CN1695292A

CN1695292A - 隧道效应能量转换器

Info

Publication number: CN1695292A
Application number: CNA038250403A
Authority: CN
Inventors: 扬·R·库切罗夫; 彼得·L·哈格尔施泰因
Original assignee: ENICKUR CORP
Current assignee: ENICKUR CORP; Eneco Inc
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2005-11-09
Also published as: BR0314274A; EP1547234A2; EP1547234A4; MXPA05002782A; US20040050415A1; US6946596B2; WO2004036724A2; AU2003298581A1; JP2005539401A; CA2498697A1; WO2004036724A3; RU2005110929A; KR20050046770A

Abstract

热能到电能的隧道效应转换器具有发射极和收集极，相互分隔开一段可与原子量级相比拟的间隙，而且其中，在电荷跨越分隔上述发射极与收集极的缝隙，从发射极移动到收集极时，隧道效应起重要作用。发射极和收集极的结构中至少有一个包括柔性结构。隧道效应转换器包括将热能转换成电能的装置，以及在给其提供电能时能提供致冷的装置。

Description

隧道效应能量转换器

技术领域

本发明大体上涉及将热能转换成电能的转换器。更具体地，本发明涉及到装置，当其暴露在热梯度中时，在使转换器极板间的隧道贯穿显著的设计和操作条件下，产生电能。本发明还涉及热动可逆且能用于致冷的装置。

背景技术

热能能够直接转换成电能。热能转换器就是直接将热能转换成电能的装置。热离子能量转换器是这类装置中的一种，其中通过热离子发射直接将热转换成电能。在这个过程中，通过加热金属，给予一部分电子足够的能量来克服金属表面的阻滞力而逸出，电子就从金属表面热离子发射出来。不同于大部分其他传统的产生电能的方法，为了将热转换成电能，热离子转换既不需要中间能量形式，又不需要操作流体，而需要的是电荷。

在其最基本的形式中，可操作设置下的传统热离子能量转换器包括一个连接到热源的电极、连接到散热片并以一段插入间隔与第一电极分隔开的第二电极、连接电极和电负载的导线、以及封装。封装中的空间抽成高真空或者用稀薄的蒸汽充满，例如铯。提供给电子足够的热能，使其能够从一个电极中逸出并移动到另一个电极。在这些装置中，通过提供给电子足够的热能以致其具有的能量至少是从发射极移动到收集极所要克服的势垒的能量，来实现这一点。

热源在足够高的温度下为一个电极(发射极)提供热能，在热离子转换器中，将电子从这里热离子发射到抽成真空或充满稀薄蒸汽的电极间的间隔中。电子穿过这段间隔朝着保持在散热片温度附近的较低温度上的另一个电极(收集极)移动。在那儿，电子凝结，然后在闭合电路时，经过电导线以及，例如，连接在发射极和收集极间的电负载返回到热电极。

传统的热离子转换器的实施例100在图1中用示意图说明。这些传统的装置一般包括发射极110，或低电子功函数阴极、收集极112，或相对较冷的高电子功函数阳极、封装114、合适的电导体116、以及外部负载118。发射极110暴露在使这个阴极发射电子112的热流120中，从而闭合电路，给负载118提供电场强度。如上所述，在传统的热电离转换器中，电极间间隔130是抽过真空的介质或者是充满稀薄蒸汽的介质。在这些转换器中，电极间间隔典型地是在至少数千倍电信原子尺度的量级上。例如，在这些转换器中，电极间间隔能够达到十分之一微米到一千或更多微米的量级，而在这样的情况下，电极间间隔在103到107量级。

通过电负载的电子流由电极间的温差来维持。因此，将电功输送给负载。

热离子能量转换是基于与热源接触的低电子功函数阴极将发射电子的原理。较冷的高电子功函数阳极吸收这些电子，它们能够通过外部负载流回到阴极，这里它们做有用功。实际的热离子发电机受限于用来作阴极的可用金属或其他材料的功函数。另一个重要的限制是空间电荷效应。电子存在于阴极和阳极间的间隔会产生额外的势垒，降低热离子电流。这些限制对最大电流密度产生不利影响，因此在开发大规模热离子转换器时，产生主要问题。

传统的热离子转换器一般分为真空转换器或气体填充转换器。如上所述，这些转换器具有至少比原子尺度大几个数量级的电极间间隔。真空转换器在电极间有抽过真空的介质。这些转换器只有有限的实际应用。

减少真空转换器中空间电荷效应的尝试包括将电极间间隔减小到微米量级。减少气体填充转换器中相同效应的尝试导致在发射极前面电子云中引入正离子。然而，这些传统装置仍然出现诸如那些涉及有限的最大电流密度和温度状况之类的缺点。现已经找到了一种更加令人满意的解决办法，使用固体装置，以高效率和高功率密度，在较低的温度状况下，将热能转换成电能，该装置仍然保持了至少比原子尺度大几个数量级的电极间隔。

无论如何，仍没有提供具有与原子尺度可比拟范围的电极间间隔的转换器。在本发明的范围内提供这些转换器，以及具有的电极间间隔在几十埃范围内的实施例，大幅度减小了电极间间隔。相对于其他转换器中的电极间间隔，不少于几个微米或十分之几微米范围的电极间间隔，这一减小一般是在几个量级范围上。本发明提供这种转换器，具有与原子尺度可比拟的电极间间隔。

本发明的范围内实现的电极间间隔的减小不仅仅是在设计参数的选择或长度参数的例行优化问题上的改变。本发明实施例所提供的量级上的小型化需要设计、制造和建模问题的解决方案，而这些问题既没有在传统装置的范围内出现过，也没有表现出其自身的不同方面及复杂性。例如，微型电极的表面特性，例如表面不平度，在这样小的电极间间隔上就变得重要起来，但在具有大得多的电极间间隔的传统装置中，这样的特性是些微有关，或者甚至根本无关。作为另一个示例，物理现象，例如隧道贯穿，在传统装置中是无关的，当电极间间隔减小到原子长度尺度范围上的间隔时，就变得很重要。因此，上述作为说明性的示例指出的那些本发明实施例具有的特殊的和复杂的特性，将本发明实施例与具有大得多的电极间间隔的传统装置区别开来。如上提供的示例以及下文和附图中所述，这些区别特征不仅仅是表现在量和度上，而是表现在本质上或者装置本身的类型和其设计、制造，及操作原理上。

发明内容

在本发明的范围内开发了隧道效应转换器。如果传统的转换器遇到像使用本发明实施例的操作条件，它们必须操作在超过1000K的温度下才提供有效的电流。在本发明实施例中变得相关的效应允许在使用传统的转换器时所禁止的那些温度和势垒下，产生有效电流。

依照本发明的实施例的设计包括使用至少一个柔性电极结构，以便电极间间隔达到让隧道贯穿成为电流的有效组成部分的程度。这样的柔性电极技术与间隔成型结合起来应用在本发明的范围内以便防止由于电极结构翘曲作用带来的电短路。

本发明实施例中，为在原子尺度范围间隔的互相面对的电极表面提供原子平滑表面。在本发明实施例中，电极结构包括具有发射极表面的发射极和具有收集极表面的收集极。在这些实施例中，这样的表面互相面对，将它们分开一段距离使得发射极和收集极间电子隧道贯穿的几率至少达到0.1％。在本发明的一些实施例中，电极间间隔小于约5nm。

附图说明

参考在附图中所述具体实施例，给予以上所简述的本发明以更加详细的描述。理解到这些附图只是描述本发明实施例的，因此不认为是对其范围的限定，使用附图，以额外确切和详细的方式来描述和解释本发明，其中：

图1示意性地示出了传统的热离子转换器。

图2示意性地示出了依据本发明的隧道效应转换器的实施例。

图2A-2B示意性地示出了在本发明具有不规则大小的分隔物的实施例中，至少有一个柔性电极的变形。

图2C-2D示意性地示出了在本发明实施例中，分隔物分布的示例。

图2E-2G示意性地示出了依据本发明的实施例的部分横截面，以示出支柱形状的示例。

图3示出了作为电子势能和势垒宽度的函数的电子隧道贯穿几率的曲线图。

图4示意性地示出了依据本发明的测试装置。

图5示出了本发明的一些实施例中作为负载电阻的函数的特定功率的曲线图。

图6A示意性地示出了本发明的实施例的结构。

图6B示意性地示出了在致冷操作条件下，本发明的另一个实施例的结构。

图7示出了作为归一化电阻的函数的效率η(ξ)。

图8示出了对于不同的Δ值，作为Δτ的函数的最佳效率的结果。

图9图解说明了η_max＜Δτ的部分。

图10示出了在最佳效率点上，v/v_max的比率。

图11示出了对于在不同的值Δ＝0.001、0.003、0.005、0.01、0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1处，作为归一化温差Δτ的函数而绘制的归一化负载功率v²/ξ。

图12示出了对于优化的转换系统，在不同的归一化距离值Δ＝0.001、0.003、0.005、0.01、0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1处，作为功率的函数的效率。

图13示出了对于优化的转换系统，在不同的归一化距离值Δ＝0.001、0.003、0.005、0.01、0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1处，作为功率的函数的归一化效率。

图14示出了在Δτ＝0.5时，作为归一化辐射损失参数x的函数而绘制的最佳效率。其中不同的曲线对应于归一化间隙厚度的值Δ＝0.001、0.003、0.005、0.01、0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1。

具体实施方式

本发明涉及隧道效应转换器。依据隧道贯穿在电荷载流子传输中是相关因素的机制，这些转换器通过能量转换从热能提供电能。此外，依据本发明的转换器是热动可逆的并能用于致冷。术语“转换器”及相关的术语这里指的是将热能转换成电能的装置，也指操作在可逆模式下的装置，当给其供电时，装置在此模式下进行致冷。设计和制造依据本发明的转换器来考虑和利用隧道效应。而且，依据本发明的转换器包括设计和制造的策略，以制作电极间间隔在与原子长度的尺度可比拟范围内的转换器。

在图2中示意性地说明依据本发明的转换器的实施例。图2所示的转换器8包括两个电极，收集极1和发射极4。发射极的温度标记为T₁，收集极的温度标记为T₀，为了在热能到电能的转换模式下产生电流，这些温度满足T₁＞T₀的关系，也就是，发射极比收集极热。

在一些实施例中，收集极1包括铝层。这种材料的一个来源是用于光盘的铝衬底，例如IBM提供的铝衬底。用在依据本发明的转换器的实施例的制造中的铝层具有约3RMS的表面抛光(1nm＝10)。

在依据本发明的转换器的其他实施例中，收集极1至少包括一层半导体衬底，例如硅。半导体衬底是金属化并抛光了的。

发射极4包括导电材料。在一些实施例中，如图2中说明，发射极4包括以导体涂覆的硅层7，例如钼涂层3。发射极4的实施例是用以约1000厚的钼涂层涂覆的约10μm(μm＝微米，也即百万分之一米)厚的硅晶片来制造的。硅晶片材料从弗吉尼亚半导体获得。发射极4的实施例以约10RMS的表面抛光进行精加工。在依据本发明的实施例中，互相面对着的发射极和收集极的表面更适宜以使得粗糙度不超过约20RMS，最好不超过10RMS的表面抛光进行精加工。

在本发明的一些实施例中，至少互相面对着的发射极和收集极的侧面具有红外(IR)辐射发射性和/或反射性表面特性，使得收集极表面反射红外辐射。具有用Al制造的收集极的实施例提供这种收集极反射特性，因为暴露的Al表面具有IR反射性。适宜的电极表面特性是使得发射极表面的IR发射率大于收集极表面。

使用高IR发射率表面材料可以获得高IR发射率，例如使用金属碳化物、Fe、Co和Ni、及其组合至少之一。在适用这些形式的本说明书中，术语“组合”包括混合物和/或别的合金。使用高IR反射率表面材料可以获得高IR反射率，例如使用Al、Cu、Ag、Au、及其组合至少之一。在这里描述的本发明的实施例中，选择高IR发射率表面发射极和/或高IR反射率表面收集极易于减少本发明实施例中的辐射损耗。

在依据本发明的转换器中，互相面对着的发射极和收集极的侧面具有程度更适合控制的表面不规则度。在依据本发明的转换器中，表面不规则度的控制提出了诸如隧道贯穿电极间隔和小电极间间隔的灵敏度这样的因素。互相面对着的发射极和收集极的侧面分别用术语发射极表面和收集极表面来表示。发射极和收集极表面具有所描述的那些表面不规则的表面特性，此处简称为“原子平滑”。

由于远大于原子长度尺度的不规则带来的表面不规则度的大的波动将会导致跨越电极表面隧道贯穿的大的波动。这种隧道贯穿发射极-收集极表面间隔的高灵敏性在图3中详细说明。依据本发明的转换机制起重要作用的转换器中，无效隧道贯穿的面积将会导致效率较低的转换器。

如图3所示，隧道贯穿对于隧道贯穿粒子从发射极表面到接收极表面所必需移动的距离非常敏感。图3显示的图表为，在一维薛定谔方程的WKB解中，作为电子势能V和势类宽度x的函数的电子隧道贯穿几率D(x)，其中0≤x≤200且OeV≤V≤0.5eV。如图3所示，当势能接近于0eV时，在约100的间隔时能够达到接近0.2的隧道贯穿几率，但是当势能接超过约0.4eV时，在大于或等于约50的间隔时没有明显的隧道贯穿几率。传统的转换器一般操作的电极间间隔，或势垒宽度在约10⁶到约10⁷范围内，而势垒势能在约1.5eV到约2.0eV范围内(电子功函数)。如图3所示，在这种传统方式下隧道贯穿实际上是零。

从图3中可以推断，没有镜像力势垒的降低不可能达到这样大的传输系数。在操作在致冷方式下的本发明实施例中，这种效应还要更加重要，因为在这种操作模式下，效率依赖于可达到的热能与势垒高度的比率，所以势垒高度的降低将带来致冷效率的增加。

在依据本发明的转换器的实施例中，能够有效地达到原子长度尺度范围内的电极间间隔，其中互相面对着的电极的侧面的表面不规则度小于或者最多可比拟这个电极间间隔。如果表面不规则度明显大于描述电极间间隔的原子长度尺度，那么电极间间隔的概念在这个范围内就消失了。制造依据本发明的转换器的实施例使得电极间间隔不超过约50。依据本发明的一些实施例所具有的电极间间隔不超过30。这是发射极表面和收集极表面之间的间隔。依据本发明的转换器的一些实施例具有约10的电极间间隔，它们包括功函数约是4.2eV的发射极。另一些实施例具有约25的电极间间隔，它们包括功函数约是1.5eV的发射极。较低的发射极材料功函数允许所设计的转换器具有较大范围的电极间间隔，而其中隧道贯穿仍然很明显。

如图3所示，隧道贯穿通过几个电子伏量级的金属-真空界面势垒(功函数)的传输系数是很小的，除非间隔在几个埃。例如，在约200℃时，大量电子可获得的热能约为4k_BT-5k_BT，即约0.16eV-0.20eV。这个能量远低于由于金属-真空界面产生的势能势垒，对于大多数金属，电子功函数在约3eV到约5eV范围内。

优选地，对包括具有较高的功函数的发射极材料的依据本发明转换器进行涂覆，至少在其面对收集极的侧面上。这种涂层包括至少一种低功函数的材料。例如，大部分材料具有的金属-真空界面势垒在约3eV到约5eV范围内。例如Ir、Os、Pt、Au、Re这样的材料，以及一些例如W和Ni这样的晶向金属具有超过5eV的电子功函数。氧化物，比如Pt、Ag、Ta、V和Nb的氧化物，能够具有超过6eV的功函数。为了降低发射极材料的功函数，低电子功函数材料，例如碱金属、碱土金属及其组合至少之一，示例有Cs、Ba、Sr、Rb、Na、Ca、Li及其组合，吸附在高功函数材料上，以降低发射极表面的功函数最好到约1.1eV-1.2eV。这种较低的功函数材料层的存在是可选择的，其未在图2所简述的实施例中示出。在一些实施例中，将这种材料层作为面对收集极的发射极表面的涂层。

本发明的一些实施例具有多涂层的发射极表面。例如，在一些实施例中，发射极表面用具有一种至少约3.5eV的电子功函数的材料的第一涂层涂覆，而第一涂层又用具有一种不超过约3.5eV的电子功函数的材料的第二涂层涂覆。第一涂层材料的示例至少包括氧化铂(其中这个术语是指诸如PtO，其他氧化铂的化合形式，以及含有铂和氧的组合物的物质)，氧化银(其中这个术语是指诸如AgO，其他氧化银的化合形式，以及含有银和氧的组合物的物质)，氧化钽(其中这个术语是指诸如Ta₂O₅，其他氧化钽的化合形式，以及像至少一种钽酸盐之类的含有钽和氧的组合物的物质)，氧化钒(其中这个术语是指诸如V₂O₅，其他氧化钒的化合形式，以及像至少一种钒酸盐之类的含有钒和氧的组合物的物质)、Os、Ir、Pt、Re、Ni、W及其组合之一。第二涂层材料的示例至少包括碱金属、碱土金属及其组合之一，例如Cs、Ba、Sr、Rb、Na、Ca、Li及其组合。本发明还有其他一些实施例具有多个涂层，例如至少三个具有不同电子功函数值的涂层。在此，将具有这种多个涂层的实施例归入明确描述过的、理解为包含至少两个涂层的实施例中。

在依据本发明的转换器的实施例中，实现了接近1.1eV-1.2eV的势垒，但这些势垒对于非隧道贯穿热离子转换器(在1.1eV到1.2eV范围内的能量势垒仍然远大于0.16eV)一般来说太高。这种非隧道贯穿热离子转换器必须要在发射极温度高于1300K下操作才能产生明显的电流密度。操作在较低的温度和这种条件下的转换器将只能有非常低的效率。这种情况下致冷效率也较低，因为必须投入多于1eV才能将发射极冷却几个k_BT。

然而，操作在隧道效应方式下的依据本发明的转换器，在实际较低的温度，包括接近室温的温度下，并在包括几十摄氏度的发射极/收集极温差的温度梯度下，从热能转换中提供有效的电流密度。

可以相信的是，在依据本发明的隧道效应装置中，可能对热能到电能有效的转换有贡献的因素之一是由于镜像力而产生的势垒降低，其导致较小的有效势垒。然而，依据本发明的实施例并不限于任何支持其有效操作的具体的模型或理论。在接下来对依据本发明的实施例举例描述之后，下文将讨论镜像力势垒降低。

分隔物2处于电极间区域9。如图2中所示，分隔物2包括大量球形粒子，但示出这种形状仅是为了说明的目的，应当理解，分隔物2材料的形状并非本发明实施例的限定特性，在其他实施例中，分隔物可以具有大量规则和/或不规则形状的任意一个，例如在规则和/或不规则的表现形式下的多面体、圆柱体、圆锥体、截圆锥体、锥体、截锥体、棱柱体形状，及在其规则和/或不规则的表现形式下的组合，包括曲面，平面和曲面的组合的分隔物，包括具有凸面、凹面及其组合的实施例。即使依赖于形成技术，少量层的粒子可能具有约500以上的粒子大小，但形成分隔物2的粒子具有的优选平均粒子大小不超过约50。但是，这些层的粒子的影响可以通过合适的处理来降低，例如通过电极间的压缩力，下面将进行讨论。

在一些实施例中，在电极间区域内，分隔物之间的缝隙包括稀薄的介质，有时称为真空。充气缝隙的热导率在气压等于或低于约10^-4Torr时变得可忽略。在本发明范围内，稀薄的介质包括这种低气压下的充气缝隙。应当理解，依据本发明的实施例通过使用在此领域内的通常技巧中的技术和材料来适当地密封以维持这么稀薄的介质。

本发明实施例中的分隔物2通过沉积形成。更具体地说，通过激态分子激光消融TiO₂靶将分隔物材料沉积到收集极1上。沉积的粒子具有的平均粒子大小在约25到约50范围内，其粒子间间距在约200到约1000范围内。约10个粒子/平方厘米量级的很小数目的这种沉积粒子具有约500长度参数的特征尺寸。

图2中用箭头99标记的压缩力使得依据本发明的转换器中的电极保持在所需的原子长度尺度的电极间间隔上。压缩力导致至少一个柔性电极变形，从而降低大粒子分隔物的影响。作为降低大尺寸粒子分隔物的影响的结果，电极间间隔维持在一个平均值，隧道贯穿明显有助于电荷载流子输送跨越至少电极之间区域9面积的重要部分。

在一些实施例中，用外部装置施加压缩力99。在另一些实施例中，在转换器的制造阶段施加压缩力99，这时，转换器，例如转换器8，的各个层互相夹在一起，随后将它们用合适的支柱，例如黏性材料、至少一个钳夹、密封剂、封闭材料(encapsulating material)、互锁装置及其组合保持在一起。

应当理解，这种支柱中的任何一个都能够以有效安装这个支柱的方法中的任意之一来实施。例如，在一些实施例中，最低限度局部地环绕电极结构来安装支柱材料以便防止其分隔结构的复原而使隧道贯穿无效。在另一些实施例中，最低限度局部地在一些电极间的平面内来安装支柱材料以便通过电极结构防止分隔构造的复原而使隧道贯穿无效。还有一些实施例中，最低限度局部地环绕电极结构和最低限度局部地在一些电极间的平面内来安装支柱材料。这些支柱安装的示例示意地在图2E-2G中示出。

图2E示意地描述依据本发明的实施例的部分截面，表示电极结构e、分隔物s、及外部支柱EH。这个外部支柱的示例用至少一个钳夹和用封闭剂(encapsulant)提供。

图2F示意地描述依据本发明的实施例的部分截面，表示电极结构e、分隔物s、及暴露在电极间平面内并和这个电极结构相接触的支柱H。图2G示意地描述依据本发明的实施例的部分截面，表示电极结构e、分隔物s、电极平面延伸部分PE、及暴露在电极间平面内但不和这个电极结构相接触的支柱H。这个外部支柱的示例用密封剂、黏性材料和互锁装置提供。

这些示例是说明性的，应当理解的是本发明的实施例包括能够以本领域的普通技术和这里所提供的启示来实现的各种实施例的组合和各种支柱的组合。

本发明的一些实施例包括至少一个柔性的、导电性的层的形式的发射极和收集极。在优选实施例中，发射极包括为承受施加的压力而安装的薄的柔性层。这个压力能够，例如，通过网格来施加。在本发明的一些实施例中，柔性层的厚度小于或等于约20μm。

在一些实施例中，柔性层包括具有导电涂层的电介质材料。另一些实施例具有包括半导体材料的柔性层，最好具有导电涂层。还有一些实施例具有包括具有导电涂层的电介质材料以及半导体材料，另一些实施例包括其组合。一些实施例中，导电涂层包括金属，具有导电涂层的半导体材料的示例是由涂有Ni的硅提供的。

在本发明的一些实施例中，分隔物是用平版印刷技术制造的。还有另一些本发明的实施例包括用平版印刷术制造的分隔物和用沉积形成的分隔物。

不管制造的技术，在本发明的一些实施例中，分隔物具有规则的尺寸。这个特性在图2A-2B中示意性地说明，其中为了说明性的目的示出了两个不同的分隔物s1和s2，但并不作为对本发明的任何具体

实施例的限定。

收集极111示意性地示出了依据本发明的收集极的任意实施例，发射极444示意性地示出了依据本发明的发射极的任意实施例。结构555示意性地示出了有利于力的载荷分布的元素或元素组合的任意实施例，例如柔性层、支柱及其组合。如上所述，这种元素或其组合的示例有柔性网格，纳米线网格，粘性材料、至少一个钳夹、密封剂、封闭材料及其组合。

如图2A所示的较大粒子s2的大部分区域对于隧道贯穿是无效的，隧道贯穿仅发生在像区域A₁那样紧邻小粒子s1的小区域中。如图2B中示意性地描述，结构555的用处就是导致依据本发明的至少一个柔性电极变形，于是将隧道贯穿有效发生的区域增加到如A₂所示的区域。

在本发明的实施例中，结构555至少有利于以下效应之一：使至少一个柔性电极变形从而增加电极分隔开一段距离的区域，在其距离上隧道贯穿是有效的，降低大粒子分隔物尺寸的影响以至减小电极间的距离从而有效增加隧道贯穿。

发射极444如图2A-2B所示作为在本发明的一个实施例中的柔性电极。在本发明的另一些实施例中，收集极是柔性电极。还在另一些实施例中，收集极和发射极都是柔性电极。

应当理解，结构555的影响包括载荷分布，例如施加用来保持发射极和收集极互相接近的压缩力99。从这里提供的结构555的示例中可见，这种结构放置在相对于电极的位置上，以便有效地促进力的分布。图2B中示意性示出的位置只是这种位置的一个示例，而在本发明的其他实施例中可能在其他的位置上。

依据本发明的实施例的设计在防止不利的翘曲作用上提供了另外的优点。当电极温度增加时，电极变形或翘曲将导致短路，于是致使转换器失效。为了避免短路，分隔物间的距离与分隔物高度的比率最好在平均至少10³。

大多数将这个比率合并为制造参数之一的分隔物制造技术将导致形成大量较大的分隔物，如在图2A的讨论中所指出那样，其将会对转换器的隧道贯穿效率产生不利影响。依据本发明的实施例中至少一个电极的柔性以及此处所描述的柔性电极的变形，如图2B的讨论中所示的示例，允许使用较宽范围的这个比率，包括10³以上的大比率。

本发明实施例中的分隔物不限于特定的位置分布。例如，一些实施例具有像图2C中示意性示出的规则的分隔物分布，一些实施例具有像图2D中示意性示出的不规则的分隔物分布。还有另一些实施例在不同的电极区域具有规则的和不规则的分隔物分布的组合。应当理解，规则的分隔物分布也不限于图2C中所说明的正方形图案，而是它们也包括其他图案，比如多边形图案、弯曲特征的图案及其组合。

依据本发明，载荷分布装置包括执行或合作来至少完成以下(a)-(d)的功能之一的结构和/或结构的组合：(a)分布外部载荷，例如与压缩力99相关联的外部载荷；(b)如此所述，将电极保持在有效隧道贯穿的间隔上；(c)如此所述，促进至少一个电极的变形；(d)如此所述，减小分隔物的尺寸。这些结构的示例包括用于外部施加压缩力的力施加器、支柱、粘性材料、至少一个钳夹、互锁装置、密封剂、压缩装置、网格、柔性层、纳米线网格、导电网格、柔性网格、其组合、这些结构的等效物及这些结构组合的等效物。

借助例如图4中示意性说明的测试装置使用外加压缩力。依据本发明，其他一些操作模式利用这种可压缩力的应用，其不仅限于借助测试装置的利用。如图4中所说明，纳米定位装置能够施加这种力。

导电网格，例如图2中为说明性的目的所示的纳米线网格5，在依据本发明的转换器的一些实施例中，随意地放置在与发射极4的有线通信中。如果任一其他层或材料放置在导电网格和发射极之间，这个层或材料必须考虑到网格和发射极之间的有线通信。在本发明的实施例中，网格材料包括至少碳、金属、涂覆金属的电介质、半导体及其组合之一。在本说明书中适当的情况下，术语“组合”包括其中以一种组分涂覆另一组分的实施例。例如，在网格材料情况下，前述的描述包括涂覆金属的半导体。

依据本发明的一些转换器中，用约0.5mm厚的碳纳米线网格层实施纳米线网格5。纳米线直径，包括碳纳米线直径，适合在约1nm到约50nm范围内，更好的是约200，但在用于依据本发明的转换器的其他纳米线实施例中也可以设想其他的直径。在本发明的一些实施例中，这个网格的存在有利于跨越在受到柔性网格材料影响的表面上的力载荷的分布。虽然纳米线网格是优选材料，但各种材料及其组合中的任何之一都能够用于代替纳米线网格或与纳米线网格组合来构成与层5等效的层，假若这种层具有柔性，这种柔性考虑到在某种意义上其与纳米线网格可相比拟的机械性能，并因此促进载荷分布。

本发明的一些实施例包括至少发射极和收集极之一含有柔性导电材料薄层。此外，这些实施例也可以具有此处所述柔性网格。

为纳米线网格5提供合适的电连接器与外部电路连接。在一些实施例中，这个连接器包括较密集的网格。在另一些实施例中，这个连接器包括金属接触，最好是抛光的，例如图2中所示的金属接触6。在一些实施例中，收集极1本身就是连接外部电路的电连接器。在另一些实施例中，连接器连到收集极1上。

应当理解，图2中描述的转换器是示意性的，其中所示的各种特性在依据本发明的转换器的大量实施例中可能有变化。而且，图2中描述的每一层的层厚不是按比例示出的，而仅是示意性的。例如，图2表示转换器的横截面，其中大部分层有相同的接触表面。应当理解，这个特性不是限定性的，依据本发明的转换器的实施例可以具有至少一个层延续到与一些其他层延续到的表面不同的表面。而且，对于依据本发明的一些转换器，与图2中所示的横截面相似的横截面将表示具有多个不同宽度的多个层。

图4是示意性地表示用于测试依据本发明的转换器转换特性的真空测试设备。既对没有分隔物的独立情况，也对图2示意性表示的具有分隔物的转换器，讨论这个设备的使用。

为了这些试验，建造了用于小缝隙隧道贯穿试验的真空测试设备50。在图4中描述了这种设备的实施例。真空测试设备是在MDC真空产品公司用于表面分析的SSAC-12超高真空腔基础上建造的。将腔连同和柔性不锈钢真空管安装在决振空气台上。用具有干低真空泵的Pfeiffer真空TMU-56涡轮分子泵，在真空腔没有明显发热下，提供10^-6Torr范围的标准真空。在这个真空下，由于空气热导率产生的热损失远小于辐射损失。

设备包括材料控制装置，例如具有测微计进给21的测微计20，其允许对高真空腔壁52内的材料进行精确控制。测微计的延伸部分51延伸进入到线性纳米定位器60中。像高真空腔技术中传统的那样，通过馈线提供电连接80。

空腔具有用直径约40mm的铜水冷阀43实施的冷却系统。冷却阀也为收集极材料提供采样固定平台。

热发射极10端由厚重的不胀钢-36块及具有Ogden科学80W真空率筒状加热器12的盖子11构成。用4个不胀钢杆14(图3种只示出两个这种杆)将钢块连到处于上方法兰处的测微计20上，供Z-轴定位用。通过倾斜法兰安装测微计20，允许接触面校准。

三个辐射和/或热隔板25固定在不胀钢杆上以防止测微计过热。虽然可以使用其他的材料，但不胀钢合金用作构造材料是优选的，因为它降低了热膨胀作用。隔板25的固定包括多个轴环70的使用。

用Kepco ATE 75-1.5稳定电源为加热器提供能量以减小温度的漂移。将具有作为指示器的Keithley 2001万用表的Omega K-型热电偶用作温度传感器。

空腔的热平衡达到约每小时1级的水平至少花6个小时。在这个结构中，约2小时内能达到10^-6Torr量级的真空。

在本发明范围内，安装线性定位器来改进腔，其用包括具有模拟输出的电容传感器的1分辨率Physik Instrumente LISA^(PZT)线性定位器来实施。这个组合在用Keithley 2001万用表测量时，考虑达到优于1相对位置的位置读数。

在一套测试中，将抛光杆连到不胀钢加热块上，构成发射极。在一些测试中，杆30用直径约3mm，末端32抛光到约20RMS的Mo杆来实施。在另一些实验中，杆的材料包括抛光的不胀钢，还在另外一些测试中，其包括用Pt涂覆的不胀钢。

在收集极侧，将不胀钢尖端支柱安装到在侧控制器臂的帮助下能够手动移动的滑动铜桌40上。这个设计考虑到尖端沿发射极的Y-轴向移动。为了不机械性地损坏纳米定位器(10lb最大载荷)，用有延展性的尖锐的金属尖端，例如Au或In，作为尖端材料。这种设计是想增加接触面积。在另一些实施例中，用弹簧负载的不胀钢杆作为收集极，在这种情况中，弹簧装置是用充满金属粉的石英活塞和具有良好热传导的装置实施的。

在各种模式下，纳米定位器既允许手动的又允许计算机化的(HP/Labview)相对位置控制，例如手动定位/手动读数；手动定位/快速计算机化数据记录；及约每秒1-30的计算机化定位/1Hz的数据记录。将电压读数和平行连接到转换器上的电阻器库都插入到数据采集系统中。

在一些测试中，保持发射极在约50℃时使用加热器的恒定功率设置。收集极侧是在约室温，用厚重金属腔来稳定。

通常热平衡时间大于24小时，在至少6小时的室内有效空气调节下进行测量。尽管有这些操作中的预防措施和加入了不胀钢材料的设计，如果让电极间间隔不受控制，电极间缝隙的漂移能够达到每分钟约10。当温度传感器显示不可测的温度变化时，这种电极间缝隙的漂移会发展得更甚。这种电极间缝隙的漂移是由于腔壁的膨胀，在一些测试中，其可以通过插入内部框架来避免。

测试包括电极的触地(touchdown)及其随后受控分离。例如，Mo电极接触到Au尖端，然后以约0.5的步长将它们分开。由于触地过程中金属尖端的热膨胀，会经历尖端温度变化每度约10的膨胀。因为这个膨胀，电极更适宜接触较短的时间。否则收集极会“跟随”退行的发射极。通过纳米定位器适当的操作来补偿这种影响。

完成了大量独立的电极测试。在一些测试中使用Mo发射极和Au收集极。用Mo发射极和Au收集极完成了一套独立的实验。建议在这类实施例中清洁Au尖端以防止由于Au尖端表面污染而另外产生的反向隧道贯穿信号。更适宜在去离子水中超声清洗尖端来完成清洁。在这种方式下清洁的尖端可避免反向隧道贯穿信号，于是电流的符号是稳定的。

在这套实验中，通过测量在给定负载和接触面上的最大输出来完成对转换功率密度的估算。使用手动定位和快速纪录。这个操作模式使在小于约1的间隔上记录读数成为可能。实验包括使尖端变形1000并用原子力显微镜(AFM)通过扫描尖端的端面测量变形的区域。

在变形和拉开的Au-尖端上测量的详细功率的图表如图5中所示。尖端之一的表面有高度约2000的突起的特征。这个特征很可能在变形过程中打碎了约1000，然后通过弹性力重新形成。AFM剖面测量导致了约(0.5微米×0.5微米)接触面积的测定。这个面积在缝隙打开的过程中可能已经显著的变小。在1兆欧的负载上，最高的电压读数是0.247V，对应于～30W/em²。当负载接近100兆欧时，负载与伏特计内部电阻可相比拟并且信噪比下降，虽然最大输出上升。最大记录值粗略的是接触势差的一半，在这种情况下是0.9V。

对于同一个负载的不同触电，接触面积的波动能够导致～100倍的电压波动，但是功率密度在相同的间隔和温差下可能是相同的。对于理想隧道贯穿转换器在相同的温差下，计算得到的转换功率密度在22℃的温差时估计在～400W/cm²。

这套试验范围内测试的材料在小于约3的间隔上经历了明显的隧道贯穿状态。间隔可以扩约10倍而通过降低发射极功函数维持这种隧道贯穿状态。除了独立电极试验外也完成了其他一些实验。

在另一套实验中，使用图4描述的设计中示意性示出的装置。这个装置包括用表面抛光约3RMS的IBM光盘Al衬底制成的收集极。在这个装置中，通过激态分子激光消融TiO₂靶将分隔物材料沉积到收集极上。结果得到的分隔物粒子具有约25-50的平均粒子尺寸，及少量(～10/cm²)的直径～500的大粒子。

这个装置中的发射极是用硅晶片(弗吉尼亚半导体)制成的，其厚度约10微米并用约1000厚的钼层涂覆。结果得到的这个电极上的表面粗糙度为～10RMS。

将约0.5mm厚的碳纳米线网格放在发射极上面以至发射极在跨越其发射表面上受到近似均匀的力载荷。这个网格中的纳米线具有约200的直径。设置抛光的金属触点，与纳米线网络进行电通信。

这个装置具有约(2mm×2mm)的面积操作在隧道贯穿状态下。这个装置的实验在移除了尖端支撑部分的如上所述相同的真空测试设备上进行。用纳米定位器施加压力使发射极和收集极产生相对间隔以至装置操作在隧道贯穿状态下。这个压力还用来减小那些在其沉积后太大的分隔物粒子的尺寸及因此而得的间隔。

当所施加的温度梯度约20K时，观测到的电压近似与独立实验观测到的相同，但测量到的最大电流要高出约三个数量级。这个结果表明接触面积有相当的提高，将这个最大电流读数设想为仅代表用依据本发明的另一些实施例能够达到的电流读数的一小部分。这套试验还表明依据本发明的转换器的实施例不仅包括具有低电子功函数涂层的操作装置，还包括不具有低电子功函数材料涂层的转换器。不包括这种涂层的实施例的设计和制造较为简单。

以下书面描述和图表材料涉及到与本发明操作实施例相关联的现象的解析和数值模型。提供这些模型不是作为本发明限定性的解释。应当理解，本发明不限于或局限于其底层物理过程的任何单一的解释。提出下述解析和数值模型的目的是为了突出能够用来设计在本发明范围内设想的另外的实施例的有关变量，即使这些实施例在这个书面描述的内容中没有明确提到。有了这些设计、这个书面描述的示教、本技术的通常技巧、本发明范围内的另外的实施例，就能设计权力要求。因此，以下书面描述和图表材料描述本发明的实施例并提供能够用来设计在本发明范围内设想的另外的实施例的模型。

以下描述的模型包括，在薛定谔方程的WKB解中对镜像力势垒降低和电子隧道贯穿几率的作的近似，隧道贯穿存在下电流-电压功率和效率表达式的推导。以替换参数化的形式进一步提供这些表达式中的一些。这里所用的参数化不是唯一的，其选择不受限制。按照与量纲和变量相关标准相一致的方式选择参数化选项。根据辐射损失算入和辐射损失排除来单独分析效率。

按如下给定来近似本发明的实施例的功率流的表达式表明其关于温度的立方幂定律的增长，它表明至少比用传统转换器获得的功率流大一千倍的功率流。一些依据本发明的实施例提供功率流，其表现出关于温度至少立方幂定律的关系。一些依据本发明的实施例提供功率流，其至少比用传统转换器提供的功率流大10³倍。还有其他一些据本发明的一些实施例提供功率流，其表现出关于温度至少立方幂定律的关系并且至少比用传统转换器提供的大10³倍。

当发射极与收集极之间的间隔相对较小时(例如，小于约50，见T.J.Coutts，金属薄膜中的导电，Elsevier，NY，1974)，隧道效应在电子传输中很重要。

在一维情况下，对于电子隧道贯穿几率D，透射与反射的比率，薛定谔发方程的WKB解

表示为：

其中E表示电子能量，V(x)表示电子势能，m是电子质量，

是普朗克常数，x₁和x₂表示势垒起点和终点坐标。D作为以电子伏特为单位的V和以为单位的势垒的函数的曲线图如图3中所示。

在本发明的实施例中，用镜像力效应相当地降低了隧道贯穿有效势垒，Φ。镜像力势垒降低使能量势垒降低并使这种转换器在较低的温度下有效地操作。虽然不受任何具体模型的限制，诸如本发明范围内的那些隧道贯穿转换器能够用近热离子方法模拟如下。

有效势垒可以表达为Φ＝Φ₀-Δφ，其中Φ₀是功函数且Δφ是镜像力势垒降低，其在电荷q位于x处时近似为，

Δφ = \frac{q}{4 {πϵ}_{0} S} \cdot \frac{1}{[1 - 4 \frac{x^{2}}{S^{2}}]}

这个方程中ε₀表示真空介电常数，S表示电极间的距离。依据关于费米能级归一化，结果得到的势垒具有抛物线形状且其强烈依赖于S。前述Δφ的表达式可推论出，当考虑到镜像力势垒降低，可以达到约0.5的传输系数，例如，当S约10且功函数Φ₀约4.2eV时，及当S约25且功函数Φ₀约1.5eV时。

本发明实施例的操作组合示意性地在图6A-6B中示出。图6A中所示的隧道效应转换器包括热发射极E，及冷收集极，其间有电子隧道贯穿跨越的狭窄缝隙G。当装置操作来向外部负载输送电流时，外部电路通过合适的电导体闭合到负载R_L。传统上用标记i的箭头指示电流强度；发射极和收集极之间产生的电压指示为V。当提供电能时，图6B中示意性所示的转换器作为冷却器操作的。电能的供给用电池B来表示，转换器的低温和高温端分别以“冷”和“热”来标记。从发射极到收集极的隧道贯穿电流，包括真空电压降，近似为

其中A_eff是有效隧道贯穿面积，可以预料其远低于几何表面的面积。

这个问题更加完全的处理包括所有电子态上的积分，在每一个电子能量上以显式表示传输系数。此外，我们可以对所有可能的分隔距离d取平均。为了本分析的目的，我们将观察这部分费米面周围的电子的分布，其作用或多或少就像热离子问题。当热离子电流的推导假设有关的态在费米面以上几个k_BT时，隧道电流就能够涉及在费米面上或低于费米面的态。这就意味着对此处给定的较小的V的处理的级数单位进行修正。对于半导体中的载流子，这种情形原则上要好一些。在i_F的表达式中第一个指数项限制隧道贯穿，包括可获得的收集极的态。

下面推导隧道贯穿因子的显式表达式。我们假设跨越在缝隙上为线性势

V (x) - E = Φ + \frac{V_{x}}{d}

在发射极边界上，电子面临功函数Φ。如果热感生隧道贯穿电流驱动负载，那么负载电压V与电流反向。为简单起见，我们假设可忽略空间电荷效应，而且负载电压感生简单线性增加的电压降到阴极。

在这种情况下，可以正确地做出隧道贯穿积分；我们得到

根据其对负载电压的实质相关性，这个积分的更加方便的形式推导如下。假设负载电压与功函数相比很小导致近似：

那么前向电流为

在类似的近似级上，反向电流变为

我们能够将前因子的温度相关性显式地包括进来以改进前述处理的模型。为了做到这一点，我们根据其相关的Richardson系数来表达前因子。

\frac{N_{C} (T) {qv}_{th} (T)}{4} A^{*} T^{2}

那么，总电流为

这个方程可以看作是两个温度的函数的iV特性。与负载结合起来，另外得到

V＝iR_L

这两个方程定义了操作点电流和电压，它们都是两个温度的函数。

下面推导功率和效率。输送到负载的功率为

P_{L} = iV = \frac{V^{2}}{R_{L}}

我们将考虑的、与隧道贯穿电流关联的热流量在下式的量级上：

P_{T} = i_{F} (V + \frac{3 k_{B} T_{1}}{2 q}) - i_{R} (V + \frac{3 k_{B} T_{0}}{2 q})

辐射损失为

P_{R} = Aσ (T_{1}^{4} - T_{0}^{4})

其中σ是Stephan-Boltzmann常数。注意到功函数不出现与隧道贯穿功率的关联。这个系统的效率为

η = \frac{P_{L}}{P_{T} + P_{R}}

根据系统的基本参数很方便将模型参数化，这一点完成如下。为了解出电压，估算电流，得到：

来解出电压。这个方程考虑到了重要参数的标识。这个问题中的归一化真空缝隙距离可认为是

很方便地将归一化电压和功函数认为是对相同的温度作的归一化；定义

v = \frac{qV}{k_{B} T_{1}}

和

φ = \frac{qΦ}{k_{B} T_{1}}

这允许我们根据归一化变量来改写电压约束条件

v＝ξ[e^-ve^-vδ/4φ-(1-Δτ)²e^vδ/4φ]

其中归一化电阻ξ为

再次定义绝对温差为

Δτ = \frac{T_{1} - T_{0}}{T_{1}}

我们注意到一旦定义了归一化电阻ξ，余下的归一化电流-电压关系通过单一参数依赖于缝隙厚度和势垒。很容易定义新的归一化距离参数：

Δ = \frac{δ}{4 φ}

根据这个归一化参数，归一化电流-电压约束条件变为：

v＝ξ[e^-ve^-vΔ-(1-Δτ)²e^vΔ]

当归一化势垒φ在一般量级100上时，因为归一化距离δ必须在0(1-20)范围内，我们看到新Δ参数的相关值很小。对于下述效率优化的分析，集中考虑Δ的值在0和1之间是有意义的，排除辐射损失，。

在没有辐射损耗时，定义系统的效率η为负载功率和热功率的比值

η = \frac{P_{L}}{P_{T}}

这个表达式可以展开成为

η = \frac{(i_{F} + i_{R}) V}{(i_{F} + i_{R}) [V + 3 k_{B} (T_{0} + T_{1}) / 4 q] + (i_{F} - i_{R}) {3 k}_{B} (T_{1} - T_{0}) / 4 q}

根据归一化变量，在没有辐射损耗时，这个效率的表达式变成

η = \frac{v}{v + \frac{3}{4} (2 - Δτ) + \frac{3}{4} Δτ \frac{i_{F} - i_{R}}{i_{F} + i_{R}}}

效率η可以看作是归一化负载电阻ξ的函数。如果负载电阻太小，那么热源和负载之间就会有阻抗不匹配，以至负载短路电压降且只传输了很小的功率。在高负载阻抗下，电流很小以至很少的功率传送到负载。当增加的源电阻与负载相匹配时，出现最佳效率。在图7中说明一个这样的示例，其示出了作为归一化阻抗的函数的效率η(ξ)。在这个计算中，假设归一化势垒高度φ为100，归一化距离δ为5，其对应于Δ＝0.0125。绝对温差Δτ为0.2。当负载电阻与热离子源的增加电阻相匹配时，效率得到优化。

对于不同的Δ值，作为Δτ的函数的最佳效率的结果如图8中所示。最大效率受到热动约束的限制

η_max＜Δτ

在这种情况下，这个最大效率是低于热动极限的，对于同一个图中所示的计算项，其几乎与功函数无关。图8中说明的是对于Δ＝0.001、0.003、0.005、0.01、0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1的结果。Δ＝0.001这个值对应于几个，而Δ＝1的值对应于1000以上。

图9说明η_max＜Δτ的部分。观察到这个相对效率还是功函数的弱函数，且低于理想自由流动的情形。

在这个模型中，能够产生的最大归一化电压为

v_{\max} = - \frac{2 \ln (1 - Δτ)}{1 + 2 Δτ}

图10示出了在最佳效率点处的v/v_max的比值。在这种情况下，注意到最佳电压与势垒增加时的最大值相比变得较小了。图10中说明的是对于Δ＝0.001、0.003、0.005、0.01、0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1的值，所有这些都给出相同的结果。

负载功率为

P_{L} = \frac{V^{2}}{R_{L}}

定义相关通量为

Q_{L} = \frac{P_{L}}{A} = \frac{V^{2}}{A R_{L}}

这是能够传送到负载的每单位面积功率，转换成以瓦特每平方厘米为单位。根据归一化单位，这个量为

对于不同的Δ值，将归一化负载功率v²/ξ作为归一化温差的函数标绘在图11中。在包括Δ＝0.001、0.003、0.005、0.01、0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1的这些感兴趣的范围上，功率是关于Δ的相当弱的函数。

根据以W/cm²为单位测量的功率转换来看，很容易进行商业应用。为了将归一化功率与实际系统相对比，我们需要有前因子的数值形式。在这种情况下，从金属到真空中的热离子发射表征为

A^{*} T^{2} = 120 T_{K}^{2} \frac{A}{{cm}^{2}}

其中T_K为以开尔文为单位的温度。感兴趣的有关功率通量确定为

A^{*} T^{2} \frac{K_{B} T_{1}}{q} = 2.80 \times 10^{5} {[\frac{T_{1}}{300 K}]}^{3} \frac{Watts}{{cm}^{2}}

前述推导表明在功率和效率之间存在折衷，其导致在商业应用中需要互相妥协。对于隧道贯穿热离子转换器，效率对归一化功率以及功率对归一化效率如图12-13所示。图12表示对于最佳的转换系统，在不同的归一化距离值Δ＝0.001、0.003、0.005、0.01、0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1处，作为功率的函数的效率。同一个图中的线条包括对于所有可能的Δτ的结果。同一个图上的点代表Δτ＝1/2处的中间点值。图13表示对于最佳的转换系统，在不同的归一化距离值处，示意性地表示出作为功率的函数的归一化效率。和图12中一样，线条包括对于所有可能的Δτ的结果，而点代表Δτ＝1/2处的中间点值。

在这种情况下，类似的折衷并非立即就明显。而是，人们会理想寻求在约0.5量级上的较大Δτ，以至归一化功率v²/ξ在约0.1量级上。在这个情况下，效率在0.2附近。于是，相应的每单位面积上的负载功率Q_L在下式量级上

于是，每单位面积上的负载功率由在约1量级的尺度长度上指数衰减的隧道贯穿因子和部分的面积决定。

在更实际的模型中包括了热损失通道。在隧道热离子转换器的情况下，辐射损失代表明显基本的损失机制。简单的考察由于辐射损失带来的效率的降低是有意义的。这种情况下的效率为

η = \frac{P_{L}}{P_{T} + P_{R}}

根据归一化变量，这个式子变为

η = \frac{v}{v + \frac{3}{4} (2 - Δτ) + \frac{3}{4} Δτ \frac{i_{F} - i_{R}}{i_{F} + i_{R}} + x [\frac{1 - {(1 - Δτ)}^{4}}{e^{- v} e^{- vΔ} - {(1 - Δτ)}^{2} e^{vΔ}}]}

其中

数值上，这个式子求值得到

x = 1.64 \times 10^{- 7} \frac{A}{A_{eff}} \exp {- 0.512 [\frac{d}{1 A}] {[\frac{Φ}{1 eV}]}^{\frac{1}{2}}}

这个方程表明辐射损失降低系统的效率，如图14中所说明，其中对Δτ＝0.5将最佳效率标绘为归一化辐射损失参数x的函数，且其中不同的曲线对应于归一化缝隙厚度值Δ＝0.001、0.003、0.005、0.01、0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1。

在不脱离其精神或实质性特点的前提下，可以按照其他具体形式实施本发明。所描述的实施例在所有方面将仅考虑作为说明性的而非限定性的。因此，本发明的范围由所附的权利要求而不是通过前面的描述来表示。落入权利要求的等价物的含义和范围内的所有变化都包含在其范围之内。

Claims

1.一种隧道效应转换器，包括：

具有收集极表面的电荷收集极，其中所述收集极表面是原子平滑的；

具有发射极表面的电荷发射极，其中所述收集极表面是原子平滑的，以及其中所述发射极表面与所述收集极表面分隔开一段缝隙以至所述发射极表面与所述收集极表面分隔开一段小于或等于约5nm的距离；以及

所述发射极与所述收集极之间的分隔物，其中所述分隔物包括与所述收集极表面和所述发射极表面相接触的电介质材料。

2.根据权利要求1所述隧道效应转换器，其特征在于所述发射极表面与所述收集极表面分隔开一段小于或等于约3nm的距离。

3.根据权利要求1所述隧道效应转换器，其特征在于所述发射极与所述收集极之中至少有一个是柔性电极。

4.根据权利要求3所述隧道效应转换器，其特征在于所述柔性电极包括柔性薄层。

5.根据权利要求1-4中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于所述缝隙包括惰性气体。

6.根据权利要求1-4中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于所述缝隙包括稀薄的介质。

7.根据权利要求4所述隧道效应转换器，其特征在于所述柔性层具有小于或等于约20微米的厚度。

8.根据权利要求4所述隧道效应转换器，其特征在于所述柔性层包括具有导电涂层的电介质材料、半导体材料、或其组合中至少之一。

9.根据权利要求8所述隧道效应转换器，其特征在于所述导电涂层至少20nm厚。

10.根据权利要求8所述隧道效应转换器，其特征在于所述导电涂层包括金属。

11.根据权利要求4所述隧道效应转换器，其特征在于所述柔性层包括涂有镍的硅。

12.根据权利要求3所述隧道效应转换器，其特征在于所述柔性层包括网格。

13.根据权利要求12所述隧道效应转换器，其特征在于所述网格包括纳米线网格。

14.根据权利要求13所述隧道效应转换器，其特征在于在所述纳米线网格中，线的直径在约1nm到约50nm的范围内。

15.根据权利要求13所述隧道效应转换器，其特征在于所述纳米线网格包括网格材料，其至少是碳、金属、涂有金属的电介质、半导体、或其组合之一。

16.根据权利要求1-4中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于所述发射极包括用涂有电导体的硅。

17.根据权利要求16所述隧道效应转换器，其特征在于所述电导体包括Mo。

18.根据权利要求17所述隧道效应转换器，其特征在于所述硅以小于或等于约10微米的硅层的形式存在，而且所述Mo以厚度小于或等于约1000的涂层的形式存在。

19.根据权利要求1-4中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于所述发射极表面以低电子功函数材料涂覆。

20.根据权利要求19所述隧道效应转换器，其特征在于所述低电子功函数材料是碱金属、碱土金属、或其组合至少之一。

21.根据权利要求1-4中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于所述发射极表面包括至少两层涂层，第一涂层包括电子功函数至少约为3.5eV的材料，而且以第二涂层涂覆所述第一涂层，所述第二涂层包括电子功函数不超过约3.5eV的材料。

22.根据权利要求21所述隧道效应转换器，其特征在于所述第一涂层包括氧化铂、氧化银、氧化钽、Os、Ir、Pt、Re、Ni、W、及其组合至少之一，而且所述第二层涂层包括碱金属、碱土金属、或其组合至少之一。

23.根据权利要求1-4中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于所述收集极包括Al。

24.根据权利要求1-4中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于所述收集极包括金属化的半导体。

25.根据权利要求1-4中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于将所述收集极表面和所述发射极表面精加工成不超过约20RMS的表面粗糙度。

26.根据权利要求1-4中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于将所述收集极表面和所述发射极表面精加工成不超过约10RMS的表面粗糙度。

27.根据权利要求1-4中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于所述收集极表面包括具有高IR反射率材料的表面。

28.根据权利要求27所述隧道效应转换器，其特征在于所述高反射率材料包括Al、Cu、Ag、Au、或其组合至少之一。

29.根据权利要求1所述隧道效应转换器，其特征在于所述发射极表面包括具有高IR发射率材料的表面。

30.根据权利要求29所述隧道效应转换器，其特征在于所述高IR发射率材料包括金属碳化物、Fe、Ni、Co、或其组合至少之一。

31.根据权利要求12所述隧道效应转换器，其特征在于在所述网格中，所述线的直径小于或等于约0.5mm。

32.根据权利要求19所述隧道效应转换器，其特征在于所述低电子功函数材料包括Cs、Ba、Sr、Rb、Na、Ca、Li、或其组合至少之一。

33.根据权利要求22所述隧道效应转换器，其特征在于所述第一涂层包括氧化铂、氧化银、氧化钽、氧化钒、Os、Ir、Pt、Re、Ni、W、及其组合至少之一，而且所述第二涂层包括Cs、Ba、Sr、Rb、Na、Ca、Li、或其组合至少之一。

34.一种隧道效应转换器，包括：

具有收集极表面的电荷收集极；

具有发射极表面的电荷发射极，其中所述收集极表面与所述发射极表面分隔开一段缝隙以至所述发射极表面与所述收集极表面之间的电子隧道贯穿几率至少为0.1％；以及

35.根据权利要求34所述隧道效应转换器，其特征在于所述发射极表面与所述收集极表面分隔开一段小于或等于约5nm的距离。

36.根据权利要求34所述隧道效应转换器，其特征在于所述发射极与所述收集极之中至少有一个是柔性电极。

37.根据权利要求34-36中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于将所述收集极表面和所述发射极表面精加工成不超过约20RMS的表面抛光。

38.根据权利要求34-36中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于所述收集极表面包括具有高IR反射率材料的表面。

39.根据权利要求34-36中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于所述发射极表面包括具有高IR发射率材料的表面。

40.根据权利要求36所述隧道效应转换器，其特征在于所述柔性电极包括网格。

41.根据权利要求34-36中任意之一所述隧道效应转换器，其特征在于所述发射极表面涂有低电子功函数材料。

42.一种隧道效应转换器，包括：

具有收集极表面的电荷收集极；

具有发射极表面的电荷发射极，其中所述收集极和所述发射极中至少有一个包括导电的柔性层；以及

所述发射极与所述收集极之间的分隔物，其中所述分隔物包括与所述收集极表面和所述发射极表面相接触的电介质材料，而且所述发射极表面与所述收集极表面分隔开一段小于或等于约5nm的距离。

43.根据权利要求42所述隧道效应转换器，其特征在于所述收集极表面和所述发射极是原子平滑的，而且所述柔性层与导电网格电通信。

44.根据权利要求43所述隧道效应转换器，其特征在于将所述收集极表面和所述发射极表面精加工成不超过约20RMS的表面粗糙度，而且所述柔性层具有不超过约20微米的厚度。

45.一种隧道效应转换器，包括：

具有原子平滑的收集极表面的电荷收集极；

具有原子平滑的发射极表面的电荷发射极，其中所述收集极和所述发射极中至少有一个包括导电的柔性层；

所述发射极与所述收集极之间的分隔物，其中所述分隔物包括与所述收集极表面和所述发射极表面相接触的电介质材料；以及

装置，用于施加到所述柔性电极上的载荷分布。

46.根据权利要求45所述隧道效应转换器，其特征在于所述发射极表面与所述收集极表面分隔开一段小于或等于约5nm的距离。

47.根据权利要求45或46中所述隧道效应转换器，其特征在于所述载荷分布装置包括压缩力的外部施加装置。

48.根据权利要求45或46中所述隧道效应转换器，其特征在于所述载荷分布装置包括支柱。

49.根据权利要求45或46中所述隧道效应转换器，其特征在于所述载荷分布装置包括粘性材料。

50.根据权利要求45或46中所述隧道效应转换器，其特征在于所述载荷分布装置包括至少一个钳夹。

51.根据权利要求45或46中所述隧道效应转换器，其特征在于所述载荷分布装置包括互锁装置。

52.根据权利要求45或46中所述隧道效应转换器，其特征在于所述载荷分布装置包括密封剂。

53.根据权利要求45或46中所述隧道效应转换器，其特征在于所述载荷分布装置包括封闭剂。

54.根据权利要求45或46中所述隧道效应转换器，其特征在于所述载荷分布装置包括网格。

55.根据权利要求45或46中所述隧道效应转换器，其特征在于所述载荷分布装置包括柔性网格。