺杂物的前体，举例而言，诸如B2H6。
通过当在所述第一层上沉积半导体层时，或者在邻近所述第一层形成半导体层之后将所述第一层暴露于n型或p型化学掺杂物的前体，可以掺杂所述半导体层。在一些情况下，如果要在形成半导体层之后进行掺杂，则可将半导体层暴露于n型或p型化学掺杂物的前体并于同时或于随后进行退火，以将n型或p型化学掺杂物驱入半导体层之中。
作为替代，可在邻近所述第一层形成半导体层之后将该半导体层掺杂成n型或p型。在一个示例中，可通过离子注入来将半导体层掺杂成n型或p型。
接下来，在第四操作1004中，邻近所述半导体层和所述第一层形成横向接触。该横向接触可包括与半导体层形成欧姆接触的材料。在一个示例中，通过移除半导体层的一部分，诸如借助于光刻法，来形成横向接触。例如，可以用光刻胶(例如，聚(甲基丙烯酸甲酯))来覆盖半导体层，并且可以使半导体层的边缘部分曝光和显影并继而将其移除(例如，使用漂洗/冲洗)以提供掩模。接下来，可以使用各向异性刻蚀(例如，KOH)来将半导体层刻蚀到所述第一层，以暴露所述第一层的横向部分。接下来，可例如借助于气相沉积技术(例如，PVD)来邻近所述第一层和半导体层沉积横向接触。在一个示例中，横向接触为硅化物，所述硅化物是通过将所述第一层暴露于硅前体(例如，Si2H6)和碳前体(例如，CH4)来邻近所述第一层和半导体层形成硅化物而形成的。横向接触可在从约500℃至900℃的温度下形成。
在形成横向接触之后，可例如通过将邻近半导体层的掩模暴露于各向同性化学蚀刻剂(例如，HF、HNO3、H2SO4)或使用化学机械平坦化(CMP)来移除所述掩模。初生的设备现在可以包括所述第一层和半导体层以及邻近所述第一层的横向接触。
接下来，在第五操作1005中，邻近半导体层形成第二层。所述第二层可由与半导体层形成肖特基接触的第二金属材料所形成。所述第二层可通过在半导体层和横向接触上提供光刻胶，通过该光刻胶暴露半导体层从而提供覆盖横向接触的掩模来形成。继而可将第二金属材料沉积在半导体层上以提供与半导体层相邻的所述第二层。第二金属材料可使用气相沉积技术诸如PVD(例如，溅射沉积)来提供。继而可以移除掩模以提供具有与半导体层相邻的第二层并且暴露横向接触的设备。
在其中要将第二金属材料提供成细长特征的情况下(例如，见图2a和图2b)，可提供第五操作中的掩模来暴露半导体层的几个部分。例如，掩模可覆盖横向接触并覆盖半导体层的几个部分(但并非全部)，并且可沉积第二金属材料。第二金属材料可沉积在半导体层的暴露部分上。
在其中要让所述第二层具有图6或图8a和图8b的配置的情况下，可定制所述第二层的沉积以提供具有期望的或除此之外具有预定高宽比的第二层的材料。例如，可采用多个掩模施加/沉积/掩模移除操作来提供具有大高宽比特征的第二层。
可以使用控制器和系统来控制和调控本公开的电磁辐射收集设备的生长。在一个示例中，提供控制系统来控制各种工艺参数，举例而言，诸如衬底和/或衬底架(或衬托器)温度、反应器压力、反应空间压力、反应室压力、等离子体发生器压力、气体(例如，Si2H6)向等离子体发生器中的流率、气体向反应空间中的流率、从一个反应空间向另一反应空间移动衬底的速率、衬底在薄膜形成期间的旋转速率、传向等离子体发生器的功率(例如，直流或射频功率)，以及与反应室流体连通的真空系统。反应室的压力可借助于真空系统来调控。该真空系统可包含配置用于向反应室提供真空的各种泵，举例而言，诸如除前级泵(诸如机械泵)之外的涡轮分子(“涡轮”)泵、低温泵、离子泵和扩散泵中的一种或多种。
本公开的设备、系统和方法可与其他设备、系统和方法相结合或由其所修改，所述其他设备、系统和方法诸如为以下文献中所描述：E.W.McFarland和J.Tang,“A photovoltaic device structure based oninternal electron emission,”Nature,vol.421,no.6923,pp.616-8,Feb.2003；U.Kreibig和M.Vollmer,Optical Properties of Metal Clusters.Springer,1995；R.Kostecki,S.Mao,“Surface Plasmon-EnhancedPhotovoltaic Device,”美国专利公开号2010/0175745A1；M.W.Knight,H.Sobhani,P.Nordlander和N.J.Halas,“Photodetection with activeoptical antennas,”Science(New York,N.Y.),vol.332,no.6030,pp.702-4,May.2011；Y.Lee,C.Jung,J.Park,H.Seo和G.Somorjai,“Surface Plasmon-Driven Hot Electron Flow Probed withMetal-Semiconductor Nanodiodes,”Nano Letters,vol.11,no.10,pp.4251-5,Oct.2011；J.Hao,J.Wang,X.Liu,W.J.Padilla,L.Zhou和M.Qiu,“High performance optical absorber based on a plasmonicmetamaterial,”Applied Physics Letters,vol.96,no.25,p.251104,2010；M.K.Hedayati,M.Javaherirahim,B.Mozooni,R.Abdelaziz,A.Tavassolizadeh,V.S.K.Chakravadhanula,V.Zaporojtchenko,T.Strunkus,F.Faupel和M.Elbahri,“Design of a perfect black absorber atvisible frequencies using plasmonic metamaterials.,”Advanced materials(Deerfield Beach,Fla.),vol.23,no.45,pp.5410-4,Dec.2011；以及C.-hung Lin,R.-lin Chern和H.-yan Lin,“Nearly perfect absorbers in thevisible regime,”Optics Express,vol.19,no.2,pp.686-688,2011，这些文献各自通过引用而全文并入于此。
从前文描述中应当理解，虽然已经说明和描述了特定实现，但可以对其作出并在此设想到各种修改。本发明也不旨在由说明书内所提供的具体示例所限制。虽然已参考前述说明书描述了本发明，但本文对优选实施方式的描述和说明不应以限制性的意义来解释。此外，应当理解，本发明的所有方面均不限于本文所述的取决于多种条件和变量的具体描绘、配置或相对比例。对本发明实施方式的形式和细节上的各种修改对于本领域技术人员而言将会是显而易见的。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并从而覆盖属于这些权利要求范围内的方法和结构及其等效方案。

Claims (44)

1.一种用于收集电磁能量的设备，包括：
(a)第一层，其包含导电纳米结构，其中所述第一层适于在暴露于电磁能量时生成热电子；
(b)第二层，其邻近所述第一层，其中所述第二层包含半导体材料，并且其中所述第一层与所述第二层之间的界面在所述设备暴露于电磁能量时构成对电荷流的肖特基势垒；以及
(c)第三层，其邻近所述第二层，其中所述第三层包含导电材料，
其中当所述设备暴露于电磁能量时，所述第一层中的所述纳米结构生成局域表面等离子体激元共振，所述局域表面等离子体激元共振与所述第三层共振相互作用以产生功率。
2.根据权利要求1的设备，其中，当所述设备暴露于电磁能量时，所述第一层与所述第三层的组合响应导致对来自所述第一层的方向的入射电磁能量的共振电响应和磁响应。
3.根据权利要求1的设备，其中所述第三层形成与所述第二层的肖特基接触。
4.根据权利要求3的设备，还包含与所述第二层和所述第三层相邻的电极，其中所述电极与所述第二层横向相邻，并且其中所述电极形成与所述第二层的欧姆接触。
5.根据权利要求1的设备，其中所述第三层形成与所述第二层的欧姆接触。
6.根据权利要求5的设备，还包含与所述第三层相邻的第四层，其中所述第四层与所述第一层形成电共振和磁共振。
7.根据权利要求1的设备，其中所述第一层的所述导电纳米结构和/或所述第三层的所述导电材料包括选自铝、银、金、铜、铂、镍、铜、铁、钨、氧化钇、氧化钯、石墨和石墨烯中的一种或多种材料。
8.根据权利要求1的设备，其中所述半导体材料包括选自氧化钛、氧化锡、氧化锌、硅、金刚石、锗、碳化硅、氮化镓、碲化镉中的一种或多种材料。
9.根据权利要求1的设备，其中所述第一层的所述导电纳米结构被包括在多个细长的行中。
10.根据权利要求1的设备，其中所述第一层的所述导电纳米结构被包括在一个或多个三维柱中，其中所述一个或多个三维柱中的单个柱具有大于1的高宽比。
11.根据权利要求10的设备，其中所述单个柱相对于所述单个柱的基部具有介于约50度与90度之间的锥角。
12.根据权利要求10的设备，其中所述单个柱具有至少约2:1的高宽比。
13.根据权利要求10的设备，其中所述单个柱具有至少约10:1的高宽比。
14.根据权利要求1的设备，其中所述第一层是光学透明的。
15.根据权利要求1的设备，还包含与所述第一层相邻的第四层，其中所述第四层包含半导体材料。
16.根据权利要求1的设备，其中所述第一层包含被吸收于所述第一层的暴露表面上的一个或多个探针分子，其中所述一个或多个探针分子适于(i)与接触所述第一层的溶液中的分析物相互作用，以及(ii)调制在所述设备中生成的功率和/或流经所述设备的电流。
17.根据权利要求1的设备，其中所述导电纳米结构的单个纳米结构具有从约1纳米(nm)至100nm的颗粒尺寸。
18.根据权利要求1的设备，其中所述第一层包含基质，并且其中所述导电纳米结构嵌入在所述基质中。
19.根据权利要求18的设备，其中所述基质包括选自氧化钛、氧化锡、氧化锌、硅、金刚石、锗、碳化硅、氮化镓、碲化镉中的一种或多种材料。
20.根据权利要求1的设备，其中所述第二层具有从约1纳米(nm)至500nm的厚度。
21.根据权利要求1的设备，其中所述导电纳米结构安置于所述第一层内的图案化阵列中。
22.根据权利要求1的设备，其中所述第一层包含延伸穿过所述第一层的一个或多个开口。
23.根据权利要求22的设备，其中所述第二层的几个部分通过所述第一层的所述一个或多个开口而暴露。
24.根据权利要求1的设备，其中所述第三层与所述第一层隔离。
25.一种用于收集电磁能量的系统，包括一个或多个电磁能量收集设备，单个的设备包括：
第一导电层，其邻近半导体层，其中所述第一导电层在所述第一导电层与所述半导体层之间的界面处形成对电荷流的肖特基势垒；
第二导电层，其邻近所述半导体层并安置于远离所述第一导电层之处，其中所述第二导电层形成(i)与所述半导体层的欧姆接触，或者(ii)在所述第二导电层与所述半导体层之间的界面处对电荷流的肖特基势垒，
其中，当所述设备暴露于电磁能量时，所述第一导电层生成局域表面等离子体激元共振，所述局域表面等离子体激元共振与所述第二导电层共振相互作用以产生功率。
26.根据权利要求25的系统，其中所述半导体层具有从约1纳米(nm)至500nm的厚度。
27.根据权利要求26的系统，其中所述半导体层具有从约1nm至100nm的厚度。
28.根据权利要求25的系统，其中所述第二导电层在所述第二导电层与所述半导体层之间的界面处形成对电荷流的肖特基势垒。
29.根据权利要求25的系统，其中所述第二导电层形成与所述半导体层的欧姆接触。
30.根据权利要求25的系统，其中所述系统包括多个电磁能量收集设备。
31.根据权利要求30的系统，其中所述电磁能量收集设备彼此串联电耦合。
32.根据权利要求25的系统，其中，当所述系统暴露于电磁能量时，所述第一导电层与所述第二导电层的组合响应导致对来自所述第一导电层的方向的入射电磁能量的共振电响应。
33.根据权利要求25的系统，还包含与所述半导体层和所述第二导电层相邻的接触，其中所述接触相对于所述半导体层横向安置，并且其中所述接触形成与所述半导体层的欧姆接触。
34.根据权利要求25的系统，其中所述第一导电层包括导电纳米结构。
35.根据权利要求34的系统，其中所述导电纳米结构和/或所述第二导电层包括选自铝、银、金、铜、铂、镍、铜、铁、钨、氧化钇、氧化钯、石墨和石墨烯中的一种或多种材料。
36.根据权利要求34的系统，其中所述导电纳米结构被包括在多个细长的行中。
37.根据权利要求34的系统，其中所述导电纳米结构被包括在一个或多个三维柱中，其中所述一个或多个三维柱中的单个柱具有大于1的高宽比。
38.根据权利要求37的系统，其中所述单个柱相对于所述单个柱的基部具有介于约50度与90度之间的锥角。
39.根据权利要求37的系统，其中所述单个柱具有至少约2:1的高宽比。
40.根据权利要求37的系统，其中所述单个柱具有至少约10:1的高宽比。
41.根据权利要求25的系统，其中所述第一导电层包含复合基质和处于所述复合基质中的纳米结构。
42.根据权利要求41的系统，其中所述纳米结构具有从约1纳米(nm)至100nm的颗粒尺寸。
43.根据权利要求41的系统，其中所述复合基质包括选自氧化钛、氧化锡、氧化锌、硅、金刚石、锗、碳化硅、氮化镓、碲化镉中的一种或多种材料。
44.根据权利要求25的系统，其中所述半导体层包括选自氧化钛、氧化锡、氧化锌、硅、金刚石、锗、碳化硅、氮化镓、碲化镉中的一种或多种材料。
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