FR3142046A1 - Antenne large bande dans la plage de fréquence de 1 THz à 800 THz connectée à un pont de Graetz constitué de 4 diodes pour utiliser les deux alternances de l’onde sinusoïdale de courant à la surface de l’antenne. - Google Patents
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Abstract
Antenne large bande dans la plage de fréquence de 1 THz à 800 THz connectée à un pont de Graetz constitué de 4 diodes disposées de telle sorte que les deux alternances de l’onde sinusoïdale de courants de surface soient utilisées pour produire un courant continu qui peut être collecté par un matériau conducteur ou supraconducteur pour alimenter une charge, et un procédé de fabrication. [fig A]
Description
Cette antenne large bande dans la plage de fréquence de 1 THz à 800 THz est utilisée pour produire un courant continu qui peut être collecté par un matériau conducteur ou supraconducteur pour alimenter une charge. Un procédé de fabrication est également proposé.
L’augmentation de la population va de pair avec un besoin en énergies croissant. En effet, environ 88% de sa production mondiale provient de combustibles fossiles tels que le charbon, le gaz et le pétrole. De plus, bien que le nucléaire ne soit pas considéré comme énergie fossile, l’emploi d’uranium et de plutonium amène à environ 90 % notre dépendance en matières premières d’origine terrestre.
Cette dépendance est un problème puisque les besoins énergétiques augmentent à une vitesse telle que les réserves terrestres deviennent limitées à l’échelle de l’humanité. Le recours à des sources d’énergie alternatives et compatibles avec un développement durable constitue donc un des grands défis de ce siècle.
Les énergies renouvelables semblent être une des clés vers un équilibre entre les besoins énergétiques découlant de la croissance de la population et les facteurs de développement durable.
Il est important d’avoir en tête que le soleil est une source d’énergie gratuite, infinie à l’échelle de l’humanité. En effet, le soleil est à l’origine de la plupart des énergies terrestres (hydraulique, éolienne, marémotrice, photosynthèse, biochimique). Cette énergie provient du rayonnement électromagnétique généré par les réactions nucléaires interne à l'étoile.
Actuellement, la conversion de l'énergie électromagnétique en énergie électrique se fait essentiellement grâce à l‘effet photovoltaïque à l'aide de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium (Si), avec des rendements industriels de l’ordre de 15 %, mais dont l’efficacité maximale de la conversion par effet photovoltaïque est estimée à 30%. L'effet photovoltaïque est basé sur la nature photonique de la lumière. Cependant, le champ électromagnétique peut également être exploitée pour convertir directement l’énergie électromagnétique en énergie électrique.
Ce concept d'exploiter la nature électromagnétique de la lumière pour la conversion directe en énergie électrique a été proposé par J.C. Maxwell, par H. Hertz, par N. Tesla, puis par Robert Bailey en 1972 et breveté sous la référence de publication US3760257 A.
La publication US 8847824 B2 propose une antenne couplée à des détecteurs d'éléments dans lesquels l'antenne alimente une diode.
Une autre approche est proposée dans WO 2016/202995 qui propose un appareil photo-détecteur pour la détection des rayonnements infrarouges, visibles et ultraviolets, les photodétecteur contenant une réponse spectrale pouvant être réglée pour obtenir une sensibilité aux différentes longueurs d'onde de conception.
Le photo-détecteur comprend au moins un substrat, une première électrode, une deuxième électrode et au moins un matériau organique qui est ordonné entre la première électrode et la deuxième électrode, un Barrière Schottky (jonction métal semi-conducteur) au niveau de l'interface entre la première électrode et le matériau organique et / ou entre la deuxième électrode et le matériau organique.
Le brevet EP3493283 expose une antenne rectifiée avec une diode moléculaire dimensionnée pour des fréquences infrarouges ou visibles. Cependant, par construction, une seule alternance de l’onde sinusoïdale de courant est utilisée. Il existe une contrainte d’adaptation d’impédance. Le rendement n’est pas optimisé. Selon certains modes de réalisation de ce brevet, la connectique pour alimenter une charge n’est pas assurée par le design. Ce qui présente des inconvénients pour l’homme de l’art qui souhaiterait utiliser cette invention.
Le brevet US11296240 expose une antenne rectifiée avec des éléments dimensionnées pour des fréquences infrarouges. Par construction, le design propose d’utiliser les deux alternances de l’onde sinusoïdale de courant avec des demi ponts de Graetz en parallèles pour augmenter le courant, mais évoque un soucis de connectique pour alimenter une charge compte tenu de la disposition des jonctions. De plus, les faibles sillons de silicium entre les deux parties respectives p-n génèrent des courants de fuite. Par ailleurs, le fait d’utiliser de telles configurations en réseaux limite la plage de fréquences potentiellement utilisables. Il existe une contrainte d’adaptation d’impédance dûe à la configuration en réseau. Le rendement n’est pas optimisé. La puissance obtenue est faible. Ce qui présente des inconvénients pour l’homme de l’art qui souhaiterait utiliser cette invention.
De nombreux brevets (US11271434B2, US2022166259A1, US2022006424A1, CN114171933A, ...) ou publications (US, CN, FR, ...) proposent d’utiliser les ondes électromagnétiques dans des gammes de fréquences infrarouges. Cependant, au-delà de tout ce qui a été présenté dans la littérature jusqu’à présent, y compris dans tout ce qui fait référence aux antennes rectifiées, l'un des principaux obstacles techniques est qu'aux longueurs d'onde proposées, les éléments redresseurs connus ne se comportent généralement pas comme des éléments localisés. Un autre inconvénient est que les antennes rectifiées sont présentées comme un dispositif à deux bornes ; ce qui est difficilement réalisable en fonction des configurations proposées. Enfin, les effets de transport des porteurs de charge dans les diodes sont généralement trop lents ou manquent d’efficacité pour les fréquences souhaitées pour permettre la conversion directe du rayonnement électromagnétique en énergie électrique.
Il y a donc un besoin réel de créer une invention de conversion d’ondes électromagnétiques en énergie électrique, de l’infrarouge à l’ultra-violet avec un maximum d’efficacité, avec un rendement élevé et qui soit utilisable à moindre coût.
Ainsi, le fait d’augmenter le rendement d’un dispositif breveté ou industrialisé de type panneaux solaires permettrait de diminuer la surface utilisée au sol ou en toiture et par conséquent de diminuer l’impact pour l’environnement à production électrique équivalente et à coût équivalent.
Cette augmentation de rendement permettrait tout en baissant les coûts, de répondre à un des grands enjeux de ce siècle lié notamment à la problématique énergétique actuelle, de contribuer aux engagements du plan climat dans le cadre de la transition écologique, de répondre à la dernière programmation pluriannuelle de l’énergie qui prévoit un rééquilibrage du mix énergétique Français à l’horizon 2035-2050, d’alimenter en électricité des missions lunaires ou des missions spatiales.
Pour remédier aux quelques inconvénients exposés ci-dessus, ledispositifpropose une antenne large bande dans la plage de fréquence de 1 THz à 800 THz connectée à un pont de Graetz constitué de 4 diodes disposées de telle sorte que les deux alternances de l’onde sinusoïdale de courants de surface soient utilisées pour produire un courant continu qui peut être collecté par un matériau conducteur ou supraconducteur pour alimenter une charge.
De façon pratique, ledispositifest constitué de différents matériaux et de telle manière qu’à partir des ondes électromagnétiques sinusoïdales incidentes collectées dans la plage de fréquence de 1 THz à 800 THz, les courants générés se propagent à la surface de l’antenne à une ou plusieurs longueurs d'onde de fonctionnement, et passent à travers un pont de Graetz constitué de 4 diodes disposées de telle sorte que les deux alternances de l’onde sinusoïdale de courant soient utilisées pour produire un courant continu qui peut être collecté par un matériau conducteur ou supraconducteur pour alimenter une charge.
Le dispositifà partir d’un design approprié, permet d’adapter l’impédance entre le milieu extérieur et l’antenne et d’augmenter le rendement par rapport au dernier état de l’art connu.
Le dispositifest dimensionné à partir d'au moins un paramètre tel que par exemple une longueur d'onde de fonctionnement, ledit au moins paramètre de dimensionnement étant choisi dans un groupe comprenant les dimensions des matériauxdu dispositif.
L'invention sera mieux comprise à partir de la description d'un certain nombre de figures.
Le dispositif (A1000) proposé estune antenne large bande dans la plage de fréquence de 1 THz à 800 THz connectée à un pont de Graetz constitué de 4 diodes disposées de telle sorte que les deux alternances de l’onde sinusoïdale de courants de surface soient utilisées pour produire un courant continu qui peut être collecté par un matériau conducteur ou supraconducteur pour alimenter une charge.
De façon pratique,le dispositifest constitué de différents matériaux et de telle manière qu’à partir des ondes électromagnétiques sinusoïdales incidentes collectées dans la plage de fréquence de 1 THz à 800 THz, les courants générés se propagent à la surface de l’antenne à une ou plusieurs longueurs d'onde de fonctionnement, et passent à travers un pont de Graetz constitué de 4 diodes disposées de telle sorte que les deux alternances de l’onde sinusoïdale de courant soient utilisées pour produire un courant continu qui peut être collecté par un matériau conducteur ou supraconducteur pour alimenter une charge.
Le dispositifà partir d’un design approprié, permet d’adapter l’impédance entre le milieu extérieur et l’antenne et d’augmenter le rendement par rapport au dernier état de l’art connu.
Le dispositifest dimensionné à partir d'au moins un paramètre de dimensionnement tel que une longueur d'onde de fonctionnement, ledit au moins paramètre de dimensionnement étant choisi dans un groupe comprenant les dimensions des matériauxdu dispositif, par exemple l'épaisseur d’une couche métallique.
Les modes de réalisationdu dispositifpeuvent être appliqués dans plusieurs domaines comprenant, sans limitation, la conversion des ondes électromagnétiques en électricité, la photodétection et l'imagerie dans des dispositifs fonctionnant dans la gamme de longueur d'onde comprise entre 300 nm et 3000 nm.
Pour faciliter la compréhension des modes de réalisationdu dispositif, les points importants sont exposés ci-dessous.
Lorsque les ondes électromagnétiques pénètrent dans une antenne, les électrons de conduction du métal de l’antenne sont soumis à des oscillations rapides dans les matériaux conducteurs de l’antenne.
Des couplages existent entre les ondes électromagnétiques et les électrons de conduction et dans ce cas ils sont appelés «plasmons». Il existe alors au sein de l’antenne un courant alternatif généralement considéré sinusoïdale ayant une fréquence élevée, qui peut être comprise entre 1 THz et 800 THz, suivant la valeur de l’onde incidente arrivant sur l’antenne. Un tel courant alternatif, qui se propage généralement à la surface du métal, peut être redressé avec une intensité élevée par une ou plusieurs diodes.
Ces mécanismes sont similaires aux mécanismes générés lors de la réception des ondes radio avec des antennes conventionnelles mais doivent cependant être adaptés en prenant quelques précautions compte tenu de la taille des matériaux et du spectre de fréquences utilisées dans ledispositif.
L’efficacité de la conversion onde électromagnétique - courant électrique se réfère au rapport de proportion entre l'énergie donnée en entrée et l'énergie électrique produite en sortie. Une efficacité théorique de 100% se réfère à une conversion sans perte d'énergie.
En fonctionnement normal, le rayonnement électromagnétique incident d'une source produit un champ électrique de fréquence oscillant à l'intérieur du matériau, si l’impédance est adaptée entre le milieu extérieur et le matériau. Dans le cas d’une jonction tunnel, le champ entraîne un courant ou photo-courant qui est redressé afin qu'il puisse être utilisé pour alimenter une charge.
Dans le cas d’une diode à semi-conducteur dopé n et p, par exemple, et pour les longueurs d'onde optimisées pour le fonctionnement normal, la composante de champ électrique transversal à l'intérieur de la barrière tunnel a des polarités opposées du côté n et du côté p, respectivement. Le champ électromagnétique joue le rôle de pompe de courant.
En effet, le courant généré peut être considéré sous certaines conditions comme une des conséquences de l'effet tunnel assisté par photons. Les prédictions théoriques de l'effet tunnel assisté par photons ont été formulées pour la première fois par John Bardeen pour calculer les courants d'effet tunnel entre un supraconducteur et un métal normal. Il est à noter que Brian Josephson a également étudié les supers courants et les jonctions métal isolant métal (MIM) à différentes températures.
Il est important de retenir de ces études que la réponse électrique de ce type de structure au rayonnement électromagnétique incident est très sensible à l'intensité du champ électrique à l'intérieur de la barrière tunnel.
Il est également important de noter que pour des fréquences THz, les constantes diélectriques des matériaux utilisés présentent des réponses en fréquence avec une partie réelle et une partie imaginaire dont il faut tenir compte dans les calculs de dimensionnement du présentdispositif.
Par ailleurs, l'efficacité globaledu dispositifest obtenue en multipliant a minima les deux facteurs:
- l'efficacité du couplage du rayonnement incident à l'antenne,
- l'efficacité de propagation de l'énergie collectée de l'antenne à la charge.
L'efficacité du couplage d'un rayonnement incident à la structure de l'antenne représente un facteur très important pour déterminer l'efficacité globale de la structure.
La fréquence de fonctionnement, est appelée fréquence de travail, et se réfère à la longueur d'onde de travail notée λ.
La taille fait référence à la largeur, la longueur et la hauteur de chaque élément de l’antenne.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, la hauteur n’est pas inférieure à 10 nm.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, la hauteur est supérieure à 1 µm.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, la largeur n’est pas inférieure à 50 nm.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, la largeur est inférieure à 1 µm.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, la longueur L n’est pas inférieure à 50 nm.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, le système de coordonnées x, y, z, dans lequel les vecteurs unitaires sont représentés (par exemple sur les figures A, B, C) définissent un système cartésien et les vecteurs unitaires définissent respectivement l'axe des abscisses et l'axe des ordonnées du plan sur lequel le substrat est déposé. Le champ électrique parallèle respectivement aux abscisses, ordonnées et altitudes est noté respectivement Ex, Ey, Ez.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, les ondes électromagnétiques incidentes peuvent être récupérées par ledispositifafin de générer des courants de surface se propageant le long de la première et de la dernière couche métallique et présentent un champ électrique le long du vecteur unitaire.
Selon certains modes de réalisation, lorsque les antennes comprennent des motifs non rectangulaires ou circulaires, la taille se réfère aux dimensions qui permettent de définir le dit motif.
Selon certains modes de réalisation, si l’antenne est composée d’un réseau périodique dans l'espace; la cellule élémentaire est définie comme la plus petite fraction de l'espace, avec un volume fini, tel qu'il peut assurer le pavage de l'espace par translation d'un vecteur t = m.a + n.b + p.c ( (n, m, p) sont des entiers positifs). Où a, b et c sont trois vecteurs qui peuvent être écrit en fonction des vecteurs d'unité d'une référence orthonormale. Ensuite, la périodicité (ou l'espacement) le long d'un axe est donnée par a, b et c. Dans le cas d’une configuration en réseau d’antennes, les techniques pour placer la résonance du réseau à une longueur d'onde souhaitée sont bien connues et n'ont pas besoin d'être décrites ici en détail. Les paramètres de conception du réseau sont simplement adaptés dans le cas d’une simulation numérique jusqu'à obtention de la réponse souhaitée.
Selon certains modes de réalisation, la longueur d'onde de fonctionnement λ peut être déterminée à partir de la longueur du dispositif (L), et de l'indice de réfraction effectif (neff) du mode électromagnétique dans le matériau considéré (λ = 2Lneff). D’un point de vue électromagnétique, le dispositif se comporte comme une cavité ouverte. Les ondes électromagnétiques susceptibles d’exister à l’intérieur de la cavité doivent donc tenir compte de conditions aux limites de celle-ci, donc des dimensions du dispositif.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, la longueur d'onde de fonctionnement λ est comprise entre 200 nm et 6 µm.
Selon certains modes de réalisation, l'épaisseur du gap ou lieu de génération de plasmons : lieu ou les ondes électromagnétiques sont confinés et les plus intenses, peut être comprise entre 1 nm et la valeur de la longueur d'onde de résonance. Il est important de noter que pour de telles distances (généralement inférieure à la longueur de cohérence et de l’ordre de 50 nm pour du Si), les effets quantiques ne peuvent plus être négligés, notamment les effets tunnels ou les couplages, et doivent être pris en compte pour dimensionner le dispositif.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, dans lesquels il existe une couche conductrice transparente, l'épaisseur de cette couche peut aller jusqu'à 100 nm.
Selon certains modes de réalisation, l'angle d'incidence n'est pas strictement normal. Il est donc important d'étudier la réponse dépendant de l'angle de la structure pour évaluer si la résonance et la quantité d'absorption changent lorsque l'angle d'incidence varie.
Selon certains modes de réalisation du dispositif (A1000), le substrat (A1001) peut être en silicium (Si), ou constitué de tout autre matériau isolant.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, pour chaque couche de matériau définie comme couche semi-conductrice dopée n ou p, le matériau semi-conducteur tel que par exemple du silicium est dopé en utilisant une implantation de phosphore ou de bore.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, pour chaque couche de matériau définie comme couche semi-conductrice dopée n ou p, le matériau semi-conducteur tel que par exemple du silicium est dopé en utilisant une implantation de gallium ou d’arsenic.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, pour chaque couche de matériau définie comme couche semi-conductrice dopée n ou p, le matériau semi-conducteur neutre tel que par exemple du silicium est dopé en utilisant une implantation d’indium ou de bismuth.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, les couches de matériaux (A1004, A1006, A1009, A1011), peuvent être conductrice ou semi-conductrice. Ce qui améliore le transfert de charges des diodes, notamment vers les couches de matériaux qui peuvent être dopées p ou n, et ce afin que le courant puisse circuler plus facilement vers une charge externe connectée.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, les couches de matériaux (A1004, A1006, A1009, A1011), sont dopées p ou n.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, les couches de matériaux (A1004, A1006, A1009, A1011), peuvent être conductrice ou semi-conductrice. Ce qui améliore le transfert de charges des diodes, notamment vers les couches de matériau (x) supraconducteur (s) afin que le courant puisse circuler plus facilement vers une charge externe connectée.
Selon certains modes de réalisationdu dispositif, les couches de matériaux (A1004, A1006, A1009, A1011) sont des couches isolantes par exemple du silicium ou tout autre matériau isolant pour créer des jonctions Métal Isolant Métal ou Métal Isolant Supraconducteur.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, les couches de matériaux (A1003, A1007, A1008, A1012), peuvent être conductrice ou semi-conductrice. Ce qui améliore le transfert de charges des diodes, notamment vers les couches de matériaux qui peuvent être dopées p ou n, et ce afin que le courant puisse circuler plus facilement vers une charge externe connectée.
Selon certains modes de réalisationdu dispositif, les couches de matériaux (A1003, A1007, A1008, A1012) sont dopées p ou n.
Selon certains modes de réalisationdu dispositif, les couches de matériaux (A1007, A1012) peuvent être constitués par des jonctions moléculaires de quelques nm de longueur.
Selon certains modes de réalisationdu dispositif, la deuxième couche métallique (A1005), et/ou la troisième couche métallique (A1010), sont formées d'un matériau supraconducteur, tel que par exemple TlBaCaCuO, ou un composé de Néodyme, ou de Dysprosium, mais sans s'y limiter pour fonctionner à température ambiante terrestre ou spatiale.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, la couche isolante (A1013) permet de séparer électriquement les couches dopées et d’assurer le fonctionnement du pont de Graetz.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, la couche isolante (A1013) est utilisée entre autre pour adapter l’impédance entre le milieu extérieur et l’antenne.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, la couche isolante (A1013) peut être constituée d’un matériau adapté et de telle sorte que l’indice de réfraction varie dans le plan hauteur-largeur.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, la couche isolante (A1013) peut être constituée de silicium (Si) ou constituée silicium dopé ou constitué de tout autre matériau isolant dopé.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, la hauteur de la couche isolante (A1013) n’est pas inférieure à 50 nm. Ce qui permet de faciliter l’adaptation d’impédance entre le milieu extérieur et l’antenne.
Selon certains modes de réalisation du dispositif, la largeur de la couche isolante (A1013) n’est pas inférieure à la longueur de cohérence du matériau utiliser (en pratique de l’ordre de 50 nm pour Si). Ce qui permet de limiter très fortement les courants de fuite dans le pont de Graetz.
Selon certains modes de réalisationdu dispositif, la première couche métallique (A1002), et/ou la deuxième couche métallique (A1005), et/ou la troisième couche métallique (A1010), et/ou la quatrième couche métallique (A1014) peuvent être formées d'un matériau choisi tel que par exemple, mais sans s'y limiter, dans un groupe comprenant l'aluminium (Al), l'argent (Ag), l'or (Au), le tungstène (W) ou le cuivre (Cu).
Selon certains modes de réalisation, ledispositifpeut agir comme centre de diffusion qui couple l’onde incidente aux matériaux de base.
Selon certains modes de réalisation, les matériauxdu dispositifpeuvent avoir chacun une géométrie prédéfinie.
Selon certains modes de réalisation, ledispositifpeut avoir une géométrie particulière telle que, mais sans s'y limiter, un cercle, une ellipse, une forme rhombique, rectangulaire, carrée ou en bande par exemple.
Selon certains modes de réalisation, ledispositifpeut être disposée périodiquement dans un treillis, en réseau, ou au hasard.
Selon certains modes de réalisation, ledispositifpeut être disposée le long d’un réseau avec une périodicité prédéfinie (Pr).
Selon certains modes de réalisationdu dispositifet pour avantager les propriétés de transport d’électrons et de trous, l’épaisseur de chaque matériau peut être comprise entre 1 nm et 100 nm.
Selon certains modes de réalisation, la longueur d'onde de fonctionnement peut varier d'une fois à cent fois l’épaisseur totaledu dispositif.
Selon certains modes de réalisationdu dispositif, la longueur d'onde de fonctionnement λ peut être déterminée à partir des paramètres géométriquesdu dispositif, tels que la périodicité, et / ou la largeur et / ou et / ou la longueur et / ou l'épaisseur des matériaux de base.
Selon certains modes de réalisationdu dispositif, et notamment dans le cas d’un réseau, la longueur d'onde de fonctionnement peut être supérieure à une fois la périodicité de la pluralité A1000 pour permettre une meilleure dispersion de la lumière.
Selon certains modes de réalisation, une couche transparente peut être déposée sur le dessusdu dispositif.
L'optimisation selon certains modes de réalisation du dispositif et le calcul du transfert d'énergie vers la charge peuvent être effectués en utilisant des techniques de traitement d’ équations aux dérivées partielles, pour ce qui concerne les champs, les plasmons et les courants.
Les principales sources d’information de la littérature pour obtenir les formules de calculs utilisées se trouvent dans les articles suivants :
J. Bardeen, Tunneling from a many particle point of view, Phys. Rev. Lett., 6, Jan. 1961;
J. Davis, Surface plasmon modes in multi-layer thin-films, Optics Communications, 2009;
C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design (John Wiley and Sons, Hoboken, NJ, 2005).
Toutes les simulations ont été réalisées soit en développant des codes spécifiques en langage C et/ou Python, soit en adaptant des logiciels libres et ouverts avec des méthodes classiques de résolution d’équations aux dérivées partielles.
Selon un premier mode de réalisation (figure A), ledispositif(A1000) comprend :
- un substrat (A1001), qui sert de support;
- une première couche métallique (A1002), qui sert de brin d’antenne, déposée sur le dessus du substrat (A1001) ;
- une première couche semi-conductrice dopée p (A1003), déposée au-dessus de la première couche métallique (A1002);
- une deuxième couche semi-conductrice dopée n (A1004), déposée au-dessus de la première couche semi-conductrice dopée p (A1003) ;
- une deuxième couche métallique (A1005), qui sert de collecteur, déposée au dessus de la deuxième couche semi-conductrice dopée n (A1004) ;
- une troisième couche semi-conductrice dopée n (A1006), déposée au-dessus de la deuxième couche métallique (A1005);
- une quatrième couche semi-conductrice dopée p (A1007), déposée au-dessus de la troisième couche semi-conductrice dopée n (A1006);
- une cinquième couche semi-conductrice dopée n (A1008), déposée au-dessus de la première couche métallique (A1002);
- une sixième couche semi-conductrice dopée p (A1009), déposée au-dessus de la cinquième couche semi-conductrice dopée n (A1008);
- une troisième couche métallique (A1010), qui sert de collecteur, déposée au dessus de la sixième couche semi-conductrice dopée p (A1009);
- une septième couche semi-conductrice dopée p (A1011), déposée au-dessus de la troisième couche métallique (A1010);
- une huitième couche semi-conductrice dopée n (A1012), déposée au-dessus de la septième couche semi-conductrice dopée p (A1011);
- une couche isolante (A1013), qui permet de séparer électriquement les couches dopées et d’assurer le fonctionnement du pont de Graetz et d’adapter l’impédance entre le milieu extérieur et l’antenne, déposée au dessus de la première couche métallique (A1002);
- une quatrième couche métallique (A1014), qui sert de brin d’antenne, déposée au dessus de la quatrième couche semi-conductrice dopée p (A1007), de la huitième couche semi-conductrice dopée n (A1012), de la couche isolante (A1013).
Le dispositifest dimensionné à partir d'au moins un paramètre de dimensionnement tel que une longueur d'onde de fonctionnement, ledit au moins paramètre de dimensionnement étant choisi dans un groupe comprenant les dimensions des matériauxdu dispositif.
Selon un deuxième mode de réalisation (figure B), ledispositif(A1000) comprend :
- un substrat (A1001), qui sert de support ;
- une première couche métallique (A1002), qui sert de brin d’antenne, déposée sur le dessus du substrat (A1001) ;
- une première couche semi-conductrice dopée p (A1003), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la première couche métallique (A1002);
- une deuxième couche semi-conductrice (A1004), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la première couche semi-conductrice dopée p (A1003) ;
- une deuxième couche métallique (A1005), qui sert de collecteur, déposée au dessus de la deuxième couche semi-conductrice (A1004) ;
- une troisième couche semi-conductrice dopée p (A1006), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la deuxième couche métallique (A1005);
- une quatrième couche semi-conductrice (A1007), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la troisième couche semi-conductrice dopée p (A1006);
- une cinquième couche semi-conductrice dopée n (A1008), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la première couche métallique (A1002);
- une sixième couche semi-conductrice (A1009), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la cinquième couche semi-conductrice dopée n (A1008);
- une troisième couche métallique (A1010), qui sert de collecteur, déposée au dessus de la sixième couche semi-conductrice (A1009);
- une septième couche semi-conductrice dopée n (A1011), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la troisième couche métallique (A1010);
- une huitième couche semi-conductrice (A1012), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la septième couche semi-conductrice (A1011);
- une couche isolante (A1013), qui permet de séparer électriquement les couches dopées et d’assurer le fonctionnement du pont de Graetz et d’adapter l’impédance entre le milieu extérieur et l’antenne, déposée au dessus de la première couche métallique (A1002);
- une quatrième couche métallique (A1014), qui sert de brin d’antenne, déposée au dessus de la quatrième couche semi-conductrice (A1007), de la huitième couche semi-conductrice (A1012), de la couche isolante (A1013).
Le dispositifest dimensionné à partir d'au moins un paramètre de dimensionnement tel que une longueur d'onde de fonctionnement, ledit au moins paramètre de dimensionnement étant choisi dans un groupe comprenant les dimensions des matériauxdu dispositif.
Selon un troisième mode de réalisation (figure C), ledispositif(A1000) comprend :
- un substrat (A1001), qui sert de support ;
- une première couche métallique (A1002), qui sert de brin d’antenne, déposée sur le dessus du substrat (A1001);
- une première couche semi-conductrice dopée p (A1003), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la première couche métallique (A1002);
- une deuxième couche semi-conductrice (A1004), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la première couche semi-conductrice dopée p (A1003);
- une deuxième couche métallique (A1005), qui sert de collecteur, déposée au dessus de la deuxième couche semi-conductrice (A1004);
- une troisième couche semi-conductrice (A1006), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la deuxième couche métallique (A1005);
- une quatrième couche semi-conductrice dopée p (A1007), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la troisième couche semi-conductrice (A1006);
- une cinquième couche semi-conductrice dopée n (A1008), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la première couche métallique (A1002);
- une sixième couche semi-conductrice (A1009), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la cinquième couche semi-conductrice dopée n (A1008);
- une troisième couche métallique (A1010), qui sert de collecteur, déposée au dessus de la sixième couche semi-conductrice (A1009);
- une septième couche semi-conductrice (A1011), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la troisième couche métallique (A1010);
- une huitième couche semi-conductrice dopée n (A1012), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la septième couche semi-conductrice (A1011);
- une couche isolante (A1013), qui permet de séparer électriquement les couches dopées et d’assurer le fonctionnement du pont de Graetz et d’adapter l’impédance entre le milieu extérieur et l’antenne, déposée au dessus de la couche première métallique (A1002);
- une quatrième couche métallique (A1014), qui sert de brin d’antenne, déposée au dessus de la quatrième couche semi-conductrice dopée p (A1007), de la huitième couche semi-conductrice dopée n (A1012), de la couche isolante (A1013).
Le dispositifest dimensionné à partir d'au moins un paramètre de dimensionnement tel que une longueur d'onde de fonctionnement, ledit au moins paramètre de dimensionnement étant choisi dans un groupe comprenant les dimensions des matériauxdu dispositif.
Selon un quatrième mode de réalisation (figure C), ledispositif(A1000) comprend :
- un substrat (A1001), qui sert de support ;
- une première couche métallique (A1002), qui sert de brin d’antenne, déposée sur le dessus du substrat (A1001);
- une première couche semi-conductrice dopée p (A1003), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la première couche métallique (A1002);
- une deuxième couche semi-conductrice (A1004), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la première couche semi-conductrice dopée p (A1003);
- une deuxième couche métallique (supraconductrice) (A1005), qui sert de collecteur, déposée au dessus de la deuxième couche semi-conductrice (A1004);
- une troisième couche semi-conductrice (A1006), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la deuxième couche métallique (supraconductrice) (A1005);
- une quatrième couche semi-conductrice dopée p (A1007), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la troisième couche semi-conductrice (A1006);
- une cinquième couche semi-conductrice dopée n (A1008), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la première couche métallique (A1002);
- une sixième couche semi-conductrice (A1009), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la cinquième couche semi-conductrice dopée n (A1008);
- une troisième couche métallique (supraconductrice) (A1010), qui sert de collecteur, déposée au dessus de la sixième couche semi-conductrice (A1009);
- une septième couche semi-conductrice (A1011), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la troisième couche métallique (supraconductrice) (A1010);
- une huitième couche semi-conductrice dopée n (A1012), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la septième couche semi-conductrice (A1011);
- une couche isolante (A1013), qui permet de séparer électriquement les couches dopées et d’assurer le fonctionnement du pont de Graetz et d’adapter l’impédance entre le milieu extérieur et l’antenne, déposée au dessus de la couche première métallique (A1002);
- une quatrième couche métallique (A1014), qui sert de brin d’antenne, déposée au dessus de la quatrième couche semi-conductrice dopée p (A1007), de la huitième couche semi-conductrice dopée n (A1012), de la couche isolante (A1013).
Le dispositifest dimensionnée à partir d'au moins un paramètre de dimensionnement tel que une longueur d'onde de fonctionnement, ledit au moins paramètre de dimensionnement étant choisi dans un groupe comprenant les dimensions des matériauxdu dispositif.
La figure D est une vue schématique en coupe selon un mode de réalisationdu dispositif.
La figure E présente un réseau d’antennes qui peut comprendre n éléments de base A1000.
- un substrat en silicium A1001;
- une première couche métallique A1002 formée d'argent (Ag) déposé sur le dessus du silicium substrat A1001;
- ….
- une dernière couche métallique A1014 formée d'argent (Ag) disposé périodiquement avec une périodicité P de 100 nm, en réseau carré.
La figure F est un schéma de principe d’une antenne connectée à un pont de Graetz, selon un mode de réalisationdu dispositifet sur lequel il est indiqué le sens du courant pour alimenter une charge.
La figure G est un diagramme représentant une cartographie 2D du champ électromagnétique centré dans un plan normal de l’axe, selon certains modes de réalisationdu dispositif.
La figure H est un diagramme représentant la courbe de dispersion du gap plasmon, selon certains modes de réalisationdu dispositif.
La figure I est un diagramme représentant l'évolution de l'absorption totale d’un élément de l’antenne en fonction de la longueur d'onde d'incidence (λ) et de l'angle d'incidence (θ), selon un mode de réalisationdu dispositif.
La figure J montre les résultats de la simulation numérique du courant généré pour trois longueurs d’onde visibles (650 nm, 700 nm, 750 nm), à une température de 300 K, pour un champ électrique de 10 mV, dans une jonction Métal Isolant Métal de 2 nm de longueur, avec un isolant de constante diélectrique égale à 3, selon un mode de réalisationdu dispositif. Pour ce qui concerne le rayonnement solaire, la puissance moyenne reçue au sol est d’environ 1000 W/m² (qui permet d’estimer le module du champ électrique E à environ 1 mV / µm). La puissance théorique obtenue par simulation sans supraconducteur est légèrement supérieure à celle obtenue pour les premières cellules photovoltaïques commercialisées, soit 80 W / m².
Avantageusement, ledispositifpermet :
- d’obtenir un design optimisé et plus efficace que celui du dernier état de l’art connu ;
- d’utiliser les deux alternances de l’onde sinusoïdale de courant qui se propagent à la surface de l’antenne à une ou plusieurs longueurs d'onde de fonctionnement générée par une onde électromagnétique incidente ;
- d’adapter l’impédance entre le milieu extérieur et l’antenne ;
- d’obtenir un courant continu qui peut être collecté par un matériau conducteur ou supraconducteur pour alimenter une charge ;
- d’exploiter la plage de fréquence de 1 THz à 800 THz ;
- d’obtenir un rendement supérieur à celui du dernier état de l’art connu.
Le présentdispositifa été décrit en référence à divers modes de réalisation. Dans la mesure du possible, un ou plusieurs éléments, composants, constituants, structures, modules des modes de réalisation décrits peuvent être combinés, séparés, interchangés, réarrangés avec un ou plusieurs autres éléments, composants, constituants, structures, modules des modes de réalisation sans s'écarter de la portée de l'invention divulguée. Le présentdispositifn'est pas limité par la description des différents modes de réalisation. L'homme de l’art peut obtenir d'autres manières de mise en œuvre à partir des solutions techniques du présentdispositif.
La description suivante de certains modes de réalisationdu dispositifsera faite en référence à la fabrication d'une structure en couches rectangulaires à l'aide d'un substrat de silicium, mais sans s’y limiter.
De façon générale, pour les zones définies comme n et p il est préconisé d’utiliser la lithographie, et les régions sont dopées en utilisant par exemple une implantation ionique de d’indium ou de bismuth, respectivement, à 1 x 1020atomes/cm3. Les dommages aux implants peuvent être réduits à l'aide d'un recuit thermique rapide.
Le procédé de fabrication est simple et comprend les étapes de base suivantes :
A la première étape, dans un mode de réalisation du dispositif, au moins une longueur d'onde de fonctionnement peut être définie comme paramètre de dimensionnement du dispositif pour convertir l’onde électromagnétique incidente en énergie électrique.
A la deuxième étape, dans un mode de réalisation du dispositif, le substrat de silicium (Si) et la partie centrale servant d’isolant entre les jonctions peut être nettoyé par voie humide dans une solution d'acétone suivi d'un séchage par projection d'azote ou d'un séchage par centrifugation. Le substrat peut également être nettoyé au plasma dans de l'argon ou de l'oxygène pour éliminer les impuretés organiques qui pourraient être présentes à la surface du substrat.
A la troisième étape, dans un mode de réalisation du dispositif, un dépôt physique en phase vapeur (PVD) d'une couche d'argent peut être réalisé, dans un environnement ultra vide.
A la quatrième étape, dans un mode de réalisation du dispositif, les couches dopées peuvent être déposées.
A la cinquième, dans un mode de réalisation du dispositif, un revêtement par centrifugation peut être réalisé.
A la sixième étape, dans un mode de réalisation du dispositif, une configuration lithographique peut être réalisée ou un dépôt physique en phase vapeur (PVD) peut être réalisé, dans un environnement ultra vide. A cette étape, le dépôt de couche d’argent peut être remplacé par le dépôt de matériau supraconducteur.
A la septième étape, dans un mode de réalisation du dispositif, les couche dopées peuvent être déposées.
A la huitième étape, dans un mode de réalisation du dispositif, les couches de semi conducteur peuvent être déposées.
A la neuvième étape, dans un mode de réalisation du dispositif, une couche d’argent peut être déposée.
Dans certains modes de réalisation du dispositif, la première couche métallique et la dernière couche métallique peuvent être revêtues en utilisant une technique appropriée telle que par exemple, le dépôt physique en phase vapeur (PVD), la pulvérisation magnéton, un faisceau ionique et évaporation par faisceau d’électrons.
Claims (3)
- Dispositif(A1000), constitué de différents matériaux et de telle manière qu’à partir d’ondes électromagnétiques sinusoïdales incidentes collectées dans la plage de fréquence de 1 THz à 800 THz, les courants générés passent à travers un pont de Graetz constitué de 4 diodes disposées de telle sorte que deux alternances de l’onde des courants générés soient utilisées pour produire un courant continu qui peut être collecté par un matériau conducteur ou supraconducteur pour alimenter une charge, et comprenant:
- un substrat (A1001), qui sert de support ;
- une première couche métallique (A1002), qui sert de brin d’antenne, déposée sur le dessus du substrat (A1001);
- une première couche semi-conductrice dopée p (A1003), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la première couche métallique (A1002);
- une deuxième couche semi-conductrice (A1004), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la première couche semi-conductrice dopée p (A1003);
- une deuxième couche métallique (A1005), qui sert de collecteur, déposée au dessus de la deuxième couche semi-conductrice (A1004);
- une troisième couche semi-conductrice (A1006), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la deuxième couche métallique (A1005);
- une quatrième couche semi-conductrice dopée p (A1007), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la troisième couche semi-conductrice (A1006);
- une cinquième couche semi-conductrice dopée n (A1008), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la première couche métallique (A1002);
- une sixième couche semi-conductrice (A1009), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la cinquième couche semi-conductrice dopée n (A1008);
- une troisième couche métallique (A1010), qui sert de collecteur, déposée au dessus de la sixième couche semi-conductrice (A1009);
- une septième couche semi-conductrice (A1011), qui sert d’isolant, déposée au-dessus de la troisième couche métallique (A1010);
- une huitième couche semi-conductrice dopée n (A1012), qui sert de barrière de potentiel, déposée au-dessus de la septième couche semi-conductrice (A1011);
- une couche isolante (A1013), qui permet de séparer électriquement les couches dopées et d’assurer le fonctionnement du pont de Graetz et d’adapter l’impédance entre le milieu extérieur et l’antenne, déposée au dessus de la première couche métallique (A1002);
- une quatrième couche métallique (A1014), qui sert de brin d’antenne, déposée au dessus de la quatrième couche semi-conductrice dopée p (A1007), de la huitième couche semi-conductrice dopée n (A1012), de la couche isolante (A1013).
Le dispositifest dimensionné à partir d'au moins un paramètre de dimensionnement tel que une longueur d'onde de fonctionnement, ledit au moins paramètre de dimensionnement étant choisi dans un groupe comprenant les dimensions des matériauxdu dispositif. - Dispositif(A1000) selon la revendication 1, dans lequel, la deuxième couche métallique (A1005), et/ou la troisième couche métallique (A1010), sont formées d'un matériau supraconducteur, tel que TlBaCaCuO, ou un composé de Néodyme ou de Dysprosium, pour fonctionner à température ambiante terrestre ou spatiale.
- Dispositif(A1000) selon la revendication 1, dans lequel la première couche métallique (A1002), ou la deuxième couche métallique (A1005), ou la troisième couche métallique (A1010), ou la quatrième couche métallique (A1014) peut être formée d'un matériau choisi, dans un groupe comprenant l'aluminium (Al), l'argent (Ag), l'or (Au), le tungstène (W) ou le cuivre (Cu).
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