CN104303320A - 均质多带隙装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种电气装置，其包括(A)具有表面的衬底和(B)叠加在所述表面的一部分上的纳米孔超晶格(110)。所述纳米孔超晶格包括具有其中所界定的孔阵列的多个薄片。所述孔阵列由带隙或带隙范围表征。所述多个薄片形成第一边缘和第二边缘。包含第一导电材料的第一导线(106)与所述第一边缘形成第一结。包含第二导电材料的第二导线(108)与所述第二边缘形成第二结。所述第一结为关于载流子的肖特基势垒。在一些情况下，金属保护涂层覆盖第一导线的表面的全部或一部分。在一些情况下，第一导线包含钛，第二导线包含钯，并且金属保护涂层包含金。
Description
1.相关申请的交叉引用
本申请要求2012年3月23日提交的题为“Homogeneous BandGap Devices Having A Lead With a Metal Protective Coating”的美国专利申请号61/615,130的优先权，其特此通过引用结合在此。本申请还要求2012年3月23日提交的题为“Homogeneous Multiple Band GapDevices”的美国专利申请号61/615,137的优先权，其特此通过引用结合在此。本申请还要求2011年10月21日提交的题为“GrapheneNanohole Superlattice-based Photovoltaic Cells”的美国专利申请号61/549,814的优先权，其特此通过引用结合在此。
2.技术领域
本发明涉及在宽波长谱上用于将光子能转换成电压或电流或用于将电流转换成光子能的带隙装置，并且更具体地说，涉及包括纳米孔超晶格的多带隙装置。
3.发明背景
光电装置效率取决于许多外在和内在因素。在这两种类别中，内在因素对光电装置可以实现的最大效率设定了一个限制。占主导的内在因素包括由于(i)光子吸收缺乏、(ii)激子弛豫以及(iii)辐射复合所引起的损失。第一个损失是由半导体不能吸收能量小于半导体的能带隙的光子而引起。第二个损失是在能量大于半导体的能带隙的光子产生电子和空穴时发生，这些电子和空穴立即损失以加热超过半导体的能带隙的几乎所有的能量。并且，第三个损失是由于产生光的电子-空穴对的复合。
减少这些内在损失是光电装置发展中的一个目标，特别是对于在宽波长谱上使用的装置。举例来说，太阳辐射在100nm到14μm的范围内，其中可见光在400nm到700nm的范围内。假定消除了所有外在损失，那么对于由最佳带隙为约1.35eV的单一半导体材料制成的理想太阳能电池来说，最大效率为约31％(参看Journal of AppliedPhysics 51，4494(1980))。就是说，69％的太阳能由于内在损失而无法得到使用。
一种提高装置效率的策略是使用具有多带隙的材料的多结光电装置。一些现有的多结光伏装置由III-V族半导体建构(参看Energyand Environmental Science，2，174-192(2009))。多结光伏装置的典型结构包括由堆叠在彼此之上的不同半导体材料制成的许多n-p(或p-n)结。每个结具有高于其下面的结的能带隙；并且界面被设置在堆叠的结之间。图1示出了串联连接、单片生长的GaInP/GaInAs/Ge堆叠的通用三结结构(参看M.O.Patton的美国专利号6,660,928)。
需要解决若干问题以制造多带隙装置，例如图1中所描绘的三结光伏装置。第一，用于不同层的半导体材料典型地需要具有匹配的晶格常数以在衬底上外延生长并且形成p-n或n-p结。第二，为促进效率的提高，介于两个n-p(或p-n)结层之间的界面典型地需要具有低电阻以使所产生的电流能够从一个结流到下一个结。因此，在单片结构中，已使用低电阻隧道结使电流流动的阻碍降至最低。第三，在每个层中所产生的电流密度典型地需要大致相同以使得最低光生电流密度不会限制流经多结装置的电流。
这些需求在半导体材料和多结装置的制造中施加了技术挑战。难以构造具有所需带隙并且同时满足其他设计目标(例如匹配的晶格常数)的三种不同半导体材料。举例来说，GaInP/GaAs/Ge系统中的三个结分别受限于1.8、1.4和0.67eV的对应的带隙(参看Energy andEnvironmental Science 2，174-192(2009))。这导致带隙的非理想组合，并且因此导致较低装置效率。
已致力于通过调整带隙并且平衡电流来更改半导体材料的组成。实例可以见于R.R.King等人的美国专利号6,340,788中，其公开了若干三结电池，包括(i)对应的带隙为1.89、1.42和0.92eV的Ga0.52In0.48P、GaAs和Si0.17Ge0.83装置，(ii)对应的带隙为1.94、1.51和1.12eV的Ga0.55In0.45P、GaP0.07As0.93和Si装置，(iii)对应的带隙为1.89、1.42和1.12eV的Ga0.52In0.48P、GaAs和Si装置，以及(iv)对应的带隙为1.89、1.50和1.12eV的Ga0.52In0.48P、GaxIn1-xPyAS1-y和Si装置。
与此同时，已致力于采用更多的p-n(或n-p)层来提高效率。举例来说，等人的美国专利号6,340,788公开了许多四结太阳能电池，而King等人的美国专利号6,316,715公开了具有三个、四个或五个结的太阳能电池。
虽然更改半导体材料的组成可以提高装置效率，但迄今尚未实现最大效率，因为在建构这些装置中存在实际障碍。这些障碍包括由于在彼此之上的多个层的混溶间隙而促进所需组成的外延生长，同时满足层间晶格匹配限制并且需要平衡在多结堆叠中的每个结中所产生的电流量。就是说，组成调整、晶格常数匹配以及电流平衡使多结制造工艺变得复杂并且增加了这些装置的生产成本。
鉴于上述背景，在本领域中需要改进的装置，其更易于制造和/或具有提高的效率或其他改进的特征。
4.发明概要
本公开提供改进的装置，其更易于制造和/或具有提高的效率或其他改进的特征。
布置在衬底上的装置。在本公开的一个方面提供一种电气装置，其包括具有表面的衬底。第一纳米孔超晶格叠加在表面的第一部分上。第一纳米孔超晶格包括具有其中所界定的第一孔阵列的第一组多个薄片。第一孔阵列由第一带隙或第一带隙范围表征。第一组多个薄片形成第一边缘和第二边缘。包含第一导电材料的第一导线与第一边缘形成第一结。包含第二导电材料的第二导线与第二边缘形成第二结。任选地，电气装置进一步包括覆盖第一导线的表面的全部或一部分的第一金属保护涂层。第一结为关于载流子的第一肖特基势垒(Schottky barrier)。
在一些实施方案中，电气装置进一步包括叠加在表面的第二部分上的第二纳米孔超晶格。第二纳米孔超晶格包括具有其中所界定的第二孔阵列的第二组多个薄片。第二组多个薄片中的第二孔阵列由第二带隙或第二带隙范围表征。第二组多个薄片形成第三边缘和第四边缘。包含第三导电材料的第三导线与第三边缘形成第三结。包含第四导电材料的第四导线与第四边缘形成第四结。第三结为关于载流子的第二肖特基势垒。
在一些实施方案中，电气装置进一步包括叠加在表面的第三部分上的第三纳米孔超晶格。第三纳米孔超晶格包括具有其中所界定的第三孔阵列的第三组多个薄片。第三组多个薄片中的第三孔阵列由第三带隙或第三带隙范围表征。第三组多个薄片形成第五边缘和第六边缘。包含第五导电材料的第五导线与第三边缘形成第五结。包含第六导电材料的第六导线与第六边缘形成第六结。第五结为关于载流子的第三肖特基势垒。
在一些实施方案中，装置进一步包括重叠第一纳米孔超晶格的第一光学透明绝缘体和叠加在第一光学透明绝缘体上的第二纳米孔超晶格。第二纳米孔超晶格包括具有其中所界定的第二孔阵列的第二组多个薄片。第二孔阵列在第二组多个薄片中产生第二带隙或第二带隙范围，并且第二组多个薄片形成第三边缘和第四边缘。在这些实施方案中，第一导线与第三边缘形成第三结，第二导线与第四边缘形成第四结，并且第三结为关于载流子的第二肖特基势垒。在一些实施方案中，电气装置进一步包括重叠第二纳米孔超晶格的第二光学透明绝缘体和第三纳米孔超晶格。
在一些实施方案中，电气装置进一步包括与第一纳米孔超晶格和第二纳米孔超晶格光通信的分光器。分光器将入射光分成第一波长带和第二波长带。第一波长带由至少一个处于第一波长带中而非第二波长带中的波长表征。分光器将第一光波长带引导到第一纳米孔超晶格并且将第二波长带引导到第二纳米孔超晶格。
在一些实施方案中，电气装置进一步包括与第一纳米孔超晶格和第二纳米孔超晶格光通信的分光器。分光器将入射光分成第一波长带、第二波长带和第三波长带。第一波长带由至少一个处于第一波长带中而非第二波长带或第三波长带中的波长表征。第二波长带由至少一个处于第二波长带中而非第一波长带或第三波长带中的波长表征。第三波长带由至少一个处于第三波长带中而非第一波长带或第二波长带中的波长表征。分光器将第一光波长带引导到第一纳米孔超晶格，将第二波长带引导到第二纳米孔超晶格，并且将第三波长带引导到第三纳米孔超晶格。
堆叠的装置。在一个方面，本公开提供一种电气装置，其包括具有表面的衬底。第一纳米孔超晶格叠加在表面的第一部分上。第一纳米孔超晶格包括具有其中所界定的第一孔阵列的第一组多个薄片。第一孔阵列在第一组多个薄片中产生第一带隙或第一带隙范围。第一组多个薄片形成第一边缘和第二边缘。包含第一导电材料的第一导线与第一边缘形成第一结。包含第二导电材料的第二导线与第二边缘形成第二结。第一结为关于载流子的第一肖特基势垒。
在一些实施方案中，装置进一步包括重叠第一纳米孔超晶格的第一光学透明绝缘体。在这些实施方案中，第二纳米孔超晶格叠加在第一光学透明绝缘体上。第二纳米孔超晶格包括具有其中所界定的第二孔阵列的第二组多个薄片。第二孔阵列在第二组多个薄片中产生第二带隙或第二带隙范围。第二组多个薄片形成第三边缘和第四边缘。第一导线与第三边缘形成第三结。第二导线与第四边缘形成第四结。第三结为关于载流子的第二肖特基势垒。
在一些实施方案中，第二光学透明绝缘体重叠第二纳米孔超晶格。在这些实施方案中，第三纳米孔超晶格叠加在第二光学透明绝缘体上。第三纳米孔超晶格包括具有其中所界定的第三孔阵列的第三组多个薄片。第三孔阵列在第三组多个薄片中产生第三带隙或第三带隙范围。第三组多个薄片形成第五边缘和第六边缘。第一导线与第三边缘形成第五结。第二导线与第四边缘形成第六结。第三结为关于载流子的第三肖特基势垒。
附加的实施方案。在一些实施方案中，第一孔阵列在第一组多个薄片中产生第一带隙范围，并且第二孔阵列在第二组多个薄片中产生第二带隙范围。第一带隙范围由至少一个处于第一带隙范围而非第二带隙范围内的带隙子范围表征。在一些实施方案中，第一孔阵列在第一组多个薄片中产生第一带隙范围。第二孔阵列在第二组多个薄片中产生第二带隙范围。第三孔阵列在第三组多个薄片中产生第三带隙范围。第一带隙范围由至少一个处于第一带隙范围而非第二带隙范围或第三带隙范围内的带隙子范围表征。第二带隙范围由至少一个处于第二带隙范围而非第一带隙范围或第三带隙范围内的带隙子范围表征。第三带隙范围由至少一个处于第三带隙范围而非第一带隙范围或第二带隙范围内的带隙子范围表征。
在一些实施方案中，第一孔阵列中的第一孔由不同于第二孔阵列中的第二孔的特征长度的特征长度表征。在一些实施方案中，第一孔阵列中的第一孔由与第二孔阵列中的第二孔的特征长度相同的特征长度表征。在一些实施方案中，第一孔阵列在第一组多个薄片中产生第一带隙范围，第二孔阵列在第二组多个薄片中产生第二带隙范围，并且第一带隙范围与第二带隙范围相同。在一些实施方案中，第一孔阵列在第一组多个薄片中产生第一带隙范围，第二孔阵列在第二组多个薄片中产生第二带隙范围，第三孔阵列在第三组多个薄片中产生第三带隙范围，并且第一带隙范围与第二带隙范围和第三带隙范围相同。
在一些实施方案中，第一组多个薄片中的第一薄片由第一掺杂剂表征，并且第二组多个薄片中的第二薄片由第二掺杂剂表征。在一些实施方案中，第一组多个薄片中的第一薄片由第一掺杂剂表征，第二组多个薄片中的第二薄片由第二掺杂剂表征，并且第三组多个薄片中的第三薄片由第三掺杂剂表征。在一些实施方案中，第一掺杂剂和第二掺杂剂相同。在一些实施方案中，第一掺杂剂和第二掺杂剂不同。在一些实施方案中，第一掺杂剂、第二掺杂剂和第三掺杂剂相同。在一些实施方案中，第一掺杂剂、第二掺杂剂和第三掺杂剂各自不同。
在一些实施方案中，第二结为关于载流子的第三肖特基势垒并且第三肖特基势垒小于第一肖特基势垒。在一些实施方案中，第二结关于载流子为电阻性的。
在一些实施方案中，电气装置进一步包括重叠第二纳米孔超晶格的全部或一部分的抗反射层。
在一些实施方案中，第一孔阵列在第一组多个薄片中产生第一带隙范围并且其中第一带隙范围介于0.1eV与2.2eV之间、介于0.1eV与0.8eV之间、介于0.5eV与2.2eV之间或介于0.6eV与1.1eV之间。
在一些实施方案中，第一孔阵列中的孔具有介于1μm与10mm之间、介于50μm与500μm之间或介于100μm与300μm之间的特征尺寸。在一些实施方案中，第一孔阵列中的孔具有小于5000nm、小于1000nm、小于500nm、小于100nm或小于50nm的特征尺寸。在一些实施方案中，特征尺寸为孔的特征长度、孔的半径、孔的直径或孔的宽度。在一些实施方案中，孔由圆形、卵圆形、三角形、矩形、五角形或六角形的横截面表征。在一些实施方案中，孔由圆形、卵圆形、三角形、矩形、五角形或六角形的横截面表征。在一些实施方案中，孔由包括直线部分、弧形部分或弯曲部分的任何组合的横截面表征。
在一些实施方案中，第一孔阵列具有在第一组多个薄片中介于1个纳米孔/μm2与106个纳米孔/μm2之间、在第一组多个薄片中介于100个纳米孔/μm2与105个纳米孔/μm2之间、在第一组多个薄片中介于500个纳米孔/μm2与105个纳米孔/μm2之间、在第一组多个薄片中介于10个纳米孔/μm2与105个纳米孔/μm2之间或在第一组多个薄片中介于100个纳米孔/μm2与104个纳米孔/μm2之间的纳米孔密度。
在一些实施方案中，第一结与第二结之间的距离介于1μm与100μm之间。在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格由不同于第二纳米孔超晶格的均匀厚度的均匀厚度表征。在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格由不同于第二纳米孔超晶格的均匀厚度和第三纳米孔超晶格的均匀厚度的均匀厚度表征，第二纳米孔超晶格由不同于第一纳米孔超晶格的厚度和第三纳米孔超晶格的厚度的均匀厚度表征，并且第三纳米孔超晶格由不同于第一纳米孔超晶格的厚度和第二纳米孔超晶格的厚度的均匀厚度表征。
在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格由比第二纳米孔超晶格的均匀厚度超出第一纳米孔超晶格的均匀厚度的10％以上的均匀厚度表征。在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格由比第二纳米孔超晶格的均匀厚度超出第一纳米孔超晶格的均匀厚度的20％以上的均匀厚度表征。在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格由比第二纳米孔超晶格的均匀厚度超出第一纳米孔超晶格的均匀厚度的40％以上的均匀厚度表征。
在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格由第一均匀厚度表征，第二纳米孔超晶格由第二均匀厚度表征，并且第一均匀厚度与第二均匀厚度相同。
在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格的厚度不同于第二纳米孔超晶格的厚度和第三纳米孔超晶格的厚度，第二纳米孔超晶格的厚度不同于第一纳米孔超晶格的厚度和第三纳米孔超晶格的厚度，并且第三纳米孔超晶格的厚度不同于第一纳米孔超晶格的厚度和第二纳米孔超晶格的厚度。
在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格中的第一薄片包含第一半导体材料，第二纳米孔超晶格中的第二薄片包含第二半导体材料，并且第一半导体材料与第二半导体材料相同。
在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格中的第一薄片包含第一半导体材料，第二纳米孔超晶格中的第二薄片包含第二半导体材料，并且第一半导体材料不同于第二半导体材料。
在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格中的第一薄片为p掺杂的。在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格中的第一薄片为n掺杂的。在一些实施方案中，第一组多个薄片中的第一薄片为石墨烯纳米孔超晶格薄片。在一些实施方案中，第一组多个薄片中的每个薄片为石墨烯纳米孔超晶格薄片。在一些实施方案中，第一组多个薄片中的每个薄片和第二组多个薄片中的每个薄片为石墨烯纳米孔超晶格薄片。
在一些实施方案中，第一组多个薄片中的每个薄片、第二组多个薄片中的每个薄片和第三组多个薄片中的每个薄片为石墨烯纳米孔超晶格薄片。
在一些实施方案中，第一组多个薄片由介于1个与300个之间的半导体石墨烯纳米孔超晶格薄片组成。在一些实施方案中，第一组多个薄片由介于100个与300个之间的半导体石墨烯纳米孔超晶格薄片组成。在一些实施方案中，第一组多个薄片和第二组多个薄片具有相同数目的薄片。在一些实施方案中，第一组多个薄片和第二组多个薄片具有不同数目的薄片。在一些实施方案中，第一光学透明绝缘体由玻璃制成，并且具有介于1010与1014Ωm之间的电阻。在一些实施方案中，衬底包含Si、SiC、SiO2或SiC/Si。在一些实施方案中，第一导线包含钛、铌、锌、铬、银或铝，并且第二导线包含金、钴、钯、铜或铂。
在一些实施方案中，第一导线和第二导线都不涂布有保护层。在一些实施方案中，第一导线和第二导线中的至少一者覆盖有涂层。在一些实施方案中，涂层包含导电材料。在一些实施方案中，在两个导线都被涂布的情况下，在一些实施方案中第一导线上的涂层与第二导线上的涂层在所施加的材料或厚度方面相同，而在其他实施方案中第一导线上的涂层不同于第二导线上的涂层。
在一些实施方案中，第一导线包含钛、铌、锌、铬、银或铝，并且第二导线包含金、钴、钯、铜或铂。在一些实施方案中，第一导线和第二导线与外部负载电通信，并且电气装置为响应入射光产生电的光伏装置。在一些实施方案中，入射光为太阳辐射。在一些实施方案中，光伏装置响应入射光产生至少50W/m2的功率密度。
在一些实施方案中，第一导线和第二导线与外部电路电通信，并且电气装置为响应入射光产生电流或电压的光检测器。在一些实施方案中，入射光为太阳辐射。在一些实施方案中，入射光包括介于10nm到100μm之间的波长。
在一些实施方案中，第一导线和第二导线与外部电流电通信，并且电气装置为响应外部电流发射光的发光二极管。在一些实施方案中，光为白光。在一些实施方案中，本文所公开的载流子为电子。
在一些实施方案中，第一导线包含钛，第二导线包含钯，并且第一金属保护涂层包含金。在一些实施方案中，电气装置进一步包括覆盖第二导线的暴露表面的全部或一部分的第二金属保护涂层。
第二个方面。本公开的第二个方面提供一种多带隙装置，其包括具有表面的衬底和多个堆叠。多个堆叠中的每个对应的堆叠由第一端、第二端和长度界定。多个堆叠纵向排列在衬底上，多个堆叠中的每个堆叠占据衬底的不同部分。多个堆叠中的每个对应的堆叠包括相应的多个纳米带。相应的多个纳米带中的第一纳米带由第一带隙或第一带隙范围表征，第一纳米带重叠在衬底上。第一光学透明绝缘体重叠第一纳米带。对应的多个纳米带中的第二纳米带由第二带隙表征。第二纳米带重叠第一绝缘体。第一带隙小于第二带隙。第一导线电接触多个堆叠中的每个堆叠的第一端。第二导线电接触多个堆叠中的每个堆叠的第二端。任选地，第一金属保护涂层覆盖第一导线的表面的全部或一部分。多带隙装置是通过第一和第二导线的电控制来操作。
在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的第一纳米带的第一带隙具有与多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带不同的带隙。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的第一纳米带的第一带隙具有与多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带相同的带隙。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一纳米带的第一带隙由第一宽度、第一厚度、第一边缘状态、第一掺杂或其组合界定，并且多个堆叠中的多个纳米带中的第二纳米带的第二带隙由第二宽度、第二厚度、第二边缘状态、第二掺杂或其组合界定。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带的第一宽度大于多个堆叠中的堆叠的第二纳米带的第二宽度。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的第一纳米带的第一宽度具有与多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带不同的宽度。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的第一纳米带的第一宽度具有与多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带相同的宽度。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的第一纳米带的第一厚度具有与多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带不同的厚度。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的第一纳米带的第一厚度具有与多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带相同的厚度。
在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的第一纳米带的第一边缘状态具有与多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带不同的边缘状态。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的第一纳米带的第一边缘状态具有与多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带相同的边缘状态。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的第一纳米带的第一掺杂具有与多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带不同的掺杂剂、不同的掺杂剂浓度或不同的掺杂剂分布。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的第一纳米带的第一掺杂具有与多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带相同的掺杂剂、相同的掺杂剂浓度或相同的掺杂剂分布。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠中的多个纳米带中的纳米带的数目不同于多个堆叠中的第二堆叠中的多个纳米带中的纳米带的数目。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠中的多个纳米带中的纳米带的数目与多个堆叠中的第二堆叠中的多个纳米带中的纳米带的数目相同。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的长度不同于多个堆叠中的第二堆叠的长度。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的长度与多个堆叠中的第二堆叠的长度相同。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的长度介于1μm与100μm之间。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的纳米带具有介于0.1eV与2.2eV之间的带隙。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带具有介于0.1eV与1.2eV之间的带隙，并且堆叠的第二纳米带具有介于0.8eV与1.9eV之间的带隙。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带具有介于0.5eV与1.5eV之间的带隙，并且堆叠的第二纳米带具有介于1.2eV与2.2eV之间的带隙。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带具有介于0.8eV与1.8eV之间的带隙，并且堆叠的第二纳米带具有介于1.5eV与2.2eV之间的带隙。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的纳米带具有介于1nm与60nm之间的宽度。
在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带具有介于20nm与50nm之间的宽度，并且堆叠的第二纳米带具有介于1nm到30nm之间的宽度。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带具有介于30nm与40nm之间的宽度，并且堆叠的第二纳米带具有介于10nm到20nm之间的宽度。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带具有介于5nm与20nm之间的宽度，并且堆叠的第二纳米带具有介于1nm到10nm之间的宽度。
在一些实施方案中，多个堆叠纵向平行排列。在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠不平行于多个堆叠中的第二堆叠。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带具有不同于多个堆叠中的堆叠的第二纳米带的厚度。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带具有与多个堆叠中的堆叠的第二纳米带相同的厚度。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带由第一半导体材料制成并且多个堆叠中的堆叠的第二纳米带由第二半导体材料制成，其中第一半导体材料不同于第二半导体材料。
在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带由第一半导体材料制成并且多个堆叠中的堆叠的第二纳米带由第二半导体材料制成，其中第一半导体材料不同于第二半导体材料。在一些实施方案中，多个堆叠中的多个纳米带掺杂有N、P、F或Bi原子或分子。
在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带掺杂有第一掺杂剂并且多个堆叠中的堆叠的第二纳米带掺杂有第二掺杂剂，其中第一掺杂剂不同于第二掺杂剂。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带掺杂有第一掺杂剂并且多个堆叠中的堆叠的第二纳米带掺杂有第二掺杂剂，其中第一掺杂剂与第二掺杂剂相同。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带由第一掺杂剂浓度或第一掺杂剂梯度表征并且多个堆叠中的堆叠的第二纳米带由第二掺杂剂浓度或第二掺杂剂梯度表征，其中第一掺杂剂浓度不同于第二掺杂剂浓度或第一掺杂剂梯度不同于第二掺杂剂梯度。
在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带由第一掺杂剂浓度或第一掺杂剂梯度表征并且多个堆叠中的堆叠的第二纳米带由第二掺杂剂浓度或第二掺杂剂梯度表征，其中第一掺杂剂浓度与第二掺杂剂浓度相同或第一掺杂剂梯度与第二掺杂剂梯度相同。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带包括第一组多个石墨烯纳米带薄片。
在一些实施方案中，第一组多个石墨烯纳米带薄片由介于1个与300个之间的石墨烯纳米带薄片组成。在一些实施方案中，第一组多个石墨烯纳米带薄片由介于100个与300个之间的石墨烯纳米带薄片组成。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带和第二纳米带各自由相同数目的石墨烯纳米带薄片组成。在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的第一纳米带具有与堆叠的第二纳米带不同数目的石墨烯纳米带薄片。
在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠进一步包括：(iv)重叠第二纳米带的第二光学透明绝缘体，以及(v)由第三带隙表征的第三纳米带，第三纳米带重叠第二绝缘体，其中第三带隙大于第二带隙。在一些实施方案中，堆叠的纳米带具有介于0.1eV与2.2eV之间的带隙。在一些实施方案中，堆叠的第一纳米带具有介于0.1eV与1.1eV之间的带隙，堆叠的第二纳米带具有介于0.7eV与1.5eV之间的带隙，并且堆叠的第三纳米带具有介于1.5eV与2.1eV之间的带隙。在一些实施方案中，堆叠的第一纳米带具有介于0.4eV与1.3eV之间的带隙，堆叠的第二纳米带具有介于0.9eV与1.7eV之间的带隙，并且堆叠的第三纳米带具有介于1.5eV与2.2eV之间的带隙。在一些实施方案中，堆叠的第一纳米带具有介于0.6eV与1.5eV之间的带隙，堆叠的第二纳米带具有介于1.2eV与2.1eV之间的带隙，并且堆叠的第三纳米带具有介于1.6eV与2.2eV之间的带隙。在一些实施方案中，堆叠的纳米带具有介于1nm与60nm之间的宽度。在一些实施方案中，堆叠的第一纳米带具有介于25nm与50nm之间的宽度，堆叠的第二纳米带具有介于15nm到40nm之间的宽度，并且堆叠的第三纳米带具有介于1nm到20nm之间的宽度。在一些实施方案中，堆叠的第一纳米带具有介于35nm与45nm之间的宽度，堆叠的第二纳米带具有介于20nm到30nm之间的宽度，并且堆叠的第三纳米带具有介于5nm到15nm之间的宽度。
在一些实施方案中，装置进一步包括重叠多个堆叠中的每个堆叠的全部或一部分的抗反射层。在一些实施方案中，抗反射层包含SiO2和TiO2。
在一些实施方案中，第一光学透明绝缘体具有大于多个堆叠中的堆叠的多个纳米带中的第二纳米带的第二带隙的带隙。在一些实施方案中，第一光学透明绝缘体由玻璃制成，并且具有介于1010与1014Ωm之间的电阻。在一些实施方案中，衬底包含Si、SiC、SiO2或SiC/Si。在一些实施方案中，介于第一导线与多个堆叠中的第一堆叠的第一端之间的第一结或介于第二导线与多个堆叠中的第一堆叠的第二端之间的第二结为肖特基势垒。在一些实施方案中，第一结包括：介于(i)第一导线与(ii)第一堆叠的第一纳米带的第一端之间的第一子结，以及介于(i)第一导线与(ii)第一堆叠的第二纳米带的第一端之间的第二子结；并且第二结包括：介于(i)第二导线与(ii)第一纳米带的第二端之间的第三子结，以及介于(i)第二导线与(ii)第二纳米带的第二端之间的第四子结。
在一些实施方案中，介于第一导线与多个堆叠中的第一堆叠的第一端之间的第一结为肖特基势垒，并且介于第二导线与多个堆叠中的第一堆叠的第二端之间的第二结不形成肖特基势垒。
在一些实施方案中，多个堆叠中的堆叠的多个纳米带中的每个纳米带包括多个石墨烯纳米带薄片，第一导线包含钛、铌、锌、铬、银或铝，并且第二导线包含金、钴、钯、铜和铂。在一些实施方案中，第一导线和第二导线与外部负载电通信，并且多带隙装置为响应入射光产生电的光伏装置。在一些实施方案中，第一导线和第二导线与外部电路电通信，并且多带隙装置为响应入射光产生电流或电压的光检测器。
在一些实施方案中，第一导线和第二导线与外部电流电通信，并且多带隙装置为响应外部电流发射光的多带隙发光二极管。
在一些实施方案中，多个堆叠中的第一堆叠的多个纳米带被配置成共同发射视觉上的白光。
在一些实施方案中，载流子为空穴或电子。在一些实施方案中，第一导线包含钛；第二导线包含钯；并且第一金属保护涂层包含金。在一些实施方案中，第二金属涂层覆盖第二导线的表面的全部或一部分。
第三个方面。本公开的第三个方面提供一种多带隙装置，其包括具有表面的衬底和多个集群。多个集群中的每个对应的集群占据衬底的不同部分。多个集群中的集群包括多个堆叠，每个堆叠由第一端、第二端和长度界定，多个堆叠纵向排列在衬底上，多个堆叠中的每个堆叠占据衬底的不同部分，其中多个堆叠中的每个对应的堆叠包括：(a)重叠在衬底上并且由第一带隙表征的第一纳米带，(b)重叠第一纳米带的第一光学透明绝缘体，以及(c)由第二带隙表征的第二纳米带，第二纳米带重叠第一绝缘体，其中第一带隙小于第二带隙。第一导线电接触多个堆叠中的每个堆叠的每个第一端。第二导线电接触多个堆叠中的每个堆叠的每个第二端。多带隙装置是通过第一和第二导线的电控制来操作。第一金属保护涂层覆盖第一导线的表面的全部或一部分。
在一些实施方案中，多个集群中的每个集群具有介于1μm到10mm之间的宽度和介于1μm到10mm之间的长度。在一些实施方案中，多个集群中的每个集群具有介于10μm到1mn之间的宽度和介于10μm到1mm之间的长度。在一些实施方案中，多个集群中的每个集群具有介于50μm到500μm之间的宽度和介于50μm到500μm之间的长度。在一些实施方案中，多个集群中的第一集群具有与多个集群中的第二集群不同的宽度或不同的长度。在一些实施方案中，多个集群中的第一集群具有与多个集群中的第二集群相同的宽度或相同的长度。在一些实施方案中，多带隙装置由介于106到1012个堆叠/cm2之间的堆叠密度表征。在一些实施方案中，多个集群中的第一集群与多个集群中的第二集群串联电通信。在一些实施方案中，多个集群中的第一集群与多个集群中的第二集群并联电通信。在一些实施方案中，多个集群中的第一集群与多个集群中的第二集群串联电通信并且与多个集群中的第三集群并联电通信。
在一些实施方案中，多带隙装置为响应入射光产生电的光伏装置。在一些实施方案中，多带隙装置为响应入射光产生电流或电压的光检测器。在一些实施方案中，多带隙装置为响应外部电流发射光的发光二极管。在一些实施方案中，光伏装置产生至少50W/m2的功率密度。在一些实施方案中，光检测器响应具有介于10nm到100μm之间的波长带的入射光。在一些实施方案中，发光二极管发射白光。在一些实施方案中，第一导线包含钛，第二导线包含钯，并且第一金属保护涂层包含金。在一些实施方案中，第二金属保护涂层覆盖第二导线的表面的全部或一部分。
第四个方面.第四个方面提供一种多带隙装置，其包括具有表面的衬底和多个纳米带，每个纳米带由第一端、第二端和长度界定。多个纳米带纵向排列在衬底上，每个纳米带占据衬底的不同部分。多个纳米带包括(i)由第一带隙表征的第一纳米带，以及(ii)由第二带隙表征的第二纳米带。第一带隙小于第二带隙。装置进一步包括与多个纳米带光通信的分光器。分光器将入射光分成第一波长带和第二波长带。第一波长带由至少一个大于第二波长带中的波长的波长表征。分光器将第一光波长带引导到第一纳米带并且将第二波长带引导到第二纳米带。第一导线电接触多个纳米带中的每个纳米带的第一端。第二导线电接触多个纳米带中的每个纳米带的第二端。第一金属保护涂层覆盖第一导线的表面的全部或一部分。多带隙装置是通过第一导线和第二导线的电控制来操作。
在一些实施方案中，分光器被配置在多个纳米带上方。在一些实施方案中，分光器被远离多个纳米带放置。在一些实施方案中，分光器为棱镜。在一些实施方案中，多个纳米带中的纳米带具有介于0.1eV与2.2eV之间的带隙。在一些实施方案中，第一带隙介于0.1eV与1.2eV之间并且第二带隙介于0.8eV与1.9eV之间。在一些实施方案中，第一带隙介于0.5eV与1.5eV之间并且第二带隙介于1.2eV与2.2eV之间。在一些实施方案中，第一带隙介于0.8eV与1.8eV之间并且第二带隙介于1.5eV与2.2eV之间。在一些实施方案中，第一纳米带具有介于1nm与60nm之间的宽度。在一些实施方案中，第一纳米带具有介于1μm与100μm之间的长度。
在一些实施方案中，第一纳米带由第一宽度、第一厚度、第一边缘状态、第一掺杂或其任何组合表征，并且第二带隙由第二宽度、第二厚度、第二边缘状态、第二掺杂或其任何组合表征。在一些实施方案中，第一宽度介于20nm与50nm之间，并且第二宽度介于1nm与30nm之间。在一些实施方案中，第一宽度介于30nm与40nm之间，并且第二宽度介于10nm与20nm之间。在一些实施方案中，第一长度不同于第二长度。在一些实施方案中，第一长度与第二长度相同。
在一些实施方案中，多个纳米带中的纳米带包括介于1个与300个之间的石墨烯纳米带薄片。在一些实施方案中，多个纳米带中的纳米带包括介于100个与300个之间的石墨烯纳米带薄片。在一些实施方案中，第一纳米带包括与第二纳米带相同数目的石墨烯纳米带薄片。在一些实施方案中，第一纳米带包括与第二纳米带不同数目的石墨烯纳米带薄片。在一些实施方案中，第一纳米带的厚度不同于第二纳米带的厚度。在一些实施方案中，第一纳米带的厚度与第二纳米带的厚度相同。在一些实施方案中，多个纳米带纵向平行排列。在一些实施方案中，第一纳米带不平行于第二纳米带。在一些实施方案中，第一纳米带由第一半导体材料制成并且第二纳米带由第二半导体材料制成，其中第一半导体材料不同于第二半导体材料。在一些实施方案中，第一纳米带由第一半导体材料制成并且第二纳米带由第二半导体材料制成，其中第一半导体材料与第二半导体材料相同。在一些实施方案中，第一纳米带掺杂有第一掺杂剂并且第二纳米带掺杂有第二掺杂剂，其中第一掺杂剂不同于第二掺杂剂。在一些实施方案中，第一纳米带掺杂有第一掺杂剂并且第二纳米带掺杂有第二掺杂剂，其中第一掺杂剂与第二掺杂剂相同。在一些实施方案中，第一纳米带由第一掺杂剂浓度或第一掺杂剂梯度表征并且第二纳米带由第二掺杂剂浓度或第二掺杂剂梯度表征，其中第一掺杂剂浓度不同于第二掺杂剂浓度或第一掺杂剂梯度不同于第二掺杂剂梯度。在一些实施方案中，第一纳米带由第一掺杂剂浓度或第一掺杂剂梯度表征并且第二纳米带由第二掺杂剂浓度或第二掺杂剂梯度表征，其中第一掺杂剂浓度与第二掺杂剂浓度相同或第一掺杂剂梯度与第二掺杂剂梯度相同。
在一些实施方案中，多个纳米带进一步包括(iii)由第三带隙表征的第三纳米带，其中第三带隙大于第二间隙，并且其中分光器将入射光分成第一波长带、第二波长带和第三波长带，第三波长带由至少一个小于第二波长带中的波长的波长表征，并且其中分光器将第三波长带引导到第三纳米带。
在一些实施方案中，第一纳米带具有介于0.1eV与1.1eV之间的带隙，第二纳米带具有介于0.7eV与1.5eV之间的带隙，并且第三纳米带具有介于1.5eV与2.1eV之间的带隙。在一些实施方案中，第一纳米带具有介于0.4eV与1.3eV之间的带隙，第二纳米带具有介于0.9eV与1.7eV之间的带隙，并且第三纳米带具有介于1.5eV与2.2eV之间的带隙。在一些实施方案中，第一纳米带具有介于0.6eV与1.5eV之间的带隙，第二纳米带具有介于1.2eV与2.1eV之间的带隙，并且第三纳米带具有介于1.6eV与2.2eV之间的带隙。在一些实施方案中，第一纳米带具有介于25nm与50nm之间的宽度，第二纳米带具有介于15nm到40nm之间的宽度，并且第三纳米带具有介于1nm到20nm之间的宽度。在一些实施方案中，第一纳米带具有介于30nm与45nm之间的宽度，第二纳米带具有介于20nm到30nm之间的宽度，并且第三纳米带具有介于5nm到15nm之间的宽度。在一些实施方案中，装置进一步包括重叠多个纳米带中的每个纳米带的全部或一部分的抗反射层。在一些实施方案中，衬底包含Si、SiC、SiO2或SiC/Si。
在一些实施方案中，介于第一导线与多个纳米带中的每个纳米带的第一端之间的结或介于第二导线与多个纳米带中的每个纳米带的第二端之间的结为肖特基势垒。在一些实施方案中，介于第一导线与多个纳米带中的每个纳米带的第一端之间的结为关于载流子的肖特基势垒，并且介于第二导线与多个纳米带中的每个纳米带的第二端之间的结不形成关于载流子的肖特基势垒。在一些实施方案中，多个纳米带中的每个纳米带包括多个石墨烯纳米带薄片，第一导线包含钛、铌、锌、铬、银或铝，并且第二导线包含金、钴、钯、铜和铂。在一些实施方案中，第一导线和第二导线与外部负载电通信，并且多带隙装置为响应入射光产生电的光伏装置。在一些实施方案中，第一导线和第二导线与外部电路电通信，并且多带隙装置为响应入射光产生电流或电压的光检测器。在一些实施方案中，第一导线包含钛，第二导线包含钯，并且第一金属保护涂层包含金。在一些实施方案中，第二金属保护涂层覆盖第二导线的表面的全部或一部分。
第五个方面.本公开的第五个方面提供一种多带隙装置，其包括具有表面的衬底和多个纳米带。每个纳米带由第一端、第二端和长度界定。多个纳米带纵向排列在衬底上，多个纳米带中的每个纳米带占据衬底的不同部分。多个纳米带包括(i)由第一带隙表征的第一纳米带，以及(ii)由第二带隙表征的第二纳米带，其中第一带隙小于第二带隙。多带隙装置进一步包括电接触多个纳米带中的每个纳米带的第一端的第一导线以及电接触多个纳米带中的每个纳米带的第二端的第二导线。多带隙装置是通过第一导线和第二导线的电控制来操作。多带隙装置进一步包括覆盖第一导线的表面的全部或一部分的第一金属保护涂层。
在一些实施方案中，第一导线和第二导线与外部电流电通信，并且多带隙装置为响应外部电流发射光的多带隙发光二极管。在一些实施方案中，多个纳米带被配置成共同发射视觉上的白光。在一些实施方案中，第一导线包含钛，第二导线包含钯，并且第一金属保护涂层包含金。在一些实施方案中，第二金属保护涂层覆盖第二导线的表面的全部或一部分。
第六个方面。第六个方面提供一种多带隙装置，其包括具有表面的衬底和多个集群。多个集群经过排列，每个集群占据衬底的不同部分。多个集群中的一个或多个对应的集群包括(i)多个纳米带，其中多个纳米带中的每个纳米带由带隙表征，多个纳米带中的纳米带关于彼此纵向排列，多个纳米带中的每个纳米带由第一端、第二端和长度界定，(ii)电接触多个纳米带中的每个纳米带的第一端的第一导线，(iii)电接触多个纳米带中的每个纳米带的第二端的第二导线，以及(iv)覆盖第一导线的表面的全部或一部分的第一金属保护涂层。多带隙装置进一步包括与多个集群光通信的分光器。分光器(i)将入射光分成第一波长带和第二波长带，第一波长带由至少一个大于第二波长带中的波长的波长表征，并且(ii)将第一光波长带引导到多个集群中的第一集群并且将第二波长带引导到多个集群中的第二集群。多带隙装置是通过第一集群的第一和第二导线以及第二集群的第一和第二导线的电控制来操作。
在一些实施方案中，第一集群中的多个纳米带中的每个纳米带具有第一带隙值，第二集群中的多个纳米带中的每个纳米带具有第二带隙值，并且第一带隙值大于第二带隙值。在一些实施方案中，第一集群中的多个纳米带中的每个纳米带的带隙相同，并且第一集群中的多个纳米带中的每个纳米带的宽度相同。在一些实施方案中，第一集群中的多个纳米带中的每个纳米带的带隙处于第一带隙范围内，第二集群中的多个纳米带中的每个纳米带的带隙处于第二带隙范围内，并且第一带隙范围中的第一带隙值大于第二带隙范围中的第二带隙值。在一些实施方案中，多个集群中的每个集群具有介于1μm到10mm之间的宽度和介于1μm与10mm之间的长度。在一些实施方案中，多个集群中的每个集群具有介于10μm与1mm之间的宽度和介于10μm与1mm之间的长度。在一些实施方案中，多个集群中的每个集群具有介于50μm到500μm之间的宽度和介于50μm到500μm之间的长度。在一些实施方案中，第一集群具有与第二集群不同的宽度或不同的长度。在一些实施方案中，第一集群具有与第二集群相同的宽度或相同的长度。在一些实施方案中，多个集群中的每个集群包括106到1012个纳米带/cm2。在一些实施方案中，第一集群与第二集群串联电通信。在一些实施方案中，第一集群与第二集群并联电通信。在一些实施方案中，第一集群与第二集群串联电通信并且与多个集群中的第三集群并联电通信。在一些实施方案中，多带隙装置为响应入射光产生电的光伏装置。在一些实施方案中，多带隙装置为响应入射光产生电流或电压的光检测器。在一些实施方案中，光伏装置产生至少50W/m2的功率密度。在一些实施方案中，第一导线包含钛，第二导线包含钯，并且第一金属保护涂层包含金。在一些实施方案中，第二金属保护涂层覆盖第二导线的表面的全部或一部分。
5.附图简述
图1说明根据现有技术的多结太阳能电池。
图2描绘根据本公开的一个方面的多带隙装置中的元件和这个元件的示意性能带图。
图3提供根据本公开的一个方面的具有垂直堆叠的架构的示例性多带隙装置的示意性俯视图。
图4为大约在图3的线4-4′处获取的描绘根据本公开的一个方面的远离纳米带末端的结构的截面视图。
图5为大约在图3的线5-5′处获取的描绘根据本公开的一个方面的处于纳米带的一端处的结构的截面视图。
图6为大约在图3的线6-6′处获取的描绘根据本公开的沿着纳米带的纵向方向的结构的截面视图。
图7说明根据本公开的一个方面的重叠垂直堆叠的纳米带的任选的抗反射层。
图8提供根据本公开的一个方面的具有横向间隔的架构的示例性多带隙装置的示意性俯视图。
图9为大约在图8的线9-9′处获取的描绘根据本公开的一个方面的远离纳米带末端的结构的截面视图。
图10为大约在图8的线10-10′处获取的描绘根据本公开的一个方面的处于纳米带的一端处的结构的截面视图。
图11为大约在图8的线11-11′处获取的描绘根据本公开的一个方面的沿着纳米带的纵向方向的结构的截面视图。
图12说明根据本公开的一个方面的一个附加的示例性多带隙装置。
图13说明根据本公开的一个方面的一个附加的示例性多带隙装置。
图14说明根据本公开的一个方面的一个附加的示例性多带隙装置。
图15描绘根据本公开的一个方面的多带隙光伏装置的示意性电气图。
图16描绘根据本公开的一个方面的多带隙光检测器的示意性电气图。
图17描绘根据本公开的一个方面的多带隙发光二极管的示意性电气图。
图18描绘根据本公开的一个方面的半导体纳米孔超晶格的示意性俯视图。
图19描绘根据本公开的一个方面的包括纳米孔超晶格的多带隙装置的示意性俯视图。
图20为根据本公开的纳米孔超晶格装置的截面视图。
图21为描绘根据本公开的一个方面的覆盖纳米带或纳米孔超晶格的一端处的导线的涂层的截面视图。
图22为描绘根据本公开的一个方面的覆盖纳米带或纳米孔超晶格的两端处的导线的涂层的截面视图。
贯穿图式的若干视图中相同的参考数字指的是相应的部分。尺寸不按比例绘制。
6.发明详述
本文公开了多带隙装置，其包括设置在衬底上的多个半导体纳米带或包括设置在衬底上的多个堆叠，每个堆叠具有多个半导体纳米带。多个半导体纳米带中的每个纳米带由带隙表征，并且与两个导电导线电通信。
本文还公开了多带隙装置，其包括一个或多个半导体纳米孔超晶格，所述半导体纳米孔超晶格包括设置在衬底上的一个或多个堆叠，每个堆叠具有一个或多个半导体纳米孔超晶格。每个纳米孔超晶格由带隙范围表征，并且与两个导电导线电通信。
本发明多带隙装置可以用于多种应用，例如，作为用于将光转换成电力的光伏太阳能电池、作为用于将入射光转换成可检测信号的光检测器，以及作为当连接到外部电流时用于照明的发光二极管(LED)。
6.1.半导体纳米带的特征
半导体纳米带可以通过微制造技术(如光刻图案化)或通过电子束和/或干涉光刻纳米图案化从许多层状结晶材料制造。适合的材料包括石墨(C)、氮化硼(BN)、二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、氧化锌(ZnO)和二氧化钛(TiO2)。这些材料具有类似的层状结构。在每个层内，原子被强的共价键束缚，而这些层由弱的范德华力(van der Waalsforce)保持在一起。
纳米带的一种适合形式为石墨的(石墨烯或石墨)纳米带。石墨烯纳米带为一层碳条。石墨纳米带由堆叠的石墨烯层制成。石墨烯和石墨纳米带的评述见于Nano Today 5，351中，其特此通过引用以其全文结合在此。石墨烯和石墨纳米带的附加描述在Lagally等人的美国专利号7,858,876中公开，其特此通过引用以其全文结合在此。为作说明，本文描述了石墨的纳米带以展示半导体纳米带的特征以及本公开如何利用这些特征来开发多带隙装置。
作为纳米结构，石墨的纳米带展现出不同于大块中所观察到的物理化学和电学特性(参看Nano Today 5，351和Physical Review B 76，121405(R)(2007))。用于开发本发明多带隙装置的一个有用特征在于半导体石墨的纳米带的带隙可以通过改变纳米带的宽度、厚度、边缘状态、掺杂和其他因素来调整和控制。这些特征提供了具有可调带隙的材料结合用以调整带隙的方法。通过优化纳米带的宽度、厚度、边缘状态、掺杂和/或其他因素，有可能制造具有特定带隙的纳米带并且在较低成本下生产实现效率提高的多带隙装置。
用于一些本发明多带隙装置的另一个有用特征由纳米带中的电荷载流子(电子或空穴)的性质而产生，这些电荷载流子由于二维材料相比大多数其他材料具有较弱散射的性质而具有高载流子迁移率。本文所公开的多带隙装置被配置成具有沿着纳米带的长度，即，从纳米带的一端到另一端的电流流动。因此，不需要电流平衡，并且装置的效率不受最低电流限制。另外，介于纳米带层之间的界面并不必需要具有低电阻。这简化了制造，因为其消除了将结或其他结构开隧道的任何需求。
本文所公开的石墨的纳米带的再另一个有用特征在于其功函数并不强烈依赖于其宽度。
6.2.半导体纳米孔超晶格的特征
如本文所用的术语“半导体纳米孔超晶格”指的是具有其中所界定的纳米孔阵列的层状结晶材料。纳米孔超晶格可以包括层状结晶材料的一个薄片或层状结晶材料的多个垂直堆叠的薄片。
图18(a)和(b)分别描绘具有三角形纳米孔132和具有矩形纳米孔134的半导体纳米孔超晶格130。纳米孔的其他形状或纳米孔的不同形状的组合可以在层状结晶材料内进行图案化以制成半导体纳米孔超晶格。层状结晶材料包括(但不限于)石墨(C)、氮化硼(BN)、二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、氧化锌(ZnO)和二氧化钛(TiO2)。纳米孔阵列可以使用本领域中已知的任何适合的制造法来产生。举例来说，可以使用常规的光刻技术将纳米孔超晶格结构图案化成具有一个或多个纳米孔。
实际上，纳米孔超晶格被视为交叉纳米带的二维网络，其中纳米孔的尺寸、形状、密度界定纳米带的形状和尺寸。因此，纳米孔超晶格具有与纳米带类似的特征。举例来说，虽然不受任何特定理论束缚，但紧束缚模型指示了石墨烯纳米孔超晶格的带隙随纳米孔尺寸和密度的乘积成线性地增加。这是因为交叉纳米带的二维网络中的纳米带的宽度可以通过在一个固定单元中增大纳米孔的尺寸或增加纳米孔的数目来减小。其他类似的特征包括纳米孔超晶格中的电荷载流子的较大平均自由程以及纳米孔超晶格的功函数对纳米孔的尺寸、形状、密度的依赖性或低依赖性。这些特征使得以与纳米带类似的方式设计出具有纳米孔超晶格的装置成为可能。
除了具有类似的特征之外，纳米孔超晶格与个别的纳米带相比一般具有若干优点。举例来说，信号纳米带典型地为脆性的并且难以从一个衬底转移到另一个衬底。然而，纳米孔超晶格由于交叉网络结构而在机械上较强并且较稳定，因此在需要时较易转移到另一个衬底。另外，纳米孔超晶格通常提供较多表面用于吸收或略去光，并且因此为包括这种纳米孔超晶格的装置提供潜在较高的效率。此外，纳米孔超晶格相比个别的纳米带对缺陷的容许度较好。
6.3.基本结构
使用半导体纳米带或纳米孔超晶格作为光子吸收或发光材料，本公开提供一种多带隙装置，其在全部或一部分宽波长谱上可以有效地将光子能转换成电，或反之亦然。在半导体纳米带的情况下，根据本公开的多带隙装置的基本架构包括具有多带隙的多个半导体纳米带。多个半导体纳米带经过配置以使得具有第一带隙的纳米带在第一光谱范围内吸收光子或发射光，并且具有第二带隙的纳米带在第二光谱范围内吸收光子或发射光。举例来说，多个半导体纳米带可以通过将一个堆叠在另一个之上而垂直排列或通过一个挨一个地并排放置而横向排列。
在半导体纳米孔超晶格的情况下，根据本公开的多带隙装置的基本架构包括一个或多个半导体纳米孔超晶格。每个半导体纳米孔超晶格由带隙范围表征，这个带隙范围可以通过纳米孔图案的控制而跨越几meV或几eV。举例来说，纳米孔超晶格的带隙范围可以被控制在介于0.1eV到2eV的范围内以供吸收太阳辐射，或可以被限制在所需单个带隙值处或接近所需单个带隙值以供检测特定波长下的光信号。在一个或多个纳米孔超晶格内，纳米孔超晶格可以具有与其他纳米孔超晶格不同的带隙范围或值。类似于纳米带，一个或多个纳米孔超晶格可以通过将一个堆叠在另一个之上而垂直排列或通过一个挨一个地并排放置而横向排列。
除了多个半导体纳米带或一个或多个纳米孔超晶格之外，根据本公开的多带隙装置的基本架构包括第一导线和第二导线，这些导线典型地由导电材料(如金属)制成。在纳米带的情况下，第一导线电接触多个纳米带中的每个纳米带的一端，并且第二导线电接触多个纳米带中的每个纳米带的另一端。在纳米孔超晶格的情况下，第一导线电接触一个或多个纳米孔超晶格中的每个纳米孔超晶格的一个边缘，并且第二导线电接触一个或多个纳米孔超晶格中的每个纳米孔超晶格的相对边缘。视应用而定，第一导线或第二导线可以在介于导线与纳米带的一端之间或介于导线与纳米孔超晶格的一个边缘之间的界面处形成肖特基势垒或电阻性接触。
6.3.1.基本元件
图2(a)中示出了在每一端与导电导线106和108接触的纳米带或纳米孔超晶格110。每种材料的能带图描绘于图2(b)和图2(c)中，其中图2(b)说明材料连接到彼此之前的能带图，并且图2(c)说明建立触点并且实现平衡之后的能量图。为作展示，第一导线106具有小于纳米带或纳米孔超晶格110ΦR的功函数Φ1，并且第二导线108具有大于纳米带或纳米孔超晶格110的功函数Φ2。如图2(a)中所示，材料的费米能级(Fermi level)因其在建立紧密触点之前的功函数差异而发生位移。当如图2(b)中所描绘使三种材料接触时，然而，其费米能级必须排齐，从而在触点处创建肖特基势垒。因此，在纳米带或纳米孔超晶格110中产生电场，其中内建电势Vbi等于两个导线之间的功函数差异。
对于短的固有纳米带或纳米孔超晶格的理想情况来说，Vbi可以在整个纳米带或纳米孔超晶格上从与第二导线108形成的第二触点到与第一导线106形成的第一触点成线性地降低，如同图2(c)中示意性示出的真空能级一样。对于很长的并且经过掺杂的纳米带或纳米孔超晶格来说，掺杂程度可以受牵制，或纳米带或纳米孔超晶格的费米能量(Fermi energy)将在纳米带或纳米孔超晶格的中间部分保持恒定。那么，在这种情况下，导电带和价带将在纳米带或纳米孔超晶格的中间部分为平坦的，但分别在接近与导线106形成的触点处向下弯曲并且在接近与导线108形成的触点处向上弯曲，如图2(c)中所说明。内建场可以分离由入射光子产生的电子-空穴对，从而在纳米带或纳米孔超晶格中产生电流用于光伏装置或光检测器。内建场还可以注入载流子(来自一端的电子和来自另一端的空穴)到纳米带或纳米孔超晶格中以供发射光。
一个导线具有小于纳米带或纳米孔超晶格的功函数并且另一个导线具有大于纳米带或纳米孔超晶格的功函数并不是必要的。在一些实施方案中，第一导线可以(i)具有不同于纳米带或纳米孔超晶格的功函数并且(ii)在与纳米带的触点处形成电子的肖特基势垒，而第二导线形成电子的较小肖特基势垒或根本不形成电子的肖特基势垒。或者，在一些实施方案中，第一导线可以经过选择而具有不同于纳米带或纳米孔超晶格的功函数并且在与纳米带或纳米孔超晶格的触点处形成空穴的肖特基势垒，而第二导线形成空穴的较小肖特基势垒或根本不形成空穴的肖特基势垒。关于肖特基势垒的更详细信息可以见于Metal-Semiconductor Schottky Barrier Junctions and Their Applications，B.L.Sharma编辑，1984Plenum Press，New York中，其通过引用结合在此。
在一些实施方案中，本公开的纳米带或纳米孔超晶格由纯的或经过掺杂的石墨的膜制成。在一些实施方案中，纳米带或纳米孔超晶格由其他材料制成，例如BN、MoS2、WS2、ZnO、TiO2或其某种组合。用于制成导电导线的适合材料包括(但不限于)Ti、Nb、Zn、Cr、Ag、Al、Co、Pd、Cu、Pt和Au或其某种组合，或其某种合金，在一些实施方案中对于石墨的纳米带或纳米孔超晶格来说优选与Ti和Pd的合金。
在纳米带或纳米孔超晶格的两端之间具有内建电势Vbi是有利的。在激发入射光时，自由电子将在纳米带或纳米孔超晶格内产生并且从纳米带或纳米孔超晶格的一端流到另一端。当一个在另一个之上堆叠多个纳米带或纳米孔超晶格以制成根据本公开的多带隙装置时，所产生的自由电子将仍然从一端流到另一端。
6.3.2.多带隙的形成
有利地，本公开的多带隙装置利用相同或类似的半导体材料来构造具有多带隙的多个纳米带或一个或多个纳米孔超晶格。使用基本上相同的材料的一个优点在于消除了晶格常数匹配，这简化了制造工艺并且因此降低了制造成本。多个纳米带的多带隙在一些实施方案中是通过控制或更改纳米带的宽度、厚度、边缘状态、掺杂或其他参数来实现。在一些实施方案中，实施适合的纳米孔以调整纳米带的带隙。类似地，一个或多个纳米孔超晶格的多带隙可以通过控制或更改其中图案化的纳米孔、厚度、边缘状态、掺杂或其他参数来实现。通过优化，将多个纳米带或一个或多个纳米孔超晶格调整到预测的理想多带隙，从而得到具有提高的效率的多带隙装置。
纳米带宽度的影响.半导体石墨的纳米带的带隙随纳米带宽度而改变。虽然不打算受任何特定理论限制，但认为半导体石墨烯纳米带的带隙与纳米带宽度成反比。因此，对于单层裸边缘石墨烯纳米带来说，已报道，对于1.1～1.4eV的带隙，计算宽度在1～2nm范围内，并且对于0.7eV的带隙，计算宽度在2～3nm范围内(参看Nano Letters6(12)，2748-2754(2006))。然而，很少实现纯的裸边缘石墨烯纳米带。更典型地，存在天然或诱生的“缺陷”，其改变纳米带的结构和特性。关于半导体石墨烯纳米带的带隙，这些“缺陷”包括结晶取向、边缘终止和掺杂。举例来说，已观察到掺杂显著增加石墨烯的带隙(参看Inscience Journal 1(2)，80-89(2011))。
通过掺杂和/或其他因素的变化，有可能产生在介于1nm与60nm之间的纳米带宽度下具有介于0.1eV与2.2eV之间的带隙的纳米带。本发明多带隙装置的纳米带涵盖这个带隙范围和纳米带宽度范围。
纳米带厚度的影响。纳米带厚度影响半导体纳米带的电子结构(参看Nano Today 5，351-372(2010)和Nature Materials 6(3)：183-191，(2007))。一般来说，带隙随层数增加而减小。
结合其他因素，例如掺杂或纳米带宽度的变化，本发明多带隙装置包括纳米带，所述纳米带括有单层纳米图案化石墨烯、多层石墨烯薄片，或具有几百个石墨烯薄片的石墨。相应的纳米带厚度典型地介于纳米到几微米之间。
边缘状态的影响。边缘状态也可以影响纳米带的特性。具有锯齿形边缘的石墨烯纳米带具有不同于具有扶手形边缘的石墨烯纳米带的电子特征。锯齿形边缘提供具有接近费米能量的非键分子轨道的边缘定域状态。基于紧束缚的计算预测，锯齿形石墨烯纳米带始终是金属的，而扶手形石墨烯纳米带可以是金属的或半导体的，这取决于其宽度。计算和实验显示，半导体扶手形纳米带的能带隙随纳米带宽度减小而增加。一些新近报道指示，锯齿形纳米带也是半导体的，这是由于在相对边缘处磁矩之间的反铁磁耦合。这种行为可以追溯到边缘状态波函数的空间分布特性，以及引起自旋极化的交换相互作用的主要局部特征。另外，在边缘上用不同原子或分子进行边缘终止和/或锚定也更改纳米带的特性(参看Nano Today 5，351-372(2010))。举例来说，石墨烯纳米带的边缘可以由羧基(COOH)、羰基(COH)、氢化(CH)和胺(NH2)来终止或锚定。这些通过附接外来原子或分子的边缘终止可以被视为有效掺杂。
视应用和所需带隙而定，本发明多带隙装置可以包括扶手形纳米带、锯齿形纳米带或两者的组合。纳米带的边缘还可以用不同浓度或不同穿透率的不同原子或分子来终止。边缘终止还可以与其他因素的变化相结合来优化带隙。
掺杂的影响。掺杂允许更改石墨烯或石墨可以采用的带结构和可能带隙的扩充(参看Inscience Journal 1(2)，80-89(2011)和NanoToday 5，351-372(2010))。石墨烯掺杂可以粗略地分成三个类别：(i)杂原子掺杂，(ii)化学改性，以及(iii)静电场调整。在杂原子掺杂中，已报道了硼(B)、氮(N)和铋(Bi)掺杂。举例来说，石墨烯纳米带中的N掺杂已通过化学气相沉积、通过与NH3的电热反应或通过N+离子辐射后的NH3退火来实现(参看Science 324(5928)，768-771(2009)和Journal of the American Chemical Society 131(43)，15939-1594(2009))。另外，已报道了氟(F)掺杂(参看Nano Letters 10(8)，3001，(2010))。在化学改性中，已使用二氧化氮(NO2)和氨(NH3)，并且已确认了相反电荷载流子的产生。在静电场调整中，更改石墨烯的特性是通过控制载流子浓度的可逆电荷和费米能级而不增加石墨烯中无序和缺陷的程度来实现。此外，掺杂浓度和梯度可以通过调整掺杂工艺的特定条件来加以控制。
因为存在多种掺杂剂并且可以在不同浓度下或以不同梯度实现掺杂，所以认为对于半导体石墨烯纳米带来说可以实现介于0.1eV到2.2eV之间的带隙。本发明多带隙装置典型地包括具有处于这个范围内的带隙的纳米带。
纳米孔的影响。纳米孔在确定纳米孔超晶格的电子特性方面起重要作用。这些超晶格的带隙取决于纳米孔超晶格的结构特征，包括纳米孔尺寸、纳米孔形状和纳米孔密度。纳米孔密度被定义为在层状结晶材料的单位表面积上图案化的纳米孔的数目。虽然不打算受任何特定理论束缚，但紧束缚模型揭露了石墨烯纳米孔超晶格的带隙随纳米孔尺寸和密度的乘积成线性地增加(参看Physical Review B80，233405(2009))。已报道，约0.435eV的实质性带隙在费米能级下拓宽。关于纳米孔超晶格的信息还可以见于Nano Letters 10，1125-1131(2010)和Nano Research 1，56-62(2008)中。
如上文所指出，纳米孔超晶格可以被视为交叉纳米带的二维网络。因此，一般来说，预期纳米孔超晶格的带隙由于较强量子限制而随着减小纳米带宽度而增加。在纳米孔超晶格内，特征性纳米带宽度可以通过在固定尺寸的超晶格上增加纳米孔的尺寸或纳米孔的数目来减小。特征性纳米带宽度还可以通过减小超晶格的尺寸，同时保持纳米孔的尺寸和纳米孔的数目来减小。再次，不打算受任何特定理论束缚，紧束缚模型确认了石墨烯纳米孔超晶格的带隙因纳米带交叉网络的有限尺寸效应而增加(参看Physical Review B80，233405(2009))，并且石墨烯纳米孔超晶格的带隙可以跨越0eV到约2.5eV的宽范围(参看Nano Research 1，56-62(2008))。
类似于纳米带，纳米孔超晶格的带隙可以通过其厚度的变化、通过掺杂或通过其他参数的更改来作进一步调整。因此，将纳米孔超晶格与不同尺寸、形状、密度或与其他参数的变化相结合使得开发一种可以跨越所需波长谱有效地吸收或发射光的装置成为可能。
其他因素。存在其他方式来更改石墨烯的带结构并改变石墨烯的带隙(参看Inscience Journal 1(2)，80-89(2011))。这些方法包括使用石墨烯与金属之间的触点、向石墨烯施加应变以及偏置双层石墨烯。
6.3.3.使用半导体纳米带的垂直堆叠的架构
现在转到图3-7，公开了使用半导体纳米带的根据本公开的多带隙装置100的一个示例性实施方案。首先参考图3和6，图3描绘示例性实施方案的俯视图并且图6说明大约在图3的线6-6′处获取的图3的截面视图。在这个实施方案中，多带隙装置包括与第一导线106和第二导线108电通信的多个堆叠(104-1、104-2、...104-N)。
多个堆叠纵向排列在衬底102上，更确切地说排列在衬底102的表面114上，多个堆叠中的每个堆叠占据衬底的不同部分。衬底充当多带隙装置的支撑物。衬底典型地为平面的并且可以为硬性的或柔性的。在一些实施方案中，衬底102由铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、双色玻璃、锗/半导体玻璃、玻璃陶瓷、硅酸盐/熔融石英玻璃、钠钙玻璃、石英玻璃、硫属化物/硫化物玻璃、氟化物玻璃、玻璃基酚醛树脂、火石玻璃或陶瓷化玻璃(cereated glass)制成。在一些实施方案中，衬底102由氨基甲酸酯聚合物、丙烯酸类聚合物、含氟聚合物、聚苯并咪唑、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰胺-酰亚胺、玻璃基酚醛树脂、聚苯乙烯、交联聚苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚四氟-乙烯、聚甲基丙烯酸酯、尼龙6，6、乙酸丁酸纤维素、乙酸纤维素、硬乙烯、塑化乙烯或聚丙烯制成。
多个堆叠中的每个堆叠包括多个半导体纳米带和介于两个相邻纳米带层之间的光学透明绝缘体。在一些实施方案中，多个堆叠中的每个堆叠包括两个纳米带，而在其他实施方案中，多个堆叠中的每个堆叠包括三个纳米带。在另外的其他实施方案中，多个堆叠中的每个堆叠包括三个以上纳米带。在再另外的其他实施方案中，多个堆叠中的一些堆叠所包括的纳米带的数目可以不同于多个堆叠中的其他堆叠所包括的纳米带的数目。举例来说，多个堆叠中的一些堆叠可以包括两个纳米带，而多个堆叠中的其他堆叠可以包括三个或更多个纳米带。
为作说明，图6描绘具有三个纳米带的堆叠，包括第一纳米带110-1、第二纳米带110-2和第三纳米带110-3。这三个纳米带中的每一者如116-1、116-2和116-3所指示在一端与第一导线106密切接触，并且如118-1、118-2和118-3所指示与第二导线108密切接触。总起来说，元件116-1、116-2和116-3界定堆叠的第一端，而元件118-1、118-2和118-3界定堆叠的第二端。纳米带末端与导线的密切接触还描绘于图5中，其示出了大约在线5-5′处获取的图3的截面视图。如图6中所示出，第一导线与第二导线之间的距离L界定堆叠的长度。
第一导线106和第二导线108由导电材料(典型地为金属)制成。用于制成导电导线的适合材料包括钛(Ti)、铌(Nb)、锌(Zn)、铬(Cr)、银(Ag)、铝(A1)、钴(Co)、钯(Pd)、铜(Cu)、铂(Pt)和金(Au)。Ti和Pd优选地用于石墨的纳米带。在一些实施方案中，第一导线106与多个堆叠中的每个堆叠的第一端密切接触，从而充当一个共用导线。同样地，第二导线与多个堆叠中的每个堆叠的第二端密切接触，从而充当另一个共用导线。
对于每个堆叠具有两个纳米带的实施方案来说，第一纳米带110-1重叠在衬底表面114上，然后第一光学透明绝缘体112-1重叠第一纳米带，接着第二纳米带110-2重叠第一绝缘体112-1。第一纳米带由第一带隙表征并且第二纳米带由第二带隙表征，其中第一带隙小于第二带隙。可以通过改变第一纳米带的宽度、厚度或边缘状态，通过掺杂第一纳米带，或通过更改这些参数的组合，将第一带隙调整到所需值。类似地，可以将第二带隙调整到另一个所需值。
对于每个堆叠具有三个或更多个纳米带的实施方案来说，可以通过交替地在彼此之上重叠纳米带层和光学透明绝缘体层来采用类似的结构。举例来说，为制成具有三个纳米带的堆叠，如图6中所示出，第二光学透明绝缘体112-2可以重叠在第二纳米带110-2上，并且第三纳米带110-3重叠在第二绝缘体上。第三纳米带由第三带隙表征，
第三带隙大于第二纳米带的第二带隙。
介于两个相邻纳米带层之间的光学透明绝缘体(例如112-1、112-2)将一个纳米带层与另一个纳米带层电隔离。绝缘体被配置成具有大于其下面的纳米带的带隙的带隙，以使得绝缘体对光子为光学透明的，这些光子可以由下方的纳米带吸收或发射。在一些实施方案中，光学透明绝缘体由玻璃制成，例如铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、双色玻璃、锗/半导体玻璃、玻璃陶瓷、硅酸盐/熔融石英玻璃、钠钙玻璃、石英玻璃、硫属化物/硫化物玻璃、氟化物玻璃、火石玻璃或陶瓷化玻璃。在一些实施方案中，光学透明绝缘体由氨基甲酸酯聚合物、丙烯酸类聚合物、含氟聚合物、有机硅、有机硅凝胶、环氧树脂、聚酰胺或聚烯烃制成。
当暴露于光时，多个纳米带(例如110-1、110-2、110-3)吸收光子并且产生电流、电压或两者，这取决于侧接多个纳米带的电极的性质。过程如下。能量高于第三带隙的光子被第三纳米带110-3吸收，而能量低于第三纳米带的第三带隙的光子传输到第二纳米带110-2。一旦处于第二纳米带中，能量高于第二带隙的光子就被第二纳米带吸收并且能量低于第二带隙的光子传输到第一纳米带110-1。吸收和传输过程继续进行直到能量低于第一带隙的光子传输到衬底102。这种配置实现了多带隙光伏装置或多带隙光检测器。
当根据本公开的多带隙装置连接到外部电流时，相反过程发生。多个纳米带中的电子与空穴复合，从而发射光。第一纳米带110-1发射能量低于第二带隙的光。因此，第二纳米带-2似乎对第一纳米带所发射的光为光学透明的。因为第三带隙大于第二带隙，所以第三纳米带110-3似乎也对第一纳米带所发射的光为光学透明的。从而，第一纳米带所发射的光一直传输到多带隙装置的表面。同样地，第二和第三纳米带所发射的光传输到外面。多个纳米带所发射的光然后相互干涉并且产生混合光。这种配置产生多带隙LED。
如先前的章节中所提及，半导体纳米带的带隙可以通过改变其宽度、厚度、边缘状态、掺杂或这些和其他因素的组合来调整或控制。为作说明，图4描绘一种多带隙装置，其中每个堆叠具有三个纳米带并且每个纳米带的所需带隙是通过纳米带宽度W和/或厚度D的控制来实现。在这种配置中，第一纳米带110-1被设置在底部并且由大于第二纳米带110-2和第三纳米带110-3的宽度的宽度表征。第二纳米带由大于第三纳米带的宽度的宽度表征。因此，顶部的第三纳米带在这三个纳米带中具有最大带隙。
然而，顶部的第三纳米带110-3不一定需要是最小的。举例来说，在一些实施方案中，第三纳米带可以掺杂有B、N、Bi或F原子或分子，以使得第三纳米带具有大于第二纳米带的带隙，但具有与第二纳米带相同的宽度或与第一纳米带相同的宽度。在其他实施方案中，第二纳米带也可以掺杂有不同掺杂剂或掺杂有相同的但不同浓度的掺杂剂，以使得所有三个纳米带都具有相同宽度。
一般来说，多个纳米带的带隙被调整在0.1eV到2.2eV之间。在多个堆叠中的每个堆叠包括两个纳米带的一些实施方案中，第一带隙被调整和控制在0.1eV到1.2eV之间、在0.5eV与1.5eV之间或在0.8eV与1.8eV之间；第二带隙在0.8eV与1.9eV之间，或在1.2eV与2.2eV之间，或在1.5eV与2.2eV之间。在多个堆叠中的每个堆叠包括三个纳米带的一些实施方案中，对应的第一带隙被调整和控制在0.1eV与1.1eV之间、在0.4eV与1.3eV之间或在0.6eV与1.5eV之间；第二带隙在0.7eV与1.5eV之间、在1eV与1.7eV之间以及在1.2eV与2.1eV之间；第三带隙在1.4eV到2eV之间、在1.5eV到2.1eV之间或在1.6eV到2.2eV之间。
根据本公开的多带隙装置的纳米带的典型宽度介于1nm与60nm之间。在多个堆叠中的每个堆叠包括两个纳米带的一些实施方案中，第一纳米带可以具有介于20nm与50nm的宽度，并且第二纳米带可以具有介于1nm与30nm之间的宽度。在每个堆叠包括两个纳米带的其他实施方案中，第一纳米带具有介于30nm与40nm之间的宽度，而第二纳米带具有介于10nm与20nm之间的宽度。在多个堆叠中的每个堆叠包括三个纳米带的一些实施方案中，第一纳米带具有介于25nm与50nm之间的宽度，第二纳米带具有介于15nm到40nm之间的宽度，并且第三纳米带具有介于1nm到20nm之间的宽度。在一些实施方案中，第一纳米带具有介于30nm与45nm之间的宽度，第二纳米带具有介于20nm到30nm之间的宽度，并且第三纳米带具有介于5nm到15nm之间的宽度。在再一些实施方案中，第一和第二纳米带和/或第三纳米带具有相同宽度，例如30nm或50nm，但具有不同边缘状态或掺杂有不同掺杂剂或掺杂有相同的但不同浓度的掺杂剂。
在一些实施方案中，第一纳米带具有介于0.1eV与1.0eV之间、介于0.4eV与1.4eV之间、介于0.6eV与1.8eV之间或介于0.8eV与2.2eV之间的带隙。在一些实施方案中，第一纳米带具有介于0.1eV与0.4eV之间、介于0.4eV与0.8eV之间、介于0.8eV与1.2eV之间、介于1.2eV与1.6eV之间、介于1.6eV与2.0eV之间或介于2.0eV与2.2eV之间的带隙。
在一些实施方案中，第一纳米带具有介于1nm与10nm之间、介于10nm与20nm之间、介于20nm与30nm之间、介于30nm与40nm之间或介于40nm与50nm之间的宽度。
在一些实施方案中，第一纳米带具有介于0.1eV与1.0eV之间、介于0.4eV与1.4eV之间、介于0.6eV与1.8eV之间或介于0.8eV与2.2eV之间的带隙，并且第二纳米带具有不同于第一纳米带的带隙的带隙，其范围介于0.1eV与1.0eV之间、介于0.4eV与1.4eV之间、介于0.6eV与1.8eV之间或介于0.8eV与2.2eV之间。在一些实施方案中，第一纳米带具有介于0.1eV与0.4eV之间、介于0.4eV与0.8eV之间、介于0.8eV与1.2eV之间、介于1.2eV与1.6eV之间、介于1.6eV与2.0eV之间或介于2.0eV与2.2eV之间的带隙，并且第二纳米带具有不同于第一纳米带的带隙的带隙，其范围介于1nm与10nm之间、介于10nm与20nm之间、介于20nm与30nm之间、介于30nm与40nm之间或介于40nm与50nm之间。
根据本公开的多带隙光检测器的带隙取决于需要被测量的入射光的光谱。如果入射光的光谱在红外线范围内，那么纳米带的带隙可以被设定为较低值，例如低于1.0eV。因此，在一些实施方案中，纳米带具有大于30nm的宽度。另一方面，如果入射光的光谱在紫外线范围内，那么纳米带必须具有较大带隙，例如高于1.5eV。因此，在一些实施方案中，纳米带具有小于20nm的宽度。为了测量在可见光内的光谱范围，在一些实施方案中，带隙具有与多带隙光伏装置相同的值。在入射光的光谱跨越较宽范围，例如从波长范围介于10nm到100μm之间的红外线到紫外线的应用中，多个堆叠中的每个堆叠可以包括三层以上的纳米带，其中每个纳米带经过调整以选择性地吸收在明确靶定的光谱范围内的光子。
类似地，对于根据本公开的多带隙LED来说，堆叠中的纳米带的数目和每个纳米带的带隙取决于应用。举例来说，如果需要白光，那么在一些实施方案中，多带隙LED包括多个堆叠，其中每个堆叠具有三个纳米带。每个纳米带的带隙经过调整和控制以使得底部的第一纳米带具有最小带隙，顶部的第三纳米带具有最大带隙，并且中间的第二纳米带具有介于最大带隙与最小带隙之间的带隙。在应用电源时，第一、第二和第三纳米带分别发射红光、绿光和蓝光。如果比例正确，那么红光、绿光和蓝光共同发射白光，由此创建白光LED。
虽然图4和图5中所说明的多个堆叠104-1、104-2、...104-N似乎是相同的，但这并不是必要的。在一些实施方案中，多个堆叠中的每个堆叠是相同的。在其他实施方案中，多个堆叠中的一个堆叠不同于多个堆叠中的另一个堆叠。举例来说，多个堆叠中的堆叠104-1的第一纳米带110-1的第一带隙具有与堆叠104-3的第一纳米带110-1的第一带隙不同的带隙。多个堆叠中的堆叠104-1的第二纳米带110-2的第二带隙具有与堆叠104-3的第二纳米带110-2的第二带隙不同的带隙。在其他实施方案中，多个堆叠之间的不同在其他特征方面，例如纳米带的宽度、厚度、边缘状态、掺杂剂、掺杂浓度或掺杂梯度。在另外的其他实施方案中，多个堆叠之间的不同在每个堆叠可以具有的纳米带的长度或数目方面。在再另外的其他实施方案中，多个堆叠之间的不同是因为用于一个堆叠的半导体材料不同于用于另一个堆叠的半导体材料而产生。在一些实施方案中，堆叠，例如堆叠104-1，不同于堆叠104-2，堆叠104-2又不同于104-3。在其他实施方案中，一些堆叠具有不同于其他堆叠的最佳带隙，其靶定不同的光谱范围。在这些配置中，应注意使每个堆叠内的纳米带基于带隙按次序堆叠，其中顶部纳米带具有最大带隙并且底部纳米带具有最小带隙。
如图4和5中所指示，纳米带的厚度D可以具有从纳米跨越到微米的宽范围，对应于含有单层纳米图案化石墨烯薄片到几百个石墨烯薄片的纳米带。在一些实施方案中，纳米带包括介于1个与300个之间的石墨烯纳米带薄片。在一些实施方案中，纳米带包括介于100个与300个之间的石墨烯纳米带薄片。
如图6中的L所指示，纳米带的长度由第一导线与第二导线之间的距离界定。利用纳米带的大平均自由程，根据本公开的多个堆叠中的纳米带的长度典型地在几微米到几百微米的范围内。在一些实施方案中，长度L介于1μm与100μm之间。
根据本公开的典型多带隙装置包括几十亿(或甚至几万亿)个纳米带，这取决于多个堆叠的密度和尺寸。有可能设计出一种具有介于106到1012个堆叠/cm2之间的堆叠密度的多带隙装置，其中每个堆叠可以具有两个或更多个纳米带。
任选地，如图7中所示出，每个堆叠中或一些堆叠中的顶部纳米带或顶部纳米带的一部分涂布有抗反射层120。抗反射层典型地由介电材料(如SiO2和TiO2)制成。在其他实施方案中，其由半导体材料(如InGaAs)制成。然而，用于涂层的半导体材料应具有大于顶部纳米带的带隙的带隙以使得其对靶定的波长范围内的光子为光学透明的。或者，利用掺杂来拓宽用作抗反射涂层的半导体材料的带隙。
典型地，抗反射层具有在几十到几千纳米范围内的厚度。对于根据本公开的光伏装置或光检测器来说，可以将抗反射层的厚度选择和控制为入射波的四分之一波长。因而，从抗反射层的顶表面反射的波相消地干涉从纳米带表面反射的波，从而产生零净反射能并且因此使所有光都传输到纳米带中。类似地，可以选择和控制用于根据本公开的发光装置的抗反射层的厚度以使得从纳米带发射的所有光都传输出纳米带和抗反射层。为了利用波的相消干涉和相长干涉，可以采用一层以上的抗反射涂层来进一步增加装置的效率。
6.3.4.使用半导体纳米带的横向间隔的架构
现在转到图8-11，图8-11描绘使用半导体纳米带的根据本公开的多带隙装置的呈横向架构的示例性实施方案300。图8说明示例性实施方案的俯视图，而图6、7和8分别提供大约在线6-6′、7-7′和8-8′处获取的图8的截面视图。在一些实施方案中，多带隙装置300包括多个半导体纳米带(304-1、304-2、...304-N)，其中每个纳米带与第一导线106和第二导线108电通信。如果多带隙装置为光伏装置或光检测器，那么多带隙装置进一步包括与多个纳米带光通信的分光器310。然而，根据本公开的多带隙LED不需要分光器。
多个半导体纳米带(304-1、304-2、...304-N)纵向排列在衬底102上，更确切地说排列在衬底102的表面114上，多个纳米带中的每个纳米带在空间上彼此隔开。如同在垂直堆叠的架构中一样，衬底典型地为平面的，为硬性的或柔性的，并且可以由与先前的章节中所描述的相同的材料制成。
为了制成多带隙装置，多个半导体纳米带中的一些纳米带具有与多个半导体纳米带中的其他纳米带不同的带隙。不同带隙可以通过使用不同材料或通过调整纳米带的宽度、厚度、边缘状态、掺杂或其他因素来实现。为作说明，图8-11描绘一个实施方案，其中不同带隙是通过改变纳米带宽度或通过改变纳米带宽度连同其他因素来实现。举例来说，纳米带304-1的宽度和厚度都不同于纳米带304-3的宽度和厚度。然而，宽度和/或厚度的变化可以被视为调整带隙的代表。可以使用其他因素来更改带隙，而不改变纳米带的宽度和/或厚度。
如图8-10中所示出，纳米带304-3具有比纳米带304-2更宽的宽度，纳米带304-2又具有比纳米带304-1更宽的宽度。这代表如下实施方案：其中纳米带304-3具有小于纳米带304-2的带隙，并且纳米带304-2具有小于纳米带304-1的带隙。因此，纳米带304-3吸收或发射具有长于纳米带304-2的波长的光子，并且纳米带304-2吸收或发射具有长于纳米带304-1的波长的光子。
类似于先前的章节中所描述的垂直堆叠的架构，如图11中所说明，多个纳米带中的每个纳米带由第一端316、第二端318和长度L界定。在一些实施方案中，多个纳米带中的每个纳米带的第一端316与第一导线106密切接触，由此形成一个共用导线。多个纳米带中的每个纳米带的第二端318与第二导线108密切接触，由此形成另一个共用导线。
参考图9，根据本公开的多带隙装置300当用作多带隙光伏装置或多带隙光检测器时，进一步包括分光器310。分光器310将入射光分成不同波长带并且将不同波长带引导到相应的纳米带。基于应用，分光器为简单的光学镜，如棱镜，或为将入射光分成明确靶定的波长范围的光谱选择性系统。在一些实施方案中，分光器直接放置在多个纳米带上方。在其他实施方案中，分光器设置在远离多个纳米带一定距离处。在另外的其他实施方案中，分光器为倾斜的并且关于多个纳米带的法面形成一个角度。
在一些实施方案中，在靶定两个波长范围的情况下，多个纳米带被分成两组。每组包括至少一个纳米带，并且一组中的纳米带具有与另一组不同的带隙。举例来说，第一组具有小于第二组的带隙。在这种配置中，分光器310将入射光分成两个不同波长带，其中第一波长带由至少一个大于第二波长带中的波长的波长表征。分光器然后将第一光波长带引导到第一组并且将第二波长带引导到第二组。
在一些实施方案中，在靶定三个波长范围的情况下，多个纳米带被分成三组，其中每组中的纳米带具有与其他两组不同的带隙。举例来说，第一组具有小于第二组的带隙，第二组又具有小于第三组的带隙。因此，分光器将入射光分成三个波长带。三个波长带中的第一波长带由至少一个大于三个波长带中的第二波长带中的波长的波长表征；并且第二波长带由至少一个大于三个波长带中的第三波长带中的波长的波长表征。在这些实施方案中，分光器将三个波长带引导到相应的纳米带组。
在一些实施方案中，根据本公开的多带隙发光二极管经过配置以使得不需要分光器来组合从多个纳米带发射的来自不同波长带的光。在这种配置中，具有不同带隙的纳米带放置在彼此附近。因为纳米带或一组纳米带的尺寸在微米范围内，所以从这些纳米带的发射不能由人眼辨别。总起来说，根据本公开的多带隙LED发射包括多个波长带的光。举例来说，在一些实施方案中，一些纳米带发射红光，一些发射绿光，并且其他发射蓝光。组合起来，多带隙LED看似发射白光到人眼。在其他实施方案中，根据本公开的多带隙LED可以包括分光器310以组合来自不同波长带的光用于所需应用。
除了相互紧挨着并排布置这一事实以外，横向间隔的纳米带实质上与先前的章节中所描述的垂直堆叠的纳米带相同。举例来说，纳米带可以使用相同纳米图案化工艺由相同材料制成，并且具有实质上相同的尺寸，包括宽度、长度和厚度。就是说，横向间隔的纳米带一般具有介于1nm与60nm之间的宽度，并且包括多个横向间隔的纳米带的多带隙装置典型地具有介于106到1012个纳米带/cm2之间的纳米带密度。另外，先前的章节中所描述的参数，包括带隙的范围，适用于横向间隔的纳米带并且适用于包括多个横向间隔的纳米带的多带隙装置。
类似于垂直堆叠的架构，横向间隔的多带隙装置可以任选地包括如图11中所示出的抗反射层320。抗反射层320重叠多个纳米带中的每个纳米带的全部或一部分，并且具有与先前的章节中所描述的抗反射层120基本上相同的尺寸。另外，抗反射层320可以由与抗反射层120相同的材料制成。
6.3.5.使用半导体纳米孔超晶格的架构
类似于纳米带，一个或多个纳米孔超晶格可以通过将一个堆叠在另一个之上而垂直排列或通过一个挨一个地并排放置而横向排列。在一些实施方案中，具有半导体纳米孔超晶格的装置的架构与上文在使用纳米带时所描述的基本上相同，无论其为垂直堆叠的或横向间隔的。事实上，上文针对纳米带所描述的所有结构、参数、图形、材料等都可以通过简单地用纳米孔超晶格替换纳米带来容易地变更以描述纳米孔超晶格的架构、参数、图形、材料等。其他任选的特征，如抗反射层和分光器，可以按基本上相同的方式并入到使用半导体纳米孔超晶格的架构中。
作为用以说明类似性的一个实例，使用半导体纳米孔超晶格的垂直堆叠的结构包括衬底以及由第一边缘和第二边缘界定的纳米孔超晶格堆叠。纳米孔超晶格堆叠包括多个纳米孔超晶格，其包括(1)多个纳米孔超晶格中的第一纳米孔超晶格，所述第一纳米孔超晶格由第一带隙范围表征并且用第一纳米孔阵列图案化，并且第一纳米孔超晶格重叠衬底；(2)重叠第一纳米孔超晶格的第一光学透明绝缘体；以及(3)多个纳米孔超晶格中的第二纳米孔超晶格，所述第二纳米孔超晶格由第二带隙范围表征并且用第二纳米孔阵列图案化，并且第二纳米孔超晶格重叠第一绝缘体。第一带隙范围由至少一个小于第二带隙范围内的带隙的第一带隙范围内的带隙表征。另外，使用半导体纳米孔超晶格的垂直堆叠的结构包括电接触纳米孔超晶格堆叠的第一边缘的第一导线，以及电接触纳米孔超晶格堆叠的第二边缘的第二导线。
在一些实施方案中，多个纳米孔超晶格中的纳米孔超晶格具有介于1μm与10mm之间的特征尺寸。在一些实施方案中，纳米孔超晶格的特征尺寸介于50μm与500μm之间，或介于100μm与300μm之间。在一些实施方案中，在多个纳米孔超晶格中的纳米孔超晶格中图案化的纳米孔阵列中的纳米孔具有小于5000nm的特征尺寸。在一些实施方案中，纳米孔阵列中的纳米孔具有小于1000nm、小于500nm、小于100nm或小于50nm的特征尺寸。在一些实施方案中，多个纳米孔超晶格中的纳米孔超晶格具有介于1个纳米孔/μm2与106个纳米孔/μm2之间的纳米孔密度，而在其他实施方案中，多个纳米孔超晶格中的纳米孔超晶格具有介于10个纳米孔/μm2与105个纳米孔/μm2之间或介于100个纳米孔/μm2与104个纳米孔/μm2之间的纳米孔密度。
在一些实施方案中，介于第一导线与纳米孔超晶格堆叠的第一边缘之间的第一结可以形成关于载流子的肖特基势垒，而介于第二导线与纳米孔超晶格堆叠的第二边缘之间的第二结根本不形成关于载流子的肖特基势垒或形成针对载流子的较小肖特基势垒，其中载流子为电子或空穴。将第一导线和第二导线电连接到选择电路产生多带隙光伏装置、多带隙光检测器或多带隙发光二极管。
根据本公开的一些装置包括具有堆叠在彼此之上的多个纳米孔超晶格的纳米孔超晶格装置，这个装置具有第一边缘和第二边缘。第一边缘与第一导线电通信并且第二边缘与第二导线电通信。装置布置在衬底上，更确切地说布置在衬底的表面上。衬底充当装置的支撑物。衬底典型地为平面的并且可以为硬性的或柔性的。在一些实施方案中，衬底由铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、双色玻璃、锗/半导体玻璃、玻璃陶瓷、硅酸盐/熔融石英玻璃、钠钙玻璃、石英玻璃、硫属化物/硫化物玻璃、氟化物玻璃、玻璃基酚醛树脂、火石玻璃或陶瓷化玻璃制成。在一些实施方案中，衬底由氨基甲酸酯聚合物、丙烯酸类聚合物、含氟聚合物、聚苯并咪唑、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰胺-酰亚胺、玻璃基酚醛树脂、聚苯乙烯、交联聚苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚四氟-乙烯、聚甲基丙烯酸酯、尼龙6，6、乙酸丁酸纤维素、乙酸纤维素、硬乙烯、塑化乙烯或聚丙烯制成。
装置包括多个纳米孔超晶格和介于相邻纳米孔超晶格之间的光学透明绝缘体。在一些实施方案中，纳米孔超晶格装置包括两个纳米孔超晶格，而在其他实施方案中，纳米孔超晶格装置包括三个纳米孔超晶格。在另外的其他实施方案中，纳米孔超晶格装置包括三个以上纳米孔超晶格。
为作说明，图20描绘具有三个纳米孔超晶格的纳米孔超晶格装置，包括第一纳米孔超晶格110-1、第二纳米孔超晶格110-2和第三纳米孔超晶格110-3。这三个纳米孔超晶格中的每一者如元件116-1、116-2、116-3所指示在一端与第一导线106电接触，并且如图20中的元件118-1、118-2、118-3所指示与第二导线108电接触。总起来说，元件116-1、116-2和116-3界定纳米孔超晶格堆叠的第一端，而元件118-1、118-2和118-3界定纳米孔超晶格堆叠的第二端。
第一导线106和第二导线108由导电材料(典型地为金属)制成。用于制成导电导线的适合材料包括钛(Ti)、铌(Nb)、锌(Zn)、铬(Cr)、银(Ag)、铝(Al)、钴(Co)、钯(Pd)、铜(Cu)、铂(Pt)和金(Au)。Ti和Pd优选地用于石墨的纳米孔超晶格。在一些实施方案中，第一导线106与装置的第一端密切接触，从而充当一个共用导线。同样地，第二导线与装置的第二端密切接触，从而充当另一个共用导线。
对于堆叠具有两个纳米孔超晶格的实施方案来说，第一纳米孔超晶格110-1重叠在衬底表面上，然后第一光学透明绝缘体112-1重叠第一纳米孔超晶格110-1，接着第二纳米孔超晶格110-2重叠第一绝缘体2012-1。第一纳米孔超晶格由第一带隙表征并且第二纳米孔超晶格由第二带隙表征，其中第一带隙小于第二带隙。可以将第一带隙调整到所需值。类似地，可以将第二带隙调整到另一个所需值。
对于堆叠具有三个或更多个纳米孔超晶格的实施方案来说，可以通过交替地在彼此之上重叠纳米孔超晶格和光学透明绝缘体层来采用类似的结构。举例来说，为制成具有三个纳米孔超晶格的堆叠，如图20中所示出，第二光学透明绝缘体112-2可以重叠在第二纳米孔超晶格110-2上，并且第三纳米孔超晶格2000-3重叠在第二绝缘体上。第三纳米孔超晶格由第三带隙表征，第三带隙大于第二纳米孔超晶格的第二带隙。
介于两个相邻纳米孔超晶格之间的光学透明绝缘体(例如112-1、112-2)将一个纳米孔超晶格与另一个纳米孔超晶格电隔离。绝缘体被配置成具有大于其下面的纳米孔超晶格的带隙的带隙，以使得绝缘体对光子为光学透明的，这些光子可以由下方的纳米孔超晶格吸收或发射。在一些实施方案中，光学透明绝缘体由玻璃制成，例如铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、双色玻璃、锗/半导体玻璃、玻璃陶瓷、硅酸盐/熔融石英玻璃、钠钙玻璃、石英玻璃、硫属化物/硫化物玻璃、氟化物玻璃、火石玻璃或陶瓷化玻璃。在一些实施方案中，光学透明绝缘体由氨基甲酸酯聚合物、丙烯酸类聚合物、含氟聚合物、有机硅、有机硅凝胶、环氧树脂、聚酰胺或聚烯烃制成。
当暴露于光时，多个纳米孔超晶格(例如1100-1、110-2、110-3)吸收光子并且产生电流、电压或两者，这取决于侧接多个纳米孔超晶格的电极的性质。过程如下。能量高于第三带隙的光子被第三纳米孔超晶格2000-3吸收，而能量低于第三纳米孔超晶格的第三带隙的光子传输到第二纳米孔超晶格110-2。一旦处于第二纳米孔超晶格中，能量高于第二带隙的光子就被第二纳米孔超晶格吸收并且能量低于第二带隙的光子传输到第一纳米孔超晶格110-1。吸收和传输过程继续进行直到能量低于第一带隙的光子传输到衬底102。这种配置实现了多带隙光伏装置或多带隙光检测器。
当根据本公开的多带隙装置连接到外部电流时，相反过程发生。多个纳米孔超晶格中的电子与空穴复合，从而发射光。第一纳米孔超晶格110-1发射能量低于第二带隙的光。因此，第二纳米孔超晶格2000-2似乎对第一纳米孔超晶格所发射的光为光学透明的。因为第三带隙大于第二带隙，所以第三纳米孔超晶格110-3似乎也对第一纳米孔超晶格所发射的光为光学透明的。从而，第一纳米孔超晶格所发射的光一直传输到多带隙装置的表面。同样地，第二和第三纳米孔超晶格所发射的光传输到外面。多个纳米孔超晶格所发射的光然后相互干涉并且产生混合光。这种配置产生多带隙LED。
一般来说，纳米孔超晶格的带隙被调整在0.1eV到2.2eV之间。在纳米孔超晶格堆叠包括两个纳米孔超晶格的一些实施方案中，第一带隙被调整和控制在0.1eV到1.2eV之间、在0.5eV与1.5eV之间或在0.8eV与1.8eV之间；第二带隙被配置在0.8eV与1.9eV之间，或在1.2eV与2.2eV之间，或在1.5eV与2.2eV之间。在纳米孔超晶格堆叠包括三个纳米孔超晶格的一些实施方案中，第一带隙被调整和控制在0.1eV与1.1eV之间、在0.4eV与1.3eV之间或在0.6eV与1.5eV之间；第二带隙被配置在0.7eV与1.5eV之间、在1eV与1.7eV之间或在1.2eV与2.1eV之间；并且第三带隙被配置在1.4eV到2eV之间、在1.5eV到2.1eV之间或在1.6eV到2.2eV之间。
在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格具有介于0.1eV与1.0eV之间、介于0.4eV与1.4eV之间、介于0.6eV与1.8eV之间或介于0.8eV与2.2eV之间的带隙。在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格具有介于0.1eV与0.4eV之间、介于0.4eV与0.8eV之间、介于0.8eV与1.2eV之间、介于1.2eV与1.6eV之间、介于1.6eV与2.0eV之间或介于2.0eV与2.2eV之间的带隙。
在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格具有介于0.1eV与1.0eV之间、介于0.4eV与1.4eV之间、介于0.6eV与1.8eV之间或介于0.8eV与2.2eV之间的带隙，并且第二纳米孔超晶格具有不同于第一纳米孔超晶格的带隙的带隙，其范围介于0.1eV与1.0eV之间、介于0.4eV与1.4eV之间、介于0.6eV与1.8eV之间或介于0.8eV与2.2eV之间。在一些实施方案中，第一纳米孔超晶格具有介于0.1eV与0.4eV之间、介于0.4eV与0.8eV之间、介于0.8eV与1.2eV之间、介于1.2eV与1.6eV之间、介于1.6eV与2.0eV之间或介于2.0eV与2.2eV之间的带隙，并且第二纳米孔超晶格具有不同于第一纳米孔超晶格的带隙的带隙，其范围介于1nm与10nm之间、介于10nm与20nm之间、介于20nm与30nm之间、介于30nm与40nm之间或介于40nm与50nm之间。
根据本公开的多带隙光检测器的带隙取决于需要被测量的入射光的光谱。如果入射光的光谱在红外线范围内，那么纳米孔超晶格堆叠的带隙可以被设定为较低值，例如低于1.0eV。另一方面，如果入射光的光谱在紫外线范围内，那么纳米孔超晶格必须具有较大带隙，例如高于1.5eV。为了测量在可见光内的光谱范围，带隙可以具有与多带隙光伏装置相同的值。在入射光的光谱跨越较宽范围，例如从波长范围介于10nm到100μm之间的红外线到紫外线的应用中，纳米孔超晶格堆叠可以包括三层以上的纳米孔超晶格，其中每个纳米孔超晶格经过调整以选择性地吸收在明确靶定的光谱范围内的光子。
类似地，对于根据本公开的多带隙LED来说，堆叠中的纳米孔超晶格的数目和每个纳米孔超晶格的带隙取决于应用。举例来说，如果需要白光，那么多带隙LED可以包括多个纳米孔超晶格堆叠，其中每个纳米孔超晶格堆叠具有三个纳米孔超晶格。每个纳米孔超晶格的带隙经过调整和控制以使得底部的第一纳米孔超晶格具有最小带隙，顶部的第三纳米孔超晶格具有最大带隙，并且中间的第二纳米孔超晶格具有介于最大带隙与最小带隙之间的带隙。在应用电源时，第一、第二和第三纳米孔超晶格分别发射红光、绿光和蓝光。如果比例正确，那么红光、绿光和蓝光共同发射白光，由此创建白光LED。
多个纳米孔超晶格堆叠可以排列在衬底上。在一些实施方案中，多个纳米孔超晶格堆叠中的每个纳米孔超晶格堆叠是相同的。在其他实施方案中，多个纳米孔超晶格堆叠中的第一堆叠不同于多个纳米孔超晶格堆叠中的第二纳米孔超晶格堆叠。举例来说，第一纳米孔超晶格堆叠的第一纳米孔超晶格110-1的第一带隙可以具有与第二纳米孔超晶格堆叠的第一纳米孔超晶格110-1的第一带隙不同的带隙。第一纳米孔超晶格堆叠的第二纳米孔超晶格2000-2的第二带隙可以具有与第二纳米孔超晶格堆叠的第二纳米孔超晶格2000-2的第二带隙不同的带隙。在其他实施方案中，多个堆叠之间的不同可以在其他特征方面，例如纳米孔超晶格的厚度、边缘状态、掺杂剂、掺杂浓度或掺杂梯度。在再另外的其他实施方案中，多个纳米孔超晶格堆叠之间的不同可能是因为用于一个纳米孔超晶格堆叠的半导体材料不同于用于另一个纳米孔超晶格堆叠的半导体材料而产生。在一些实施方案中，一些纳米孔超晶格堆叠可以具有不同于其他堆叠的最佳带隙，其靶定不同的光谱范围。在这些配置中，应注意使每个堆叠内的纳米孔超晶格基于带隙按次序堆叠，其中顶部纳米孔超晶格具有最大带隙并且底部纳米孔超晶格具有最小带隙。
纳米孔超晶格的厚度可以具有从纳米跨越到微米的宽范围，对应于含有单层石墨烯纳米孔超晶格薄片到几百个石墨烯纳米孔超晶格薄片的纳米孔超晶格。在一些实施方案中，纳米孔超晶格包括介于1个与300个之间的石墨烯纳米孔超晶格薄片。在一些实施方案中，纳米孔超晶格包括介于100个与300个之间的石墨烯纳米孔超晶格薄片。
任选地，每个堆叠中或一些堆叠中的顶部纳米孔超晶格或顶部纳米孔超晶格的一部分可以涂布有抗反射层。抗反射层典型地由介电材料(如SiO2和TiO2)制成，但其也可以由半导体材料(如InGaAs)制成。然而，用于涂层的半导体材料应具有大于顶部纳米孔超晶格的带隙的带隙以使得其对靶定的波长范围内的光子为光学透明的。或者，可以利用掺杂来拓宽用作抗反射涂层的半导体材料的带隙。
典型地，抗反射层具有在几十到几千纳米范围内的厚度。对于根据本公开的光伏装置或光检测器来说，可以将抗反射层的厚度选择和控制为入射波的四分之一波长。因而，从抗反射层的顶表面反射的波相消地干涉从纳米孔超晶格表面反射的波，从而产生零净反射能并且因此使所有光都传输到纳米孔超晶格中。类似地，可以选择和控制用于根据本公开的发光装置的抗反射层的厚度以使得从纳米孔超晶格发射的所有光都传输出纳米孔超晶格和抗反射层。为了利用波的相消干涉和相长干涉，可以采用一层以上的抗反射涂层来进一步增加装置的效率。
在一些实施方案中，然而，使用半导体纳米孔超晶格的架构可以包括仅仅一个单一的纳米孔超晶格。这不同于使用纳米带的架构，所述架构需要多个纳米带来提供多带隙。不同于具有处于带隙值处或接近带隙值的受限带隙的个别纳米孔超晶格，单一的纳米孔超晶格可以具有多带隙或带隙范围，因为其等效于多个纳米带的交叉网络。通过纳米孔尺寸、形状、密度和/或其他参数的控制，一个单一的纳米孔超晶格可以具有跨越宽范围，例如0.1eV到2.2eV的多带隙。同样地，通过纳米孔尺寸、形状和/或密度的控制，可以将纳米孔超晶格调整到特定的带隙值。为了控制带隙，单一的纳米孔超晶格可以用三角形、矩形、六角形、菱形等或其任何组合来选择性地图案化。纳米孔超晶格的带隙可以通过其厚度的变化或掺杂来进一步调整。
作为一个实例，图19描绘根据本公开的一个方面的包括纳米孔超晶格130的多带隙装置的示意性俯视图。与包括纳米带的实施方案相同，纳米孔超晶格设置在衬底102上。也存在两个导线，第一导线106和第二导线108，其电接触纳米孔超晶格的两个相对边缘。在纳米孔超晶格内图案化的是矩形纳米孔134的阵列。为作说明，图19中所描绘的矩形纳米孔134具有不同尺寸和间隔，促使纳米孔超晶格130内的类似纳米带具有不同宽度。因此，预期纳米孔超晶格130具有多带隙。
视应用和所需带隙范围而定，可以使用具有不同形状、尺寸、密度或其任何组合的纳米孔阵列，或可以不同地分布在纳米孔超晶格内。另外，纳米孔超晶格可以在主体中或在边缘上掺杂有不同掺杂剂或浓度，以进一步调整带隙范围。也可以改变其他参数，如纳米孔超晶格的厚度，以更改带隙。
与上文所呈现的基于所公开的纳米带的实施方案的情况一样，视应用而定，第一导线或第二导线可以在介于导线与纳米孔超晶格边缘之间的界面处形成肖特基势垒或电阻性接触。而且，与上文所呈现的基于所公开的纳米带的实施方案的情况一样，视应用而定，使用纳米孔超晶格的实施方案可包括或可不包括分光器。对于将入射光转换成电或可检测信号的应用来说，根据本公开的多带隙装置进一步包括与纳米孔超晶格光通信的分光器。然而，对于发光应用来说，根据本公开的多带隙装置不需要分光器。
6.4.示例性实施方案
除了基本结构之外，根据本公开的多带隙装置可以具有多种配置，例如包括垂直架构和横向架构的混合配置，或包括纳米带和纳米孔超晶格的混合体。
在描述基本结构中，呈垂直架构的多个堆叠104和呈横向架构的多个纳米带304被描绘成纵向设置在衬底102的表面114上。本公开中的纵向排列意思是多个堆叠104或多个纳米带304沿着纳米带的长度方向关于彼此纵向地排列。然而，纵向排列不一定需要多个堆叠104或多个纳米带304为平行的。在一些实施方案中，如图3和图8中所描绘，多个堆叠104或多个纳米带304可以为平行的。然而，在其他实施方案中，如图12中所说明，多个堆叠104中的一些堆叠或多个纳米带304中的一些纳米带可以为倾斜的，其中404-1、404-2、...、404-N各自代表纳米带或堆叠。在这种配置中，应注意使堆叠或纳米带之间不存在重叠。如图12中所示出，404-3具有大于其他的宽度，这代表具有多带隙的实施方案。在一些实施方案中，404-1、404-2、...、404-N可以具有相同宽度，但由于掺杂或其他参数的变化而具有不同带隙。
图13说明根据本公开的多带隙装置的另一个示例性实施方案500。代替将纳米带或堆叠排成一行，示例性实施方案500包括多个行，其中每一行具有第一共用导线106和第二共用导线108。类似于图12中的示例性实施方案400，404-i和404-j代表纳米带304或堆叠104。404-i和404-j可以是相同的或可以具有不同特征。每一行可以串联或并联电连接用于所需输出。
图14中描绘根据本公开的多带隙装置的另一个示例性实施方案600，其中404代表纳米带304或堆叠104，并且130代表纳米孔超晶格或多个纳米孔超晶格的垂直堆叠。在示例性实施方案600中，纳米带、纳米孔超晶格或堆叠(由纳米带或纳米孔超晶格形成)经过纳米图案化并且在衬底102上排列成多个集群(000-1、000-2、...、000-N)。每个集群在空间上彼此隔开，并且具有其自身的第一导线106和第二导线108。关于结构和功能，000-1、000-2、...、000-N可以代表图3、8、12、13和19中针对纳米带或纳米孔超晶格所描绘的实施方案100、160、300、400和500中的任一者。示例性实施方案600为包括多个多带隙装置的集合。多个多带隙装置中的每个装置为如示例性实施方案100、160、300、400、500中所描述的装置，或处于本公开的范围内的等效物。
在一些实施方案中，集群000-i可以具有与集群000-j相同的结构，例如，两个集群都类似于垂直堆叠的架构100或类似于横向间隔的架构300。在其他实施方案中，集群000-i可以具有与集群000-j相同的结构，但这两者都不同于集群000-k。在另外的其他实施方案中，集群000-i可以具有与集群000-j相同的结构，但集群000-i的纳米带或堆叠可以具有与集群000-j的纳米带或堆叠不同的特征。在一些实施方案中，集群000-i可以为包括多个横向间隔的纳米带的装置，而在其他实施方案中，集群000-i可以为包括多个垂直堆叠的纳米带的装置。在一些实施方案中，集群000-i可以为包括多个横向间隔的纳米孔超晶格的装置，而在其他实施方案中，集群000-i可以为包括多个垂直堆叠的纳米孔超晶格的装置。在一些实施方案中，集群000-i可以为包括一个单一的纳米孔超晶格的装置，而在其他实施方案中，集群000-i可以为包括由多个垂直堆叠的纳米孔超晶格形成的一个单一的堆叠的装置。
多个多带隙装置或集群000-1、000-2、...、000-N可以几何排列成平面阵列，优选地，每个集群与相邻集群平行或接近平行。然而，在一些实施方案中，如图14中所示出，一些集群可以移位或倾斜。在其他实施方案中，在多个集群中，一个集群可以放置在另一个集群之上。视所需应用而定，多个多带隙装置或集群000-1、000-2、...、000-N可以并联、串联或以并联和串联的组合进行电连接。
一般来说，多个多带隙装置中的每个装置或多个集群中的每个集群具有介于1μm到10mm之间的宽度和介于1μm到10mm之间的长度。在一些实施方案中，多个集群中的每个集群具有介于10μm到1mm之间的宽度和介于10μm到1mm之间的长度。在一些实施方案中，多个集群中的每个集群具有介于50μm到500μm之间的宽度和介于50μm到500μm之间的长度。
如果这些实施方案或这些实施方案的一部分类似于横向间隔的架构300或纳米孔超晶格架构160，并且如果其用作光伏装置或光检测器，那么图12-14中所描绘的示例性实施方案400、500和600可以包括分光器310。
现在转到图21，描绘涂布在第一导线106或第二导线108上的保护层。如图21中所示出，在一些实施方案中，涂层2102可以施加在第一导线106上以保护第一导线，例如，防止第一导线氧化、腐蚀，或减少其他不良影响。涂层包含导电材料(例如金)或其他适合的材料。当施加保护层时，第一导线的至少一部分覆盖有保护层。参考图22，除了第一导线106上的涂层2102之外，在一些实施方案中，如图22中所描绘，涂层2204可以施加在第二导线108上。类似于涂层2102，涂层2204包含导电材料。涂层2102和2204可以由相同材料或不同材料制成，并且可以按相同厚度或不同厚度施加。参考图21，在一些实施方案中，第一电极106由钛制成，保护层2102由金制成。参考图21，在一些实施方案中，第一电极106由钛制成，保护层2102由金制成，并且第二电极由钯制成。
图21和22中所示出的结构为示例性的。图21中的元件2100-i(其中i表示1、...、n)和图22中的2200代表纳米带或纳米孔超晶格。就是说，无论根据本申请的装置是否包括纳米带或纳米孔超晶格，第一导线106和/或第二导线108都可以具有涂层。此外，不管根据本申请的装置是否具有如图21中所描绘的垂直堆叠的架构或如图22中所描绘的横向间隔的架构，第一导线106和/或第二导线108都可以具有涂层。然而，在一些实施方案中，不需要涂层。在一些实施方案中，第一导线106和第二导线108都不具有涂层。
6.5.示例性电气图
图15-17提供根据本公开的多带隙装置的示例性的示意性电气图。在图15-17中，元件702代表先前所描述的所有实施方案，例如实施方案100、160、300、400、500和600，以及处于本公开的范围内的等效物。通过第一导线106和第二导线108，实施方案702可以电连接到选择性外部电路，从而创建多带隙光伏装置700、多带隙光检测器800或多带隙LED900。
如图15中所描绘，多带隙光伏装置700是通过将实施方案702连接到外部负载来创建。以电阻器为代表，荷载为发电机、热水器、电池或其他器具。如果实施方案702连接到主电网，那么荷载还可以是电网。在一些实施方案中，在暴露于阳光时，多带隙光伏装置700在没有太阳集光器的情况下产生50W/m2或更高的功率。在有太阳集光器的情况下，功率输出可以更高。举例来说，使用100x太阳集光器，可以实现5000W/m2的功率。
将实施方案702连接到静电计产生多带隙光检测器800，其示意性电气图在图16中说明。静电计为任何类型的静电计，包括振簧静电计、真空管静电计和固态静电计，并且可以测量电荷或电势差。通过调整和控制带隙，本发明多带隙光检测器经过设计以测量红外线辐射、可见光和紫外线辐射，其中波长在10nm到100μm的范围内。
当实施方案702连接到外部电流(如电池)时，产生多带隙LED900。图17提供根据本公开的多带LED900的示意性电气图。通过调整和控制带隙，本发明多带隙LED可以发射介于10nm到100μm之间的宽光谱中的光。其可以发射混合光，如白光。
在一些实施方案中，本发明光伏装置、光检测器和/或LED集成在一起用于所需应用。举例来说，在一些实施方案中，光伏装置与＝LED组合用于多种自维持的太阳能照明应用。实例包括夜间的户外照明。在白天，光伏装置吸收太阳能，将太阳能转换成电并且存储电，例如存储在电池中。在夜间，所存储的电向发射光的本发明LED供电。
7.示例性实施方案
本公开的一个方面提供一种多带隙装置，其包括纵向排列在衬底上的多个堆叠，多个堆叠中的每个堆叠占据衬底的不同部分。多个堆叠中的每个堆叠由第一端、第二端和长度界定，并且包括(i)多个半导体纳米带，在多个半导体纳米带中一个纳米带在另一个纳米带之上，以及(ii)设置在两个相邻纳米带之间的光学透明绝缘体。多个纳米带中的每个纳米带由带隙表征。在每个堆叠内，多个纳米带中的纳米带的带隙大于其下面的纳米带的带隙，但小于其上方的纳米带的带隙。多个堆叠中的每个堆叠的第一端电接触第一导线，而多个堆叠中的每个堆叠的第二端电接触第二导线。
本发明多带隙装置可以通过第一导线和第二导线的电控制来操作。将第一导线和第二导线电连接到外部负载、外静电计或外部电流分别创建多带隙光伏装置、多带隙光检测器或多带隙发光二极管(LED)。
在一些实施方案中，多个堆叠中的每个堆叠包括两个纳米带和介于其之间的光学透明绝缘体。由第一带隙表征的第一纳米带重叠在衬底上并且由光学透明绝缘体重叠。然后，具有第二带隙的第二纳米带重叠在绝缘体上。根据本公开，第二带隙大于第一带隙。在一些实施方案中，多个堆叠中的每个堆叠包括三个纳米带和两个光学透明绝缘体，一个绝缘体隔开两个相邻纳米带。在这种配置中，第二绝缘体重叠到第二纳米带上并且第三纳米带重叠到第二绝缘体上。第三纳米带由大于第二带隙的第三带隙表征，第二带隙又大于第一带隙。在一些实施方案中，多个堆叠中的每个堆叠包括三个以上纳米带。
在一些实施方案中，多个堆叠中的每个堆叠是相同的，而在其他实施方案中，多个堆叠中的一个堆叠不同于多个堆叠中的另一个堆叠。多个堆叠之间的不同可以在以下方面：每个堆叠所具有的纳米带的数目、用于制成每个堆叠中的纳米带的材料、纳米带的尺寸、纳米带的边缘状态、在纳米带中所施加的掺杂、在纳米带内图案化的纳米孔，或其他因素。不同还可以在多个堆叠中的一些堆叠具有不同于其他堆叠的最佳带隙，从而靶定不同光谱范围时产生。举例来说，多个堆叠中的一个堆叠的第一纳米带可以具有与多个堆叠中的另一个堆叠的第一纳米带不同的带隙；多个堆叠中的一个堆叠的第二纳米带可以具有与多个堆叠中的另一个堆叠的第二纳米带不同的带隙。在这种配置中，应注意使纳米带基于带隙按递减次序排列，在每个堆叠内顶部纳米带具有最大带隙并且底部纳米带具有最小带隙。
在一些实施方案中，多个堆叠中的多个纳米带由高序热解石墨(HOPG)或低级石墨膜或其他层状材料制成，这些层状材料包括氮化硼(BN)、二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、氧化锌(ZnO)和二氧化钛(TiO2)。在一些实施方案中，多个堆叠中的多个纳米带是通过光刻图案化或通过电子束和/或干涉光刻纳米图案化来制成。在一些实施方案中，多个纳米带的带隙是通过改变纳米带的宽度、厚度或边缘状态来调整或控制。另外，调整带隙可以通过用不同浓度的或具有不同梯度的不同掺杂剂掺杂纳米带来实现。适合的掺杂剂包括氮、氟、磷或铋的原子或分子。在一些实施方案中，同时优化纳米带的宽度、厚度、边缘状态、掺杂和/或其他参数以达到所需带隙。此外，调整带隙还可以通过图案化纳米带内的适合纳米孔来实现。
在一些实施方案中，本发明多带隙装置可以进一步包括重叠多个堆叠中的每个堆叠的全部或一部分的抗反射层。抗反射层可以由介电材料(如SiO2和TiO2)或半导体材料(如InGaAs)制成。如果半导体材料用于涂层，那么可以利用掺杂来拓宽半导体材料的带隙以使得其对靶定的波长范围内的光子为光学透明的。
在一些实施方案中，第一和第二导线由导电材料制成，例如钛、铌、锌、铬、银、铝、钴、钯、铜、铂、金或其合金。在一些实施方案中，可选择材料以使得第一导线具有与纳米带不同的功函数并且在介于导线与纳米带之间的界面处形成针对载流子的肖特基势垒，而第二导线根本不形成肖特基势垒或形成针对载流子的较小肖特基势垒。
本公开的另一个方面提供一种多带隙装置，其包括排列在衬底上的多个集群，多个集群中的每个集群占据衬底的不同部分。多个集群中的每个集群包括多个堆叠，多个堆叠中的每个对应的堆叠由第一端、第二端和长度界定。多个堆叠中的每个对应的堆叠包括(i)多个半导体纳米带，在多个半导体纳米带中一个纳米带在另一个纳米带之上，以及(ii)介于两个相邻纳米带之间的光学透明绝缘体。多个纳米带中的每个纳米带由带隙表征。多个纳米带中的纳米带的带隙大于其下面的纳米带的带隙，但小于其上方的纳米带的带隙。在每个集群内，多个堆叠中的每个堆叠的第一端电接触第一导线，而多个堆叠中的每个堆叠的第二端电接触第二导线。因此，每个集群具有其自身的第一导线和第二导线。在一些实施方案中，通过每个集群的第一导线和第二导线，多个集群可以串联、并联或以串联和并联的某种组合进行电连接以创建多带隙光伏装置、多带隙光检测器或多带隙LED。
在一些实施方案中，多个集群中的第一集群包括第一组多个堆叠并且多个集群中的第二集群包括第二组多个堆叠，第一组多个堆叠的数目与第二组多个堆叠的数目相同。在一些实施方案中，多个集群中的第一集群包括与多个集群中的第二集群不同数目的堆叠。在一些实施方案中，多个集群中的第一集群包括第一组多个堆叠，其中每个堆叠具有第一组多个纳米带，并且多个集群中的第二集群包括第二组多个堆叠，其中每个堆叠具有第二组多个纳米带。在一些实施方案中，第一组多个纳米带与第二组多个纳米带相同。在一些实施方案中，第一集群中的第一组多个纳米带不同于第二集群中的第二组多个纳米带。不同可以在以下方面：堆叠中的纳米带的带隙、宽度、厚度、数目，所使用的材料，掺杂，纳米孔图案化，或其组合。在一些实施方案中，多个集群中的第一集群可能具有或可能不具有与多个集群中的第二集群相同的尺寸。
本公开的又另一个方面提供一种多带隙装置，其包括纵向排列在衬底上的多个纳米带，多个纳米带中的每个纳米带占据衬底的不同部分。多个纳米带中的每个纳米带由第一端、第二端和长度界定，并且由带隙表征。在一些实施方案中，多个纳米带中的纳米带具有与多个纳米带的其他纳米带不同的带隙。在一些实施方案中，多个纳米带中的每个纳米带具有与多个纳米带中的其他纳米带不同的带隙。多个纳米带中的每个纳米带的第一端电接触第一导线，而多个纳米带中的每个纳米带的第二端电接触第二导线。对于将入射光转换成电或电信号的应用来说，根据本公开的多带隙装置进一步包括与多个纳米带光通信的分光器。然而，对于发光应用来说，根据本公开的多带隙装置不需要分光器。
分光器将入射光分成不同波长带并且将不同波长带引导到相应的纳米带。视应用而定，分光器可以为简单的棱镜或多镜头或多组件光学系统。在一些实施方案中，分光器直接放置在多个纳米带上方。在其他实施方案中，分光器设置在远离多个纳米带一定距离处。在另外的其他实施方案中，分光器为倾斜的并且关于多个纳米带的法面形成一个角度。
在一些实施方案中，多个纳米带包括具有第一带隙的第一纳米带和具有第二带隙的第二纳米带。在这些实施方案中，第二带隙大于第二带隙。分光器将入射光分成第一和第二波长带，其中第一波长带具有至少一个大于第二波长带中的波长的波长。因此，分光器将第一波长带引导到多个纳米带中的第一纳米带并且将第二波长带引导到多个纳米带中的第二纳米带。在一些实施方案中，多个纳米带包括由第三带隙表征的第三纳米带，第三带隙大于第二带隙。在这种配置中，分光器将入射光分成三个波长带，其中第二波长带具有至少一个大于第三波长带中的波长的波长。分光器然后将第三波长带引导到第三纳米带。
在一些实施方案中，本发明多带隙装置进一步包括重叠多个纳米带中的每个纳米带的全部或一部分的抗反射层。在一些实施方案中，本发明多带隙装置可以进一步包括会聚入射光并且将会聚的光引导到分光器的集光器。
本公开的再另一个方面提供一种多带隙装置，其包括排列在衬底上的多个集群，多个集群中的每个集群占据衬底的不同部分。多个集群中的每个集群包括多个纳米带。多个纳米带中的每个纳米带由第一端、第二端和长度界定，并且由带隙表征。在每个集群内，多个纳米带中的每个纳米带的第一端电接触第一导线，而多个纳米带中的每个纳米带的第二端电接触第二导线。因此，多个集群中的每个集群具有其自身的第一导线和第二导线。通过每个集群的第一导线和第二导线，多个集群可以串联、并联或以串联和并联的组合进行电连接以创建多带隙光伏装置、多带隙光检测器或多带隙LED。
对于将入射光转换成电或电信号的应用来说，根据本公开的多带隙装置进一步包括与多个集群光通信的分光器。然而，对于发光应用来说，在所公开的多带隙装置中典型地不需要分光器。
在一些实施方案中，第一集群的多个纳米带中的每个纳米带具有第一带隙值，并且多个集群中的第二集群的多个纳米带中的每个纳米带具有第二带隙值。在这些实施方案中，第一带隙值小于第二带隙值。在一些实施方案中，第一集群的多个纳米带中的每个纳米带的带隙处于第一带隙范围内，并且第二集群的多个纳米带中的每个纳米带的带隙处于第二带隙范围内。第一带隙范围由至少一个小于第二带隙范围中的带隙的带隙表征。对于将入射光转换成电或电信号的应用来说，分光器将入射光分成第一和第二波长带。第一波长带由至少一个大于第二波长带中的波长的波长表征。分光器然后将第一光波长带引导到多个集群中的第一集群，并且将第二波长带引导到多个集群中的第二集群。
本公开的再另一个方面提供一种多带隙装置，其包括一个或多个纳米孔超晶格，一个或多个纳米孔超晶格集群排列在衬底上，每个纳米孔超晶格集群占据衬底的不同部分。每个纳米孔超晶格集群包括：(i)由带隙范围表征的纳米孔超晶格，所述纳米孔超晶格用纳米孔阵列图案化并且由第一边缘和第二边缘界定，(ii)电接触纳米孔超晶格的第一边缘的第一导线，以及(iii)电接触纳米孔超晶格的第二边缘的第二导线。
在一些实施方案中，存在一个纳米孔超晶格集群，而在其他实施方案中，存在多个纳米孔超晶格集群。在一些实施方案中，存在10个以上纳米孔超晶格集群，而在其他实施方案中，存在100个以上纳米孔超晶格集群。在一些实施方案中，存在103、104或105个以上的纳米孔超晶格集群。在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格中的纳米孔超晶格具有与一个或多个纳米孔超晶格中的另一个纳米孔超晶格不同的纳米孔图案，包括纳米孔尺寸、形状和/或密度。在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格中的纳米孔超晶格具有与一个或多个纳米孔超晶格中的另一个纳米孔超晶格相同的纳米孔图案，包括纳米孔、尺寸、形状和/或密度。
在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格中的纳米孔超晶格具有与一个或多个纳米孔超晶格中的另一个纳米孔超晶格不同的带隙范围。在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格中的纳米孔超晶格具有与一个或多个纳米孔超晶格中的另一个纳米孔超晶格相同的带隙范围，其中带隙范围包括至少两个不相连的带隙。在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格中的纳米孔超晶格具有与一个或多个纳米孔超晶格中的另一个纳米孔超晶格不同的掺杂，包括掺杂剂、浓度和/或梯度。在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格中的纳米孔超晶格具有与一个或多个纳米孔超晶格中的另一个纳米孔超晶格相同的掺杂，包括掺杂剂、浓度和/或梯度。
在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格中的纳米孔超晶格或纳米孔超晶格的一部分由抗反射层重叠。在一些实施方案中，并入分光器以将入射光分成具有不同波长范围的多个光并且将多个光引导到不同纳米孔超晶格或一个纳米孔超晶格的不同部分。
在一些实施方案中，第一导线和纳米孔超晶格堆叠的第一边缘形成肖特基势垒，并且第二导线和纳米孔超晶格堆叠的第二边缘根本不形成肖特基势垒。在一些实施方案中，第一导线和纳米孔超晶格堆叠的第一边缘形成肖特基势垒，并且第二导线和纳米孔超晶格堆叠的第二边缘形成针对相同电荷载流子的较小肖特基势垒。
在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格集群彼此串联电连接，而在其他实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格集群彼此并联电连接。在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格集群彼此以串联或并联连接的组合进行电连接。通过连接到选择性外部电路，一个或多个纳米孔超晶格集群产生多带隙光伏装置、多带隙光检测器或多带隙发光二极管。
本公开的又另一个方面提供一种多带隙装置，其包括排列在衬底上的一个或多个纳米孔超晶格集群，每个纳米孔超晶格集群占据衬底的不同部分。一个或多个纳米孔超晶格集群中的每个纳米孔超晶格集群包括(i)由第一边缘和第二边缘界定的纳米孔超晶格堆叠，(ii)第一导线，以及(iii)第二导线。纳米孔超晶格堆叠包括多个纳米孔超晶格和光学透明绝缘体，其中(1)多个纳米孔超晶格中的第一纳米孔超晶格由第一带隙范围表征并且用第一纳米孔阵列图案化，并且第一纳米孔超晶格重叠衬底，(2)第一光学透明绝缘体重叠第一纳米孔超晶格，以及(3)多个纳米孔超晶格中的第二纳米孔超晶格由第二带隙范围表征并且用第二纳米孔阵列图案化，并且第二纳米孔超晶格重叠第一绝缘体。在纳米孔超晶格堆叠内，第一带隙范围由至少一个小于第二带隙范围内的带隙的第一带隙范围内的带隙表征。第一导线电接触纳米孔超晶格堆叠的第一边缘，并且第二导线电接触纳米孔超晶格堆叠的第二边缘。第一导线或第二导线在与纳米孔超晶格堆叠的触点处形成肖特基势垒。将第一导线和第二导线电连接到选择性外部电路产生多带隙光伏装置、多带隙光检测器或多带隙发光二极管。
在一些实施方案中，纳米孔超晶格集群中的纳米孔超晶格堆叠的第一纳米孔超晶格具有与纳米孔超晶格集群中的纳米孔超晶格堆叠的第二纳米孔超晶格不同的纳米孔图案，包括纳米孔尺寸、形状和/或密度。在一些实施方案中，纳米孔超晶格集群中的纳米孔超晶格堆叠的第一纳米孔超晶格具有与纳米孔超晶格集群中的纳米孔超晶格堆叠的第二纳米孔超晶格相同的纳米孔图案，包括纳米孔尺寸、形状和/或密度。在一些实施方案中，纳米孔超晶格集群中的纳米孔超晶格堆叠的第一纳米孔超晶格具有与纳米孔超晶格集群中的纳米孔超晶格堆叠的第二纳米孔超晶格中的第二掺杂不同的第一掺杂。在一些实施方案中，纳米孔超晶格集群中的纳米孔超晶格堆叠的第一纳米孔超晶格具有与纳米孔超晶格集群中的纳米孔超晶格堆叠的第二纳米孔超晶格中的第二掺杂相同的第一掺杂。
在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格集群中的第一纳米孔超晶格集群的第一纳米孔超晶格具有与一个或多个纳米孔超晶格集群中的第二纳米孔超晶格集群的第一纳米孔超晶格不同的带隙范围。在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格集群中的第一纳米孔超晶格集群的第一纳米孔超晶格具有与一个或多个纳米孔超晶格集群中的第二纳米孔超晶格集群的第一纳米孔超晶格相同的带隙范围。在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格集群中的第一纳米孔超晶格集群的第二纳米孔超晶格具有与一个或多个纳米孔超晶格集群中的第二纳米孔超晶格集群的第二纳米孔超晶格不同的带隙范围。在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格集群中的第一纳米孔超晶格集群的第二纳米孔超晶格具有与一个或多个纳米孔超晶格集群中的第二纳米孔超晶格集群的第二纳米孔超晶格相同的带隙范围。
在一些实施方案中，一个或多个纳米孔超晶格集群中的纳米孔超晶格集群的纳米孔超晶格堆叠进一步包括(4)重叠第二纳米孔超晶格的第二光学透明绝缘体，以及(5)多个纳米孔超晶格中的第三纳米孔超晶格，所述第三纳米孔超晶格由第三带隙范围表征并且用第三纳米孔阵列图案化，第三纳米孔超晶格重叠第二绝缘体。第三带隙范围由至少一个大于第二带隙范围内的带隙的第三带隙范围内的带隙表征。
本公开的再又另一个方面提供多个多带隙装置，其彼此串联、并联或以串联和并联的某种组合进行电连接以产生所需输出。在一些实施方案中，多个多带隙装置中的装置几何排列成平面阵列，其中每个装置与相邻装置平行或接近平行。在一些实施方案中，一些装置移位或倾斜。在其他实施方案中，一个装置放置在另一个装置之上。
在一些实施方案中，多个多带隙装置中的第一多带隙装置与第二多带隙装置相同。在一些实施方案中，多个多带隙装置中的第一多带隙装置不同于第二多带隙装置。在一些实施方案中，第一和第二多带隙装置在类型、功能或结构方面不同。在一个实例中，第一多带隙装置为光伏装置并且第二多带隙装置为LED。在一些实施方案中，不存在分光器，而在其他实施方案中，存在一个或多个分光器。
在一些实施方案中，多个多带隙装置中的多带隙装置为包括多个横向间隔的纳米带的装置，而在其他实施方案中，多个多带隙装置中的多带隙装置为包括多个垂直堆叠的纳米带的装置。在一些实施方案中，多个多带隙装置中的多带隙装置为包括多个横向间隔的纳米孔超晶格的装置，而在其他实施方案中，多个多带隙装置中的多带隙装置为包括多个垂直堆叠的纳米孔超晶格的装置。在一些实施方案中，多个多带隙装置中的多带隙装置为包括一个单一的纳米孔超晶格的装置，而在其他实施方案中，多个多带隙装置中的多带隙装置为包括由多个垂直堆叠的纳米孔超晶格形成的一个单一的堆叠的装置。
8.引用文献
本文所引用的所有文献都通过引用以其全文并出于所有目的结合在此，引用的程度如同每个个别的公布或专利或专利申请特定地和个别地指示通过引用以其全文出于所有目的结合在此。
如本领域技术人员将显而易见，本公开的许多更改和变化可以在不脱离其精神和范围的情况下作出。本文所描述的特定实施方案仅仅作为实例而提供，并且本公开仅仅受随附权利要求书的条款连同所述权利要求书所赋予的等效物的完整范围所限制。
Claims (228)
1.一种电气装置，其包括：
(A)具有表面的衬底；
(B)叠加在所述表面的第一部分上的第一纳米孔超晶格，所述第一纳米孔超晶格包含具有其中所界定的第一孔阵列的第一组多个薄片，其中所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列由第一带隙或第一带隙范围表征并且其中所述第一组多个薄片形成第一边缘和第二边缘；
(C)包含第一导电材料的第一导线，所述第一导线与所述第一边缘形成第一结，其中所述第一结为关于载流子的第一肖特基势垒；
(D)包含第二导电材料的第二导线，所述第二导线与所述第二边缘形成第二结；以及
(E)任选地，覆盖所述第一导线的表面的全部或一部分的第一金属保护涂层。
2.如权利要求1所述的电气装置，其进一步包括：
(F)叠加在所述表面的第二部分上的第二纳米孔超晶格，所述第二纳米孔超晶格包括具有其中所界定的第二孔阵列的第二组多个薄片，其中所述第二孔阵列由所述第二组多个薄片中的第二带隙或第二带隙范围表征并且其中所述第二组多个薄片形成第三边缘和第四边缘；
(G)包含第三导电材料的第三导线，所述第三导线与所述第三边缘形成第三结；以及
(H)包含第四导电材料的第四导线，所述第四导线与所述第四边缘形成第四结；
其中所述第三结为关于所述载流子的第二肖特基势垒。
3.如权利要求2所述的电气装置，其进一步包括：
(I)叠加在所述表面的第三部分上的第三纳米孔超晶格，所述第三纳米孔超晶格包含具有其中所界定的第三孔阵列的第三组多个薄片，其中所述第三孔阵列在所述第三组多个薄片中产生第三带隙或第三带隙范围并且其中所述第三组多个薄片形成第五边缘和第六边缘；
(J)包含第五导电材料的第五导线，所述第五导线与所述第三边缘形成第五结；以及
(K)包含第六导电材料的第六导线，所述第六导线与所述第六边缘形成第六结；
其中所述第五结为关于所述载流子的第三肖特基势垒。
4.如权利要求1所述的电气装置，其进一步包括：
(F)重叠所述第一纳米孔超晶格的第一光学透明绝缘体；以及
(G)叠加在所述第一光学透明绝缘体上的第二纳米孔超晶格，所述第二纳米孔超晶格包含具有其中所界定的第二孔阵列的第二组多个薄片，其中所述第二组多个薄片中的所述第二孔阵列由第二带隙或第二带隙范围表征并且其中所述第二组多个薄片形成第三边缘和第四边缘；其中
所述第一导线与所述第三边缘形成第三结，
所述第二导线与所述第四边缘形成第四结，并且
所述第三结为关于所述载流子的第二肖特基势垒。
5.如权利要求4所述的电气装置，其进一步包括：
(H)重叠所述第二纳米孔超晶格的第二光学透明绝缘体；以及
(I)叠加在所述第二光学透明绝缘体上的第三纳米孔超晶格，所述第三纳米孔超晶格包含具有其中所界定的第三孔阵列的第三组多个薄片，其中所述第三组多个薄片中的所述第三孔阵列由第三带隙或第三带隙范围表征并且其中所述第三组多个薄片形成第五边缘和第六边缘；其中
所述第一导线与所述第三边缘形成第五结，
所述第二导线与所述第四边缘形成第六结，并且
所述第三结为关于所述载流子的第三肖特基势垒。
6.如权利要求2-5中任一项所述的电气装置，其中
所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列由第一带隙范围表征，
所述第二组多个薄片中的所述第二孔阵列由第二带隙范围表征，并且
所述第一带隙范围由至少一个处于所述第一带隙范围而非所述第二带隙范围内的带隙子范围表征。
7.如权利要求2-5中任一项所述的电气装置，其中
所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列由第一带隙范围表征，
所述第二组多个薄片中的所述第二孔阵列由第二带隙范围表征，
所述第三组多个薄片中的所述第三孔阵列由第三带隙范围表征，
所述第一带隙范围由至少一个处于所述第一带隙范围而非所述第二带隙范围或所述第三带隙范围内的带隙子范围表征，
所述第二带隙范围由至少一个处于所述第二带隙范围而非所述第一带隙范围或所述第三带隙范围内的带隙子范围表征，并且
所述第三带隙范围由至少一个处于所述第三带隙范围而非所述第一带隙范围或所述第二带隙范围内的带隙子范围表征。
8.如权利要求2或3所述的电气装置，其进一步包括：
与所述第一纳米孔超晶格和所述第二纳米孔超晶格光通信的分光器，其中
(i)所述分光器将入射光分成第一波长带和第二波长带，
(ii)所述第一波长带由至少一个处于所述第一波长带中而非所述第二波长带中的波长表征，并且
(iii)所述分光器将所述第一光波长带引导到所述第一纳米孔超晶格并且将所述第二波长带引导到所述第二纳米孔超晶格。
9.如权利要求3所述的电气装置，其进一步包括：
与所述第一纳米孔超晶格和所述第二纳米孔超晶格光通信的分光器，其中
(i)所述分光器将入射光分成第一波长带、第二波长带和第三波长带，
(ii)所述第一波长带由至少一个处于所述第一波长带中而非所述第二波长带或所述第三波长带中的波长表征，
(iii)所述第二波长带由至少一个处于所述第二波长带中而非所述第一波长带或所述第三波长带中的波长表征，并且
(iv)所述第三波长带由至少一个处于所述第三波长带中而非所述第一波长带或所述第二波长带中的波长表征，并且
(v)所述分光器将所述第一光波长带引导到所述第一纳米孔超晶格，将所述第二波长带引导到所述第二纳米孔超晶格，并且将所述第三波长带引导到所述第三纳米孔超晶格。
10.如权利要求2-9中任一项所述的电气装置，其中所述第一孔阵列中的所述孔的平均宽度不同于所述第二孔阵列中的所述孔的平均宽度。
11.如权利要求2-9中任一项所述的电气装置，其中所述第一孔阵列中的所述孔的平均宽度与所述第二孔阵列中的所述孔的平均宽度相同。
12.如权利要求2-5中任一项所述的电气装置，其中
所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列由第一带隙范围表征，
所述第二组多个薄片中的所述第二孔阵列由第二带隙范围表征，并且
所述第一带隙范围与所述第二带隙范围相同。
13.如权利要求3或5所述的电气装置，其中
所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列由第一带隙范围表征，
所述第二组多个薄片中的所述第二孔阵列由第二带隙范围表征，
所述第三组多个薄片中的所述第三孔阵列由第三带隙范围表征，并且
所述第一带隙范围与所述第二带隙范围和所述第三带隙范围相同。
14.如权利要求2-5中任一项所述的电气装置，其中
所述第一组多个薄片中的第一薄片由第一掺杂剂表征，并且
所述第二组多个薄片中的第二薄片由第二掺杂剂表征。
15.如权利要求3或5所述的电气装置，其中
所述第一组多个薄片中的第一薄片由第一掺杂剂表征，
所述第二组多个薄片中的第二薄片由第二掺杂剂表征，并且
所述第三组多个薄片中的第三薄片由第三掺杂剂表征。
16.如权利要求14或15所述的电气装置，其中所述第一掺杂剂和所述第二掺杂剂相同。
17.如权利要求14或15所述的电气装置，其中所述第一掺杂剂和所述第二掺杂剂不同。
18.如权利要求15所述的电气装置，其中所述第一掺杂剂、所述第二掺杂剂和所述第三掺杂剂各自相同。
19.如权利要求15所述的电气装置，其中所述第一掺杂剂、所述第二掺杂剂和所述第三掺杂剂各自不同。
20.如权利要求2-19中任一项所述的电气装置，其中所述第二结为关于所述载流子的第三肖特基势垒，并且其中所述第三肖特基势垒小于所述第一肖特基势垒。
21.如权利要求2-19中任一项所述的电气装置，其中所述第二结关于所述载流子为电阻性的。
22.如权利要求2-4或8-11中任一项所述的电气装置，其进一步包括重叠所述第二纳米孔超晶格的全部或一部分的抗反射层。
23.如权利要求1-22中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列由所述第一带隙范围表征并且其中所述第一带隙范围介于0.1eV与2.2eV之间。
24.如权利要求1-22中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列由所述第一带隙范围表征并且其中所述第一带隙范围介于0.1eV与0.8eV之间。
25.如权利要求1-22中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列由所述第一带隙范围表征并且其中所述第一带隙范围介于0.5eV与2.2eV之间。
26.如权利要求1-22中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列由所述第一带隙范围表征并且其中所述第一带隙范围介于0.6eV与1.1eV之间。
27.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一孔阵列中的所述孔的平均宽度、半径或直径介于1μm与10mm之间。
28.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一孔阵列中的所述孔的平均宽度、半径或直径介于50μm与500μm之间。
29.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一孔阵列中的所述孔的平均宽度、半径或直径介于100μm与300μm之间。
30.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一孔阵列中的所述孔的平均宽度、半径或直径小于5000nm。
31.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一孔阵列中的所述孔的平均宽度、半径或直径小于1000nm。
32.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一孔阵列中的所述孔的平均宽度、半径或直径小于500nm。
33.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一孔阵列中的所述孔的平均宽度、半径或直径小于100nm。
34.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一孔阵列中的所述孔的平均宽度、半径或直径小于50nm。
35.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一阵列中的所述孔为圆形、卵圆形、三角形、矩形、五角形或六角形。
36.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一阵列中的所述孔由圆形、卵圆形、三角形、矩形、五角形或六角形的横截面表征。
37.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一阵列中的所述孔由包括直线部分、弧形部分或弯曲部分的任何组合的横截面表征。
38.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列具有介于1个纳米孔/μm2与106个纳米孔/μm2之间的纳米孔密度。
39.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列具有介于100个纳米孔/μm2与105个纳米孔/μm2之间的纳米孔密度。
40.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列具有介于500个纳米孔/μm2与105个纳米孔/μm2之间的纳米孔密度。
41.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列具有介于10个纳米孔/μm2与105个纳米孔/μm2之间的纳米孔密度。
42.如权利要求1-26中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的所述第一孔阵列具有介于100个纳米孔/μm2与104个纳米孔/μm2之间的纳米孔密度。
43.如权利要求1-42中任一项所述的电气装置，其中所述第一结与所述第二结之间的距离介于1μm与100μm之间。
44.如权利要求1-43中任一项所述的电气装置，其中所述第一纳米孔超晶格由不同于所述第二纳米孔超晶格的均匀厚度的均匀厚度表征。
45.如权利要求3或5所述的电气装置，其中
所述第一纳米孔超晶格由不同于所述第二纳米孔超晶格的均匀厚度和所述第三纳米孔超晶格的均匀厚度的均匀厚度表征，
所述第二纳米孔超晶格由不同于所述第一纳米孔超晶格的厚度和所述第三纳米孔超晶格的厚度的均匀厚度表征，并且
所述第三纳米孔超晶格由不同于所述第一纳米孔超晶格的厚度和所述第二纳米孔超晶格的厚度的均匀厚度表征。
46.如权利要求2-43中任一项所述的电气装置，其中所述第一纳米孔超晶格由比所述第二纳米孔超晶格的均匀厚度超出所述第一纳米孔超晶格的均匀厚度的10％以上的均匀厚度表征。
47.如权利要求2-43中任一项所述的电气装置，其中所述第一纳米孔超晶格由比所述第二纳米孔超晶格的均匀厚度超出所述第一纳米孔超晶格的均匀厚度的20％以上的均匀厚度表征。
48.如权利要求2-43中任一项所述的电气装置，其中所述第一纳米孔超晶格由比所述第二纳米孔超晶格的均匀厚度超出所述第一纳米孔超晶格的均匀厚度的40％以上的均匀厚度表征。
49.如权利要求2-43中任一项所述的电气装置，其中
所述第一纳米孔超晶格由第一均匀厚度表征，
所述第二纳米孔超晶格由第二均匀厚度表征，并且
所述第一均匀厚度与所述第二均匀厚度相同。
50.如权利要求3或5中任一项所述的电气装置，其中
所述第一纳米孔超晶格的厚度不同于所述第二纳米孔超晶格的厚度和所述第三纳米孔超晶格的厚度，
所述第二纳米孔超晶格的厚度不同于所述第一纳米孔超晶格的厚度和所述第三纳米孔超晶格的厚度，并且
所述第三纳米孔超晶格的厚度不同于所述第一纳米孔超晶格的厚度和所述第二纳米孔超晶格的厚度。
51.如权利要求2-50中任一项所述的电气装置，其中
所述第一纳米孔超晶格中的第一薄片包含第一半导体材料，
所述第二纳米孔超晶格中的第二薄片包含第二半导体材料，并且
所述第一半导体材料与所述第二半导体材料相同。
52.如权利要求1-50中任一项所述的电气装置，其中
所述第一纳米孔超晶格中的第一薄片包含第一半导体材料，
所述第二纳米孔超晶格中的第二薄片包含第二半导体材料，并且
所述第一半导体材料不同于所述第二半导体材料。
53.如权利要求1-52中任一项所述的电气装置，其中所述第一纳米孔超晶格中的第一薄片为p掺杂的。
54.如权利要求1-52中任一项所述的电气装置，其中所述第一纳米孔超晶格中的第一薄片为n掺杂的。
55.如权利要求1-54中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的第一薄片为石墨烯纳米孔超晶格薄片。
56.如权利要求1-54中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的每个薄片为石墨烯纳米孔超晶格薄片。
57.如权利要求2-56中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的每个薄片和所述第二组多个薄片中的每个薄片为石墨烯纳米孔超晶格薄片。
58.如权利要求3或5中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片中的每个薄片、所述第二组多个薄片中的每个薄片和所述第三组多个薄片中的每个薄片为石墨烯纳米孔超晶格薄片。
59.如权利要求1-58中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片由介于1个与300个之间的石墨烯纳米孔超晶格薄片组成。
60.如权利要求1-58中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片由介于100个与300个之间的石墨烯纳米孔超晶格薄片组成。
61.如权利要求2-60中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片和所述第二组多个薄片具有相同的薄片数目。
62.如权利要求2-60中任一项所述的电气装置，其中所述第一组多个薄片和所述第二组多个薄片具有不同的薄片数目。
63.如权利要求4或5所述的电气装置，其中所述第一光学透明绝缘体由玻璃制成，并且具有介于1010与1014Ωm之间的电阻。
64.如权利要求1-63中任一项所述的电气装置，其中所述衬底包含Si、SiC、SiO2或SiC/Si。
65.如权利要求1-64中任一项所述的电气装置，其中
所述第一导线包含钛、铌、锌、铬、银或铝，并且
所述第二导线包含金、钴、钯、铜或铂。
66.如权利要求1-65中任一项所述的电气装置，其中
所述第一导线和所述第二导线与外部负载电通信，并且
所述电气装置为响应入射光产生电的光伏装置。
67.如权利要求66所述的电气装置，其中所述入射光为太阳辐射。
68.如权利要求66或67所述的电气装置，其中所述光伏装置响应所述入射光产生至少50W/m2的功率密度。
69.如权利要求1-65中任一项所述的电气装置，其中
所述第一导线和所述第二导线与外部电路电通信，并且
所述电气装置为响应入射光产生电流或电压的光检测器。
70.如权利要求69所述的电气装置，其中所述入射光为太阳辐射。
71.如权利要求69所述的电气装置，其中所述入射光包括介于10nm到100μm之间的波长。
72.如权利要求1-65中任一项所述的电气装置，其中
所述第一导线和所述第二导线与外部电流电通信，并且
所述电气装置为响应所述外部电流发射光的发光二极管。
73.如权利要求72所述的电气装置，其中所述光为白光。
74.如权利要求1-73中任一项所述的电气装置，其中所述载流子为电子。
75.如权利要求1-73中任一项所述的电气装置，其中所述载流子为空穴。
76.如权利要求1-75中任一项所述的电气装置，其中
所述第一金属保护涂层覆盖所述第一导线的表面的全部或一部分，
所述第一导线包含钛，
所述第二导线包含钯，并且
所述第一金属保护涂层包含金。
77.如权利要求1-76中任一项所述的电气装置，其进一步包括覆盖所述第二导线的暴露表面的全部或一部分的第二金属保护涂层。
78.一种多带隙装置，其包括：
(A)具有表面的衬底；
(B)多个堆叠，所述多个堆叠中的每个对应的堆叠由第一端、第二端和长度界定，所述多个堆叠纵向排列在所述衬底上，所述多个堆叠中的每个堆叠占据所述衬底的不同部分，其中所述多个堆叠中的每个对应的堆叠包含相应的多个纳米带，其中
(i)所述相应的多个纳米带中的第一纳米带由第一带隙或第一带隙范围表征，所述第一纳米带重叠在所述衬底上，
(ii)第一光学透明绝缘体重叠所述第一纳米带；并且
(iii)所述对应的多个纳米带中的第二纳米带由第二带隙表征，所述第二纳米带重叠所述第一绝缘体，其中所述第一带隙小于所述第二带隙；
(C)电接触所述多个堆叠中的每个堆叠的所述第一端的第一导线；
(D)电接触所述多个堆叠中的每个堆叠的所述第二端的第二导线；以及
(E)覆盖所述第一导线的表面的全部或一部分的第一金属保护涂层，其中所述多带隙装置是通过所述第一导线和所述第二导线的电控制来操作。
79.如权利要求78所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的第一纳米带的所述第一带隙具有与所述多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带不同的带隙。
80.如权利要求78所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的第一纳米带的所述第一带隙具有与所述多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带相同的带隙。
81.如权利要求78-80中任一项所述的多带隙装置，其中
所述多个堆叠中的所述第一纳米带的所述第一带隙由第一宽度、第一厚度、第一边缘状态、第一掺杂或其组合界定，并且
所述多个堆叠中的所述多个纳米带中的所述第二纳米带的所述第二带隙由第二宽度、第二厚度、第二边缘状态、第二掺杂或其组合界定。
82.如权利要求81所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带的所述第一宽度大于所述多个堆叠中的所述堆叠的所述第二纳米带的所述第二宽度。
83.如权利要求81所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的所述第一纳米带的所述第一宽度具有与所述多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带不同的宽度。
84.如权利要求81所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的所述第一纳米带的所述第一宽度具有与所述多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带相同的宽度。
85.如权利要求81所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的所述第一纳米带的所述第一厚度具有与所述多个堆叠中的第二堆叠的所述第一纳米带不同的厚度。
86.如权利要求81所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的所述第一纳米带的所述第一厚度具有与所述多个堆叠中的第二堆叠的所述第一纳米带相同的厚度。
87.如权利要求81所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的所述第一纳米带的所述第一边缘状态具有与所述多个堆叠中的第二堆叠的所述第一纳米带不同的边缘状态。
88.如权利要求81所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的所述第一纳米带的所述第一边缘状态具有与所述多个堆叠中的第二堆叠的所述第一纳米带相同的边缘状态。
89.如权利要求81所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的所述第一纳米带的所述第一掺杂具有与所述多个堆叠中的第二堆叠的第一纳米带不同的掺杂剂、不同的掺杂剂浓度或不同的掺杂剂分布。
90.如权利要求81所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的所述第一纳米带的所述第一掺杂具有与所述多个堆叠中的第二堆叠的所述第一纳米带相同的掺杂剂、相同的掺杂剂浓度或相同的掺杂剂分布。
91.如权利要求78-90中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠中的所述多个纳米带中的纳米带的数目不同于所述多个堆叠中的第二堆叠中的所述多个纳米带中的纳米带的数目。
92.如权利要求78-90中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠中的所述多个纳米带中的纳米带的数目与所述多个堆叠中的第二堆叠中的所述多个纳米带中的纳米带的数目相同。
93.如权利要求78-92中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的长度不同于所述多个堆叠中的第二堆叠的长度。
94.如权利要求78-92中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的长度与所述多个堆叠中的第二堆叠的长度相同。
95.如权利要求78-94中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的长度介于1μm与100μm之间。
96.如权利要求78-95中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的纳米带具有介于0.1eV与2.2eV之间的带隙。
97.如权利要求78-96中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带具有介于0.1eV与1.2eV之间的带隙，并且所述堆叠的所述第二纳米带具有介于0.8eV与1.9eV之间的带隙。
98.如权利要求78-96中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带具有介于0.5eV与1.5eV之间的带隙，并且所述堆叠的所述第二纳米带具有介于1.2eV与2.2eV之间的带隙。
99.如权利要求78-96中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带具有介于0.8eV与1.8eV之间的带隙，并且所述堆叠的所述第二纳米带具有介于1.5eV与2.2eV之间的带隙。
100.如权利要求78-99中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的纳米带具有介于1nm与60nm之间的宽度。
101.如权利要求78-99中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带具有介于20nm与50nm之间的宽度，并且所述堆叠的所述第二纳米带具有介于1nm到30nm之间的宽度。
102.如权利要求78-99中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带具有介于30nm与40nm之间的宽度，并且所述堆叠的所述第二纳米带具有介于10nm到20nm之间的宽度。
103.如权利要求78-99中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带具有介于5nm与20nm之间的宽度，并且所述堆叠的所述第二纳米带具有介于1nm到10nm之间的宽度。
104.如权利要求78-103中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠纵向平行排列。
105.如权利要求78-103中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠不平行于所述多个堆叠中的第二堆叠。
106.如权利要求78-105中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带具有不同于所述多个堆叠中的所述堆叠的所述第二纳米带的厚度。
107.如权利要求78-105中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带具有与所述多个堆叠中的所述堆叠的所述第二纳米带相同的厚度。
108.如权利要求78-107中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带由第一半导体材料制成并且所述多个堆叠中的所述堆叠的所述第二纳米带由第二半导体材料制成，其中所述第一半导体材料不同于所述第二半导体材料。
109.如权利要求78-107中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带由第一半导体材料制成并且所述多个堆叠中的所述堆叠的所述第二纳米带由第二半导体材料制成，其中所述第一半导体材料与所述第二半导体材料相同。
110.如权利要求78-109中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的每一者中的所述多个纳米带掺杂有N、P、F或Bi原子或分子。
111.如权利要求78-109中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带掺杂有第一掺杂剂并且所述多个堆叠中的所述堆叠的所述第二纳米带掺杂有第二掺杂剂，其中所述第一掺杂剂不同于所述第二掺杂剂。
112.如权利要求78-109中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带掺杂有第一掺杂剂并且所述多个堆叠中的所述堆叠的所述第二纳米带掺杂有第二掺杂剂，其中所述第一掺杂剂与所述第二掺杂剂相同。
113.如权利要求78-109中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带由第一掺杂剂浓度或第一掺杂剂梯度表征并且所述多个堆叠中的所述堆叠的所述第二纳米带由第二掺杂剂浓度或第二掺杂剂梯度表征，其中所述第一掺杂剂浓度不同于所述第二掺杂剂浓度或所述第一掺杂剂梯度不同于所述第二掺杂剂梯度。
114.如权利要求78-109中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带由第一掺杂剂浓度或第一掺杂剂梯度表征并且所述多个堆叠中的所述堆叠的所述第二纳米带由第二掺杂剂浓度或第二掺杂剂梯度表征，其中所述第一掺杂剂浓度与所述第二掺杂剂浓度相同或所述第一掺杂剂梯度与所述第二掺杂剂梯度相同。
115.如权利要求78-114中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带包含第一组多个石墨烯纳米带薄片。
116.如权利要求115所述的多带隙装置，其中所述第一组多个石墨烯纳米带薄片由介于1个与300个之间的石墨烯纳米带薄片组成。
117.如权利要求115所述的多带隙装置，其中所述第一组多个石墨烯纳米带薄片由介于100个与300个之间的石墨烯纳米带薄片组成。
118.如权利要求78-114中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带和所述第二纳米带各自由相同数目的石墨烯纳米带薄片组成。
119.如权利要求78-114中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠的所述第一纳米带具有与所述堆叠的所述第二纳米带不同数目的石墨烯纳米带薄片。
120.如权利要求78-119中任一项所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的堆叠进一步包括：
(iv)重叠所述第二纳米带的第二光学透明绝缘体，以及
(v)由第三带隙表征的第三纳米带，所述第三纳米带重叠所述第二绝缘体，其中所述第三带隙大于所述第二带隙。
121.如权利要求120所述的多带隙装置，其中所述堆叠的纳米带具有介于0.1eV与2.2eV之间的带隙。
122.如权利要求120所述的多带隙装置，其中
所述堆叠的所述第一纳米带具有介于0.1eV与1.1eV之间的带隙，
所述堆叠的所述第二纳米带具有介于0.7eV与1.5eV之间的带隙，并且
所述堆叠的所述第三纳米带具有介于1.5eV与2.1eV之间的带隙。
123.如权利要求120所述的多带隙装置，其中
所述堆叠的所述第一纳米带具有介于0.4eV与1.3eV之间的带隙，
所述堆叠的所述第二纳米带具有介于0.9eV与1.7eV之间的带隙，并且
所述堆叠的所述第三纳米带具有介于1.5eV与2.2eV之间的带隙。
124.如权利要求120所述的多带隙装置，其中
所述堆叠的所述第一纳米带具有介于0.6eV与1.5eV之间的带隙，
所述堆叠的所述第二纳米带具有介于1.2eV与2.1eV之间的带隙，并且
所述堆叠的所述第三纳米带具有介于1.6eV与2.2eV之间的带隙。
125.如权利要求120所述的多带隙装置，其中所述堆叠的纳米带具有介于1nm与60nm之间的宽度。
126.如权利要求120所述的多带隙装置，其中
所述堆叠的所述第一纳米带具有介于25nm与50nm之间的宽度，
所述堆叠的所述第二纳米带具有介于15nm到40nm之间的宽度，并且
所述堆叠的所述第三纳米带具有介于1nm到20nm之间的宽度。
127.如权利要求120所述的多带隙装置，其中
所述堆叠的所述第一纳米带具有介于35nm与45nm之间的宽度，
所述堆叠的所述第二纳米带具有介于20nm到30nm之间的宽度，并且
所述堆叠的所述第三纳米带具有介于5nm到15nm之间的宽度。
128.如权利要求120所述的多带隙装置，其进一步包括重叠所述多个堆叠中的每个堆叠的全部或一部分的抗反射层。
129.如权利要求128所述的多带隙装置，其中所述抗反射层包含SiO2和TiO2。
130.如权利要求78-129中任一项所述的多带隙装置，其中所述第一光学透明绝缘体具有大于所述多个堆叠中的堆叠的所述多个纳米带中的所述第二纳米带的所述第二带隙的带隙。
131.如权利要求78-130中任一项所述的多带隙装置，其中所述第一光学透明绝缘体由玻璃制成，并且具有介于1010与1014Ωm之间的电阻。
132.如权利要求78-131中任一项所述的多带隙装置，其中所述衬底包含Si、SiC、SiO2或SiC/Si。
133.如权利要求78-132中任一项所述的多带隙装置，其中介于所述第一导线与所述多个堆叠中的第一堆叠的所述第一端之间的第一结或介于所述第二导线与所述多个堆叠中的所述第一堆叠的第二端之间的第二结为肖特基势垒。
134.如权利要求133所述的多带隙装置，其中所述第一结包括：
介于(i)所述第一导线与(ii)所述第一堆叠的所述第一纳米带的第一端之间的第一子结，以及
介于(i)所述第一导线与(ii)所述第一堆叠的所述第二纳米带的第一端之间的第二子结；并且
所述第二结包括：
介于(i)所述第二导线与(ii)所述第一纳米带的第二端之间的第三子结，以及
介于(i)所述第二导线与(ii)所述第二纳米带的第二端之间的第四子结。
135.如权利要求133所述的多带隙装置，其中介于所述第一导线与所述多个堆叠中的第一堆叠的所述第一端之间的第一结为肖特基势垒，并且介于所述第二导线与所述多个堆叠中的所述第一堆叠的所述第二端之间的第二结不形成肖特基势垒。
136.如权利要求133所述的多带隙装置，其中
所述多个堆叠中的堆叠的所述多个纳米带中的每个纳米带包含多个石墨烯纳米带薄片，
所述第一导线包含钛、铌、锌、铬、银或铝，并且
所述第二导线包含金、钴、钯、铜和铂。
137.如权利要求133所述的多带隙装置，其中
所述第一导线和所述第二导线与外部负载电通信，并且
所述多带隙装置为响应入射光产生电的光伏装置。
138.如权利要求133所述的多带隙装置，其中
所述第一导线和所述第二导线与外部电路电通信，并且
所述多带隙装置为响应入射光产生电流或电压的光检测器。
139.如权利要求133所述的多带隙装置，其中所述第一导线和所述第二导线与外部电流电通信，并且所述多带隙装置为响应所述外部电流发射光的多带隙发光二极管。
140.如权利要求139所述的多带隙装置，其中所述多个堆叠中的第一堆叠的所述多个纳米带被配置成共同发射视觉上的白光。
141.如权利要求78-140中任一项所述的电气装置，其中所述载流子为空穴。
142.如权利要求78-140中任一项所述的电气装置，其中
所述第一导线包含钛；
所述第二导线包含钯；并且
所述第一金属保护涂层包含金。
143.如权利要求78-142中任一项所述的电气装置，其进一步包括覆盖所述第二导线的表面的全部或一部分的第二金属涂层。
144.一种多带隙装置，其包括：
(A)具有表面的衬底；以及
(B)多个集群，其中所述多个集群中的每个对应的集群占据所述衬底的不同部分，其中所述多个集群中的集群包括：
(i)多个堆叠，所述多个堆叠中的每个对应的堆叠由第一端、第二端和长度界定，所述多个堆叠纵向排列在所述衬底上，所述多个堆叠中的每个堆叠占据所述衬底的不同部分，其中所述多个堆叠中的每个对应的堆叠包括：
(a)重叠在所述衬底上并且由第一带隙表征的第一纳米带，
(b)重叠所述第一纳米带的第一光学透明绝缘体，以及
(c)由第二带隙表征的第二纳米带，所述第二纳米带重叠所述第一绝缘体，其中所述第一带隙小于所述第二带隙，
(ii)电接触所述多个堆叠中的每个堆叠的每个第一端的第一导线，
(iii)电接触所述多个堆叠中的每个堆叠的每个第二端的第二导线，其中所述多带隙装置是通过所述第一和第二导线的电控制来操作，以及
(iv)覆盖所述第一导线的表面的全部或一部分的第一金属保护涂层。
145.如权利要求144所述的多带隙装置，其中所述多个集群中的每个集群具有介于1μm到10mm之间的宽度和介于1μm到10mm之间的长度。
146.如权利要求144所述的多带隙装置，其中所述多个集群中的每个集群具有介于10μm到1mm之间的宽度和介于10μm到1mm之间的长度。
147.如权利要求144所述的多带隙装置，其中所述多个集群中的每个集群具有介于50μm到500μm之间的宽度和介于50μm到500μm之间的长度。
148.如权利要求144所述的多带隙装置，其中所述多个集群中的第一集群具有与所述多个集群中的第二集群不同的宽度或不同的长度。
149.如权利要求144所述的多带隙装置，其中所述多个集群中的第一集群具有与所述多个集群中的第二集群相同的宽度或相同的长度。
150.如权利要求144所述的多带隙装置，其中所述多带隙装置由介于106到1012个堆叠/cm2之间的堆叠密度表征。
151.如权利要求144所述的多带隙装置，其中所述多个集群中的第一集群与所述多个集群中的第二集群串联电通信。
152.如权利要求144所述的多带隙装置，其中所述多个集群中的第一集群与所述多个集群中的第二集群并联电通信。
153.如权利要求144所述的多带隙装置，其中所述多个集群中的第一集群与所述多个集群中的第二集群串联电通信并且与所述多个集群中的第三集群并联电通信。
154.如权利要求144所述的多带隙装置，其中所述多带隙装置为响应入射光产生电的光伏装置。
155.如权利要求144所述的多带隙装置，其中所述多带隙装置为响应入射光产生电流或电压的光检测器。
156.如权利要求144所述的多带隙装置，其中所述多带隙装置为响应外部电流发射光的发光二极管。
157.如权利要求154所述的多带隙装置，其中所述光伏装置产生至少50W/m2的功率密度。
158.如权利要求155所述的多带隙装置，其中所述光检测器响应具有介于10nm到100μm之间的波长带的所述入射光。
159.如权利要求156所述的多带隙装置，其中所述发光二极管发射白光。
160.如权利要求144-159中任一项所述的多带隙装置，其中
所述第一导线包含钛；
所述第二导线包含钯；并且
所述第一金属保护涂层包含金。
161.如权利要求144-160中任一项所述的多带隙装置，其进一步包括覆盖所述第二导线的表面的全部或一部分的第二金属保护涂层。
162.一种多带隙装置，其包括：
(A)具有表面的衬底；
(B)多个纳米带，每个纳米带由第一端、第二端和长度界定，所述多个纳米带纵向排列在所述衬底上，每个纳米带占据所述衬底的不同部分，所述多个纳米带包括：
(i)由第一带隙表征的第一纳米带，以及
(ii)由第二带隙表征的第二纳米带，其中所述第一带隙小于所述第二带隙；
C)与所述多个纳米带光通信的分光器，其中
所述分光器将入射光分成第一波长带和第二波长带，
所述第一波长带由至少一个大于所述第二波长带中的波长的波长表征，并且
所述分光器将所述第一光波长带引导到所述第一纳米带并且将所述第二波长带引导到所述第二纳米带；
(D)电接触所述多个纳米带中的每个纳米带的所述第一端的第一导线；
(E)电接触所述多个纳米带中的每个纳米带的所述第二端的第二导线；以及
(F)覆盖所述第一导线的表面的全部或一部分的第一金属保护涂层，其中所述多带隙装置是通过所述第一导线和所述第二导线的电控制来操作。
163.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述分光器被配置在所述多个纳米带上方。
164.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述分光器被放置远离所述多个纳米带。
165.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述分光器为棱镜。
166.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述多个纳米带中的纳米带具有介于0.1eV与2.2eV之间的带隙。
167.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一带隙介于0.1eV与1.2eV之间并且所述第二带隙介于0.8eV与1.9eV之间。
168.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一带隙介于0.5eV与1.5eV之间并且所述第二带隙介于1.2eV与2.2eV之间。
169.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一带隙介于0.8eV与1.8eV之间并且所述第二带隙介于1.5eV与2.2eV之间。
170.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一纳米带具有介于1nm与60nm之间的宽度。
171.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一纳米带具有介于1μm与100μm之间的长度。
172.如权利要求162所述的多带隙装置，其中
所述第一纳米带由第一宽度、第一厚度、第一边缘状态、第一掺杂或其任何组合表征，并且
所述第二带隙由第二宽度、第二厚度、第二边缘状态、第二掺杂或其任何组合表征。
173.如权利要求172所述的多带隙装置，其中所述第一宽度介于20nm与50nm之间，并且所述第二宽度介于1nm与30nm之间。
174.如权利要求172所述的多带隙装置，其中所述第一宽度介于30nm与40nm之间，并且所述第二宽度介于10nm与20nm之间。
175.如权利要求172所述的多带隙装置，其中所述第一长度不同于所述第二长度。
176.如权利要求172所述的多带隙装置，其中所述第一长度与所述第二长度相同。
177.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述多个纳米带中的纳米带包括介于1个与300个之间的石墨烯纳米带薄片。
178.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述多个纳米带中的纳米带包括介于100个与300个之间的石墨烯纳米带薄片。
179.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一纳米带包括与所述第二纳米带相同数目的石墨烯纳米带薄片。
180.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一纳米带包括与所述第二纳米带不同数目的石墨烯纳米带薄片。
181.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一纳米带的厚度不同于所述第二纳米带的厚度。
182.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一纳米带的厚度与所述第二纳米带的厚度相同。
183.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述多个纳米带纵向平行排列。
184.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一纳米带不平行于所述第二纳米带。
185.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一纳米带由第一半导体材料制成并且所述第二纳米带由第二半导体材料制成，其中所述第一半导体材料不同于所述第二半导体材料。
186.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一纳米带由第一半导体材料制成并且所述第二纳米带由第二半导体材料制成，其中所述第一半导体材料与所述第二半导体材料相同。
187.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一纳米带掺杂有第一掺杂剂并且所述第二纳米带掺杂有第二掺杂剂，其中所述第一掺杂剂不同于所述第二掺杂剂。
188.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述第一纳米带掺杂有第一掺杂剂并且所述第二纳米带掺杂有第二掺杂剂，其中所述第一掺杂剂与所述第二掺杂剂相同。
189.如权利要求162所述的多带隙装置，其中
所述第一纳米带由第一掺杂剂浓度或第一掺杂剂梯度表征，
所述第二纳米带由第二掺杂剂浓度或第二掺杂剂梯度表征，并且
所述第一掺杂剂浓度不同于所述第二掺杂剂浓度或所述第一掺杂剂梯度不同于所述第二掺杂剂梯度。
190.如权利要求162所述的多带隙装置，其中
所述第一纳米带由第一掺杂剂浓度或第一掺杂剂梯度表征，
所述第二纳米带由第二掺杂剂浓度或第二掺杂剂梯度表征，并且
所述第一掺杂剂浓度与所述第二掺杂剂浓度相同或所述第一掺杂剂梯度与所述第二掺杂剂梯度相同。
191.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述多个纳米带进一步包括(iii)由第三带隙表征的第三纳米带，其中所述第三带隙大于所述第二间隙，并且其中所述分光器将所述入射光分成所述第一波长带、所述第二波长带和第三波长带，所述第三波长带由至少一个小于所述第二波长带中的波长的波长表征，并且其中所述分光器将所述第三波长带引导到所述第三纳米带。
192.如权利要求191所述的多带隙装置，其中
所述第一纳米带具有介于0.1eV与1.1eV之间的带隙，
所述第二纳米带具有介于0.7eV与1.5eV之间的带隙，并且
所述第三纳米带具有介于1.5eV与2.1eV之间的带隙。
193.如权利要求191所述的多带隙装置，其中
所述第一纳米带具有介于0.4eV与1.3eV之间的带隙，
所述第二纳米带具有介于0.9eV与1.7eV之间的带隙，并且
所述第三纳米带具有介于1.5eV与2.2eV之间的带隙。
194.如权利要求191所述的多带隙装置，其中
所述第一纳米带具有介于0.6eV与1.5eV之间的带隙，
所述第二纳米带具有介于1.2eV与2.1eV之间的带隙，并且
所述第三纳米带具有介于1.6eV与2.2eV之间的带隙。
195.如权利要求191所述的多带隙装置，其中
所述第一纳米带具有介于25nm与50nm之间的宽度，
所述第二纳米带具有介于15nm到40nm之间的宽度，并且
所述第三纳米带具有介于1nm到20nm之间的宽度。
196.如权利要求191所述的多带隙装置，其中
所述第一纳米带具有介于30nm与45nm之间的宽度，
所述第二纳米带具有介于20nm到30nm之间的宽度，并且
所述第三纳米带具有介于5nm到15nm之间的宽度。
197.如权利要求162所述的多带隙装置，其进一步包括重叠所述多个纳米带中的每个纳米带的全部或一部分的抗反射层。
198.如权利要求162所述的多带隙装置，其中所述衬底包含Si、SiC、SiO2或SiC/Si。
199.如权利要求162所述的多带隙装置，其中介于所述第一导线与所述多个纳米带中的每个纳米带的所述第一端之间的结或介于所述第二导线与所述多个纳米带中的每个纳米带的所述第二端之间的结为肖特基势垒。
200.如权利要求162所述的多带隙装置，其中
介于所述第一导线与所述多个纳米带中的每个纳米带的所述第一端之间的结为关于载流子的肖特基势垒，并且
介于所述第二导线与所述多个纳米带中的每个纳米带的所述第二端之间的结不形成关于所述载流子的肖特基势垒。
201.如权利要求162所述的多带隙装置，其中
所述多个纳米带中的每个纳米带包括多个石墨烯纳米带薄片，
所述第一导线包含钛、铌、锌、铬、银或铝，并且
所述第二导线包含金、钴、钯、铜和铂。
202.如权利要求162所述的多带隙装置，其中
所述第一导线和所述第二导线与外部负载电通信，并且
所述多带隙装置为响应入射光产生电的光伏装置。
203.如权利要求162所述的多带隙装置，其中
所述第一导线和所述第二导线与外部电路电通信，并且
所述多带隙装置为响应入射光产生电流或电压的光检测器。
204.如权利要求162-203中任一项所述的多带隙装置，其中
所述第一导线包含钛；
所述第二导线包含钯；并且
所述第一金属保护涂层包含金。
205.如权利要求162-203中任一项所述的多带隙装置，其进一步包括覆盖所述第二导线的表面的全部或一部分的第二金属保护涂层。
206.一种多带隙装置，其包括：
(A)具有表面的衬底；
(B)多个纳米带，每个纳米带由第一端、第二端和长度界定，所述多个纳米带纵向排列在所述衬底上，所述多个纳米带中的每个纳米带占据所述衬底的不同部分，所述多个纳米带包括
(i)由第一带隙表征的第一纳米带，以及
(ii)由第二带隙表征的第二纳米带，其中所述第一带隙小于所述第二带隙；
(C)电接触所述多个纳米带中的每个纳米带的所述第一端的第一导线；
(D)电接触所述多个纳米带中的每个纳米带的所述第二端的第二导线，其中所述多带隙装置是通过所述第一导线和所述第二导线的电控制来操作；以及
(F)覆盖所述第一导线的表面的全部或一部分的第一金属保护涂层。
207.如权利要求206所述的多带隙装置，其中所述第一导线和所述第二导线与外部电流电通信，并且所述多带隙装置为响应所述外部电流发射光的多带隙发光二极管。
208.如权利要求206所述的多带隙装置，其中所述多个纳米带被配置成共同发射视觉上的白光。
209.如权利要求206-208中任一项所述的多带隙装置，其中
所述第一导线包含钛；
所述第二导线包含钯；并且
所述第一金属保护涂层包含金。
210.如权利要求206-208中任一项所述的多带隙装置，其进一步包括覆盖所述第二导线的表面的全部或一部分的第二金属保护涂层。
211.一种多带隙装置，其包括：
(A)具有表面的衬底；
(B)多个集群，所述多个集群经过排列，每个集群占据所述衬底的不同部分，其中所述多个集群中的每个对应的集群包括：
(i)多个纳米带，其中所述多个纳米带中的每个纳米带由带隙表征，所述多个纳米带中的所述纳米带关于彼此纵向排列，所述多个纳米带中的每个纳米带由第一端、第二端和长度界定，
(ii)电接触所述多个纳米带中的每个纳米带的所述第一端的第一导线，
(iii)电接触所述多个纳米带中的每个纳米带的所述第二端的第二导线，以及
(iv)覆盖所述第一导线的表面的全部或一部分的第一金属保护涂层；
(C)与所述多个集群光通信的分光器，其中所述分光器(i)将入射光分成第一波长带和第二波长带，所述第一波长带由至少一个大于所述第二波长带中的波长的波长表征，并且(ii)将所述第一光波长带引导到所述多个集群中的第一集群并且将所述第二波长带引导到所述多个集群中的第二集群；
其中所述多带隙装置是通过所述第一集群的所述第一和第二导线以及所述第二集群的所述第一和第二导线的电控制来操作。
212.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述第一集群中的所述多个纳米带中的每个纳米带具有第一带隙值，所述第二集群中的所述多个纳米带中的每个纳米带具有第二带隙值，其中所述第一带隙值大于所述第二带隙值。
213.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述第一集群中的所述多个纳米带中的每个纳米带的所述带隙相同，并且所述第一集群中的所述多个纳米带中的每个纳米带的宽度相同。
214.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述第一集群中的所述多个纳米带中的每个纳米带的所述带隙处于第一带隙范围内，所述第二集群中的所述多个纳米带中的每个纳米带的所述带隙处于第二带隙范围内，并且其中所述第一带隙范围中的第一带隙值大于所述第二带隙范围中的第二带隙值。
215.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述多个集群中的每个集群具有介于1μm到10mm之间的宽度和介于1μm与10mm之间的长度。
216.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述多个集群中的每个集群具有介于10μm与1mm之间的宽度和介于10μm与1mm之间的长度。
217.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述多个集群中的每个集群具有介于50μm到500μm之间的宽度和介于50μm到500μm之间的长度。
218.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述第一集群具有与所述第二集群不同的宽度或不同的长度。
219.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述第一集群具有与所述第二集群相同的宽度或相同的长度。
220.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述多个集群中的每个集群包括106到1012个纳米带/cm2。
221.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述第一集群与所述第二集群串联电通信。
222.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述第一集群与所述第二集群并联电通信。
223.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述第一集群与所述第二集群串联电通信并且与所述多个集群中的第三集群并联电通信。
224.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述多带隙装置为响应入射光产生电的光伏装置。
225.如权利要求211所述的多带隙装置，其中所述多带隙装置为响应入射光产生电流或电压的光检测器。
226.如权利要求224所述的多带隙装置，其中所述光伏装置产生至少50W/m2的功率密度。
227.如权利要求211-226中任一项所述的多带隙装置，其中
所述第一导线包含钛；
所述第二导线包含钯；并且
所述第一金属保护涂层包含金。
228.如权利要求211-227中任一项所述的多带隙装置，其进一步包括覆盖所述第二导线的表面的全部或一部分的第二金属保护涂层
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| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |