CN112514087A

CN112514087A - 能量收集装置和传感器及其制造和使用方法

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Publication number: CN112514087A
Application number: CN201980050473.3A
Authority: CN
Inventors: 保罗·蒂巴杜
Original assignee: University of Arkansas
Current assignee: University of Arkansas
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2039-05-30
Also published as: EP3803991A1; MX2020012937A; CN112514087B; CO2020016155A2; EP3803991A4; US20190386584A1; KR20210018836A; JP2021525999A; BR112020024374A2; CL2020003107A1; AU2019278835A1; CN118119263A; JP7294682B2; PE20211258A1; CA3101791A1; WO2019232232A1

Abstract

本发明公开了能量收集装置和传感器及其制造和使用方法。所述能量收集装置可包括：设置在基板上的膜，其中所述膜包含二维(2D)材料和一个或多个波纹；以及以电、磁、电磁、静电/电容、压电、磁致伸缩和/或机械的方式耦合至所述膜和/或所述基板的部件，使得所述部件构造为收集来自所述膜的能量。所述传感器可包括：设置在基板上的膜，其中所述膜包含二维材料和一个或多个波纹；以及以电、磁、电磁、静电/电容、压电、磁致伸缩和/或机械的方式耦合至所述膜和/或所述基板的部件，使得所述部件构造为检测来自所述膜的信号。

Description

能量收集装置和传感器及其制造和使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求对2018年5月30日提交的美国临时专利申请序列号62/677,826和2018年10月4日提交的美国临时专利申请序列号62/741,234两者的优先权和权益，所述两项美国临时申请均以引用方式并入本文，如同在此作了完整阐述一样。

关于联邦政府赞助研究的声明

优先权申请或本申请均未使用政府资金或未从政府赞助研究中受益。

技术领域

本发明所公开的技术整体涉及能量收集装置和传感器及其制造和使用方法。

背景技术

振动能量收集是捕获来自外部振动源(例如车辆、机器、建筑物和人体运动)的振动能量的实践。然后，所捕获的能量可用于各种应用。在某些振动能量收集方法中，一个板固定在一端，当它被激发时，将在两个末端之间上下振动。通过在两个末端之间弯曲和振荡，在板表面上形成的应变/应力可用于产生能量。即使在机械安静的环境中，原子级的振动也普遍存在。这是由于材料保持在绝对零度以上的某个温度，这种振动被称为热振动。正是关于这些及其他考虑事项，介绍了下面描述的各种实施例。

发明内容

根据本发明所公开的装置和方法的目的，如本文所体现和广泛描述的，本发明所公开的主题涉及能量收集装置和传感器及其制造和使用方法。

在一个实施例中，一种用于收集振动能量的系统包括连接至一个或多个支撑件的独立式膜并且具有不受阻碍且响应于环境能量而自由振动的第一表面。膜的振动限定了沿着第一表面的周期性波纹形成，其中每一波纹形成在膜的多个窗口区域的相应窗口区域中的波峰和波谷之间交替。扫描隧道显微镜(STM)连接至该系统，并且具有尖端和电压源。STM尖端定位靠近膜，以限定在STM的尖端和膜的窗口区域之间的相应的电荷的电容性区域。STM的尖端和膜的窗口区域的每个相应窗口区域之间的距离随着相应的波峰和波谷而变化。STM的尖端和膜的每个窗口区域之间的电容性区域根据所述尖端和相应窗口区域之间的距离而周期性地存储和发射电荷。固定存储电容器连接至膜，并且当在波纹峰值时段内STM的尖端和每个窗口区域之间的距离增加时，从电容性区域接收发射的电荷。当在波纹谷值时段内STM的尖端和相应窗口区域之间的距离减小时，电压源向电容性区域传送电荷。

在另一个实施例中，本公开提供了一种用于将振动能量转换为电流输出的系统，该系统具有连接至一个或多个支撑件的独立式膜并且包括不受阻碍且响应于环境能量而自由振动的第一表面。膜的振动限定了沿着第一表面的周期性波纹形成，其中每一波纹形成在膜的多个窗口区域的相应窗口区域中的波峰和波谷之间交替。具有尖端的扫描隧道显微镜(STM)定位靠近膜，并且该STM包括电压源，用于设置尖端和膜之间的设定点电流，以限定在尖端和膜的窗口区域之间的相应的电荷的电容性区域。显微镜的尖端和膜的每个窗口区域之间的距离随着相应的波峰和波谷而变化，并且电容性区域响应于尖端和窗口区域之间的距离并根据通过电容性区域的额外电荷的隧穿而周期性地存储和发射电荷。固定存储电容器连接至膜，并且当在相应窗口区域中的波纹峰值时段内显微镜的尖端和相应窗口区域之间的距离增加时，从电容性区域接收发射的电荷和额外的隧穿电荷。

在又一个实施例中，一种用于将振动能量转换为电流输出的系统包括基板中的电流收集电路，其中所述电流收集电路包括公共金属触点，该公共金属触点由相应的匹配定向二极管连接至电压源和固定存储电容器。独立式膜至少在电流收集电路中的公共金属触点之上延伸，使得公共金属触点通过支座支撑件与膜分开并且面向膜的第一表面，以限定在公共金属触点和膜的第一表面之间的电容性区域。膜的第一表面不受阻碍并且响应于环境能量而自由振动，其中膜的振动限定了沿着第一表面的周期性波纹形成，并且其中每个一波纹形成相对于公共触点在波峰和波谷之间交替。公共触点和膜之间的电容性区域在公共触点和膜之间累积电荷，并且公共触点跨相应二极管中的一者切换累积电荷的电流输出，以响应于膜中的周期性波纹形成而将电流输出引导至电压源或固定存储电容器。

在本公开的另一个非限制性实施例中，一种组装能量收集电路的方法包括：通过限定相对于独立式膜的第一表面具有初始间隔距离的第一电容器极板，在能量收集电路中形成电容性区域，其中所述独立式膜的第一表面限定第二电容器极板；然后将第一电容器极板连接至电压源，该电压源构造为在电容性区域中引起电荷累积。接下来，将膜相对于第一电容器极板定位，使得膜不受阻碍并且响应于环境能量而自由振动，其中膜的振动限定了沿着第一表面的周期性波纹形成，并且其中每一波纹形成相对于第一电容器极板在波峰和波谷之间交替以改变初始间隔距离。该方法包括使电容性区域跨相应二极管放电以将累积的电荷引导至电压源或者负载，其中使电容性区域放电包括在峰值期间将电荷引导至电压源并将电荷引导至负载。

另一个实施例公开了一种组装能量收集电路的方法，该方法通过使用固定电荷载流子浸渍独立式膜的绝缘层并且通过限定相对于独立式膜的第一表面具有初始间隔距离的第一电容器极板而在能量收集电路中形成电容性区域来组装能量收集电路。独立式膜的第一表面限定了具有固定电荷载流子的第二电容器极板。该方法进一步允许相对于第一电容器极板定位膜，使得膜不受阻碍并且响应于环境能量而自由振动并改变电容性区域的电容，其中膜的振动限定了沿着第一表面的周期性波纹形成，并且其中每一波纹形成相对于第一电容器极板在波峰和波谷之间交替以改变初始间隔距离。在振动时段内，将累积的电荷从第一电容器极板引导至电容性区域。累积的电荷可以跨电阻负载和固定存储电容器中的至少一者从电容性区域放电。

以下部分说明中将阐述本发明所公开的装置和方法的其他优点，并且这些优点在部分说明中将显而易见。本发明所公开的装置的优点将通过随附权利要求中特别指出的元件与组合来实现和获得。应当理解，前文大致说明以及以下详细说明都仅是示例性以及解释性的且并不限制所要求保护的本发明所公开的装置和方法。

在附图和以下说明中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其他特征、目的和优点在说明和附图以及权利要求中将显而易见。

附图说明

并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图阐明本公开的若干方面，并且与说明一起用以解释本公开的原理。

图1A是如本文所公开的经受波纹形成的膜的透视图。

图1B是如本公开中所阐述的能量收集和能量传感系统的示意图。

图2A是根据本公开的经受与振动波纹形成相互作用的压缩力的膜的俯视图。

图2B是根据本公开的膜的侧视图，该膜在沿着膜的一部分的边缘的点处经受相反方向的横向压缩力和向上的振动力，示出了振动波纹的形成。

图2C是根据本公开的膜的侧视图，该膜在沿着膜的边缘的点处经受相反方向的横向压缩力和相反方向的振动力，示出了振动波纹的形成。

图2D是如本文所述的通过压缩力和振动力而移位成波纹形成的拉紧膜的侧视图。

图3A是如本文所阐述的具有一个固定极板和一个可移位极板的可变电容器电路的示意图。

图3B是从连接至图3A的电路的存储电容器放电的电流(以纳安为单位)的曲线图。

图4A是如本文所阐述的跨一个固定电容器极板的可变电容和由于电压源而充电的一个可移位电容器极板的示意图。

图4B是如本文所阐述的跨一个固定电容器极板的可变电容和对固定存储电容器负载放电并对电压源充电的一个可移位电容器极板的示意图。

图4C是如本文所阐述的跨电阻式电流表负载放电的存储电容器的示意图。

图5是如本文所公开的在所示时间内以及在显微镜的隧穿电流设定点处操作图4A和图4B中的电路之后，存储电容器中累积的电荷(以纳米库仑为单位)的曲线图。

图6是如本文所公开的在所示时间内操作图4A和图4B中的电路之后，存储电容器中存储的能量(以皮焦耳为单位)的曲线图以及显微镜的隧穿电流设定点电流。

图7是如本文所公开的在显微镜的许多设定点电流处，经过50秒的能量收集时间后，存储电容器中存储的电荷(以纳米库仑为单位)的曲线图。

图8是如本文所公开的在显微镜的许多设定点电流处，经过100秒的收集时间后，存储电容器中存储的电荷(以纳米库仑为单位)的曲线图。

图9是如本文所公开的在显微镜的许多设定点电流处，经过200秒的收集时间后，存储电容器中存储的电荷(以纳米库仑为单位)的曲线图。

图10是如本文所公开的在显微镜的许多设定点电流处，经过500秒的收集时间后，存储电容器中存储的电荷(以纳米库仑为单位)的曲线图。

图11是如本文所公开的示出跨固有地包含可变电阻的可变电容器放电电流和隧穿电流的来源的示意图。

图12A是如本文所述的利用电流表来测量跨可变电容区域发射电流和隧穿电流中的任一者或两者的传感器电路的示意图。

图12B是如本文所公开的当使用独立式石墨烯时跨电流表的来自可变电容器的放电电流随时间变化的曲线图。

图12C是如本文所公开的当使用刚性石墨烯时跨电流表的来自可变电容器的隧穿电流随时间变化的曲线图。

图12D是如本文所公开的针对独立式石墨烯和刚性石墨烯两者的放电电流的标准偏差值随扫描隧道显微镜的设定点隧穿电流变化的曲线图。

图12E是如本文所述的具有固有寄生电容的传感器电路的示意图，该传感器电路利用电流表来测量跨可变电容区域的电流。

图12F是如本文所公开的针对独立式石墨烯和刚性石墨烯两者，跨电流表的来自可变电容器的收集电流随时间变化的曲线图。

图12G是如本文所公开的针对独立式石墨烯膜和碳化硅上的刚性石墨烯样本的放电电流的标准偏差值随扫描隧道显微镜的设定点电流变化的曲线图。

图12H是如本文所述的利用电流表来测量跨可变电容区域的发射电流和隧穿电流中的任一者或两者的传感器电路的示意图。

图12I是如本文所公开的针对三个不同的偏置电压的收集电流的曲线图，其中跨电流表随着时间变化没有来自可变电容器的隧穿电流。

图12J是如本文所公开的没有隧穿电流的收集电流随扫描隧道显微镜的设定点偏置电压变化的曲线图。

图13是在各种收集时间期间如本文所公开的在存储电容器中存储的最大电荷(以纳米库仑为单位)的曲线图。

图14是在各种收集时间期间如本文中存储在固定电容器中的最大能量(以皮焦耳为单位)的曲线图。

图15是在跨不同的隧穿设定点电流的各种收集时间期间，如本文所公开的在固定存储电容器中存储的最大电荷(以纳米库仑为单位)的曲线图。

图16是在跨不同的设定点电流的各种收集时间期间，如本文所公开的在固定存储电容器中存储的能量的曲线图。

图17A是根据本文的公开内容的能量收集电路中的可变电容器的阵列的示意图。

图17B是根据本文的公开内容的能量收集电路中的可变电容器的分层阵列的横截面视图。

图18(a)是独立式石墨烯中自然产生的波纹的图示。(b)是在10,000s内获得的原始STM高度-时间数据序列，其中示出了一条趋势线，该趋势线是通过低通维纳滤波器算法获得的，以隔离大规模波动。(c)是测量到的与(b)所示数据相关的隧穿电流。(d)是减去背景的高度-时间数据，仅显示膜高度的波动。零高度处显示的数据是从刚性石墨烯样本获取的控制数据。(e)是从(d)所示的减去背景的数据中计算出的高度自相关函数(AAAAAA)。(f)是从(d)所示的STM数据中计算出的功率谱密度(PPPPPP)。

图19(a)是分子动力学凸波纹几何结构，(b)是模拟输出高度-时间序列，(c)是高度自相关函数，并且(d)是高度-时间序列的功率谱密度。

图20(a)是自旋膜模型和配置在三个不同时间的模拟输出高度-时间数据，(b)是高度自相关函数ACF，并且(c)是功率谱密度。

图21A至图21R是使用电子束图案化来形成根据本公开的能量收集电路的步骤的迭代图示。

图22A至图22R是使用光刻法来形成根据本公开的能量收集电路的步骤的迭代图示。

图23是根据本公开的在基板中形成的能量变换器的顶部透视图。

图24是图23的变换器的横截面的侧视图。

图25是图24的变换器的左侧截面的俯视图。

图26是图23的变换器的横截面的侧视图。

图27是图23的能量变换器的顶部透视图，其中的详细插图示出了根据本公开的尖端和阱区域的近距离视图。

具体实施方式

通过参考以下对本发明所公开的主题及其中包括的实例的具体方面的详细说明，可以更容易地理解本文所述的装置和方法。

在公开和描述本发明的装置和方法之前，应当理解，以下描述的方面并不仅限于在以下说明中阐述的或在附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明所公开的技术可具有其他实施例，并且能够以多种方式实践或实施。

在下面的说明中参考了附图，这些附图形成本发明的一部分并且以图示的方式示出了特定实施例或实例。

另外应当理解，本文使用的术语只是出于描述特定方面的目的，而并非旨在进行限制。在描述示例性实施例时，为了清楚起见，将采用术语。每个术语旨在设想本领域的技术人员能够理解的最广泛的含义，并且包括以类似方式操作以达到类似目的的所有技术等同形式。还应当理解，提及方法的一个或多个步骤并不排除在明确指出的那些步骤之间存在额外的方法步骤或中间方法步骤。在不脱离本发明所公开的技术范围的情况下，可以按照与本文所述的顺序不同的顺序执行方法的步骤。类似地，还应当理解，提及装置或系统中的一个或多个部件并不排除在明确指出的那些部件之间存在额外部件或中间部件。

另外，在整个说明书中，引用了各种出版物。这些出版物的全部公开内容据此以引用方式并入本申请，以便更全面地描述本发明所公开的内容所涉及的现有技术。所公开的参考文献也单独并且具体地以引用方式并入本文，参考文献中包含的材料在参考文献所依据的句子中予以讨论。

本说明书参考了许多相反极性的电荷，以及在已识别的硬件上收集的某些正电荷和负电荷。在还可以布置相反极性的情况下，本说明书中的任何内容均不将本公开限制为正极性或负极性的任何一种布置。

本说明书进一步引用了独立式膜的波峰和波谷，该膜由于外部能量的作用而经受波纹效应，并且该膜的某个结构是波峰还是波谷取决于向上的角度以及该膜相对于另一结构的位置。因此，本说明书中的任何内容都不要求结构或硬件的任何特定取向，并且术语“波峰”、“波谷”和“波纹”不限于任何一个取向，而是仅出于描述目的。

定义

在本说明书及随后的权利要求书中，将引用多个术语，其被定义为具有以下含义：

在本说明书的说明和权利要求书中，字词“包含”和该字词的其他形式诸如“包括”和“具有”意指“包括但不限于”，并不旨在排除例如其他添加物、部件、整数或步骤。

如在说明和所附权利要求中所用，单数形式“一个”、“一种”、“该”和“所述”包括复数指代物，除非上下文另有明确规定。因此，例如，对“一种组合物”的提及包括两种或更多种此类组合物的混合物，对“所述化合物”的提及包括两种或更多种此类化合物的混合物，对“一种试剂”的提及包括两种或更多种此类试剂的混合物，等等。

应当理解，在整个说明书中，标识符“第一”和“第二”仅用于帮助读者区分本发明所公开的主题的各种部件、特征或步骤。标识符“第一”和“第二”并非旨在暗示对由这些术语修饰的部件或步骤的任何特定的次序、数量、偏好或重要性。

如本文所用的术语“或其组合”是指在所述术语前面所列项目的所有排列和组合。例如，“A、B、C或其组合”旨在包括以下各项中的至少一者：A、B、C、AB、AC、BC或ABC，并且如果在特定情况下顺序是重要的，那么还包括BA、CA、CB、CBA、BCA、ACB、BAC或CAB。继续该实例，明确地包括含有重复的一或多个项目或术语的组合，例如BB、AAA、AB、BBC、AAABCCCC、CBBAAA、CABABB等。本领域的技术人员将理解，除非上下文另有明示，否则通常不存在对任何组合中的项目或术语的数量的限制。

能量收集装置和传感器

本文描述的是能量收集装置100和传感器195。能量收集装置和传感器可包括设置在基板258上的膜265，其中膜265包含二维(2D)材料和一个或多个具有波峰286和波谷289的波纹，如图1A所示。如图1A进一步示出，基板可以是网格258，其限定了跨基板的跨度的网格单元，以勾勒出每个单元内的覆盖膜265的窗口区域264，如本文所讨论的。

在一个示例性实施例中，公开了一种能量收集装置100，该能量收集装置具有用于环境振动能量收集的电源105、118、200，并且具有用于以相对低频屈曲的原子二维膜265。如果用作能量收集装置100的有源部件，这些二维材料的异常振动动能与现有技术相比可提供优异的能量产生。例如，在当前的硅微机电(MEM)振动能量收集技术中，有源部件可为蚀刻硅平台。该平台无法自发振动或机械屈曲，因为它刚性过高。“机械屈曲”在本公开中理解为非线性现象。硅MEM结构的现有方法为线性响应装置。相比之下，本文所述的能量收集装置100的膜265可自发振动和机械屈曲。

二维材料可例如包括石墨烯、MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂、ReS₂、ReSe₂、氮化硼(BN)或其组合。在某些实例中，二维材料可包括石墨烯。石墨烯可包括单层材料、双层材料、三层材料和多层材料。尽管本文的示例性实施例表明，一种用于独立式膜的非限制性材料是石墨烯，但是本文所讨论的任何材料对于独立式膜也是可行的选择。这些层可以以任意或特定的晶体学取向彼此堆叠，这可增强振动特性。

可基于多种因素选择二维材料的特性。例如，不同二维材料的弯曲刚度有所不同，因此可获得不同的振动频率。另外，各种二维材料的电导率存在很大差异，可使用静电方法来控制收集能量的效率。因此，可选择二维材料的特性以控制这些参数中的一种或多种。

在一些实例中，膜265可包含独立式石墨烯，该独立式石墨烯在速度概率分布中具有很大的速度分量。在一些实例中，膜265可在室温下表现出永久性非线性运动。

膜265可例如具有0.3纳米(nm)或更大(例如，0.4nm或更大、0.5nm或更大、0.6nm或更大、0.7nm或更大、0.8nm或更大、0.9nm或更大、1.0nm或更大、1.1nm或更大、1.2nm或更大、1.3nm或更大、1.4nm或更大、1.5nm或更大、1.6nm或更大、1.7nm或更大、1.8nm或更大、1.9nm或更大、2.0nm或更大、2.1nm或更大、2.2nm或更大、2.3nm或更大、2.4nm或更大、或2.5nm或更大)的平均厚度。在一些实例中，膜265可具有3.0nm或更小(例如，2.9nm或更小、2.8nm或更小、2.7nm或更小、2.6nm或更小、2.5nm或更小、2.4nm或更小、2.3nm或更小、2.2nm或更小、2.1nm或更小、2.0nm或更小、1.9nm或更小、1.8nm或更小、1.7nm或更小、1.6nm或更小、1.5nm或更小、1.4nm或更小、1.3nm或更小、1.2nm或更小、1.1nm或更小、1.0nm或更小、0.9nm或更小、0.8nm或更小、0.7nm或更小、0.6nm或更小、或0.5nm或更小)的平均厚度。膜265的平均厚度可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范围内。例如，膜265可具有0.3nm至3.0nm(例如，0.3nm至2.5nm、0.3nm至2.0nm、0.3nm至1.5nm、0.3nm至1.0nm或0.3nm至0.6nm)的平均厚度。

膜265可例如具有0.1微米(μm)或更大(例如，0.5μm或更大、1μm或更大、1.5μm或更大、2μm或更大、2.5μm或更大、3μm或更大、3.5μm或更大、4μm或更大、4.5μm或更大、5μm或更大、6μm或更大、7μm或更大、8μm或更大、9μm或更大、10μm或更大、15μm或更大、20μm或更大、25μm或更大、30μm或更大、35μm或更大、40μm或更大、45μm或更大、50μm或更大、60μm或更大、70μm或更大、或80μm或更大)的平均横向尺寸。在一些实例中，膜265可具有100μm或更小(例如，90μm或更小、80μm或更小、70μm或更小、60μm或更小、50μm或更小、45μm或更小、40μm或更小、35μm或更小、30μm或更小、25μm或更小、20μm或更小、15μm或更小、10μm或更小、9μm或更小、8μm或更小、7μm或更小、6μm或更小、5μm或更小、4.5μm或更小、4μm或更小、3.5μm或更小、3μm或更小、2.5μm或更小、2μm或更小、1.5μm或更小、或1μm或更小)的平均横向尺寸。膜265的平均横向尺寸可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范围内。例如，膜265可具有0.1微米至100微米(例如，0.1μm至50μm、50μm至100μm、0.1μm至20μm、20μm至40μm、40μm至60μm、60μm至80μm、80μm至100μm、0.5μm至95μm或10μm至90μm)的平均横向尺寸。

在一些实例中，膜265可具有0.0牛顿每米(N/m)或更大(例如，0.01N/m或更大、0.02N/m或更大、0.03N/m或更大、0.04N/m或更大、0.05N/m或更大、0.06N/m或更大、0.07N/m或更大、0.08N/m或更大、0.09N/m或更大、0.10N/m或更大、0.11N/m或更大、0.12N/m或更大、0.13N/m或更大、0.14N/m或更大、0.15N/m或更大、0.20N/m或更大、0.25N/m或更大、0.30N/m或更大、0.35N/m或更大、0.40N/m或更大、0.45N/m或更大、0.50N/m或更大、0.60N/m或更大、0.70N/m或更大、0.80N/m或更大、0.90N/m或更大、1.0N/m或更大、1.5N/m或更大、2.0N/m或更大、2.5N/m或更大、3.0N/m或更大、3.5N/m或更大、4.0N/m或更大、4.5N/m或更大、5.0N/m或更大、6.0N/m或更大、或7.0N/m或更大)的单位长度张力。在一些实例中，膜265可具有10.0N/m或更小(例如，9.0N/m或更小、8.0N/m或更小、7.0N/m或更小、6.0N/m或更小、5.0N/m或更小、4.5N/m或更小、4.0N/m或更小、3.5N/m或更小、3.0N/m或更小、2.5N/m或更小、2.0N/m或更小、1.5N/m或更小、1.0N/m或更小、0.90N/m或更小、0.80N/m或更小、0.70N/m或更小、0.60N/m或更小、0.50N/m或更小、0.45N/m或更小、0.40N/m或更小、0.35N/m或更小、0.30N/m或更小、0.25N/m或更小、0.20N/m或更小、0.15N/m或更小、0.14N/m或更小、0.13N/m或更小、0.12N/m或更小、0.11N/m或更小、0.10N/m或更小、0.09N/m或更小、0.08N/m或更小、0.07N/m或更小、0.06N/m或更小、或0.05N/m或更小)的单位长度张力。膜265的单位长度张力可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范围内。例如，膜265可具有0.0N/m至10.0N/m(例如，0.0N/m至8.0N/m、0.0N/m至5.0N/m、0.0N/m至3.0N/m、0.0N/m至1.0N/m、0.0至0.5N/m、0.0至0.3N/m或0.03N/m至0.12N/m)的单位长度张力。该张力可使用原子力显微镜测得。

一个或多个波纹可例如具有1nm或更大(例如，2nm或更大、3nm或更大、4nm或更大、5nm或更大、6nm或更大、7nm或更大、8nm或更大、9nm或更大、10nm或更大、15nm或更大、20nm或更大、25nm或更大、30nm或更大、35nm或更大、40nm或更大、45nm或更大、50nm或更大、55nm或更大、60nm或更大、65nm或更大、70nm或更大、75nm或更大或80nm或更大)的平均长度。在一些实例中，一个或多个波纹可具有100nm或更小(例如，95nm或更小、90nm或更小、85nm或更小、80nm或更小、75nm或更小、70nm或更小、65nm或更小、60nm或更小、55nm或更小、50nm或更小、45nm或更小、40nm或更小、35nm或更小、30nm或更小、25nm或更小、20nm或更小、15nm或更小、10nm或更小、9nm或更小、8nm或更小、7nm或更小、6nm或更小、或5nm或更小)的平均长度。一个或多个波纹的平均长度可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范围内。例如，一个或多个波纹可具有1nm至100nm(例如，1nm至90nm、1nm至80nm、1nm至70nm、1nm至60nm、5nm至50nm、10nm至40nm或20nm至30nm)的平均长度。波纹的长度可例如使用电子显微镜测得。

在一些实例中，一个或多个波纹可具有0.1nm或更大(例如，0.11nm或更大、0.12nm或更大、0.13nm或更大、0.14nm或更大、0.15nm或更大、0.20nm或更大、0.25nm或更大、0.30nm或更大、0.35nm或更大、0.40nm或更大、0.45nm或更大、0.50nm或更大、0.60nm或更大、0.70nm或更大、0.80nm或更大、0.90nm或更大、1.0nm或更大、1.1nm或更大、1.2nm或更大、1.3nm或更大、1.4nm或更大、或1.5nm或更大)的平均高度。在一些实例中，一个或多个波纹可具有2.0nm或更小(例如，1.9nm或更小、1.8nm或更小、1.7nm或更小、1.6nm或更小、1.5nm或更小、1.4nm或更小、1.3nm或更小、1.2nm或更小、1.1nm或更小、1.0nm或更小、0.90nm或更小、0.80nm或更小、0.70nm或更小、0.60nm或更小、0.50nm或更小、0.45nm或更小、0.40nm或更小、0.35nm或更小、0.30nm或更小、0.25nm或更小、或0.20nm或更小)的平均高度。一个或多个波纹的平均高度可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范围内。例如，一个或多个波纹可具有0.1nm至2.0nm(例如，0.1nm至1.5nm、0.1nm至1.0nm、0.1nm至0.70nm、0.20nm至0.60nm、0.30nm至0.50nm或0.35nm至0.45nm)的平均高度。波纹的高度可例如使用电子显微镜测得。

膜265可例如固定在膜基板258的一端或两端。在一些实例中，膜265构造为通过其中心部分振动。

膜基板258可例如包含铜、硅、碳化硅、蓝宝石或其组合。在一些实例中，膜基板258可包含网格，该网格包含一个或多个开孔263。在某些描述中，开孔263是形成膜265的窗口区域264的网格侧壁之间的区域。

以下讨论公开了特定的实例，其中膜265包含石墨烯，并且基板258包含铜网格，但是相同的概念可适用于本文所述的任何膜265和/或膜基板258。

在某些实施例中，膜265可包括来自石墨的碳的单个原子平面作为其有源部件。可将石墨烯片材放置在用作上述膜基板258的铜网格顶上，并在膜的相应区段内限定一个或多个开孔263。以石墨烯覆盖的每个开孔263可形成开放式框架几何结构，其间具有独立式石墨烯。当石墨烯设置在铜网格上时，在石墨烯的边缘和铜网格单元侧壁264(图1A)之间存在强范德华相互作用(约0.1J/m²)。根据过量石墨烯的量，接触的长度将自然地增加或减少，直到力平衡为止。这种现象被称为自张紧。最终张力可为约0.1N/m，并且独立式石墨烯的最终几何结构可由波纹构成(图1A、图2A至图2C)。这些波纹可自然形成，并且波纹的长度的典型尺寸分布为20nm至24nm，高度的典型尺寸分布为0.3nm至0.5nm。为了形成波纹，石墨烯必须能够自由地自压缩至最终的自张力。

与波纹几何结构相关的压缩应变是长度变化除以初始长度。压缩应变可例如为0.01％或更大(例如，0.02％或更大、0.03％或更大、0.04％或更大、0.05％或更大、0.06％或更大、0.07％或更大、0.08％或更大、0.09％或更大、0.1％或更大、0.2％或更大、0.3％或更大、0.4％或更大、0.5％或更大、0.6％或更大、0.7％或更大、或0.8％或更大)。在一些实例中，压缩应变可为1％或更小(例如，0.9％或更小、0.8％或更小、0.7％或更小、0.6％或更小、0.5％或更小、0.4％或更小、0.3％或更小、0.2％或更小、0.1％或更小、0.09％或更小、0.08％或更小、0.07％或更小、0.06％或更小、0.05％或更小、或0.04％或更小)。压缩应变可例如在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范围内。例如，压缩应变可在0.01％至1％(例如，0.01％至0.1％、0.1％至1％、0.01％至0.05％、0.05％至0.1％、0.1％至0.5％、0.5％至1％或0.05％至0.5％)的范围内。

当石墨烯被拉伸时，可以对基板265和石墨烯组件施加拉伸载荷，并且改变波纹的形状。改变波纹的形状将改变压缩应变并且改变石墨烯自发反转其曲率的速率。另选地，通过调节外部载荷，可改变膜265的振动频率。

当保持在室温(例如300K)时，由于热能从铜网格的杆支撑件连续流动，独立式石墨烯可自发振动。如图1A所示，在原子级上，当石墨烯膜265保持在室温时，每个碳原子具有等于kBT或约25meV的动能(0.5m v²，其中m为碳原子的质量，v是其速度)。这是一种丰富的能源，因为石墨烯的密度为4×10¹⁵个原子/cm²。电功率计算预测每一波纹可产生10pW的功率，相当于250,000W/m²，这使其与风能和太阳能生产类似。由于速度不是零，因此在膜265内的原子处于不断运动状态。由于原子267在网络中连接在一起，因此整个膜265形成波纹，并且有时这些波纹在波峰286和波谷289之间反转它们的曲率。每一波纹都有数千个原子，并且当曲率自身反转时，所有原子同相相干地一起运动，并且可收集这种能量。这一自然运动可用作能量收集装置100的有源部件，或者这一自然运动可用于驱动传统振动能量收集装置100的有源部件。

在一些实例中，膜265可具有一个波纹。在一些实例中，膜265可包含多个波纹271，所述多个波纹可形成相互作用的波纹的网络。在一些实例中，尺寸为10微米×10微米的膜265可具有超过100,000个波纹。一个波纹271的运动可影响附近其他波纹的运动，从而提供增强能量收集能力的反馈机制。

能量收集装置100进一步包括以电、磁和/或机械的方式耦合至膜265和/或基板258的负载部件175，使得在非限制性实例中，部件175构造为收集或测量来自膜265的能量。

在一些实例中，膜基板258导热并且膜265与膜基板258热接触，其中膜基板258的热能可被转换为膜265的振动，使得膜265具有振动能量，并且负载部件175、199、275构造为将膜265的振动能量转换为电能、磁能和/或机械能，从而收集来自膜265的能量。在一些实例中，热能可包括环境热能和/或环境动能。

在一些实例中，膜265可具有振动能量，并且部件275构造为将膜265的振动能量转换为电能、磁能和/或机械能，从而收集来自膜265的能量。在一些实例中，振动能量包括环境振动能量。

振动能量可例如包括具有0.1毫赫或更大(例如，0.5mHz或更大、1mHz或更大、5mHz或更大、10mHz或更大、50mHz或更大、100mHz或更大、500mHz或更大、1Hz或更大、5Hz或更大、10Hz或更大、50Hz或更大、100Hz或更大、500Hz或更大、1千赫(kHz)或更大、10kHz或更大、50kHz或更大、100kHz或更大、500kHz或更大、1兆赫(MHz)或更大、5MHz或更大、10MHz或更大、50MHz或更大、100MHz或更大、500MHz或更大、或1千兆赫(GHz)或更大)频率的振动。在一些实例中，振动能量可包括具有10千兆赫(GHz)或更小(例如，5GHz或更小、1GHz或更小、500MHz或更小、100MHz或更小、50MHz或更小、10MHz或更小、5MHz或更小、1MHz或更小、500kHz或更小、100kHz或更小、50kHz或更小、10kHz或更小、5kHz或更小、1kHz或更小、500Hz或更小、100Hz或更小、50Hz或更小、10Hz或更小、5Hz或更小、1Hz或更小、500mHz或更小、100mHz或更小、50mHz或更小、10mHz或更小、或5mHz或更小)频率的振动。振动能量的振动频率可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范围内。例如，振动能量可包括具有0.1mHz至10GHz(例如，0.1mHz至1kHz、1kHz至10GHz、0.1mHz至1Hz、1Hz至1kHz、1kHz至1MHz、1MHz至10GHz或5mHz至1GHz)频率的振动。

在一些实例中，膜265能够连续振动，因为它可以利用较低频率并且不受噪声约束的环境能量。依次，该环境能量可由负载部件175、275利用并且转换为其他形式的能量，包括电能。

尽管传统的振动能量收集装置100需要宏观的外部驱动力以收集振动能量(例如，运动的汽车的振动)，但是在一些实例中，本文所述的能量收集装置100可由环境条件驱动。例如，本文所述的能量收集装置100可在安静的环境以及嘈杂的环境中收集能量。

在一些实例中，能量收集装置100可构造为使得一个或多个波纹中的每个能够产生1皮瓦(pW)或更大(例如，5pW或更大、10pW或更大、15pW或更大、20pW或更大、25pW或更大、30pW或更大、35pW或更大、40pW或更大、45pW或更大、50pW或更大、55pW或更大、60pW或更大、65pW或更大、70pW或更大、75pW或更大、80pW或更大、85pW或更大、或90pW或更大)的功率。在一些实例中，能量收集装置100可构造为使得一个或多个波纹中的每个能够产生100pW或更小(例如，95pW或更小、90pW或更小、85pW或更小、80pW或更小、75pW或更小、70pW或更小、65pW或更小、60pW或更小、55pW或更小、50pW或更小、45pW或更小、40pW或更小、35pW或更小、30pW或更小、25pW或更小、20pW或更小、15pW或更小、或10pW或更小)的功率。一个或多个波纹中的每个所产生的功率可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范围内。例如，能量收集装置100可构造为使得一个或多个波纹中的每个能够产生1pW至100pW(例如，1pW至50pW、50pW至100pW、1pW至30pW、20pW至40pW、40pW至60pW、60pW至80pW、80pW至100pW、10pW至90pW或20pW至80pW)的功率。

在一些实例中，能量收集装置100可具有1瓦特每平方米(W/m²)或更大(例如，2W/m²或更大；3W/m²或更大；4W/m²或更大；5W/m²或更大；10W/m²或更大；50W/m²或更大；100W/m²或更大；500W/m²或更大；1,000W/m²或更大；5,000W/m²或更大；10,000W/m²或更大；或50,000W/m²或更大)的功率密度。在一些实例中，能量收集装置100可具有100,000W/m²或更小(例如，90,000W/m²或更小；80,000W/m²或更小；70,000W/m²或更小；60,000W/m²或更小；50,000W/m²或更小；10,000W/m²或更小；5,000W/m²或更小；1,000W/m²或更小；500W/m²或更小；100W/m²或更小；50W/m²或更小；10W/m²或更小；或5W/m²或更小)的功率密度。能量收集装置100的功率密度可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范围内。例如，能量收集装置100可具有1W/m²至100,000W/m²(例如，1W/m²至1,000W/m²；1,000W/m²至100,000W/m²；1W/m²至100W/m²；100W/m²至1,000W/m²；1,000W/m²至10,000W/m²；10,000W/m²至100,000W/m²；10W/m²至50,000W/m²；或100W/m²至10,000W/m²)的功率密度。

现在参考图3，在一些实例中，膜265可具有电荷，并且负载部件175(图4中明确示出)为电耦合至膜265的电容器，其中包括膜265的电路构造为将荷电膜265的振动能量转换为交流电流，从而收集来自膜265的能量。例如，荷电膜265的运动感应出附近负载部件中的电流。

在一些实例中，膜265具有振动能量，并且电路构造为检测由膜265的振动能量产生的信号。振动能量可例如包括环境振动能量。

例如，在设备100的某些实施方式中，电路能够可操作地与膜265连接，其中膜265将具有可操作的预定灵敏度以利用相对低频的振动。因此，电路可构造为检测膜265的屈曲频率，并且当电路检测到膜265的频率的预定变化时，例如基于附加质量的存在，由于装置的膜265的灵敏度，将确定并传输关于质量的检测输出。

制备方法

本发明还公开了制造本文所述的能量收集装置和传感器的方法。例如，制造本文所述的能量收集装置和/或传感器的方法可包括：压缩二维材料的片材以形成膜；将膜设置在基板上；以及以电、磁和/或机械的方式将部件耦合至膜和/或基板。

压缩二维材料的片材可例如包括跨该片材施加横向压缩力271，如图2A至图2C示意性地示出。横向压缩力可例如具有1纳牛顿(nN)或更大(例如，5nN或更大、10nN或更大、15nN或更大、20nN或更大、25nN或更大、30nN或更大、35nN或更大、40nN或更大、45nN或更大、50nN或更大、55nN或更大、60nN或更大、65nN或更大、70nN或更大、75nN或更大、80nN或更大、85nN或更大、或90nN或更大)的量值。在一些实例中，横向压缩力可为100nN或更小(例如，95nN或更小、90nN或更小、85nN或更小、80nN或更小、75nN或更小、70nN或更小、65nN或更小、60nN或更小、55nN或更小、50nN或更小、45nN或更小、40nN或更小、35nN或更小、30nN或更小、25nN或更小、20nN或更小、15nN或更小、或10nN或更小)。横向压缩力可在上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范围内。例如，横向压缩力可为1nN至100nN(例如，1nN至50nN、50nN至500nN、1nN至20nN、20nN至40nN、40nN至60nN、60nN至80nN、80nN至100nN、5nN至95nN、10nN至90nN、或20nN至80nN)。

在一些实例中，二维材料的片材具有初始长度，并且二维材料的压缩片材具有压缩长度，例如如图2C示意性地示出，其中压缩长度比初始长度短0.01％至1％。

在一些实例中，膜265的屈曲范围可为0.2nm或更大(例如，0.3nm或更大、0.4nm或更大、0.5nm或更大、0.6nm或更大、0.7nm或更大、0.8nm或更大、0.9nm或更大、1.0nm或更大、1.5nm或更大、2.0nm或更大、2.5nm或更大、或3.0nm或更大)。在一些实例中，膜的屈曲范围可为4.0nm或更小(例如，3.5nm或更小、3.0nm或更小、2.5nm或更小、2.0nm或更小、1.5nm或更小、1.0nm或更小、0.9nm或更小、0.8nm或更小、0.7nm或更小、0.6nm或更小、或0.5nm或更小)。屈曲范围可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范围内。例如，屈曲范围可为0.2nm至4.0nm(例如，0.2nm至2.0nm、2.0nm至4.0nm、0.2nm至1.0nm、1.0nm至2.0nm、2.0nm至3.0nm、3.0nm至4.0nm或0.5nm至3.5nm)。屈曲范围大体上等于一个或多个波纹的平均高度的两倍。机械屈曲为波纹的曲率的反转。

通过压缩如本文所公开并且如图2的实例所示的二维片材使膜形成预屈曲状态可减缓屈曲过程，使得膜265能够相互作用并且利用较低频的振动，诸如与环境条件相关的振动。如果使用无应变方法将膜265设置在膜基板258上，则膜可自压缩为预屈曲状态。例如，借助铜上的石墨烯，可使用氯化铁液体溶液蚀刻掉铜。在去除铜之后，石墨烯可保持漂浮在溶液的表面上。接下来，可将石墨烯从溶液中提起并设置在包含网格的膜基板258上。压缩或扩展网格可改变波纹的尺寸，并且改变自发曲率反转的固有频率。

在图3A所示的一个实施例中，膜265为具有第一表面125A和第二表面125B的独立式膜265。第一表面膜265由于跨膜265形成的波纹271并形成如上文所述的波峰286和波谷289而发生移位。

图3A示出了使用恒压静电方法来收集振动能量背后的某些基本机制的一个非限制性实施例。图3A在顶部示出了可变电容器120，其由导体附接到底部的电池105[2]。可变电容器120包括第一电容器极板135A和第二电容器极板135B。第二电容器极板135B由于作用在第二电容器极板135B上的力Fth而发生移位。如上文所述，第二电容器极板135B由收集电荷的材料形成，并且该材料足够柔韧以被热力或动力的环境力移位。电池105最初将电荷放置在电容器120上，以从电池汲取能量。由于两个极板135A、135B各自具有相反的电荷，因此它们由于库仑力而彼此吸引。然而，可变电容器120的支撑结构将它们保持分开。接下来，第二电容器极板135B(例如，图3A的右侧)通过外力向右移动。值得注意的是，该力必须克服两个极板135A、135B的朝着彼此的静电吸引。该力在机电系统上起作用。随着电容器120的极板135A、135B进一步分开，电容器现在可存储的电荷比其当前在第一电容器极板135A和第二电容器极板135B上具有的电荷更少。该电荷受制于方程式C＝Q/V，其中C是电容性区域141的电容，其值随着极板135A、135B之间的间隔增加而减小(即，随着极板135A、135B之间的距离(d)增加，电容减小，并且反之亦然)。V是恒定的电池105电压，Q是极板上和电容性区域141内的总电荷。因此，随着距离(d)增加，电流(根据从正到负方向的标准符号表示)从第一极板135A(例如，如图所示的左侧极板)移回电池105内部(为电池再充电)，从电池105的另一侧出来并移到可变电容器120的第二可移位极板135B上。由于图3A所示的力Fth而产生的移位减少了可变电容器120上的总电荷。外力负责移动电荷所需的功或能量。此图示显示了基本的物理机制，通过该机制可使用外力将电荷移出可变电容器120。

在一个实施例中并且根据上文的公开内容，第二电容器极板135B(例如，图3中的可变电容器120右侧上的可移位极板)是独立式石墨烯，并且移动独立式石墨烯的外力来自于独立式石墨烯中原子的热诱导和/或动力学运动。图3B示出了针对根据图3A的可变电容器的实施例的电流响应的实例。图3B是跨负载部件175、275的示例性电流曲线图，所述负载部件已经从图3A的示例性电路收集能量作为存储电荷。在收集能量之后，使用测试电路通过将充当负载部件175、275的电容器(C＝0.9微法拉)连接至跨33兆欧电阻器的由负载部件175、275驱动的测量电路来测量收集的电荷。根据图中的测量，I最大＝30nA，总存储电荷为Q最大＝I最大RC＝900nC。另外，总收集能量为U最大＝Q2/2C＝450nJ。平均电源功率为P＝U最大/T＝Q2/2CT，其中T是收集能量花费的时间。在图3B的实例中，用1V电源为可变电容器120充电。

本公开中的任何内容均不将实施例限制为用于电荷移位的任何一种配置。例如，在另一个实施例中，膜265是绝缘材料，其浸渍有带电粒子，该带电粒子随后不能沿着该膜运动。在这种情况下，膜振动将诱导电流流动，而不需要电压源。如下所述，该实施例可由来自邻近电极的电流隧穿或由膜上的固定电荷引起的可变电容来控制(即，内部极化的实施例)。另外，如在下文的其他实施例中，感应电流可为固定存储电容器充电或为电阻负载供电。

图4示出了另一个示出能量收集电子电路的图。该电路被复制了三次(图4A、图4B、图4C)以示出其三种不同的功能[3,4]。该电路具有一个电压源(例如，电池105)，一个可变电容器120(包括第一电容器极板135A和第二电容器极板135B)，两个二极管150A、150B，开关153，一个作为第一负载部件连接的固定存储电容器175，另一个包括一个电阻器199的切换负载电路，以及连接至地118的电流表195。第一电容器极板135A可处于固定位置，并且第二电容器极板135B可以是可移位的，诸如上述的膜265。在利用将膜用于电容器极板135B的实施例中，膜的第一表面125A面向第一电容器极板135A。膜的第二表面125B与第一表面125A相对。

图4A的顶部电路图示出了流到可变电容器120上的初始电荷。电流仅沿电路左侧所示顺时针方向流动—从电池105到可变电容器120，穿过二极管150A 并回到电池105。为电容器充电所需的能量U为U＝0.5C最大V，其中C最大是可变电容器120的最大电容，V是电源105上的电压。该能量来自电源105。该电路(示出了初始电荷(图4A中的顺时针方向))在可变电容器120的极板135A、135B之间的第一距离(d)处建立了初始电荷。用图4A的顺时针电流示出的电路的左侧还建立了电容性区域141可实现的最大电容C最大。在电容器极板135B移位的给定周期中，电容器极板135A、135B彼此定位得越近，将在极板之间获得的电容就越大。

在如图4B所示的中间电路中，外力使可变电容器120的一个极板135B远离另一侧(即，远离第一电容器极板135A)移动，从而将总电容减小到C最小。较小的电容器保持较少的电荷，因此多余的电荷必须沿错误的方向穿过电池105(对其进行再充电)流出可变电容器120。该多余的电荷必须从另一侧离开电池105，然后流到电路中间的固定存储电容器175，穿过开关153，穿过第二二极管150B并回到可变电容器120，以完成电路。该电荷流将电荷存储在固定存储电容器175上。每次重复循环，都会在固定存储电容器175上放置额外的电荷。

一旦固定存储电容器175足充电，开关151就可以向右翻转，并且固定存储电容器175可用于向右侧的电路供电。在这种情况下，电流流过电阻器199，然后穿过电流表195以测量可变电容器电路收集到的电荷量。所示表中的以下公式可用于说明图4A至图4C的电路中存在的电流和电荷变化。

表1

表2

表3

图5至图10示出了当第一电容器极板135A是如图1B所示的扫描隧道显微镜(STM)的尖端138A时使用图4A至图4C所示的电路布局得到的数据。本公开中的任何内容均不限于由STM尖端构造的任何可变电容器极板，并且本公开包括可变电容器120，该可变电容器120具有以其他连接设备的任何功能形状和/或部分形成的任何金属触点构造的极板135A、135B。然而，在一个非限制性实例中，扫描隧道显微镜(STM)包括金属尖端138A，该金属尖端138A由导电材料制成并且构造为将电荷载流子传输到接收表面和/或从接收表面接收电荷载流子，如本文所讨论的。如图1B的实例中所示，STM将尖端138A以近距离(在某些情况下仅为埃)定位在样本(在该实例中为膜265)之上。实际上，距离是如此之近，以致于STM的用途之一就是跟踪拓扑中的原子级变化，该变化可通过在光栅过程中扫描样本之上的尖端来进行映射。在STM的标准用途中，当在x-y平面上扫描整个样本时，可在z轴上调整尖端到样本的距离。在STM的尖端138A和样本之间施加电压，其中该尖端具有限定的形状，在某些非限制性实施例中，该形状逐渐变细为导电金属的原子宽尖端，如图1B中的尖端138A的金字塔形状所示。除了扫描隧道显微镜(STM)的标准用途之外，在本公开的上下文中，STM的用途包括但不限于如上所述相对于膜265定位在固定空间中的固定式STM。尖端138A和样本(在这种情况下为膜265)之间的电子隧穿产生电流，该电流可保持在控制电源105的反馈环路中。在用于扫描隧道显微镜(STM)的一个非限制性实施例中，还可设置STM以将尖端放置在样本(即，膜265)附近并在施加到STM的许多设定点电流处测量电荷累积的变化。然后使用可变电容器上电荷累积的变化来确定样本中量子态的能级(即，测量样本中原子级事件的能级和电荷可用性)。图5至图10示出了在STM尖端138A用作第一电容器极板135A的情况下，如上所述，STM的设定点电流的不同设定点可用于测试振动膜的功率收集能力。在这些实例中，可变电容器120包括由STM尖端138A构成的第一电容器极板135A和由膜265或其一部分构成的第二电容器极板135B，该膜265或其一部分在该实例中为石墨烯。更具体地，并且在不将本公开限于任何一个实施例的情况下，第二电容器极板135B包括膜265的第一表面125A，在该第一表面125A上收集电荷。而且，在又一个非限制性实施例中，扫描隧道显微镜(STM)的尖端138A扫描膜的表面，并且收集有关可变电容器上的电荷以及由于在膜265的窗口区域264处的电荷而产生的能量的数据，其中构成整个膜表面的窗口区域264可具有预先确定的个体化原子尺寸。假设在某些实施例中，STM尖端138A相对于膜265是固定式的，则可分析出最接近的窗口区域具有比在膜的远离尖端138A的部分处的窗口区域更大的尺寸。在其他实施例中，可通过统计分析出远离尖端的窗口区域264对整个收集操作贡献较少的电荷。可通过相对于膜265的策略性尖端定位来预先计划所考虑的窗口区域的尺寸以及从每个窗口区域收集电荷。STM和膜265设置的一个非限制性目标是控制在尖端和膜之间形成的可变电容器120上的电荷累积，并提供给通过收集和/或利用该电荷累积来进行供电的负载部件。

图5示出了可变电容器120上存储的电荷(以纳米库仑为单位)，该电荷来自独立式石墨烯膜265的动能并随收集时间(以秒为单位)变化。每条迹线都是在不同的STM设定点电流(以纳安为单位)处获取的，并且遵循以下方程式：

图6示出了可变电容器120上存储的来自独立式石墨烯膜265的动能的能量(以皮焦耳为单位)随收集时间(以秒为单位)的变化。每条迹线都是在不同的STM设定点电流(以纳安为单位)处获取的，并且遵循方程式：

能量＝Q²/2C

图7示出了可变电容器120上存储的来自独立式石墨烯膜265的动能的电荷(以纳米库仑为单位)在50秒的收集时间内随STM设定点电流(以纳安为单位)的变化。斜率和截距等于数学表达式中的项。

图8示出了可变电容器120上存储的来自独立式石墨烯膜265的动能的电荷(以纳米库仑为单位)在100秒的收集时间内随STM设定点电流(以纳安为单位)的变化。斜率和截距等于数学表达式中的项。

图9示出了可变电容器120上存储的来自独立式石墨烯膜265的动能的电荷(以纳米库仑为单位)在200秒的收集时间内随STM设定点电流(以纳安为单位)的变化。斜率和截距等于数学表达式中的项。

图10示出了可变电容器120上存储的来自独立式石墨烯膜265的动能的电荷(以纳米库仑为单位)在500秒的收集时间内随STM设定点电流(以纳安为单位)的变化。斜率和截距等于数学表达式中的项。

图7至图10是根据以下公式建立的：

总体而言，本公开的图4至图10是用于将电荷存储在固定存储电容器175中的能量收集布置的非限制性实例。在其他实施例中，当图4的电路与STM结合使用时，该电路也构造为测量动态的原子级事件中涉及的能量。能量分辨率可为至少一飞焦耳(femto-joule)。以上关于图3B所述的测试电路示出了如何将负载部件附接至本公开的可变电容器120并测量原子级电荷转移以针对改变样本对环境物理现象的动力学和热力学响应的事件进行建模的一个实例。

由于对本公开的可变电容器120进行建模的新方法，图11扩展了图4至图10的非限制性电路实例中所示的概念以在多种应用中更广泛地使用。在图4的图示中，图4中的整个电路设备100的可变电容器120区段实际上是在STM腔室内。可变电容器120的一侧是STM尖端138A，可变电容器的另一侧是独立式石墨烯膜265。STM尖端138A连接至电源105的正极，这使尖端经受恒定电流，该恒定电流由控制电源105的反馈环路保持。当独立式石墨烯膜265振动以建立波纹271时，石墨烯膜265和附近的金属电极(STM尖端138A)之间的距离(图3A，参考“d”)将自然地变化，因为相应波纹在波峰286和波谷289之间切换位置。在膜265和金属电极138A之间的最近距离处，电容将是最大的，约1飞法拉(femto-farad)。在可变电容器120的极板135A、135B之间的最大距离处，电容将是最小的，约0.1飞法拉。当负载部件175、195、199以允许可变电容器跨负载部件循环地放电的电路配置(即，具有示例性二极管)连接至可变电容器时，电容的这种变化是功率收集的一种来源。

如所提及的，图4的电路连接至扫描隧道显微镜(STM)。独立式石墨烯是样本，因为其性质会导致石墨烯始终处于运动状态[5]，加热石墨烯还会引起机械屈曲[6]，并且每一波纹都会自发反转其曲率[7]。另外，已经独立地预测，可以收集纳米结构的石墨烯的热运动以便为1nm×17nm的条带提供10皮瓦的连续功率[8]。

对于测试实例，在图11和图12中，本公开示出了在定制修改的

低温、超高真空系统中使用STM的结果[9]。具体地，至独立式石墨烯膜265样本的电连接225与系统隔离，并且可以连接至STM腔室219的真空外部的能量收集电子电路100。上文示出硬件实例的图3B中也对此进行了说明。如上文所讨论的，针对具有STM尖端138A和形成可变电容器120的极板135A、135B的石墨烯膜265的STM设置，可以计算可变电容器120的最小和最大电容。应当注意，经由反馈控制电压电源105到STM尖端138A建立STM的设定点电流，以将可变电容器120充电到第一电容水平(C)。如下所示，石墨烯膜265和尖端138A之间的距离(图3A，距离“d”)变化引起可变电容器120电容的相应变化。当尖端和膜最接近时，两者之间的电容为C最大，并且当尖端和膜相距最远时，可变电容器120表现出其最小电容。可通过实验确定用于特定应用中的基本电容C，因为“C”取决于所选STM设定点电流以及STM尖端138A相对于膜265处于固定位置的运动范围。以下信息解释了图11的部件之间的关系，从而导致可变电容器120上具有特定的特性。

在可变电容器120的电容增加阶段内，当膜265和STM的尖端138A足够接近时，如在膜谷值时段289内，石墨烯膜265加载电荷Q直至Q最大。先前关于图4A所描述的该事件中，电荷被迫跨过二极管150A，这也由图11中的箭头示出为跨过二极管150A的顺时针电流。图4A的电容减小阶段发生在将可变电容器极板135A、135B分开的膜265中形成波峰286期间，并且石墨烯膜265将电荷Q最大降低到Q最小，回到STM。在图4A的实例中，借助二极管150A、STM的设定点电流和保持设定点电流的反馈控制电压源105，电路中可用的电荷量稳定到恒定值Q最大，并且在图4A的电路上的电荷通过膜的波纹效应来输送，而不是仅仅依靠将电压源中的电动力学作为电路中唯一的动力源。毕竟，在图4A的电路中，跨膜的波峰286和波谷289的相同周期内，电压源被不断地补充和再充电。膜正在图4A的电路中起作用。

图11更详细地解释了在图4A的电路中起作用的电现象。在图11的电路中，可变电容器120在高电容和低电容之间循环，并在膜265上产生波纹效应。在膜和STM尖端非常接近的谷值时段内，可变电容器构造为存储电荷直至Q最大。当在膜波纹的峰值时段内可变电容器120的电容减小时，正负导向的电流被迫从STM尖端138A流出，回到电池105中，并且还如图4A所示，二极管150A允许电流仅在一个方向上流动。图11说明了当将能量收集电路与STM一起使用时，发现了一种新的能量收集机制。当独立式石墨烯膜265移动以形成波峰286和波谷289时，第一电荷收集机制来自尖端-样本结138A、265的随时间变化的电容，如上文已经讨论的。第二电荷收集机制来自尖端138A和样本(诸如但不限于石墨烯膜120)之间通过量子力学隧穿的电子。当尖端-样本间隔波动时，隧穿电流的幅值也会波动。该第二机制来自隧穿理论[10]。然而，类似于可变电容，当热力将样本265从尖端138A拉开时，正是热力在起作用以使电荷移动。这是运动的能量收集阶段。利用现有的热能和振动引起的膜的波峰和波谷提供了向本公开中描述的电路添加能量并从而在不仅仅依赖于存储在电池中的或由另一外部电压源提供的功率的情况下移动电荷的途径。

使可变电容器的极板之间的距离足够接近以提高电子隧穿的可能性，增强了能量收集信号。换句话说，可以调整尖端138A在尖端的z轴相对于跨样本265的x-y轴的已知运动范围内的初始位置，以确保在给定条件下的电荷隧穿。

还通过跨电路部件的规划路线泄漏电流的可变电容器120可被建模为图11的等效电路，其中如图所示，可变电阻器133和可变电容器120并联连接在一起。对于图11的实例，电容器和电阻器都是可变的，并且跨每一者的电压相同。

本公开示出，通过波纹效应对膜265的作用而可用于收集电荷的总电流I来自可变电容器120(Ic)和可变电阻器133(隧穿—I_R)两者。从根本上讲，这是由于可变电容器和可变电阻器并联在一起的模型所致。在各种限制下，可变电容器的静电或隧穿电流支配着能量收集。在非常近的距离处，隧穿将占主导地位。典型但非限制性的STM设置就是这种情况。利用现有的热能和振动引起的膜的波峰286和波谷289提供了在不需要消耗作为系统中唯一电源的电池105的情况下将电荷移动到固定存储电容器的途径。

图12A示出了图11的实施例，但是具有作为负载装置的电流表195，该电流表195还与第二二极管250B串联连接，该第二二极管250B引导电流回到可变电容器的第二极板135B(例如，样本或膜265)。在图12A的实施例中，通过在真空STM腔室219内使用STM尖端138A作为第一电容器极板135A并使用石墨烯膜265作为第二电容器极板135B而再次形成可变电容器120。至膜的电连接225可在腔室219外部，以在连接二极管250A、250B时使用。电流表195可实时测量电流，而电流又可用于显示可变电容器120上的电荷累积、可变电容器120上的电荷存储容量以及可变电容器120上存在的能量。这些测量可在考虑样本的原子级事件期间进行，所述样本可以是上文讨论的膜265。值得注意的是，图12A表示本公开中的第一张图，通过该图，负载装置(诸如电流表195)与可变电容器120和充电二极管250A直接并联连接，而无需开关将负载充电电路(图4A、图4B)和放电电路(图4C)分开。图12A的正电流方向将在样本或膜265的谷值时段内(即，给可变电容器充电)与图4A的正电流方向相匹配，然后在膜使可变电容器放电的峰值时段内与图4B相匹配。可变电容器120(用于收集电荷的第一机制)的充电和放电与关于图11所讨论的可变电阻器效应(用于收集电荷的第二机制)协同工作，以向负载部件提供电荷，该负载部件在图12A中是电流表195。因此，图12A的电路配置在最大电容时段内(即，膜波谷使膜更靠近尖端)跨电池200沿第一方向提供电流路径，然后在最小电容时段内(即，膜波峰使膜远离尖端)跨电流表195提供第二电流路径。以这种方式，导致上述波纹效应的膜的振动允许可变电容器120将电荷移动到可变电容器120的极板135A、135B上和从所述极板上移出电荷以切换电流方向。结果是，作为用于能量收集的第一机制进行操作的可变电容器提供了交流电源。

在图12B中示出了针对在100秒收集时间内跨电流表195的电流，用于能量收集(来自可变电容器120的电荷)的第一机制的电流响应。图12B中所示的电流说明了在用于独立式石墨烯膜265样本的时间段内，跨可变电容器120存储和发射的电流。图12C示出了第二机制，该第二机制可用于通过跨可变电容器120的电荷隧穿提供的系统中的额外电流来进行能量收集，并且如上文指出的，该第二机制可被建模为STM的尖端(或本文所讨论的任何其他金属电极)和膜265之间的隧穿电流。跨可变电容器120的电荷隧穿与一个非限制性实例的STM被设计成在显微镜的尖端的稳态操作中进行跟踪的设定点电流成比例但不相同。图12C和图12D示出了当独立式石墨烯膜265用作样本和第二电容器极板135B时的差异。换句话说，本公开的实施例说明了对于所考虑的不同应用和条件，可以将STM尖端138A用作第一电容器极板135A，并且将固有地经受热力和振动引起的动能的膜用作第二电容器极板135B。系统上的环境力，包括但不限于热能和由周围结构(诸如分层配置中的支撑柱210、膜基板258)引起的振动，可以提供将电荷移入或移出系统所需的能量。总体收集的电荷累积包括来自可变电容器120的电荷和可用于通过跨可变电容器极板135A、135B隧穿的载流子进行收集的额外电荷，如用图11的可变电阻器133所建模的。在一些实施例中，隧穿电荷支配着可用于收集的总平均电荷，并且隧穿电荷通常与STM电压源的设定点电流成比例，如图12D所示。

可以通过选择适当的STM设定点、STM尖端位置、STM尖端相对于相反的电容器极板的运动范围以及膜265来调节能量收集的范围。如图2所示，可通过为膜265选择特定的网格基板258、为网格选择开孔或单元大小以及膜上的任何压缩力，来选择和/或设计膜以实现期望的波纹形成(例如，波峰和波谷之间的距离)。这些因素可用于建立一个系统，该系统提供跨系统的收集电流，该电流围绕隧穿电流值而波动，并且在膜中形成波峰和波谷。图12C示出了在与图12B相同的100秒收集时段内跨电容器的隧穿电流的一个实例。如图12D所示，来自STM的设定点电流是STM努力保持的稳定值，并且该设定点电流的标准偏差接近于零。对于隧穿电流机制，示出了相同的零偏差，该机制是上述任何收集操作的第二部件。还值得注意的是，如图12B所示，从可变电容器120发射的电荷电流主要集中在图12C所示的隧穿电流值周围。同样，图12C的该隧穿电流值与STM的设定点电流直接相关。最后，图12D中所示的曲线图说明，随着STM设定点电流的增加，可用于从可变电容器120的发射电荷中收集的电流值的标准偏差要大得多。这些特性可用作设计具有本文所述电路的收集系统或能量感测系统的数据点。测试结果表明，对于图12A的电路，当尖端138A距样本为2nm或更近(即，膜265)时，隧穿电子电流(在图11中建模为可变电阻器133)占主导地位。当尖端距样本为2nm或更远时，可变电容项占主导地位。

图12A至图12D中阐述的部件的布置进一步说明了利用内部极化部件或外部极化部件来极化图4A的充电电路的选择。在图12A中，电压源200作为外部极化装置连接，其不仅将电荷插入到电路中，而且还影响跨二极管250A、250B的电流方向以及可用于插入到可变电容器120上的载流子的总能量。在其他实施例中，根据本公开的产品可构造为在从电路移除电压源200并且剩余的部件连接至用作第一电容器极板138A的金属电极之后可操作。在这种情形下，电压源会在移除电压源之后向保留在其中的电路提供电荷，从而使得电路在使用期间没有连接直接电压源的情况下被电荷预极化以与样本一起使用。

图12E、图12F和图12G示出了当隧穿电流支配着如本文所述的电路时起作用的物理现象的更多细节。这些曲线图示出了当系统由隧穿支配时流过二极管250B的电流。重要的发现是，当样本为独立式石墨烯时，电流会在相当大的程度上波动。当样本是刚性的时，那些波动就会消失。

波动的度量由标准偏差(st.dev.)给出。下方的曲线图显示了独立式石墨烯比刚性石墨烯的标准偏差如何大得多，并且该标准偏差随设定点电流呈线性变化，如上述理论所示。通过外推，这条线的隧穿电流为零，波动仍然持续并且给出约10pA的值。该10pA的电流可用作电源。隧穿电流根据以下公式支配着电路：

I_ΔT(t)＝I_stme^-kΔd(t)

图12H、图12I、图12J示出了当可变电容器是电路中的主要能量来源时起作用的物理现象的更多细节。这些曲线图示出了当系统由可变电容器120支配时流过二极管250B的电流。没有电子从尖端138A流到样本265，但是静电感应力使电流产生。重要的发现是，电流仅流过二极管250B，这是因为独立式石墨烯膜265一直在移动并且有电压源对其充电。下方的曲线图显示了电流与电压的关系。而且它与上文的理论相匹配。所有这些电流都可用作电源。可变电容器根据以下公式支配着电路：

图13至图16示出了从图4、图11和图12A的系统收集的数据，从而认识到能量和存储的电荷来自上述两种机制—可变电容器放电和跨可变电容器的隧穿电流。图13示出了相应的在存储电容器上累积的来自独立式石墨烯的能量(以皮焦耳为单位)随能量收集时间(以秒为单位)的变化。图14测量了在存储电容器上累积的来自独立式石墨烯的电荷(以纳米库仑为单位)随能量收集时间(以秒为单位)的变化。示出了不同的STM电流设定点0.1、0.2、0.4和1.0纳安。图15示出了所测量的在存储电容器上累积的来自独立式石墨烯的电荷(以纳米库仑为单位)随能量收集时间(以秒为单位)的变化。同样，示出了不同的STM电流设定点0.1、0.2、0.4和1.0纳安。图16示出了所测量的在存储电容器上累积的来自独立式石墨烯的能量(以皮焦耳为单位)随能量收集时间(以秒为单位)的变化。不同的隧穿电流设定点0.1、0.2、0.4和1.0纳安。

图17A和图17B是具有潜在地数百万个能量收集元件(225)的基于硅的集成电路400的示意图。该设计仅具有一个电源200和一个存储电容器275。第一路径(用虚线“----”表示)是电流向石墨烯膜添加电荷时，第二路径(用点“····”表示)是电流向固定存储电容器275添加电荷时。硅具有二极管对250的阵列，在每对二极管之间具有金属触点225。金属触点225用作系统的上述能量收集元件。在金属触点225上方是独立式石墨烯265，它处于恒定运动状态，从而如上所述形成了波峰286和波谷289。当石墨烯膜振荡时，每个小电极225将用于把电荷输送到存储电容器275中。这是一种用于在纳米级上收集能量的方法，其中有数百万个石墨烯波纹，每一波纹都向电容器贡献电荷。

出于说明的目的并且不将本公开限于任何一种配置，图17A和图17B的实施例值得注意的是，触点225A至触点225I(或最多225n，其中n是任意数量的触点)用作可变电容器120的交通方向点，以便根据先前描述的实施例进行充电和放电。覆盖基本部件的石墨烯膜265可用作第一电容器极板335并且金属触点225可用作第二电容器极板235以形成可变电容器120。该膜可覆盖如图所示的整个电路，或者至少覆盖金属触点225以形成可变电容器。关于由于引起膜265的环境热能和振动动能而产生的膜265的波纹，该可变电容器120的操作与以上实施例相同，从而使电容器极板之一移位然后返回(循环地发射并存储电荷)。所述循环导致相应的金属触点225上的电荷变化，使得当金属极板225和膜265之间的电容性区域在极板之间的距离增加时，在金属触点上收集的电荷朝着存储电容器移位，以用于收集。当可变电容器120的极板235、335之间的电容性区域最小(即，在波纹谷值期间极板最靠近)时，电容性电荷处于C最大，并且电荷收集在金属触点235上。在针对集成电路400示出的实例中，在石墨烯膜265的窗口区域中的峰值波纹时间内，收集到金属触点上的正电荷载流子被引导到存储电容器中，以使电流沿向上箭头的方向流动(即，对固定存储电容器275充电)。在石墨烯膜265的窗口区域中的谷值波纹时间内，正电荷载流子被进一步收集到金属触点上，而负载流子被引导到石墨烯膜265上，以使电流沿向下箭头的方向流动(即，对电压源200充电)。

图17B示出了图17A所示的集成电路的横截面的侧视图。分层集成电路400包括上述电压源或电池200、固定存储电容器275以及形成在诸如但不限于硅晶片205的基板中的收集电路。独立式膜265形成在该结构之上，并且在该非限制性实例中，该膜由石墨烯制成。二极管250形成在硅晶片基板205中。支座支撑件210确保适当的分离并且是热能以及动能环境能量的来源。独立式石墨烯膜265具有相同的上述第一表面125A和第二表面125B，其中第一表面用作电容器极板335。硅晶片包括金属触点225，该金属触点是如上文讨论的另一电容器极板235。在某些不限制本公开的实施例中，独立式石墨烯膜265可以合并到网格258中，该网格限定了窗口区域，以在形成本文所公开的可变电容器时与金属触点配对。

可将许多计算机化部件合并到本公开的所有实施例中，并且具体地，STM将包括处理器、存储器和计算机化指令以执行如在图1B中作为计算机180所描述和示出的扫描功能。可将其他计算机与STM结合使用，并且本公开包含所有必需的处理器、硬件、存储器装置、可编程接口等，以实现本文档中阐述的实施例的目的。

实例

爱因斯坦的布朗运动动力学理论使得量化地球热能的巨大可再生资源成为可能[E1]。在每个液体和气体原子和分子的无规抖动运动中都可以找到这种能量。使用扫描隧道显微镜(STM)已经观察到这些原子级的噪声振动[E2,E3]。当经由随机共振耦合时，它们已被用来在机械振荡器中引起规律的运动[E2]。此外，还实现了具有单个布朗粒子的卡诺循环，并显示该循环遵循随机热力学框架[E4,E5]。然而，从这种运动中收集能量一直难以捉摸[E6,E7]。为了收集热能，历史上一直使用热电效应。此处，所收集能量的量与导电材料两端之间的温差成比例。科特瑞尔(Cottrill)等人最近对此概念进行了创新性扩展[E8]。使用石墨烯、金属泡沫和十八烷，将大面积的高导热材料与相变材料结合在一起。这减慢了热量的传递，并产生了与昼夜循环相关的永久热梯度。

费曼(Feynman)在1964年的演讲系列中，驳斥了从布朗运动中获得有用功的可能性。将近三十年后，马尼亚斯科(Magnasco)证实，虽然费曼是正确的，但他的机器浸没在理想的热浴中，在这种情况下，时间相关性可忽略不计。马尼亚斯科随后证明，如果热浴具有长期相关性，则可以起作用[E7]。从那时起，具有长期相关性的系统的热力学已成为活跃的研究领域。例如，理论上已经显示，此类系统在不违反热力学第二定律的情况下会产生多余的热量[E9]。在此手稿中，前三幅图表明2D波纹状膜的运动具有长期相关性，这是由于多体效应所致。最后一张图显示，这种新型的热运动大到足以做有用的功。

新的研究已经发现，独立式二维(2D)材料为获取有组织的振动能量源提供了广阔的前景。这些结晶膜具有牢固结合的互连的晶格结构，所述结构自然会产生数千个原子的相干运动[E10]。例如，未拉伸的独立式石墨烯(一种这样的2D材料)呈现出波纹状形态，其中相邻区域在凹曲率和凸曲率之间交替[E11]。纳米级的波纹是当石墨烯弯曲时石墨烯的强碳键细微拉伸之间的耦合[E12]和电子-声子耦合[E13]的结果。此外，这些原子膜在大量等效的、低能量的、波纹状的形态配置之间不断变化[E14]，其外观类似于海洋表面的运动。当波纹的局部曲率从凹面自发反转为凸面时，就会发生关键的动力学过程：随之而来的晶格应变将波纹的新取向传达给附近的其他波纹，从而形成了随机反馈网络[E15,16]。了解这些复杂的动态特性对于从独立式石墨烯和其他2D材料中收集热能至关重要。

在这项研究中，研究人员证实，波纹状的独立式石墨烯膜表现出相干运动，并且证明了其集体动能的收集(参见材料和方法的补充材料)[E17]。图18(a)中示出具有多个凹波纹和凸波纹的独立式石墨烯的简化晶体模型。安装在压电管扫描器末端的偏置STM尖端从下方接近膜(STM未示出)。图18(b)中示出针对从石墨烯中心获取的STM测量高度的典型时间序列。应当注意，与典型的0.01nm原子褶皱和图18(b)中的零高度位置所示的刚性石墨烯的测量值相比，观察到的运动非常巨大。计算出针对该数据集的等待时间概率分布。它遵循简单的指数(r2>0.995)，将其标识为泊松过程。即使在膜高度发生了显著变化时，同时测量的隧穿电流(图18(c)中示出)仍远高于零且远低于放大器饱和。因此，证明了对其运动的成功跟踪。发现与膜高度波动的影响相比，隧穿电流波动对尖端-样本距离变化的影响可忽略不计。另外，所测量的高度和隧穿电流之间的互相关系数的绝对值被确定为小于0.01。

这项工作的一个目的是表明，与刚性石墨烯相比，独立式石墨烯会发生大规模的波动。为了将这些波动与整体漂移隔离开来，研究人员向原始数据提供了一个低通维纳滤波器，从而产生图18(b)所示的拟合线。减去漂移后的结果，总的高度波动保持为约5nm。为了进行比较，还示出了从刚性样本(即，在SiC上生长的单层石墨烯)获取的典型STM迹线。在以前的工作中，研究人员在大约10％的原始STM高度-时间数据集中观察到两次高度自相关[E14]。此处，研究人员表明，时间相关性通常隐藏在大规模的高度变化中，因此需要减去背景以变得明显。根据图18(d)所示的高度-时间序列z(t)，研究人员计算出其高度自相关函数ACF(参见材料和方法的补充材料)，如图18(e)所示。大的高度变化和振荡的ACF证明了膜中原子的显著相干的集体运动。实际上，单键碳原子在物理上不可能移动那么远，并且相邻的原子也不会随之移动。图18(f)中示出z(t)的功率谱密度PSD。它的主峰值在5-10mHz附近，远低于GHz范围内独立式石墨烯的基本振动模式[E18]。下一节讨论导致这种令人惊讶的低频(其主导石墨烯的大相干运动)的原因。

对于典型的10nm×10nm的波纹，弹性理论产生的挠曲频率约为10GHz，比实验结果高十二个数量级(参见用于屈曲的独立式石墨烯的弹性理论的补充材料)[E17]。出现这种差异是因为需要较长的逃逸时间才能超过凹波纹取向和凸波纹取向之间的能量势垒[E18]。为了证实波纹的有组织运动，研究人员在真空中对预屈曲的方形石墨烯膜(15×15nm2)进行了分子动力学(MD)模拟。样本包含10 000个具有固定边界的碳原子，没有STM尖端(参见分子动力学模拟的补充材料)[E17]。图19(a)中示出呈凸几何结构的膜的快照。中心原子在高温(3000K)下以3×106个时间步长(每fs 1个)的运动显示出高度在图19(b)中的固定边界上下波动。高温用于通过温度加速动力学来加速模拟[19]。此处1ns对应于约1ms。虽然MD模拟的时间尺度与STM实验的时间尺度不同，但研究人员确实发现，波纹曲率事件都包含类似的反转动力学，而与时间尺度无关。无规运动导致从固定边界上方到下方的大量曲率反转。图19(b)中所示的高度-时间序列z(t)用于计算其自相关函数ACF，如图19(c)所示。它显示出与实验中观察到的振荡类似的衰减振荡。图19(d)中示出z(t)的功率谱密度PSD。可以看到一些主要的低频峰值。因此，石墨烯膜的复杂内部动力学自然会导致低相干运动，并具有类似于STM数据的两次高度自相关。

MD模拟显示，波纹动力学符合双阱势能中的运动且具有较长的逃逸时间。整个膜从凸面到凹面相干地移动。应当注意，在模拟中，边界原子是固定的，并且样本受到了预应力，而波纹的实际边界是另一个波纹，这会通过晶格应变影响内部动力学。然而，已经显示无应力的独立式石墨烯会自发形成波纹[E12]。另外，电子-声子耦合会产生应力，从而产生屈曲和波纹[E20]。为了进一步证实实验结果并深入了解这些转变的复杂动力学，研究人员还将石墨烯建模为点质量的弹性膜。这些代表六边形晶格上的波纹，每一波纹都经受随机的向上或向下的力。后者是由波纹之间经由反铁磁相互作用的二态自旋产生的耦合所引起的。当点大小的质量满足牛顿第二定律时，根据格劳伯的类似蒙特卡洛的更新，二态自旋通过热浴交换能量并翻转[E15,E16]。此处，自旋模拟了促进非平面配置的内部相互作用：电子-声子耦合以及多种化学键的作用[E12,E13,E20]。参见反铁磁2D自旋膜模型的补充材料[E17]。

因此，STM数据与MD模拟和反铁磁自旋弹性膜模型一起证实了波纹状的独立式石墨烯膜表现出相干的集体运动。在这一节中，研究人员证明了可以利用这种运动产生电流。有四种已知用于从振动源中收集电能的方法：电磁、压电、磁致伸缩和静电。研究人员通过将STM尖端-样本结合并到电子电路中，通过可变电容效应来利用静电。据所知，这种类型的电路以前从未附接到STM。为实现这一目标，首先对系统进行了定制，以将STM样本与腔室的其余部分以及与地面电隔离[E21]。真空馈电通允许从腔室外部访问样本。这种不寻常的电路[E22、E23]最初被开发为一种超高效率的、可变电容的机器，用于在由风力或人力驱动时产生电力。该电路使用二极管将向可变电容器添加电荷时所做的功与从可变电容器中去除电荷时所做的功分开[E22,E24]。STM尖端-样本结是电路的可变电容器。

为了清楚地说明电路，研究人员忽略了电子在尖端和样本之间的隧穿(参见隧穿期间的振动能量收集的补充材料)[E17]。此外，研究人员将讨论限制在一个振动周期，在该振动周期中，样本首先从固定式STM尖端移开，然后返回其原始位置。随着尖端-样本距离d(t)的增加，所述结的电容减小。对于恒定的偏置电压，在尖端-样本结处存储的总静电荷必须随着电容的减小而减小。因此，随着尖端-样本距离的增加，多余的正电荷会从尖端流出，并通过电路向后移动到电源中，穿过记录电流的电流表，穿过二极管2并到达样本上。如果电源是可再充电电池，则在此循环期间将对其再充电[24]。必须意识到，在循环的这一部分中完成的工作量不是由电池驱动的，而是由将样本与尖端分开、克服它们的静电吸引的力(例如，风、人或在此情况下的热)驱动的。应当注意，流过二极管2的电流(D2C)已用于对电容器(未示出)充电，因此能够存储收集的电流。

在循环的另一半期间，随着尖端-样本距离的减小和电容的增加，尖端-样本结处存储的总电荷将增加。现在，电荷流过二极管1，而不流过电流表。电源在循环的这一半中消耗的能量在(上文所讨论的)循环的另一半期间被重新供应。对于此电路，电源在与系统进行的净能量交换中不起任何作用[E23]。

STM反馈电路有可能通过将STM尖端移离样本来为系统供应能量，这将导致D2C。研究人员通过在没有反馈控制的情况下收集数据来避免这种情况。为此，研究人员使用粗糙运动平台逐步将STM尖端从样本上移开，直到距离太远而电子无法隧穿真空势垒为止。在此位置，为确保STM反馈不会移动STM尖端，研究人员将设定点电流(SPC)提高到最大值(5或50nA)。接下来，研究人员增加了偏置电压，并系统地观察到不稳定的、随时间变化的电流流过二极管2。呈现了三种不同的偏置电压结果，表明电流随偏置电压增加。在显示大量数据集的平均电流的情况下，这种依赖性更加明显。这些结果与以下期望相符：增加的偏置电压将电荷添加到尖端-样本电容器结，从而增加了静电感应电流。研究人员在样本上的不同位置和许多不同的样本上用大量STM尖端重复了该实验。另外，研究人员发现，当使用刚性石墨烯样本时，可以获得所有电压的零感应电流或设定点电流。刚性石墨烯数据集还证实了不存在电子场发射，考虑到实验中使用的相对较低的温度和较低的电压，这是合理的。

能量收集演示有几个值得注意的方面。屈曲的集体动能被转换为存储的电荷，等于局部温度。所有其他热能收集方法(诸如热电效应)都是从温差中获取能量。另外，该方法从测量中消除了STM反馈电路，该电路将连续调整STM尖端位置以保持期望的尖端-样本距离并有效地使样本的运动减小到最低限度。由于STM反馈无法移动STM尖端，因此移动的独立式石墨烯的作用得以隔离和量化。因此，在该配置中，STM尖端仅用作附近的固定式金属电极。这表明，集成电路可代替STM尖端-二极管电路，从而打开了可扩展性的潜力。最后，该设置证明了即使在外部施加的电场的影响下，独立式石墨烯的动态特性仍然存在。而且，更重要的是，石墨烯的有组织的热运动和静电耦合足够大，使能量收集成为可能[E25]。更具体地，当石墨烯波纹从STM尖端翻转开时，克服尖端和样本之间的静电吸引所做的功是从该运动背后的热力得出的。二极管电路仅收集这种能量。

在此设置中，带电的石墨烯膜类似于带电的麦克风膜。使用上述电路，研究人员将移动电荷的集体动能转换为DC电流源。对于石墨烯，动能是其热能，而不是声压。热波纹的总机械功率估计为1pW/nm2[E18]，或约400pW/波纹[E26]。如果研究人员假设有效面积为50nm×50nm，则该值与在10V时发现30pA的感应电流相符。最终，通过独立式石墨烯中的电荷和STM尖端内的电荷之间的耦合(即，电阻尼系数)来驱动能量传递[E27,E28]。这种现象类似于再生制动。阻尼从独立式石墨烯中去除动能，这相当于降低局部温度。然而，即使在降低的温度下，波纹也将继续移动，因为在非常宽的温度范围内都可以使用其低能量模式。例如，电子迁移率测量表明，即使在低至10开尔文的温度下，弯曲声子也是主要的散射机制[E29]。当然，单个波纹温度不会降到那么低。石墨烯具有非凡的导热性，至少是铜的导热性的十倍[E30]。样本通过其机械支撑件与外部周围环境热连接，因此热量将流动。这种配置不处于热平衡状态；相反，它是一个稳态的开放系统。

虽然该设置收集的功率较低，但其功率密度却相当大，超过了风能(约1W/m²)和太阳能(约10W/m²)。另外，这种新的热源可以被连续地收集。静电发生器的另一个益处是它们的大小(参见晶片设计的补充材料)。与电磁发生器相比，不那么常用的静电发生器至少小100倍。这在为小型装置(诸如物联网所需的装置)供电时提供了显著的优势[31]。例如，采用现代电路设计的无线传感器节点以非常低的占空比工作，在待机模式下仅消耗35pW的功率，在活动模式下仅消耗226nW的功率[32]。

总之，使用点模式扫描隧道显微镜研究了独立式石墨烯膜的原子级波动的相关动力学。使用MD模拟和反铁磁自旋弹性膜模型，研究人员表明，波纹会自然反转其曲率，这时数千个原子相干地移动。测量表明，膜的平面外运动非常大。它的运动或有组织的布朗运动源自热能和波纹之间的相互作用，从而自然形成一个随机反馈网络。研究人员已成功地将这种巨大的动能转换为电流以进行存储。振动能量收集是一种来自环境温度的新的且令人兴奋的可再生能源来源。

材料和方法

为了进行这项研究，在Ni上商业化种植了单层石墨烯(少于10％的样本是多层石墨烯)。然后将其直接转移到2000目超细铜网格中，该网格表征为具有正方形孔(每个7.5μm宽)和杆支撑件(每个5μm宽)的晶格。扫描电子显微镜图像证实了网格覆盖率达90％。在室温下运行的Ο(Omicron)超高真空(UHV)低温STM(基压为10-10mbar)用于高度-时间测量。石墨烯膜朝着样本板安装在支座上，从而允许STM尖端靠近穿过网格的孔。当石墨烯处于偏置电压的静电吸引作用下时，这为石墨烯提供了稳定的支撑。为了找到膜的中心，研究人员横向移动STM尖端，直到研究人员找到铜网格的边缘，然后将尖端移动到中心。整个STM腔室都置于一个主动的、消除噪声的振动隔离系统上。它使用具有隔离建筑地面的大型电池组供电，以实现极低的机械和电气噪声。

使用在内部制造的STM尖端，利用恒定电流(反馈开启)隧穿条件来采集用于这项研究的数据，并且将形貌扫描设置为点模式(无x或y扫描)。研究人员已经在扫描模式下操作STM，但是独立式石墨烯的运动是如此之快，以致于得到的图像太模糊而无法使用。因此，该小组是第一个以点模式获取数据的小组。这些数据集显示了针对单个位置在时间上的高度波动。研究人员随后将数据集分析为一维随机行走事件，发现膜的运动非常嘈杂。即使在石墨烯和STM尖端之间施加50伏特，石墨烯也会继续移动。研究人员将该系统适配成允许16位数据连续记录实际隧穿电流和尖端高度两者，记录速率为800Hz，时间跨度为104s，每个通道产生8×106个数据点。研究人员独立地监测STM尖端-样本漂移，发现它是非随机的，并且速度小于1nm/hr。研究人员在涵盖几个数量级的隧穿电流(0.01–10nA)和偏置电压(0.01–10V)的固定成像条件下从多个膜采集数据，全部操作均在室温下完成。当用原子分辨率对石墨烯表面进行成像时，研究人员仅观察到在微米尺度之上无缺陷的单层石墨烯。

为了计算高度ACF，研究人员从图1(d)所示的z(t)开始，将其作为索引为1到N的高度值的数组，并计算：其中t从0开始编索引。该表达式通常称为自协方差函数，因为CF(0)是数据集前半部分的方差。为了计算功率谱密度，研究人员利用维纳-欣钦定理(Wiener-Khinchin theorem)并计算ACF(t)的傅立叶变换。

屈曲的独立式石墨烯的弹性理论

为了模拟低频振荡，研究人员首先使用了弹性理论，该理论产生了最低的挠曲频率，其中D、ρh、k分别为弯曲刚度、面质量密度和允许的波矢量。对于石墨烯的10nm×10nm波纹，fo＝10GHz，比观察到的频率高十二个数量级。该模型中缺少的物理量是已知的膜的波纹状形态。为了包括这一项，研究人员首先设想压缩石墨烯，从而由于本质上不可压缩的强碳键而形成波纹。出于说明的目的，图5(a)中示出在平面内压缩之后的石墨烯波纹的窄横截面。压缩的石墨烯将向上或者向下弯曲，因为其碳键具有很高的柔韧性。根据典型的20nm宽波纹的几何结构，压缩应变和高度之间的关系在图5(b)中示出。波纹具有两个等效的低能量配置，即凹面和凸面，从而自然形成了双阱势能曲线，如图5(c)所示。能量势垒给出为αε2，其中α是能量常数，对于0.1％的应变计算得出为αε2＝1.2eV，而ε＝(Lo-L)/Lo是压缩应变[E18]。波纹以克雷默(Kramer)速率穿过势垒，使其曲率反转。根据典型波纹的几何结构，研究人员发现αε2＝0.7eV，这使挠曲频率降低1012倍。一般来说，波纹形成会以指数形式降低弹性理论预期的挠曲频率。图5(d)中示出曲率反转过渡速率与波纹高度的关系。应当注意，随着波纹高度仅变化一埃，该速率跨越了一百五十年以上。

分子动力学模拟

为了证实波纹的有组织运动，研究人员在预屈曲的正方形石墨烯膜(15×15nm2)上进行了分子动力学(MD)模拟，该膜包含104个碳原子，其中边界原子是固定的并且没有STM尖端。模拟是在真空中完成的，并且在LAMMPS中使用AIREBO电势进行。使用Nosé-Hoover恒温器保持恒定温度，并且使用1fs的时间步长对运动方程进行积分。从初始配置开始，首先将系统平衡持续3.0ns。分析中使用了来自15.0ns生产运行的后续轨迹。高温通过温度加速动力学来加速模拟[19]。

反铁磁2D自旋膜模型

该模型进一步证实了波纹的有组织运动。研究人员考虑了放置在六边形晶格的节点上的点质量，这些点质量通过谐波弹簧相互作用。在每个位点，质量都线性地耦合到二态伊辛自旋。自旋是反铁磁耦合的。哈密顿量为：其中σij、uij、pij分别表示针对放置在图6所示的六边形晶格位点iiii处的质量m的自旋值、高度和动量。该系统的动力学由针对(uij,pij)的汉密尔顿运动方程和针对σij的温度TT下的随机动力学组成，更多的细节参见[E15,E16]。

如正文中提及的，自旋动力学模拟电子-声子耦合的效应以及碳的化学键的多重性[E12,E13,E20]。使用Verlet算法对质量位置的运动方程进行积分，该算法包括在位点ffσσiiii处作用在质量上的外力iiii(参见哈密顿量)。在每个时间步长，随机选择一个晶格位点；根据格劳伯(Glauber)版本的蒙特卡洛模拟，其自旋翻转具有概率[E16]：其中δ是设置自旋翻转的特征时间尺度的参数，T是以能量单位测得的浴温[E16]。在数值模拟中，时间步长为1/(δN)，其中N为晶格节点数。正文的图3所示的结果是使用系统中心部分处的点质量的高度生成的，这类似于STM实验。

隧穿期间的振动能量收集

与正文中呈现的结果相反，此处研究人员考虑了图S3(a)所示电子电路中STM尖端和样本之间的电子隧穿。尖端-样本结形成泄漏的电容器，因为电荷能够穿过真空势垒。因此，流过二极管2的电流具有两个可能的来源。一个来源是由于尖端-样本结的可变电容(如正文中所讨论的)，另一个是由于隧穿电流波动。这两个项相加得到以下表达式：

其中e0是自由空间的介电常数，A是尖端-样本电容性结的有效面积，f是波纹振荡的频率，Δd(t)是尖端和样本之间的距离变化，do是隧穿电流设定点距离，Vstm是施加到STM尖端的偏置电压，Istm是隧穿设定点电流(SPC)，并且k是隧穿波数。当尖端-样本距离为2nm或更小时，隧穿项占主导地位；对于较大距离，可变电容项占主导地位。

当STM正在隧穿时，这种设置可用于量化原子级动态活动的能量。这样做时，请务必注意，流过二极管2的电流取决于SPC。这在上文的方程式以及图S3(b)中的数据中都有显示。D2C的一部分是反馈电路起作用以维持恒定隧穿电流的结果。隧穿电流的波动导致反馈电路移动尖端，以试图将其保持为do。这些波动发生在高频处，其中由于寄生电容，电路的响应时间是限制因素。因此，当电流停止流过二极管2时，它以长时间常数放电。在D2C有时间明显减小之前，变化的隧穿电流已经再次到达二极管2。图S3(b)所示的结果与施加的偏置电压和反馈增益设置无关。研究人员还用Ge二极管和肖特基二极管测试了该电路，它们在较高的频率下表现更好。然而，它们遭受反向泄漏电流的影响，这减少了总的收集电荷。

当将独立式石墨烯与刚性石墨烯进行比较时，D2C的平均值相同，而标准偏差却相差很大，如图S3(c)所示。当SPC为100pA时，对于独立式石墨烯，D2C波动约10pA，而对于刚性石墨烯，其波动仅约0.1pA。随着SPC的增加，两种标准偏差都会由于样本加热而增加。尽管如此，对于独立式样本，波动的大小仍保持大了大约100倍。平均而言，反馈可以成功跟踪独立式石墨烯的运动，但不会立即成功。可将独立式石墨烯电流波动外推至零隧穿电流，并预测所述波动仍将贡献约20pA。

晶片设计

将STM用于应用程序是不切实际的。因此，本文中提出了基于晶片的设计。在图17A的俯视图中，小方块235的序列代表金属触点而不是STM尖端。在任一侧上形成二极管250以调节电荷流。使用支座将石墨烯265覆盖在此结构顶上，所述结构在侧视图中可以更清楚地看到。此设计使用两个电容器(200、275)。第一电容器(265、335)为石墨烯充电，并允许电荷来回穿梭，而第二电容器(275)存储所收集的电荷。图中描述的晶片设计示出了不限制本公开的实例。例如，基板不仅可以包括硅，而且还可以包括二氧化硅、碳化硅、砷化镓、柔性基板、柔性印刷电路、有机基板、有机电子器件或能够在基板内形成二极管的任何基板。

图21A至图21R示出了用于形成根据本公开的装置而不限制本公开的示例性程序，其中电子束制造步骤如下：

图21A.用500微米厚的4”<100>硅晶片开始制造过程；

图21B.使晶片氧化以建立指定的SiO2层厚度(例如，300nm)；

图21C.在晶片背面旋涂抗蚀剂并进行软烘烤；以5000rpm的转速旋转EL-6MMA，烘烤4分钟；在背面烘烤期间，晶片/块支撑在侧面上，以防止正面污染；

图21D.在晶片正面上旋涂抗蚀剂并进行烘烤/硬化；将CSAR 62在苯甲醚中1:1稀释，以5000rpm的转速旋转，烘烤4分钟；

图21E.将正掩模1与晶片的正面对准，并且用电子束暴露抗蚀剂涂层；在50keV下为300uC/cm²；

图21F.在晶片两面上形成正性抗蚀剂，检查并烘烤抗蚀剂；20秒乙酸正戊酯、15秒MIBK:IPA 1:3、IPA冲洗；然后进行O2等离子体除渣(在75W下30s，需要检查纳米O2等离子体蚀刻机中的其他设置)；抗蚀剂厚度：100nm(CSAR 62)；图案宽度：4μm；

图21G.用BOE对SiO2层进行图案化的各向同性湿法蚀刻；BOE 5:1，3分30秒；蚀刻后检查；抗蚀剂/氧化物厚度：>4,000A；放入BOE中时保持晶片湿润；

图21H.灰去除剩余的抗蚀剂(HC注意：我认为这将重新生长几纳米的氧化物，并可能在下一步骤中抑制蚀刻。我将在去除剂PG和丙酮中去除抗蚀剂，然后进行IPA冲洗)；规格：O2等离子体清洁/去除光致抗蚀剂；256W；0.3托；O2流量：220sccm；15分钟；清洁后检查；氧化物厚度：>3,000A；Dektak 3030轮廓仪

图21I.逐步各向异性湿法蚀刻硅至指定深度。蚀刻深度就像是建立期望的石墨烯/尖端间隙的关键设计/制造厂参数；规格：(所有这些都需要重新缩放以使用50mL的水制作电子束)；混合表面活性剂/水混合物，将550mg的Triton X-100与5.5升水混合；混合KOH/肥皂水混合物，将2000克KOH颗粒与5.5升水混合；将溶液的加热套加热至50℃；蚀刻晶片持续约15(TBD)分钟(约2,000A/分钟)，倾倒冲洗以及SRD；蚀刻后检查深度>14,000A；根据需要重复以达到深度；

图21J.对晶片进行轮廓分析以检查特征；测量硅蚀刻厚度：Dektak303轮廓仪；原生于沟槽：>6,000A(氧化物和硅蚀刻深度)；原生于尖端：>0

图21K.热氧化晶片以形成SiO2绝缘层，SiO2层的厚度可能是用于建立期望的石墨烯/尖端间隙的关键参数。规格：将晶片放入烤箱中，在800摄氏度下的N2气氛中持续30分钟；在1,100摄氏度下的O2气氛中持续332(TBD)分钟；在1,100摄氏度的N2气氛中持续5分钟，在900摄氏度的N2气氛中持续45分钟；使用Gaertner椭圆仪，测量氧化物厚度为1,000-1,600(TBD)A；3,000A需要5小时31分23秒；消耗1,320A的硅，因此增长为增加了1,680A；初始氧化物上为4,482A；消耗1,972.4A的硅，因此上方增长了2,510.2A；差异为830A；

图21L.在金属沉积之前对晶片进行轮廓分析；规格：Dektak 303轮廓仪；原生于沟槽：>4,400A(氧化物和硅蚀刻深度)；原生于尖端：>1,400A(氧化物到未蚀刻的氧化硅尖端)；

图21M.在晶片正面上旋涂正电子束抗蚀剂；规格：CSAR 62在苯甲醚中以1:1稀释，可能会旋转并烘烤多次以获得所需的厚度；

图21N.将正掩模2的图案与晶片的正面对准，并对准由正掩模1建立的基准标记，以暴露抗蚀剂；规格：300μC/cm2，50keV；

图21O.形成正性抗蚀剂并去除未形成的材料；规格：20s n-戊基丙酮，15秒MIBK:IPA 1:1,IPA冲洗；

图21P.蒸气沉积铬/金。金属的厚度可能是建立期望的石墨烯/尖端间隙的关键参数；抽气室两小时(邱吉尔实验室)：1×10-6托50A Cr，500A Au；

图21Q.去除电子束抗蚀剂；浸泡在50:50的去除剂PG:丙酮中两小时，用丙酮进行超声浴，IPA冲洗；

图21R.对制造的晶片进行最终检查；规格：用氧化硅的金字塔尖端测量轮廓：Dektak 3030轮廓仪；原生于沟槽上的金属：>3,900A(氧化物和硅蚀刻深度)；原生于尖端上的金属：>900A(氧化物到未蚀刻的氧化硅尖端)。

图22A至图22R示出了用于形成根据本公开的装置而不限制本公开的示例性程序，其中光刻制造步骤如下：

图22A.用500微米厚的4”<100>硅晶片开始制造过程；

图22B.使晶片氧化以建立指定的SiO2层厚度(例如，300nm)；

图22C.在晶片背面旋涂抗蚀剂并进行软烘烤；AZ-MiR 703，厚度1.08微米，5,000rpms；在EMS热板上于90摄氏度下软烘烤60秒；

图22D.在晶片正面上旋涂抗蚀剂并进行烘烤/硬化；AZ-MiR 703，1.08微米，5,000rpms；过程细节参见手册2；在Blue M烤箱中于90摄氏度下烘烤10分钟；

图22E.将正掩模1与晶片的正面对准，并暴露光致抗蚀剂涂层；规格：暴露时间：65.0秒(130mJ/cm2@2mW/cm2)，i线暴露；暴露后，在110摄氏度下烘烤10分钟；

图22F.在晶片两面上形成正性抗蚀剂，检查并烘烤抗蚀剂；AZ300MIF 3:1，60秒；进行蚀刻前检查；抗蚀剂厚度>2,000埃；沟槽图案宽度为2微米；在120摄氏度下进行形成后烘烤持续20分钟；

图22G.用BOE对SiO2层进行图案化的各向同性湿法蚀刻；BOE 5:1，3分30秒；蚀刻后检查；抗蚀剂/氧化物厚度：>5,000A；放入BOE中时保持晶片湿润；

图22H.灰去除剩余的光致抗蚀剂；规格：O2等离子体清洁/去除光致抗蚀剂；256W；0.3托；O2流量：220sccm；15分钟；清洁后检查；氧化物厚度：>3,000A；Dektak 3030轮廓仪

图22I.逐步各向异性湿法蚀刻硅至指定深度。蚀刻深度就像是建立期望的石墨烯/尖端间隙的关键设计/制造厂参数；规格：(所有这些都需要重新缩放以使用50mL的水制作电子束)；混合表面活性剂/水混合物，将550mg的Triton X-100与5.5升水混合；混合KOH/肥皂水混合物，将2000克KOH颗粒与5.5升水混合；将溶液的加热套加热至50℃；蚀刻晶片持续约15(TBD)分钟(约2,000A/分钟)，倾倒冲洗以及SRD；蚀刻后检查深度>14,000(TBD)A；根据需要重复以达到深度

图22J.对晶片进行轮廓分析以检查特征；测量硅蚀刻厚度：Dektak 303轮廓仪；原生于沟槽：>6,000A(氧化物和硅蚀刻深度)；原生于尖端：>0；

图22K.热氧化晶片以形成SiO2绝缘层，SiO2层的厚度可能是用于建立期望的石墨烯/尖端间隙的关键参数。规格：将晶片放入烤箱中，在800摄氏度下的N2气氛中持续30分钟；在1,100摄氏度下的O2气氛中持续332(TBD)分钟；在1,100摄氏度的N2气氛中持续5分钟，在900摄氏度的N2气氛中持续45分钟；使用Gaertner椭圆仪，测量氧化物厚度为1,000-1,600(TBD)A；3,000A需要5小时31分23秒；消耗1,320A的硅，因此增长为增加了1,680A；初始氧化物上为4,482A；消耗1,972.4A的硅，因此上方增长了2,510.2；差异为830A；

图22L.在金属沉积之前对晶片进行轮廓分析；规格：Dektak 303轮廓仪；原生于沟槽：>4,400(TBD)A(氧化物和硅蚀刻深度)；原生于尖端：>1,400(TBD)A(氧化物到未蚀刻的氧化硅尖端)；

图22M.在晶片正面上旋涂正负光致抗蚀剂；规格：在160摄氏度下脱水烘烤晶片30分钟；HMDS初烤，15分钟；以3000rpm的转速旋涂Futurexx NR9-3000PY；过程细节参见手册3；在150摄氏度下软烘烤1分钟，143.4伊顿涂布机

图22N.将负掩模2的图案与晶片的正面对准，并对准由正掩模1建立的基准标记，以暴露光致抗蚀剂；规格：将负掩模2与晶片对准，暴露：SUSS MA150；P-4：300mJ/cm2；38.0秒(7.9W/cm2)；暴露后在EMS热板上烘烤；100摄氏度持续1分钟；98.3摄氏度；

图22O.形成负性抗蚀剂并去除未形成的材料；规格：正性形成16秒；在120摄氏度下烘烤20分钟后；准备表面活性剂浸液，在4.5L DI水中加入1滴Triton X-100；100:1BOE浸液，持续30秒以去除触点窗口中的氧化物；

图22P.蒸气沉积金。金属的厚度可能是建立期望的石墨烯/尖端间隙的关键参数；抽气室过夜：1×10-6托；500A层；

图22Q.去除光致抗蚀剂；用丙酮进行超声浴

图22R.对制造的晶片进行最终检查；规格：用氧化硅的金字塔尖端测量轮廓：Dektak 3030轮廓仪；原生于沟槽上的金属：>3,900A(氧化物和硅蚀刻深度)；原生于尖端上的金属：>900A(氧化物到未蚀刻的氧化硅尖端)。

从图23开始，示出了某些变换器组件，特别是其中以消除扫描隧道显微镜(STM)的上述用途的方式在基板内制造重要部件的组件。在一个非限制性实施例中，本公开的概念可以合并到变换器中，因为其将物理运动(即，膜的振动)转换成电信号。另外，从根本上说，用于膜的超薄二维材料的极高柔韧性允许它们在受到外力时移动较大的距离。运动越大，感应出的电信号就越大。所识别的2-D材料的柔韧性比当前的氮化硅最新技术高10,000倍。

在变换器方面考虑本公开，一个实施例结合了用于收集能量的系统，并且包括基板，该基板具有在基板的第一面和基板的相反面之间的初始厚度。基板的第二面界定了从基板的第一面朝着基板的第二面延伸的开放阱区域。独立式膜片可定位在阱区域之上并且由基板的第一面支撑，其中独立式膜响应于环境能量而自由振动。膜的振动限定了沿着膜的第一表面的周期性波纹形成，其中每一波纹形成在阱区域之上的波峰和波谷之间交替。代替上文所识别的扫描隧道显微镜(STM)的用途，该实施例的能量变换器利用尖端结构，该尖端结构形成为基板的一部分或附接到基板并从基板的第二面延伸。假设本文所述的一种变换器装置经由电流流动将振动的机械能转换为电能，则该变换器包括连接至基板的第一面的第一触点和连接至尖端结构的第二触点以用于载流子提取和/或注入，这取决于极性。在一个非限制性实施例中，电压源可连接至第二触点以感应出尖端和膜之间的电荷的电容性区域。如上所述，由于膜材料的周期性振动受到环境力或环境能量(热量、空气流、压缩力、膨胀力等)的作用，尖端和膜之间的距离随相应的波峰和波谷而变化。尖端和膜之间的电容性区域根据尖端和膜之间的距离而周期性地存储和发射电荷。在一个实施例中，电压源也可以是电荷接收器和存储装置，如电池。因此，存储电容器可连接至膜，并且当在波纹峰值时段内尖端和薄膜之间的距离增加时，从电容性区域接收发射的电荷。在能量流的交替循环中，当在波纹谷值时段内尖端和膜之间的距离减小时，电压源向电容性区域传送电荷。计算机系统可与第一触点和第二触点中的至少一者进行电子通信，并且如在大多数计算机化系统中，与该能量变换器一起使用的计算机可具有至少一个处理器和存储器，其中该存储器存储指令，该指令在由至少一个处理器执行时，控制电荷存储和来自膜的电荷传输。

对于本公开而言，在其中形成变换器的基板可在单个基板上结合多个单独的变换器组件。为了容纳多个变换器组件，基板可包括跨基板的第一面的沟槽图案，其中每个沟槽将尖端或第一触点或两者与基板的相邻部分隔离。因此，基板中的一个组件连接部分地具有电压源、存储电容器、尖端和膜的电路，以将能量引导至公共接地。在接地之前，该电路包括连接至膜或尖端中的任一者或两者的第一二极管、与固定能量接收器(例如，存储电容器)并联的公共接地；以及连接至膜或尖端的第二二极管，该第二二极管与存储电容器串联。因此，存储电容器是通向公共接地的一个可选导管，并且可连接至公共接地。通过使用将膜或尖端的相应区域连接至电压源、固定存储电容器和公共接地的相应第一二极管和第二二极管的阵列，根据本公开的变换器可受益于规模经济。可经由用于多种基板材料的掺杂技术在基板内形成尽可能多的部件，特别是二极管。否则，根据本公开的系统可包括电路，该电路包括选自电压源、固定存储电容器、尖端和膜的连接部件，其中所述部件中的一些或全部经由与基板分开的电路板彼此连接。

本文讨论的许多实例叙述了独立式膜是独立式石墨烯膜，但是该实例并不限制可用于实现这种应用的能量变换器的材料种类。对于描述石墨烯膜的用途的非限制性实例，独立式膜是双层石墨烯、三层石墨烯和多层石墨烯中的一者。除石墨烯外，可根据振动膜的公开内容使用的其他材料包括二硫化钼(MoS2)、硒化钼(MoSe2)、二硫化钨(WS2)、二硒化钨(WSe2)、二硫化铼(ReS2)、二硒化铼(ReSe2)、氮化硼(BN)以及过渡金属和另一元素的其他组合(“MX2”)，或以上各项的组合。

存储电容器是用于由独立式膜的机械运动产生的电势的贮存器，该独立式膜由于尖端和/或膜上的电荷而与尖端成电容性关系。在不限制本公开的一个实施例中，电容性区域已经显示了从约0.001飞法拉的最小电容到约1000飞法拉的最大电容的电容周期。最小电容对应于在波纹峰值时段内使尖端和膜之间的距离增加到最大限度的时间段。最大电容对应于在波纹谷值时段内使尖端和膜之间的距离减小到最低限度的时间段。当在波纹谷值时段内使尖端和膜之间的距离减小到最低限度时，电容性区域经受电流隧穿，从而向存储电容器提供电流。在一个测试实施例中，电流表经由开关连接以与存储电容器并联操作，其中该电流表测量存储电容器中的电荷以供用户跟踪。

膜被描述为独立式膜，原因在于膜的靠近电路尖端(通常在基板内)的区段不受束缚，并允许跨膜的至少一部分以波纹效应振动或起伏。就这一点而言，膜可被认为具有靠近或甚至直接面向基板尖端结构的第一表面和与第一表面相对的第二表面，其中这些表面在远离窗口区域的点处连接，所述窗口区域靠近尖端振动。系统的机械能使膜振动，并且可以是来自独立式膜中原子的热能或动能形式的环境能量。在某些非限制性实施例中，所述膜具有0.3nm至3.0nm、0.3nm至2.0nm、0.3nm至1.0nm或0.3nm至0.6nm的平均厚度。

如本文所公开的，用于将振动能量转换为电流输出的系统可利用变换器组件300，该变换器组件形成在基板325内或连接至该基板325，所述基板具有在基板的第一面330和基板的相反面340之间的初始厚度。基板的第二面350界定了从基板的第一面330朝着基板325的第二面350延伸的开放阱区域355。连接至基板325的第一面330的独立式膜425包括第一表面430，该第一表面430不受阻碍并且响应于环境能量而自由振动，其中该膜的振动限定了沿着第一表面430的周期性波纹形成271，并且其中每一波纹形成在膜425的多个窗口区域的相应窗口区域464中的波峰286和波谷289之间交替。尖端360或者形成在基板325内，或者至少定位在基板的靠近膜425的第二面350上。电压源200与尖端或膜电连通，但是本文的实施例认识到电压源最初施加的电压电势被放大，因为允许经由变换器组件300传导的过量电荷可存储在存储电容器275中，作为机械-电能变换的结果。因此，在一个非限制性实施例中，可将电压源描述为设置尖端360和膜425之间的设定点电流以限定尖端和膜之间的相应的电荷的电容性区域。如上所述，去往以及来自尖端360和膜425的额外传导使系统中的电流传导倍增。尖端和膜之间的距离随着相应的波峰和波谷而变化，并且电容性区域响应于尖端和膜之间的距离而周期性地存储和发射电荷。固定存储电容器275连接至膜或尖端，并且当在相应窗口区域中的波纹峰值时段内使尖端和膜之间的距离增加到最大限度时，从电容性区域接收发射的电荷和额外的隧穿电荷。类似于上述的其他实施例，额外的隧穿电荷的数量与尖端的设定点电流成比例。尖端的设定点电流是固定电流，并且尖端和膜之间的距离的范围被控制在最小距离和最大距离之间，其中所述最大距离构造为容纳穿过电容性区域的额外隧穿电荷。

在基板中形成的尖端360用作一个可比较的电容板，而膜425用作尖端和膜之间的电容性相互作用的另一电容板。利用这种相互作用将振动能量转换为电流输出的系统可包括基板中的电流收集电路500，其中该电流收集电路500包括尖端触点阵列，该尖端触点由相应的匹配二极管235连接至电压源200和固定存储电容器275。独立式膜至少在电流收集电路中的尖端触点之上延伸，使得尖端触点与膜分开并且面向膜的第一表面，以在连接相应尖端触点的公共触点和膜的第一表面之间限定电容性区域。如其他实施例中指出的，膜的第一表面不受阻碍并且响应于环境能量而自由振动，其中膜的振动限定了沿着第一表面的周期性波纹形成，并且其中每一波纹形成相对于公共触点在波峰和波谷之间交替。尖端触点和膜之间的相应电容性区域在尖端触点和膜之间累积电荷，其中尖端触点跨相应二极管中的一者切换累积电荷的电流输出，以响应于膜中的周期性波纹形成而将电流输出引导至电压源或固定存储电容器。在该技术的一些版本中，通过限定相应的沟槽和阱区域来在基板内形成收集电路500，如本文中的图21至图27所示。在一个非限制性实施例中，尖端360形成为基板325的部件，在相应沟槽510内、靠近也形成在基板中的阱区段520。收集电路500包括用于电荷提取的顶部触点530和底部触点540。在不同的实施例中，收集电路500包括基板中的尖端360和相邻电路板(未示出)上的其他部件。

当然，本公开不限于利用组装能量收集电路的方法的任何一个设备或变换器。例如，本公开示出通过限定相对于独立式膜的第一表面具有初始间隔距离的第一电容器极板，在能量收集电路中形成电容性区域，其中独立式膜的第一表面限定第二电容器极板。通过将第一电容器极板(或者可能地呈相反极性安装的第二电容器极板)连接至电压源，该方法配置为用于在基板中的尖端和膜的第一表面之间的电容性区域中引起电荷累积。该方法通过相对于第一电容器极板定位膜而继续进行，使得膜不受阻碍并且响应于环境能量而自由振动，其中膜的振动限定了沿着第一表面的周期性波纹形成，并且其中每一波纹形成相对于第一电容器极板在波峰和波谷之间交替以改变初始间隔距离。使电容性区域跨相应二极管放电以将累积的电荷引导至电压源或负载，其中使电容性区域放电包括在谷值期间将电荷引导至电压源以及在峰值期间将电荷引导至负载。在一个实施例中，负载是电荷存储电容器，在上文中称为固定存储电容器。固定存储电容器不同于振动膜和基板尖端之间的电容性相互作用(其更类似于可变电容器)。

使用方法

本发明还公开了使用本文所述的能量收集装置和/或传感器的方法。例如，本发明还公开了使用本文所述的能量收集装置收集能量的方法。

本文所述的能量收集装置可例如合并到用于提取能量的各种系统、装置和方法中，包括放电传感器、力和质量传感器以及自供电装置。根据某些示例性实施例的包含本文所述的一个或多个能量收集装置的系统、装置和方法可利用独立式二维膜的原子级波动的动力学。膜可包含随机的平面外运动，其表现出异常动力学和Lévy游走的动力学变量特征的长尾平衡分布。例如，可使用扫描隧道显微镜(STM)来控制波动的膜。

关于该技术要注意的一个非限制性因素是，本文中利用静电/电容方法进行振动能量收集的描述仅仅是许多实施例的实例。如果膜被磁化，则它将利用电磁方法来收集振动能量。对于这种方法，不需要电压源，但“尖端”将需要是导线环路。类似地，如果膜是压电的或磁致伸缩的，则当它振动时，它将利用压电的或磁致伸缩的现象来收集能量。同样，将不需要电压源。弯曲的压电将感应出电压并产生电流方向。弯曲的磁致伸缩将需要导线环路。在这些其他情况下，将使用二极管桥式整流器来收集电流。

当使用如氮化硼(BN)的电绝缘膜(与导电膜、如石墨烯相对)时，BN将首先被喷涂电荷，由于它是绝缘的，因此电荷将被粘附在适当的位置。由于电荷粘附在膜上，因此在上述电路中不再需要电压源。这被称为内部极化与外部极化，并且这些术语通常用来描述两种类型的麦克风。不需要电压源是重要的实施例。考虑在此处添加过渡金属和其他元素的MX2(领域术语)通式。

应当理解，本发明所公开的技术的能量收集装置及相关系统和方法所涉及的任何部件或模块可一体形成或彼此单独形成。此外，可实现部件或模块的冗余的功能或结构。本文所述的任何特征以及本文所讨论的这些特征的部件可具有所有形状以提供并且满足环境需求、结构需求和操作要求。此外，各个部件的位置和对准可根据需要或要求而变化。

上文所述的内容包括一个或多个实施例的实例。当然，出于描述前述实施例的目的，不可能描述部件或方法的每个可设想的组合，但是本领域的普通技术人员可以认识到各种实施例的许多其他组合和排列是可能的。因此，所述实施例旨在涵盖落入本公开及本文所附的权利要求的精神和范围内并且将在非临时专利申请中提交的所有此类更改、修改和变化。

已经努力确保数字(例如，数量、温度等)的准确性，但是应该考虑一些误差和偏差。除非另有说明，否则份数为重量份，温度为℃或处于环境温度，并且压力为大气压或接近大气压。反应条件存在多种变型和组合，例如，组分浓度、温度、压力以及可用于优化由所述工艺获得的产物纯度和产率的其他反应范围和条件。只需要通过合理的常规实验即可优化此类工艺条件。

本发明所固有的其他明显的优点对本领域的技术人员是显而易见的。应当理解，某些特征和子组合是实用的，并且可以在不参考其他特征和子组合的情况下使用。这是权利要求书所设想的，并且处于权利要求书的范围内。由于可以在不脱离本发明的范围的情况下实施本发明的许多可能的实施例，因此应当理解，在本文中阐述或在附图中示出的所有内容都应被理解为例示性的，而不具有限制意义。

所附权利要求书的方法不限于本文所述的具体方法的范围，这些方法旨在说明权利要求的一些方面，并且功能上等效的任何方法都旨在落入权利要求的范围内。除本文示出和描述的那些方法以外，对方法的各种修改都旨在落入所附权利要求书的范围内。此外，虽然仅具体描述了本发明所公开的某些代表性方法步骤，但是即使没有具体叙述，方法步骤的其他组合也旨在落入所附权利要求书的范围内。因此，本文可以明确地提及步骤、元件、部件或成分的组合或更少，但是，即使未明确说明，也包括步骤、元件、部件和成分的其他组合。

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Claims

1.一种用于收集能量的系统，包括：

基板，其具有在所述基板的第一面和所述基板的相反面之间的初始厚度；

所述基板的第二面，其界定了从所述基板的第一面朝着所述基板的第二面延伸的开放阱区域；

独立式膜，其定位在所述阱区域之上并且由所述基板的第一面支撑，其中所述独立式膜响应于环境能量而自由振动，其中所述膜的振动限定了沿所述膜的第一表面的周期性波纹形成，其中每一波纹形成在所述阱区域之上的波峰和波谷之间交替；

尖端结构，其从所述基板的第二面延伸；

第一触点，其连接至所述基板的第一面；

第二触点，其连接至所述尖端结构；

电压源，其连接至所述第二触点，以感应出所述尖端和所述膜之间的电荷的电容性区域，

其中所述尖端和所述膜之间的距离随着相应的波峰和波谷而变化，并且

其中所述尖端和所述膜之间的所述电容性区域根据所述尖端和所述膜之间的距离而周期性地存储和发射所述电荷；以及

存储电容器，其连接至所述膜，并且当在波纹峰值时段内所述尖端和所述膜之间的距离增加时，从所述电容性区域接收发射的电荷。

2.根据权利要求1所述的系统，其中当在波纹谷值时段内所述尖端和所述膜之间的距离减小时，所述电压源向所述电容性区域传送电荷。

3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括计算机系统，所述计算机系统与所述第一触点和所述第二触点中的至少一者进行电子通信并且具有至少一个处理器和存储器，并且其中所述存储器存储指令，所述指令在由所述至少一个处理器执行时，控制电荷存储和来自所述膜的电荷传输。

4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括跨所述基板的第一面的沟槽图案，其中每个沟槽将尖端或第一触点与所述基板的相邻部分隔离。

5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括电路，所述电路将所述电压源、所述存储电容器、尖端和所述膜连接至公共接地，其中所述电路包括连接至所述膜或尖端的第一二极管、与固定电容器并联的所述公共接地以及连接至所述膜或尖端的第二二极管，所述第二二极管与连接至所述公共接地的所述固定电容器串联。

6.根据权利要求5所述的系统，进一步包括将所述膜或尖端的相应区域连接至所述电压源、固定存储电容器和所述公共接地的相应第一二极管和第二二极管的阵列。

7.根据权利要求5所述的系统，其中选自所述电压源、所述固定存储电容器、尖端和所述膜的电路连接部件经由与所述基板分开的电路板彼此连接。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述独立式膜是独立式石墨烯膜。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述独立式膜是双层石墨烯、三层石墨烯和多层石墨烯中的一者。

10.根据权利要求1所述的系统，进一步包括经由开关连接以与所述存储电容器并联操作的电流表，其中所述电流表测量所述存储电容器中的电荷。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述电容性区域具有从约0.001飞法拉的最小电容到约1000飞法拉的最大电容的电容周期。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述最小电容对应于在波纹峰值时段内使所述尖端和所述膜之间的距离增加到最大限度的时间段。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述最大电容对应于在波纹谷值时段内使所述尖端和所述膜之间的距离减小到最低限度的时间段。

14.根据权利要求1所述的系统，其中当在波纹谷值时段内使所述尖端和所述膜之间的距离减小到最低限度时，所述电容性区域经受电流隧穿。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述环境能量是热能。

16.根据权利要求1所述的系统，其中所述环境能量是来自所述独立式膜中的原子的动能。

17.根据权利要求1所述的系统，其中所述独立式膜包括石墨烯、MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、ReS2、ReSe2、BN、过渡金属和另一元素的组合(“MX2”)，或以上各项的组合。

18.根据权利要求1所述的系统，其中所述膜具有0.3nm至3.0nm、0.3nm至2.0nm、0.3nm至1.0nm或0.3nm至0.6nm的平均厚度。

19.一种用于将振动能量转换为电流输出的系统，包括：

独立式膜，其连接至所述基板的第一面并且包括不受阻碍且响应于环境能量而自由振动的第一表面，其中所述膜的振动限定了沿着所述第一表面的周期性波纹形成，其中每一波纹形成在所述膜的多个窗口区域中的相应窗口区域中的波峰和波谷之间交替；

尖端，其定位在所述基板的靠近所述膜的第二面上，

电压源，其与所述尖端或膜电连通，所述电压源设置所述尖端和所述膜之间的设定点电流，以限定所述尖端和所述膜之间的电荷的相应电容性区域，

其中所述电容性区域响应于所述尖端和所述膜之间的距离而周期性地存储和发射所述电荷；以及

固定存储电容器，其连接至所述膜或尖端，并且当在所述相应窗口区域中的波纹峰值时段内使所述尖端和所述膜之间的距离增加到最大限度时，从所述电容性区域接收发射的电荷和额外的隧穿电荷。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述额外的隧穿电荷的数量与所述尖端的所述设定点电流成比例。

21.根据权利要求20所述的系统，其中所述尖端的所述设定点电流是固定电流，并且所述尖端和所述膜之间的距离的范围控制在最小距离和最大距离之间，其中所述最大距离构造为容纳穿过所述电容性区域的所述额外的隧穿电荷。

22.一种用于将振动能量转换为电流输出的系统，包括：

基板中的电流收集电路，其中所述电流收集电路包括尖端触点阵列，所述尖端触点由相应的匹配定向二极管连接至电压源和固定存储电容器；以及

独立式膜，其至少在所述电流收集电路中的所述尖端触点之上延伸，使得所述尖端触点与所述膜分开并且面向所述膜的第一表面，以限定在公共触点和所述膜的第一表面之间的电容性区域，

其中所述膜的第一表面不受阻碍并且响应于环境能量而自由振动，其中所述膜的振动限定了沿着所述第一表面的周期性波纹形成，并且其中每一波纹形成相对于所述公共触点在波峰和波谷之间交替，

其中所述尖端触点和所述膜之间的相应电容性区域在所述尖端触点和所述膜之间累积电荷，并且

其中所述尖端触点跨相应二极管中的一者切换累积电荷的电流输出，以响应于所述膜中的所述周期性波纹形成而将所述电流输出引导至所述电压源或所述固定存储电容器。

23.根据权利要求22所述的系统，其中所述收集电路形成在所述基板内。

24.根据权利要求22所述的系统，其中所述收集电路包括所述基板中的所述尖端以及相邻电路板上的其他部件。

25.一种组装能量收集电路的方法，包括：

通过限定相对于独立式膜的第一表面具有初始间隔距离的第一电容器极板，在所述能量收集电路中形成电容性区域，其中所述独立式膜的第一表面限定第二电容器极板；

将所述第一电容器极板连接至电压源，所述电压源构造为在所述电容性区域中引起电荷累积；

将所述膜相对于所述第一电容器极板定位，使得所述膜不受阻碍并且响应于环境能量而自由振动，其中所述膜的振动限定了沿着所述第一表面的周期性波纹形成，并且其中每一波纹形成相对于所述第一电容器极板在波峰和波谷之间交替以改变所述初始间隔距离；以及

使所述电容性区域跨相应二极管放电以将累积的电荷引导至所述电压源或者负载，其中使所述电容性区域放电包括在谷值期间将所述电荷引导至所述电压源以及在峰值期间将所述电荷引导至所述负载。