JP2012515448A - 量子ドット型ウルトラキャパシタ及び電子バッテリー - Google Patents
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Abstract
【課題】キャパシタよりもエネルギー密度を大きくし、バッテリーよりも充電／放電を速くし、かつ／またはバッテリーよりも寿命をずっと長くしたエネルギー貯蔵装置を提供する。
【解決手段】本発明は、少なくとも１つの量子閉じ込め系（ＱＣＳ）を有するソリッドステート・エネルギー貯蔵装置を提供する。ここで、ＱＣＳ（１０２）は、量子ドット（ＱＤ）、量子井戸またはナノ細線を含み得る。本発明は、少なくとも１つのＱＣＳが組み込まれた少なくとも１つの誘電材料（１０４）層と、少なくとも１つの誘電材料層の上面に配置された第１導電電極（１０６）及び下面に配置された第２導電電極（１０８）とをさらに含み、両電極は、少なくとも１つのＱＣＳに電荷を移動させるように配置されており、両電極間に電圧を与えるように電気回路が配置されたとき、該電圧により、移動した電荷が少なくとも１つのＱＣＳから電気回路へ放電されるようにした。
【選択図】図１
【解決手段】本発明は、少なくとも１つの量子閉じ込め系（ＱＣＳ）を有するソリッドステート・エネルギー貯蔵装置を提供する。ここで、ＱＣＳ（１０２）は、量子ドット（ＱＤ）、量子井戸またはナノ細線を含み得る。本発明は、少なくとも１つのＱＣＳが組み込まれた少なくとも１つの誘電材料（１０４）層と、少なくとも１つの誘電材料層の上面に配置された第１導電電極（１０６）及び下面に配置された第２導電電極（１０８）とをさらに含み、両電極は、少なくとも１つのＱＣＳに電荷を移動させるように配置されており、両電極間に電圧を与えるように電気回路が配置されたとき、該電圧により、移動した電荷が少なくとも１つのＱＣＳから電気回路へ放電されるようにした。
【選択図】図１
Description
本発明は、エネルギー貯蔵装置に関する。詳細には、本発明は、ソリッドステート・キャパシタ及びバッテリーに関する。
エネルギー貯蔵装置は、特に携帯機器及び自動車向けの、多数の様々な電子装置の部品の中でも、極めて重要な役割を担っている。エネルギー貯蔵装置には、電荷を貯蔵し、回路を介して放電するキャパシタ（コンデンサ）と、イオン及び化学反応を利用してエネルギーを貯蔵及び放出するバッテリー（蓄電池）とが含まれる。既存のエネルギー貯蔵装置には、エネルギー貯蔵密度が低い、充電／放電動作が遅い、劣化が早いなどの数々の欠点がある。例えば、既存のバッテリーは貯蔵密度が小さいので、通常、十分な量のエネルギーを貯蔵するためには、バッテリーのサイズ及び重量を大きく設計する必要がある。
このようなサイズ及び重量の要件は、例えばハイブリッド車や電気自動車などにおいて、バッテリーで動く装置の性能低下につながる。バッテリーの貯蔵密度が小さいのは、バッテリー内に貯蔵されているイオンのサイズ及び重量が大きいからである。既存のバッテリーではイオンが電極間を移動することにより充放電が行われるが、このことも充電及び放電動作を遅くする要因の１つである。さらに、既存のバッテリー内でのイオンの移動は、バッテリーの劣化を早めることになる。エネルギー貯蔵装置は、多種多様の物理的効果に基づいており、例えば、キャパシタには電界を用いてエネルギーを貯蔵することができ、バッテリーには化学反応（イオン運動を含む）を用いてエネルギーを貯蔵することができる。しかしながら、キャパシタ内のエネルギー貯蔵は、装置の幾何学構造（例えば、面積が小さい２次元キャパシタプレート）によって制限され、バッテリーは、電気化学反応に固有のイオンの動きのせいで応答時間が遅いという欠点もある。
従って、キャパシタよりもエネルギー密度を大きくし、バッテリーよりも充電／放電を速くし、かつ／またはバッテリーよりも寿命をずっと長くしたエネルギー貯蔵装置を提供することができれば、当分野において進展をもたらすであろう。
本発明は、少なくとも１つの量子閉じ込め系（quantum confinement species：ＱＣＳ）と、少なくとも１つのＱＣＳが組み込まれた少なくとも１つの誘電材料層と、少なくとも１つの誘電材料層の上面に配置された第１導電電極と、少なくとも１つの誘電材料層の下面に配置された第２導電電極とを有し、両電極は、少なくとも１つのＱＣＳに電荷を移動させるように配置されており、両電極間に電圧を与えるように電気回路が配置されたとき、該電圧により、移動した電荷が少なくとも１つのＱＣＳから電気回路へ放電されるようにしたソリッドステート・エネルギー貯蔵装置を提供する。
本発明の一態様によれば、ＱＣＳは、量子ドット（ＱＤ）、量子井戸またはナノ細線を含み得る。
別の態様では、ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置の充電速度は、少なくとも２つのＱＣＳ間の間隔を維持することができる構造の厚さ、少なくとも１つのＱＣＳと１つの電極との間隔の厚さ、ＱＣＳと誘電層との間のエネルギー障壁、または少なくとも１つの誘電材料層の誘電率に従って規定される。
本発明のさらなる態様では、ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置の放電速度は、少なくとも２つのＱＣＳ間の間隔を維持することができる構造の厚さ、少なくとも１つのＱＣＳと１つの電極との間隔の厚さ、ＱＣＳと誘電層との間のエネルギー障壁、または少なくとも１つの誘電材料層の誘電率に従って規定される。
本発明の別の態様では、複数のＱＣＳが、第１導電電極と第２導電電極との間において、ＱＣＳのサイズまたはＱＣＳの材料を含み得る特性に従って勾配を形成するようにして配列されている。さらに、上記勾配における相対的に大きいサイズのＱＣＳは、量子ドット、量子井戸、ナノ細線及びバルク材料を含み得る。この態様によれば、上記勾配における相対的に大きいサイズのＱＣＳは第１仕事関数を有する材料を含み、上記勾配における相対的に小さいＱＣＳは第２仕事関数を有する材料を含む。
本発明の一態様によれば、複数のＱＣＳがサイズに従って配置され、ここで、相対的に小さいサイズの少なくとも１つのＱＣＳが、相対的に小さいサイズのＱＣＳアレイによって取り囲まれている。この態様では、相対的に大きいサイズのＱＣＳは、量子ドット、量子井戸、ナノ細線またはバルク材料であり得る。さらに、相対的に大きいサイズのＱＣＳは第１仕事関数を有する材料を含み、相対的に小さいサイズのＱＣＳは第２仕事関数を有する材料を含む。
本発明の別の態様では、ＱＣＳが材料によって配置され、ここで、仕事関数が大きい材料が、相対的に仕事関数が小さいＱＣＳアレイによって取り囲まれている。
本発明の別の態様では、ＱＣＳが材料によって配置され、ここで、仕事関数が小さい材料が、相対的に仕事関数が大きいＱＣＳアレイによって取り囲まれている。
本発明の別の態様では、複数のＱＣＳが、仕事関数の勾配を有するように配置されている。
本発明の別の態様では、複数のＱＣＳがサイズに従って配置され、ここで、相対的に小さいサイズのＱＣＳが相対的に大きいサイズのＱＣＳアレイによって取り囲まれている。この態様では、相対的に大きいサイズのＱＣＳは、量子ドット、量子井戸、ナノ細線またはバルク材料を含むことができる。
本発明のさらなる態様では、ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置は、電気出力部を有しかつ直列または並列に配列された少なくとも２つのソリッドステート・エネルギー貯蔵装置を含む。
さらに別の態様では、少なくとも１つのＱＣＳアレイは、少なくとも１つの誘電材料層の表面上に少なくとも１つの機能層を形成する。この態様では、機能層は、互いに異なる仕事関数を有する異なる材料を含み得、機能層は、第１電極と第２電極との間にポテンシャル勾配を形成するように配列されている。ここで、機能層は、誘電層内に配列された量子ドット（ＱＤ）アレイ、誘電層内に配列された量子井戸アレイ、誘電層内に配列されたナノ細線レイ、または誘電層内に配列されたバルク材料、あるいはこれらの組合せを含むことができる。さらに、機能層は、少なくとも１つの誘電材料層の電子親和力よりも大きい電子親和力を有する材料を含み得る。本態様によれば、少なくとも１つの機能層を別の機能層上に配置することができる。さらに、少なくとも１つの機能層を第１誘電材料層に配置することができ、少なくとも１つの他の機能層を少なくとも第２誘電材料層に配置することができる。ここで、機能層間に障壁層を配置することができる。この態様では、ＱＣＳを、サイズ勾配または材料勾配を形成するように配列することができる。
本発明のさらなる態様によれば、ＱＣＳの少なくとも１つのアレイが、少なくとも１つの誘電材料層間に少なくとも１つの機能層を形成する。
本発明の一態様では、ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置であって、少なくとも１つの誘電材料層に組み込まれた少なくとも１つの量子閉じ込め系（ＱＣＳ）と、誘電材料の上面に配置された第１導電電極及び誘電材料の下面に配置された第２導電電極とを含み、第１電極及び第２電極が、誘電材料及びＱＣＳに分極を生じさせるように配置されているソリッドステート・エネルギー貯蔵装置が提供される。
本発明の目的及び利点については、図面とともに以下の詳細な説明を読むことで理解されるであろう。
以下の詳細な説明には、説明のために数多くの具体例が含まれるが、以下の例示的な詳細に対する数多くの変形形態及び修正形態が本発明の範囲内に含まれることは、当業者であれば容易に理解されるであろう。従って、以下に示す本発明の好適実施形態は、本発明に対する一般性を喪失するものではなく、本発明に対して制限を課すものでもない。
本発明は、既存のエネルギー貯蔵装置の上記欠点を克服することができるソリッドステート・エネルギー貯蔵装置を対象にしている。本発明の装置は、誘電材料内に埋め込まれているかまたは誘電材料の表面上に配列されている１若しくは複数の量子閉じ込め構造（ＱＣＳ）を含み、複数の導電電極、例えば２つ以上の金属電極などに挟まれたり取り囲まれたりしている。電極が充電されると、電荷の少なくとも一部がＱＣＳに移動する。さらに、電極の充電は、誘電材料及びＱＣＳ内の分極を誘導する。電極が充電回路から電気的に切り離されたとき、電荷の一部はＱＣＳ内にとどまり、後々の放電のために貯蔵されることができる。電極間に適切な電圧を印加することによって、ＱＣＳが放電されて電流が流れるようにすることができる。
本発明は、非常に高い貯蔵密度を有するキャパシタ及び電子バッテリーを対象にしていることに注意することが重要である。本発明のエネルギー貯蔵装置は、複数の量子ドット（ＱＤ）を用いてイオンの代わりに電子を貯蔵するので、貯蔵容量の大きな小型・軽量装置が提供される。さらに、電子の移動によって、迅速な充電及び放電が可能になる。本発明のソリッドステート装置はまた、既存のエネルギー貯蔵装置よりも改善された劣化特性を有する。本発明では、エネルギー貯蔵には、表面電荷（例えばキャパシタ）またはイオン（例えばバッテリー）とは対照的に、バルク内の電子が用いられる。
本発明の実施形態では、装置の充放電速度及び貯蔵容量は調節可能である。充放電速度は、ＱＤ間の間隔及び誘電材料の誘電率によって決まるので、ＱＤ間の距離、誘電率、またはそれらの組合せを変えることによって、充放電速度を変えることができる。充放電速度はさらに、誘電材料及びＱＤの電子親和力によって決まる。
一実施形態では、エネルギー貯蔵装置は様々なサイズのＱＣＳを有する。大きいＱＣＳが一方の電極の近くに配置され、より小さいＱＣＳが反対側の電極の近くに配置されることが好ましい。電荷は、より大きいＱＣＳに貯蔵されることが好ましい。このようなサイズ分布の勾配は、たとえセルが中性である場合でも、ＱＣＳの分極を可能にする。すなわち、より大きいＱＣＳは、より小さいＱＣＳに近接しているが故に分極される。装置を充電すると、過剰電荷は好適にはより大きいドット内に収容され、それによって貯蔵される電荷を増加させる。別の実施形態では、より小さいＱＣＳのアレイが、より大きいＱＣＳの周りに配置されている。あるいは、より小さいＱＣＳが、より大きいＱＣＳのアレイによって取り囲まれる場合もある。ＱＣＳは広範囲のサイズを有し得ることに留意されたい。具体的には、或る実施形態では、より大きいＱＣＳをナノ細線または量子井戸に置き換えることができ、かつ／またはより小さいＱＣＳを個々の原子程度に小さくすることができる。
別の好適実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、例えばユニットを積み重ねるなどして互いに接続された複数の繰り返しユニットを含み得る。各ユニットは、単独で或る量の電荷を貯蔵することができるので、複数の繰り返しユニットを備えた装置は、より多くの量の電荷を貯蔵することができる。直列に積み重ねられたこれらのユニットの電圧は加算され、エネルギー密度は電圧の２乗に比例して大きくなるので、本実施形態において、ずっと大きなエネルギー密度を達成することができる。
別の実施形態では、複数のＱＤは異なる材料で製造される。さらに、第１ＱＤを、第２ＱＤより大きな仕事関数を持つ材料から製造することができる。電子移動は、近接する材料間のフェルミ準位の差によって生じるので、フェルミ準位の差を大きくして、より大きな分極を達成することができる。
本発明のさらなる実施形態によれば、絶縁マトリクスの両側に導電電極を堆積させることによって、エネルギー貯蔵を向上させることができる。絶縁マトリクス内に１若しくは複数の機能層が配置されており、トンネル現象（トンネリング）が発生し得るような薄い（約１ｎｍないし２５ｎｍ）絶縁層によって、または電流に高い抵抗性を有する薄い（約１０ｎｍないし７００ｎｍ）絶縁層によって、互いから分離されている。機能層は、ポテンシャル勾配を与えるために異なるフェルミ準位を有するＱＣＳを含み得る。さらに、機能層には、量子井戸、ナノ細線または量子ドットと同様に、量子閉じ込めが起こり得る。そのような量子閉じ込めは、機能層のフェルミ準位を調整する方法を提供することができる。機能層は、金属または半導体であってよく、絶縁マトリクスの電子親和力よりも大きい電子親和力を有する埋め込みＱＣＳを含むことができる。絶縁マトリクス材料は、高い降伏電圧を有するはずである。幾つかの機能層を積み重ねることもできる。
電子トンネリングは、電気化学ポテンシャルが平衡状態で一定であるように平衡ポテンシャル勾配を生じさせる。或る極性の電圧を装置に印加すると、それによって平衡ポテンシャルが無効にされ、電子をより高いフェルミ準位材料に送り込む（すなわち充電電流が流れる）ようにすることができる。電圧を取り去ったとき、一部の電荷は機能層内にとどまることができる。これが、装置の充電された状態である。装置から放電電流が流れ出ると、電極の電圧が低下し、貯蔵された電荷は、より低いフェルミエネルギーを有する材料へ流れることになる。これが放電サイクルであり、機能層間及び機能層から電極へと流れる電子は、電流を提供することになる。
本発明の用途には、電気自動車用エネルギー貯蔵装置（ＥＶまたはＰＨＥＶ用バッテリー）、携帯用電子機器（ラップトップ、携帯電話など）及び軍用装備／兵器が含まれ、本発明の利点には、エネルギー貯蔵密度が大きいこと（場合により２５０Ｗｈｒ／ｋｇ以上）、電力貯蔵密度が大きいこと（〜１０Ｗ／ｋｇ）、充電／放電速度が高速であること、及び化学反応がないので経時的な劣化が小さいことが含まれる。さらなる利点として、原子／イオンが動かないこと、壊滅的で危険な故障のリスクがないことも含まれる。
図面を参照すると、図１は、本発明に従うソリッドステート・エネルギー貯蔵装置１００の概略図を示している。図のように、ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置１００は、少なくとも１つの量子閉じ込め系（ＱＣＳ）１０２と、少なくとも１つのＱＣＳ１０２が組み込まれた少なくとも１つの誘電材料層１０４と、少なくとも１つの誘電材料層１０４の上面に配置された第１導電電極１０６と、少なくとも１つの誘電材料層１０４の下面に配置された第２導電電極１０８とを含み、第１電極１０６及び第２電極１０８は、少なくとも１つのＱＣＳ１０２に電荷を移動させるように配置されており、第１電極１０６と第２電極１０８の間に電圧を与えるように電気回路が配置されたとき、該電圧により、少なくとも１つのＱＣＳ１０２に移動した電荷がＱＣＳ１０２から電気回路へ放電される。
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、本発明に従う互いに異なる量子閉じ込め系２００を示しており、図２（ａ）は量子ドット（ＱＤ）２０２、図２（ｂ）は量子井戸２０４、図２（ｃ）はナノ細線２０６をそれぞれ示している。
本発明によれば、ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置１００の充電速度または放電速度は装置構造に従って規定され、そのような装置構造には、少なくとも２つのＱＣＳ１０２間の間隔、少なくとも１つのＱＣＳ１０２と１つの電極１０６／１０８との間の間隔、ＱＣＳ１０２と誘電層１０４との間のエネルギー障壁、または少なくとも１つの誘電材料層１０４の誘電率が含まれ得る。
本発明の一実施形態では、図３（ａ）〜図３（ｂ）は、少なくとも１つの誘電材料３０４／３０８層のうちの少なくとも１つの層の表面上において、ソリッドステート・エネルギー装置３００に埋め込まれたＱＣＳを示している。この態様では、それぞれＱＣＳ３０２／３０６を含む互いに異なる層に、互いに異なる仕事関数を有する異なる材料が含まれており、ＱＣＳ層３０２／３０６は、第１電極３１０と第２電極３１２との間にポテンシャル勾配を形成するように配置されている。少なくとも１つのＱＣＳ層３０２を第１誘電材料層３０４に配置することができ、少なくとも１つの他のＱＣＳ層３０６を少なくとも第２誘電材料層３０８に配置することができることを理解されたい。本発明によれば、ＱＣＳ層３０２／３０６は、ｉ）誘電層内に配列された量子ドット（ＱＤ）アレイ、ｉｉ）誘電層内に配列された量子井戸アレイ、ｉｉｉ）誘電層内に配列されたナノ細線レイ、及びｉｖ）誘電層内に配列されたバルク材料、またはこれらの任意の組合せを含み得る。さらに、ＱＣＳ層３０２／３０６は、少なくとも１つの誘電層３０４／３０８の電子親和力よりも大きな電子親和力を持つ材料を含むことができ、ここで、少なくとも１つの誘電層３０４／３０８のバンドギャップは、約２ｅＶ以上、好適には約３ｅＶ以上であり得る。本態様によれば、図３（ｂ）に示されているように少なくとも１つのＱＣＳ層３０２／３０６を別のＱＣＳ層上に配置することができる。この態様では、図６に示されているように、ＱＣＳを、サイズ勾配または材料勾配を形成するように配列することができる。
ＱＣＳは、材料別に配置されることができ、ここで、仕事関数が大きい材料が、仕事関数が相対的に小さいＱＣＳのアレイによって取り囲まれるか、あるいは、仕事関数が小さい材料が、仕事関数が相対的に大きいＱＣＳのアレイによって取り囲まれるようにすることもできる。また、複数のＱＣＳは、仕事関数の勾配を有するように配置されることができる。本発明の別の実施形態によれば、図４（ａ）〜図４（ｂ）は、サイズ４００に従って配置されたＱＣＳの実施形態を示しており、図４（ａ）は、相対的に大きいサイズのＱＣＳ４０２が相対的に小さいサイズのＱＣＳ４０４のアレイによって取り囲まれていることを示している。相対的に大きいサイズのＱＣＳ４０２には、第１仕事関数φｌを有する材料が含まれ、相対的に小さいサイズのＱＣＳ４０４には、第２仕事関数φｓを有する材料が含まれ、ここで、一実施形態によれば、第１仕事関数φｌは第２仕事関数φｓより大きい。図４（ｂ）に示すように、本発明の別の実施形態には、相対的に大きいサイズのＱＣＳ４０１のアレイによって取り囲まれた相対的に小さいサイズのＱＣＳ４０４が含まれる。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示した実施形態では、相対的に大きいサイズのＱＣＳ４０２は、量子ドット４０４、量子井戸４０２、または図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示されるようなバルク材料４０６またはナノ細線４０８を含み得る。
図５（ａ）〜図５（ｂ）は、それぞれ直列及び並列に配置されたソリッドステート・エネルギー装置の回路図を示している。本発明の一実施形態では、ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置は、電気出力部５０２を有しかつ図５（ａ）に示すように直列に配列されるかまたは図５（ｂ）に示すように並列に配列された少なくとも２つのソリッドステート・エネルギー貯蔵装置１００を含む。
本発明の一実施形態では、複数のＱＣＳが、第１導電電極と第２導電電極との間において、ＱＣＳのサイズまたはＱＣＳの材料を含み得る特性に従って勾配を形成するようにして配列されており、両電極間の勾配全体を通して電荷の分極が存在する。図６は、本発明に従う例示的なサイズ勾配パターンで（すなわち、サイズが段階的に変化するようにして）ＱＣＳが配列されたソリッドステート・エネルギー貯蔵装置６００を示しており、この例において、相対的に薄い誘電層６０４／６０８内に配置された機能層６０２／６０６におけるＱＤサイズ勾配が示されており、誘電層６０４／６０８におけるＱＤ勾配は、３Åないし３００μｍの範囲の厚さを有する機能層を形成する。機能層内のＱＣＳは、ＱＤ、量子井戸、ナノ細線またはバルク材料であり得ることを理解されたい。図６はさらに、１ｎｍないし５００μｍの厚さを有しかつ相対的に高い電子親和力、相対的に高いバンドギャップ及び相対的に高い降伏電圧を有する相対的に厚い絶縁層６１０を示している。層６１０は、０．３ｎｍないし３００μｍの厚さを有する２つの相対的に薄い誘電層３０４／３０８間に配置されている。絶縁層６１０は、ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置６００にあってもなくてもよい層である。層６１０のバンドギャップは、１ｅＶ超であり得、４ｅＶ超であることが好ましい。破壊電界は、好ましくは１ＭＶ／ｃｍ超、より好ましくは３ＭＶ／ｃｍ超である。第１電極６１２は、相対的に小さい仕事関数φｓを有し、第１相対的に薄い誘電層６０４の上面に配置されている。ここで、相対的に小さい仕事関数φｓは、４ｅＶ未満であり得、３ｅＶ未満であることが好ましい。相対的に小さい仕事関数φｓを有する第１電極６１２に有用ないくつかの例示的な材料には、例を挙げると、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｓ、ドープされたダイアモンド及びＹが含まれ得る。第２電極６１４は、相対的に大きい仕事関数φｌを有し、第２相対的に薄い誘電層６０６の下面に配置されている。ここで、相対的に大きい仕事関数φｌは４．５ｅＶ超であり得、５．５ｅＶ超であることが好ましい。相対的に大きい仕事関数φｌを有する第２電極３１２に有用ないくつかの例示的な材料には、例を挙げると、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｓｅ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ及びＯｓが含まれ得る。量子閉じ込め活性層のサイズ勾配は、例を挙げると、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ及びＩｒなどの高状態密度（ＤＯＳ）材料を用いて、高度に分極可能である。本発明は、マトリクス材料において化学的に安定な（例えば、マトリクス材料が酸化物であれば酸化しない）ＱＣＳを提供する。誘電層に有用な材料のいくつかの例には、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ、ＴｉＯ２、窒化チタン、酸窒化チタン、Ｇｅ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｙ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＯ、ＳｒＴｉＯ３、及びこれらの組合せが含まれるが、これらに限定されるものではない。本発明によれば、ＱＣＳに有用な材料の例には、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｓ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｙ、Ｓｒ及びＢａなどの金属が含まれ得る。ＱＣＳに有用な材料のさらなる例には、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＺｎＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎなどの低バンドギャップ半導体及びＲｕＯ２などの導電性酸化物が含まれ得る。相対的に高いバンドギャップ及び相対的に高い降伏電圧を有する相対的に厚い絶縁層６１０は、例を挙げると、ＺｎＳ、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、他の酸化物、窒化物、硫化物、セレン化物などの材料から製造され得る。本実施形態によれば、サイズ勾配６０２／６０６全体を通して仕事関数が連続的に変化する。さらに、上記勾配における相対的に大きいサイズのＱＣＳ６１６は、量子井戸、ナノ細線及びバルク材料を含み得る。ここで、相対的に大きいサイズのＱＣＳ６１６は、効果的にはバルク材料程度の大きさの最小寸法、例えば金属に対しては３ｎｍないし１０ｎｍ超、一部の半導体に対しては４０ｎｍ超の最小寸法を有し得るか、あるいは、一実施形態によれば、少なくとも相対的に小さいＱＣＳより大きい。この態様によれば、勾配６０２／６０６における相対的に大きいサイズのＱＣＳ６１６には、第１仕事関数を有する材料が含まれ、勾配６０２／６０６における相対的に小さいＱＣＳ６１８には、第２仕事関数を有する材料が含まれ、相対的に小さいＱＣＳ６１８は、一実施形態によれば、金属に対して１原子（atom）ないし３〜１０ｎｍの最小寸法、半導体に対して４０ｎｍの最大寸法を有し得る。
本発明の別の実施形態では、図７は、繰り返しスタック型の、すなわち複数のスタック部分が繰り返し積み重ねられるような、ソリッドステート・エネルギー装置７００を示している。ここで、ソリッドステート・エネルギー装置のスタック部分７０２は、誘電層７０４と、誘電層７０４上に配置された量子井戸層７０６と、量子井戸層７０６上に配置された相対的に薄い誘電層７０８と、相対的に薄い誘電層７０８上に配置された相対的に極小のＱＤ７１０のアレイとを含み得る。ここで、２つのスタック部分７０２が示されているが、電極７１２／７１４間でスタック部分を任意に何度も繰り返すことができることを理解されたい。
本発明の別の実施形態では、図８（ａ）〜図８（ｊ）は、ソリッドステート・エネルギー装置８００を製造するための可能な一連のステップを示している。当業者にとって明らかであるように、ステップ及び方法の多くのバリエーションが可能であるが、ここでは以下の例示的な手順が提供される。図８（ａ）に示すように、ガラスなどの基板８０２を洗浄し、基板上に、スパッタコーティング、蒸着またはスピンコーティングを用いて裏面電極８０４を堆積させる。あるいは、基板として金属箔を用いることもできる。図８（ｂ）に示すように、アセンブリを洗浄し、原子層堆積（ＡＬＤ）を用いてＱＣＳ構造８０８の１０ｎｍないし２００ｎｍの活性層８０６を堆積させる。図８（ｃ）は、その次のステップ、すなわち、活性層８０６上にマスク層８１０を提供し、活性層８０８を所望の形状またはパターンにエッチングするステップを示しており、図８（ｄ）に示すように、マスク層８１０を除去し、構造を洗浄する。図８（ｅ）は、ＣＶＤまたはＰＶＤを用いて１００ｎｍないし５００ｎｍの絶縁層８１２を堆積させるステップを示しており、絶縁層８１２を洗浄し、任意選択で平坦化する。図８（ｆ）は、ＡＬＤを用いて絶縁層８１２ｂ上に別の１０ｎｍないし２００ｎｍの活性層８１４を堆積させるステップを示している。この構造に、図８（ｇ）に示すように別のマスキング層８１６を提供し、エッチングする。その後、次のステップのためにマスク層を除去し、構造を洗浄する。図８（ｈ）に示すように金属リフトオフマスク層８１８を構造の底部から頂部まで堆積させ、図８（ｉ）に示すように、スパッタリング、蒸着またはスピンコーティングを用いて上部電極８２０を堆積させる。図８（ｊ）に示すように、金属リフトオフ層８１８を除去し、ダイシング及びワイヤボンディングのために最終的な構造８２１を洗浄する。
ここまで、本発明についていくつかの例示的な実施形態に従って説明してきたが、これらの実施形態は、制限的なものではなく、全ての態様において例示のためのものである。それゆえ、本発明は、詳細な実施にあたり、当業者によって本明細書中の説明から導かれ得る多くの変形形態が可能である。例えば、サイズ勾配を有するＱＣＳを、或る材料勾配を有する材料と組み合わせることができ、これらを任意の形態で配置することができる。第２の例として、ＱＣＳは、球形、円錐形、角錐形などの任意の形状をとることができ、あるいは三角形や円形などのほぼ２次元形状をとることができる。
そのような変形形態は全て、以下の特許請求の範囲及びそれと法的に等価なものによって画定される本発明の範囲及び趣旨に含まれるものと考えられる。
本発明のさらなる態様によれば、ＱＣＳの少なくとも１つのアレイが、誘電材料層間に少なくとも１つの機能層を形成する。
ＱＣＳは、材料別に配置されることができ、ここで、仕事関数が大きい材料が、仕事関数が相対的に小さいＱＣＳのアレイによって取り囲まれるか、あるいは、仕事関数が小さい材料が、仕事関数が相対的に大きいＱＣＳのアレイによって取り囲まれるようにすることもできる。また、複数のＱＣＳは、仕事関数の勾配を有するように配置されることができる。本発明の別の実施形態によれば、図４（ａ）〜図４（ｂ）は、サイズ４００に従って配置されたＱＣＳの実施形態を示しており、図４（ａ）は、相対的に大きいサイズのＱＣＳ４０２が相対的に小さいサイズのＱＣＳ４０４のアレイによって取り囲まれていることを示している。相対的に大きいサイズのＱＣＳ４０２には、第１仕事関数φｌを有する材料が含まれ、相対的に小さいサイズのＱＣＳ４０４には、第２仕事関数φｓを有する材料が含まれ、ここで、一実施形態によれば、第１仕事関数φｌは第２仕事関数φｓより大きい。図４（ｂ）に示すように、本発明の別の実施形態には、相対的に大きいサイズのＱＣＳ４０２のアレイによって取り囲まれた相対的に小さいサイズのＱＣＳ４０４が含まれる。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示した実施形態では、相対的に大きいサイズのＱＣＳ４０２は、量子ドット４０４、量子井戸４０２、または図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示されるようなバルク材料４０６またはナノ細線４０８を含み得る。
本発明の一実施形態では、複数のＱＣＳが、第１導電電極と第２導電電極との間において、ＱＣＳのサイズまたはＱＣＳの材料を含み得る特性に従って勾配を形成するようにして配列されており、両電極間の勾配全体を通して電荷の分極が存在する。図６は、本発明に従う例示的なサイズ勾配パターンで（すなわち、サイズが段階的に変化するようにして）ＱＣＳが配列されたソリッドステート・エネルギー貯蔵装置６００を示しており、この例において、相対的に薄い誘電層６０４／６０８内に配置された機能層６０２／６０６におけるＱＤサイズ勾配が示されており、誘電層６０４／６０８におけるＱＤ勾配は、３Åないし３００μｍの範囲の厚さを有する機能層を形成する。機能層内のＱＣＳは、ＱＤ、量子井戸、ナノ細線またはバルク材料であり得ることを理解されたい。図６はさらに、１ｎｍないし５００μｍの厚さを有しかつ相対的に高い電子親和力、相対的に高いバンドギャップ及び相対的に高い降伏電圧を有する相対的に厚い絶縁層６１０を示している。層６１０は、０．３ｎｍないし３００μｍの厚さを有する２つの相対的に薄い誘電層６０４／６０８間に配置されている。絶縁層６１０は、ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置６００にあってもなくてもよい層である。層６１０のバンドギャップは、１ｅＶ超であり得、４ｅＶ超であることが好ましい。破壊電界は、好ましくは１ＭＶ／ｃｍ超、より好ましくは３ＭＶ／ｃｍ超である。第１電極６１２は、相対的に小さい仕事関数φｓを有し、第１相対的に薄い誘電層６０４の上面に配置されている。ここで、相対的に小さい仕事関数φｓは、４ｅＶ未満であり得、３ｅＶ未満であることが好ましい。相対的に小さい仕事関数φｓを有する第１電極６１２に有用ないくつかの例示的な材料には、例を挙げると、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｓ、ドープされたダイアモンド及びＹが含まれ得る。第２電極６１４は、相対的に大きい仕事関数φｌを有し、第２相対的に薄い誘電層６０６の下面に配置されている。ここで、相対的に大きい仕事関数φｌは４．５ｅＶ超であり得、５．５ｅＶ超であることが好ましい。相対的に大きい仕事関数φｌを有する第２電極６１４に有用ないくつかの例示的な材料には、例を挙げると、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｓｅ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ及びＯｓが含まれ得る。量子閉じ込め活性層のサイズ勾配は、例を挙げると、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ及びＩｒなどの高状態密度（ＤＯＳ）材料を用いて、高度に分極可能である。本発明は、マトリクス材料において化学的に安定な（例えば、マトリクス材料が酸化物であれば酸化しない）ＱＣＳを提供する。誘電層に有用な材料のいくつかの例には、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ、ＴｉＯ２、窒化チタン、酸窒化チタン、Ｇｅ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｙ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＯ、ＳｒＴｉＯ３、及びこれらの組合せが含まれるが、これらに限定されるものではない。本発明によれば、ＱＣＳに有用な材料の例には、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｓ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｙ、Ｓｒ及びＢａなどの金属が含まれ得る。ＱＣＳに有用な材料のさらなる例には、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＺｎＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎなどの低バンドギャップ半導体及びＲｕＯ２などの導電性酸化物が含まれ得る。相対的に高いバンドギャップ及び相対的に高い降伏電圧を有する相対的に厚い絶縁層６１０は、例を挙げると、ＺｎＳ、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、他の酸化物、窒化物、硫化物、セレン化物などの材料から製造され得る。本実施形態によれば、サイズ勾配６０２／６０６全体を通して仕事関数が連続的に変化する。さらに、上記勾配における相対的に大きいサイズのＱＣＳ６１６は、量子井戸、ナノ細線及びバルク材料を含み得る。ここで、相対的に大きいサイズのＱＣＳ６１６は、効果的にはバルク材料程度の大きさの最小寸法、例えば金属に対しては３ｎｍないし１０ｎｍ超、一部の半導体に対しては４０ｎｍ超の最小寸法を有し得るか、あるいは、一実施形態によれば、少なくとも相対的に小さいＱＣＳより大きい。この態様によれば、勾配６０２／６０６における相対的に大きいサイズのＱＣＳ６１６には、第１仕事関数を有する材料が含まれ、勾配６０２／６０６における相対的に小さいＱＣＳ６１８には、第２仕事関数を有する材料が含まれ、相対的に小さいＱＣＳ６１８は、一実施形態によれば、金属に対して１原子（atom）ないし３〜１０ｎｍの最小寸法、半導体に対して４０ｎｍの最大寸法を有し得る。
本発明の別の実施形態では、図８（ａ）〜図８（ｊ）は、ソリッドステート・エネルギー装置８００を製造するための可能な一連のステップを示している。当業者にとって明らかであるように、ステップ及び方法の多くのバリエーションが可能であるが、ここでは以下の例示的な手順が提供される。図８（ａ）に示すように、ガラスなどの基板８０２を洗浄し、基板上に、スパッタコーティング、蒸着またはスピンコーティングを用いて裏面電極８０４を堆積させる。あるいは、基板として金属箔を用いることもできる。図８（ｂ）に示すように、アセンブリを洗浄し、原子層堆積（ＡＬＤ）を用いてＱＣＳ構造８０８の１０ｎｍないし２００ｎｍの活性層８０６を堆積させる。図８（ｃ）は、その次のステップ、すなわち、活性層８０６上にマスク層８１０を提供し、量子閉じ込め活性層８０８を所望の形状またはパターンにエッチングするステップを示しており、図８（ｄ）に示すように、マスク層８１０を除去し、構造を洗浄する。図８（ｅ）は、ＣＶＤまたはＰＶＤを用いて１００ｎｍないし５００ｎｍの絶縁層８１２を堆積させるステップを示しており、絶縁層８１２を洗浄し、任意選択で平坦化する。図８（ｆ）は、ＡＬＤを用いて絶縁層８１２ｂ上に別の１０ｎｍないし２００ｎｍの活性層８１４を堆積させるステップを示している。この構造に、図８（ｇ）に示すように別のマスキング層８１６を提供し、エッチングする。その後、次のステップのためにマスク層を除去し、構造を洗浄する。図８（ｈ）に示すように金属リフトオフマスク層８１８を構造の底部から頂部まで堆積させ、図８（ｉ）に示すように、スパッタリング、蒸着またはスピンコーティングを用いて上部電極８２０を堆積させる。図８（ｊ）に示すように、金属リフトオフ層８１８を除去し、ダイシング及びワイヤボンディングのために最終的な構造８２１を洗浄する。
Claims (24)
- ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置であって、
ａ．少なくとも１つの量子閉じ込め系（ＱＣＳ）と、
ｂ．前記少なくとも１つのＱＣＳが組み込まれた少なくとも１つの誘電材料層と、
ｃ．前記少なくとも１つの誘電材料層の上面に配置された第１導電電極及び前記少なくとも１つの誘電材料層の下面に配置された第２導電電極とを含み、
前記両電極が、前記少なくとも１つのＱＣＳに電荷を移動させるように配置されており、
前記両電極間に電圧を与えるように電気回路が配置されたとき、前記電圧により、前記移動した電荷が前記少なくとも１つのＱＣＳから前記電気回路へ放電されるようにしたことを特徴とするソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。 - 前記ＱＣＳが、量子ドット（ＱＤ）、量子井戸及びナノ細線からなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項１に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置の充電速度が、少なくとも２つの前記ＱＣＳ間の間隔の厚さ、前記少なくとも１つの前記ＱＣＳと１つの前記電極との間隔の厚さ、前記ＱＣＳと前記誘電層との間のエネルギー障壁、及び前記少なくとも１つの誘電材料層の誘電率からなる群から選択される基準に従って規定されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置の放電速度が、少なくとも２つの前記ＱＣＳ間の間隔の厚さ、前記少なくとも１つの前記ＱＣＳと１つの前記電極との間隔の厚さ、前記ＱＣＳと前記誘電層との間のエネルギー障壁、及び前記少なくとも１つの誘電材料層の誘電率からなる群から選択される基準に従って規定されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 複数の前記ＱＣＳが、前記第１導電電極と前記第２導電電極との間において、前記ＱＣＳのサイズ及び前記ＱＣＳの材料からなる群から選択される特性に従って勾配を形成するようにして配列されていることを特徴とする請求項１に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記サイズ勾配全体を通して仕事関数が連続的に変化するようにしたことを特徴とする請求項５に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記勾配における相対的に大きいサイズの前記ＱＣＳが、量子ドット、量子井戸、ナノ細線及びバルク材料からなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項５に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記勾配における相対的に大きいサイズの前記ＱＣＳが、第１仕事関数を有する材料を含み、前記勾配における相対的に小さいサイズの前記ＱＣＳが、第２仕事関数を有する材料を含むことを特徴とする請求項５に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 複数の前記ＱＣＳがサイズに従って配置され、相対的に大きいサイズの少なくとも１つの前記ＱＣＳが、相対的に小さいサイズの前記ＱＣＳのアレイによって取り囲まれるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記相対的に大きいサイズの前記ＱＣＳが、量子ドット、量子井戸、ナノ細線及びバルク材料からなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項９に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記相対的に大きいサイズの前記ＱＣＳが、第１仕事関数を有する材料を含み、前記相対的に小さいサイズのＱＣＳが、第２仕事関数を有する材料を含むことを特徴とする請求項９に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 複数の前記ＱＣＳがサイズに従って配置され、相対的に小さいサイズの少なくとも１つの前記ＱＣＳが、相対的に大きいサイズの前記ＱＣＳのアレイによって取り囲まれるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記相対的に大きいサイズのＱＣＳが、量子ドット、量子井戸、ナノ細線及びバルク材料からなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項１２に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置が、電気出力部を有しかつ直列または並列に配列された少なくとも２つの前記ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置を含むことを特徴とする請求項１に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 少なくとも１つの前記ＱＣＳアレイが、前記少なくとも１つの誘電材料層の表面上に少なくとも１つの機能層を形成していることを特徴とする請求項１に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記機能層が、互いに異なる仕事関数を有する異なる材料を含み、
前記機能層が、前記第１導電電極と前記第２導電電極との間にポテンシャル勾配を形成するように配置されていることを特徴とする請求項１５に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。 - 前記機能層が、前記誘電層内に配列された量子ドット（ＱＤ）アレイ、前記誘電層内に配列された量子井戸アレイ、前記誘電層内に配列されたナノ細線レイ、及び前記誘電層内に配列されたバルク材料からなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項１５に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記機能層が、前記少なくとも１つの誘電材料層の電子親和力よりも小さい電子親和力を有する材料を含むことを特徴とする請求項１５に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 少なくとも１つの前記機能層が、別の前記機能層上に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 少なくとも１つの前記機能層が第１誘電材料層上に配置され、少なくとも１つの他の前記機能層が少なくとも第２誘電材料層に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記機能層間に、障壁層が配置されていることを特徴とする請求項１５に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 前記ＱＣＳが、サイズ勾配または材料勾配を形成するように配列されていることを特徴とする請求項１５に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- 少なくとも１つの前記ＱＣＳアレイが、前記少なくとも１つの誘電材料層間に少なくとも１つの機能層を形成していることを特徴とする請求項１に記載のソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
- ソリッドステート・エネルギー貯蔵装置であって、
ａ．少なくとも１つの量子閉じ込め系（ＱＣＳ）と、
ｂ．前記少なくとも１つのＱＣＳが組み込まれた少なくとも１つの誘電材料層と、
ｃ．前記少なくとも１つの誘電材料層の上面に配置された第１導電電極及び前記少なくとも１つの誘電材料層の下面に配置された第２導電電極とを含み、
前記両電極が、前記誘電材料及び前記ＱＣＳに分極を生じさせるように配置されていることを特徴とするソリッドステート・エネルギー貯蔵装置。
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