JP2016106513A - 電気発生のためのデバイスおよび方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱エネルギーを電気に直接に変換するためのセルデバイスを提供する。【解決手段】第１および第２の表面１２、１４であって、間隙ｄを前記表面間に有するものと、前記間隙中で熱運動しているガス分子１８を有するガス媒体１６とを含み、前記第１の表面が、電荷を、前記第１の表面と相互作用するガス分子に移動させるようなガスの存在下での正電荷移動性を有し、かつ、前記第２の表面が、前記電荷を、前記第２の表面と相互作用する帯電されたガス分子から受け取るようなガスの存在下での負電荷移動性を有し、前記間隙が７μｍに等しいか、またはそれより小さく、前記第１および第２の表面が互いに５０℃以内である、セルデバイス１０。【選択図】図１Ａ−１Ｂ

Description

本発明は、そのいくつかの実施形態において、エネルギー変換に関し、より具体的には、限定されないが、電気を発生させるためのデバイスおよび方法に関する。
エネルギー変換システムは、ある形態のエネルギーを受け取り、そのエネルギーを別の形態のエネルギーに変換する。例えば、熱電変換器は熱エネルギーを受け取り、電気を生じさせる。
１つのタイプの熱電変換器では、電流が異なる導電性材料の２つの接合点の間で発生するゼーベック熱電効果が用いられる。ゼーベック効果に基づく熱電発電体が典型的には、熱電対としてもまた知られている温度センサーとして使用される。しかし、熱電発電体を電子回路に電力供給するために使用するための試みもまた行われている（例えば、国際特許出願公開番号ＷＯ０７／１４９１８５を参照のこと）。
別のタイプの熱エネルギー変換器が、十分に高い温度では電子が固体表面から放出され得る熱電子放出効果を用いる熱電子変換器である。熱電子変換器は典型的には、少なくとも数百度の熱勾配を伴う、高温体と、低温体とを含む。高温体は、熱電子放出効果が生じるために十分に高い温度で保たれる（典型的には１０００℃を超える）。電子が高温体の表面から放出され、低温体の表面と衝突し、それにより、電圧をこれらの表面の間隙の両端で生じさせる。熱電子変換器の記述を米国特許第７１０９４０８号に見出すことができる。
熱電子変換器の作動原理は、熱電発電体の作動原理とは異なる。１つの違いは、デバイスを横切る電荷輸送の本質においてである。熱電子変換器では、電荷輸送が自由電子の運動によって支配され、一方、熱電発電体では、電荷輸送が、物理的に接触している導体における電子および正孔の拡散によって支配される。
さらなるタイプの熱変換器が熱トンネル変換器であり、熱トンネル変換器では、粒子がその運動エネルギーよりも大きいポテンシャル障壁を突き抜けることができる量子力学的トンネル効果が用いられる。熱トンネル変換器は、高温表面と、低温表面とを含み、典型的には真空中で作動する。これらの表面は、電子がトンネル効果によって高温表面から低温表面に移動可能になるように互いに十分に接近して保持される。熱トンネル変換器の記述が米国特許第３１６９２００号および同第６８７６１２３号に見出される。熱電子原理および熱トンネル原理を組み合わせるハイブリッド型エネルギー変換器が米国特許第６４８９７０４号に開示される。
同様に注目されるものが、「マックスウエルの圧力悪魔および熱力学の第二法則」と題されるＪ．Ｍ．Ｄｕｄｌｅｙによるエッセイである（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｇａｚｉｎｅ、６６（２００６）、２１）。Ｄｕｄｌｅｙは、２つのガラス繊維スクリーンがアルミニウムプレートの間にあり、銅箔がガラス繊維スクリーンの間にある１対のアルミニウムプレートを含むデバイスを記述する。Ｄｕｄｌｅｙは、圧力がアルミニウムプレートに加えられたとき、デバイスの両端における電圧降下が増大したことを主張している。Ｄｕｄｌｅｙは、電気化学的反応の影響を除外するか、または、電気化学的反応の影響を減らすように周囲湿度を排除することを試みるが、電圧降下がトンネル効果から生じることを前提としている。
本発明のいくつかの実施形態が、電気を発生させるためのデバイスで、そのエネルギーをガス分子の熱運動から引き出すデバイスに関する。本発明のいくつかの実施形態において、本デバイスは、異なる材料から作製される１対の離して置かれた表面と、これらの表面の間のガス媒体とを含む。それぞれのそのような１対の表面および介在ガスは本明細書中ではセルとして示されることがある。ガス分子がこの対の第１の表面で帯電し、熱運動によってこの対の第２の表面に移動して、この対の第１の表面からの正味の電荷をこの対の第２の表面に移動させる。本発明のいくつかの実施形態において、系全体が周囲温度または周囲温度近くで作動する。
何らかの特定の理論にとらわれることを望まないが、表面間の電荷の輸送が２つの機構間の相互作用によって達成されることが考えられる。第１の機構が、ガス媒体と、熱源（これは環境であってもよい）との間の熱交換である。第２の機構がガス媒介による電荷移動であり、これは本明細書中下記でさらに詳述され、また、下記の実施例の節において例示される。
熱交換により、ガス分子の熱運動が維持され、ガス媒介による電荷移動により、２つの表面間の電位差が維持される。その熱エネルギーにより、十分に速いガス分子は電荷を一方の表面から他方の表面に輸送することができる。ガス分子と、表面との間の相互作用のために、電荷移動が生じ得る。この相互作用は、本明細書中下記で記載されるように、（例えば、弾性衝突プロセスまたは非弾性衝突プロセスを介して）瞬間的であり得るか、または、（例えば、吸着・脱着プロセスを介して）長期的であり得る。
ガス分子が第１の表面と相互作用するとき、第１の表面は、例えば、電子をガス分子に移動させることによって、または、電子をガス分子から移動させることによって、分子を帯電させることができる。帯電したガス分子が第２の表面と相互作用するとき、第２の表面はその過剰な電荷を帯電したガス分子から受け取ることができる。したがって、第１の表面が電荷ドナー表面として働き、第２の表面が電荷レシーバー表面として働くか、または、逆に、第１の表面が電荷レシーバー表面として働き、第２の表面が電荷ドナー表面として働く。
移された電荷は、これらの表面間の電位差を、必要な場合には外部印加電圧を何ら用いることなく生じさせ、また、電気回路を作るために使用することができる。
ガスは、電荷をその鏡像電荷の引力に打ち勝って間隙の両端の間で輸送することにおいてなされる仕事のためにガス分子が遅くなることの結果として冷えることが考えられる。定常状態の系を提供するために、熱エネルギーが好ましくは、例えば、環境からガスに移される。
表面間の電位差が、一方の表面から他方の表面への電荷輸送体として働く分子の熱運動によって発生するので、表面間の温度勾配を維持する必要が全くない。したがって、これら２つの表面は互いに５０℃以内に、または１０℃以内に、または１℃以内にすることができる。本発明のいくつかの実施形態において、ケルビン尺度における表面間の温度差が５％未満または３％未満または２％未満であり、例えば、１％以下である。
本発明の様々な例示的実施形態において、これら２つの表面は、実質的に同じ温度であることが可能である。極端な温度条件がセルまたはデバイスの作動のために何ら必要ないが、効率的な電荷輸送体であり得る高速度のガス分子の割合が温度とともに大きくなる。したがって、何らかの所与のセルまたはデバイスの効率が、その作動範囲の範囲内において、温度の上昇とともに大きくなることが予想される。本発明の様々な例示的実施形態において、両方の表面が、４００℃未満または２００℃未満または１００℃未満または５０℃未満である温度である。本発明のいくつかの実施形態において、両方の表面が、３０℃未満かつ１５℃を超える温度であり、例えば、室温（例えば、約２５℃）またはその近傍である。本発明のいくつかの実施形態において、両方の表面が、１５℃未満かつ０℃を超える温度であり、また、本発明のいくつかの実施形態において、両方の表面が、０℃未満である温度である。
本発明の様々な例示的実施形態において、ある特定の極性の電荷をガス媒体に移す第１の表面の能力が、電荷をガス媒体に移す第２の表面の能力とは異なる。この形態は、ガス分子が、これらの表面の一方と相互作用したときに電荷を獲得し、他方の表面と相互作用したときに電荷を失うことを可能にする。
表面が外部の電気負荷に対して電気接点を介して接続されるとき、電流が、負電荷をガス媒体に対してより失いやすい表面から、負荷を通って、負電荷をガス媒体からより得やすい表面に流れる。
電荷の効率的な移動を提供するためには、著しい数の帯電した分子が第１の表面から第２の表面にまで進まなければならないことが理解される。本発明の好ましい実施形態において、表面間の距離が十分に小さく、その結果、この条件が満たされる。十分に小さい間隙は分子間衝突の数を減らし、また、帯電した分子によってもたらされる虚像電荷のポテンシャル障壁を低くし、したがって、第１の表面の近傍を離れる十分に速い分子が、他のガス分子と衝突することなく間隙を無事に横切り、電荷を第２の表面に移動させる確率を増大させる。好ましくは、表面間の間隙がガス分子の平均自由行程の程度である。一般には、表面間の距離が、作動温度および作動圧力において、分子の平均自由行程の１０倍未満であり、好ましくは、５倍未満、２倍未満もしくはややより小さい倍数、または、中間の倍数であることが望ましい。理想的には、表面間の距離は１平均自由行程以下であるにちがいない。一般には、表面間の距離が１０００ｎｍ未満、より好ましくは１００ｎｍ未満、より好ましくは１０ｎｍ未満であり、理想的には、必ずとは限らないが、２ｎｍ未満であることが望ましい。
上記で記載される理論が妥当であるにもかかわらず、本発明者は、特定の状況のもとでは、電流および電圧が、ガス分子の熱エネルギーを介することを除いてはエネルギーを系に何ら投入することなく、系の２つの構成要素間のガス媒介による電荷移動によって発生し得ることを見出している。
数個のそのようなセルを、電源デバイスを形成するために一緒に配置することができる。この実施形態において、電流が、直列で配置される隣接セルの間を流れることを可能にするように、数個のセルがそれらの間で配置される。好ましくは、そのようなセルは直列および／または並列で配置され、直列配置により、ただ１個だけのセルと比較した場合、増大した電圧出力がもたらされ、並列配置により、増大した電流がもたらされる。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、熱エネルギーを電気に直接に変換するためのセルデバイスが提供される。このセルデバイスは、間隙を表面間に有する第１および第２の表面と、これらの表面の間に位置する熱運動しているガス分子を有するガス媒体とを含み、この場合、第１の表面が、電荷を、第１の表面と相互作用するガス分子に移動させるために作動可能であり、かつ、第２の表面が、前記電荷を、第２の表面と相互作用するガス分子から受け取るために作動可能であり、ただし、これらの表面間の電位差が外部印加電圧の非存在下での電荷移動によって発生する。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、熱エネルギーを電気に直接に変換するためのセルデバイスが提供される。このセルデバイスは、間隙を表面間に有する第１および第２の表面と、これらの表面の間に位置する熱運動しているガス分子を有するガス媒体とを含み、この場合、第１の表面が、電荷を、第１の表面と相互作用するガス分子に移動させるために作動可能であり、かつ、第２の表面が、前記電荷を、第２の表面と相互作用するガス分子から受け取るために作動可能であり、ただし、間隙が１０００ｎｍ未満である。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、熱エネルギーを電気に直接に変換するためのセルデバイスが提供される。このセルデバイスは、間隙を表面間に有する第１および第２の表面と、これらの表面の間に位置する熱運動しているガス分子を有するガス媒体とを含み、この場合、第１の表面が、電荷を、第１の表面と相互作用するガス分子に移動させるために作動可能であり、かつ、第２の表面が、前記電荷を、第２の表面と相互作用するガス分子から受け取るために作動可能であり、ただし、第１および第２の表面が互いに５０℃以内である。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、熱エネルギーを電気に直接に変換するためのセルデバイスが提供される。このセルデバイスは、間隙を表面間に有する第１および第２の表面と、これらの表面の間に位置する熱運動しているガス分子を有するガス媒体とを含み、この場合、第１の表面が、電荷を、第１の表面と相互作用するガス分子に移動させるために作動可能であり、かつ、第２の表面が、前記電荷を、第２の表面と相互作用するガス分子から受け取るために作動可能であり、ただし、第１および第２の表面が２００℃未満の温度である。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、第１の表面が正電荷移動性を有し、第２の表面が負電荷移動性を有する。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、電気を発生させるためのセルデバイスが提供される。このセルデバイスは、第１の電気接点と電気的に連絡している第１の表面と、第２の電気接点と電気的に連絡し、かつ、第１の表面の５０℃以内である第２の表面と、これらの表面の間の間隙に位置するガス媒体とを含み、この場合、第１の表面が正電荷移動性を有し、かつ、これらの電気接点が、第１の表面から負荷を経由して第２の表面に流れる負荷電流を提供するために負荷に対して接続可能である。
本発明のいくつかの実施形態によれば、表面の少なくとも一方が電気伝導性基板の表面である。
本発明のいくつかの実施形態によれば、表面の少なくとも一方が、１０−９Ｓ／ｍ未満の電気伝導率を有する基板の表面である。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、電源デバイスが提供される。この電源デバイスは、本明細書中に記載されるような複数のセルデバイスを含み、この場合、少なくとも１対の隣接セルデバイスが導体によって相互接続され、その結果、電流が、導体を経由してこの対の第１のデバイスの第２の表面からこの対の第２のデバイスの第１の表面に流れるようにされている。
本発明のいくつかの実施形態によれば、そのような複数対のセルデバイスは、電源デバイスの電流がいずれかただ１個だけのセルの電流よりも大きくなるように、また、電源デバイスの電圧がいずれかただ１個だけのセルデバイスの電圧よりも大きくなるように、直列配置および並列配置で配置される。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、電源デバイスが提供される。この電源デバイスは、第１および第２の電気伝導性電極；これらの電極間の第１および第２のセルデバイス積み重ね体（ただし、それぞれのセルデバイスは本明細書中に記載される通りである）を含み、この場合、それぞれの積み重ね体において、積み重ね体の各１対の隣接セルデバイスが導体によって相互接続され、その結果、電流が、導体を経由してこの対の第１のセルデバイスの第２の表面からこの対の第２のセルデバイスの第１の表面に流れるようにされており、かつ、第１および第２の積み重ね体の両方が電荷を第１の電極から第２の電極に運搬する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、導体は、２つの面を有する電気伝導性基板であり、ただし、それらのうちの一方の面が１つのセルデバイスの表面を構成し、かつ、反対側の面が隣接セルデバイスの表面を構成する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、導体は、基板の第１の面と第２の面との間の電気伝導を確立するように、導電性材料により被覆される基板であり、この場合、導体は、２つの面を有する電気伝導性基板であり、ただし、それらのうちの一方の面が１つのセルデバイスの表面を構成し、かつ、反対側の面が隣接セルデバイスの表面を構成する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、セルの表面が、ただ１つの基板表面が少なくとも２つのセルによって部分的に共有されるように、秩序のある様式で、または、無秩序な様式で相互に重なる。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、熱エネルギーを電気に直接に変換する方法が提供される。この方法は、間隙を表面間に有する第１および第２の表面を提供すること；ガス媒体の分子を、電荷をガス分子の少なくとも一部に移動させるように第１の表面と相互作用させること；および、ガス分子の一部を、前記電荷をガス分子の少なくとも一部から第２の表面に移動させるように第２の表面と相互作用させ、それにより、表面間の電位差を発生させることを含み、ただし、間隙が１０００ｎｍ未満である。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、熱エネルギーを電気に直接に変換する方法が提供される。この方法は、間隙を表面間に有する第１および第２の表面を提供すること；ガス媒体の分子を、電荷をガス分子の少なくとも一部に移動させるように第１の表面と相互作用させること；および、ガス分子の一部を、前記電荷をガス分子の少なくとも一部から第２の表面に移動させるように第２の表面と相互作用させ、それにより、表面間の電位差を発生させることを含み、ただし、第１および第２の表面が互いに５０℃以内である。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、熱エネルギーを電気に直接に変換する方法が提供される。この方法は、間隙を表面間に有する第１および第２の表面を提供すること；ガス媒体の分子を、電荷をガス分子の少なくとも一部に移動させるように第１の表面と相互作用させること；および、ガス分子の一部を、前記電荷をガス分子の少なくとも一部から第２の表面に移動させるように第２の表面と相互作用させ、それにより、表面間の電位差を発生させることを含み、ただし、第１および第２の表面が２００℃未満の温度である。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、熱エネルギーを電気に直接に変換する方法が提供される。この方法は、間隙を表面間に有する第１および第２の表面を提供すること；ガス媒体の分子を、電荷をガス分子の少なくとも一部に移動させるように第１の表面と相互作用させること；および、ガス分子の一部を、前記電荷をガス分子の少なくとも一部から第２の表面に移動させるように第２の表面と相互作用させ、それにより、表面間の電位差を発生させることを含み、ただし、表面間の電位差が外部印加電圧の非存在下での電荷移動によって発生する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、表面の一方がガス分子を帯電させ、他方の表面が、帯電したガス分子を中和する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、表面の両方がガス分子を帯電させ、この場合、一方がガス分子を正に帯電させ、他方がガス分子を負に帯電させる。
本発明のいくつかの実施形態によれば、表面間の何らかの電圧が外部印加電圧の非存在下での電荷移動によって発生する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、デバイスはさらに、ガス媒体の漏出を防止するための密閉された筺体を含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、密閉された筺体の内部の圧力が周囲圧力よりも高い。本発明のいくつかの実施形態によれば、密閉された筺体の内部の圧力が周囲圧力よりも低い。本発明のいくつかの実施形態によれば、密閉された筺体の内部の圧力が１．１気圧よりも高い。本発明のいくつかの実施形態によれば、密閉された筺体の内部の圧力が２気圧よりも高い。
本発明のいくつかの実施形態によれば、間隙が１０００ｎｍ未満または１００ｎｍ未満または１０ｎｍ未満または５ｎｍ未満または２ｎｍ未満である。
本発明のいくつかの実施形態によれば、第１および第２の表面が互いに５０℃以内または１０℃以内または１℃以内である。
本発明のいくつかの実施形態によれば、第１および第２の表面が２００℃未満または１００℃未満または５０℃未満の温度である。
本発明のいくつかの実施形態によれば、第１および第２の表面が実質的に平滑であり、スペーサーによって離される。
本発明のいくつかの実施形態によれば、間隙が、表面の少なくとも一方から外向きに突き出る粗さ特徴物によって維持される。
本発明のいくつかの実施形態によれば、表面の少なくとも一方が、金属、半金属、合金、真性またはドープされた無機半導体または有機半導体、誘電性材料、層状材料、真性またはドープされたポリマー、導電性ポリマー、セラミックス、酸化物、金属酸化物、塩、クラウンエーテル、有機分子、第四級アンモニウム化合物、サーメット、ならびに、ガラスおよびケイ酸塩化合物からなる群から選択される少なくとも１つの磁性物質または非磁性物質を含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、表面がそれぞれ独立して、アルミニウム、カドミウム、クロム、コバルト、銅、ガドリニウム、金、グラファイト、グラフェン、ハフニウム、鉄、鉛、マグネシウム、マンガン、モリブデン、パラジウム、白金、ニッケル、銀、タンタル、スズ、チタン、タングステン、亜鉛；アンチモン、ヒ素、ビスマス；グラファイト酸化物、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化マンガン、マンガンニッケル酸化物、二酸化タングステン、三酸化タングステン、インジウムスズ酸化物、酸化カルシウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ストロンチウム、イットリウムカルシウムバリウム銅酸化物；黄銅、青銅、ジュラルミン、インバール、スチール、ステンレススチール；硫化バリウム、硫化カルシウム；真性またはドープされたシリコンウエハー、ゲルマニウム、シリコン、ヒ化ガリウムアルミニウム、セレン化カドミウム、ヒ化ガリウムマンガン、テルル化亜鉛、リン化インジウム、ヒ化ガリウムおよびポリアセチレン；ＭＡＣＯＲ（登録商標）、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化チタン、六ホウ化ランタン；炭化ハフニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化タングステン；チタン酸バリウム、フッ化カルシウム、カルシウム塩、希土類塩、ジルコニウム塩、マンガン塩、鉛塩、コバルト塩、亜鉛塩；ケイ化クロム、Ｃｒ３Ｓｉ−ＳｉＯ２、Ｃｒ３Ｃ２−Ｎｉ、ＴｉＮ−Ｍｏ；ガラスおよびキンウンモ、ニグロシン、ナトリウムペトロナート、ポリエチレンイミン、マラガガム、ＯＬＯＡ１２００、レシチン、真性およびドープされたニトロセルロース系ポリマー、ポリ塩化ビニル系ポリマー、ならびに、アクリル樹脂からなる群から選択される少なくとも１つの磁性物質または非磁性物質を含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、表面は、アルミニウム、クロム、ガドリニウム、金、マグネシウム、モリブデン、ステンレススチール、シリカ、二酸化マンガン、マンガンニッケル酸化物、三酸化タングステン、還元されたグラファイト酸化物、グラファイト、グラフェン、クロムシリシドシリカ、フッ化セシウム、ＨＯＰＧ、炭酸カルシウム、塩素酸マグネシウム、ガラス、キンウンモ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ガラスセラミックス、ドープされたニトロセルロース、ホウ素がドープされたシリコンウエハー、およびリンがドープされたシリコンウエハーからなる群から独立して選択される少なくとも１つ物質を含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、第１および第２の表面のそれぞれがグラフェン基板によって支持される。
本発明のいくつかの実施形態によれば、第１および第２の表面のそれぞれがグラファイト基板によって支持される。
本発明のいくつかの実施形態によれば、第１および第２の表面のそれぞれが、修飾されたグラファイト基板またはグラフェン基板である。
本発明のいくつかの実施形態によれば、第１および第２の表面のうちの一方が、修飾されたグラファイト基板またはグラフェン基板であり、他方が非修飾のグラファイト基板またはグラフェン基板である。
本発明のいくつかの実施形態によれば、第１の表面が、金、マグネシウム、フッ化セシウム、ＨＯＰＧ、炭酸カルシウム、アルミニウム、クロム、ガドリニウム、モリブデン、ステンレススチール、シリカ、キンウンモ、二酸化マンガン、マンガンニッケル酸化物、三酸化タングステン、還元されたグラファイト酸化物、グラファイト、グラフェン、クロムシリシドシリカ、ホウ素がドープされたシリコンウエハー、リンがドープされたシリコンウエハー、および窒化ホウ素からなる群から選択される少なくとも１つの物質を含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、第２の表面が、金、マグネシウム、塩素酸塩、アルミニウム、ガラスセラミックス、ドープされたニトロセルロース、ガラス、シリカ、窒化アルミニウム、およびリンがドープされたシリコンウエハーからなる群から選択される少なくとも１つの物質を含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、ガス媒体は、ハロゲン、窒素、イオウ、酸素、水素含有ガス、不活性ガス、アルカリガスおよび希ガスからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、ガス媒体は、Ａｔ２、Ｂｒ２、Ｃｌ２、Ｆ２、Ｉ２、ＷＦ６、ＰＦ５、ＳｅＦ６、ＴｅＦ６、ＣＦ４、ＡｓＦ５、ＢＦ３、ＣＨ３Ｆ、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、Ｃ３Ｆ８、Ｃ３Ｆ６Ｏ、Ｃ３Ｆ６、ＧｅＦ４、Ｃ２Ｆ６、ＣＦ３ＣＯＣｌ、Ｃ２ＨＦ５、ＳｉＦ４、Ｈ２ＦＣ−ＣＦ３、ＣＨＦ３、Ａｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｒｎ、Ｘｅ、Ｎ２、ＮＦ３、ＮＨ３、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ、ＳＦ６、ＳＦ４、ＳＯ２Ｆ２、Ｏ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、重水素、ｉ−Ｃ４Ｈ１０、ＣＨ４、Ｃｓ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｒ、ＲｂおよびＹｂからなる群から選択される少なくとも１つのガスを含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、ガス媒体は、六フッ化イオウ、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、ネオン、キセノン、窒素、メタン、四塩化炭素、オクタフルオロプロパン、水蒸気および空気からなる群から選択される少なくとも１つのガスを含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、ガス媒体がデバイスの作動期間中に消費されない。
本発明のいくつかの実施形態の局面によれば、電気活性化学種をその中に有する液体媒体で満たされる間隙を表面間に有する第１および第２の表面を有し、前記間隙が５０μｍ未満である少なくとも１つのセルデバイスを提供すること；電圧を、前記電気活性化学種と、前記表面の少なくとも一方との電気化学的相互作用または電気泳動的相互作用を誘導するように第１の表面と、第２の表面との間に加え、それにより、相互作用した表面の表面性状を改変すること；および、前記液体の少なくとも一部を、前記間隙を少なくとも５０％減少させるように排出することを含む方法が提供される。
本発明のいくつかの実施形態によれば、この方法は複数のセルデバイスについて同時に実行される。
本発明のいくつかの実施形態によれば、排出により、間隙が少なくとも９０％減少する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、第１および第２の表面が表面改変の前に同じ材料から作製され、かつ、電気活性化学種が、電解析出後、第１の表面の特徴的な電荷移動性が第２の表面の特徴的な電荷移動性と異なるように選択される。
本発明のいくつかの実施形態によれば、前記同じ材料はグラフェンである。
本発明のいくつかの実施形態によれば、前記同じ材料はグラファイトである。
本発明のいくつかの実施形態によれば、電気活性化学種が、塩および色素からなる群から選択される。
別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術的用語および／または科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載される方法および材料と類似または同等である方法および材料を本発明の実施または試験において使用することができるが、例示的な方法および／または材料が下記に記載される。矛盾する場合には、定義を含めて、本特許明細書が適用される。加えて、材料、方法および実施例は例示にすぎず、限定であることは意図されない。
本明細書では本発明のいくつかの実施形態を単に例示し添付の図面を参照して説明する。特に詳細に図面を参照して、示されている詳細が例示として本発明の実施形態を例示考察することだけを目的としていることを強調するものである。この点について、図面について行う説明によって、本発明の実施形態を実施する方法は当業者には明らかになるであろう。
図１Ａ−１Ｂは、本発明の様々な例示的実施形態による、電気を発生させるためのセルの概略的例示である。
図１Ｃ−１Ｆは、図１Ａのセルまたはその改変型の内部における電位の概略的例示である。図１Ｃおよび図１Ｄは、同一の表面を有するように改変される図１Ａのセルの間隙の両端における虚像電荷電位を示す。図１Ｅおよび図１Ｆは、表面が異なる図１Ａのセルの間隙の両端における電位を示す。
図１Ｇ−１Ｈは、図１Ａのセルの内部における間隙サイズの関数としてのポテンシャル障壁（図１Ｇ）および表面積あたりの電流（図１Ｈ）を示す。
図２Ａ−２Ｂは、本発明の様々な例示的実施形態による電源デバイスの概略的例示である。
図３は、メッシュを通り抜けるガスジェットに応答して、標的メッシュとジェットノズルとの間で発生する電流に関して電荷移動性を測定するために本発明のいくつかの例示的実施形態に従って使用される実験構成の概略的例示である。
図４は、様々な材料について図３で例示される構成で測定されるピーク電流を示す。
図５は、様々なガスの存在下における様々な材料についてのケルビンプローブによる測定を示す。
図６は、電流をガス分子の熱運動によって発生させるために本発明のいくつかの実施形態に従って使用される実験構成の概略的例示であり、この場合、表面が直接に接触していないか、または、間接的に接触している。
図７Ａは、図６で例示される実験構成を使用して本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験の期間中に得られる典型的なオシロスコープ出力である。
図７Ｂ−７Ｃは、図６で例示される実験構成を使用して本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験の期間中に得られる典型的なオシロスコープ出力である。
図８は、本発明のいくつかの実施形態による仕事関数改変のために使用される実験構成の概略的例示である。
図９は、本発明のいくつかの実施形態によるスペーサーとしての使用のためのいくつかの非導電性材料の分析のために使用される実験構成の概略的例示である。
図１０は、図９で例示される実験構成を使用して、本発明のいくつかの実施形態によるスペーサーとしての使用について調べられるいくつかの材料についての放電グラフを示す。
図１１は、電流をガス分子の熱運動によって発生させるために本発明のいくつかの実施形態に従って使用される実験構成の概略的例示であり、この場合、表面が凸凹またはスペーサーを介して直接的または間接的に接触している。
図１２は、図１１で例示される実験構成を使用して本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験の期間中にいくつかのガス圧力について測定される場合、時間の関数として電流を示す。矢印はガス圧力の変化を示す。
図１３は、本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験で測定されるような、最大電流を特定の構成で得るための閾値圧力を示すグラフである。圧力がガス分子の直径の二乗の逆数の関数として表される。
図１４は、図１１で例示される実験構成を使用して本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験の期間中にいくつかの温度について測定されるような、時間の関数として電流を示す。
図１５は、本発明のいくつかの実施形態に従って行われる８回の実験運転で測定されるような、温度の関数として電流を示す。
図１６は、本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験で、ただ１対だけの表面（連続線）の両端において経時的に分単位（下側の横軸）で、または、積み重ねられた多数の表面（点線）の両端において経時的に時間単位（上側の横軸）で測定されるような、経時的に累積する電圧を示す。
図１７は、本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験で同時に測定されるような、時間の関数（横軸）としての電流の変化（左側の縦軸）およびチャンバー温度の変動（右側の縦軸）を示す。
図１８は、本発明のいくつかの実施形態に従って行われる９回の実験運転で測定されるような、スペーサーのサイズの関数として、閾値圧力における電流を示す。
図１９は、本発明のいくつかの実施形態に従って行われるスペーサーの非存在下または存在下における９回の実験運転で測定されるような、ガス分子の直径の二乗の逆数の関数として、最大電流を得るために必要とされる閾値圧力を示す。
図２０Ａ−２０Ｄは、本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験で測定されるような、印加電圧の関数として電流（図２０Ａおよび図２０Ｃ）および出力（図２０Ｂおよび図２０Ｄ）を示す。
図２１は、本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験で測定されるような、圧力の関数として電流を示す。
本発明は、そのいくつかの実施形態において、エネルギー変換に関し、より具体的には、限定されないが、電気を発生させるためのデバイスおよび方法に関する。
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳しく説明する前に、本発明は、その適用において、下記の説明に示されるか、および／または図面および／または実施例において例示される構成要素および／または方法の組み立ておよび構成の細部に必ずしも限定されないことを理解しなければならない。本発明は他の実施形態が可能であり、または様々な方法で実施または実行されることが可能である。さらに、本発明者は、本発明の様々な実施形態の作動のために与えられる理論的説明が正しいと考えるが、記載および特許請求されるような装置および方法は前記理論に依存していない。いくつかの実施形態は、新しい実施形態を形成するために１つまたは複数の他の実施形態と組み合わせることができるので、本発明の様々な実施形態は必ずしも相互に排他的であるとは限らない。明確化のために、図面のいくつかにおける特定の要素は原寸に比例して例示されていない。図面は青写真的仕様書と見なしてはならない。
次に図面を参照して、図１Ａは、本発明の様々な例示的実施形態による、電気を発生させるためのデバイス１０（単セル）を例示する。セルデバイス１０は、１対の離れて置かれた表面１２および１４と、表面１２および１４の間におけるガス媒体１６とを含む。表面１２および１４はそれぞれ、基板３２および３４の一部であるか、または、基板３２および３４によって支持される。ガス分子１８により、電荷が第１の表面１２から第２の表面１４に輸送される。ガス分子の運動がその熱エネルギーによって引き起こされ、ガスの温度によって決定される。ガスの温度が、本明細書中下記で詳述されるような熱リザーバー２０によって供給される熱エネルギー２２によって維持される。図１Ａの概略的例示において、表面１２は、負電荷を、分子と表面１２との相互作用の期間中に電気的中性の分子に移動させ、したがって、分子を負電荷により帯電させる。負に帯電した分子が表面１４に到達し、表面１４と相互作用したとき、表面１４は負電荷を分子から受け取り、分子を中和する。
分子とこれらの表面との間における相互作用は、例えば、弾性衝突プロセスまたは非弾性衝突プロセスを介して瞬間的であり得るか、あるいは、例えば、吸着・脱着プロセスを介して長期的であり得る。
本明細書中で使用される「吸着・脱着プロセス」または「吸着・脱着による電荷移動プロセス」は、分子が最初に、分子がその運動エネルギーの著しい量を失うように十分に長い時間、表面によって吸着され、その後、表面から脱着されるプロセスであって、吸着前の分子の正味電荷が脱着後の分子の正味電荷と異なるプロセスを意味する。
いくつかの吸着・脱着プロセスにおいて、分子および表面は、分子が吸着される時間間隔の期間中、熱的平衡状態にある。吸着期間中、分子は表面の一部と見なすことができる。したがって、この時間間隔の期間中、表面の電子波動関数は、表面によって吸着された分子を含めて、表面におけるすべての分子の電子波動関数を包含する。典型的には、しかし、必ずとは限らないが、吸着された分子は表面の最も外側の分子層に存在する。
分子と表面との間における「瞬間的プロセス」は、ガス分子が表面に十分に接近していて、表面と分子との間における電荷移動を可能にするプロセスであって、プロセスの時間間隔が、分子と表面との間における熱的平衡に達するために要求される時間よりも著しく短いプロセスを示す。
典型的なタイプの瞬間的プロセスが衝突である。ガス分子および固体表面は、少なくとも部分的な空間的重なりが、分子の電子波動関数と表面の電子波動関数との間に存在するならば、「衝突している」と言われる。典型的には、ガス分子および固体表面は、ガス分子の中心と固体表面の最も外側の原子との間の距離が１０Å未満であるか、または、代替では５Å未満であるならば、衝突していると見なされる。
衝突は、衝突前の運動エネルギーが衝突後の運動エネルギーと等しいときには「弾性」であると言われ、衝突前の運動エネルギーが衝突後の運動エネルギーよりも大きいときには「非弾性」であると言われる。分子と表面との間における衝突は弾性または非弾性であり得る。
図１Ａは、分子を、表面１４から表面１２に移動する間は中性であり、表面１２から表面１４に移動する間は負に帯電するとして例示するが、このことは、必ずしも当てはまるとは限らない。これは、分子が代替では、表面１４から表面１２に移動する間は正に帯電することができ、また、表面１２から表面１４に移動する間は中性であることが可能であるからである。上記シナリオのいずれにおいても、当業者は、このプロセスは、図１Ａで例示されるように、表面１２を正に帯電させ、表面１４を負に帯電させることを理解する。したがって、本発明の実施形態によれば、ガス分子により、表面１２から表面１４への負電荷移動、および／または、表面１４から表面１２への正電荷移動が媒介される。
本発明の様々な例示的実施形態において、表面１２から分子への電荷移動、および分子から表面１４への電荷移動が、電子を移動させることによって促進される。したがって、これらの実施形態において、分子が電子を表面１２から受け取り、電子を表面１４に移動させる。
図１Ｂは、二方向の電荷移動が用いられる種々の実施形態におけるデバイス１０を概略的に例示する。これらの実施形態において、分子は、表面１２から表面１４に移動する間は、図１Ａの場合のように負に帯電し、表面１４から表面１２に移動する間は正に帯電する。これらの実施形態の利点が、熱エネルギー変換プロセスの効率がより大きいことである。本発明のいくつかの実施形態による二方向の電荷移動が次に記載される。
負電荷を表面１２からちょうど受け取った分子で、表面１４の方向に移動している分子を考える。この負に帯電した分子が表面１４と衝突し、表面１４と相互作用することを仮定する。この衝突プロセスは即時的ではない。分子が表面１４の近傍で費やす期間中に、分子は１個の負電荷を表面１４に移動させることができ（または、等価であるが、１個の正電荷を表面１４から受け取ることができ）、あるいは、２個以上の電荷を表面１４に移動させることができる（または、等価であるが、２個以上の正電荷を表面１４から受け取ることができる）。例えば、相互作用の前半の期間中に（分子が表面１４に接近するか、または、表面１４によって吸着されつつある間に）、分子は第１の負電荷を表面１４に移動させて、電気的中性になることができ、そして、相互作用の後半の期間中に（分子が表面１４から離れるか、または、表面１４から脱着されつつある間に）、分子は第２の負電荷を表面１４に移動させて、正に帯電することができる。相補的な電荷移動プロセスが表面１２の近傍においてもまた生じ得る。例えば、正に帯電した分子と表面１２との間の相互作用の前半の期間中に、分子は第１の負電荷を表面１２から受け取って、電気的中性になることができ、そして、相互作用の後半の期間中に、分子は第２の負電荷を表面１２から受け取って、負に帯電することができる。分子によって、電荷が一方の表面から他方の表面に輸送されるとき、表面１２が正に帯電し、表面１４が負に帯電し、したがって、これらの表面間の電位差が確立される。この電位差は、負荷２４を（例えば、電気接点２６を介して）これらの表面に接続することによって利用することができる。電流ｉが負荷を経由して表面１２から表面１４に流れる。したがって、デバイス１０を、回路、電気器具または他の負荷に電流を供給する電源デバイスに組み込むことができる。
本発明の様々な例示的実施形態において、ガス分子の運動エネルギーは単にガスの温度に起因するだけである。これらの実施形態において、さらなる機構（例えば、外部の電圧供給源など）が、完全に熱エネルギーに起因するガス分子の運動を維持するために何ら要求されない。そのうえ、ガスが作動表面と相互作用するが、燃料電池とは異なり、そのような相互作用は不可逆的な化学反応を伴わず、かつ、ガスがプロセスにおいて消費されない。
デバイス１０が定常状態に達するとき、負荷を通過する電荷の量が、ガス分子によってそれぞれの表面に移動させられる電荷の量とおおよそ同じであり、所与の負荷および温度については、表面間の電位差がおおよそ一定である。表面間の小さい温度差は、そのような温度差がたとえ存在するとしても、意味のある役割を、上記で記載される電荷移動機構において果たさない。
表面１２および１４における電荷の存在は、電荷を一方の表面から他方の表面に輸送する分子に対する障壁をもたらす電気的ポテンシャルを生じさせる。これが、逆荷電の分子に対する、表面１２または１４によって加えられる引力として現れ、また、分子がそれぞれの表面から跳ね返る際の、似たように帯電した分子に対する反発力として現れる。
熱的に隔離された条件では、表面との間で反発する（そして、反発することにおいて、ポテンシャル障壁に打ち勝つ）分子による電荷の移動はガス分子の平均運動エネルギーを絶えず減少させ、その結果、ガス分子の運動エネルギーがもはやポテンシャル障壁に打ち勝つことができない温度へのガス媒体の冷却が生じる。しかしながら、デバイス１０は熱リザーバー２０と熱に連絡しているので、熱エネルギー２２が絶えずガス媒体に供給され、これにより、ガス分子の運動エネルギーが補充される。熱リザーバー２０は、例えば、デバイス１０が作動する環境（例えば、自然環境）が可能であり、熱エネルギーを、伝導、対流および／または放射によってデバイス１０に供給することができ、結果として、ガス媒体に移すことができる。
表面間の電位差が定常状態に達すると、電荷移動が、表面における電荷の蓄積の後で増大している電場のために抑制される。デバイス１０が負荷２４に接続されるとき、蓄積した電荷が表面から負荷を経由して伝えられ、それにより、電荷移動のプロセスを続けることを可能にする。電流が負荷を経由して流れることにより、熱または他の有用な仕事が負荷においてもたらされる。したがって、リザーバー２０からガス媒体１６に移される熱エネルギーの少なくとも一部が、有用な仕事を行うために負荷２４によって使用される。
一般に、所与の非ゼロ温度において、すべてのガス分子が運動しているが、すべての分子が同じ速度を有するとは限らない。したがって、すべての帯電したガス分子が、帯電している表面から反発した後で表面間の間隙を無事に横切ることができるとは限らない。ポテンシャル障壁を通過した後で十分な運動エネルギーを有する分子だけが間隙を横断することができ、電荷移動を確実にすることができる。より遅い（より低エネルギーの）分子はポテンシャル障壁に打ち勝つことができず、電荷移動プロセスに関与しない。所与の熱力学的条件については、ガス分子の運動を、統計力学的によって、特に、分子が特定の速度範囲の範囲内で運動する確率（または、等価であるが、分子が特定の運動エネルギーを有する確率）を記述するスカラー関数であるマックスウエル・ボルツマン速度分布によって分析することができる。したがって、表面１２および１４の間におけるポテンシャル障壁に打ち勝つために十分なエネルギーを有するガス分子の割合を、マックスウエル・ボルツマン分布を使用して推定することができる。マックスウエル・ボルツマン分布は任意の正の運動エネルギーについて正であることが特筆される。したがって、十分なエネルギーを有する分子を見出すという非ゼロ確率が常に存在する。本発明者によって行われた実験において、バックグラウンドノイズを有意に越える電流シグナルが負荷２４を介して観測された。このことは、少なくとも一部のガス分子が首尾よくポテンシャル障壁に打ち勝ったことを明らかにする。これらの実験が下記において説明される。
分子が表面から離れる方向は多くのパラメーターに依存し、例えば、表面に到達する分子の速度（すなわち、速さおよび方向）、および分子と表面との間における相互作用のタイプ（例えば、衝突に関与する表面原子の数、場所および配向）などに依存する。ガス分子が特定の方向に表面から離れると、ガス分子は、ガス分子が表面または別のガス分子と衝突し、方向を変えるまで特定の距離を進む。ガス分子の２回の連続する衝突の間における平均距離が平均自由行程として知られており、ギリシャ文字λによって示される。λの値は、分子の直径、ガス圧力および温度に依存する。本発明の様々な例示的実施形態において、ガスの任意の所与の圧力および組成については、表面間の間隙ｄが、分子間衝突の数を制限するように十分に小さい。この形態は、他のガス分子と衝突することなく間隙を無事に横切る、十分なエネルギーを有する分子の確率を増大させる。
分子間衝突の数を減らすことのほかに、十分に小さい間隙はまた、図１Ｃ〜図１Ｆを参照して次に説明されるように、帯電した分子と、表面との間における相互作用によってもたらされる虚像電荷のポテンシャル障壁を低くする。虚像電荷のポテンシャル障壁は両方の表面の虚像電荷電位の寄与の総和である。２つの表面の間におけるどのような帯電したガス分子も、両方の表面に引き寄せられる。
図１Ｃは、表面が同一であり、２ｎｍの間隙によって隔てられる場合について、表面１２と１４との間における虚像電位を例示する。この電位のｚ依存性が曲線６２として示されており、ガス分子への１個の電子の電荷移動が表面から５Åの距離で生じる場合について計算された。虚像電位は、間隙の両端のほぼ中間にある局所的最大６４の点、すなわち、帯電した分子に対して作用する虚像電荷力が存在しない点を有する。局所的最大６４における虚像電荷電位がＶｍａｘとして示され、その値は、ｄ、すなわち、間隙のサイズに依存する。
図１Ｄは、間隙のサイズｄが１０ｎｍに増大させられるとき、Ｖｍａｘのレベルが増大する状況を例示する。図１Ｅおよび図１Ｆは、０．５ｅＶの仕事関数の差によってこの場合には例示されるが、表面１２および１４が同一でないときの、同じ２ｎｍおよび１０ｎｍの例示的間隙の両端における電位を示す。この場合、プロットされた電位は、虚像電荷電位と、仕事関数の差に起因する電位とに対応する。帯電した分子に対して作用する正味の力が存在しない局所的最大６４が、より大きい仕事関数を有する表面の方に移動し、ポテンシャル障壁Ｖｍａｘが、間隙サイズの増大とともに増大する。
したがって、間隙のサイズが小さくなるとき、虚像電荷のポテンシャル障壁を含むポテンシャル障壁に打つ勝つために要求される運動エネルギーの量もまた低下し、このことは、より遅い帯電した分子が間隙を横断することを可能にする。
好ましくは、表面１２と表面１４との間における間隙ｄは、デバイス１０の作動温度および作動圧力におけるガス分子の平均自由行程の程度である。例えば、ｄは平均自由行程の１０倍未満、より好ましくは５倍未満、より好ましくは２倍未満であることが可能である。例えば、ｄはおおよそ平均自由行程またはそれ以下であってもよい。表面１２と表面１４との間における間隙ｄについての典型的な値が約１０００ｎｍ以下、より好ましくは約１００ｎｍ未満、より好ましくは約１０ｎｍ未満、より好ましくは約２ｎｍ以下である。
表面１２と表面１４との間の隔たりを、２つ以上の方法で維持することができる。本発明のいくつかの実施形態において、１つまたは複数の非導電性スペーサー２８が、隔たりを維持するためにこれらの表面の間に置かれる。このスペーサーは、スペーサーが間隙における短絡を防止するという意味で「非導電性」である。スペーサー２８のサイズが間隙のサイズｄに従って選択される。好ましくは、スペーサーの大きさは、所望される間隔である。スペーサーは、例えば、任意の形状のナノ構造物であることが可能である。表面に対して本質的に並行する平面でのスペーサーの断面積が好ましくは、表面の十分かつ効果的な相互の露出を可能にするように、表面１２および１４の面積よりも実質的に小さい（例えば、１０％未満）。
本発明のいくつかの実施形態において、表面間の隔たりが、表面の外向きに突き出る粗さ特徴物によって維持される（ここでは示されないが、例示については図２Ｂを参照のこと）。これらの実施形態は、表面１２および１４の少なくとも一方が、電気伝導率が不良である材料から作製されるときに特に有用である。
分子１８は、ガス分子が、表面と相互作用したときに電荷を獲得するか、または、電荷を失うガス媒介による電荷移動効果を介して電荷を表面から引き抜き、また、表面に移動させる。例えば、ガス分子は、電子を表面から引き抜くことによって電子を獲得することができ、または、電子を表面に供与することによって電子を失うことができる。ガス媒介による電荷移動を２つ以上の機構によって達成することができる。分子実体への電子の移動は、ある種の結合エネルギーが、電子と分子実体の正に荷電した核との間に存在する分子−電子ユニットを生じさせることができる。しかしながら、（短距離の）電子結合と（長距離の）クーロン反発との間における相互作用が存在し、これらにより、分子−電子ユニットの安定性が影響を受ける。大まかに言えば、分子−電子ユニットの量子力学的状態が、安定、準安定または不安定となり得る。
結合エネルギーが十分に大きいとき、量子力学的状態は安定であり、分子−電子ユニットはイオンであると言われる。より低い結合エネルギーについては、電子が分子に緩く結合するだけであり、量子力学的状態は準安定または不安定である。電子結合に関する研究、特に、準安定または不安定な分子ユニットの形成に関する研究が文献に見出される。例えば、Ｃａｄｅｚ他、「分子分光法のための分子への電子結合およびその使用」、Ａｃｔａ Ｃｈｉｍ．Ｓｌｏｖ．、５１（２００４）、１１〜２１；Ｒ．Ａ．ＫｅｎｎｅｄｙおよびＣ．Ａ．Ｍａｙｈｅｗ、「トリフルオロメチルイオウペンタフルオリド（ＳＦ５ＣＦ３）に対する低エネルギー電子結合の研究：大気のかかわり」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、２０６（２００１）ｉ〜ｉｖ；Ｘｕｅ−Ｂｉｎ ＷａｎｇおよびＬａｉ−Ｓｈｅｎｇ Ｗａｎｇ、「分子における負の電子結合エネルギーの観測」、Ｌｅｔｔｅｒｓ ｔｏ Ｎａｔｕｒｅ、４００（１９９９）、２４５〜２４８を参照のこと。
緩く結合した電子を有する分子−電子ユニットは電子を表面１２から表面１４に輸送することができることが本発明者によって見出された。これは、分子−電子の量子力学的状態の寿命が典型的には、分子−電子ユニットが表面間の間隙を横切るために要求される平均時間よりも長いからである。表面間の電荷移動が主として、準安定または不安定な量子力学的状態にある分子−電子ユニットを介してであることが仮定される。それにもかかわらず、イオン化した分子による電荷移動が除外されない。
本発明を構想し、その実施化を行っているとき、ガス分子または表面への電子の結合、およびガス分子または表面からの電子の脱離が、摩擦電気的効果と類似するガス媒介機構によって、または、摩擦電気的効果に関連づけられるガス媒介機構によって達成され得ることが仮定されている。
摩擦電気的効果（これはまた、「接触帯電」または「摩擦電気」として知られている）は、２つの異なる物体が一緒にこすれて、または、互いに関して相対的な運動でこすれて帯電すること、および電子が一方の物体から他方の物体にはぎ取られることである。この帯電効果は、絹およびガラスを用いて容易に明らかにすることができる。本発明者は、摩擦電気様の効果もまたガスによって媒介され得ることを発見しており、また、信じている。
本発明の様々な例示的実施形態において、分子は、例えば、本明細書中上記でさらに詳述されるような吸着・脱着プロセスまたは衝突プロセスを介して、表面と接触したとき、電子を獲得し、または、電子を失う。
本発明のいくつかの実施形態による表面間のガス媒介による電荷移動が、実質的には４００℃未満、または、２００℃未満、または、１００℃未満、または、５０℃未満である温度で生じる。それにもかかわらず、いくつかの実施形態では、ガス媒介による電荷移動が、４００℃よりも高い温度でもまた生じる。
本発明の様々な例示的実施形態において、両方の表面が、３０℃未満かつ１５℃を超える温度であり、例えば、室温（例えば、約２５℃）またはその近傍である。本発明のいくつかの実施形態において、両方の表面が、１５℃未満かつ０℃を超える温度、また、本発明のいくつかの実施形態において、両方の表面が、０℃未満である温度である。
表面間の電位差が、一方の表面から他方の表面への電荷輸送体として働く分子の熱運動によって発生するので、表面間の温度勾配を維持する必要がない。したがって、これら２つの表面は実質的に同じ温度であることが可能である。このことは、エミッター電極が、コレクター電極に対して高い温度で保たれ、かつ、電気負荷を通過する電子の流れがゼーベック効果によって維持される従来の熱電変換体とは異なる。そのような従来の熱電変換体では、電荷輸送体として働くガス分子が全く存在しない。むしろ、熱電子が高温のエミッター電極から低温のコレクター電極に直接に流れる。
表面１２および１４はどのような形状でも有することができる。典型的には、図１Ａおよび図１Ｂで例示されるように、表面は平面であり、しかし、非平面の形態もまた意図される。表面１２および１４は、ガス分子が、ガス媒介による電荷移動効果を介して、表面１２と接触している間に（例えば、電子を獲得することによって）負電荷を獲得すること、および／または、表面１４と接触している間に（例えば、電子を失うことによって）正電荷を獲得することを可能にするように、異なる材料から一般に作製されるか、または、同じ材料の表面改変物である。
本発明の実施形態のガス媒介による電荷移動は電荷移動性に起因すると考えられる。
「電荷移動性」は、本明細書中で使用される場合、電荷をガス分子に移動させる表面の能力、または、電荷をガス分子から受け取る表面の能力、あるいは、代替では、電荷を表面に移動させるガス分子の能力、または、電荷を表面から受け取るガス分子の能力を意味する。
電荷移動性が表面およびガス分子の性質によって決定され、電荷移動性はまた、温度に依存する場合がある。電荷移動性は、特定の表面と特定のガス分子との間における相互作用を記述し、この相互作用によって引き起こされる電荷移動の可能性、この相互作用によって引き起こされる電荷移動の程度、ならびに、この相互作用によって引き起こされる電荷移動の極性を反映する。本文書において、表面は、ガス分子が表面を正に帯電させるときには正電荷移動性を有すると言われ、ガス分子が表面を負に帯電させるときには負電荷移動性を有すると言われる。例えば、正電荷移動性を有する表面は、電子を失ってガス分子に渡し、これにより、ガス分子を中和するか、または、分子−電子ユニットを形成するかのどちらかをもたらす表面である。負電荷移動性を有する表面は、電子を中性ガス分子または分子−電子ユニットから受け取る表面である。電荷移動性は、電荷移動に関与する表面およびガスの両方に依存する。電荷移動性はまた、温度に依存する場合がある。これは、温度が、多くの材料特性（例えば、エネルギーギャップ、熱膨張、導電率および仕事関数など）と同様に、ガス分子の運動エネルギーに影響を及ぼすからである。定量的には、Θとして示される電荷移動性はエネルギーの単位で表すことができる。例えば、正電荷移動性を、Θ＝ＥＳ ｍｉｎ（式中、ＥＳ ｍｉｎは、電子を表面から取り除き、その電子を中性のガス分子に結合させるために要求される最少エネルギーである）として定義することができ、また、負電荷移動性を、Θ＝−ＥＭ ｍｉｎ（式中、ＥＭ ｍｉｎは、電子を中性のガス分子から取り除き、その電子を表面に移動させるために要求される最少エネルギーである）として定義することができる。
Θが、上記で定義されるようにエネルギーの単位で表されるとき、その値は、一部の場合には、電荷を中性の分子に移動させるために要求されるエネルギーと必ずしも同一であるとは限らないことが理解される。これは、電荷移動がまた、分子および／または表面が既に帯電しているときにも生じ得るからである。したがって、次により詳しく説明されるように、電子をガス分子から取り除き、その電子を表面に結合させるために要求されるエネルギーは、ＥＭ ｍｉｎよりも大きくまたは小さくなる可能性があり、また、電子を表面から取り除き、その電子をガス分子に結合させるために要求されるエネルギーは、ＥＳ ｍｉｎよりも大きくまたは小さくなる可能性がある。
ガス分子が正に帯電するとき、この分子と電子との間にはクーロン引力が存在する。したがって、電子を表面から取り除き、その電子を正に帯電した分子に結合させることにおいてなされる仕事は、ＥＳ ｍｉｎよりも小さくなる可能性がある。これは、正に帯電した分子はそのような結合に有利であるからである。他方で、電子を正に帯電した分子から取り除き、その電子を表面に移動させることにおいてなされる仕事は、ＥＭ ｍｉｎよりも大きくなる可能性がある。これは、正に帯電した分子はこの分子からの電子の脱離には有利でないからである。
ガス分子が負に帯電するときには、状況が逆転する。電子を負に帯電した分子から取り除き、その電子を表面に移動させることにおいてなされる仕事は、電子が分子に緩く結合する場合には特に、ＥＭ ｍｉｎよりも小さくなる可能性がある。これは、緩く結合した電子の結合エネルギーが中性分子の原子価電子の結合エネルギーよりも低いからである。電子を表面から取り除き、その電子を負に帯電した分子に結合させることにおいてなされる仕事は、電子と分子との間におけるクーロン反発力のために、ＥＳ ｍｉｎよりも大きくなる可能性がある。
ＥＳ ｍｉｎおよびＥＭ ｍｉｎはともに、ガス媒体と同様に、固体表面の性質に依存する。したがって、所与の固体表面とある１つのガス媒体との相互作用を記述する電荷移動性は、同じ固体表面と別のガス媒体との相互作用を記述する電荷移動性と必ずしも同じであるとは限らない。
いくつかの固体表面については、表面の電荷移動性が表面の仕事関数に相関させられる。しかしながら、これら２つの量は同じではない。表面の仕事関数は、電子を表面から（一般には真空に）自由にするために要求される最少エネルギーとして定義されるが、電荷移動性は、電荷を取り除き、その電荷をガス分子に結合させるために要求されるエネルギーに関連づけられ、したがって、電荷移動性は、表面の性質だけでなく、ガス分子の性質に依存する。
特定の仕事関数を真空中で有する固体材料は、ガス媒体の存在下では異なる挙動を有する場合があり、また、様々なガス環境では全く異なる接触電位差を示す場合があることは特筆される。本明細書中を通して、また、特許請求項において、電荷移動性の用語は、真空中ではなく、特定のガス媒体の存在下における特定の固体表面の挙動を記述する。
仕事関数に加えて、表面の電荷移動性はまた、その誘電率、および電荷を受け取り、または、電荷を失うガス分子の能力に依存する。電荷を受け取り、または、電荷を失うガス分子の能力は、ガス媒体の電子親和性、イオン化ポテンシャル、電気陰性度および電気陽性度（したがって、これらもまた、電荷移動性と大雑把には相関する）によって影響を受ける。
本発明者は、試験材料の電荷移動性を評価するための技術を発見した。この技術において、超音速ガスジェットノズルが、試験材料から作製されるか、または、試験材料により被覆される導電性の標的メッシュに向けられる超音速のガスジェットを発生させるために使用される。電流計が、標的メッシュとジェットノズルとの間で接続される。電流計を通って流れる電流の方向および大きさにより、ガスの存在下における試験材料に関連する電荷移動性の符号およびレベルが示される。本発明者によって行われた超音速ガスジェット実験の代表的な結果が下記の実施例の節の実施例２および図３に示される。
本発明のいくつかの実施形態において、電荷移動性Θが、本明細書中ではＩｍｅｓｈとして示される量を測定することによって評価される。この場合、Ｉｍｅｓｈは、所定の密度のメッシュを通り抜ける超音速のガスジェットに応答して、標的メッシュとジェットノズルとの間で発生する電流である。Ｉｍｅｓｈのいくつかの例示される測定結果が下記の実施例の節において記載される（実施例２を参照のこと）。
本発明の様々な実施形態において、ガス媒体との表面１２の相互作用を記述を電荷移動性が正である。典型的には、しかし、必ずとは限らないが、ガス媒体との表面１４の相互作用を記述を電荷移動性が負である。表面１２の電荷移動性が正であることが十分であることが理解される。これは、緩く結合した電子を有する分子が表面１４と衝突するか、または、表面１４によって吸着されるとき、緩く結合した電子を有する分子は、表面１４の電荷移動性が中性分子に対して負でないときでさえ、電子を表面１４に移動させる無視できない確率を有するからである。
それぞれの表面についての適切な電荷移動性を、ガス媒体、ならびに、（基板３２および３４の表面改変物であってもよい）表面１２および１４が作製される材料の慎重な選択によって達成することができる。好適な材料から作製される基板を、何ら改変することなく使用することができる。代替では、基板が選択されると、それぞれの表面を、本発明のいくつかの実施形態に従って、電荷移動性を所望のレベルに強化または低下するように改変または被覆することができる。表面改変には、基板の表面を変化させること、物質（１つまたは複数）を基板の表面に付加すること、物質（１つまたは複数）を表面から除くこと、または、これらの手順の組合せが含まれ得る。表面改変にはまた、基板の下層材料が依然として基板の一部であり、かつ、電荷移動プロセスに関与するように、物質を表面に付加することが含まれ得る。基板の表面を変化させることには、酸化または還元（これらに限定されない）を含めて、様々な化学反応が含まれる場合がある。物質（１つまたは複数）を表面に付加することには、限定されないが、１つまたは複数の層によって被覆すること、および分子または原子の１層または複数層を吸着させることなどが含まれる場合がある。物質（１つまたは複数）を表面から除くことには、限定されないが、リフトオフ技術およびエッチングなどが含まれる。そのような表面改変のいずれもが、本明細書中では表面活性化として示されることがある。
表面改変は被覆を含むことができる。基板の被覆を２つ以上の方法で達成することができる。いくつかの実施形態において、それぞれの表面を形成する材料により直接、基板が被覆される。いくつかの実施形態において、１つまたは複数のアンダーコートが施され、基板と、それぞれの表面を形成する材料との間に置かれる。
基板表面の改変または被覆は、同じ材料を基板３２および３４の両方のために使用することを可能にすることができ、それによって、表面１２および１４の特徴的な電荷移動性における差が、異なる表面処理手順を使用して達成される。例えば、基板３２および３４の両方を、電気伝導性のためのアンダーコートを形成するために金により最初に被覆されるガラスから作製することができる。表面１２のために、金のアンダーコートはさらに、フッ化セシウム（ＣｓＦ）または炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）により被覆することができ、表面１４のために、金のアンダーコートはさらに、塩素酸マグネシウム（Ｍｇ（ＣｌＯ３）２）により被覆することができる。
基板はまた、薄膜被覆の技術分野において知られているスパッタリング技術によって被覆することができる。この技術では、薄膜が、材料をターゲットから基板上にスパッタリングすることによって堆積させられる。
被膜がスパッタリングにより施され得る基板として使用することができる材料の代表的な例には、限定されないが、アルミニウム、ステンレススチール、金属箔、ガラス、フロートガラス、プラスチックフィルム、セラミックスおよび半導体（様々なドーパント（例えば、リン系ドーパントおよびホウ素系ドーパント）によりドープ処理され、様々な結晶学的配向（例えば、＜１００＞、＜１１０＞、＜１１１＞）でのシリコンを含む）、ならびに、片面または両面が以前に被覆された任意の基板（アルミニウムがスパッタリングされたガラス、アルミニウムがスパッタリングされたフロートガラス、およびクロムがスパッタリングされたフロートガラス（これらに限定されない）を含む）が含まれる。被膜またはアンダーコートをその表面に形成するために基板上にスパッタリングされ得るターゲット材料として使用することができる材料の代表的な例には、限定されないが、アルミニウム（Ａｌ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム−金（Ｐｄ−Ａｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マンガン（Ｍｎ）、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、シリカ（ＳｉＯ２）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、イットリウムカルシウムバリウム銅酸化物（ＹＣａＢａＣｕＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、ケイ化クロム（Ｃｒ３Ｓｉ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、硫化バリウム（ＢａＳ）、硫化カルシウム（ＣａＳ）、およびそれらの組合せが含まれる。
本発明のいくつかの実施形態において、基板３２および３４は、表面１２および１４の特徴的な電荷移動性における差を確実にするための処理にその場で供される。例えば、基板３２および３４を有するデバイス１０を、電気活性化学種（例えば、塩および色素など、これらに限定されない）をその中に有する液体媒体で満たすことができる。基板３２と３４との間の間隙が液体媒体で満たされるとき、間隙のサイズはかなり大きくすることができ、例えば、５０μｍを超えることができる。液体媒体は極性溶媒または非極性溶媒を含むことができる。
基板３２および３４ならびに液体媒体は、例えば、電解析出（ＥＤ）プロセスを開始させるなどのために、例えば、基板３２および３４を外部電源に接続することによって電流に供される。電解析出としては、電気活性化学種が溶媒内でイオンに解離させられる電気化学的析出（ＥＣＤ）、または、電気活性化学種が溶媒内で帯電させられる電気泳動的析出（ＥＰＤ）が可能である。
ＥＤプロセスにより、基板３２および３４の表面の少なくとも一方の改変、または、基板３２および３４の表面の少なくとも一方におけるオーバーコートが、それらの特徴的な電荷移動性における差が存在するようにもたらされ得ることが本発明者によって見出された。例えば、電気化学的析出では、表面のどちらか一方が、液体媒体に存在するイオンによって改変されるか、または、液体媒体に存在するイオンにより被覆され、あるいは、両方の表面が同時に改変または被覆される（この場合、一方の表面がアニオンにより改変または被覆され、他方の表面がカチオンにより改変または被覆される）。電気泳動的析出では、液体媒体における溶解または懸濁されている化学種を一方の表面または両方の表面に電気泳動的に析出させることができる。
いずれにせよ、液体媒体、ならびに、基板３２および３４の材料は、ＥＤプロセス後、得られた表面１２および１４がそれぞれ、異なる特徴的な電荷移動性を有するように選択される。
基板３２および３４の一方または両方がＥＤプロセスによって改変または被覆されると、液体媒体が好ましくは、オーブンにおける乾燥によるか、または、真空によるか、または、何らかの他の知られている乾燥方法によるかのどれかでデバイス１０から排出される。本発明のいくつかの実施形態において、この排出手順または乾燥手順により、総体積（表面および液体）が、排出後には、表面間の距離が乾燥前よりも実質的に小さくなり得るように小さくなる。例えば、間隙を排出前の５０μｍから少なくとも５０％または少なくとも６０％または少なくとも７０％または少なくとも８０％または少なくとも９０％縮小することができ、また、少なくとも５μｍ未満にまで縮小することさえできる。はるかにより大きい間隙縮小比もまた可能である。
したがって、上記手順は、表面１２と表面１４との間における特徴的な電荷移動性の差を確実にする活性化プロセスとして役立つ。活性化プロセスを、基板３２および３４が同じ材料であろうとも、または、それぞれの基板が異なる材料から作製されようとも、実行することができる。上記手順は、記載されるようなただ１つのセルデバイスまたは多数のセルデバイスについて行うことができる。多数のセルデバイスについては、手順が好ましくは、デバイスのすべてについて同時に行われる。
本発明の実施形態のために好適な表面処理手順のさらなる例が下記の実施例の節において詳述される。
表面１２および１４のそれぞれが好ましくは、しかし、必ずとは限らないが、平滑である。実質的に平滑ではなく、互いに接触しない表面もまた意図される。好ましくは、表面１２および１４は、標準的な手順を使用する原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）の画像分析によって通常的に求められるように、約２０Å以下、より好ましくは、約１０Å以下、より好ましくは、約５Å以下のＲＭＳ粗さである表面粗さを有する。同様に意図されるものが、原子的に平坦な表面である。さらに意図されるものが、数十ｎｍ（例えば、約１００ｎｍ）のＲＭＡ粗さを有する表面である。
表面１２および／または１４のために使用することができる好適な材料には、磁性物質または非磁性物質が含まれ、例えば、金属、半金属、合金、真性またはドープされた無機半導体または有機半導体、誘電性材料、真性ポリマーまたはドープされたポリマー、導電性ポリマー、層状材料、セラミックス、酸化物、金属酸化物、塩、クラウンエーテル、有機分子、第四級アンモニウム化合物、サーメット、ならびに、ガラスおよびケイ酸塩化合物、ならびに、それらの任意の組合せなどが含まれるが、これらに限定されない。
代表的な例には、限定されないが、下記のものが含まれる：金属および半金属（例えば、ニッケル、金、コバルト、パラジウム、白金、グラファイト、グラフェン、アルミニウム、クロム、カドリニウム、モリブデン）ならびにそれらの酸化物（例えば、グラファイト酸化物（必要に応じて還元または部分還元される）、シリカ、二酸化マンガン、マンガンニッケル酸化物および三酸化タングステン）、合金（例えば、ステンレススチール）、半導体（例えば、ホウ素またはリンがドープされたシリコンウエハー）、セラミックス（例えば、ガラスセラミックス（例えば、ＭＡＣＯＲ（登録商標）など）、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素）、サーメット（例えば、クロムシリシドシリカ）、ガラスおよびケイ酸塩化合物（例えば、ガラスおよびキンウンモ）、塩、例えば、カルシウム塩（例えば、カルシウムペトロナート、ナフテン酸カルシウム（例えば、ＮＡＰ−ＡＬＬ（登録商標）など））、希土類塩（例えば、希土類のネオデカン酸塩またはベルサターテ（ｖｅｒｓａｔａｔｅ）塩（例えば、ＴＥＮ−ＣＥＮ（登録商標）など）、希土類のオクタン酸塩（例えば、２−エチルヘキサン酸から調製されるオクタン酸塩であるＨＥＸ−ＣＥＭ（登録商標）など））、ジルコニウム塩（例えば、ジルコニウムのカルボン酸塩、例えば、ＣＥＭ−ＡＬＬ（登録商標）、ジルコニウムＨＥＸ−ＣＥＭ（登録商標）など）、マンガン塩（例えば、マンガンＨＥＸ−ＣＥＭ（登録商標）、マンガンＮＡＰ−ＡＬＬ（登録商標）、マンガンＨｙｄｒｏＣｕｒｅ（登録商標）およびＨｙｄｒｏＣｕｒｅ（登録商標）ＩＩなど）、第四級アンモニウム塩Ａｒｑｕａｄ（登録商標）（例えば、Ａｒｑｕａｄ３ＨＴ−７５（登録商標））、鉛塩（例えば、鉛ＣＥＭ−ＡＬＬ（登録商標）、鉛ＮＡＰ−ＡＬＬ（登録商標））、コバルト塩（例えば、コバルトＴＥＮ−ＣＥＮ（登録商標）、コバルトＮＡＰ−ＡＬＬ（登録商標）、コバルトＣＥＭ−ＡＬＬ（登録商標））、亜鉛塩（例えば、亜鉛ＮＡＰ−ＡＬＬ（登録商標）、亜鉛ＣＥＭ−ＡＬＬ（登録商標）、亜鉛ＨＥＸ−ＣＥＭ（登録商標）、ステアリン酸亜鉛）、ニグロシン、ナトリウムペトロナート、ポリエチレンイミン、マラガガム、ＯＬＯＡ１２００、レシチン、ポリマー（例えば、ニトロセルロース、ニトロセルロース系ポリマー、必要な場合にはドープされたニトロセルロース系ポリマー（例えば、Ｚａｐｏｎｌａｃｋ）、ポリ塩化ビニル系ポリマー（例えば、Ｅｐｉｓｏｌ（登録商標）３１０、Ｅｐｉｓｏｌ（登録商標）４１０、Ｅｐｉｓｏｌ（登録商標）４４０、Ｅｐｉｖｙｌ（登録商標）３２、Ｅｐｉｖｙｌ（登録商標）４０、Ｅｐｉｖｙｌ（登録商標）４３、Ｅｐｉｖｙｌ（登録商標）Ｓ４３、Ｅｐｉｖｙｌ（登録商標）４６）およびアクリル樹脂（例えば、Ｅｌｖａｃｉｔｅ（登録商標）２０４１）など）、およびそれらの任意の組合せ。
上記材料のいくつかはまた、自立型構造物を形成することができるという範囲で、基板３２および／または３４のために好適である。
本明細書中で参照されるいくつかの商標は、第三者の慣習上の商標または登録された商標であり得る。これらの商標の使用は例としてであり、したがって、記述的であるとして解釈してはならず、また、本発明の範囲をそのような商標にただ関連するだけである材料に限定してはならない。
ガス媒体１６として使用することができる好適な材料には、限定されないが、ハロゲンおよびハロゲン含有ガス、例えば、Ａｔ２、Ｂｒ２、Ｃｌ２、Ｆ２、Ｉ２、ＷＦ６、ＰＦ５、ＳｅＦ６、ＴｅＦ６、ＣＦ４、ＡｓＦ５、ＢＦ３、ＣＨ３Ｆ、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、Ｃ３Ｆ８、Ｃ３Ｆ６Ｏ、Ｃ３Ｆ６、ＧｅＦ４、Ｃ２Ｆ６、ＣＦ３ＣＯＣｌ、Ｃ２ＨＦ５、ＳｉＦ４、Ｈ２ＦＣ−ＣＦ３、ＣＨＦ３およびＣＨＦ３；不活性ガス、例えば、Ａｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｎｅ、ＲｎおよびＸｅ；窒素含有ガス、例えば、Ｎ２、ＮＦ３、ＮＨ３、ＮＯ、ＮＯ２およびＮ２Ｏ；イオウ含有ガス、例えば、ＳＦ６、ＳＦ４、ＳＯ２Ｆ２；酸素を含むガス、例えば、Ｏ２、ＣＯおよびＣＯ２；水素含有ガス、例えば、Ｈ２、重水素、ｉ−Ｃ４Ｈ１０およびＣＨ４；アルカリガス、例えば、Ｃｓ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｆｒ、ＲｂおよびＹｂ；ならびに、それらの組合せが含まれる。本発明の様々な例示的実施形態において、ガス媒体は、セルまたはデバイスの表面に関して化学的に不活性である。
表面１２および１４は、本明細書中上記でさらに詳述されるようなガス媒体の存在下におけるそれらの電荷移動性に従って対にすることができる。好ましくは、表面１２は正電荷移動性を有し、いくつかの実施形態において、表面１４は負電荷移動性を有する。
本発明のいくつかの実施形態において、表面１２を、実施例の節の表１に列挙されるような材料番号１〜１９から選択される材料から作製することができ、表面１４を、材料番号２３〜４６から選択される材料から作製することができる（実施例２を参照のこと）。しかしながら、このことは必ずしも当てはまるとは限らない。これは、いくつかの実施形態において、表面１２および１４の両方を材料番号１〜１９から選択することができ、他の実施形態においては、表面１２および１４の両方を材料番号２３〜４６から選択することができるからである。同様に意図されるものが、表面１２および１４の一方または両方が、実施例８の表６に列挙される材料から選択される材料から作製される。
少数の限定されない対形成の例として、ガス媒体が六フッ化イオウ（ＳＦ６）であるとき、一方の表面をジルコニウムＣＥＭ−ＡＬＬ（登録商標）から作製することができ、別の表面を下記の材料の１つから作製することができる：マンガンＨｙｄｒｏＣｕｒｅ（登録商標）ＩＩ、ジルコニウムＨＥＸ−ＣＥＭ（登録商標）、Ａｒｑｕａｄ（登録商標）３ＨＴ−７５（登録商標）、鉛ＮＡＰ−ＡＬＬ（登録商標）、希土類ＨＥＸ−ＣＥＭ（登録商標）、コバルトＣＥＭ−ＡＬＬ（登録商標）、ニッケル、カルシウムＮＡＰ−ＡＬＬ（登録商標）、マンガンＮＡＰ−ＡＬＬ（登録商標）、グラファイト酸化物、コバルトＮＡＰ−ＡＬＬ（登録商標）、希土類ＴＥＮ−ＣＥＮ（登録商標）、ニグロシン、鉛ＣＥＭ−ＡＬＬ（登録商標）、マンガンＨＥＸ−ＣＥＭ（登録商標）、亜鉛ＮＡＰ−ＡＬＬ（登録商標）、コバルトＴＥＮ−ＣＥＮ（登録商標）、Ｃａペトロナート、ＯＬＯＡ１２００、亜鉛ＨＥＸ−ＣＥＭ（登録商標）、レシチン、マンガンＨｙｄｒｏＣｕｒｅ（登録商標）、金、コバルト、ステアリン酸亜鉛、Ｎａペトロナート、パラジウム、Ｅｐｉｖｙｌ（登録商標）３２、亜鉛ＣＥＭ−ＡＬＬ（登録商標）、グラファイト、白金、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、Ｅｐｉｖｙｌ（登録商標）４０、マラガガム、ニトロセルロース、Ｅｐｉｓｏｌ３１０、Ｅｐｉｓｏｌ４４０、Ｅｐｉｖｙｌ（登録商標）Ｓ４３、Ｅｌｖａｃｉｔｅ（登録商標）２０４１、Ｅｐｉｖｙｌ（登録商標）４６、Ｅｐｉｖｙｌ（登録商標）４３およびＥｐｉｓｏｌ４１０。さらなる限定されない対形成例および好適なガス媒体が実施例８の表６に示される。
所望される電荷移動性が表面改変技術によって達成され得るので、材料が、少なくとも厚さ方向で、十分な電流を伝えることができるならば、基板３２および３４はどのような材料からでも作製することができる。本発明のいくつかの実施形態において、一方または両方の基板が、大きいバルク導電率を有する材料から作製され、例えば、金属などから作製される。しかしながら、材料の電気コンダクタンスがその幾何形状および配向によって影響されるので、このことは必ずしも当てはまるとは限らない。不良なバルク導電率を有すると見なされるかもしれないある種の材料は、それらの結晶軸の１つにおいて十分に電流を伝えることができる。例えば、ある種の層状材料は、不良なバルク導電率を有する場合があり、しかし、１層または複数層の原子単層を含むかどうかによらず、材料の薄い層を通過する十分な導電率を有する場合がある。
さらなる例として、ガラスおよびＭＡＣＯＲ（登録商標）は不良な導体であると見なされる。これは、室温におけるそれらの典型的な導電率（それぞれ、１０−１５Ｓ／ｍおよび１０−１２Ｓ／ｍ）が、（１０６Ｓ／ｍ程度である）金属の典型的な導電率よりもかなり低いからである。それにもかかわらず、そのような材料の十分に薄い層は、ある種の低電力用途のためには十分である十分な電流を伝えることができる。デバイス１０の基板の一方が、直径が５０ｍｍで、厚さが１００μｍであるガラスプレートである構築物を考える。ガス媒介による電荷移動により、１Ｖの電圧がガラスの厚さの両端で発生することを仮定する。そのような電圧は、ガラスプレートを通過する数ｐＡの測定可能な電流を発生させることができる。したがって、ある種の低電流用途のために、基板３２および３４はまた、比較的不良な導電率を有する材料から作製することができる。
基板３２および３４のために好適な材料の代表的な例には、限定されないが、金属、例えば、アルミニウム、カドミウム、クロム、銅、ガドリニウム、金、鉄、鉛、マグネシウム、マンガン、モリブデン、ニッケル、パラジウム、白金、銀、タンタル、スズ、チタン、タングステンおよび亜鉛など（これらに限定されない）；半金属、これには、アンチモン、ヒ素およびビスマスが含まれるが、これらに限定されない；合金、これには、黄銅、青銅、ジュラルミン、インバールおよびスチールが含まれるが、これらに限定されない；真性およびドープされた無機および有機の半導体および半導体ヘテロ構造物、これには、シリコンウエハー、ゲルマニウム、シリコン、ヒ化ガリウムアルミニウム、セレン化カドミウム、ヒ化ガリウムマンガン、テルル化亜鉛、リン化インジウム、ヒ化ガリウムおよびポリアセチレンが含まれるが、これらに限定されない；ラメラ状材料、これには、グラファイト、グラフェン、グラファイト酸化物、二硫化タングステン、二硫化モリブデン、二硫化スズおよび六方晶窒化ホウ素が含まれるが、これらに限定されない；真性またはドープされた酸化物、これには、シリカ、三酸化タングステン、二酸化マンガン、マンガンニッケル酸化物、スズがドープされた酸化インジウム（ＩＴＯ）が含まれるが、これらに限定されない；真性またはドープされたセラミックス、これには、窒化ホウ素、窒化アルミニウムおよびガラスセラミックス（例えば、ＭＡＣＯＲ（登録商標）など）が含まれるが、これらに限定されない；サーメット、これには、クロムシリシドシリカが含まれるが、これに限定されない；ガラスおよびケイ酸塩化合物、これには、ガラスおよびキンウンモが含まれるが、これらに限定されない；または、それらの組合せが含まれる。同様に意図されるものが、上記材料のいずれかにより被覆されるいずれかの材料の基板である。
基板および被覆物のために好適な材料が、磁性体（例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｇｄ、ＮｉおよびＧａＭｎＡｓなど）および非磁性体（例えば、ＡｌおよびＣｕなど）であり得る。
本発明の上記実施形態のいずれかにおいて、基板は、本明細書中上記でさらに詳述されるように（例えば、電流が負荷を通って流れることを可能にするために）十分な電気伝導性を提供しなければならない。十分な電気伝導性を、基板が厚さ方向（すなわち、電流が流れる方向）において十分なコンダクタンスを有するならば、大きいバルク導電率（例えば、１０３Ｓ／ｍ超）を有する基板、または、不良なバルク導電率（例えば、１０−９Ｓ／ｍ未満）を有する基板、または、中程度のバルク導電率（例えば、１０−９Ｓ／ｍ〜１０３Ｓ／ｍの間）を有する基板のどれかを使用して確立することができる。
表面１２および１４は、むき出しの基板（３２および３４）、表面改変された基板、または、被覆された基板が可能である。むき出し基板（３２および３４）の典型的な厚さが約１ｎｍ〜約１００μｍである。本発明のいくつかの実施形態において、むき出し基板の厚さは１ｎｍ〜２０ｎｍの間が可能である。いくつかの実施形態において、厚さは１層の原子単層と同じくらい小さくすることができる（グラフェンの場合には０．３４ｎｍ）。ある種の表面改変された基板（例えば、電気化学的に改変された基板、酸化された基板または還元された表面など）の場合、表面１２および１４の典型的な厚さは１ｎｍ未満が可能である。しかしながら、被覆された表面の場合、表面１２および１４の典型的な厚さが約１ｎｍ〜約６００ｎｍであり、しかし、他の厚さは本発明の範囲から除外されない。基板３２と表面１２との間における、または、基板３４と表面１４との間における何らかの中間層またはバインダー層の場合（これらの層が存在するならば）、典型的な厚さが１ｎｍ未満〜約２５０ｎｍである。
本発明の様々な例示的実施形態において、デバイス１０はさらに、ガス圧力を維持し、かつ、ガス媒体の漏れまたは汚染を防止するための密閉された筺体３６を含む。筺体３６の内部の圧力は周囲圧力と（加圧方向または減圧方向のどちらかで）異なることが可能である。筺体３６の内部の圧力は、所望される平均自由行程および／または所望される熱伝導度（圧力が高いほど、熱伝導は大きくなる）を達成するように選択することができる。下記の実施例の節において式１で説明されるように、平均自由行程は圧力に対して反比例する。したがって、筺体３６の内部の圧力を下げることによって、平均自由行程を増大させることができる。圧力を上げることによって、熱伝導度が増大するように、キャリア分子の数が増大する。最適な圧力は、最大電流を生じさせるためにこれらの影響を平衡化させる。本発明の様々な例示的実施形態において、筺体３６の内部の圧力は１０気圧未満であり、だが、接近した間隔で置かれる間隙については特に、より大きい圧力もまた意図される。実際、ナノメートル範囲での間隙については、とりわけ、分子直径が小さいガス（例えば、ヘリウムなど）を使用するときには、大きい効率を数百気圧のガス圧力で達成することができる。一般に、そのような小さい間隙については、上限の圧力限界が、圧力閉じ込め検討によるか、または、作動温度におけるガスの液化圧力によるかのどちらかによって設定される。好ましいガス圧力は１気圧を超える。典型的には、ガス圧力は１．１気圧よりも高く、または、２気圧よりも高く、または、３気圧よりも高く、または、４気圧よりも高く、または、５気圧よりも高い。
次に、図２Ａおよび図２Ｂが参照される。図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の様々な例示的実施形態による電源デバイス４０の概略的例示である。デバイス４０は、上記で記載される１対の表面１２および１４と、これらの表面の間におけるガス媒体（示されず、例示については図１Ａおよび図１Ｂを参照のこと）とをそれぞれが有する多数のセル１０を含む。ガス媒介電荷移動効果により、ガス媒体の分子が、本明細書中上記でさらに詳述されるように、表面１２から表面１４への負電荷、および／または、表面１４から表面１２への正電荷を輸送する。
複数のセル１０が、電流が、隣接する直列接続されたセルの間を流れることを可能にするようにそれらの間で相互接続される。図２Ａおよび図２Ｂで示される例示において、デバイス４０は、表面の一方が負電荷をガス分子の少なくとも一部に移動させ、反対側の表面が負電荷を帯電したガス分子の少なくとも一部から受け取る、２つの向かい合わせの表面１２および１４を有するコア４２からそれぞれが形成される多数の二元的構成体４４として配置される。二元的構成体４４は、異なる電荷移動性を有する表面が互いに向かい合っているように配置される。図２Ａに示される例示では、二元的構成体４４がスペーサー２８によって隔てられ、それぞれの二元的構成体の２つの表面が基板４２により電気的に連絡している。図２Ｂに示される例示では、二元的構成体４４の間における間隙が、対向して向かい合っている表面の外向きに突き出る粗さ特徴物５０によって維持される。同様に意図されるものが、一部の二元的構成体が、図２Ａで例示されるようなスペーサーによって隔てられ、かつ、一部の二元的構成体が、図２Ｂで例示されるような外向きに突き出る粗さ特徴物によって隔てられる実施形態である。向かい合っている表面の少なくとも一方が、不良な導電性の材料から作製され、かつ、接触面積が小さいならば、接触によって引き起こされる「漏電」が最小限に抑えられる。
この二元的構成体形態により、セル１０に類似する数個のセルの配置が例示される。２つの隣接する相互接続されたセルがコアを共有し、それにより、コア４２の片側での表面１２が、例えば、１つのセルの電子ドナーとして働き、一方、コア４２の反対側での表面１４が、例えば、別のセルの電子レシーバーとして働く。ガス媒体と、熱リザーバー２０との間における熱交換により、電荷をそれぞれのセルの表面の間で輸送するガス分子の運動エネルギーが維持される。前記熱交換が、ガスと、リザーバー２０との間において、および／または、基板４２の熱伝導性により直接に達成され得る。２つのセルの間における電気的相互接続性を、コア層４２の大部分を電気伝導性にすることによって、および／または、層４２を、基板４２の端部を介して電気伝導性を提供する電気伝導性材料によって被覆することによって達成することができる。
二元的構成体の配置を、第１の導電性部材４６と、第２の導電性部材４８との間に置くことができる。導電性部材４６および４８の内側表面はまた、電子ドナー表面および電子レシーバー表面としてそれぞれ働くことができる。したがって、電子が導電性部材４６から二元的構成体４４を介して導電性部材４８に輸送され、それにより、導電性部材４６と４８との間における電位差を、必要な場合には何らかの外部電圧源の非存在下において発生させる。導電性部材４６および４８は外部負荷２４に接続することができる。
電気的観点から、そのようなセルは直列および／または並列で配置され、直列配置により、ただ１個だけのセルと比較して、増大した電圧出力がもたらされ、並列配置により、増大した電流がもたらされることには留意すること。デバイスの総電圧が、直列方向に沿った電圧の和であり、総電流が横方向での輸送面積によって決定される。
本発明の好ましい実施形態において、デバイス４０はさらに、上記で定義されるように、ガス媒体の漏れおよび汚染を防止するための、また、チャンバー内の圧力の制御を可能にするための密閉されたチャンバーを含む。
本明細書中で使用される用語「約」は、±２０％を示す。
用語「含む／備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびそれらの同根語は、「含むが、それらに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味する。
用語「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」は、「含み、それらに限定される（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｎｄ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味する。
表現「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」は、さらなる成分、工程および／または部分が、主張される組成物、方法または構造の基本的かつ新規な特徴を実質的に変化させない場合にだけ、組成物、方法または構造がさらなる成分、工程および／または部分を含み得ることを意味する。
本明細書中で使用される場合、単数形態（「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」）は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数の参照物を包含する。例えば、用語「化合物（ａ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）」または用語「少なくとも１つの化合物」は、その混合物を含めて、複数の化合物を包含し得る。
明確にするため別個の実施形態の文脈で説明されている本発明の特定の特徴が、単一の実施形態に組み合わせて提供されることもできることは分かるであろう。逆に、簡潔にするため単一の実施形態で説明されている本発明の各種の特徴は別個にまたは適切なサブコンビネーションで、あるいは本発明の他の記載される実施形態において好適なように提供することもできる。種々の実施形態の文脈において記載される特定の特徴は、その実施形態がそれらの要素なしに動作不能である場合を除いては、それらの実施形態の不可欠な特徴であると見なされるべきではない。
本明細書中上記に描かれるような、および、下記の請求項の節において特許請求されるような本発明の様々な実施形態および態様のそれぞれは、実験的裏付けが下記の実施例において見出される。
次に下記の実施例が参照されるが、下記の実施例は、上記の説明と一緒に、本発明を非限定様式で例示する。
（実施例１）
理論的考察
ガス分子は、温度依存的なマックスウエル・ボルツマン分布関数によって定義される範囲に含まれる様々な速度でランダムな方向に運動することが、ガスの運動理論から証明され、この場合、そのようなマックスウエル・ボルツマン分布関数は、統計力学の方法を使用して導くことができる。マックスウエル・ボルツマン分布関数により、量子的影響が無視できる、非常に多数の非相互作用粒子からなる衝突支配系における速度分布が記述される。
ガス分子は互いに衝突し、同様に、ガス分子が閉じ込められる容器とも衝突する。直径σのガス分子について、ある特定の圧力Ｐおよび絶対温度Ｔ（°Ｋ）における平均自由行程λが次式によって与えられる：
式中、Ｒは一般ガス定数であり（Ｒ＝０．０８２ａｔｍ・Ｌ・ｍｏｌ−１・°Ｋ−１）、Ｎはアボガドロ数である。したがって、所与の圧力および温度について、ガス分子の平均自由行程はガス分子の直径に依存し、この場合、より小さい分子は、より大きい分子と比較して、より大きい平均自由行程を有する。
直径σ（Å）と、５気圧の圧力Ｐおよび２５℃の温度における少数の代表的なガスについて式１を使用して計算されるときの対応する平均自由行程λ（ｎｍ）とが下記の通りである：
アルゴン（σ＝４．０Å、λ＝１１．２ｎｍ）、ＣＦ４（σ＝４．２Å、λ＝１０．３ｎｍ）、Ｃ３Ｆ８（σ＝４．８Å、λ＝７．９ｎｍ）、ＣＨ４（σ＝４．４Å、λ＝９．６ｎｍ）、ヘリウム（σ＝２．４Å、λ＝３１．５ｎｍ）、クリプトン（σ＝４．６Å、λ＝８．６ｎｍ）、ネオン（σ＝２．９Å、λ＝２２．２ｎｍ）、Ｎ２（σ＝３．８Å、λ＝１３．０ｎｍ）、ＳＦ６（σ＝５．５Å、λ＝６．０ｎｍ）およびキセノン（σ＝５．４Å、λ＝６．２ｎｍ）。これらの計算は、一般的なガスの平均自由行程の値が、示された条件のもとでは、一般にナノメートル範囲の距離にあることを示している。より高い温度（２５℃超）および／またはより低い圧力（５気圧未満）については、これらの分子の平均自由行程がより長くなる。
ガス分子が、ｄ＜λの距離によって隔てられる表面の間に置かれるとき、主たる相互作用が、分子と、表面との間であり、ほんの小さい割合の相互作用が分子間衝突である。したがって、ｄ＜λの場合、ほとんどの分子が表面の間で前後に運動する。単位時間あたり表面と相互作用する分子の数が圧力に線形依存する。好適な表面と相互作用するとき、分子は電子の喪失または獲得を行うことができ、したがって、正電荷または負電荷を獲得する。表面の近傍では、様々な力が、帯電したガス分子に対して作用し得る。帯電したガス分子は逆極性の虚像電荷を表面において誘導し、この虚像電荷により、結果として、引力が、帯電した分子と表面との間に生じる。十分に大きい速度の帯電したガス分子は、第１の表面を逃れ、間隙を横断して、反対側の表面に到達するように、虚像電荷の引力に打ち勝つことができる。
ガス分子が、ｄ＞λの距離によって隔てられる表面の間に置かれるとき、分子間衝突がより頻繁になり、表面間の間隙を横断するガス分子の確率ηが次式のように書き表され得る：
したがって、式１において記述されるλおよびＰの間における依存性の結果として、間隙を横断する分子の確率が圧力の増大とともに低下する。
ガス分子の平均速度が次式のように書き表され得る：
式中、Ｔは温度であり、Ｍはガスの分子量である。式３から計算されるときのいくつかの代表的なガスについての２５℃の温度における平均速度（ｍ／秒）が下記の通りである：
アルゴン（３９８ｍ／ｓ）、ＣＦ４（２６８ｍ／ｓ）、Ｃ３Ｆ８（１８３ｍ／ｓ）、ＣＨ４（６２７ｍ／ｓ）、ヘリウム（１２５６ｍ／ｓ）、クリプトン（２７４ｍ／ｓ）、ネオン（５５９ｍ／ｓ）、Ｎ２（４７４ｍ／ｓ）、ＳＦ６（２０８ｍ／ｓ）およびキセノン（２１９ｍ／ｓ）。これらの平均速度のいくつかは音速（２５℃において空気中で約３４６ｍ／ｓ、これはまた、マッハ１として定義される）を超えている。
帯電した分子が、虚像電荷によって生じるポテンシャル障壁Ｖｍａｘを無事に横断し、反対側の表面に到達するためには、その運動エネルギーがＶｍａｘよりも大きくなければならない。このことは、分子の速度が、次式によって与えられるνｍｉｎを超えるならば、分子はこのポテンシャル障壁を横断することができることを暗示する：
式中、ｍは分子の質量である。この値を超える速度を有するガス分子が、電荷を表面間において輸送できることが予想される。
ポテンシャル障壁Ｖｍａｘに打ち勝つことによって表面から逃れることができる分子の割合ｘを、マックスウエル・ボルツマン分布に基づく下記の式に従って計算することができる：
νｍｉｎは、上記の式４に従ってＶｍａｘから計算することができる。十分に速い分子の割合ｘの計算値は、電荷移動効率が１００％である理想的な状況を反映する。実際には、著しくより少ない割合の分子が電荷移動プロセスに関与することが予想される。例えば、表面に対して垂直でない方向に運動する分子については、要求される脱出速度が、表面に対して垂直に運動する分子の場合よりも大きくなる。
１つの数値例として、０．５ｅＶの仕事関数の差を有する理想的な金属から作製される２つの表面（１２および１４）を考える。ガス分子あたり１個の電子の電荷移動が表面から５Åの距離で生じること、および表面間の間隙がＳＦ６ガス（Ｍ＝１４６グラム／Ｍｏｌ、直径σ≒５．５Å）により満たされることを仮定する。
２ｎｍの間隙サイズｄについては、ポテンシャル障壁Ｖｍａｘが０．３９ｅＶであると推定され、この場合、虚像電荷電位だけにより、０．２５ｅＶが与えられる。式３を使用して計算されるときのνｍｉｎの値が、νｍｉｎ＝７１０ｍ／ｓ（約２．１のマッハ数）（これは２５℃の温度におけるＳＦ６分子の平均速度（νバー＝２０８ｍ／ｓｅｃ）の約３倍である）であり、式４を使用して計算されるときのｘの値が１．６×１０−４％である。パーセンテージが低いが、表面１２および１４と、（吸着を伴って、または、吸着を伴うことなく）衝突する分子の数が大きいことには留意すること（例えば、１Ａｔｍおよび２５℃におけるＳＦ６については、衝突が１μｍ２あたり１０２１回／秒の程度である）。したがって、この例については、およそ１０１５個／秒の分子が、ポテンシャル障壁に打ち勝つことによって表面の一方から潜在的には逃れ、かつ、電荷移動プロセスに関与し得る。
１０ｎｍの間隙サイズ（ならびに同じ表面およびガス）については、ポテンシャル障壁Ｖｍａｘの値が０．９２ｅＶであり（この場合、虚像電荷電位は０．６２ｅＶを与える）、νｍｉｎの値が、２５℃における平均速度の約５倍である１０８４ｍ／ｓ（約３．１のマッハ数）であり、ｘの値が２．５×１０−１１％である。
間隙のサイズに対する虚像ポテンシャル障壁の依存性が、１個の電子を２つの同一表面の間において運ぶ分子について計算された。このときの依存性が２ｎｍの間隙については図１Ｃに示され、１０ｎｍの間隙については図１Ｄに示される。虚像電荷のポテンシャル障壁を含むポテンシャル障壁の依存性が、表面１２の仕事関数が表面１４の仕事関数よりも０．５ｅＶだけ低い場合について計算された。このときの依存性が図１Ｅ（２ｎｍの間隙）および図１Ｆ（１０ｎｍ間隙）に示される。示されるように、表面が同一でないときには、局所的最大６４の点が、より大きい仕事関数を有する表面の方に移動する。表面が異なるときのポテンシャル障壁Ｖｍａｘの値は、表面が同じであるときのＶｍａｘの値よりも大きく、そのような場合、Ｖｍａｘは虚像電荷のポテンシャル障壁だけに対応する。
図１Ｇは、分子が、１個の電子を、０．５ｅＶの仕事関数の差を有する表面の間において運ぶという同じ例示的条件のもとで、予想されるポテンシャル障壁Ｖｍａｘ（Ｖ）を、１００ｎｍに至るまでの間隙について間隙ｄのサイズ（ｎｍ）の関数として示す。
Ｖｍａｘは、電荷移動に関与し得る分子の数（したがって、表面間の有効電荷移動の確率）に影響を与えるので、生じる電流もまた、間隙サイズに依存する。例えば、１個の電子を上記の数値例の条件のもとで表面１２から表面１４に運ぶＳＦ６の分子については、間隙サイズ（ｎｍ）の関数としての表面積あたりの発生電流（Ａ／ｃｍ２）が、理想的には図１Ｈに例示されるように挙動する。図１Ｈは、表面１２と相互作用したそれぞれのガス分子が電子を表面１２から受け取り、かつ、それぞれの十分に速い帯電した分子が間隙を無事に横断し、電子を表面１４に移動させる完全な状況に対応することが特筆される。そのうえ、上記の計算は、表面１２および１４が本質的には平坦で、平行で、かつ、重なっており、その結果、間隙サイズが表面の至るところで同じであるという仮定のもとで行われた。実際には、面積あたりのより低い電流が予想される。それにもかかわらず、間隙サイズに対する電流の非線形依存性が類似していることが予想される。下記の実施例のいくつかにおいて明らかにされるように、発生した電流が間隙サイズの低下とともに増大する。
したがって、間隙が小さいほど、ポテンシャル障壁に打ち勝つために必要とされる最少速度が低くなり、かつ、間隙を無事に横切る帯電したガス分子の割合が大きくなる。同様に、より小さい間隙は、より大きいガス圧力を用いることを、すなわち、より短い平均自由行程およびより大きい熱伝導性とともに可能にする。高すぎる圧力レベルは、表面間のガス媒介による電荷移動の効率を低下させるかもしれない。これは、より大きい圧力が、分子間衝突についてのより大きい確率に対応するからである。しかしながら、より高いガス圧力はまた、表面と相互作用することができる分子で、電荷を効率的に輸送することができる分子の数を増大させる。したがって、分子間衝突の割合と、電荷キャリアとして働く分子の数と、間隙の幅との間におけるバランスが存在する。下記の実施例のいくつかにおいて明らかにされるように、ガス媒介による電荷移動がその最大効率に達する閾値圧力が存在する。閾値圧力を超えると、電流は、より大きい圧力の対抗する影響（表面と相互作用する分子の増大した数に対する増大した分子間衝突）が互いに釣り合うならば、プラトー値のままであり得る。理想的なバランス状況でない場合、閾値圧力点を超えると、電流が圧力の増大とともに低下し得る。
（実施例２）
超音速ガス流による電荷移動性の測定
本実施例は、ガス媒体の存在下における表面の電荷移動性を測定するために本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験を記載する。本実施例における電荷移動性は、メッシュを通り抜ける超音速ガスジェットに応答して、標的メッシュとジェットノズルとの間で発生する電流に関して表される。
方法
図３は、測定のための実験構成の概略的例示である。この構成では、ガスで満たされるガス供給ユニット３０２、標的ワイヤメッシュ３０６、ジェットノズル３１２、およびメッシュ３０６とノズル３１２との間において１対の接続配線３１４を介して接続される電流計３０４が含まれた。
ガス供給ユニット３０２には、チャンバー３２０、および導管３２４を介して接続される出口３２２が含まれた。チャンバー３２０はガス媒体により満たされ、導管３２４を通るチャンバー３２０から出口３２２へのガス流量を制御するためのバルブ３２６を備えた。
ノズル３１２はＮＡＳＡ設計ＫＳＣ−１１８８３（ＮＡＳＡ Ｔｅｃｈ Ｂｒｉｅｆｓ、ＫＳＣ−１１８８３）に基づく。流れを導くためのインサート３１０が、精密な中ぐり円筒状区域３０８の対称軸に沿って中心に配置された。インサート３１０は、直径が徐々に増大する第１の部分３１６と、直径が徐々に減少する第２の部分とを有するマンドレルとして形状化された。供給ユニット３０２の出口３２２からのガス媒体は、円筒状区域３０８の内壁とインサート３１０との間に形成される体積３２８においてインサート３１０の外側を流れることが許された。インサート３１０の第１の部分３１６の外側を流れている間に、ガスは、体積３２８の狭まりを、第１の部分３１６の徐々に増大する直径のために受け、一方、インサート３１０の第２の部分３１８の外側を流れている間に、ガスは、体積３２８の広がりを、第２の部分３１８の徐々に低下する直径のために受けた。例示目的のために、ガスのいくつかの流れ軌跡が図３において濃い矢印によって示される。
体積３２８の狭まりは、ガスが圧縮を受け、速度を増大させ、それにより、インサート３１０の最大直径の面で音速に達することを引き起こした。（図３の面に対して垂直である）この面が点線３４０によって示される。その面の後で、流れは広がり、速度を増大させ、それにより、ノズル３１２の超音速出口３４２において超音速の速度をさらに達成することができた。
メッシュ３０６は、ステンレススチールのワイヤが７５０μｍまたは４５０μｍによってそれぞれ隔てられるタイプ２０またはタイプ４０のメッシュワイヤスクリーンを使用する２０ｍｍの円盤であった。ワイヤが、目的とする材料により被覆された。メッシュを、目的とする材料を含む溶液または懸濁物に１５分間浸漬することによって被覆を達成した。懸濁物を、メッシュの均一な被覆を達成し、そして同時に、開いている空間が余分な材料によって目詰まりすることを避けるために十分な目的とする材料の濃度で、水または揮発性有機溶媒（例えば、アセトン、酢酸ブチル、エタノールおよびヘキサンなど）において調製した。典型的には、０．０５％（ｗ／ｗ）〜３０％（ｗ／ｗ）の材料を含む懸濁物を使用した。浸漬後、過剰な材料を毛細管現象によってメッシュから除き、ワイヤを１１０℃で４８時間乾燥した。
被覆されたメッシュを、ガス媒体が超音速の速度としてメッシュを通過するように超音速出口３４２と向かい合わせで配置した。
電流計３０４はピコアンメーター（モデル６１７；Ｋｅｉｔｈｌｅｙ）であった。電流計を通る電流（大きさおよび方向）により、ガス分子と被覆材料との間における電荷移動が示された。電流測定を少なくとも２秒間行い、ピーク電流を目的とするそれぞれの材料について記録した。
実験のすべてを、熱を標的に加えることなく、または、外部電場を加えることなく行った。このことは、ハイパーサーマル表面イオン化技術とは異なる（例えば、Ｄａｎｏｎ Ａ．およびＡｍｉｒａｖ Ａ．、「ハイパーサーマル表面イオン化：分析的応用を有する新しいイオン源」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ Ｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ、９６（１９９０）、１３９〜１６７を参照のこと）。
平面の標的に衝突させるのではなく、むしろ、細いワイヤメッシュスクリーンを抜けて流れる超音速のガスジェットを使用する理由が、前者の条件では、ガスの流れが表面電荷をはぎ取ることを妨げる実質的な境界層が生じるからである。対照的に、メッシュの細いワイヤを通過する超音速のジェットは、著しい数のガス分子がワイヤ表面に衝突し、その後、はぎ取るガス流れによってその電荷と一緒に離れることを可能にする。
結果
表１には、六フッ化イオウ（ＳＦ６；ＢＯＣ Ｇａｓｅｓ；９９．９９９％の純度）のガス媒体および４６種の目的とする材料についてピコアンメーターによって測定されるピーク電流がまとめられる。ＳＦ６を本実験で使用することの動機が、ＳＦ６は無毒性のガスであり、また、（Ｌ．Ｇ．ＧｅｒｃｈｉｋｏｖおよびＧ．Ｆ．Ｇｒｉｂａｋｉｎによって、「ＳＦ６への電子結合およびＳＦ６ −負イオンの寿命」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ７７（２００８）０４２７２４ １〜１５に記載されるように）低エネルギー電子結合が可能であることが知られていることであった。
結果の一部がまた、図４のグラフで示される。
表１は、実験番号１〜１９における有意な正の電流、実験番号２３〜４６における有意な負の電流、および実験番号２０〜２２における有意でない電流を明らかにする。したがって、実験１〜１９における材料は、正に帯電したことにより、正電荷移動性をＳＦ６ガス媒体の存在下で有する；実験２３〜４６における材料は、負に帯電したことにより、負電荷移動性をＳＦ６ガス媒体の存在下で有する。ＳＦ６ガス媒体の存在下での実験２０〜２２における材料の電荷移動性は低いか、または、ゼロと一致する。
いくらかの小さい変動（±２０％以内）が、この実験構成を使用して見出されたが、これらの変動は、周囲空気条件、湿度、残留ガス凝縮および／またはガス−表面の化学反応のような要因のためであると考えられた。しかしながら、これらの不一致にもかかわらず、電荷移動性の一般的傾向が、試験された材料の仕事関数および／または摩擦電気特性と無理なく十分に相関した。
考察
この一連の実験で得られた結果は、固体材料とガス分子との間における電荷移動に関する情報を提供する。ガス分子は電荷（正または負）を被覆されたメッシュから獲得し、これにより、被覆されたメッシュを逆電荷に帯電させる。細いワイヤメッシュの表面の至るところを通り抜けるガス分子の少なくとも一部の大きい速度は、それらが、表面とガス分子との間の引力として現れる虚像電荷電位に打ち勝つことを可能にする。
本実験により、エネルギーを有するガス分子が電荷を特定の表面に、また、特定の表面から移動させ得ることが示されている。マックスウエル・ボルツマン分布によれば、一部の分子がそのような電荷移動のための十分なエネルギーを有する確率がゼロでないので、分子の外部加速がない場合でさえ、電荷移動が生じる。
本実施例により、熱運動が、帯電した分子が電荷を逆荷電に帯電した表面から離れて輸送することを可能にするために十分であり、このことにより、ガス分子の熱運動が、電荷を２つの表面の間において移動させるための好適な機構になることが明らかにされた。本実施例によりまた、本発明のいくつかの実施形態に従って定義されるような電荷移動性が測定可能な量であることが明らかにされた。
（実施例３）
ケルビンプローブによる測定
本実施例は、表面の電荷移動性をケルビンプローブによって評価するために本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験を記載する。
ケルビンプローブは、プローブ表面と目的とする表面との間の接触電位差（ＣＰＤ）を測定するデバイスである。接触電位差は、参照表面および試験された表面の仕事関数における差に対して相関関係がある。この測定が、目的とする表面の非常に近くでプローブを振動させることによって行われる。ケルビンプローブの表面と試験している表面との間の仕事関数における差により、電場が生じる。導体の表面の仕事関数が、電子を導体の内部から虚像電荷領域を超える点にまで移動させるために要求される仕事の最少量として定義される。
したがって、ケルビンプローブもまた、電荷移動性を少なくとも評価するために使用することができる。これは、ケルビンプローブが、電荷を目的とする表面から取り除き、その電荷をガス分子に結合させるために要求されるエネルギーを測定するために使用され得るからである。具体的には、ケルビンプローブが、真空中および様々なガス媒体の存在下における様々な表面の挙動を比較するために、したがって、表面−ガスの様々な対の、電荷移動性についての好適性の目安を提供するために本実施例において使用された。
方法
ケルビンプローブ（Ｋｅｌｖｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ０７、Ｂｅｓｏｃｋｅ Ｄｅｌｔａ Ｐｈｉ）を、ガス環境が制御される密閉可能なチャンバーに入れた。測定を、真空中、または、様々な圧力での周囲空気中もしくは様々なガスの存在下のいずれかで行った。すべての測定を室温で行った。
試験される固体材料ならびに参照用の固体材料を回転する台に乗せ、したがって、それらの表面において無数の点でプローブ探査し、その結果、測定が、単にただ１箇所だけではなく、それぞれのサンプルの走査されたセグメントに関連するようにした。この方法により、材料の性状を表す全体的な値ではなく、局所的異常を反映し得るただ１点だけの測定が避けられた。ケルビンプローブは、仕事関数が既知であるサンプル材料（例えば、金など）を使用して較正された。
ポリエチレンイミンの８０％エトキシル化体（ＰＥＩ；Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ；３７％（ｗ／ｗ）水溶液）；炭酸セシウム（Ｃｓ２ＣＯ３；Ａｌｆａ Ａｅｓｅｒ；９９％）；フッ化セシウム（ＣｓＦ；Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ；９９％）；およびマグネシウム（Ｍｇ）のサンプルを回転する円盤に載せ、真空中、空気中、三フッ化窒素（ＮＦ３；ＢＯＣ Ｇａｓｅｓ；９９．９９９％の純度）、キセノン（Ｘｅ、ＢＯＣ Ｇａｓｅｓ；９９．９９９％の純度）、アルゴン（Ａｒ）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、クリプトン（Ｋｒ）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）および六フッ化イオウ（ＳＦ６；ＢＯＣ Ｇａｓｅｓ；９９．９９９％の純度）において試験した。
結果
表２には、室温および１気圧（４Ａｔｍで試験されたＮＦ３ガスを除く）においてケルビンプローブによって評価されたときの接触電位差（ｅＶ）がまとめられる。これらのガス媒体のいくつか（空気、ＮＦ３、Ｘｅ、Ｏ２およびＳＦ６）についての結果が図５に示される。
示されるように、ＣＰＤが真空中およびガスの存在下では同じでなく、ＣＰＤがガス媒体のタイプに依存する。所与の固体材料については、ＣＰＤが、真空条件と比較して、ある１つタイプのガス媒体の存在下では増大し、別のタイプのガス媒体の存在下では低下した。同様に、所与のガス媒体の存在は、真空条件と比較して、ある１つの固体材料についてはＣＰＤを増大させ、別の固体材料についてはＣＰＤを低下させた。
測定チャンバーにおけるガス分子が、試験材料の表面とのその相互作用の結果として帯電することが仮定される。多数の帯電したガス分子が、虚像電荷の引力によって保持されて表面の近くに捕捉されたままであり、このことが、測定されたＣＰＤをその電荷の程度および極性の関数として変化させる。
この現象により、ゼロ電荷移動性（ＺＣＴ）の点をそれぞれのガス媒体について定義することができる。この点が、ガスが電子ドナーから電子レシーバーに変わる材料のＣＰＤとして定義される。言い換えれば、ガスのＺＣＴが、ＣＰＤにおける増大を示す材料の最高仕事関数とＣＰＤにおける低下を示す材料の最低仕事関数との間にある。
例えば、ＰＥＩについては、空気の存在はＣＰＤを真空中での約４．６ｅＶから空気の存在下での約４．４ｅＶに低下させた。したがって、空気は、ＰＥＩについては電子レシーバーとして挙動する。この挙動が、真空条件での４．６ｅＶの点をガス条件での４．４ｅＶの点と結ぶ低下する実線として図５において例示される。Ｃｓ２ＣＯ３については、空気の存在はＣＰＤを真空中での約４．０ｅＶから空気の存在下での約４．５ｅＶに増大させた。したがって、空気は、Ｃｓ２ＣＯ３については電子ドナーとして挙動する。この挙動が、真空条件での４．０ｅＶの点をガス条件での４．５ｅＶの点と結ぶ増加する実線として図５において例示される。上記定義によれば、空気のＺＣＴがおよそ４．４５ｅＶであることが推定される。
同じ推定をＸｅについてもまた行い、約４．４５ｅＶのＺＣＴが得られた。ＮＦ３は、試験された材料のすべてについて電子レシーバーとして挙動するので、ＺＣＴを評価することができなかった。しかし、ＺＣＴが２．９ｅＶ未満であることが予想される。上記手順に従って推定されるときのいくつかのガス媒体についてのＺＣＴ値が表３に示される。
本実施例により、ガス分子が正電荷または負電荷を固体表面から離れて輸送すること、および表面がガス分子との相互作用のために帯電する電位が、ガス媒体だけでなく、固体材料のタイプに依存することが明らかにされた。本実施例によりさらに、ケルビンプローブが、本発明のいくつかの実施形態において定義されるような電荷移動性の目安を提供するために有用であり得ることが明らかにされた。
（実施例４）
ガス分子の熱運動による電流の発生
本実施例は、直接に接触しているか、または、スペーサーをその間に有するかのどちらでもない隣接する表面の間におけるガス分子の熱運動によって電流を発生させるために本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験を記載する。
方法
実験構成が図６に概略的に例示される。ステンレススチールから作製される２つの向かい合う円盤形状の保持電極（６０１および６０２）を、ステンレススチールから作製される加圧可能かつ密閉可能なチャンバー６０７に試験ガスと一緒に入れた。代替では、保持電極およびチャンバーを、熱膨張係数が低い材料（例えば、Ｓｕｐｅｒ Ｉｎｖａｒ３２−５など）から作製することができる。チャンバー６０７は形状が円筒状であり、直径が９ｃｍで、高さが４．３ｃｍで、ガス容量が１４ｃｍ３であった。チャンバー６０７の壁の厚さは少なくとも２．３ｃｍであった。入口バルブ６２２を有する入口ポート６０５、および出口バルブ６２４を有する出口ポート６０６が、チャンバー内のガスの組成および圧力を制御するために設けられた。チャンバー６０７は１０Ａｔｍの最大圧力に耐えることができた。チャンバー６０７における圧力を入口ポート６０５および出口ポート６０６によって変化させ、マノメーター６２０（モデルＡＴＭ０−１０Ｂａｒ；ＳＴＳ）を使用してモニターした。
電極６０１および電極６０２は、本明細書中下記でさらに詳述されるような、負電荷移動性および正電荷移動性を有するサンプルを保持するために役立った。いくつかの実施形態において、電極上のサンプルは平面であった（平坦な円盤）。また、いくつかの実施形態において、ガラスから作製される１つまたは２つの平凸レンズ（６１１および６１２）が試験サンプルによって被覆され、電極に載せられた。
電極６０１を、高電圧電源装置およびコントローラー６０４（モデルＥ５１６／Ｅ７６１；Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ）によって駆動される積み重ねられた圧電性結晶６０３（Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ）に接続した。電極６０１の往復運動を、コントローラー６０４からのシグナルに応答して圧電性結晶６０３によって生じさせた。容量性センサー６１３（モデルＤ１０５；Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ）により、電極６０１と６０２との間の距離がモニターされ、フィードバックシグナルがコントローラー６０４に送られた。この形態は、電極上のサンプルの最も外側の層の間の距離を約０．２ｎｍの分解能により制御することを可能にした。実験で使用された距離の範囲が約１ｎｍから数十μｍまでであった。
電極６０２を固定し、チャンバー６０７に機械的に接続した。金属電極６１４により、電極６０２を、自身は電極６０１に電気的に接続される高感度電流計６１５（ピコアンメーター、モデル６１７；Ｋｅｉｔｈｌｅｙ）に接続した。電流計６１５により、電極６０１および６０２に置かれた２つのサンプルの間におけるガス媒介による電荷移動によって生じる電流ｉが測定された。出力がオシロスコープ６１８（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＴＤＳ３０１２）に示された。
結晶６０３を、ＤＣから２Ｈｚにまで及ぶ振動数を伴う三角波電圧パルスによって振動させ、その結果、完全接触から数十ミクロンの隔たりまでの間の任意の距離が利用可能であるように設定した。振動に加えて、結晶６０３はまた、ＤＣ電圧を加えることによって一定の距離を動かすことができた。いくつかの実施形態において、ＤＣ電圧および振動電圧の両方を、結晶６０３の位置を制御するために、電極に置かれた２つのサンプルの外側表面の間の距離を制御するために連続して使用した。振動期間中、これら２つの表面の両端で生じる電流を電流計によって測定した。容量性センサー６１３からのアナログ電圧シグナルを、表面間の距離をモニターするために同時に測定した。アナログ電圧シグナルと電流シグナルのアナログ出力との両方をオシロスコープ６１８によって示し、測定した。
すべての実験を室温で行った。使用された唯一の電圧が、圧電性結晶の運動を制御するためであり、また、オシロスコープに電力供給するためであった。電源および距離測定システムが電場を電極間に生じさせないことを確実にするために、電極を電源から隔離し、かつ、対策を採った。
正電荷移動性を有する下記の試験材料を使用した：（ａ）マグネシウムの円盤（１ｍｍの厚さおよび１０ｍｍの直径）、（ｂ）高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）の四角片（１ｍｍの厚さおよび１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさ；Ｍｉｃｒｏｍａｓｃｈ、ＵＳＡ、タイプ：ＺＹＨ品質、モザイクスプレッド（ｍｏｓａｉｃ ｓｐｒｅａｄ）：３．５±１．５度、３０ｎｍ〜４０ｎｍの範囲での結晶粒サイズ）、（ｃ）金が被覆されたガラスレンズ、および（ｄ）正電荷移動性を有する材料（例えば、ＣｓＦおよびＣａＣＯ３）によりさらに被覆される金被覆のガラスレンズ。
試験材料の表面をこの技術分野で知られているように研磨し、その粗さを、ＡＦＭを標準的手順に従って使用して求めた（例えば、Ｃ．ＮｏｇｕｅｓおよびＭ．Ｗａｎｕｎｕ、「雲母表面における再現可能かつ原子的に平坦な金薄膜のための迅速な手法」、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ、５７３（２００４）、Ｌ３８３〜Ｌ３８９を参照のこと）。ＨＯＰＧは、サブナノメートル範囲で原子的に平坦かつ平滑であると見なされる材料であり、したがって、さらなる表面研磨処理を行うことなく使用された。様々な研磨技術が、０．５ｎｍ未満の表面粗さを達成するために産業界では容易に利用できる。試験されたすべての材料が本質的に平滑であり、ほとんどが５ÅＲＭＳ未満の表面粗さを有した。
下記の手順を、金が被覆されたレンズの調製のために用いた。この金被覆レンズはむき出しで使用され（金被覆のみ）、あるいは、その最初の電荷移動性の増大または低下のどちらかをもたらす材料によりさらに被覆された。
ガラスレンズを従来のｅ−ビーム蒸着によって９９．９９９％純度の金の厚さ２００ｎｍの層により被覆した。ホウケイ酸ガラスレンズ（５２ｍｍの直径および２ｍｍの厚さ；Ｃａｓｉｘ Ｉｎｃ．）を、エタノール（分析規格；Ｇａｄｏｔ）の第１の浴における超音波処理によって清浄化し、その後、ｎ−ヘキサン（分析規格；Ｇａｄｏｔ）における第２の超音波処理清浄化を行った。その後、レンズを室温においてＮ２雰囲気下で乾燥した。レンズの凸側を、ｅ−ビーム蒸着によって、最初に、９９．９９９％純度のクロム（Ｃｒ）の薄い接着層（約２ｎｍ〜５ｎｍの厚さ）により被覆し、次いで、９９．９９９％純度の金（Ａｕ）のより厚い層（約２００ｎｍ〜２５０ｎｍの厚さ）により被覆した。蒸着を１０−７ｍｂａｒの圧力下で行った。クロム層および金層の厚さを、石英結晶のミクロ天秤を使用してモニターした。金の最外層をアニーリングし、その表面粗さを、Ｎｏｇｕｅｓ（上掲）に開示されるように、ＡＦＭ、その後での画像分析によって評価した。得られた表面は、５ÅＲＭＳ未満である粗さを有した。
いくつかの実験では、金層を、異なる電荷移動性を有する材料によりさらに被覆した。さらなる被覆を、下記の技術の１つを使用して達成した：（ａ）スピンコーティング、（ｂ）担体表面に塗布された１滴の乾燥、（ｃ）電気化学的析出、および（ｄ）分子の自己集合した単分子層を、例えば、フリーチオール（−ＳＨ）末端を有する分子を使用することによって作製することによる。
正電荷移動性または負電荷移動性の表面を提供するさらなる方法が下記の実施例５において例示される。
結果
図７Ａ〜図７Ｃは、３つの異なる実験におけるオシロスコープ出力である。
図７Ａは、正電荷移動性の表面がＣｓＦから作製され、負電荷移動性の表面がＭｇ（ＣｌＯ３）２から作製された実験で、両方の材料が、ガラスレンズによって担持される金層の上に堆積させられた実験に対応する。
図７Ｂは、正電荷移動性の表面がＭｇの平坦な円盤から作製され、負電荷移動性の表面が、ガラスレンズによって担持される金層であった実験に対応する。
図７Ｃは、実験に対するコントロールとしての役割を果たすために、２つの表面の位置が反対になったこと、したがって、電流が逆方向になったことを除いて、図７Ｂの実験と類似した実験に対応する。
これらの実験で使用されたガスがＳＦ６であり、チャンバーが３Ａｔｍの圧力で維持された。
図７Ａ〜図７Ｃには、電流計６１５からのシグナルｉ（下側のグラフ）、および電極６０１と電極６０２との間の距離ｄを示す容量性センサー６１３の出力（上側のグラフ）が示される。図７Ｃでは、電極における正電荷移動性の材料および負電荷移動性の材料の位置が逆になったことのために、図７Ａ〜図７Ｂと比較して逆向きの電流が示されることに留意すること。
点Ａｍｉｎ（最大印加電圧および電極間の最小距離）において、ｄが数ｎｍに等しくなった。点Ａｍａｘ（最小印加電圧および電極間の最大距離）において、ｄが約３００ｎｍに等しくなった。類似する振幅の２つの大きな電流ピーク（図７Ａ〜図７Ｃにおける示されるａおよびｂ）が観測された（図７Ａではともに約２０ｐＡ）。これら２つのピークは、圧電性結晶６０３により、電極が互いに５ｎｍ未満の距離の範囲内に近づけられた１回の振動サイクルに含まれる２つの時間事例に対応する。
図７Ａ〜図７Ｃに示される電流のプロフィルは実験の多くについて典型的である。類似する結果が、正電荷移動性の表面が高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）の平坦な表面から作製され、かつ、負電荷移動性の表面が、ガラスレンズによって担持される金層であった実験で得られ、また、正電荷移動性の表面が、ガラスレンズによって担持される金層に堆積させたＣａＣＯ３から作製され、かつ、負電荷移動性の表面が、ガラスレンズによって担持される金層であった実験で得られた。いくつかの実験において、異なるプロフィルが観測された。
両方の表面が同一の金被覆レンズであったコントロール実験では、電流が、同じ範囲にわたって試験されたすべての距離で何ら検出されなかった。
デバイスは、直接の接触を示唆していたであろうただ１つだけの電流ピークが存在しないことによって確認されるように、試験された表面の間における直接の接触を防止するように設定された。
実験が、外部電場が何ら存在しないもとで行われたので（電極がどの電源からも隔離されたので）、電流計６１５における電流シグナルは、ガス分子の熱運動を介する電荷輸送を示していた。
本実施例により、エネルギーをガス分子の熱運動から引き出すことによって電流が発生することが明らかにされた。
（実施例５）
電解析出
本実施例は、電解析出（ＥＤ）による被覆を記載する。電解析出は、電気活性化学種（一般には塩）が溶媒内でイオンに解離させられる電気化学的析出（ＥＣＤ）と、電気活性化学種が溶媒内で帯電させられる電気泳動的析出（ＥＰＤ）とに分けることができる。両方の場合において、溶媒は極性または非極性であり得る。
電気化学的析出において、例えば、水溶液における電気化学的析出では、どちらか一方の表面が、電解溶液に存在するイオンにより被覆されるか、または、電解溶液に存在するイオンによって改変され、あるいは、両方の表面が同時に被覆または改変される（この場合、一方の表面がアニオンにより被覆または改変され、他方の表面がカチオンにより被覆または改変される）。電気化学的析出は表面の仕事関数を改変することができる。
電気泳動的析出において、例えば、非極性溶媒における電気泳動的析出では、仕事関数が、溶解または懸濁された材料によって改変された。いくつかの場合において、溶解または懸濁された化学種（例えば、色素など）が極性溶媒（例えば、水またはアルコールなど）において電気泳動的に析出させられた。
一般に、表面が陽極として作用したときには、その表面が、より大きい仕事関数を有する材料により被覆され、または、より大きい仕事関数を有する材料によって改変され、そして、表面が陰極として作用したときには、その表面が、より低い仕事関数を有する材料により被覆され、または、より低い仕事関数を有する材料によって改変された。
本発明者によって行われた実験において、上記の結果が、ただ１つだけの塩を含む溶媒を用いて、また、他の溶解または懸濁された化学種を含む溶媒を用いて、また、それらの混合物を含む溶媒を用いて得られた。
方法
図８は、本発明のいくつかの実施形態に従って仕事関数の改変のために使用された実験構成の概略的例示である。
ＥＤセル８００が、導電性基板の間で、すなわち、陰極８１０と陽極８０８との間で形成された。電圧源８０６を、陰極と陽極との間における電位差を加えるために使用した。ＥＤセルにはまた、少なくとも１つの導電性支持体構造物（８０２または８０４）と、１つまたは複数の塩あるいは他の溶解または懸濁された化学種の、極性溶媒または非極性溶媒における溶液とが含まれた。図８に概略的に示されるように、導電性支持体構造物８０２および導電性支持体構造物８０４が、（互いに同一または異なり得る）導電性基板を収容し、かつ、それらを所定位置に維持するために構築される溝付き金属リングとして組み立てられた。
いくつかの実験において、支持体構造物が金属円盤であり、また、いくつかの実験において、基板が金被覆のガラスレンズであり、この場合、電流が、保持電極から、導電性の金層を介して被覆されることになる表面に運ばれた。ただ１回だけの電極被覆のために、これらの基板を陽極または陰極のどちらかとして使用した。同時被覆のために、これらの基板を陽極および陰極の両方として使用した。基板のために使用される材料が本明細書中下記に示される。
陽極および陰極を、ＤＣ電源装置８０６（Ｔｉｔａｎ ＴＰＳ６０３０）を介して接続し、一定の電圧を一定の期間にわたって加えた。回路を流れる電流をＤＣミリアンペア計８１２によってモニターした。
電解析出のための測定の正確性を確保するために、また、支持体表面から溶液に戻るカチオンおよびアニオンのランダムな拡散を防止するために、電気活性化学種を含む溶液を、被覆されることになる表面の間に置かれる多孔性材料８１４に含浸した。多孔性材料はガラス微細繊維ろ紙（Ｗｈａｔｍａｎ（登録商標）；ＧＦ／Ｄ、２．７μｍ）から作製されたか、または、熱可塑性ポリエステルから作製される、約５μｍの細孔直径を有する不織布から作製された。浸漬された多孔性材料を、接触および導電性を保証するために穏やかな圧力とともに標的表面に適用した。それぞれの電解析出実験が終了したとき、湿った多孔性材料をセルから取り出した。
その後、被覆された表面をＥＤセルから取り出し、室温において約１０−２ｍｂａｒの圧力で真空チャンバーに４時間置いた。被覆を、ケルビンプローブ（Ｋｅｌｖｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ０７、Ｂｅｓｏｃｋｅ Ｄｅｌｔａ Ｐｈｉ）を使用して以前に記載されたように仕事関数を測定することによって評価した。プローブにより、仕事関数が真空中で測定された。
いくつかの実験において、表面被覆または表面改変の性質もまた、エネルギー分散Ｘ線分析（ＥＤＸ）によって分析した。ＥＤＸにより、基板表面における新しい物質の存在が確認された。
下記の材料から作製される円盤を実験において基板として用いた：ステンレススチール（研磨されたＡＩＳＩ３１４；直径、２５ｍｍ；厚さ、１．５ｍｍ）；アルミニウム（Ａｌ６０６１；直径、２５ｍｍ；厚さ、１．５ｍｍ）；金（金がスパッタリングされたステンレススチール）；Ｇｒａｆｏｉｌ（登録商標）として商業的に知られているグラファイト（ＧｒａｆＴｅｃｈ；ＧＴ（商標）Ａグラファイト；厚さ、約０．１３ｍｍ）、Ｈｕｍｍｅｒｓの方法（米国特許第２７９８８７８号、ならびに、Ｗ．Ｓ．ＨｕｍｍｅｒｓおよびＲ．Ｅ．Ｏｆｆｅｍａｎ、「グラファイト酸化物の調製」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、８０（１９５８）、１３３９）に従ってグラファイトフレーク（Ａｓｂｕｒｙ Ｃａｒｂｏｎ ３７６３；４０ミクロン〜７１ミクロンの間のサイズ）の酸化によって調製されるグラファイト酸化物ＧＯ、Ｈｕｍｍｅｒｓ法によって調製されるＧｒａｆｏｉｌ（登録商標）酸化物（ＧＦＯ）の柔軟な層で覆われるステンレススチール円盤；および実施例４で記載されるように調製される金被覆されたガラスレンズ。
第１の一連の実験において、支持体材料を、下記の塩または色素のいずれかの２０ｍＭまたは２μＭを含む水溶液により上記ＥＤセルにおいて処理した：Ｂａ（ＣＨ３ＣＯＯ）２、Ｂａ（ＮＯ３）２、ＢａＳＯ４、ＣｓＢｒ、ＣｓＦ、ＣｓＮ３、エチレンジアミン（ＥＤＡ）、ＫＦ、ＫＮＯ３、Ｎａ（ＣＨ３ＣＯＯ）、ＮａＮＯ３、ＮＨ４ＣＯ３、（ＮＨ４）２ＣＯ３、ベーシックブルー７および同９、ベーシックグリーン１および同５、ベーシックオレンジ２および同１４、ベーシックレッド１、同１：１、同２、同１２、同１３、同１４および同１８、ベーシックバイオレット２、同１０、同１１および同１１：１、ベーシックイエロー２、同１１および同３７、ダイレクトレッド８０、メチルバイオレット２Ｂ、ローダミンＦＢ、ならびに、これらの塩および色素の混合物。塩は、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈまたは他の供給者から購入される純粋な化学品であった。色素を、Ｄｙｎａｓｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌまたは他の供給者から購入した。
水溶液を調製するために使用される水は２回蒸留され、濾過された（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅろ過システム；ＥｘｔｒａＰｕｒｅ；１８．２ＭΩ．ｃｍ）。得られた溶液を、塩または色素の完全な溶解を保証するために最大出力で５分間にわたって超音波処理した（ＳｏｎｉＣｌｅａｎ）。色素を用いるとき、ろ過のさらなる工程を加えた（０．２μｍのフィルター）。
第２の一連の実験において、支持体材料を、分析規格のエタノールに溶解され、本明細書中上記でさらに詳述されるように超音波処理された０．００２Ｍ ＣｓＮ３＋０．００２Ｍ ＣｓＦにより上記ＥＤセルにおいて処理した。
第３の一連の実験において、支持体材料を、下記の組成の１つを含むＩｓｏｐａｒ（登録商標）Ｌ系溶液により上記ＥＤセルにおいて処理した：３０％（ｗ／ｗ）Ｃａペトロナート；３０％（ｗ／ｗ）ルブリゾール（Ｌｕｂｒｉｚｏｌ）；３０％（ｗ／ｗ）レシチン、３％（ｗ／ｗ）レシチン、０．３％（ｗ／ｗ）レシチン、３０％（ｗ／ｗ）Ｚｒ−Ｈｅｘ−Ｃｅｍ（登録商標）１２％、３％（ｗ／ｗ）Ｚｒ−Ｈｅｘ−Ｃｅｍ（登録商標）１２％。レシチン（Ｅａｓｔｍａｎ Ｋｏｄａｋ）、およびＺｒ−Ｈｅｘ−Ｃｅｍ（登録商標）（Ｍｏｏｎｅｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）として商業化される２−エチルヘキサン酸オクトアートは、食品添加物およびペイントドライヤーとしてそれぞれ使用される。
結果
下記の表４には、結果の一部がまとめられる。表４のすべての項目において、基板材料はＥＤセルの陰極部位および陽極部位について同一であった。実施例３に記載されるようにケルビンプローブを使用して真空中で測定されたときの、析出後の陽極および陰極の仕事関数が、絶対値（それぞれ、第５欄および第７欄）および相対値（それぞれ、第６欄および第８欄）の両方で表４に示される。相対値は、差Δ＝Ｗｆ−Ｗｉを示す（式中、Ｗｉは（析出前の）支持体材料の初めの仕事関数であり、Ｗｆは析出後の陽極または陰極の最終的な仕事関数である）。したがって、正の相対値は増大を示し、負の相対値は減少を示す。
ＧＯが被覆された材料は、被覆方法に依存して、他の材料よりも変動し易いことは特筆される。下記に示される結果の正確性は、絶対的測定値については約±２０％であり、相対的測定値については数パーセント以内である。
表４は、記載される電解析出技術が、塩および色素を含む極性溶媒において、同様にまた、様々な溶解／分散された化学種を含む非極性溶媒において、比較的大きい仕事関数の材料を陽極に析出させることができ、また、比較的低い仕事関数の材料を陰極に析出させることができることを明らかにする。一般に、用いられているガスに依存して、この場合の技術に従って被覆または改変される陽極および陰極が、好適なガス媒体にさらされるとき、陽極は一般に、陰極よりも負の電荷移動性を有し、一方、陰極は、より正の電荷移動性を有する。
（実施例６）
非導電性スペーサーの選択
本実施例は、いくつかの材料の電気抵抗を推定するために、また、本発明の実施形態のセルデバイスおよび電源デバイスの可能性のある非導電性スペーサーとしてのそれらの効率を評価するために本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験を記載する。
方法
実験構成が図９に例示される。金属円盤９００を、下記の技術の１つを使用してスペーサー試験材料の均一な薄膜によって被覆した：スピンコーティング、ローラーコーティング、スプレーコーティング、または、この技術分野で知られている何らかの他のコーティング方法。均一な被覆に容易に作製することができない不溶性材料の場合には、金属円盤を、試験材料の粉末層が接着された導電性の粘着性樹脂により最初に被覆した。
その後、被覆された円盤９００を、電気的に接地された回転するアルミニウムテーブル９０２（３０回転／分）に載せた。円盤９００を、回転するテーブルの上方に置かれた、米国特許第２８３６７２５号に記載されるようなコロナ放電デバイス９０４によって２５秒間帯電させた。コロナ放電デバイスのタングステンワイヤのエミッター９０６が＋５ｋＶのＤＣバイアスで保たれた。その後、電圧のスイッチを切り、テーブル９０２を回転させ続けることにより、円盤の電荷を、回転する円盤の上方に置かれた、オシロスコープ９１０に接続される円盤形状の銅電極９０８によって測定した。円盤表面電荷の減衰速度を、銅電極表面上に誘導される電位降下を観測することによって８分間モニターした。したがって、様々な候補スペーサー材料の電気抵抗率を、静電気放電速度を使用することによって比較した。
加えて、窒素の存在下での電荷移動性を、実施例３で記載されるようなケルビンプローブを使用して、すべての試験材料について評価した。
結果
図１０は、この実験で調べられているいくつかの材料についての放電グラフを示す。結果が、時間（秒）に対する残留電荷のパーセントとして表される。示されるように、いくつかの材料、例えば、酢酸マグネシウムおよび酢酸アンモニウムなどは、その初期電荷の約８０％を放電後の８分間にわたって失い、一方、他の材料、例えば、酸化アルミニウムおよび酸化カルシウムなどは、その初期電荷の約１００％を、全測定期間の期間中、保持した。その電荷を最も良く保持した材料を、本発明の様々な例示的実施形態のセルデバイスおよび電源デバイスにおける非電導性スペーサーとしての可能性のある候補であると見なした。
間隔設置以外の使用のために意図される材料の非電導性をこの手順によって評価した。例えば、キンウンモおよびＭＡＣＯＲ（登録商標）をこの実験構成で調べた。これらは２分後において約９０％および約９８％の残留電荷をそれぞれ示し、この残留電荷は８分後には約５０％および約７５％に低下した。
（実施例７）
スパッタリング
本実施例は、材料の電荷移動性を、陰極スパッタリングによって放射される別の材料の薄い層をその表面に堆積させることによって改変するために本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験を記載する。
方法
スパッタリングが、材料をターゲットから基板上に堆積させることによって薄い薄膜を堆積させるために、または、このプロセスを逆にすることで、望まれない薄膜を除くために広く使用される。様々なスパッタリング方法が薄膜被覆の技術分野において知られている（例えば、Ｍｉｌｔｏｎ Ｏｈｒｉｎｇ（２００１）による“Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ”の第２版の第４章および第５章を参照のこと）。
近くの基板を被覆するためにターゲット材料にアルゴンイオンを衝突させることによって達成されるスパッタリングプロセスを、２．７×１０−７ｍｂａｒにまで下げられた低いベース圧力のもと、真空チャンバーの中で行った。スパッタリングを、ＡＴＣ Ｏｒｉｏｎ ８ＨＶスパッタリングシステム（ＡＪＡ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．）を使用して行った。スパッタリングシステムはＤＣ電源およびＲＦ電源を含み、４枚までの３”のターゲット（約７．６２ｃｍ）を収容するように特注され、これにより、異なる材料による連続スパッタリング、または、異なる材料の組合せによる同時スパッタリングを行うことができた。スパッタリングシステムはまた、反応スパッタリングを行うために反応性ガス（例えば、Ｎ２およびＯ２など）を受け入れることができた。システムは、直径が約１５ｃｍまでの基板において１％未満の変動を有する厚さ均一性を達成するために最適化された。
下記の構造物を基板として使用した：（ｉ）アルミニウム（Ａｌ、ＡＬ６０６１−Ｔ４）またはステンレスチール（Ｓ／Ｓ、ＡＩＳＩ３０３）の円盤、５０ｍｍの直径、５ｍｍの厚さ、最大でも１００ｎｍの粗さ；（ｉｉ）薄いガラス円盤（ＴＧＤ、Ｍｅｎｚｅｌ−Ｇｌａｓｅｒ Ｉｎｃ．）、５０ｍｍの直径、１００μｍの厚さおよび５０ｎｍ未満の粗さ；（ｉｉｉ）フロートガラス円盤（ＦＧＤ、Ｐｅｒｅｚ Ｂｒｏｔｈｅｒｓ、イスラエル）、４０ｍｍまたは５０ｍｍの直径、５ｍｍまたは１０ｍｍの厚さ、および１０ｎｍ未満の粗さ；（ｉｖ）両面研磨のシリコン（Ｓｉ）ウエハー円盤（Ｖｉｒｇｉｎｉａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｃ．）、５０．８ｍｍの直径、３００μｍの厚さ、最大でも１ｎｍの粗さ、結晶学的配向：＜１００＞、および電気抵抗率：８Ω・ｃｍ〜１２Ω・ｃｍ、または、０．１Ω・ｃｍ〜１．２Ω・ｃｍ（ホウ素ドーパント）、または、８Ω・ｃｍ〜１２Ω・ｃｍ（リンドーパント）；および（ｖ）片面研磨のＳｉウエハー円盤（Ｖｉｒｇｉｎｉａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｃ．）、５０．８ｍｍの直径、３５０μｍの厚さ、結晶学的配向：＜１１１＞、および電気抵抗率：７Ω・ｃｍ〜１０Ω・ｃｍ（リンドーパント）。
基板の粗さを表面プロフィロメーター（Ｖｅｅｃｏ−Ｄｅｋｔａｋ ３ＳＴ）によって求めた。
下記の材料を、基板を単独または組合せで最終的に被覆するためのターゲット材料として使用した：アルミニウム（Ａｌ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、金（Ａｕ）、六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム−金（Ｐｄ−Ａｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マンガン（Ｍｎ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、シリカ（ＳｉＯ２）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、タングステン（Ｗ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）およびケイ化クロム（Ｃｒ３Ｓｉ）。それぞれのターゲット材料の純度が少なくとも９９．９％であった。すべてのターゲット材料をＡＪＡ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．またはＫｕｒｔ Ｌｅｓｋｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙから購入した。最適な接着および均質な薄い薄膜堆積を保証するために、基板を、有機溶媒中での超音波処理（順次、ｎ−ヘキサン、アセトンおよびイソプロパノールにおける超音波処理、それぞれ５分間）によって最初に清浄化し、その後、ろ過された脱イオン水における超音波処理のもとで１分間洗浄し、窒素ガスの流れのもとで乾燥した。スパッタリングの前に、サンプルは、基板を２５０℃に加熱しながら、４×１０−３ｍｂａｒ、３０ＷのＲＦ出力、１０ＳｃｃｍのＡｒでの典型的には２０分間のプラズマを使用して、何らかの残留する有機汚染／非有機汚染を表面から除くためのプラズマエッチングを受けた。
結果
そのように調製された被覆基板の選択されたサンプルが表５に示される。表５には、電源装置のタイプおよびその強度（ワット）、ガスの流速（標準立方センチメートル／分、ｓｃｃｍ）、チャンバー内の圧力（ｍｂａｒ）、ならびに、スパッタリングの継続期間（秒）を含めて、主なスパッタリング条件が示される。すべての下記の実施例において、ターゲットと、基板との間の距離が１４６ｍｍであった。得られた均一な薄膜の厚さ（ｎｍ）および粗さを表面プロフィロメーターによって測定した。薄膜被覆は十分に薄く、基板の元の平滑度を著しく変えなかった。ＴＧＤ／ＡｌおよびＦＧＤ／Ａｌは、基板の両面がアルミニウムによりもっぱらスパッタリングされた薄いガラス円盤およびフロートガラス円盤をそれぞれ示す。同様に、ＦＧＤ／Ｃｒは、クロムによりもっぱらスパッタリングされたガラス基板を示す。スパッタリングを、所望に応じて、基板の片面または両面で行うことができる。星印は、スパッタリング手順後、サンプルが１０−６ｍｂａｒにおいて５００℃で１時間にわたってポストアニーリングされたことを示す。
上記方法に従って調製される表面を、実施例８においてさらに詳述されるように、図１１に概略的に例示される実験構成で使用した。
（実施例８）
ガス分子の熱運動による電流の発生
本実施例は、異なる電荷移動性を有する表面の間におけるガス分子の熱運動によって電流を発生させるために本発明のいくつかの実施形態に従って行われる実験を記載する。下記で記載される実験において、表面は、スペーサーによって、または、外向きに突き出る粗さ特徴物によって離されて保たれた。
実験の概略
構成
本実施例のすべての実験で使用される実験構成が図１１に概略的に例示される。電気的に接地された構造物１１０１を密封可能なステンレススチールチャンバー１１２５（ＡＩＳＩ３１６）の中に設置した。構造物１１０１を、内部ヒーター１１０５の電気絶縁性セラミック境界面１１０３を覆って配置した。コントローラー１１０７（Ｃｅｒａｍｉｓｉｓ、１２００℃までの制御が可能なサンプルヒーター）を接続配線１１２８によりヒーター１１０５に接続した。接地電位への構造物１１０１の接続が１１０９において示される。接地されない構造物１１１１をチャンバー１１２５内において構造物１１０１の上方に配置した。構造物１１０１の表面の電荷移動性が構造物１１１１の電荷移動性とは異なった。
構造物１１０１および１１１１の１つまたは複数が、不良なバルク電導率の材料から作製された実験では、構造物１１１１を、別途示される場合を除き、構造物１１０１の上方に直接、配置した。これらの実験において、構造物１１０１および１１１１の向かい合う表面の間の距離が、部分的にはそれらの粗さによって決定された。距離が、粗さ特徴物のサイズおよび分布に依存して、表面の至るところで、０ｎｍ（すなわち、直接の接触）から、他の区域における数十ｎｍまたは数百ｎｍにまで変化した。
構造物１１０１および１１１１の両方がバルク導電性材料から作製された実施では、スペーサー１１１３をそれらの間に導入した。スペーサー１１１３は、１１１１と向かい合う接地された構造物１１０１の表面にスピンコーティングされた。ｚ方向（一般には、構造物１１０１および１１１１の表面に対して垂直；図１１を参照のこと）に沿ったスペーサー１１１３の高さが数百ｎｍから数μｍまでであった。
導電性スプリング１１１５（高炭素鋼のピアノ線から作製される）をチャンバー１１２５内において構造物１１１１の上方に配置し、チャンバー１１２５の上部壁における電気フィードスルーを介して外部の電位計１１１７（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ ６５１７Ａ）に接続した。電位計は較正され、±１％未満の高い精度の読み取り値を示した。いくつかの実験において、それぞれが１対の構造物１１０１および１１１１を構造物間の間隙とともに含む多数のセルをチャンバー内において積み重ねた。これらの実験において、積み重ね体の最も下側の構造物１１０１を接地１１０９に接続し、積み重ね体の最も上側の構造物１１１１を電位計１１０７に接続した。積み重ね体の最も上側の構造物は以降、「接地されない構造物」として示される。
チャンバー１１２５は、ガスをチャンバー内に注入するための注入口１１１９、１１２１および１１２３と、ガスを真空ポンプ１１２９（Ｂｏｃ Ｅｄｗａｒｄｓ、ＸＤＳ１０；必要に応じて、第２の真空ポンプ（Ｂｏｃ Ｅｄｗａｒｄｓ、ＥＸＴ−２５５Ｈ Ｔｕｒｂｏ）を介して直列につながれる）によりチャンバーから排出するために構成される排気口１１２７とを備えた。チャンバー１１２５は形状が円筒状であり、平均直径が約８．５ｃｍで、高さ約７ｃｍで、壁が約０．１７ｃｍの厚さであり、ガス容積が約４００ｃｍ３であった。チャンバーは耐食性の低ガス放出材料から組み立てられ、この場合、部品、およびＯ−リングによる接続が、操作上の真空条件および温度条件に少なくとも耐えるように適合化された。チャンバー１１２５内の圧力をガスの注入および排出に基づいて制御した。圧力を、マノメーター１１３１（ＢＯＣ Ｅｄｗａｒｄｓ、Ａｃｔｉｖｅデジタルコントローラー、これには、ゲージモデルＡＰＧ１００−ＸＬＣ、同ＡＳＧ ２０００ｍｂａｒ、および同ＷＲＧ−ＳＬ（それぞれが圧力測定範囲で異なる部分を扱う）が伴う）を使用してモニターした。実験を１０−１０ｂａｒ〜８ｂａｒの範囲において様々な圧力で行った。
実験期間中の温度を２つの方法で制御した：構造物１１０１の温度ＴＩｎを内部ヒーター１１０５およびコントローラー１１０７により制御し、チャンバー１１２５の壁の温度ＴＥｘを、チャンバーの外壁につながれる外部リボンヒーター（示されず）によって制御した。実験を様々な内部温度および外部温度で行った。具体的には、ＴＩｎを２５℃から４００℃まで変化させ、ＴＥｘを５０℃から１５０℃まで変化させた。ＴＩｎおよびＴＥｘを、ｋ型熱電対およびコントローラー１１３３（Ｅｕｒｏｔｈｅｒｍ ２２１６ｅ）を使用してモニターした。
構造物１１０１および１１１１の両方が熱電対に接続された予備実験において、内部加熱のみが（ヒーター１１０５により）加えられ、一方、外部加熱のスイッチが切られたとき、構造物１１０１と構造物１１１１との間の温度差が、ガスの存在下で無視できるほどであったことが明らかにされた。具体的には、構造物１１０１のケルビン温度が、構造物１１１１のケルビン温度よりも最大で１％高かった。そのうえ、残留温度勾配があれば、残留温度勾配は、低温での熱電子放出を仮定すると、接地された構造物が加熱されるこの実験構成では負の電流を発生させると思われる。熱電子放出が、本実験の作動温度では、または、温度勾配の非存在下では予想されない。加えて、熱電子による発生電流はまた、真空中でも存在するにちがいない。これは、本発明に従って発生する電流とは対照的であり、本発明に従って発生する電流は、述べられたように、ガス媒介による電荷移動に依拠しており、したがって、真空中では存在しない。下記の結果の節によって明らかにされるように、真空中では、ノイズレベルを超える電流が全く存在しなかった。
本実験においてモニターされるシグナルは一般に１ｍＡ未満であったので、記録されたシグナルに影響を及ぼし得るデバイスで、測定時において必須でなくなったデバイスはどれも、もはや必要でなくなると、外された。例えば、所望される安定した圧力が達成され、測定されると、マノメーターのスイッチが切られた。
材料
下記に記載される実験において、構造物１１０１および１１１１のために、大きい電気伝導率（１０３Ｓ／ｍ超）、不良な電気伝導率（１０−９Ｓ／ｍ未満）、または、中程度の電気伝導率（１０−９Ｓ／ｍ〜１０３Ｓ／ｍの間）を有する材料を用いた。
方法
表面の粗さが製造者によって提供されなかったとき、構造物１１０１および１１１１の表面の粗さを表面プロフィロメーターによって測定した。一般に、金属表面は、研磨用バフ（Ｓｔｒｕｅｒｓ、ＭＤ−ＮＡＰ）を０．１μｍの凝集α−アルミナの懸濁物とともに使用して穏やかに研磨された。したがって、別途述べられない限り、表面は約１００ｎｍ以下の粗さを有した。
それぞれの実験の前に、構造物１１０１と構造物１１１１との間の抵抗を、Ｗａｖｅｔｅｋ Ｍｅｔｅｒｍａｎ ＤＭ２８ＸＴ Ｍｕｌｔｉｍｅｔｅｒ（描かれず）を使用して測定した。抵抗は常に２ギガオームを超えていた。このことは、表面間の電気的短絡がなかったことを保証した。
それぞれの実験に先立って、チャンバー１１２５の排気を下記の手順に従って行った。チャンバーを密封し、真空を少なくとも１時間加えた（最大でも１０−５ｂａｒのベースライン圧力にした）。その間、接地された構造物を、残留水分を除くために少なくとも１００℃に加熱した。チャンバーを、実験間のガス放出汚染の可能性をさらに排除するために、１５０℃のＴＥｘに加熱しながら高真空で一晩にわたって定期的に排気した。実験構成の安定化を、安定したベースライン圧力Ｐｂおよび約ゼロのベースライン電流ｉｂを確保することによって確認した。別途述べられない限り、Ｐｂは１０−５ｂａｒ未満であり、ｉｂは０．１ｐＡ未満であった。
それぞれの実験のために、下記のパラメーターを変化させ、モニターした：（ｉ）事前に排気されたチャンバーに供給されるガスのタイプ、（ｉｉ）チャンバーにおける圧力（Ｐ）、（ｉｉｉ）内部ヒーターの温度（ＴＩｎ）、および（ｉｖ）チャンバーの壁の温度（ＴＥｘ）。
それぞれの一連のパラメーターについての構造物の両端における生じた電流または電圧を１秒あたりおよそ１回の測定のサンプリング速度で測定し、記録した。１回の実験のための典型的な時間スケールが１０時間〜５０時間であったので、１回の運転あたり１０４回〜１０５回の測定が行われた。したがって、実験の統計学的誤差はわずかである。本発明者は、接地された構造物の電荷移動性が正であり、かつ、接地されない構造体の電荷移動性が負である実験については負の電流シグナルを予測した。本発明者はまた、逆の形態（接地された構造物については負電荷移動性、および接地されない構造体については正電荷移動性）については正の電流シグナルを予測した。
構造物１１０１および１１１１の向かい合う表面はそれぞれが、下記の実験では少なくとも２．５ｃｍの直径を有することがあり、また、いくつかの場合には１対あたり約２０ｃｍ２の理論的重なり領域を有することがあるが、有効領域は最大理論的重なり領域よりも小さくなるかもしれないことを理解しなければならない。どのような対の材料についても、隣接表面が、操作上の条件のもとで使用されているガスの平均自由行程の数倍を超えない間隙によって、（スペーサーによるか、または、外向きに突き出る粗さ特徴物によるかのどちらかで）離して置かれるとき、重なり領域が最も効果的であることが見出された。２つの表面の間における有効重なり部分の割合は、それぞれの表面の幾何学、形状、平坦度、粗さ、および突き出る特徴物の分布に依存する。
実験Ｉ
材料および方法
ガドリニウム（Ｇｄ；２４．７ｍｍの直径および１．５ｍｍの厚さの円盤；９９．９５％の純度；Ｔｅｓｔｂｏｕｒｎｅ Ｌｔｄ．）を接地された構造物として使用し、アルミニウム（Ａｌ；ＡＬ６０６１−Ｔ４；５０ｍｍの直径および１２ｍｍの厚さの円盤）を接地されない構造物として使用し、Ｃ３Ｆ８（大きい電子親和性を有するガス）をガス媒体として使用した。ガドリニウムの真空中での測定された仕事関数が３．２ｅＶであり、アルミニウムの真空中での測定された仕事関数が３．９ｅＶであった。平均粒子サイズが約５μｍであるアルミナのマイクロ粒子（Ａｌ２Ｏ３；Ｋ．Ｃ．Ａ．）をイソプロパノールにおける０．０１重量％の懸濁物から２０００ＲＰＭでガドリニウム円盤上にスピンコーティングし、これにより、高分散スペーサーを円盤の表面に得た。
実験の初期段階において、チャンバーを排気し、内部ヒーターを４００℃に加熱した。外部加熱をチャンバーに加えなかった。続いて、５ｍｂａｒ、１１ｍｂａｒおよび２３ｍｂａｒのＣ３Ｆ８を３つの異なる時点でチャンバーに注入した。
Ｇｄ構造物およびＡｌ構造物を使用するこの実験を、両方の電気的形態と、様々なタイプのスペーサーおよびガスとを用いて様々な条件のもとで繰り返した。
結果
図１２は、測定された電流（ｐＡ）を時間（ｓ）の関数として示す。図１２に示されるように、一晩の排気の後、真空条件下での電流が約＋０．１ｐＡであった。矢印１は、５ｍｂａｒのＣ３Ｆ８がチャンバーに注入された時点を示す。約３０分の一時的な電流増大の後、電流がガスの存在下で安定化して、約−０．２ｐＡの負の値になった。矢印２は、Ｃ３Ｆ８の圧力が１１ｍｂａｒに上げられた時点を示す。正電流の短いスパイクが再び、測定条件を変更したときに観測されたが、その後は、電流は安定化して、約−０．２５ｐＡの負の電流に戻った。矢印３は、Ｃ３Ｆ８の圧力が２３ｍｂａｒにまでさらに上げられたときを示しており、このときには、（一時的な正のピークの後で）、約−０．４ｐＡの安定した負の電流がもたらされた。観測された電流が負であるという事実は、ガドリニウム−アルミニウムの対の両端における電位が負であることを示している。これらの金属の標準還元電位がＧｄについては−２．４Ｖであり、Ａｌについては−１．６７Ｖであるので、上記で記載される構成は、Ｃ３Ｆ８ガスが液体電解質によって置き換えられたならば、正の電気化学的電流をもたらすことが予想される。したがって、負電流が測定されたことにより、観測された電流が電気化学的反応から生じるという可能性が除外される。
図１２は、発生した電流が、真空条件で観測されるベースライン電流と比較して、より大きい振幅を有し、かつ、逆方向であることを明らかにする。図１２はさらに、電流の絶対値が、ガス媒介による電荷移動の原理と一致して、圧力依存的であったことを明らかにする。
チャンバー内において逆配向で設置されるこの１対の材料（接地されたＡｌ、接地されないＧｄ）を異なるスペーサーおよび／またはガスとともに用いて行われたさらなる実験運転の結果が、入力番号２〜４として下記の表６に示される。
実験ＩＩ
材料および方法
ＭＡＣＯＲ（登録商標）は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）、三酸化二ホウ素（Ｂ２Ｏ３）およびフッ素（Ｆ）を含む機械加工可能なガラス−セラミックスである。巨視的スケールで、室温におけるＭＡＣＯＲ（登録商標）の電気伝導率が約１０−１５Ｓ／ｍである。
本実験では、ＭＡＣＯＲ（登録商標）の円盤（５０ｍｍの直径、３．５ｍｍの厚さおよび４００ｎｍ未満の粗さ）を接地された構造物として使用した。アルミニウムの円盤（Ａｌ；ＡＬ６０６１−Ｔ４；５０ｍｍの直径および１２ｍｍの厚さの円盤）を接地されない構造物として使用した。ＣＦ４、Ｃ３Ｆ８、ＳＦ６、Ｎ２、ならびに、希ガスのアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、ネオン（Ｎｅ）およびキセノン（Ｘｅ）のガスのそれぞれ（すべてが少なくとも９９．９９％の純度であり、乾燥している）をガス媒体として別々に使用した。ＭＡＣＯＲ（登録商標）の円盤およびアルミニウムの円盤を、スペーサーを何ら用いることなく、直接に接触させてチャンバーにおいて配置した。この場合、材料の表面粗さにより、間隙がもたらされた。
内部ヒーターを２００℃に加熱し、外部加熱をチャンバーに加えなかった。チャンバーを排気した後で、かつ、ほぼゼロの正の電流のベースライン値が安定化した後、それぞれのガスを個々に注入した。
それぞれのガスについて、圧力を徐々に上げた。電流が安定化すると、電流をそれぞれの圧力について測定し、記録した。
ＭＡＣＯＲ（登録商標）の構造物およびアルミニウムの構造物を使用するこの実験を、空気（体積比で約７８：２１：０．９：０．０４のＮ２：Ｏ２：Ａｒ：ＣＯ２の比率）、ならびに、体積比で１：１の比率でのＣＦ４およびＣ３Ｆ８の組合せを含めて、ガスの様々な組合せを用いる様々な条件のもとで繰り返した。
この実験ではさらに、薄いガラス円盤（実施例７で記載されるような円盤、すなわち、５０ｍｍの直径、１００μｍの厚さおよび５０ｎｍ未満の表面粗さ）を接地された構造物とするいくつかの実験運転が含まれた。室温におけるガラスの電気伝導率が約１０−１２Ｓ／ｍである。ガラス円盤は、接地端子への良好な接触を容易にするために、実施例７で記載されるように、片面がアルミニウムによりスパッタリングされた。これらの運転における接地されない構造物がアルミニウムの円盤（実験Ｉにおいて記載されるような円盤、すなわち、１２ｍｍの厚さおよび５０ｍｍの直径）であり、上記ガスのいくつかがガス媒体としてであった。ガラス円盤を配置し、非被覆面がアルミニウム円盤と向かい合った。さらなる運転を、接地に対する接触のためにクロムが片面にスパッタリングされた薄いガラス円盤（同じ大きさ）を接地された構造物として、かつ、フロートガラス円盤への完全なスパッタリング被覆によって調製されるクロムの円盤（１０ｍｍの厚さおよび５０ｍｍの直径を有するガラス基板を覆う２３０ｎｍのＣｒ厚さ）を接地されない構造物として用いて、また、上記タイプのガス媒体のいくつかを用いて行った。
結果
すべての場合において、測定された電流が正であった。このことは、ＭＡＣＯＲ（登録商標）が電子アクセプターとして働き、一方、アルミニウムが電子ドナーとして働いたことを示している。ガス圧力に対する電流の絶対値の依存性が認められた。具体的には、それぞれのガスについて、電流が圧力の増大とともに直線的に増大し、ついには、電流が最大値に達し、その後、圧力のある範囲にわたって、一定のままであったか、または、ゆっくり低下した第１の段階が存在した。本実験において、閾値圧力の用語は、最大電流がプラトー段階で最初に測定された最小圧力に関連する。この観測結果が、下記に記載される実験ＸＩにおいて詳述される。様々な純ガスおよび混合ガスを用いて観測された閾値圧力および最大電流が下記の表６において入力番号５〜１５として報告される。
図１３はいくつかのガスの閾値圧力（ｍｂａｒ）を１／σ２（式中、σはガス分子の直径（Å）である）の関数として示す。上記の式１によれば、平均自由行程λが１／σ２に直線的に比例する。図１３に示されるように、直線的相関（Ｒ２＝０．９８９８）が、測定された閾値圧力と１／σ２との間に存在する。すなわち、ガス分子の直径が小さいほど、最大電流が観測された圧力が大きくなる。
接地された構造物としての、片面がアルミニウムによりスパッタリングされた薄いガラス円盤、スペーサーを用いることなくガラス面に並置された接地されないアルミニウム円盤、ならびに、ＴＩｎ＝２００℃およびＴＥｘ＝７０℃での純ガスを用いた実験についての最大電流および閾値圧力が、下記の表６において入力番号１６〜２０として示される。類似する結果が、接地された構造物が、片面がクロムによりスパッタリングされた薄いガラス円盤であり、接地されない構造物が、平坦なガラスへの完全なスパッタリング被覆によって調製されるクロム円盤であり、純ガスをＴＩｎ＝１５０℃で用いた、スペーサーを用いない実験で得られた。外部リボンヒーターを作動させなかった。これらの結果が下記の表６において入力番号２１〜２３として報告される。スペーサーを用いて行われた実験が入力番号３３〜４１として報告され、本明細書中下記で記載される（実験ＩＩＩおよび実験ＶＩＩＩを参照のこと）。
ガスの混合物が好適であるという事実（ＭＡＣＯＲ（登録商標）−アルミニウムの形態についての入力番号１４〜１５を参照のこと）が、別個の実験で、すなわち、アルミニウム−ガラスの形態における８１１ｍｂａｒの乾燥空気が、表６において入力番号２４として報告されるような電流を発生させた実験で確認されたことは特筆され得る。
実験ＩＩにより、様々なガスに関して、電流が様々な表面の間のガス媒介による電荷移動によって発生することが確認された。電流がガスの非存在下で何ら観測されず、このことから、電流に対する検出可能な熱電子の寄与が存在しなかったことが確認された。電流の圧力依存性が認められた。何らかの理論にとらわれないが、閾値圧力の値が、表面間の間隙とガスの平均自由行程との間における関係性に依存することが仮定される。安定した電流が、不活性ガスを使用して観測されたという事実により、ガスの化学反応からの寄与が除外される。実験ＩＩによりさらに、本発明のセルデバイスの作動表面がまた、比較的低い導電率を有する材料（例えば、ガラスおよびＭＡＣＯＲ（登録商標）など）から作製され得ることが明らかにされた。ガスの組合せを用いて得られた結果からは、本実施形態のセルデバイスはガスの混合物に関してもまた作動可能であることが明らかにされる。
実験ＩＩＩ
材料および方法
本実験には、下記のように運転（ａ）〜（ｉ）として下記において示されるいくつかの実験運転が含まれた。運転（ａ）において、ラメラ状キンウンモの薄い円盤（５０ｍｍの直径、５０μｍの厚さ）を接地されない構造物として使用した。キンウンモは、導電性スプリング１１１５との電気的接触を高めるために、片面がＰｄ／Ａｕによりスパッタリングされた。アルミニウムの円盤（ＡＬ６０６１−Ｔ４；４０ｍｍの直径、３ｍｍの厚さ）を接地された構造物として使用した。接地された構造物および接地されない構造物は、スペーサーを用いることなく直接に接触していた。内部ヒーターを４００℃に加熱した。外部ヒーターのスイッチは切られた。チャンバーを排気し、真空下でのベースライン電流が１ｆＡ未満（すなわち、１０−１５Ａ未満）であった。この段階で、３００ｍｂａｒのヘリウムをチャンバーに注入した。内部温度を約８０時間の全期間にわたって変化させ、電流を測定し、記録した。
運転（ｂ）において、ドープされたニトロセルロースを接地された構造物として使用し、ステンレスチール（ＡＩＳＩ３０３、４０ｍｍの直径および５ｍｍの厚さの円盤）を接地されない構造物として使用し、１００ｍｂａｒの一定の圧力でのアルゴンガスをガス媒体として使用した。接地された構造物を、ニトロセルロース系の、Ｚｗｅｉｈｏｒｎ Ｚａｐｏｎｌａｃｋ ＮＲ１００２６（Ａｋｚｏ Ｎｏｂｅｌ Ｄｅｃｏ ＧｍｂＨ、５重量％の溶媒）と、ＬｉＣｌＯ４とを含むシクロヘキサノン溶液（４０重量％のＺａｐｏｎｌａｃｋ）をアルミニウムの円盤（ＡＬ６０６１−Ｔ４；５０ｍｍの直径および１２ｍｍの厚さ）に１０００ｒｐｍでスピンコーティングすることによって調製した。接地された構造物および接地されない構造物は、スペーサーを用いることなく直接に接触していた。ＴＩｎを約２５℃から約８５℃にまで徐々に上げた。
運転（ｃ）において、アルミニウムの円盤（Ａｌ；ＡＬ６０６１−Ｔ４；５０ｍｍの直径および１２ｍｍの厚さ）を接地された構造物として使用し、薄いガラス円盤（５０ｍｍの直径、１００μｍの厚さ、５０ｎｍ未満の粗さ、導電性スプリングとの接触のためにアルミニウムがスパッタリングされる）を接地されない構造物として使用し、３００ｍｂａｒの一定の圧力でのヘリウムをガス媒体として使用した。接地された構造物および接地されない構造物は、スペーサーを用いることなく直接に接触していた。ＴＥｘを６０℃から１００℃にまで徐々に上げた。
運転（ｄ）において、ＭＡＣＯＲ（登録商標）の円盤（５０ｍｍの直径、３．５ｍｍの厚さおよび４００ｎｍ未満の粗さ）を接地された構造物として使用し、アルミニウム（ＡＬ６０６１−Ｔ４、上記の通り）を接地されない構造物として使用し、３００ｍｂａｒのアルゴンをガス媒体として使用した。接地された構造物および接地されない構造物は、スペーサーを用いることなく直接に接触していた。ＴＩｎを１００℃から２００℃にまで徐々に上げた。
運転（ｅ）において、薄いガラス円盤（５０ｍｍの直径、１００μｍの厚さおよび５０ｎｍ未満の表面粗さ、接地との接触のためにクロムが片面にスパッタリングされる）を接地された構造物として使用し、クロムの２３０ｎｍの層により完全にスパッターコーティングされた平坦なより厚いガラス円盤（５０ｍｍの直径、１０ｍｍの厚さおよび１０ｎｍ未満の粗さ）を接地されない構造物として使用した。接地された構造物および接地されない構造物が、３μｍの平均高さを有するアルミナのスペーサーによって隔てられた。スペーサーを、実験Ｉにおいて記載されるように、ガラス表面にスピンコーティングした。ＴＩｎを１３０ｍｂａｒの一定の圧力でのキセノンの存在下において１５０℃から２５０℃にまで徐々に上げた。
運転（ｆ）〜（ｉ）において、薄いガラス円盤（５０ｍｍの直径、１００μｍの厚さおよび５０ｎｍ未満の表面粗さ、接地との接触のためにクロムが片面にスパッタリングされる）を接地された構造物として使用した。運転（ｆ）において、接地されない構造物が、実験ＸＩＩにおいて記載されるように、ステンレススチールの円盤にスピンコーティングされたｒ−ＧＯであった。運転（ｇ）において、接地されない構造物が、４０ｍｍの直径、５ｍｍの厚さおよび１０ｎｍ未満の表面粗さを有する平坦なガラス円盤への完全なスパッターコーティングによって調製されるＭｎＯ２の円盤（２２０ｎｍの厚さ）であった。運転（ｈ）において、接地されない構造物が、４０ｍｍの直径、５ｍｍの厚さおよび１０ｎｍ未満の表面粗さを有する平坦なガラス円盤への完全なスパッターコーティングによって調製されるモリブデンの円盤（３３０ｎｍの厚さ）であった。運転（ｉ）において、接地されない構造物が、５０ｍｍの直径、１００μｍｍの厚さおよび５０ｎｍ未満の表面粗さを有する薄いガラス円盤へのスパッターコーティングによって調製される、Ｃｒ３ＳｉおよびＳｉＯ２から作製されるサーメットの円盤（５４０ｎｍの厚さ）であった。
接地された構造物および接地されない構造物は、スペーサーを何ら用いることなく直接に接触していた。ＴＩｎを１１００ｍｂａｒの一定の圧力でのヘリウムの存在下において約７０℃から約１８０℃にまで徐々に上げた。
結果
図１４は、キンウンモ−アルミニウムの対を有する運転（ａ）について、測定された電流（ｐＡ）を時間（秒）の関数として示す。それぞれの時間間隔での内部温度が図１４の上部部分に示される。内部温度が４００℃であったとき、測定された電流が少なくとも７時間にわたって約２．１ｐＡであった。ｔ＝１９４５００秒（約５４時間）で、内部ヒーターの温度ＴＩｎを３００℃に下げると、電流が約０．２ｐＡに降下し、この場合、この電流が、約１０時間にわたる測定の間、安定したままであった。ｔ＝２３１０００秒（約６４時間）における２００℃へのさらなる冷却により、約４ｆＡへの電流降下が生じた。ｔ＝２８００００秒（約７８時間）において、温度を３００℃に戻すと、電流が約０．２５ｐＡに増大し、これは、この温度で以前に得られた値に近かった。
この形態において、電流の方向が正であった。このことは、アルミニウムが電子アクセプターとして作用し、これに対して、キンウンモが電子ドナーとして作用したことを示している。本実験により、バルク絶縁体が本発明のデバイスおよび方法において使用され得ることが確認された。測定された電流が、測定の時間枠の間ずっと、数時間にわたって安定であったことは特筆される。電流が温度依存的であるという事実は、本発明者によって発見されたガス媒介電荷移動機構と一致している。
図１５は、運転（ｂ）〜（ｉ）について、絶対値での測定された電流（Ａ）を温度（℃）の関数として示す。
図１５における四角は、ドープされたニトロセルロース−ステンレススチールの対を有する運転（ｂ）に対応する。示されるように、ＴＩｎを約２５℃から約８５℃にまで徐々に上げることにより、約７６ｆＡから２０ｐＡへの電流の増大が生じた。ほぼ室温で測定されるこの低い電流が、真空条件下で測定されるベースライン電流（１ｆＡ）を超えていたことは特筆される。
図１５における丸は、アルミニウム−薄いガラスの対を有する運転（ｃ）に対応する。示されるように、ＴＥｘを６０℃から１００℃にまで徐々に上げることにより、６５ｆＡから０．４ｐＡへの電流の増大が生じた。
図１５における三角は、ＭＡＣＯＲ（登録商標）−アルミニウムの対を有する運転（ｄ）に対応する。示されるように、ＴＩｎを約１００℃から約２００℃にまで徐々に上げることにより、１１ｆＡから３．６７ｐＡへの電流の増大が生じた。
図１５における菱形は、薄いガラス−クロムの対を有する運転（ｅ）に対応する。示されるように、ＴＩｎを約１５０℃から約２５０℃にまで徐々に上げることにより、７８ｆＡから１７ｐＡへの電流の増大が生じた。これらの結果が表６において入力番号２５〜２９として示される。
図１５における十字は、薄いガラス−ｒ−ＧＯの対を有する運転（ｆ）に対応する。示されるように、ＴＩｎを約７２℃から約１８０℃にまで徐々に上げることにより、７８ｆＡから８６ｐＡへの電流の増大が生じた。白丸は、薄いガラス−ＭｎＯ２の対を有する運転（ｇ）に対応する。示されるように、ＴＩｎを約１３６℃から約１８０℃にまで徐々に上げることにより、４３ｆＡから０．１６ｐＡへの電流の増大が生じた。
図１５におけるプラス記号は、薄いガラス−Ｍｏの対を有する運転（ｈ）に対応する。示されるように、ＴＩｎを約１１１℃から約１８０℃にまで徐々に上げることにより、１５ｆＡから３ｐＡへの電流の増大が生じた。白四角は、薄いガラス−（Ｃｒ３Ｓｉ−ＳｉＯ２）の対を有する運転（ｉ）に対応する。示されるように、ＴＩｎを約１２６℃から約１８０℃にまで徐々に上げることにより、１５ｆＡから０．４８ｐＡへの電流の増大が生じた。これらの結果が表６において入力番号６３〜６６として示される。
これらの実験により、加熱のために用いられた技術（運転（ｂ）、（ｄ）〜（ｉ）における内部加熱、および運転（ｃ）における外部加熱）にもかかわらず、測定された電流の温度依存性が一般に類似しており、大雑把には指数関数的であることが明らかにされる。このことから、測定された電流が、下側の表面のみを加熱するときには表面の間に存在するかもしれないどのような小さい温度勾配からも生じておらず、ガス自体の温度から生じることが確認される。
安定した電流が、不活性ガスを使用して観測されたという事実により、ガスの化学反応からの寄与が除外される。運転（ｂ）の結果は、ただ１対の構造物が、ノイズレベルを十分に超える測定可能な電流を室温において発生させるために十分であることが明らかにされる。さらに、図１５における曲線のいずれかを外挿することにより、ノイズレベルを十分に超える測定可能な電流が、運転（ｂ）〜（ｉ）のいずれについても室温以下においてただ１対から発生し得ることが示唆される。連続した積み重ねでの多数のそのような対の使用は積み重ね体の両端における発生電位を増大させ、また、並列での多数のそのような対は電流を増大させることが明白である。
実験ＩＶ
本実験は、２つの構造物を逆にすることにより、電流の方向が逆になるという予測を確認することに関した。本実験は、ガラス円盤を接地された構造物として使用し、アルミニウム円盤を接地されない構造物として使用したことを除いて、実験ＩＩＩの運転（ｃ）に類似した。チャンバー排気後、チャンバーをＴＥｘ＝６０℃に外側から加熱しながら、３００ｍｂａｒのヘリウムを注入した。生じた電流が−１００ｆＡであった。これは、実験ＩＩＩの運転（ｃ）において測定される電流（＋６５ｆＡ）に対して符号が逆であり、一般に類似する大きさである。逆にされた構造物の結果が表６において入力番号２７および３０として報告される。この発見により、測定された電流が、これら２つの表面の間における違い、およびガス媒体とのそれらの相互作用から生じるのであって、望まれない実験的影響から生じるのではないことが確認される。２つの電流の間における絶対値での差は、間隙の大きさおよび重なり領域におけるわずかな違いなどの数多くの要因に起因すると考えられ得る。
実験Ｖ
材料および方法
薄いガラス円盤（５０ｍｍの直径、１００μｍの厚さおよび５０ｎｍ未満の粗さ）に、実施例７で記載されるように、アルミニウムを片面にスパッタリングした。１０枚のそのようなアルミニウムスパッタリングされたガラス円盤の積み重ね体を、２つ毎の隣接する円盤について、一方の円盤のスパッタリング面が他方の円盤の露出した（非スパッタリング）面と接触したようにチャンバーに入れた。最も下の円盤を、そのスパッタリング面が内部ヒーターに向かい合い、接地され、かつ、その露出面が最も下から２番目の円盤と向かい合って配置した。したがって、本実験では、接地面がガラスであり、非接地面がアルミニウムであった。ヘリウムをガス媒体として使用した。
チャンバーを排気した後、内部ヒーターを２００℃に加熱し、３００ｍｂａｒのヘリウムを注入した。電圧シグナルを測定し、記録した。この手順をただ１対だけのガラス−アルミニウム対について繰り返した。
結果
図１６は、ただ１対だけの構造物（連続線）および１０対の積み重ね体（点線）について、電圧を時間の関数として示す。原点（ｔ＝０）は、実験構成が、電流測定のために短絡回路から、電圧測定のための開回路に切り換えられた時間点に対応する。時間が、ただ１つだけの対については分単位で示され（下側軸）、積み重ね体については、積み重ね体はより大きい抵抗を有するので、時間単位で示される（上側軸）。実験構成の総キャパシタンスが、すべての実験運転について同じであった測定デバイスによって支配されることは特筆される。したがって、総抵抗が、積み重ね体についてはただ１つだけの対よりも著しく大きいが、キャパシタンスは一般に、両方の場合について同じである。特徴的な応答時間が、キャパシタンスを乗じた抵抗に比例しているので、積み重ね体の応答時間が、ただ１つだけの対の応答時間よりも著しく大きい。
図１６に示されるように、積み重ね体についての累積電圧が６時間後には３Ｖに近づき、一方、ただ１つだけの対についての累積電圧が６分後には０．３Ｖに近づく。これらの電圧の間における比率が１０：１であり、これは、積み重ね体の運転におけるセルの数（１０）と、ただ１つだけの対の運転におけるセルの数（１）との間における比率と同じである。この発見により、測定された電圧が、それぞれのガス充填セルによって発生する電位から生じるのであって、何らかの望まれない実験的影響から生じるのではないという結論が裏付けられる。
実験ＶＩ
本実験では、累積電圧を、３つの異なるドナー・アクセプターの構造体対について測定した。第１の運転において、ガラス−アルミニウムの対を用い、第２の運転において、アルミニウム−ＭＡＣＯＲ（登録商標）の対を用い、第３の運転において、ガラス−ＭＡＣＯＲ（登録商標）の対を用いた。すべての運転において、内部ヒーターが２００℃に加熱され、チャンバー排気後、３００ｍｂａｒのヘリウムが注入された。
第１の運転において、約０．３Ｖの電圧プラトーが生じた。アルミニウムが電子ドナーとして働き、ガラスが電子アクセプターとして働いた。第２の運転において、約０．９Ｖの電圧プラトーが生じた。ＭＡＣＯＲ（登録商標）が電子ドナーとして働き、アルミニウムが電子アクセプターとして働いた。第３の運転において、約１．１５Ｖの電圧プラトーが生じた。ＭＡＣＯＲ（登録商標）が電子ドナーとして働き、ガラスが電子アクセプターとして働いた。
ガラス−ＭＡＣＯＲ（登録商標）の対を使用して測定される累積電圧（１．１５Ｖ）は、ガラス−アルミニウムの対を使用して測定される電圧（０．３Ｖ）と、アルミニウム−ＭＡＣＯＲ（登録商標）の対を使用して測定される電圧（０．９Ｖ）との和におおよそ等しいことが明らかにされる。電圧が加成性であるという事実により、測定値が、表面間において生じるガス媒介による電荷移動から生じるのであって、外部回路から生じるのではないことが確認される。
実験ＶＩＩ
材料および方法
発生した電流が少なくとも数時間の期間にわたって安定していたこと、および電流がＴＩｎまたはＴＥｘに依存したことが、前記実験において明らかにされた（例えば、実験ＩＩＩ、特に図１４および図１５を参照のこと）。本実験では、ＴＩｎおよびＴＥｘの両方を、４日間を超えてモニターした。本実験における接地される構造物が、ＬｉＣｌＯ４ドープされたニトロセルロースによってスピンコーティングされるアルミニウム円盤であり、接地されない構造物がステンレススチールの円盤（４０ｍｍの直径、５ｍｍの厚さ）であり、アルゴンをガス媒体として使用した。
内部ヒーターを８０℃に加熱し、チャンバーを排気し、ベースライン電流が約０．１ｐＡで安定化した。およそ１７時間後、１００ｍｂａｒのアルゴンを注入し、系をこれらの条件のもとで４日間モニターした。
結果
図１７は電流および外部温度ＴＥｘを時間の関数として示す。電流が左側の縦座標でｐＡ単位で示され、ＴＥｘが右側の縦座標で摂氏度単位で示され、時間が横座標で時間単位で示される。電流および外部温度が同じ時間点で記録された。図１７において、ｔ＝０時間からｔ＝１９時間までの期間が、安定化のためのチャンバーからの空気の最初の排気に対応する。実験が、アルゴンをｔ＝１９時間でチャンバーに導入することにより開始された。
一時的な電流ピークが、ガスをチャンバーに導入したときに観測された。その後およそ２０時間で、系は定常状態に達し、電流が一般に、約１ｐＡの値に安定化した。電流の変動が、チャンバー温度が変化した際に観測された。チャンバーが約２４℃であったとき、電流レベルが約１．２５ｐＡであり、チャンバー温度が約１２時間後に約１８℃に下がったときには約０．８ｐＡに低下した。
本実験により、定常状態に達すると、電流が一般に、数日間にわたって（サブピコアンペアの変動とともに）安定していることが確認される。本実験によりまた、温度に対する電流の依存性が明らかにされる。約２１℃の平均温度における１．０ｐＡの平均電流を仮定すると、本実験は、チャンバー温度における±３℃の変動により、測定された電流における約±２０％の変化が生じ得ることを示す。結果が表６において入力番号３１として示される。違いが、表６の入力番号２６と３１との間に存在するが、この違いは、間隙の大きさにおけるわずかな違い、およびドープされたニトロセルロースの被覆の厚さにおける違いなどのいくつかの要因に起因すると考えられ得る。
実験ＶＩＩＩ
本実験は、２つの表面の間における間隙のサイズに対する電流（および最大電流が得られる圧力）の依存性を調べることを目的とする。
大まかに言って、電気を本発明の実施形態のデバイスによって発生させるためには、下記の２つの条件が存在する：ガスと、固体表面との間における電荷移動、および帯電したガス分子による表面間の間隙の成功した横断。ガス分子による電荷輸送の確率が、（間隙が、ガス分子が進入することを可能にするために十分に大きいならば）より小さい間隙については大きくなる。したがって、他のすべてのことが等しいならば、より小さい間隙はより大きい電流を発生させ、最大電流が、より大きい圧力において達成される。
材料および方法
本実験には、下記のように運転（ａ）〜（ｉ）として下記において示される９つの実験運転が含まれた。
運転（ａ）〜（ｃ）では、実験ＩＩＩの運転（ｅ）において記載されるように、接地された構造物が、クロムにより片面がスパッタリングされる薄いガラス円盤（５０ｍｍの直径、１００μｍの厚さ、５０ｎｍ未満の粗さ）であり、接地されない構造物が、クロムの２３０ｎｍの層により完全にスパッターコーティングされた平坦なガラス円盤（５０ｍｍの直径、１０ｍｍの厚さ、１０ｎｍ未満の粗さ）であった。片面が被覆されたガラス円盤をチャンバーに配置し、その被覆面を接地端子に接続し、その非被覆面を完全被覆のクロム円盤と向かい合わせた。これら２つの構造物は、３μｍの平均高さを有するアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のスペーサーで分けられた。アルミナのスペーサーを、上記の実験Ｉにおいて記載されるように、薄いガラス表面にスピンコーティングした。運転（ａ）において、ガス媒体がキセノンであり、運転（ｂ）において、ガス媒体がアルゴンであり、運転（ｃ）において、ガス媒体がヘリウムであった。
運転（ｄ）〜（ｆ）は、１μｍの平均高さを有するアルミナのスペーサーを用いたことを除いて、運転（ａ）〜（ｃ）とそれぞれ同じであった。
運転（ｇ）〜（ｉ）は、スペーサーを用いなかったことを除いて、運転（ａ）〜（ｃ）とそれぞれ同じであった。これらの運転については、間隙サイズが０でなく、表面の平均粗さに対応する。
すべての運転をＴＩｎ＝１５０℃で行った。運転（ａ）は、ＴＩｎと、測定電流との関係が１５０℃〜２５０℃の内部温度範囲にわたって確立された実験ＩＩＩの運転（ｅ）において記載される曲線における最も低い温度点に対する。７μｍの平均高さを有するアルミナのスペーサーを用いたことを除いて（ａ）〜（ｃ）に類似する３つのさらなる運転をＴＩｎ＝２５０℃で行った。それぞれの運転において、閾値圧力を求め、最大電流を記録した。これらの測定値が、表６において、入力番号２１〜２３および３２〜４１として示される。
結果
図１８は、使用された３つのガスのそれぞれについて、閾値圧力において測定される電流（ｐＡ）を間隔（μｍ）の関数として示す。四角はヘリウム（σ＝２．４Å）に対応し、丸はアルゴン（σ＝４．０Å）に対応し、三角はキセノン（σ＝５．４Å）に対応する。示されるように、電流が間隔の増大とともに低下した。間隙サイズに対する依存性の非線形により、本発明者は、間隙サイズのさらなる低下が、はるかにより大きい電流を生じさせるという結論に至っている。図１８はまた、ガス分子の直径が小さいほど、閾値圧力において測定される電流が大きくなり、このことは、より小さい分子は平均自由行程がより大きく、したがって、電荷を、所与の間隙を横断して輸送する確率がより大きいガス媒介電荷移動モデルと一致していることを明らかにする。
図１９は、最大電流がプラトー段階で最初に測定された閾値圧力（ｍｂａｒ）を１／σ２（式中、σはガス分子の直径（Å）である）の関数として示す。図１９において、菱形は、運転（ａ）〜（ｃ）、すなわち、３μｍのスペーサーを用いた運転に対応し、三角は、運転（ｄ）〜（ｆ）、すなわち、１μｍのスペーサーを用いた運転に対応し、四角は、運転（ｇ）〜（ｉ）、すなわち、スペーサーを用いない運転に対応する。重なりが、運転（ａ）および（ｇ）に対応するデータ点の間に存在すること、すなわち、キセノンを用いて行われた３μｍのスペーサーを用いる運転と、キセノンを用いて行われたスペーサーを用いない運転との間に存在することには留意すること。
示されるように、直線的相関が、閾値圧力と１／σ２との間に存在する。すなわち、ガス分子の直径が小さいほど、閾値圧力が大きくなり、このことは、上記で示される実験ＩＩの結果と一致している。図１９はまた、反相関（ａｎｔｉ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）が、間隙サイズと閾値圧力との間に存在することを示す。すなわち、より大きい間隙サイズは、最大電流を発生させるために、より低い圧力を必要とする。
実験ＩＸ
本実験は、電気化学的に由来する電流が故意に発生させられたコントロール実験であった。この目的のために、水蒸気をガス媒体として使用した。他のガス（例えば、上記で記載されるガスなど）とは異なり、水は、実験が行われた温度および圧力において液相で存在することができる。
材料および方法
薄いガラス円盤（１００μｍの厚さ、５０ｍｍの直径および５０ｎｍ未満の粗さ）を接地された構造物として使用した。ガラス円盤は、接地端子に対する良好な接触を容易にするために、アルミニウムが片面にスパッタリングされた。これらの運転における接地されない構造物がアルミニウムの円盤（７ｍｍの厚さおよび４０ｍｍの直径）であり、水蒸気をガス媒体として使用した。ガラス円盤は、非被覆面がスペーサーを伴うことなくアルミニウム円盤と向かい合わせで配置された。
内部ヒーターを６０℃に設定し、圧力を７ｍｂａｒに設定し、その結果、水の凝縮がチャンバーにおいて生じないことを保証した。その後、圧力を、内部ヒーターを６０℃で維持しながら２７ｍｂａｒに設定し、その結果、水の凝縮を誘導した。電流を、実験期間中を通してモニターし、記録した。
結果
７ｍｂａｒの水蒸気の存在下で測定される電流が＋０．６ｐＡであり、これに対して、２７ｍｂａｒのより高い圧力で測定される電流が−１２ｐＡであった（表６の入力番号４２〜４３を参照のこと）。２７ｍｂａｒの圧力は、チャンバーを室温におけるその蒸気圧にまで水蒸気で飽和することによって達成される圧力に対応する。水凝縮モードにおける電流の方向が、電気化学的に基づく電流と一致しており、一方、水凝縮の非存在下における電流の方向は逆である。本実験により、境界間の間隙が非凝縮ガスによって満たされるときに発生する電流が電気化学的プロセスから生じないことが明らかにされる。
実験Ｘ
本実験は、出力発生領域を明らかにすること、および最大出力が、本発明のデバイスまたは方法を使用して得られる最適な作用点（電流および電圧）を見出すことに関した。
材料および方法
実験構成（図１１を参照のこと）をわずかに改変し、ＤＣ電圧源（Ｙｏｋｏｇａｗａ７６５１）を、構造物１１０１と接地１１０９との間で接続した。ＤＣ電圧源は図１１には示されない。電圧を加え、電流を、第２の構造物１１１１に接続される外部の電位計１１１７によってモニターした。２回の実験運転を行った。運転（ａ）において、シリカの円盤（接地への接触のためにアルミニウムが前もってプレコーティングされた、４０ｍｍの直径、５ｍｍの厚さおよび１０ｎｍ未満の粗さを有する平坦なガラス円盤に６００ｎｍの厚さでスパッタリングされたＳｉＯ２）を接地された構造物として使用し、二酸化マンガン（アルミニウムがプレスパッターコーティングされた、５０ｍｍの直径、１００μｍの厚さおよび５０ｎｍ未満の粗さを有する薄いガラス円盤にスパッタリングされた２２０ｎｍ）が、接地されない構造物として働いた。二酸化マンガンが、スペーサーを何ら用いることなく、接地された構造物のシリカ面と向かい合った。運転（ｂ）において、接地への接触のためにアルミニウムが片面にスパッタリングされる、５０ｍｍの直径、１００μｍの厚さおよび５０ｎｍ未満の粗さを有する薄いガラス円盤を接地された構造物として使用し、５２ｍｍの直径および５ｍｍの厚さを有するステンレススチールの円盤にスピンコーティングされる還元されたグラファイト酸化物（ｒ−ＧＯ）が、接地されない構造物として働いた。ｒ−ＧＯ円盤の調製が下記でさらに詳述される（実施例ＸＩＩを参照のこと）。ｒ−ＧＯは、スペーサーを何ら用いることなく、接地された構造物のガラス面と向かい合った。運転（ａ）および（ｂ）のために、内部ヒーターを１８０℃に加熱し、チャンバー排気後、ガス媒体として働いたヘリウムを１１００ｍｂａｒで注入した。
結果
図２０Ａおよび図２０Ｃは、測定された電流Ｉ（ｐＡ）を印加電圧Ｖ（Ｖ）の関数として示し、図２０Ｂおよび図２０Ｄは、計算された出力ｐ（ｐＷ）（ｐ＝Ｉ・Ｖ）を印加電圧Ｖ（Ｖ）の関数として示す。図２０Ａおよび図２０Ｂは運転（ａ）に関し、図２０Ｃおよび図２０Ｄは運転（ｂ）に関する。
図２０Ａに示されるように、電圧が何ら加えられないときの運転（ａ）における短絡回路電流が約２１．５ｐＡであり、これに対して、電流が０ｐＡであるとき、開回路電圧が−０．６３Ｖである。図２０Ｂに示されるように、出力が、−０．６３Ｖから０Ｖまでの印加電圧の間で発生し、絶対値での得られた最大出力が、約−０．３４Ｖの印加電圧Ｖにおいて約３．３ｐＷである。図２０Ｃに示されるように、電圧が何ら加えられないときの運転（ｂ）における短絡回路電流が約９４ｐＡであり、これに対して、電流が０ｐＡであるとき、開回路電圧が−１Ｖである。図２０Ｄに示されるように、出力が、−１Ｖから０Ｖまでの印加電圧の間で発生し、絶対値での得られた最大出力が、約−０．４Ｖの印加電圧Ｖにおいて約１６．３ｐＷである。したがって、運転（ａ）については０Ｖから−０．６３Ｖの範囲で、また、運転（ｂ）については０Ｖから−１Ｖの範囲で、抵抗が負であり、システムが電気発生体として作動する。本実験の結果により、本発明のデバイスは電気出力をガス分子の熱運動から発生させることが明らかにされる。
実験ＸＩ
本実験は、最大電流が、本出願の教示を使用して得られる閾値圧力を求めるために、電流値を圧力の関数として測定することに関した。
材料および方法
接地された構造物および接地されない構造物が、上記で記載される実験ＶＩＩＩにおいて使用される薄いガラス構造物およびクロム構造物と同じであった。ＴＩｎを２００℃に設定し、ＴＥｘを５０℃に設定し、ヘリウムをガス媒体として使用した。チャンバーの排気およびゼロのベースライン電流の安定化の後、ヘリウムを５０ｍｂａｒから１２００ｍｂａｒを超えるまで５０ｍｂａｒの圧力ステップで注入した。最初の圧力ステップで、システムを少なくとも２時間安定化させ、その後、電流を記録した。それぞれのその後の圧力ステップで、電流を安定化させ、その後、記録した。本実験では、測定が、真空中ではなく、５０ｍｂａｒの圧力で開始されたので、また、５０ｍｂａｒの小さい圧力ステップが加えられたので、１５分の安定化期間が十分であった。
結果
図２１は、測定された電流（ｐＡ）をガス圧力（ｍｂａｒ）の関数として示す。図２１に示されるように、電流が、圧力が５０ｍｂａｒの増分で５０ｍｂａｒから約７００ｍｂａｒにまで徐々に上げられる第１の段階において約２．７ｐＡから約５．７ｐＡにまで単調に上昇する。約７００ｍｂａｒから約１２５０ｍｂａｒまでの第２の段階において、電流が圧力の関数としてプラトー状態に達する。
観測された圧力依存性は、本発明者によって発見されるガス媒介電荷移動機構と一致している。発生した電流が、ガス分子の平均自由行程が２つの表面の間の間隙よりも小さい圧力に至るまでの圧力とともに増大する。圧力を、この点を超えて高くすることはまた、ガス分子が、その電荷を、間隙を横断して第２の表面に輸送し得る前のガス分子の間における衝突の確率を増大させ、しかし、圧力を、この点を超えて高くすることはまた、前記電荷を輸送することができる分子の数を増大させる。したがって、１分子あたりの電荷輸送の割合を低下させる分子間衝突と移動させられているガス媒介による電荷の総量を増大させる分子の総数との間にはバランスが存在する。図２１はそのようなバランスを明らかにすることが考えられる。これら２つの相反する影響は互いに釣り合うようであり、その結果、閾値圧力を超えた場合、電流がガス圧力にもはや依存しないか、または、ほんの弱く依存するだけである。
グラフの単調増大部分は、間隙サイズよりも大きい平均自由行程をもたらす圧力に対応する。実施例１において説明されるように、λ＞ｄの条件のもとでは、表面と単位時間あたり相互作用する分子の数が圧力に直線的に依存していることが予想される。グラフのプラトー部分が、間隙サイズよりも小さい平均自由行程をもたらす圧力に対応する。閾値圧力は、電流が圧力とともにもはや著しく増大しない最低圧力として定義することができる。表面材料、ガスおよび作動条件の特定の組合せについては、電流が、プラトー状態で安定化するのではなく、むしろ、圧力の増大とともに低下し得ることが起こり得る。本実験、すなわち、図２１において、閾値圧力は約７００ｍｂａｒである。
実験ＸＩＩ
実験ＩＩＩの運転（ａ）では、ラメラ状材料が表面として使用され得ることが示された。このことが、表面の一方が、導電率が不良な鉱物であるキンウンモ（天然のケイ酸塩化合物）から作製されたときに明らかにされた。本実験では、使用されるラメラ状材料が、グラフェン（グラファイトを構成する単一層物）に対応する電気伝導性の還元されたグラファイト酸化物（ｒ−ＧＯ）であった。
材料および方法
グラファイト（フレークサイズが約２５μｍ〜７５μｍの範囲にあるＡｓｂｕｒｙグラファイト３７６３）を、Ｈｉｒａｔａの方法を使用して酸化した（例えば、米国特許第６５９６３９６号を参照のこと）。得られたグラファイト酸化物（ＧＯ）を、Ｍｉｃｒｏｚａ（登録商標）メンブランろ過（Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐ．、ＵＭＰ−１０４７Ｒ）を使用して清浄化し、洗浄し、濃縮した。ＡＦＭ走査により、そのようにして得られたＧＯナノ小板物は、約１ｎｍの厚さのただ１つだけのＧＯシートから多数のシートにまで及ぶ厚さを有し、全体の平均厚さが約３ｎｍであったことが明らかにされた。
その後、ＧＯを、真空中において２３０℃で一晩加熱することによってグラフェンに熱還元し、これにより、ほんの１５％〜２０％の残留官能基を含むことが予想される還元されたＧＯを達成した。ｒ−ＧＯを０．４％の重量濃度で１％酢酸溶液に分散した。
５２ｍｍの直径、約５ｍｍの厚さおよび５０ｎｍ未満の粗さを有する研磨されたＤ２スチール円盤が支持体表面として役立った。円盤の周辺部を、被覆期間中におけるｒ−ＧＯの厚さの増加を避けるために機械加工した。円盤を、最初にイソプロパノールにより清浄化した後、接着剤プライマーの薄い層（Ｍｉｃｒｏｌｉｔｅ ＨＳＴ−ＸＥ２０の上清）によりプレコーティングした。プレコーティングされた円盤をスピンコーターに置き、ｒ−ＧＯの懸濁物により湿らした。その後、円盤を１２００ＲＰＭで回転させた。ｒ−ＧＯ（グラフェン）の薄い生じた被覆を、回転させながら、８０℃を超えない温度で熱風送風機により乾燥した。層が乾燥したように見えたとき、このスピンコーティング手順を、合計で９ｇのｒ−ＧＯ懸濁物が使用されるまで繰り返した。スピンコーティングを、ラメラ状のグラフェン層が、配向した層状被覆として積み重ねられ続けることを保証するために使用した。
その後、層状のｒ−ＧＯがスピンコーティングされた円盤を、真空オーブンにおいて９５℃で２４時間さらに乾燥した。この予備乾燥工程の後、円盤を炉（Ｎｅｙ Ｖｕｌｃａｎ ３−１７５０）に移し、炉において、円盤を、温度が２３０℃に達するまで２０℃の増分でそれぞれ２時間加熱し、２３０℃で、円盤を、完全な乾燥を保証するための最後の１０時間の焼成のために放置した。その後、円盤を使用までデシケーター中に保管した。
薄いガラス円盤（５０ｍｍの直径および１００μｍの厚さ、これは、接地との接触のためにアルミニウムが片面にスパッタリングされた）が、接地された構造物として使用され、ｒ−ＧＯ円盤が、接地されない構造物として働いた（この場合、ｒ−ＧＯが、スペーサーを何ら用いることなくガラスと向かい合い、ステンレススチール基板が外部回路への接点として役立った）。ＴＩｎを１８０℃に設定し、チャンバーの排気およびゼロのベースライン電流の確立の後、ヘリウムをガス媒体として使用した。
結果
１１００ｍｂａｒのヘリウムが存在する場合、測定された電流が、下記の表６において入力番号５９として報告されるように、約＋１５０ｐＡであった。本構成では、ガラスが電子アクセプターとして働き、ｒ−ＧＯが電子ドナーとして働いた。本実験により、ラメラ状材料が本発明のいくつかの実施形態のデバイスにおいて使用され得ることが明らかにされる。
実験ＸＩＩＩ
上記の実験により、様々な範囲のバルク電導率を有する様々な材料が本発明のいくつかの実施形態のデバイスの表面のために好適であることが立証された。本実験では、半導体から作製される表面を７つの実験運転において調べた。
材料および方法
運転（ａ）において、＜１００＞の表面の結晶学的配向および８Ω・ｃｍ〜１２Ω・ｃｍの電気抵抗率を有する、リンがドープされたシリコンウエハーの円盤（両面研磨され、５０．８ｍｍの直径、３００μｍの厚さおよび１ｎｍ未満の粗さを有する）を接地された構造物として使用した。
運転（ｂ）において、抵抗率が０．１Ω・ｃｍ〜１．２Ω・ｃｍであることを除いて、同じ大きさおよび結晶学的配向を有する、ホウ素がドープされたシリコンウエハーの円盤を接地された構造物として使用した。
運転（ａ）および（ｂ）の両方において、アルミニウムの円盤（４０ｍｍの直径および５ｍｍの厚さの平坦なガラス円盤にスパッタリングされた２００ｎｍの厚さ）を接地されない構造物として使用した。
運転（ｃ）において、運転（ａ）および（ｂ）のシリコンウエハー円盤を対にした。すなわち、リンがドープされたシリコンウエハーの上記円盤を接地された構造物として使用し、ホウ素がドープされたシリコンウエハーの円盤を接地されない構造物として使用した。
運転（ｄ）において、＜１１０＞の表面の結晶学的配向および０．７Ω・ｃｍ〜１．３Ω・ｃｍの抵抗率を有する、リンがドープされたシリコンウエハーの円盤（両面研磨され、５０．８ｍｍの直径、１４０μｍの厚さおよび１ｎｍ未満の粗さを有する）を接地された構造物として使用し、ガドリニウムの円盤（４０ｍｍの直径および５ｍｍの厚さの平坦なガラス円盤にスパッタリングされた５６０ｎｍの厚さ）を接地されない構造物として使用した。
運転（ａ）〜（ｄ）のすべてにおいて、接地された構造物および接地されない構造物は、スペーサーを用いることなく互いに向かい合った。ヘリウムを１１００ｍｂａｒの一定の圧力でガス媒体として使用した。内部温度ＴＩｎは、下記で詳述されるようにそれぞれの運転について異なったが、２００℃での共通する点を常に含んでいた。
運転（ｅ）〜（ｇ）において、運転（ａ）〜（ｂ）の場合でのようなアルミニウムの円盤が、接地された構造物として働き、かつ、運転（ａ）の場合でのような、リンがドープされたシリコンウエハーの円盤が、接地されない構造物として働いた。７μｍの平均高さを有するアルミニウムのスペーサーを、実験Ｉにおいて記載されるように、接地された構造物にスピンコーティングした。内部ヒーターをＴＩｎ＝２５０℃で設定し、外部ヒーターをＴＥｘ＝７０℃で設定した。ガス媒体を１１００ｍｂａｒの一定の圧力でチャンバー排気後に注入した。ガス媒体は運転（ｅ）においてキセノンであり、運転（ｆ）においてアルゴンであり、運転（ｇ）においてヘリウムであった。
結果
実験の結果が下記の表６の入力番号４４〜５０に示される。
入力番号４４〜４７に示されるように、スペーサーを何ら用いることなく使用される表面の少なくとも一方が半導体材料から作製されるとき、測定された電流が、ナノアンペア範囲にまで数桁、劇的に増大した。運転（ａ）において、ＴＩｎを１５０℃から２００℃にまで増大させると、電流が８．５ｎＡから５２ｎＡにまで増大した。運転（ｂ）において、内部温度における同じ増大は電流を−２．７ｎＡから−１５ｎＡにまで上昇させた。この負の電流は、この構成において、ホウ素がドープされたシリコンウエハーが電子ドナーとして働いたことを示している。運転（ｃ）において、異なるドープを受けた２つのシリコンウエハーを含む対がＴＩｎ＝２００℃で試験され、測定された電流が０．９ｎＡであった。
入力番号４８〜５０に示されるように、スペーサーが、金属表面と半導体表面との間において使用されたとき、測定された電流が、ガス媒体がキセノンであったときには０．２４ｐＡであり、ガス媒体がアルゴンまたはヘリウムであったときには１ｐＡであった。スペーサーの存在は、測定された電流における劇的な降下を引き起こしたが、測定された電流は依然として著しかった。これらの実験により、半導体材料が本発明のいくつかの実施形態のデバイスにおいて使用され得ることが明らかにされる。中程度のバルク電導率を有する材料（例えば、半導体など）の利点の１つが、そのような材料は、電流を輸送するために十分に導電性であり、かつ、スペーサーを何ら用いることなく使用されるために十分に非電導性であることである。
実験ＸＩＶ
本実験では、本発明のいくつかの実施形態に従った電解析出によるインシトゥー表面活性化を調べた。
材料および方法
接触のためにクロムが片面にスパッタリングされる薄いガラス円盤（５０ｍｍの直径、１００μｍの厚さおよび５０ｎｍ未満の表面粗さ）を接地された構造物として使用した。（実験ＸＩＩにおいて記載されるように調製される）ｒ−ＧＯ円盤を接地されない構造物として使用した。０．０１重量％のナトリウムペトロナート（登録商標）Ｌ（Ｗｉｔｃｏ）を電気活性化学種として含有するＩｓｏｐａｒ（登録商標）Ｌの溶液をガラス表面に置いた。ｒ−ＧＯを、スペーサーを何ら用いることなく、非極性溶液の上に置いた。最初の段階において、接地されないｒ−ＧＯ構造物を、そのスチール支持体を介して電圧源の正側端子に接続し、＋１００Ｖを室温で２時間加えた。
電解析出後、活性化されたセルを、電圧バイアス下に置いたまま、ＴＩｎ＝１２０℃に加熱し、チャンバーを１０時間にわたって排気して、Ｉｓｏｐａｒ（登録商標）Ｌ系溶液および何らかの残留水分を除いた。セルを、表面を短絡させることによって完全に放電させ、このようにして、ゼロのベースライン電流を確立した。ヘリウムを１１００ｍｂａｒの一定の圧力でガス媒体として注入した。
結果
下記の表６に示されるように、入力番号６１において、表面の少なくとも一方が電解析出プロセスによって活性化されたとき、測定された電流が約１３０ｐＡであった。約１２０℃の同じ温度において、ガラス−ｒ−ＧＯの非活性化セルは約２ｐＡの電流を発生させたことは特筆される。本実験により、本発明のいくつかの実施形態による表面の活性化が発生電流における約２桁の著しい増大を引き起こしたことが明らかにされる。
上記実験のすべてにおいて、ガス圧力における降下がなかったことは特筆される。このことは、ガスがガスの反応により全く消費されなかったことを示している。
表６には、実験Ｉ〜実験ＸＩＶで得られた結果、および図１１の構成を使用して行われた他の実験で得られた結果がまとめられる。表６において、ＮＡは、所与の項目が該当しないことを示す。ガラスは、使用された表面が、５０ｍｍの直径、１００μｍの厚さおよび５０ｎｍ未満の粗さを有する薄いガラス円盤であったことを示す。示される温度は、該当するならば、ＴＩｎおよび／またはＴＥｘに関する。
表６は、電流が、本発明の様々な例示的実施形態によるデバイスおよび方法を使用して発生したことを明らかにする。実験により、測定された電流および電圧が、選択された材料およびガス媒体の間における相互作用から生じたことが示された。このことが、電流の温度依存性および圧力依存性によって証明され、また、電流が真空中では観測されなかったという事実によって証明され、また、電流の方向が、セル構造が逆にされたときには逆になったという事実によって証明された。実験によりさらに、電流が、希ガスおよび／または不活性ガスを用いてでさえ発生したことが示された。したがって、このことから、電気化学的反応が除外された。実験によりさらに、電流の方向が、電気化学的プロセスによって発生していたと考えられる電流に対して反対であることが明らかにされた。
多数の対の構造物からなる積み重ね体の総電圧がただ１つだけの対の電圧の適切な倍数に対応するという事実（実験Ｖ）はさらに、本発明によって発生する測定された電気出力が何らかの外部回路または望まれない実験的影響に由来しないことを示している。
本発明のいくつかの実施形態に従う電流および電圧の発生と併せて行われた観測結果は、本発明者によって発見されるガス媒介電荷移動機構と一致していた。電気の発生が、導電率の範囲が数桁にまたがる、電荷移動性が異なる様々な表面について示された。数多くのガスが、様々な作動条件のもとで好適であることが見出された。温度および圧力に対する効率の依存性により、本発明のガス媒介電荷移動機構の存在が証明される。実験により、本発明に従って、電流が、室温においてノイズを越えて既に十分であるが、温度とともに指数関数的に大きくなることが示される（図１５）。所与の１対の離して置かれた表面と、特定のガスとについては、電流が、ガス分子のサイズと相関する閾値圧力において最大値のプラトー状態に達する。所与の１対の表面と、特定のガスとについては、間隙が小さいほど、測定された電流が大きくなり、また、間隙が小さいほど、最大電流が発生する閾値圧力が大きくなる。
実験データにより、本発明の根本的な機構、すなわち、熱エネルギーを直接に電流に変換するガス媒介電荷移動効果が明瞭に証明される。
本発明はその特定の実施態様によって説明してきたが、多くの別法、変更および変形があることは当業者には明らかであることは明白である。従って、本発明は、本願の請求項の精神と広い範囲の中に入るこのような別法、変更および変形すべてを包含するものである。例えば、図２のデバイスは、直列に接続されたセルの並列配置の柱を有するとして示される。本発明のいくつかの実施形態において、セルは、セルが、並列配置の柱の形態ではなく、むしろ、より複雑な構造（例えば、レンガ積み構造またはランダム構造など）を形成するセルの形態であるように重なっている場合がある。さらに、スペーサーが、粒子または別個の要素から形成されるとして記載されるが、部分的導電性表面の表面凸凹（表面粗さ）自体が、一方の表面のほんの小さい割合が他方の表面と実際に接触するという点で、スペーサーとして作用することができ、その結果、表面の凸凹が接触するにもかかわらず、表面間の全体的な導電率が低いままである。加えて、本発明は、室温または室温近くで作動する方法およびデバイスを記載するが、本発明の方法は、高い温度において、例えば、５０℃、１００℃、１５０℃、２００℃または４００℃などにおいて、同様にまた、より高い温度、中間の温度、およびより低い温度において実施することができる。
本明細書で挙げた刊行物、特許および特許出願はすべて、個々の刊行物、特許および特許出願が各々あたかも具体的にかつ個々に引用提示されているのと同程度に、全体を本明細書に援用するものである。さらに、本願で引用または確認したことは本発明の先行技術として利用できるという自白とみなすべきではない。節の見出しが使用されている程度まで、それらは必ずしも限定であると解釈されるべきではない。

Claims (15)

  1. 熱エネルギーを電気に直接に変換するためのセルデバイスであって、
    第１および第２の表面であって、間隙を前記表面間に有するものと、前記間隙中で熱運動しているガス分子を有するガス媒体とを含み、
    前記第１の表面が、電荷を、前記第１の表面と相互作用するガス分子に移動させるような前記ガスの存在下での正電荷移動性を有し、かつ、前記第２の表面が、前記電荷を、前記第２の表面と相互作用する帯電されたガス分子から受け取るような前記ガスの存在下での負電荷移動性を有し、
    前記間隙が７μｍに等しいか、またはそれより小さく、
    前記第１および第２の表面が互いに５０℃以内である、セルデバイス。
  2. 前記ガス媒体の漏出を防止するための密閉された筺体をさらに含む、請求項１に記載のセルデバイス。
  3. 前記密閉された筺体の内部の圧力が周囲圧力よりも高い、請求項２に記載のセルデバイス。
  4. 前記密閉された筺体の内部の圧力が周囲圧力よりも低い、請求項２に記載のセルデバイス。
  5. 前記表面間の何らかの電圧が外部印加電圧の非存在下での前記電荷移動によって発生する、請求項１〜４のいずれかに記載のセルデバイス。
  6. 前記間隙は１０λ未満であり、前記λはセルデバイスの操作温度及び圧力でのガス分子の特徴的な平均自由行程である、請求項１〜５のいずれかに記載のセルデバイス。
  7. 前記第１表面および第２表面のうちの少なくとも一方が以下のものからなる群から選択される、請求項１〜６のいずれかに記載のセルデバイス：
    （ｉ）実質的に平滑な表面、ただし前記間隙はスペーサによって維持される；および
    （ｉｉ）外向きに突き出る粗さ特徴物を有する実質的に平滑でない表面、ただし前記間隙は前記粗さ特徴物によって維持される。
  8. 前記第１および第２の表面のそれぞれがグラフェン基板およびグラファイト基板からなる群から選択される基板によって支持される、請求項１〜７のいずれかに記載のセルデバイス。
  9. 前記第１および第２の表面のうちの少なくとも一方が、修飾されたグラファイト基板またはグラフェン基板である、請求項１〜８のいずれかに記載のセルデバイス。
  10. 前記ガス媒体がデバイスの作動期間中に消費されない、請求項１〜９のいずれかに記載のセルデバイス。
  11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の複数のセルデバイスを含み、少なくとも１対の隣接セルデバイスが導体によって相互接続され、その結果、電流が、前記導体を経由して前記対の第１のデバイスの第２の表面から前記対の第２のデバイスの第１の表面に流れるようにされている、電源デバイス。
  12. セルの表面が、ただ１つの基板の表面が少なくとも２つのセルによって部分的に共有されるように、秩序のある様式で、または、無秩序な様式で相互に重なる、請求項１１に記載の電源デバイス。
  13. 第１および第２の電気伝導性電極と、前記電極間の第１および第２のセルデバイス積み重ね体（ただし、それぞれのセルデバイスは請求項１〜１０のいずれかに記載される通りのものである）とを含み、
    それぞれの積み重ね体において、前記積み重ね体の各１対の隣接セルデバイスが導体によって相互接続され、その結果、電流が、前記導体を経由して前記対の第１のセルデバイスの第２の表面から前記対の第２のセルデバイスの第１の表面に流れるようにされており、かつ、前記第１および第２の積み重ね体の両方が電荷を前記第１の電極から前記第２の電極に運搬する、電源デバイス。
  14. 前記導体が以下のものからなる群から選択される、請求項１１または１３に記載の電源デバイス：
    （ｉ）一方の面が１つのセルデバイスの表面を構成し、かつ反対側の面が隣接セルデバイスの表面を構成する、２つの面を有する電気伝導性基板；および
    （ｉｉ）前記基板の第一面と前記基板の第二面の間の電気伝導性を確立するように電気伝導性物質で被覆された基板であって、前記基板が２つの面を有し、一方の面が１つのセルデバイスの表面を構成し、かつ反対側の面が隣接セルデバイスの表面を構成する基板。
  15. 熱エネルギーを電気に直接に変換する方法であって、
    第１および第２の表面であって、間隙を前記表面間に有するものを提供すること、ただし前記第１表面はガス媒体の存在下で正電荷移動性を有し、かつ前記第２表面は前記ガス媒体の存在下で負電荷移動性を有する；
    前記ガス媒体の分子を、電荷をガス分子の少なくとも一部に移動させるように前記第１の表面と相互作用させること；および、
    前記帯電されたガス分子の一部を、前記電荷を前記ガス分子の少なくとも一部から前記第２の表面に移動させるように前記第２の表面と相互作用させ、それにより、前記表面間の電位差を発生させることを含み、
    前記間隙が７μｍに等しいか、またはそれより小さく、
    前記第１および第２の表面が互いに５０℃以内である、方法。
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