CN105981116B - 磁增强的能量存储系统及方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，系统包括：第一非磁性传导电极；第二非磁性传导电极；布置在第一电极和第二电极之间的电介质层，电介质层在第一电极和第二电极之间延伸；以及第一层和第二层，其包括多对离散磁铁的磁性耦合的配对，第一层和第二层由非磁性材料分离，其中至少第一层的磁铁能传导地连接到第一非磁性传导电极。

Description

磁增强的能量存储系统及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求在2013年10月01日提交的编号为61/885,242的美国临时申请的权益，通过引用将其整个地被并入本文。
技术领域
本公开内容大体上涉及存储设备，以及更特别地涉及磁增强的存储设备。
背景
对使用磁性材料作为它们构造部分的现有技术的电容器设备的回顾揭示了它们通常可以关于结构和功能分组为三种构造。该三种构造都共同地要求和定义至少一种磁性结构，该至少一种磁性结构接触地横跨整个设备，固有地产生磁通路以存在于每个现有技术设备的电容部分的外部，以及因此杂散于每个现有技术设备的电容部分。该杂散磁通对在设备内部的能量密度有不利的影响，以及该磁性结构的接触地横跨限制了磁场强度和/或现有技术的磁路被促使穿过相对长的通过高磁阻材料的路径，该高磁阻材料导致在设备的电容部分内存在大量磁场削弱的磁通量。该限制的场强和削弱的磁场随着由于相反极性耦合的距离增加而尺寸大小的增加呈指数地增长了。现有技术的三种通常的构造被描述和说明如下。参考图1A-1C，示出了包括电极12和14(例如，14A-14C)的磁性电容器结构10(例如，分别是10A、10B和10C)，其具有布置在电极12和14之间的电介质16。磁铁是正极和负极的电极板12和14，其中磁性电极中的至少一个12桥接电容器结构10的整个广阔区域以及将电介质层16夹在磁性电极12和14之间，以及另外的磁性电极14还可以横跨电容器结构10的整个广阔区域(例如，在图1C的结构10C中的电极14C)或者可选择地被分成连接的磁铁或者离散的磁性组件的部分，如在图1A-1B所示。
参考图2A-2B，示出了包括磁性电极22和非磁性电极24的磁性电容器结构20(例如，20A和20B)。在该示例的结构20中，仅电极板中的一个22是磁性的以及该磁性电极也桥接电容器结构20的表面的整个广阔区域，并且电介质层26被夹在磁性电极22和非磁性电极24之间。
图3示出了另一示例的磁性电容器结构30，该磁性电容器结构30包括磁性层32、非磁性电极34和36以及电介质38(夹在磁性层32和电极34之间)和电介质40(夹在磁性层32和电极36之间)。换言之，桥接电容器结构30的整个广阔区域的(非电极的)磁铁32并非正电极或负电极，并且夹在电介质层38和40之间，电介质层38和40反过来夹在非磁性电极板34和36之间。
根据所有这些类型的结构的分析，明显的是，所有这些现有技术(尤其关于整个广阔区域的磁性构造)存在共同具有的且固有限制性的属性，其在于是它们的磁路(路径)包括穿过电容器结构外部以及杂散于电容器结构的磁通，以及因此它们的杂散磁通对增强电介质或内部结构的电势电容是没有影响的。此外，如果磁性电极是关于磁极性平行的，或者磁性电极垂直于平面取向的磁极性，那么现有技术结构固有地不能放大地受益，因为随着它们的板面积大小的增加磁通量也因此返回到行进通过高磁阻材料的路径距离。在所有的现有技术结构中用于磁路行进的很长高磁阻距离导致在磁路内的磁场强度的显著降低。
再次参考现有技术结构，在所有现有技术中发现的自定义的结构被限制为具有固有的而不是在强磁场的外部影响下的电介质材料。横跨这些结构宽度的它们的磁性电极的特征没有产生穿过在电极之间的电介质的这些结构的磁通或者仅产生了穿过在电极之间的电介质的这些结构的少量的磁通，和/或具有穿过在电极之间的电介质以具有相对弱的场强的这样的磁通。
现有技术的电容器结构中的一些，设计为专门将磁性材料组件用作电极以便获得巨磁阻效应(GMR)，从而有利地降低隧穿电介质的来自带电电极的电流。GMR效应的这些现有技术设备的混合中的一些现有技术设备考虑到相对较薄的电介质层的有益使用以及因此考虑到相对于非GMR结构的传统电容器的几何等价性能的更小体积的电容器，以便提供了可保留电荷，因为GMR效应抑制了隧穿电流的发生。然而，这些现有技术的GMR效应产生的电容器结构并没有显著地增加电容器的电容或电容器的能量密度，因为这些现有技术GMR结构不提供电介质材料的增强的极化电势，由于这样的现有技术的磁性结构横跨了整个设备，因此它们的磁通路沿着在它们的电容器内偏离电介质和在电介质外部的路径。换言之，现有技术结构并没有得到在电容器能量密度上的显著增加。
下文是通过说明和与它们磁路的运行相匹配的叙述性解释以及与这些现有技术结构关联的固有缺陷对某些示例的现有技术结构的分析，这些缺陷成为抑制这些现有技术设备达到在能量密度上显著增益的原因。参考图4，示出了示例的现有技术磁性电容器结构40的三维透视图，该现有技术磁性电容器结构40由具有在一个方向上水平平面的偶极子取向的磁性材料制成的上板42、由具有在相同方向(即，平行磁性)上的平面的偶极子取向的磁性材料制成的底板44，与夹在上板42和底板44磁性层之间的电介质层46组成。上部42磁性层和底部44磁性层是相反电极性的电极(例如，正极/负极)。在该图示中，磁性电极板42、44之间的垂直距离比横跨磁性电极板的水平距离相对要短。结构的电容与电极间的距离成反比，然而电容随着电极增加的表面积而增加，以及因此相对板尺寸而言电极间的垂直距离通常保持很小。
利用上部电极板相对于底部电极板的平行磁偶极子取向，如在图4中所示，许多尽管不是大多数的磁通将沿着首先在平面上从偶极子的尖端发出而后从一个磁性电极的相反极性的偶极子端部朝向在水平方向上的相同磁性电极的另一相反的偶极子端部弯曲的弧形磁路，其中大多数磁通横穿上部电极的上部或者横穿底部电极的底部，因为通过在磁性电极之间的电介质层的路径关于密度电势是冲突和受约束的，这是由于磁通线不能够穿过彼此以及最简单的非冲突路径在结构外部。因此，众多的磁通路将完全地杂散于该结构以及磁通将被促使在夹在该两个电极之间的电介质层的外部行进，并且该磁通路还将杂散于穿过电介质层的电场行进，该电场是从一个电极到另外电极正交对齐的。此外，如在与图5有关的下文所述，因为磁通的磁路需要等于电极板宽度距离的返回路径，所以磁场强度相比于在反平行磁性电极配置的相反偶极子端部之间的更短垂直距离的场强是显著减弱的。因此，利用电极的平行磁偶极子取向，大多数的磁通完全地杂散于电容器以及还显示出相对弱的磁场影响，这两者都是关于在电容器内实现磁增强能量密度的不期望的特征。此外，如果磁性电极板的尺寸大小被增加以试图提供固有的更大的总能量存储容量，那么在磁铁的偶极子端部之间穿过高磁阻介质行进的磁路将在长度上增加且磁场强度将因此随着增加的距离以指数方式减少。虽然保持磁场强度的影响，但是这些现有技术磁性电极结构并不能够扩大到更大的尺寸。
图5示出了示例的现有技术磁性电容器结构50的三维透视图，该现有技术磁性电容器结构50由具有在一个方向上水平平面的偶极子取向的磁性材料制成的上板52、具有与上板相反方向上(即，反平行磁性)的水平平面的偶极子取向的磁性材料制成的底板54以及夹在上部磁性层52和底部磁性层54之间的电介质层56构成。上部磁性层52和底部磁性层54是相反电极性的电极(例如，正极/负极)。在该图示中，磁性电极板52和54之间的垂直距离比横跨磁性电极板的水平距离相对要短。结构的电容与电极间的距离成反比，然而电容随着电极增加的表面积而增加，因此相对板尺寸而言电极间的该垂直距离通常保持很小。
如在图5中所示的，利用上部电极板相对于底部电极板的反平行磁偶极子取向，许多尽管不是大多数的磁通将沿着首先在平面上从偶极子的尖端发出而后从一个磁性电极的相反极性的偶极子端部朝向在垂直方向的另外磁性电极的另外相反极性的偶极子端部弯曲。因此，众多的磁通路将沿着杂散于该结构的路径，也就是说，磁通将被促使在夹在两个电极之间的电介质层的外部行进，并且该磁通路还将杂散于穿过电介质层的电场行进，该电场是自一个电极到另外电极正交对齐的。因此，这些现有技术结构不允许与电场影响相结合工作的磁场的有益影响来实现有意义的磁增强的电容效应。
现在参考图6A和6B，示出了示例的现有技术结构60(例如，60A和60B)的侧立面示意图，该现有技术结构60由具有在一个方向上水平平面的偶极子取向的磁性材料制成的上板62、具有在相同方向上(即，图6A中的平行磁性)和可选地在相反方向(即，图6B中的反平行磁性)上平面的偶极子取向的离散磁性材料制成的底部电极64(例如，图6A的64A以及图6B的64B)以及夹在上部62和底部64磁铁间的电介质层66构成。上部62和底部64磁性层是相反电极性的电极(例如，正极/负极)。在该图示中，在磁性电极板62和64之间的垂直距离比横跨磁性电极板的水平距离相对要短。结构的电容与电极间的距离成反比，然而电容随着电极增加的表面积而增加，因此相对于板尺寸而言电极间的该垂直距离通常保持很小。
虽然在图6A和6B中示出的底部磁铁64是离散的，但是由于离散的磁铁是以串行的方式链接的，因此它们的磁性耦合产生了与单个板可比较的磁通路。因此，对两个现有技术讨论(图4-5)的说明大多数情况下适用于这些结构。
利用上部电极板62相对于底部电极板64的平行磁偶极子取向(图6A)，许多尽管不是大多数磁通将沿着首先在平面上从偶极子的尖端发出而后从一个磁性电极的相反极性的偶极子端部朝向在水平方向上的相同磁性电极的另外相反的偶极子端部弯曲的弧形磁路，其中大多数磁通穿过上部电极62的上部或者穿过下部电极64的下部，因为通过在磁性电极62、64之间的电介质层66的路径相对于密度电势而言是冲突的和受约束的，因为磁通线不能够穿过彼此以及最简单的非冲突路径在结构60的外部。因此，众多的磁通路将完全地杂散于结构60以及磁通将被促使在被夹在两个电极64、62之间的电介质层66的外部行进，并且该磁通路还将杂散于穿过电介质层66的电场行进，该电场是自一个电极到另外电极正交对齐的。在离散磁铁空隙间的磁通将具有相对小的磁场强度的弱化，因为距离相对要短，然而，由于上部磁铁的磁通的磁路以及底部电极的外部磁铁的磁通返回路径需要与电极板的宽度距离相等的返回路径，因此磁场强度相比在反平行磁性电极配置的相反偶极子端部之间的短得多的垂直距离的磁场强度是显著减弱的。因此，利用电极的平行磁偶极子取向，大多数的磁通完全地杂散于电容器以及还显示出相对弱的磁场影响，这两者对在电容器内实现磁增强能量密度都是不期望的特征。此外，如果磁性电极板的尺寸大小增加以试图提供固有的更大的总能量存储容量，那么穿过在上部磁铁的偶极子端部和底部电极的外部磁铁之间的高磁阻介质行进的磁路将在长度上增加以及磁场强度将因此随着增加的距离以指数方式减少。因此，虽然保持磁场强度的影响，该磁性电极结构并没有很好地适于扩大到更大的尺寸。
利用上部电极板相对于底部电极板的反平行磁偶极子取向(图6B)，许多尽管不是大部分的磁通将沿着首先在平面上从偶极子的尖端发出而后自一个磁性电极62的相反极性偶极子的端部朝向在垂直方向的另外磁性电极64的另外相反偶极子的端部弯曲的弧形磁路。因此众多的磁通路将沿着杂散于该结构60的路径，也就是说，该磁通将被促使在被夹在两个电极62、64之间的电介质层66的外部行进，并且该磁通路还将杂散于穿过电介质层66的电场行进，该电场是自一个电极到另外电极正交对齐的。在离散磁铁的偶极子端部之间桥接的磁通同样地位于电极间的电场的外部。因此，该现有技术结构不允许与电场影响相结合工作的磁场的有益影响来实现有意义的磁增强的电容效应。
在图7A-7B中的两个图示分别提供了示例的现有技术结构70的有代表性的侧立面示意图和透视示意图，该现有技术结构70由具有垂直于上板72的平面的且对置于但平行于由磁性材料制成的底板74的平面的垂直各向异性的偶极子取向的磁性材料制成的上板72以及夹在上部和底部磁性层72、74之间的电介质层76构成。上部72和底部74磁性层是相反电极性的电极(例如，正极/负极)。在这些图示中磁性电极板72、74之间的垂直距离比横跨该磁性电极板的水平距离相对要短。结构70的电容与电极72、74间的距离成反比，然而电容随着电极增加的表面积而增加，因此相对于板尺寸的平面而言电极间的该垂直距离通常保持很小。
利用上部72电极板相对于底部74电极板的相反磁偶极子取向，磁通将垂直于电极的平面穿过且横跨夹在磁性电极间的电介质材料76。但是磁通还将被促使沿着将沿着一弧形的磁性路径的磁路，该磁性路径自上部磁性电极板72的上部发出完全地在电容器结构的外部围绕底部电极74的相反的偶极子底部表面，该外部弧形路径随着磁性电极板的尺寸变大而变长。此外，该很长的磁通外部弧形磁路相对于磁场强度显著减弱。因此，对于保持磁增强的电容效应这样的结构将不扩大为更大的尺寸。
参考图8，示出了示例的现有技术磁性电容器结构80的三维透视图，该示例的现有技术磁性电容器结构80由具有在平面的偶极子取向的磁性材料制成的上板82和由非磁性材料制成的底板84与夹在上部磁性电极层82和底部非磁性电极层84之间的电介质层86一起构成。单个磁性电极82的磁通将被促使沿着将沿着双弧形状的磁路的磁路，该双弧形状的磁路自上部磁性电极板82的北极发出，其中一个弧形路径跨越在上部磁性电极板82上部，完全在电容器结构80的外部且因此杂散于电容器结构80，而另一个弧形路径跨越穿过电介质材料86和/或非磁性电极84，朝向上部磁性电极82的相反偶极子，这两个弧形形状的磁路路径随着磁性电极板82尺寸的变大而变长。此外，该很长的磁通弧形磁路相对于磁场强度显著减弱。因此，该结构对于产生关于电容器的强的磁影响具有两个固有的缺陷：削弱磁场强度以及对降低磁通密度的杂散于电容器的磁通减半。
图9示出了示例的现有技术磁性电容器结构90的三维透视图，现有技术磁性电容器结构90由非磁性导体材料制成的上板92和具有非磁性导体材料的底板94构成。同样存在具有在平面上的偶极子取向的磁性板96和电介质层，该磁性板96横跨电容器结构90的整个尺寸，该电介质层夹在上部和底部非磁性导电板92和94以及磁性板96之间。该电介质层电隔离磁性板96。单个磁性板96的磁通将被促使沿着将沿着双弧形状的磁路的磁路，该双弧形状的磁路自夹磁板96的北极发出，其中一个弧形路径跨越在上部磁性板的上部，而另一个弧形路径跨越在磁性板的底部，其中该磁通穿过电介质材料和/或非磁性电极、或在电容器结构外部和杂散于电容器结构，朝向磁性板的相反偶极子。通过高磁阻材料的弧形形状的磁路路径随着磁性电极板尺寸变大而变长。该很长磁通弧形磁路相对于磁场强度是显著减弱的。因此，该结构对于产生关于电容器的强磁影响具有至少两个固有的缺陷，如磁通路径将不能很好地将电容器结构的尺寸扩大到更大和其中磁通密度在偶极子端部附近为最大的弧形磁通返回路径将极大地杂散于电容器结构，尤其是在电容器的两个非磁性导体板端子之间的垂直尺寸高度保持很小时。
发明内容
本发明的实施方式涉及以下方面：
(1)一种系统，包括：
第一非磁性传导电极；
第二非磁性传导电极；
电介质层，所述电介质层被布置在所述第一电极和所述第二电极之间，所述电介质层在所述第一电极和所述第二电极之间延伸；以及
第一层和第二层，所述第一层和所述第二层包括多对离散磁铁的磁性耦合配对，所述第一层和所述第二层由非磁性材料分离，其中至少所述第一层的所述磁铁传导地连接到所述第一非磁性传导电极。
(2)根据(1)所述的系统，其中所述第一层和所述第二层完全地嵌入所述电介质层。
(3)根据(1)所述的系统，其中所述第一层或者所述第二层分别完全地嵌入所述第一非磁性传导电极或所述第二非磁性传导电极，而另一个层完全地嵌入所述电介质层。
(4)根据(1)所述的系统，其中所述第一层或所述第二层分别完全地嵌入所述第一非磁性传导电极或所述第二非磁性传导电极，而另一个层完全地嵌入另一个非磁性传导电极。
(5)根据(1)所述的系统，其中所述第一层或所述第二层分别完全地嵌入所述第一非磁性传导电极或第二非磁性传导电极，而另一个层完全地嵌入所述电介质层和另一个非磁性传导电极两者。
(6)根据(1)所述的系统，其中所述第一层完全地嵌入所述电介质层和所述第一非磁性传导电极两者而所述第二层完全地嵌入所述电介质层和所述第二非磁性传导电极两者。
(7)根据(1)所述的系统，其中所述第二层的磁铁还传导地连接到所述第一非磁性传导电极，其中所述第一层和所述第二层的磁铁与所述第二非磁性传导电极电解耦。
(8)根据(1)所述的系统，其中针对多对中的每对，在所述第一层中的配对的一个磁铁提供了相对在所述第二层中的配对的另外的磁铁的反平行偶极子取向。
(9)根据(1)所述的系统，其中分离所述第一层和所述第二层的所述非磁性材料包括电介质材料或传导材料中的一个。
(10)根据(1)所述的系统，其中分离所述第一层和所述第二层的所述非磁性材料包括反铁磁性的材料。
(11)根据(1)所述的系统，其中所述磁铁中的一个或多个包括具有较宽的中间部分和较窄的端部分的几何形状。
(12)根据(1)所述的系统，其中所有的磁铁全都包括相同的、一致的配置，其中所述配置包括几何结构、组分或尺寸中的一个或组合。
(13)根据(1)所述的系统，其中第一层的所述磁铁或所述离散磁铁的配对具有与第二层的所述磁铁或所述离散磁铁的配对的配置不同的配置，其中所述配置包括几何结构、组分或尺寸中的一个或组合。
(14)根据(1)所述的系统，其中所述离散磁铁的至少第一对中的所述磁铁包括铁磁材料、反铁磁材料或铁磁材料和反铁磁材料两者的组合。
(15)根据(1)所述的系统，其中磁通场完全地或主要地存在于由所述第一非磁性传导电极和所述第二非磁性传导电极跨越以及在所述第一非磁性传导电极和第二非磁性传导电极之间的空间体积间。
(16)根据(1)所述的系统，还包括第三层和第四层，所述第三层和所述第四层包括多对离散磁铁的磁性耦合配对，所述第三层和所述第四层由非磁性材料分离，所述第三层和所述第四层的全部或部分布置在所述第二非磁性传导电极和所述第一非磁性传导电极之间。
(17)一种方法，包括：
为多层偶极子配对的磁性材料提供各向异性；
将所述磁性材料图案化为一种或多种几何形状；
在所述多层之间布置电介质层；以及
布置非磁性的相反极性的导电电极，其中所述磁性材料布置在所述非磁性传导电极之间或在所述非磁性传导电极内。
(18)根据(17)所述的方法，其中提供各向异性包括在磁场影响下的同时沉积所述磁性材料，其中第一层在所述磁场的一个方向的影响下被沉积而第二层在所述磁场的相反方向的影响下被沉积。
(19)根据(17)所述的方法，其中提供各向异性包括在磁场的影响下使所述磁性材料经受制造后退火或者在第一对在磁性退火期间被促使达到共同的磁性一致之后使该对中的磁铁经受足够的磁场强度以矫磁该对中的另一个磁铁。
(20)一种系统，包括：
对置表面的至少两个可充电的、导体结构，所述导体结构由电介质层分离以及所述导体结构配置为具有相反的电极性，所述对置表面导体结构具有是复合结构的至少一个所述对置表面导体结构，所述复合结构包括包含与一对磁耦合的、离散的磁化磁性材料元件中的至少一个元件导电地接触的非磁性传导材料的组成材料；以及
所述离散的磁化的磁性材料元件的配置，所述离散的磁化的磁性材料元件的配置包含由所述导体结构以及所述离散的磁化磁性材料元件形成的磁通路的磁通的、穿过所述系统的所述电介质和所述非磁性传导材料的部分，所述磁通的所述部分完全地或主要地存在于由所述系统的所述对置的导体结构跨越和在所述系统的所述对置的导体结构之间的空间体积的限制内。
(21)一种系统，包括：
至少两个非磁性的可充电的、对置的导体结构，每个能够连接到端子以能够提供相反的电极性，在所述对置的导体结构之间或内存在至少两层的磁性材料，磁性材料的每个单独的层具有选择性的磁偶极子取向的磁场取向，使得交替的磁场极性能够选择性地存在于磁性材料的层间，
所述磁性材料的层，其被图案化为各个离散的磁性几何形状，所述各个离散的磁性几何形状在平面上通过非磁性填充材料彼此进行分离，使得所述磁性几何形状的所述磁性材料不连接到在平面上的任何其他毗邻的磁性几何形状，
各个磁性几何形状的所述层中的至少一层，其具有电连接到可充电的、对置的导体结构中的一个导体结构，
电介质层，所述电介质层插入在所述可充电的、对置的导体结构之间，
具有固有的磁通路的所述磁化的磁性几何形状，所述固有的磁通路完全地或主要地包含在所述对置的导体结构之间的由所述对置的导体结构形成的空间体积内。
附图说明
参考以下附图可以更好地理解本公开的许多方面。在附图中的部件不一定是按比例的，而强调的是被布置来清楚地说明本公开的原理。此外，在附图中，贯穿几个视图，相似的参考数字表示相应的部分。
图1A-1C是示出了示例的现有技术磁性电容器结构的示意图。
图2A-2B是示出了另一示例的现有技术磁性电容器结构的示意图。
图3是示出了另一示例的现有技术磁性电容器结构的示意图。
图4是示出了包括上部和底部平行磁性电极板的示例的现有技术磁性电容器结构的示意图。
图5是示出了包括上部和底部反平行磁性电极(图8)的示例的现有技术磁性电容器结构的示意图。
图6A-6B是示出了具有上部磁板电极以及在平行和反平行偶极子取向上作为底部电极的离散电磁铁的示例的现有技术磁性电容器结构的示意图。
图7A-7B是示出了包括上部和底部(垂直于平面的偶极子取向)磁性电极板的示例的现有技术磁性电容器结构的示意图。
图8是示出了包括单个磁性电极板和非磁性导电板的示例的现有技术磁性电容器结构的示意图。
图9是示出了包括两个非磁性电极板和具有单个磁性层的电介质夹层的示例的现有技术磁性电容器结构的示意图。
图10A-10B是示例的矢量模型的示意图，其中上图对应于弱外部磁场的情况，而下图对应于强外部磁场的情况。
图11A-11C是示出了示例的磁增强能量存储(MEES)设备的实施例的示意图。
图12A-12B是示出了包括部分地嵌入它们各自导体电极板的离散磁铁的示例MEES设备的实施例的示意图。
图13是示出了用于在图11A-11C中示出的MEES设备的示例层叠的实施例的示意图。
图14A-14C是示出了示例MEES设备的实施例的示意图。
图15A-15B是示出了包括一种类型的磁铁封装的示例MEES设备的实施例的示意图。
图16A-16B是示出了包括另一种类型的磁铁封装的示例MEES设备的实施例的示意图。
图17是示出了用于在图14A-14C中示出的MEES设备的示例层叠的实施例的示意图。
图18是示出了用于示例的MEES设备的实施例的示例配置的示意图。
图19A-19D是示出了包括具有用于耦合磁铁的方式的不同配置的离散磁铁的示例MEES设备的实施例的示意图。
图20A-20C是以不同视角示出了示例MEES设备的实施例的磁性结构的示例阵列的示意图。
图21是示出了用于操作MEES设备的示例电路的实施例的示意图。
图22是示出了示例MEES方法的实施例的流程图。
具体实施方式
概述
在一个实施例中，系统包括：第一非磁性导体电极；第二非磁性导体电极；布置在第一电极和第二电极之间的电介质层，电介质层在第一电极和第二电极之间延伸；以及包括多对离散磁铁的磁性耦合配对的第一层和第二层，第一层和第二层由非磁性材料分离，其中至少第一层磁铁传导地连接到第一非磁性传导电极。
详细描述
在不受关于影响的原因或影响起源的任何理论的约束或限制的情况下，公开了包括磁增强的能量存储(MEES)系统、设备和方法的发明的特定实施例，这些特定的实施例利用物理效应的组合以实现电容器的能量密度的增长，这些特定的实施例利用了包括下列中的一项或多项操作中的基本原理：(a)电介质单独地以及独立地作用于电场的外部影响和磁场的外部影响，其中该电介质结合这样的外部场力影响作用；以及(b)此外，强磁力对存储电容器的电子电荷的电极的影响还可以极大地增加在电极和电介质界面上的电子轨道状态的密度以及因此提供在该电极上的电子(例如，增加的电荷)的增强的占有率。因此在MEES系统和方法的特定实施例中的电场力和磁场力外来影响的结合应用下，电容器的电极和电介质可以被促使关于使具有显著更大的能量存储密度的容量的有益影响，且该密度可根据超巨量子电容来限定。
对于在下文描述中将变得清晰的原因，与上文描述的现有技术结构相比，MEES系统的特定实施例保持了在电容器结构内所有的或基本上所有的有益的磁通量，以便有助于磁通量影响在电子轨道的能级，从而在MEES系统(例如，MEES设备)的内部提供能量密度的有益的增强。此外，或可选地，MEES系统的特定实施例提供了关于增加本公开的磁增强能量储存设备的尺寸大小，而同时避免了大幅降低磁场强度，从而在实现特别的能量密度方面提供了能量储存设备的功能扩展性的准备。
简要的题外话，电介质是具有被所施加的电场“极化”的特质的绝缘体。由于电介质的极化，在原子(或整个分子)中的正电荷朝向场迁移以及负电荷以远离场的相反方向移动。在原子级别上电子的自旋耦合相互作用可以移动以便通过与电场力对齐而使它们的轨道变更。电介质的这种极化反过来创造内部电场，该内部电场降低了在电介质自身内部的以及电容器的电极之间的跨度上的整体电场。极化的程度用称之为电介质常数的数字来表示。外电场力的这种极化/自旋轨道的相互作用效应的表现形式被称为斯塔克效应。根据量子理论，在电子轨道上的电场力效应将主量子数n的每个能级分为2n-1个与电场强度成比例的分离的等间距等级。
斯塔克效应(Stark Effect)的类似效应是塞曼效应(Zeeman Effect)(或帕邢-巴克效应(Paschen-Back Effect))，借此在施加的磁场存在的情况下，原子的能级被分裂。如果磁场足够弱，那么相比在未扰动等级间的能量差异分裂很小以及该分裂被称为塞曼效应。在弱磁场的情形下，在图10A中示出的矢量模型100A暗示了轨道的角动量L到自旋角动量S的耦合比它们到外磁场B的耦合更强。在自旋轨道耦合占优势的情形中，它们可以被视为结合以形成总角动量J，该总角动量J随后绕着磁场方向进动(precess)。L和S不是单独守恒的，仅总角动量J＝L+S是守恒的，该总角动量J由箭头所指示，该箭头形成了围绕磁场为中心形成的巨大进动圆锥的边缘。该自旋和轨道的角动量矢量可以认为是围绕该(固定的)总角动量矢量J的进动。换言之，根据图10A，明显的是两个独立的进动动量圆锥结合变成被扭曲以调整至磁场(B)的一个圆锥，其中L和S圆锥终止以及J圆锥产生。该(时间)“平均的”自旋矢量随后将自旋射影到J的方向上。然而如由图10B中的模型100B所示，帕邢-巴克效应发生在强磁场情形中，由此S和L更强地耦合到外部磁场而不是耦合到彼此，以及S和L可以被视为围绕外部磁场方向独立地进动。该效应是塞曼效应的强磁场限制。
由于外部磁场的影响，磁场量子数决定了原子轨道的能量转移，因此其名字为磁场量子数(例如，塞曼效应)。然而，在原子轨道中的电子的实际的磁偶极矩不仅从电子角动量中，而且从以自旋量子数表示的电子自旋中得到。在原子物理学中，磁量子数是量子数集合中的第三个(主量子数、角量子数、磁量子数以及自旋量子数)，磁量子数描述了电子独特的量子态以及由字母m来指示。磁量子数指示了适于在子外壳内的能级。
存在与原子能量态相关联的量子数的集合。四个量子数n、m和s详细说明了在称为原子波动函数或原子轨道的原子中单个电子的完全的以及独特的量子态。薛定谔方程的波动函数减少至三个方程，当解开了该三个方程时，产生第一次的三个量子数。因此，用于第一次的三个量子数的方程都是相关的。磁量子数出现在波动方程的角部分的解中。
与量子态相关联的该磁量子数由m指示。该磁量子数m不精确地指的是角动量矢量的方向。该磁量子数m不影响电子的能量，但其影响电子云。假定特定的m可以是从到之间的任何整数。更确切地说，对于指定的轨道动量的量子数(代表与角动量相关联的角量子数)而言，存在从到变化的个整数磁量子数m，其限制了沿着量子轴向的总角动量的小数部分使得它们限制为值m。该现象称为空间量化。由于每个电子轨道具有在磁场中的磁矩，该电子轨道将受到扭矩影响，该扭矩倾向于使矢量L平行于磁场。在磁场中电子轨道的进动称为拉莫尔进动(Larmor precession)。
为了描述磁量子数m，一个方程以原子的电子角度动量L作为开始，该方程通过如下方程与其量子数相关：
其中，是约化普朗克常数(reduced Planck constant)。任何波的能量都是频率乘以普朗克常数。这促使波显示为称为量子的能量的类似粒子的包。为了显示在量子状态下的量子数中的每个，用于每个量子数的公式包括仅允许特定或离散或量子化的能级的普朗克约化常数。
为了显示仅允许角动量的特定离散量，必须是整数。量子数m指的是用于任何指定方向的角动量的射影，通常称为z方向。Lz是在z方向上角动量的分量，其由公式提供：
表示用于磁量子数的公式的另一种方法是特征值，
在电容器中存储的能量计算为：
E＝1/2C V2，
其中，E是能量，C是电容以及V是电压。
如果导体的几何形状以及在导体间的绝缘体的电介质属性是已知的，那么电容可以被计算出。例如，由距离d分离的面积都为A的两个平行板构造的平行板电容器的电容近似等于如下：
其中C是电容；A是两个板之间的重叠的面积；εr是两板(针对真空，εr＝1)间材料的相对介电常数(有时也称为电介质常数)；ε0是真空的介电常数(ε0≈8.854×10-12F m–1)；以及d是板间的间隔。
电容与重叠的面积成正比以及与导电片间的间距成反比。这些片越彼此靠近，电容越大。方程式是很好的近似，如果d相比板的其他尺寸很小，因此在电容中的场在其大部分区域上是均匀的，并且围绕外围的所谓的边缘场提供了很小的贡献。
已经描述了包括在MEES系统的特定实施例的某些物理机制，下文的描述是针对现有技术结构和磁增强能量存储设备、或通常MEES系统的示例结构的一个或多个实施例之间的几个差异。通常，MEES系统的特定实施例有别于所有现有技术，因为磁材料不接触地横跨整个设备宽度(其中在现有技术中的至少一个磁铁层横跨整个设备)。替代的是，当通过最小化相反的极的距离以及产生在能量密度上非预期的特别的增长方式来保持磁场强度时(不管整个设备的尺寸大小)，磁性材料被图案化为被配置为放大磁通强度的离散磁性结构。
MEES系统的特定实施例的磁增强能量存储设备有别于现有技术的一个原因是因为磁路被设计为被完全地包围在设备的电场内以便提供磁场和电场为了非预期的、协作的效果而彼此结合来工作，并且这样磁路的包含提供了在能量密度效益上的产生的意料外的超巨大增益。MEES系统和方法使用了明显不同的结构设计，该结构设计被证明触发了超巨磁性电容效应(sCMC)，该独特的结合的效应获得了远超过由复合结构中的单个组件将所期望的显著增强的能量储存密度。sCMC效应是尤其显著和意外地，考虑到当使用SiO2作为电介质材料时，该材料并不知晓具有诸如稀土锰氧化物或者例如CuCaTiO3的磁电容的属性，该效应可以发生。此外SiO2是基于可比的基数上的相当低的介电常数的材料，其具有3.9的K值，还有对MEES系统的实施例的结构进行测试利用SiO2已经产生了从25000变化到超过70000倍的非磁性增强结构的值的电容值。MEES系统的特定实施例提供了得到在储能密度上未预料到的和特别的巨大增益的复合结构。
已经总结了本公开的MEES系统的特定特征，现在将更具体地参考如在附图中示出的本公开的描述。当结合这些附图描述本公开时，不旨在将本公开局限于本文公开的一个实施例或多个实施例。例如，具有上部和下部磁铁的反平行偶极子取向的MEES系统主要聚焦在随后的说明中，在该说明中可以理解为在某些实施例中，平行偶极子取向可以被部署。另外，尽管本说明指的是上部和下部结构的示例，但其不意味着本结构的取向属于垂直关系，以及具有相同或类似结构的其他取向被认为在本公开的范围内。此外，尽管本说明还识别或描述了一个或多个实施例的详情，但这些详情不一定是每个实施例的部分，也不一定是与单个实施例或所有实施例相关联的所有不同的阐述的优点。与之相比，旨在覆盖所有包括在如由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的可选的、修改或者等价物。此外，应当理解的是在本公开的上下文中要求不一定局限于在说明书中阐述的特定实施例。应当注意到在随后的附图中，磁通的示例是出于演示的目的，以及磁通的数量或程度除了自附图中的理解以外可以具有大量的可考虑的密度和/或强度。
在图11A中的图示示出了磁增强能量储存(MEES)设备110的实施例的三维、剖面的、透视示意图(以及图11B和11C分别示出了侧视和顶视示意图)。如在图11A-11C示出的，MEES设备结构110(例如，110A、110B和110C)的一个实施例包括基底112(例如，硅晶圆、玻璃块等等)、布置在基底112上以使MEES与基底在传导性上绝缘的可选的电介质/绝缘层114、布置在层114上的非磁性传导电极层116(例如，铝、铜等等)、传导地附加在下部导电的、电极层116上的离散磁铁120(下部)图案、封装下部磁铁120和上部磁铁124的偶极子端部以及继续作为在离散磁铁120和124之间的填充层的电介质122、偶极子取向与离散磁铁120的下部图案反平行的离散磁铁124的上部图案、上部离散磁铁124传导地连接到上部传导板126。在某些实施例中，磁铁120和124的全部或部分的封装(嵌入)可以整个地(例如，每个磁铁的表面，以及在某种意义上，“漂浮”在电介质内)在电介质122内部。在某些实施例中，磁铁120和124的全部或部分可以部分地嵌入在电介质122内(例如，除了毗邻各自导电电极的表面以外磁铁的所有表面可以被封装、磁铁的大部分被封装在电介质内等等)。
如在图12A(透视图)和12B(侧视图)中所示，针对上文设计的可选的实施例110B包括部分地嵌入到它们各自导电的电极板116和126的离散磁铁120和124。类似于上文的关于电介质的封装或嵌入的讨论，在某些实施例中，磁铁120、124的全部或部分的封装可以整个地(例如，每个磁铁的所有表面)在各自的电极116、126内。在某些实施例中，磁铁120、124的全部或部分可以部分地嵌入在各自的电极116、126内(例如，除了毗邻电介质122的表面以外磁铁的所有表面可以被电极封装、磁铁的大部分被封装在电极内等等)。在某些实施例中，封装的程度(或者没有封装)在与图12中的“上部”电极126相关联的磁铁以及在相同附图中与“底部”电极116相关联的磁铁之间可以是不同的。
应当注意到在特定实施例中，对电极的引用指的是有磁性的和/或非磁性的传导层以及其受到限定极性的施加电场力的影响。
在图11中(例如，11A)示出了用于设计110A的示例的层叠110A-1的一个实施例可以如在图13中所示。本领域的普通技术人员应当理解的是，在本公开的上下文中，在图13中所示出的配置是出于例证的目的，以及某些实施例可以使用不同的和/或其他材料和/或厚度的尺寸以及安排。
如在图14A-14C中的MEES设备140A所描述的，另一增强的实施例包括磁场的影响和磁通路，其是被引起朝向传导电极142中的一个电极。在一个实施例中，MEES设备140A的结构包括基底144(例如，硅晶圆、玻璃片等等)、布置在基底144上的可选的电介质/绝缘层146、布置在层146上的非磁性传导电极层148(例如，铝、铜等等)、电介质152、至少部分地嵌入电介质152的离散下部154和上部156磁铁的图案、以及上部传导电极142。在图14A-14C中示出的设计可以变成极磁增强能量储存设备，由此当设备由充电电路充电时，具有传导地附加的离散磁铁154、156图案的传导电极142是其上存储电子的板。在电介质内的封装可以是完全用于磁铁154、156的所有或部分，或者部分地以用于图11-12的上文描述的方式相类似的方式封装。应当注意到在某些实施例中，充电电路可以明确地耦合到在其上没有磁铁传导地连接的板上(例如，在图14A中的底板148)。该结构140A(在图14A-14C中)与现有技术有非常大的区别，因为其提供了更强的磁场电势，原因是如在图14A-14C的上文描述的实施例有关的所示出的，来自离散磁铁154、156的反平行偶极子取向的偶极子端部的垂直磁通回流间隙比如果离散磁铁具有横跨在上部(例如，正极)传导电极板142和底部(例如，负极)传导电极板148之间的整个电介质材料的它们的磁通路径更近。例如，这样的设计从制造的角度来看可能会受到青睐，因为它将不会造成在正和负极142、148之间的电介质的电气短路(例如，通过来自所需单步铣削操作的导电残余物以形成磁铁结构的图案)。
同样地，在图14A-14B的MEES设备140A中夹在反平行磁铁间的区域可以是薄的非铁磁性间隔材料158，该非铁磁性间隔材料158将离散上部156和下部154反平行偶极子取向磁铁的界面耦合相隔离。该间隔材料158可以是电介质(例如，低K值的、高K值的、或甚至磁电容材料的电介质)或者可选择地，传导非磁性材料(例如铜、铝、钛、钨、金、银、钌、钽等等)，或者传导的、反铁磁材料。
如在图15A-15B中示出的由MEES设备140B所示出的，在图14A-14C中示出的MEES设备140A的可选的实施例支持将离散磁铁全部地或部分地嵌入到非磁性的、传导的电极板。在图14A-14B和15A-15B之间的相似编号的部件具有相同的结构，以及因此在本文为简洁起见省略了再次相同的说明。类似于上文关于图11A-12B描述的封装方式，许多不同封装类型可以在包括整体封装(例如，用于在图15和/或16中的磁铁的全部或部分，部分封装(例如，除了一个表面以外的全部用于磁铁的全部或部分、在电介质或电极中封装的一个或多个磁铁中的大部分等等))的不同实施例间使用。这些设计可以简化制造以及降低制造成本，因为其潜在地消除了在从图案化离散磁铁和这些电介质材料的极化形成的间隙之间沉积电介质的需要，以提供在阵列中的至少上部离散磁铁中的导电的附加。
图16A-16B示出了具有离散磁铁154、156的几乎全部地(例如，除了一个表面的所有表面被封装到非磁性电极材料)嵌入的图案的MEES设备140C的另一实施例的三维、剖面透视示意图(图16A)和侧视示意图(16B图)。在图14A-14B和16A-16B之间的相似编号的部件具有相同的结构，以及因此在本文为简洁起见省略了再次相同的说明。图16A中的MEES设备140C提供了具有离散磁铁154、156部分地(例如，除了一个表面以外的所有、磁铁的大部分等等，如上文讨论的类似)嵌入的图案的设计的三维、剖面图。同样地，右图(图16B)所示的是具有离散磁铁154、156部分地嵌入的模式的设计140C的侧视、剖面、透视图。
在一个实施例中，复合结构将具有电连接到非磁性的、低电阻的导体的离散磁性结构，该非磁性的、低电阻导体在与电介质材料的接触面相对的磁性结构的一侧上，以便最小化通过磁性材料的相对高电阻行进的位移电流(即，电荷)的距离。这些非磁性导体有效地横跨电极的磁性部分的间隙以便提供对另外将是非电容表面区域的电容效应，该非电容表面区域具有是长条或者最优选是整个电容板的这些非磁性导体。对实现超巨磁电容效应、高能量密度存储以及磁铁图案的巨大几何形状的可伸缩性重要的是非磁性导体板覆盖穿过电介质层的磁通区域以便保持在设备结构内部的高强度磁场以及具有结合在设备的非磁场导体板的间隙上得到的放大的电场效应工作的高强度磁场。形成设备上部和下部导体板的低电阻材料的使用对于得到携带电容的增强电流以及因此有益于较高的电流充电和放电环上是有益的。一个可选的实施例将具有离散磁铁的至少一部分或全部，如上文所述，离散磁铁电连接到非磁性、较低电阻电流的导体以嵌入到非磁性、较低电阻电流导体的表面。同样如上文所述，还有的另一实施例将具有全部地嵌入到非磁性、较低电阻电流导体板的离散磁铁。尽管上文图14A-16B中所示出的实施例示出了最接近“上部”电极的磁铁，但在某些实施例中，磁铁可以最接近“底部”板，以及或者通过复制接近“上部”和“底部”板的这样的离散磁耦合配对以接近“上部”和“底部”板。
在图14A中示出的用于MEES设备140A的示例的层叠140A-1的一个实施例可以如在图17中所示。本领域的普通技术人员应当理解的是，在本公开的上下文中，在图17中所示出的配置是出于说明的目的，以及某些实施例可以使用不同的和/或其他材料和/或厚度的尺寸以及安排。
用于MEES设备和/或系统的一个或多个实施例的结构的磁铁可以由不同的铁磁性材料(例如，具有铁磁性属性)制成，包括铁磁性材料(例如，铁制品、钴、镍)的单个元素或合金组合，该合金可以配置具有或没有引入添加物(例如，氮、硼、钐、铝、铜、碳、钕、镝等等)的有益属性，或者该合金可以由Heusler合金制成。离散磁性结构可以是单一材料的结构或者由不同复合物的叠层形成结构，例如，CoFe的独石层、或NiFe的独石层或CoNiFE的独石层、或者薄膜层的叠层(例如，CoFe覆盖NiFe覆盖CoFe层，或者具有CoFe层的钴种子层)，以及薄膜层的其他布置和组合。磁铁叠层可以利用反铁磁层以便有助于将一层固定入期望的反平行配置中。例如，某些MEES设备的实施例可以利用铁磁性金属(例如，钴、铁制品、镍和其合金)与反铁磁性材料(例如，FeMn)的组合提供在磁性结构内的交换偏置耦合，其可以帮助固定偶极子的方向以及可选择地硬化相应磁性结构的各向异性。换言之，在某些实施例中，反铁磁体的使用可以提高区分铁磁性结构的矫顽力的能力。另外，由于交换偏置，反铁磁体的使用可以增强铁磁体的整体硬度，这可以导致具有增强“耐久性”的电容以便很少可能地当在AC模式下使用时被外部磁场改变和/或改变电容器频率响应特征。在某些实施例中，仅一个铁磁层可以利用交换耦合到反铁磁材料层而被固定。在某些实施例中，两个离散的铁磁层可以耦合到反铁磁层。在该实例中，在反平行磁偶极子取向的铁磁体之间存在零个或不足够的附加间距，以及替代的，在离散铁磁体之间仅有反铁磁层。
提供各向异性方法的一个实施例(例如，用于示例的MEES设备的实施例)包括当基底保持在沉积室中的其固定装置的同时在磁场影响下的同时沉积磁性材料，例如，利用DC供电的电磁场或由永久磁铁提供的磁场。此外，得到反平行偶极子取向的所述方法包括在DC供电的电磁场的一个方向的影响下沉积磁性材料的第一层以及随后在DC供电的电磁场的相反方向的影响下沉积反平行磁性结构。在磁场影响下的制造后退火制作可以是用于实现磁性层的各向异性和偶极子取向的另一机制，由此被期望以反平行磁性对齐放置的磁性结构具有不同的矫顽力属性以便当在退火室中引入的磁场随着退火室中温度的改变反转时它们将在退火期间以反平行的配置对齐。将磁性叠层对齐到期望的反平行配置的另一方法是构造由磁性材料合成的一个磁性结构使得具有场强，该场强能够在磁性退火期间在该磁性结构和另一磁性结构被促使进入公共磁性对齐之后矫磁该另一磁性结构。
反平行、磁性叠层可以图案化为不同配置(例如，形状和尺寸)，包括但不限于矩形、椭圆、卵形、菱形、半圆形和/或具有三角形的矩形或包围的偶极子端部区域的矩形。这些形状可以提供增强的形状各向异性和/或磁通集中的目的，和/或允许设备的表面区域的每单元的偶极子端部的改进的密度，和/或以便得到磁场的加强和/或磁路的磁通致密化。每个离散的、反平行的、耦合的磁场叠层不必类似于相邻的反平行的、耦合的磁性叠层，因为叠层的弯曲阵列可以用于增加水平表面积的每面积上的总反平行磁性叠层的密度。用于2x3磁铁、复合结构阵列的某些示例性的磁铁配置(例如，几何尺寸和磁铁间隔)在图18中示出，其中要理解的是其他的配置(例如，尺寸、几何配置和/或间隔)可以用于某些实施例。在本公开的上下文中本领域的普通技术人员应当理解的是，例如，尽管示出了以2x 3的安排，但在某些实施例中，离散磁铁配对可以是单对，或者多于单对(例如，数十对、数百对、数千等等)。
在某些实施例中，磁增强能量设备复合结构可以在轴向方向(即，z方向)上以交替的电极性被重复以提供在平行电路中能量存储设备的叠层以用于基底表面积的每个单元更大的能量密度。图19A和19B示出了标志为MEES设备190A的MEES设备的实施例，由此复合结构的离散磁铁192具有电连接到导体196的磁铁192的磁耦合对中的至少一个磁铁(例如，194)，其中当MEES设备190A充电时，电子朝向(例如，存储)导体196移动。图19C-19D示出了MEES设备190B的实施例，由此复合结构的离散磁铁192具有传导地连接到相反电极性的导体结构196、198的两者中的每一个导体结构的磁铁192的磁耦合对中的每一个。
图20A以剖面图示的方式示出了配置为倒装芯片设计的示例的MEES设备200的实施例的代表性示例。MEES设备200包括如上文布置的金属接触衬垫区域202，以及毗邻的磁性阵列204。磁性阵列204如上文布置，并且毗邻电介质206。电介质206如上文布置，并且毗邻磁性阵列208，该磁性阵列208如上文布置并且毗邻金属210。还示出了横向毗邻结构(例如，202-210)是衬垫间隙212。衬垫间隙212可以是空气/电介质。横向毗邻衬垫间隙212是包括金属通孔216的金属接触衬垫区域214。图20B提供了磁性结构204、208的离散的、磁性耦合配对的阵列的示例的自上而下、剖面透视图以及在该实施例中示出了其中配对的磁性结构204、208中的一个导电地与复合结构中的非磁性导体材料中的每个传导地接触的截面图，传导触点在描绘了图20B的上部圆周区域的图20C的近摄图中进行了详细描述。
图20C-20D示出了图20B的剖视图的周期区域的细节的近摄图。参考图20C，示出的是复合结构的示例的组成材料，包括在一端上，金属接触衬垫区域202以及布置在毗邻衬垫202的磁铁204，以及在另一端上，金属210、布置在毗邻金属210的磁铁208以及夹在两个端部结构间的电介质206。图20D示出了从底部导体210引出的通孔216的结构以提供在MEES设备200的倒装芯片设计的上部上的接触表面214。
如上文所描述的，已经看到现有技术结构共同具有公共的弊端，该弊端在于它们电极中的至少一个电极构造为具有横跨电极整个宽度的磁铁，这导致它们的磁路杂散于电场穿过以便不允许在它们的设备内部组合的磁场和电场影响，和/或如果这样的结构放大到更大的体积以试图增加总的能量存储，那么这样的现有技术电路可以导致磁场强度的弱化。
相比之下，MEES系统的特定实施例利用磁性耦合的磁铁离散对以导致最小化通过高磁阻(即，非磁性材料)的磁通路的路径以便保持强磁场的强度以及使得磁通路完全地或主要地包括在MEES设备的结构内部(例如，在电介质和/或非磁性导体板内)以便提供有益的电容效应。
在某些实施例中，MEES设备可以使用诸如两种组成材料、离散的磁化的磁性材料元件以及非磁性导体材料元件来得到复合结构，该复合结构意外地产生了超过各个组成部分的总量的电属性和能量存储的结果。
复合材料(也称为合成材料或者简称为复合物)指的是由具有明显不同物理的、化学的、电的和/或磁性属性的两种或多种组成材料制成的材料，其中当两种或多种组成材料组合时，利用与各个组成材料和/或部件不同的特征来生成材料。在复合物内，各个组件在完成的结构内保持分离和明显的区别。出于众多原因新的材料可以是优选的。
事实是MEES设备的特定实施例的结构得到了与包括获得的sCMC效应和值的各个组件不同的特征，之前并没有期望这样的事实。事实上，MEES设备得到超过各个组成材料和组件的电容的结果。
图21提供了用于操作MEES设备的示例的电路220。电路220是具有电力路径管理功能的完全集成的高输入电压MEES设备。该MEES充电器能够执行充电电流/充电电压(CC/CV)的充电功能。充电器允许输入电压达到V最大，但当输入电压超过Vovp OVP门限时则被禁止。充电电流和充电结束(EOC)电流可以具有外部电阻可编程的电流。当充电电流在CV充电相位期间减弱为可编程的EOC电流级别时，EOC指示器(CHG)将切换到逻辑“高”以及指示充电结束状态。充电器将继续充电直到用户编程的超时间隔已经过去了，然后充电器被终止。电路220使用单独的电力路径以供应系统负载和为MEES设备充电。该特征允许系统利用完全地被放电的MEES设备立即运行。当MEES设备充满电时，该特征还允许终止充电，同时利用输入电源继续供应系统，因此最小化不必要的充电/放电周期。两个指示引脚(PPR和CHG)允许到微处理器或LED的简单接口。
鉴于上文的描述，应当理解的是，如在图22的流程图中所描述的，方法230的一个实施例包括对偶极子配对的磁性材料的多层提供各向异性(232)；将磁性材料图案化为一个或多个几何形状(234)；在该多层之间沉积电介质层(236)；以及沉积非磁性可相反极性的多个导电电极，其中磁性材料沉积在非磁性导电电极之间或在非磁性导电电极内部(238)。
如由本公开的领域的具有适当技术的人员将理解的是，在流程图中的任意过程说明或框图应当理解为代表步骤和/或模块、分段或其包括用于在过程中实施特定逻辑功能或步骤的一个或多个可执行的指令的代码的部分，以及可选择的实现包括在实施例的范围内，在实施例中功能可以以与示出或讨论的次序不同的次序执行，其包括大体上同时发生地、取决于涉及的功能。本领域的普通技术人员应当理解的是，在本公开的上下文，考虑了MEES系统的一个或多个实施例。例如，MEES设备的一个实施例可以包括对置表面的至少两个可充电的、导体结构，每个连接到具有所述导体结构复合结构中的至少一个的相反电极性、对置表面导体结构的端子上，该复合结构由包括非磁性导电材料的组成材料合成，该非磁性导电材料与一对离散的、另外磁性耦合的、磁化的磁性材料元件中的至少一个导电接触；以及离散磁化的磁性材料元件的配置，其提供了包含它们的磁通路的部分，该磁通路通过能量存储设备的非磁性材料，以便使磁通路的所述部分完全地或主要地存在于由能量存储设备的导体结构和在能量存储设备的导体结构之间横跨的空间容积的限制内。在某些实施例中，设备可以包括轴向地放置在至少一个所述非磁性可充电的、对置的导体板与所述磁性几何形状之间的电介质材料层。在某些实施例中，设备可以包括具有内在增强磁场的磁性几何形状，该内在增强磁场由在磁性几何形状内磁性材料层中的每层的可选择的磁极性形成，该磁性几何形状在磁性几何形状的每个中与磁性材料的其他可选择层在可选择磁极性上是相反的。在某些实施例中，设备可以包括具有更宽的中间部分和更窄的端部分的磁性几何形状。
在某些实施例中，MEES设备可以包括至少两个非磁性可充电的、对置的导体板，每个连接到相反电极性的端子上，在对置的导体板之间存在专门配置的磁增强能量设备，包括：至少两层磁性材料，磁性材料的每个单独的层具有选择的磁极性的磁场，使得交替的磁极性可以选择地存在于磁性材料的层间；所述磁性材料的层可选择地轴向放置以毗邻非磁性材料的层或者具有选择性磁极性的磁性材料层毗邻磁性材料的层；所述磁性材料的层图案化为各个离散的磁性几何形状，该离散的磁性几何形状由在平面上的填充空间彼此隔离使得磁性几何形状中没有磁性材料连接到在相同平面上的任何其他毗邻磁性几何形状的磁性材料；在平面上的所述填充空间填充有电介质材料；具有至少一层磁性材料的所述各个磁性几何形状电连接到至少一个非磁性的可充电的、对置的导体板；所述磁性几何形状具有内增强磁场，被完全地或普遍地包含在非磁性可充电的、对置的导体板的边界内，以及磁场对存在于非磁性可充电的、对置的导体板内和之间的材料造成影响，使得磁增强能量存储效应由可测量的磁增强电介质强度和电容生成、证实，该磁增强电介质强度和电容达到比具有相同尺寸的对置的导体板的可比较的非磁性增强能量存储设备的几何电容更大数量级的电容。
在某些实施例中，MEES设备可以包括在电路中放置的对置表面的至少两个可充电的、导体结构以能够建立具有所述导体结构复合结构中的至少一个的这样的可充电的、对置表面的、导体结构的交替的电极性，所述导体结构复合结构由与磁性耦合的离散图案化的磁化的磁性材料元件对中的至少一个导电接触的非磁性导电材料合成；以及离散磁化的磁性材料元件的配置以便使得它们的磁性耦合提供包含它们的磁通部分，该磁通通过非磁性材料以全部地或主要地存在于由能量存储设备的导体结构以及在能量存储设备的导体结构之间横跨的空间容积的限制范围内。
在某些实施例中，MEES设备可以包括至少一百对(或多或少)电连接的磁性结构对，这些电连接的磁性结构对嵌入电介质材料并且以图案的方式配置在至少两个非磁性板之间以便增强和包含在非磁性板之间的磁通以影响电介质以便实现电容上的增长比几何上电容增长要大；所述磁性结构对的每对包括至少两种不同磁性材料的叠层，以及由非磁性传导材料层或电介质材料层在轴向维度上可选择地分离；所述磁性结构对在相反磁场条件下由磁性材料的沉积形成以便在每对和每对磁性结构之间提供反平行偶极子取向，该磁性结构对通过刻蚀或铣削或其他的方式成形为具有更宽的中间部分和更窄的末端部分的匹配图案；填充的填充电介质材料在刻蚀或铣削或其他方式已经去除磁性材料的空间内；所述磁性结构对的磁性材料在平面上由所述填充电介质同磁性结构的所有其他对的磁性材料中分离；以及每个所述对中的至少一个磁性结构电连接到至少一个非磁性板上。
在某些实施例中，MEES设备可以包括至少两个非磁性的可充电的、相反的在其间存在电介质的导体板；磁性材料的至少两层，每层以可选择的图案在相反磁极性条件下被沉积以及每层由非磁性材料轴向地分离；所述磁性材料层的可选择的部分通过刻蚀、铣削或其他的方式部分地去除，留下所述磁性材料层的剩余部分，该所述磁性材料层被图案化为具有更宽中间部分和更窄末端部分的磁性几何形状以及在平面上被填充空间彼此分离以便磁性几何形状的没有磁性材料连接到在平面上的其他磁性几何形状中的任意一个的磁性材料；在平面上所述填充空间用电介质材料填充；所述磁性几何形状由具有电连接到至少一个非磁性可充电的、对置的导体板的至少一层的所述磁性材料层的剩余部分制成；以及所述磁性几何形状在至少两面上与电介质相接触。
在某些实施例中，MEES设备可以包括至少两个非磁性可充电的、对置的导体板；至少一百对离散但磁性耦合的磁性结构，该离散但磁性耦合的磁性结构配对嵌入电介质材料并且以图案化的方式被配置成增强和包含在所述导体板之间的磁通以影响电介质使得在所述设备内实现电容上的增加比几何电容的增加大；所述离散但磁性耦合的磁性结构配对由非磁性材料层在轴向维度上分离；所述离散但磁性耦合的磁性结构配对具有传导地连接到非磁性可充电、对置的导体板中的一个的离散磁性结构的磁性耦合对中的至少一个；以及所述离散磁性结构配对形成自至少两层磁性材料的沉积，每层在磁场的可选择的极性条件下，以便提供反平行偶极子取向和在所述离散但磁性耦合的磁性结构配对之间耦合的磁通。
在某些实施例中，MEES方法可以包括可选择的磁性材料的至少两层沉积的方法以产生在所述磁性材料层间的相反极性的磁场，使得当磁性材料的所述层的剩余物通过铣削或刻蚀或其他方式形成为至少一百对叠层的磁性结构对以及连接到两个非磁性可充电的、对置的导体板中的至少一个的内表面时，所述磁性结构对具有在所述磁性结构对的每层内的相反极性以及所述磁性结构对的磁性材料不与任何其他所述磁性结构对的磁性材料相接触；所述沉积方法由可选择地施加可选择极性的磁场组成使得所述磁性结构对的层极性与每个毗邻层是相反的；所述磁性结构对在平面上与所有其他磁性结构对是分离的；所述磁性结构对中的每对具有更宽中间部分和更窄末端部分的匹配图案；以及每个所述磁性结构对中的至少一个磁性结构电连接到至少一个非磁性、可充电的对置的导体板中的至少一个上。
在某些实施例中，MEES设备可以包括第一非磁性导电电极；第二非磁性导电电极；布置在第一电极和第二电极之间的电介质层，该电介质层在第一电极和第二电极间延伸；以及第一反平行的离散磁铁和第二反平行的离散磁铁分别传导地附加到第一电极和第二电极上，第一离散磁铁和第二离散磁铁整体地嵌入电介质内。
在某些实施例中，MEES设备可以包括第一非磁性导电电极；第二非磁性导电电极；布置在第一电极和第二电极之间的电介质层，该电介质层在第一电极和第二电极间延伸；以及第一反平行的离散磁铁和第二反平行的离散磁铁分别传导地附接到第一电极和第二电极上，第一离散磁铁和第二离散磁铁中的至少一个部分地嵌入各自的电极内。
在某些实施例中，MEES设备可以包括单个的非磁性传导电极；不连接到任何磁铁的传导板；布置在非磁性传导电极和传导板之间的电介质层，该电介质层在非磁性传导电极和传导板之间延伸；以及由间隔区分离的第一离散磁铁和第二离散磁铁，第一离散磁铁传导地唯一地附接到非磁性传导电极，第一离散磁铁和第二离散磁铁整体地或部分地嵌入电介质内。
在某些实施例中，MEES设备可以包括非磁性传导电极；不连接到任何磁铁的传导板；布置在非磁性传导电极和传导板之间的电介质层，该电介质层在非磁性传导电极和传导板之间延伸；以及由间隔区分离的第一离散磁铁和第二离散磁铁以及第一离散磁铁和第二离散磁铁整体地或部分地嵌入非磁性传导电极内。
在某些实施例中，MEES设备可以包括单个的非磁性传导电极；不连接到任何磁铁的传导板；布置在非磁性传导电极和传导板之间的电介质层，该电介质层在非磁性传导电极和传导板之间延伸；以及由间隔区分离的第一离散磁铁和第二离散磁铁，第一离散磁铁传导地唯一地附接到非磁性导电电极，第一离散磁铁嵌入非磁性传导电极内以及第二离散磁铁嵌入电介质内。
在某些实施例中，MEES方法可以包括用于控制如在本文示出和描述的超巨磁电容效应的方法，用于在能量密度放大器中最大化电场和磁场效应耦合的方法，和/或制造MEES设备的方法。
在某些实施例中，MEES系统可包括包含设备阵列的系统。
应强调的是，本公开的上述实施例，特别是任意的“优选的”实施例仅是实现的可能的示例，仅仅是用于对本公开的原理的清楚理解进行陈述。可以对本公开的上述实施方式做出很多变化和修改而实质上不偏离本公开的精神和原理。所有这些修改和变型在本文被认为是包括在本公开的范围内并被权利要求保护。

Claims (24)

1.一种用于存储的系统，包括：
多个非磁性传导电极，其包括至少：
第一非磁性传导电极；
第二非磁性传导电极；
电介质层，所述电介质层被布置在所述第一非磁性传导电极和所述第二非磁性传导电极之间，所述电介质层在所述第一非磁性传导电极和所述第二非磁性传导电极之间延伸；以及
第一层和第二层，所述第一层和所述第二层包括多对离散磁铁的磁性耦合配对，其中每层中相邻的离散磁铁被完全物理分离，所述第一层和所述第二层由非磁性材料分离，其中至少所述第一层的所述离散磁铁传导地连接到所述第一非磁性传导电极。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一层和所述第二层完全地嵌入所述电介质层。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一层或者所述第二层分别完全地嵌入所述第一非磁性传导电极或所述第二非磁性传导电极，而另一个层完全地嵌入所述电介质层。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一层或所述第二层分别完全地嵌入所述第一非磁性传导电极或所述第二非磁性传导电极，而另一个层完全地嵌入另一个非磁性传导电极。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一层或所述第二层分别完全地嵌入所述第一非磁性传导电极或所述第二非磁性传导电极，而另一个层完全地嵌入所述电介质层和另一个非磁性传导电极两者。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一层完全地嵌入所述电介质层和所述第一非磁性传导电极两者而所述第二层完全地嵌入所述电介质层和所述第二非磁性传导电极两者。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二层的离散磁铁还传导地连接到所述第一非磁性传导电极，其中所述第一层和所述第二层的离散磁铁与所述第二非磁性传导电极电解耦。
8.根据权利要求1所述的系统，其中针对多对中的每对，在所述第一层中的配对的一个磁铁提供了相对在所述第二层中的配对的另外的磁铁的反平行偶极子取向。
9.根据权利要求1所述的系统，其中分离所述第一层和所述第二层的所述非磁性材料包括电介质材料或传导材料中的一个。
10.根据权利要求1所述的系统，其中分离所述第一层和所述第二层的所述非磁性材料包括反铁磁性的材料。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述离散磁铁中的一个或多个包括具有较宽的中间部分和较窄的端部分的几何形状。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所有的离散磁铁全都包括相同的、一致的配置，其中所述配置包括几何结构、组分或尺寸中的一个或组合。
13.根据权利要求1所述的系统，其中第一层的所述离散磁铁或所述离散磁铁的配对具有与第二层的所述离散磁铁或所述离散磁铁的配对的配置不同的配置，其中所述配置包括几何结构、组分或尺寸中的一个或组合。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述离散磁铁的至少第一层或第一对中的所述离散磁铁包括铁磁材料、反铁磁材料或铁磁材料和反铁磁材料两者的组合。
15.根据权利要求1所述的系统，其中磁通场完全地或主要地存在于由所述第一非磁性传导电极和所述第二非磁性传导电极跨越以及在所述第一非磁性传导电极和所述第二非磁性传导电极之间的空间体积间。
16.根据权利要求1所述的系统，还包括第三层和第四层的组合，所述第三层和所述第四层包括多对离散磁铁的磁性耦合配对。
17.根据权利要求16所述的系统，其中对于所述第三层和所述第四层的组合，所述第三层和所述第四层由非磁性材料分离，并且所述第三层和所述第四层的全部或部分布置在所述第二非磁性传导电极和所述第一非磁性传导电极之间。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述离散磁铁的磁性耦合配对包括离散磁化的磁性材料元件和固有的磁场电路元件，所述固有的磁场电路元件的电路路径全部地或接近全部地位于由相反电极性传导电极跨越的和在所述相反电极性传导电极之间的空间的体积的限制内，所述固有的磁场电路元件穿过所述电介质层。
19.根据权利要求18所述的系统，其中每个所述离散磁化的磁性材料元件包括与所述电介质层平行的磁偶极子。
20.一种用于存储的方法，包括：
为多层偶极子配对的磁性材料提供各向异性；
将所述磁性材料图案化为一种或多种几何形状；
在所述多层之间布置电介质层；以及
布置非磁性的相反极性的导电电极，其中所述磁性材料布置在所述非磁性的相反极性的导电电极之间或在所述非磁性的相反极性的导电电极内，所述磁性材料包括多对离散磁铁的磁性耦合配对，所述离散磁铁的磁性耦合配对包括离散磁化的磁性材料元件和固有的磁场电路元件，所述磁场电路元件的电路路径全部地或接近全部地位于由所述非磁性的相反极性的导电电极跨越的和在所述非磁性的相反极性的导电电极之间的空间的体积的限制内；
其中每层中相邻的所述离散磁铁被完全物理分离。
21.根据权利要求20所述的方法，其中提供各向异性包括在磁场影响下的同时沉积所述磁性材料，其中第一层在所述磁场的一个方向的影响下被沉积而第二层在所述磁场的相反方向的影响下被沉积。
22.根据权利要求20所述的方法，其中提供各向异性包括在磁场的影响下使所述磁性材料经受制造后退火或者在第一对在磁性退火期间被促使达到共同的磁性一致之后使该第一对中的磁铁经受足够的磁场强度以矫磁该第一对中的另一个磁铁。
23.一种用于存储的系统，包括：
对置表面的至少两个可充电的、导体结构，所述导体结构由电介质层分离以及所述导体结构配置为具有相反电极性，对置表面的所述导体结构具有是复合结构的至少一个对置表面的所述导体结构，所述复合结构包括包含与一对磁耦合的、离散的磁化磁性材料元件中的至少一个元件导电地接触的非磁性传导材料的组成材料，还包括与所述一对磁耦合的、离散的磁化磁性材料元件相邻的第二对磁耦合的、离散的磁化磁性材料元件，其中与第一元件相邻的所述第二对的元件与所述至少一个元件被完全物理分离。
24.一种用于存储的系统，包括：
至少两个非磁性的可充电的、对置的导体结构，每个能够连接到端子以能够提供相反电极性，在所述对置的导体结构之间或内存在至少两层的磁化的磁性材料，磁性材料的每个单独的层具有选择性的磁偶极子取向的磁场取向，使得交替的磁场极性能够选择性地存在于磁性材料的层间，
每个所述磁性材料的层包括各个离散的磁性元件，所述各个离散的磁性元件在平面上被非磁性填充材料彼此完全分离，使得所述磁性元件的所述磁性材料不连接到在平面上的任何其他毗邻的磁性元件，
各个磁性元件的所述层中的至少一层，其具有电连接到可充电的、对置的导体结构中的一个导体结构，以及
电介质层，所述电介质层插入在所述可充电的、对置的导体结构之间。
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