JP2022521029A - ナノスケールエネルギー変換装置 - Google Patents
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Abstract
実施形態は、ナノスケールのエネルギー変換装置および発電装置のための装置に関する。この装置は、距離を隔てた2つの電極を含む。第1の電極は第1の仕事関数値を有するように製造され、第2の電極は第2の仕事関数値を有するように製造され、第1の仕事関数値と第2の仕事関数値は異なる。第1の電極と第2の電極の間の距離によって空洞が形成され、ナノ流体が空洞内に配置されている。ナノ流体は、誘電媒体に懸濁したナノ粒子を含む。ナノ粒子は、第1および第2の仕事関数値よりも大きい第3の仕事関数値を有する。ナノ粒子の仕事関数値と電極の仕事関数値との関係は、ブラウン運動と電子ホッピングによるナノ粒子への電子の移動を最適化する。【選択図】図1
Description
[0001]本実施形態は、電力の生成、変換、および転送に関するものであり、より具体的には、本明細書に開示される実施形態は、熱電エネルギー変換および熱電エネルギー変換を介して電力を生成するナノスケールエネルギー変換装置、ならびにそれらを製造および使用する方法に関する。
[0002]ポータブル発電装置は、電力網からの電力供給が困難な装置(例えば、ショッピングセンター内の携帯電話やタブレット、地球周回軌道上の衛星など)に電力を供給するためによく用いられる。このような装置は、グリッドへのアクセスが不可能な場合にも用いられる(例えば、グリッドが断続的となるか利用できない遠隔地の施設)。さらに、このような装置は、グリッドイベント(停電や電圧低下など)時に重要な機器の動作を継続させるためのバックアップ電源として使用される。
[0003]一般的なポータブル発電装置には、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンがある。しかしながら、これらの装置は、動作中は、装置の動作を維持するために必要な給油が実行されていることを確認するために頻繁に監視する必要がある。太陽電池などの光電デバイスは、十分な光が利用できる場合にのみ有効である。市販の蓄電装置としては、例えば、電気化学電池および全固体電池などがある。しかしながら、電気化学電池や全固体電池の充電量は限られているため、頻繁に交換および/または再充電が必要である。さらに、電気化学電池および全固体電池は、産業施設の非常用およびバックアップ電源に使用される場合、比較的大きな設置面積を必要とする。同様に、マイクロエレクトロニクスデバイスが、電気化学電池や全固体電池の使用と常に適合するとも限らない。コンパクトで長寿命、低電流の電力装置を必要とする可能性のあるマイクロエレクトロニクスデバイスの一例は、アクセスできない場所で長期間無人運転で設置される低電力電子センサがある。コンパクトで長寿命、低消費電力が要求されるマイクロエレクトロニクスデバイスの別の例として、小型コンピューティングデバイスの不揮発性メモリ回路がある。
[0004]他のポータブル発電装置としては、燃料電池や原子力電池がある。燃料電池は一定期間で水素の交換が必要であり、電気化学電池や全固体電池と同様に、産業施設で非常用およびバックアップ電源として使用される場合、比較的大きな設置面積を必要とする。原子力電池は、原子核の核分裂、核融合、放射性崩壊などのプロセスを利用する。これらのプロセスは比較的効率が悪く、核プロセスの自然な副産物である電離放射線の放出を減らすためにシールドが必要である。
[0005]電力を生成するための装置および方法が提供される。
[0006]一態様では、装置は、第1および第2の電極を有し、第1の電極は第1の仕事関数値を有し、第2の電極は第2の仕事関数値を有し、第1および第2の仕事関数値は異なる。第2の電極は、第1の電極から距離を置いて配置される。この距離の少なくとも一部によって空洞が形成され、この空洞内には誘電媒体が配置される。複数のナノ粒子が、誘電媒体中に浮遊している。
[0007]別の態様では、電力を生成するための方法は、第1の仕事関数値を有する第1の電極を提供するステップと、第2の仕事関数値を有する第2の電極を提供するステップと、第1の電極を第2の電極から距離を置いて配置するステップと、第1の電極と第2の電極との間に接触電位差を確立するステップと、前記距離によって規定される空洞内に複数のナノ粒子を提供するステップとを含む。複数の電子が第1の電極から放出され、電子はナノ粒子のブラウン運動によって第2の電極に伝達される。
[0008]以上および他の特徴および利点が、添付の図面と併せて、現在の例示的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
[0009]本明細書で参照される図面は、本明細書の一部を形成し、本明細書に組み込まれる。図示されている特徴は、特に明記しない限り、一部の実施形態のみを例示するものであり、すべての実施形態を例示するものではない。
[0010]図1は、ナノスケールエネルギー変換装置の一実施形態の断面図を示す。
[0011]図2Aおよび2Bは、ナノスケールエネルギー変換装置の製造プロセスを示すフローチャートを示す。
[0012]図3は、部分的に構築されたナノスケールエネルギー変換装置の実施形態の断面図を示す。
[0013]図4は、元素系バルク材料の仕事関数値の表を示す。
[0014]図5は、電極基板上に熱電子放射材料を堆積させるプロセスを示す斜視図である。
[0015]図6は、粒子サイズの関数としての仕事関数値のグラフを示す。
[0016]図7は、電極基板上への熱電子放射材料のエレクトロスプレー堆積によって電極表面上に堆積された共有結合双極子の俯瞰図を示す。
[0017]図8は、誘電媒体に懸濁した複数のナノ粒子クラスタを含むナノ流体の実施形態の断面図を示す。
[0018]図9は、ナノスケールエネルギー変換装置を用いた発電プロセスを示すフローチャートである。
[0019]図10は、ナノスケールエネルギー変換装置の一実施形態における、電極とその中のナノ流体の仕事関数関係を示す断面図である。
[0020]図11は、コレクタの仕事関数値よりもエミッタの仕事関数値が大きい場合の効果を示すグラフである。
[0021]図12は、ナノ粒子クラスタの衝突による電子移動の概略図を示す。
[0022]図13は、ナノスケールエネルギー変換装置の使用の一実施形態の概略図を示す。
[0023]図14は、廃熱から電力を生成するための、積層またはグループ化されたナノスケールエネルギー変換装置のシステムの概略図を示す。
[0024]図15は、電子チップからの廃熱から電気エネルギーを収集する、電子チップに結合されたナノスケールエネルギー変換装置を含む廃熱収集システムの断面図を示す。
[0025]図16は、太陽電池アレイからの廃熱から電気エネルギーを収集する、太陽電池のアレイに結合されたナノスケールエネルギー変換装置のアレイを含む発電システムの分解図を示す。
[0026]本明細書に一般的に記載され図示されているように、本実施形態の構成要素は、多種多様な異なる構成で配置および設計され得ることが容易に理解されよう。したがって、図面に示すような、本実施形態の装置、システム、および方法の実施形態の以下の詳細な説明は、クレームにある実施形態の範囲の限定を意図するものではなく、単に選択された実施形態を代表するものである。
[0027]本明細書全体を通して「選択された実施形態」、「一実施形態」、または「一実施例」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な場所での「選択された実施形態」、「一実施形態において」、または「一実施例において」という表現は、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らない。様々な実施形態を互いに組み合わせることができる。
[0028]図示された実施形態は、図面を参照することによって最もよく理解され、同じ部品は全体を通して同じ数字で示される。以下の説明は、例示のみを意図したものであり、クレームにある実施形態と一致する装置、システム、およびプロセスの特定の選択された実施形態を単に示すものである。
[0029]熱電子電力変換(thermionic power conversion)は、熱を電気エネルギーに変換する方法を提供する。熱電子力変換発電機は、加熱されたエミッタ電極(すなわち、カソード)から電子が放出されることによって熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。電子は、エミッタ電極から電極間ギャップを超えて、外部負荷を通ってコレクタ電極(すなわち、アノード)に流れ、エミッタ電極に戻ることで熱を電気エネルギーに変換する。熱電子電力変換器の最近の改良には、電極の仕事関数が低い材料の選択や、電極間のギャップを埋めるための流体の使用が含まれる。電子移動密度は、電極の材料と電極間ギャップ内の流体の材料(つまり、関連する仕事関数)によって制限される。
[0030]ナノスケールエネルギー変換装置の構成
[0031]本開示の選択された実施形態の理解を深めるための追加の詳細を提供するために、図1を参照すると、電力を生成するように構成されたナノスケールエネルギー変換装置(100)の一実施形態の断面図が示されている。ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、セルまたは層と呼ばれることもある。所望の電圧、電流、および出力で電力を生成するために、複数の装置(100)を、直列または並列の複数のセルまたは複数の層、あるいは両方の組み合わせとして編成することができる。ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、エミッタ電極(カソード)(102)およびコレクタ電極(アノード)(104)を含む。エミッタ電極(102)およびコレクタ電極(104)は、まとめてナノスケールエネルギー変換装置(100)の電極(106)と総称される。複数の絶縁体ポスト(本明細書ではカラム、スタンドオフ、またはマイクロピラーとも呼ばれる)(108)(1つのみ図示)が電極(106)間の分離を維持して、電極(106)と絶縁体ポスト(108)が空洞(110)を規定する。一実施形態では、絶縁体ポスト(108)は、アルカンチオール、エアロゲルのような特性を有するゾルゲル、コロナドープ、スーパーコロナドープ、シリコン、酸化シリコン、ポリマー、任意の誘電体材料、または前述の1つまたは複数を含む組み合わせなどの誘電材料で製造されるが、これらに限定されない。一実施形態では、空洞(110)を分割する1つまたは複数の絶縁体壁(図示せず)が形成される。一実施形態では、空洞(110)は、1ナノメートル(nm)から約10nm未満の範囲の距離で、電極(106)の間に延在する。間質性ナノ流体(112)が、空洞(110)内に保持される。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、電極(106)の間にナノ流体(112)で満たされた空洞(110)を有する、絶縁体ポスト(108)によって分離された2つの対向する電極(106)を含む。
[0031]本開示の選択された実施形態の理解を深めるための追加の詳細を提供するために、図1を参照すると、電力を生成するように構成されたナノスケールエネルギー変換装置(100)の一実施形態の断面図が示されている。ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、セルまたは層と呼ばれることもある。所望の電圧、電流、および出力で電力を生成するために、複数の装置(100)を、直列または並列の複数のセルまたは複数の層、あるいは両方の組み合わせとして編成することができる。ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、エミッタ電極(カソード)(102)およびコレクタ電極(アノード)(104)を含む。エミッタ電極(102)およびコレクタ電極(104)は、まとめてナノスケールエネルギー変換装置(100)の電極(106)と総称される。複数の絶縁体ポスト(本明細書ではカラム、スタンドオフ、またはマイクロピラーとも呼ばれる)(108)(1つのみ図示)が電極(106)間の分離を維持して、電極(106)と絶縁体ポスト(108)が空洞(110)を規定する。一実施形態では、絶縁体ポスト(108)は、アルカンチオール、エアロゲルのような特性を有するゾルゲル、コロナドープ、スーパーコロナドープ、シリコン、酸化シリコン、ポリマー、任意の誘電体材料、または前述の1つまたは複数を含む組み合わせなどの誘電材料で製造されるが、これらに限定されない。一実施形態では、空洞(110)を分割する1つまたは複数の絶縁体壁(図示せず)が形成される。一実施形態では、空洞(110)は、1ナノメートル(nm)から約10nm未満の範囲の距離で、電極(106)の間に延在する。間質性ナノ流体(112)が、空洞(110)内に保持される。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、電極(106)の間にナノ流体(112)で満たされた空洞(110)を有する、絶縁体ポスト(108)によって分離された2つの対向する電極(106)を含む。
[0032]エミッタ電極(102)とコレクタ電極(104)はそれぞれ異なる材料で製造され、これらの異なる材料は別個の異なる仕事関数値を有する。本明細書で使用される場合、ある材料(または材料の組み合わせ)の仕事関数は、電子を固体からその材料の固体表面のすぐ外側の真空中の点まで取り出すのに必要な熱力学的な仕事の最小値(すなわち、最小エネルギー)である。仕事関数は材料に依存した特性である。仕事関数値は通常、電子ボルト(eV)の単位で表される。したがって、材料の仕事関数は、電子が表面から脱出するのに必要な最小エネルギーを決定し、この仕事関数が低いほど、一般に電子の放出が容易になる。
[0033]エミッタ電極(102)は、コレクタ電極(104)よりも高い仕事関数値を有する。異なる電極材料による電極(106)間の仕事関数値の違いにより、エミッタ電極(102)からコレクタ電極(104)へ空洞(110)内のナノ流体(112)を介して電子を伝送するために克服しなければならない電極(106)間の接触電位差が生じる。両方の電極(106)は電子を放出するが、本明細書の他の場所でより詳細に説明されるように、接触電位差が克服されると、エミッタ電極(102)はコレクタ電極(104)よりも著しく多くの電子を放出する。電子の正味の流れは、エミッタ電極(102)からコレクタ電極(104)に転送され、正味の電流は、エミッタ電極(102)からコレクタ電極(104)に流れる。この正味の電流により、エミッタ電極(102)は正に帯電し、コレクタ電極(104)は負に帯電する。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、エミッタ電極(102)からコレクタ電極(104)に伝送される電子電流を発生させる。
[0034]ナノ流体(112)は、誘電媒体(114)と、当該誘電媒体(114)に懸濁された複数のナノ粒子クラスタ(116)とを含む。ナノ流体(112)は、オーム加熱を最小限に抑え、媒体(114)内のアーク放電が防止されるように、空洞(110)における空間電荷の形成を排除する。いくつかの実施形態では、限定されないが、誘電媒体(114)は、水、シリコーンオイル、またはアルコールのうちの1つである。また、少なくとも1つの実施形態では、誘電媒体(114)は、エアロゲルのような特性およびそれを通る熱伝達を低減する低い熱伝導率値、例えば、1.0ワット/メートル度ケルビン(W/(m・K))未満の熱伝導率値を有するゾルゲルである。少なくとも1つの実施形態では、誘電媒体(114)の熱伝導率は、摂氏20度(℃)での水の熱伝導率0.6W/(m・K)と比較して、0.013ワット/メートル度ケルビン(W/(m・K))と低い。したがって、ナノ流体(112)は、低い熱伝導率値で、空洞(110)を通る熱伝達を最小限に抑える。熱伝導性ナノ流体(112)の熱輸送は、電極(102)と(104)の間の温度差に比例する。例えば、熱伝導率の低いナノ流体における熱輸送が小さければ、動作中に2つの電極(102、104)間の高い温度差を維持することができる。本書の他の場所で説明されているように、ナノ流体(112)の電気伝導率は、対応する装置の動作によって変化する。
[0035]ナノ粒子クラスタ(116)は、金属および金属合金、セラミック、サーメット、複合材料、および他の材料から製造することができる。いくつかのナノ粒子クラスタ(116)は、他のナノ粒子クラスタ(116)とは異なる材料を含んでもよい。一実施形態では、限定されないが、ナノ流体(112)は、金(Au)(118)および銀(Ag)(120)のナノ粒子クラスタ(116)を含む。本明細書で使用される場合、「ナノ粒子クラスタ」は、関連する材料、例えば、AuおよびAgの6~8個の原子のグループを指し、原子の数は非限定的である。ナノ粒子クラスタ(116)は、電極(106)の仕事関数値よりも大きな仕事関数値を有する。具体的には、Auナノ粒子クラスタ(118)とAgナノ粒子クラスタ(120)の仕事関数値はそれぞれ4.1eVと3.8eVである。本明細書の他の場所でより詳細に説明されるように、電子ホッピングおよびブラウン運動を介した電荷輸送は、ナノ粒子クラスタの仕事関数値(116)が大きいことと、仕事関数値が異なる2以上のタイプのナノ粒子クラスタ(116)を使用することによって促進される。ナノ粒子クラスタ(116)のブラウン運動は、ナノ粒子クラスタ(116)同士の衝突、およびナノ粒子クラスタ(116)と2つの電極(102)、(104)との衝突を含む。
[0036]ナノ粒子クラスタ(116)は、アルカンチオールでコーティングされてその上に誘電体バリアを形成し、ここでアルカンチオールの選択は非限定的である。少なくとも1つの実施形態では、ドデカンチオールが使用される。少なくとも1つの他の実施形態では、ドデカンチオールやデカンチオールよりも短い少なくとも1つの他のアルカンが使用される。アルカン鎖の長さは、ある導電性表面から別の導電性表面に電子を移動させるために、ナノ粒子の導電性コアが1nm以内である必要性によって制限される。アルカンチオールコーティングは、ナノ粒子クラスタ(116)の合体を低減する。一実施形態では、ナノ粒子クラスタ(116)は、0.5nm~5nmの直径を有する。少なくとも1つの実施形態では、ナノ粒子クラスタ(116)は、1~3nmの直径を有する。一実施形態では、ナノ粒子クラスタ(116)は2nmの直径を有する。Au(118)とAg(120)のナノ粒子クラスタ(116)は、電荷蓄積機能を備えた導電性を有するように調整されている。したがって、ナノ粒子クラスタ(116)が懸濁したナノ流体(112)は、電子が電荷移動を介してエミッタ電極(102)からコレクタ電極(104)まで空洞(110)を横切って移動するための導電性経路を提供する。
[0037]複数のエミッタ電子(122)および複数のコレクタ電子(124)が、それぞれのエミッタ電極(102)およびコレクタ電極(104)内の空洞(110)に近接して示されている。電子(126)は、エミッタ電極(102)を出て、ナノ粒子クラスタ(116)を横切ってホッピングし、コレクタ電極(104)に入るものとして示されている。図1は、2つの電極(106)に接続された外部回路(128)を示している。具体的には、第1の導電体(130)がコレクタ電極(104)と外部回路(128)に接続され、第2の導電体(132)が外部回路(128)とエミッタ電極(102)に接続される。ナノスケールエネルギー変換装置(100)が稼働中の場合、外部回路電流(134)が外部回路(128)を介して伝送され、外部回路(134)を流れるのと同じ量の電子電流がエミッタ電極(102)からコレクタ電極(104)へ流れる。例えば、図1に示され説明されている構成のような単一のセルまたは層は、それぞれに使用される材料の関数としてエミッタ電極(102)とコレクタ電極(104)との間に誘導される接触電位差(本明細書でさらに説明される)に応じて、約0.25ボルト~6.0ボルトの範囲内の電圧を生成することができる。いくつかの実施形態では、装置(100)は、名目上約0.75ボルト~5.0ボルトの電圧を生成する。一実施形態では、装置は約0.75ボルトを生成する。また、例えば図1に示され説明されている構成のような単一のセルまたは層の場合、装置(100)は、約1ミリアンペア(ma)~約10maの範囲内の電流を生成することができる。さらに、いくつかの実施形態では、装置(100)は、約0.75ミリワット/平方センチメートル(mW/cm2)を生成する。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、小さな負荷、例えば、マイクロ回路に電力を供給するのに十分な電流を生成する。
[0038]一実施形態では、エミッタ電極(102)は、タングステン(W)ナノ粒子表面(136)と、当該Wナノ粒子表面(136)を少なくとも部分的に覆う酸化セシウム(Cs2O)コーティング(138)を有して製造される。コレクタ電極(104)は、金(Au)ナノ粒子表面(140)と、当該Auナノ粒子表面(140)を少なくとも部分的に覆うCs2Oコーティング(142)を有して製造される。本明細書でさらに述べるように、電極(106)の製造時に、Wナノ粒子は、ナノ金属膜、すなわちナノ金属原子の原子スケールの格子を含むポリマーベースの片面にエレクトロスプレーされる。Wナノ粒子はナノ金属膜上に表面層を形成する。Wナノ粒子表面(136)上のCs2Oコーティング(138)は、テンプレートを介して表面(136)上に積層される。ポリマーベースは、アセトンで除去されるアセンブリ用の犠牲成分である(本明細書でさらに説明されている)。同様に、一実施形態では、Auナノ粒子は、ポリマーベース上のナノ金属膜上にエレクトロスプレーされてAuナノ粒子表面(140)を形成し、Cs2Oコーティング(142)は、テンプレートを介してAuナノ粒子表面(140)上に積層され、ポリマーベースは除去される。特定のエレクトロスプレーおよびナノファブリケーション技術でテンプレートを使用すると、Wナノ粒子表面(136)およびAuナノ粒子表面(140)上に1つまたは複数の所定のパターンでCs2O(138)および(142)の堆積層が形成される。それぞれのCs2Oコーティング層(138)および(142)による2つの表面(136)および(140)のそれぞれの被覆率は、少なくとも50%~70%であり、少なくとも1つの実施形態では約60%である。Cs2Oコーティング(138)および(142)は、電極(102)および(104)の仕事関数値を、それぞれW(典型的には4.55eV)およびAu(典型的には5.1eV)の仕事関数値から減少させる。具体的には、エミッタ電極(102)は0.88電子ボルト(eV)の仕事関数値を有し、コレクタ電極(104)は0.65eVの仕事関数値を有する。したがって、電極(102)および(104)の仕事関数値が低いことは、本明細書に記載されるようなナノスケールエネルギー変換装置(100)の動作に不可欠である。
[0039]例示的な実施形態では、WおよびAuは、それらの金属特性(例えば、強度や耐食性)の少なくとも一部と、Cs2Oの熱電子放出材料が上に積層されたときの仕事関数の測定された変化とにより、電極(106)として選択される。代替材料として、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、およびプラチナ(Pt)などの貴金属、またはこれらの金属の任意の組み合わせ使用することができるが、これらに限定されるものではない。さらに、限定しないが、アルミニウム(Al)やモリブデン(Mo)などの非貴金属も使用することができる。例えば、限定されないが、表面(136)を形成するためにWナノ粒子ではなくAlナノ粒子を使用することができ、表面(140)を形成するためにAuナノ粒子ではなくPtナノ粒子を使用することができる。したがって、ナノ粒子表面(136)および(140)を形成するために使用する材料の選択は、主に電極(106)の仕事関数、より具体的には完成されたときの電極(106)の仕事関数の違いに基づく。
[0040]ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、熱エネルギー(144)を収集して電力を生成する。本明細書でさらに詳述するように、エミッタ電極(102)は熱発生源および周囲環境を含むがこれらに限定されないソースから熱エネルギー(144)を受け取り、ナノ粒子クラスタ(116)を介して空洞(110)を横断する電子(126)を生成する。電子(126)はコレクタ電極(104)に到達し、外部回路電流(134)は外部回路(128)に伝達される。いくつかの実施形態では、ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、周囲の室温環境に配置することによって電力を生成する。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、廃熱を含む熱エネルギー(144)を収集して、有用な電力を生成する。
[0041]ナノスケールエネルギー変換装置の組み立て
[0042]図2A、2Bを参照すると、ナノスケールエネルギー変換装置の製造プロセスを示すフローチャート(200)が提供されている。図3を参照すると、部分的に構築されたナノスケールエネルギー変換装置(300)の実施形態の断面図を示す図(300)が提供されている(縮尺通りでない)。
[0042]図2A、2Bを参照すると、ナノスケールエネルギー変換装置の製造プロセスを示すフローチャート(200)が提供されている。図3を参照すると、部分的に構築されたナノスケールエネルギー変換装置(300)の実施形態の断面図を示す図(300)が提供されている(縮尺通りでない)。
[0043]エミッタ電極(カソード)の作製
[0044]図2A、2B、および3に示され説明されるように、エミッタ電極(302)は、ポリマーベース(330)などのベース(点線で示す)の片側にナノ金属膜(328)を配置(204)することによって製造される(202)。ポリマーベース(330)の厚さは約2nmであり(この値は非限定的と理解されたい)、ナノ金属膜(328)の厚さは約3.7オングストロームである。ポリマーベース(330)は、犠牲的な組み立て部品として使用される。ナノ金属膜(328)は、エレクトロスプレー装置のエレクトロスプレーノズルの近くに配置される(図5、エレクトロスプレーノズル(512)を参照)。エミッタ電極ナノ粒子(図示せず)が、ナノ金属膜(328)上への堆積(208)のために選択される(206)。エミッタ電極(302)用のナノ粒子材料の選択(206)の例示的な実施形態では、ナノ粒子材料と堆積された熱電子放出材料との組み合わせは、(本明細書の他の場所でさらに説明されるように作製された)コレクタ電極(306)の仕事関数値よりも大きい組み合わせの仕事関数値を有する。例示的な実施形態では、2つの電極(302)および(306)の仕事関数値の差(eVで測定される)は、2つの電極(302)および(306)間の電子移動を最大化するために、所定の値以上である。エミッタ電極(302)の適切なナノ粒子材料の部分的なリストは、本明細書の他の場所で提供される。例示的な実施形態では、Wナノ粒子(338)の少なくとも1つの層が、エレクトロスプレーによってナノ金属膜(328)上に堆積(208)されて、ナノ金属膜(328)上にナノ粒子表面(304)を形成する。少なくとも1つの実施形態では、ナノ粒子表面(304)を形成するためのナノ粒子の層の厚さは、約2nm(すなわち、ナノ粒子のおおよその厚さ)であり、ここで2nmの値は非限定的であると見なされるべきである。したがって、ナノ粒子の形態の1つまたは複数の金属材料は、電極(302)および(306)の仕事関数値を減少させ、電極(302)と(306)との間の仕事関数値の差を所定の値より上に維持する機能として、少なくとも部分的にエミッタ電極(302)のナノ粒子表面(304)として選択される。
[0044]図2A、2B、および3に示され説明されるように、エミッタ電極(302)は、ポリマーベース(330)などのベース(点線で示す)の片側にナノ金属膜(328)を配置(204)することによって製造される(202)。ポリマーベース(330)の厚さは約2nmであり(この値は非限定的と理解されたい)、ナノ金属膜(328)の厚さは約3.7オングストロームである。ポリマーベース(330)は、犠牲的な組み立て部品として使用される。ナノ金属膜(328)は、エレクトロスプレー装置のエレクトロスプレーノズルの近くに配置される(図5、エレクトロスプレーノズル(512)を参照)。エミッタ電極ナノ粒子(図示せず)が、ナノ金属膜(328)上への堆積(208)のために選択される(206)。エミッタ電極(302)用のナノ粒子材料の選択(206)の例示的な実施形態では、ナノ粒子材料と堆積された熱電子放出材料との組み合わせは、(本明細書の他の場所でさらに説明されるように作製された)コレクタ電極(306)の仕事関数値よりも大きい組み合わせの仕事関数値を有する。例示的な実施形態では、2つの電極(302)および(306)の仕事関数値の差(eVで測定される)は、2つの電極(302)および(306)間の電子移動を最大化するために、所定の値以上である。エミッタ電極(302)の適切なナノ粒子材料の部分的なリストは、本明細書の他の場所で提供される。例示的な実施形態では、Wナノ粒子(338)の少なくとも1つの層が、エレクトロスプレーによってナノ金属膜(328)上に堆積(208)されて、ナノ金属膜(328)上にナノ粒子表面(304)を形成する。少なくとも1つの実施形態では、ナノ粒子表面(304)を形成するためのナノ粒子の層の厚さは、約2nm(すなわち、ナノ粒子のおおよその厚さ)であり、ここで2nmの値は非限定的であると見なされるべきである。したがって、ナノ粒子の形態の1つまたは複数の金属材料は、電極(302)および(306)の仕事関数値を減少させ、電極(302)と(306)との間の仕事関数値の差を所定の値より上に維持する機能として、少なくとも部分的にエミッタ電極(302)のナノ粒子表面(304)として選択される。
[0045]Wナノ粒子表面(304)が形成されると(208)、ポリマーベース(330)がアセトン溶液を介して除去され(210)、それによってポリマーベース(330)が犠牲材料としてレンダリングされる。これにより、ナノ金属膜(328)上のWナノ粒子表面(304)は、上に熱電子放出材料を受け入れる準備ができる。
[0046]熱電子放射材料(308)の少なくとも1つの層が、Wナノ粒子表面(304)の少なくとも一部に堆積される(212)。一実施形態では、熱電子放射材料(308)のナノ層(nanolayer)が、Wナノ粒子表面(304)の約50%~約70%の表面に堆積される(212)。別の実施形態では、Wナノ粒子表面(304)の表面の約60%が、材料(308)のナノ層を受ける。さらに別の実施形態では、Wナノ粒子表面(304)の約60%に、熱電子放射材料(308)の複数の層が堆積される。堆積された熱電子放射材料(308)は、エミッタ電極(302)の仕事関数値を、Wナノ粒子表面(304)に選択された材料の仕事関数値の値よりも低い値に減少させるように選択される。
[0047]図4を参照すると、バルク材料の要素の仕事関数値を示す表(400)が提供されている。例えば、Wの仕事関数値は4.55eVである。本明細書でさらに説明するように、Wナノ粒子表面(304)へのCs2O(308)の堆積によって、エミッタ電極(302)の仕事関数値が約0.88eVに減少する。したがって、材料の組み合わせは、所望の仕事関数値を作成するように配置され、材料の組み合わせを変更することで、組み合わせの仕事関数値を変えることができる。
[0048]ナノ粒子表面(304)に堆積する熱電子放射材料(308)の選択は、電極(302)(および電極(306))の所望の仕事関数値と、ナノ粒子表面(304)および堆積材料(308)との化学的適合性に部分的に基づく。堆積材料には、トリウム、アルミニウム、セリウム、およびスカンジウム、ならびにセシウム、バリウム、カルシウム、およびストロンチウムなどのアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物が含まれるが、これらに限定されない。
[0049]図5を参照すると、電極基板、すなわちWナノ粒子表面(136/304)およびAuナノ粒子表面(140/310)などのナノ粒子表面上に熱電子放射材料を堆積させるプロセス(500)の斜視図が提供されている。第1のステップ(502)では、テンプレート(504)を基板(506)の近くに配置する。テンプレート(504)は、基板(506)上の所望の堆積パターンに対応する開口パターン(508)を有する。テンプレート(504)は、矢印(524)で示すように、基板(506)の片側の上に配置される。基板(506)は、堆積される堆積材料のパターンを形成するために、基板(506)上への液滴の直接堆積が容易となるように接地されている。
[0050]第2のステップ(510)において、オーバーレイされたテンプレート(504)を有する基板(506)を、エレクトロスプレー装置(図示せず)のエレクトロスプレーノズル(512)の近くに配置しる。エレクトロスプレーノズル(512)からの単分散液滴(514)としての熱電子放射材料の放出は、分散相における均一なサイズのナノ粒子を特徴とする。液滴のエレクトロスプレー(514)(以下、エレクトロスプレーと称す)は、ナノメートルスケール範囲の熱電子放射材料の堆積をサポートするために単分散粒子を生成する。一実施形態では、エレクトロスプレー(514)は、エタノール中の0.1モル(M)Cs2Oナノ粒子の溶液を含み、ここで液滴直径は10ミクロンである。また、一実施形態では、パターン(508)は、約60~200ミクロンの中心間距離を有し、約30~60度の角度、好ましくは45度の角度で互い違いに配置された、直径30~50ミクロンの穴を有する。Cs2Oナノ粒子を含むエレクトロスプレー(514)はテンプレート(504)へと向けられ、テンプレート(504)と基板(506)が矢印(526)で示すようにエレクトロスプレー(514)を通過するのに伴って、ナノ層(516)を形成する。一実施形態では、1平方センチメートル(cm2)あたり1014個のCs2O原子が、基質(506)の目標濃度である。
[0051]第3のステップ(518)において、テンプレート(504)を、矢印(528)で示すように基板(506)から分離して、パターン化された熱電子放射材料(520)を電極基板(506)上に残してエミッタ電極(522)を形成する。図示のように、堆積材料(520)と総称される4つの別個の堆積材料のラインが、W基板(506)上に重なっている。このパターンは単なる例示的パターンであり、限定的なものと見なされるべきではない。一実施形態では、熱電子のパターンは、パターンが電極(522)の動作を実現する限り変えてもよい。したがって、パターン化された熱電子放射材料(520)すなわちCs2Oの単層がW基板(506)上に形成され、少なくとも基板(506)の50%~70%を超える被覆を達成し、ここで60%が最適な被覆率である。少なくとも1つの実施形態では、パターン化された熱電子放射材料(520)の層の厚さは約2nmであるが、ここで2nmの値は非限定的と見なされるべきである。
[0052]本明細書で論じられる層、フィルム、およびコーティングを形成するための、3次元印刷および4次元印刷(4次元は、特性を調整するために印刷中にナノスケール組成を変化させる)を含む、例示的なエレクトロスプレーおよびナノファブリケーション技術ならびに関連機器は、米国特許出願公開第2015/0251213号に記載されている。
[0053]図6を参照すると、粒子サイズの関数としての仕事関数値のグラフ表示(600)を示す図が提供されている。グラフ(600)は、仕事関数値の変化(ΔΦ)を示す垂直軸として本書で表される第1の軸(602)を有し、ここで垂直軸は、eVの単位で0.2の増分で0から1.2までの範囲を有する。グラフ(600)はまた、粒子サイズを示す水平軸として本明細書で表される第2の軸(604)を有し、ここで第2の軸(604)は10の増分でナノメートル(nm)単位で0から60までの範囲を有する。グラフ(600)はまた、粒子サイズとそのサイズに関する仕事関数値の変化との関係を表す曲線(606)を含む。グラフ(600)に示されるように、ナノ粒子サイズの選択は、その仕事関数値に影響を与える。例えば、ナノ粒子クラスタが単一原子に近づくと、仕事関数の値は1eVを超えて変化する。逆に、ナノ粒子のサイズが大きくなると、仕事関数値はバルク材料の測定値に近づく。このように、粒子サイズが小さいほど材料の仕事関数値が大きくなる特性を利用して、ナノスケールエネルギー変換装置(100)の用途を個別に設定することができる。したがって、エミッタ電極およびコレクタ電極(102)/(302)および(104)/(306)上のスプレー堆積(520)について特定のナノ粒子サイズをそれぞれ選択すると、電極間の仕事関数の差が大きくなり、ナノスケールエネルギー変換装置(100)の動作中に転送される電子の数を増やことができる。
[0054]図7を参照すると、電極ナノ粒子表面/基板(136/304)/(506/704)への熱電子放射材料のエレクトロスプレー(514)堆積を介して電極(302/306)のナノ粒子表面(136/304/506/704)上に堆積された共有結合双極子(702)の俯瞰図(700)を示す図が提供される。電極ナノ粒子表面(704)に堆積されたCs2Oのナノ粒子は共有結合を形成し、それによって表面の双極子(702)が形成される(図7には1つのみ示す)。双極子(702)内では、エレクトロスプレー(514)内の帯電したナノ液滴が表面(704)と衝突することによって、正電荷(706)および反対の負電荷(708)が形成される。電荷(706)および(708)は、電荷(706)と(708)との間に電界(710)を誘導し、その結果、双極子(702)は誘導電界(710)の機能として近傍の電磁波を誘導することにより、双極子(702)近傍における双極子モーメントを変更するナノアンテナとして作用する。したがって、電極ナノ粒子表面(704)上に堆積された共有結合した双極子(702)は、被覆領域が最適化されると、仕事関数の低い電極を作成する。
[0055]少なくとも1つの実施形態では、電極(例えば、Wエミッタ電極(302)およびAuコレクタ電極(306))は、長さ20~50ミリメートル(mm)、幅20~50mm、厚さ4~100nmの寸法を有する。100nmの厚さは、エミッタ電極(102/302)からナノ流体(112)へ、およびコレクタ電極(104/306)から第2の導電体(132)への電荷の浸透に基づく。一般に、関連する電極(102/302)および(104/306)を通る電荷の浸透を最大にするために、関連する厚さを小さくすることが好ましい。したがって、少なくとも1つの実施形態では、電極(102/302)および(104/306)は、約4nmの厚さである。
[0056]コレクタ電極(アノード)の作製
[0057]再び図2A、2B、および3を参照すると、コレクタ電極(306)は、エミッタ電極(302)の場合と実質的に同様の方法で製造される(214)。ナノ金属膜(332)が、ポリマーベース(334)(点線で示す)の片側に配置される(216)。ポリマーベース(334)は約2nmの厚さであり(この値は非限定的であると考えるべきである)、ナノ金属膜(332)は約3.7オングストロームの厚さである。ナノ金属膜(332)が、エレクトロスプレー装置のエレクトロスプレーノズルの近くに配置される(図5、エレクトロスプレーノズル(512)参照)。コレクタ電極ナノ粒子(図示せず)が、ナノ金属膜(332)上に堆積(220)するために選択される(218)。コレクタ電極(306)のナノ粒子材料の選択(218)の例示的な実施形態では、ナノ粒子材料と堆積された熱電子放出材料との組み合わせは、(本明細書の他の場所で説明されるように作製される)エミッタ電極(302)の仕事関数値よりも小さい組み合わせの仕事関数値を有する。例示的な実施形態では、2つの電極(302)および(306)の仕事関数値の差(eVで測定される)は、2つの電極(302)および(306)間の電子移動を最大化するために所定の値以上である。コレクタ電極(306)に適切なナノ粒子材料の部分的なリストは、本明細書の他の場所に提供される。例示的な実施形態では、Auナノ粒子(336)の少なくとも1つの層を、エレクトロスプレーによってナノ金属膜(332)上に堆積(220)させ、ナノ金属膜(332)上にナノ粒子表面(310)を形成する。少なくとも1つの実施形態では、ナノ粒子表面(332)を形成するためのナノ粒子の層の厚さは、約2nm(すなわち、ナノ粒子のおおよその厚さ)であり、ここで2nmの値は非限定的であると見なされるべきである。
[0057]再び図2A、2B、および3を参照すると、コレクタ電極(306)は、エミッタ電極(302)の場合と実質的に同様の方法で製造される(214)。ナノ金属膜(332)が、ポリマーベース(334)(点線で示す)の片側に配置される(216)。ポリマーベース(334)は約2nmの厚さであり(この値は非限定的であると考えるべきである)、ナノ金属膜(332)は約3.7オングストロームの厚さである。ナノ金属膜(332)が、エレクトロスプレー装置のエレクトロスプレーノズルの近くに配置される(図5、エレクトロスプレーノズル(512)参照)。コレクタ電極ナノ粒子(図示せず)が、ナノ金属膜(332)上に堆積(220)するために選択される(218)。コレクタ電極(306)のナノ粒子材料の選択(218)の例示的な実施形態では、ナノ粒子材料と堆積された熱電子放出材料との組み合わせは、(本明細書の他の場所で説明されるように作製される)エミッタ電極(302)の仕事関数値よりも小さい組み合わせの仕事関数値を有する。例示的な実施形態では、2つの電極(302)および(306)の仕事関数値の差(eVで測定される)は、2つの電極(302)および(306)間の電子移動を最大化するために所定の値以上である。コレクタ電極(306)に適切なナノ粒子材料の部分的なリストは、本明細書の他の場所に提供される。例示的な実施形態では、Auナノ粒子(336)の少なくとも1つの層を、エレクトロスプレーによってナノ金属膜(332)上に堆積(220)させ、ナノ金属膜(332)上にナノ粒子表面(310)を形成する。少なくとも1つの実施形態では、ナノ粒子表面(332)を形成するためのナノ粒子の層の厚さは、約2nm(すなわち、ナノ粒子のおおよその厚さ)であり、ここで2nmの値は非限定的であると見なされるべきである。
[0058]Auナノ粒子表面(310)が形成されると(220)、ポリマーベース(334)がアセトン溶液を介して除去され(222)、それによってポリマーベース(334)が犠牲材料となる。これにより、ナノ金属膜(332)上のAuナノ粒子表面(310)は、その上に熱電子放出材料を受け入れる準備ができる。
[0059]熱電子放射材料(312)の少なくとも1つの層が、Auナノ粒子表面(310)の少なくとも一部に堆積される(224)。一実施形態では、熱電子放射材料(312)のナノ層が、Auナノ粒子表面(310)の表面の約50%~約70%に堆積される。別の一実施形態では、Auナノ粒子表面(310)の表面の約60%が、材料(312)のナノ層を受ける。さらに別の実施形態では、熱電子放射材料(312)の複数の層が、Auナノ粒子表面(310)の約60%に堆積される。堆積された熱電子放射材料(312)は、コレクタ電極(306)の仕事関数値を、Auナノ粒子表面(310)に選択された材料の仕事関数値の値よりも低い値に減少させるように選択される。図4を参照すると、表(400)は、Auの仕事関数値が5.1eVであることを示す。Auナノ粒子表面(310)へCs2O(312)を堆積させると、コレクタエミッタ電極(306)の仕事関数値は0.65eVに減少する。したがって、エミッタ電極(302)と同様に、電極(302)および(306)の仕事関数値を減少させ、電極(302)および(306)間の仕事関数値の差を所定の値より上に維持する機能として、ナノ粒子の形態の1つまたは複数の金属材料が、少なくとも部分的にコレクタ電極(306)のナノ粒子表面(310)として選択される。
[0060]絶縁体ポストの製作
[0061]電極(302)および(306)を作製したら、ナノスケールエネルギー変換装置(100)/(300)の組み立て(200)に続く。具体的には、コレクタ電極(306)(図3に示す)またはエミッタ電極(302)の一方を、支持のために表面(図示せず)上に配置する。テンプレート(図2には示さず)を使用して、電極(302)および(306)と絶縁体ポスト(314)が空洞(316)を規定するように、電極(302)および(306)間の分離を維持するために、エレクトロスプレー堆積複数の絶縁体ポスト(またはカラム、スタンドオフ、またはマイクロピラー)(314)を製作(226)する。少なくとも1つの実施形態では、テンプレートはグラファイトテンプレートである。一実施形態では、絶縁体ポスト(314)は、アルカンチオール、エアロゲル様特性を有するゾルゲル、コロナドープ、スーパーコロナドープ、シリコン、シリコン酸化物、ポリマー、任意の誘電体材料、または前述の少なくとも1つを含む組み合わせといった誘電材料で製造されるが、これらに限定されない。テンプレートは、熱電子放射材料(308)および(312)へのオーバースプレーが最小限に抑えられるように、アルカンチオールのエレクトロスプレーを可能にするように構成される。一実施形態では、空洞(316)を複数の空洞(316)に分割する1つまたは複数の絶縁体壁が形成される。
[0061]電極(302)および(306)を作製したら、ナノスケールエネルギー変換装置(100)/(300)の組み立て(200)に続く。具体的には、コレクタ電極(306)(図3に示す)またはエミッタ電極(302)の一方を、支持のために表面(図示せず)上に配置する。テンプレート(図2には示さず)を使用して、電極(302)および(306)と絶縁体ポスト(314)が空洞(316)を規定するように、電極(302)および(306)間の分離を維持するために、エレクトロスプレー堆積複数の絶縁体ポスト(またはカラム、スタンドオフ、またはマイクロピラー)(314)を製作(226)する。少なくとも1つの実施形態では、テンプレートはグラファイトテンプレートである。一実施形態では、絶縁体ポスト(314)は、アルカンチオール、エアロゲル様特性を有するゾルゲル、コロナドープ、スーパーコロナドープ、シリコン、シリコン酸化物、ポリマー、任意の誘電体材料、または前述の少なくとも1つを含む組み合わせといった誘電材料で製造されるが、これらに限定されない。テンプレートは、熱電子放射材料(308)および(312)へのオーバースプレーが最小限に抑えられるように、アルカンチオールのエレクトロスプレーを可能にするように構成される。一実施形態では、空洞(316)を複数の空洞(316)に分割する1つまたは複数の絶縁体壁が形成される。
[0062]絶縁体ポスト(314)の高さ(318)は、例えば、1ナノメートル(nm)から10nm未満の範囲であり得る。したがって、空洞(316)は、電極(302)と(306)との間に、1ナノメートル(nm)から10nm未満の範囲の距離にわたって延びる。絶縁体ポスト(314)の幅(320)は、例えば、1ナノメートル(nm)から10nmの範囲であり得る。空洞(322)の幅(322)は、例えば1ナノメートル(nm)から10nmの範囲内であり得る。絶縁体ポスト(314)は、立方体または立方体類似構造として示され、空洞(322)の形状およびサイズと実質的に類似しているが、この構成は限定的ではない。絶縁体ポスト(314)間の距離は、約5~6nmから約1cmによって定義される範囲内である。絶縁体ポスト(314)および空洞(316)の寸法および構成は、ナノスケールエネルギー変換装置(100)/(300)の使用予定に基づいて決定される。したがって、絶縁体ポスト(314)(または壁)は、ナノスケールエネルギー変換装置(100)/(300)内の2つの電極(302)と(306)の間の所定の距離を維持するために、所定の高さで2つの電極(302)および(306)の一方に作製される。
[0063]電極と絶縁体ポストの結合
[0064]電極(302)および(306)と絶縁体ポスト(314)とは一緒に結合されている(228)。上記のように、そして図3に示すように、絶縁体ポスト(314)は、コレクタ電極(306)上に堆積される。図3に示すように、絶縁体ポスト(314)が形成されていない電極、エミッタ電極(302)は、矢印(326)で示すように、絶縁体ポスト(314)の上に載るように降下される。接着剤(324)が、ナノスケールエネルギー変換装置(100)/(300)の外側端部にスポット堆積されて、電極(302)および(306)と絶縁体ポスト(314)とをユニットとして接着する。一実施形態では、装置(100)/(300)が、シリコンまたは二酸化ケイ素のケーシングセグメント、ホットメルト接着剤などのシーラントのいずれかで密封あるいは封入されることによって、または(本書の別の場所で詳述するように)ナノ流体の添加を容易にするために一部を非密封とする以外の装置のすべての側遠部の周りにアルカンチオールフィルムガスケットをエレクトロスプレーすることによって、アセンブリのこの態様が完了する。電極(302)および(306)と絶縁体ポスト(314)の配置によって、それらの間に空洞(316)が規定される(230)。
[0064]電極(302)および(306)と絶縁体ポスト(314)とは一緒に結合されている(228)。上記のように、そして図3に示すように、絶縁体ポスト(314)は、コレクタ電極(306)上に堆積される。図3に示すように、絶縁体ポスト(314)が形成されていない電極、エミッタ電極(302)は、矢印(326)で示すように、絶縁体ポスト(314)の上に載るように降下される。接着剤(324)が、ナノスケールエネルギー変換装置(100)/(300)の外側端部にスポット堆積されて、電極(302)および(306)と絶縁体ポスト(314)とをユニットとして接着する。一実施形態では、装置(100)/(300)が、シリコンまたは二酸化ケイ素のケーシングセグメント、ホットメルト接着剤などのシーラントのいずれかで密封あるいは封入されることによって、または(本書の別の場所で詳述するように)ナノ流体の添加を容易にするために一部を非密封とする以外の装置のすべての側遠部の周りにアルカンチオールフィルムガスケットをエレクトロスプレーすることによって、アセンブリのこの態様が完了する。電極(302)および(306)と絶縁体ポスト(314)の配置によって、それらの間に空洞(316)が規定される(230)。
[0065]ナノ流体の作製と空洞へのナノ流体の添加
[0066]図2Aおよび2Bを参照すると、ナノ流体(112)が作製される(232)。図8を参照すると、誘電媒体(806)にそれぞれ懸濁された複数のAuおよびAgナノ粒子クラスタ(802)および(804)を含むナノ流体(800)の実施形態の断面図が提供されている。いくつかの実施形態では、限定しないが、誘電媒体(806)は、水、シリコーン油、またはアルコールのうちのいずれかである。また、少なくとも1つの実施形態では、誘電媒体(806)はゾルゲルであり、エアロゲルのような特性と、低い熱伝導率値を有し、例えば、摂氏20度(℃)での水の熱伝導率0.6W/m-Kと比較して、メートル度ケルビン(W/m-K)あたりの熱伝導率値が0.013ワットと低く、それを通る熱伝達を低減する。ナノ粒子クラスタ(802)および(804)を作製する前に、適切な材料が選択される。ナノ粒子クラスタ(802)および(804)は、電極(234)の仕事関数値よりも大きい仕事関数値を有する。具体的には、Auナノ粒子クラスタ(802)とAgナノ粒子クラスタ(804)の仕事関数値はそれぞれ4.1eVと3.8eVである。
[0066]図2Aおよび2Bを参照すると、ナノ流体(112)が作製される(232)。図8を参照すると、誘電媒体(806)にそれぞれ懸濁された複数のAuおよびAgナノ粒子クラスタ(802)および(804)を含むナノ流体(800)の実施形態の断面図が提供されている。いくつかの実施形態では、限定しないが、誘電媒体(806)は、水、シリコーン油、またはアルコールのうちのいずれかである。また、少なくとも1つの実施形態では、誘電媒体(806)はゾルゲルであり、エアロゲルのような特性と、低い熱伝導率値を有し、例えば、摂氏20度(℃)での水の熱伝導率0.6W/m-Kと比較して、メートル度ケルビン(W/m-K)あたりの熱伝導率値が0.013ワットと低く、それを通る熱伝達を低減する。ナノ粒子クラスタ(802)および(804)を作製する前に、適切な材料が選択される。ナノ粒子クラスタ(802)および(804)は、電極(234)の仕事関数値よりも大きい仕事関数値を有する。具体的には、Auナノ粒子クラスタ(802)とAgナノ粒子クラスタ(804)の仕事関数値はそれぞれ4.1eVと3.8eVである。
[0067]アルカンチオール材料の単層(808)といった誘電体コーティングの1以上の層をナノ粒子(236)上に例えばエレクトロスプレーで堆積させ、その上に誘電体バリアを形成する。ステップ(236)のアルカンチオール材料は、ドデカンチオールおよびデカンチオールを含むが、これらに限定されない。アルカンチオールなどの誘電体コーティングの堆積により、ナノ粒子クラスタ(802)および(804)の合体が減少する。少なくとも1つの実施形態では、ナノ粒子クラスタ(802)および(804)は、1nm~3nmの直径を有する。一実施形態では、ナノ粒子クラスタ(802)および(804)は2nmの直径を有する。Au(802)およびAg(804)のナノ粒子クラスタは、電荷蓄積機能(つまり、容量性機能)を備えた導電性であり、熱伝導率値が低く空洞(110)および(316)を介した熱伝達を最小限に抑え、オーミック加熱を最小化し、空洞(110)および(316)の空間電荷を除去し、アーク放電を防止するように調整されている。複数のAuおよびAgナノ粒子クラスタ(802)および(804)はそれぞれ誘電媒体(806)中に懸濁(238)されている。したがって、懸濁されたナノ粒子クラスタ(802)および(804)を含むナノ流体(800)は、電子が電荷移動を介してエミッタ電極(102)および(302)から空洞(110)および(316)を横切ってコレクタ電極(104)および(306)へと移動するための導電性経路を提供する。
[0068]Auナノ粒子クラスタ(802)は、ドデカンチオール官能化された金ナノ粒子であり、粒子サイズは1~3nm、約2%(重量/体積パーセント)で、トルエンに懸濁されている。Agナノ粒子クラスタ(804)は、ドデカンチオール官能化された銀ナノ粒子であり、粒子サイズは1~3nm、約0.25%(重量/体積パーセント)で、ヘキサンに懸濁されている。一実施形態では、AuおよびAgナノ粒子クラスタ(802)および(804)の両方の粒子サイズは約2nmである。ナノ粒子クラスタ(802)および(804)のAuおよびAgのコアは、電子を貯蔵および移動する能力のために選択される。一実施形態では、AuおよびAgナノ粒子クラスタ(802)および(804)の50%-50%混合物が使用される。しかしながら、Au対Agが1~99%の範囲の混合物を使用することができる。電子移動は、仕事関数が異なるナノ粒子クラスタ(802)と(804)間で発生しやすい。一実施形態では、ほぼ等しい数の2つの異なるナノ粒子クラスタ(802)および(804)の混合物が、良好な電子移動を提供する。したがって、ナノ粒子クラスタは、粒子サイズ、粒子材料(関連する仕事関数値を有する)、混合比、および電子親和力に基づいて選択される。
[0069]場合によっては、ナノ流体(800)の導電率は、ナノ粒子クラスタ(802)および(804)の濃度を高めることによって増加させることができる。ただし、ナノ流体の導電性にとって最適な濃度は、0.5モル/リットル未満、0.4~0.5モル/リットル、またはさらに低い濃度などの、ナノ粒子の低濃度において見つけることができる。ナノ粒子クラスタ(802)および(804)は、ナノ流体(800)内で約0.1モル/リットルから約2モル/リットルの濃度を有し得る。少なくとも1つの実施形態では、AuおよびAgナノ粒子クラスタ(802)および(804)はそれぞれ、少なくとも1モル/リットルの濃度を有する。
[0070]AuおよびAgナノ粒子クラスタ(802)および(804)などのコロイド粒子の安定性と反応性は、主に、ナノ粒子クラスタ(802)および(804)の表面に吸着または共有結合したアルカンチオールコーティング(808)によって形成されるリガンドシェルによって決定される。ナノ粒子クラスタ(802)および(804)は、凝集して沈殿する傾向があるが、非凝集ポリマーアルカンチオールコーティング(808)のリガンドシェルの存在によって、これらのナノ粒子クラスタ(802)および(804)が浮遊したままとなり、これを防ぐことができる。吸着または共有結合したリガンドは、凝集に対する安定剤として作用し、ナノ粒子クラスタ(802)および(804)に化学的機能を付与するために使用することができる。時間経過とともに、リガンドコーティングの界面活性剤の性質が克服され、凝集したナノ粒子クラスタの低エネルギー状態が形成される。したがって、時間の経過とともに、ナノ粒子クラスタ蓄積の低エネルギー状態による凝集が発生し、界面活性剤の時折の添加が用いられることがある。
[0071]ナノ流体(802)は、例えば、ナノスケールエネルギー変換装置(100)/(300)の残りの密封されていない側を介した毛細管および真空プロセスによって、空洞(110)および(316)に充填される(240)。ナノスケールエネルギー変換装置(100)/(300)の残りの密封されていない側が、シリコンまたは二酸化シリコンのケーシングセグメント、ホットメルト接着剤などのシーラント、または装置の残りの密封されていない側の周りにアルカンチオールフィルムガスケットを電気スプレーすることによってシール(242)されると、アセンブリが完成する。したがって、少なくとも1つの実施形態では、複数のAuおよびAgナノ粒子クラスタ(802)および(804)が誘電媒体(806)中で一緒に混合されて、ナノ流体(112)/(800)が形成され、このナノ流体(112)/(800)が空洞(110)/(316)に挿入されると、ナノスケールエネルギー変換装置(100)/(300)が完全に密閉される。
[0072]一実施形態では、ナノスケールエネルギー変換装置(100)/(300)の寸法は、長さ約20~50mm、幅約20~50mm、厚さ約9~19nm(各電極(102/302および104/306)が約4nmと、それらの間の空洞(110/316)が約1nmから約10nm未満)。装置(100/300)の厚さは、内部の所望の電子の流れに基づいて決定され、他の2つの寸法は、装置(100/300)の所望の全体出力に基づいて拡張可能である。
[0073]ナノスケールエネルギー変換装置の動作原理
[0074]再び図9を参照すると、ナノスケールエネルギー変換装置(100)を用いて電力を生成するプロセス(900)を示すフローチャートが提供されている。本明細書に記載されるように、エミッタ電極(102)が提供され(902)、コレクタ電極(104)が提供され(904)、ここでコレクタ電極(104)の仕事関数値は、エミッタ電極(102)の仕事関数値よりも小さい。エミッタ電極(102)およびコレクタ電極(104)は、互いに所定の距離、すなわち約1nm~約10nm未満に配置される(906)。
[0074]再び図9を参照すると、ナノスケールエネルギー変換装置(100)を用いて電力を生成するプロセス(900)を示すフローチャートが提供されている。本明細書に記載されるように、エミッタ電極(102)が提供され(902)、コレクタ電極(104)が提供され(904)、ここでコレクタ電極(104)の仕事関数値は、エミッタ電極(102)の仕事関数値よりも小さい。エミッタ電極(102)およびコレクタ電極(104)は、互いに所定の距離、すなわち約1nm~約10nm未満に配置される(906)。
[0075]図10を参照すると、エミッタ電極(1002)(WFe)、コレクタ電極(1004)(WFc)、およびその中のナノ流体(1006)(WFnf)の仕事関数間の関係を示す、ナノスケールエネルギー変換装置(1000)の一実施形態の断面図が提供される。図10はまた、電極(1002)および(1004)を分離する一対の絶縁体ポスト(1008)を示す。WFeとWFcの差は、2つの電極(1002)と(1004)との間の接触電位差(CPD)を確立する(908)。具体的には、電極(1002)と(1004)の異種金属、例えばWおよびAuがそれぞれ、その表面の60%に両方ともCs2Oの少なくとも単層を有することから、ナノ流体(1006)を横切って電圧差(VCPD)が誘導される。この実施形態では、WFeの値を0.88eV、WFcの値を0.65eVとすることで、0.23eVのVCPDを誘導する。VCPDは、エミッタ電極(1002)からコレクタ電極(1004)にナノ流体(1006)を介して電子を伝送するために克服しなければならない電場(ECPD)を誘導する。したがって、本明細書でさらに説明するように、この誘導されたCPDにより、エミッタ電極(1002)からコレクタ電極(1004)への電子の熱電子放出が実現する。
[0076]複数のAuナノ粒子クラスタ(1010)およびAgナノ粒子クラスタ(1012)を含むナノ流体(1006)が提供される(910)。この実施形態では、Auナノ粒子クラスタ(1010)およびAgナノ粒子クラスタ(1012)の仕事関数は、それぞれ4.1eVおよび3.8eVである。したがって、集合的な仕事関数WFnfは、WFcより大きなWFeより大きくなる。AuとAgナノ粒子クラスタ(1010)および(1012)の仕事関数値のこの関係は、ブラウン運動および電子ホッピング(本明細書でさらに説明)を介したナノ粒子クラスタ(1010)および(1012)への電子の移動を最適化する。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置(1000)内の材料の選択により、エミッタ電極(1002)からの電子の放出と、ナノ流体(1006)を横切ってコレクタ電極(1004)へ放出された電子の伝導を強化することによって、電流の生成およびその中での伝送が最適化される。
[0077]図11を参照すると、エミッタの仕事関数値がコレクタの仕事関数値よりも大きい場合の効果のグラフ表示(1100)を示す図が提供されている。エミッタ電極(1102)およびコレクタ電極(1104)は、ナノ流体(1108)が充填された空洞(1106)によって分離されている。電極(1102)の表面(1112)からの距離の関数として、電気化学ポテンシャル(フェルミ準位(μe)以上のエミッタ電極(1102)内の電子の熱分布関数(1110))を示している。エミッタ電極(1102)の仕事関数(WFe)は、エミッタ電極(1102)のフェルミ準位(μe)から、エミッタ電極の電位(Ee)まで延びる。同様に、電極(1104)の表面(1116)からの距離の関数として、電気化学ポテンシャル(フェルミ準位(μc))以上のコレクタ電極(1104)の電子の熱分布関数(1114)が示されている。コレクタ電極(1104)の仕事関数(WFc)は、コレクタ電極(1104)のフェルミ準位(μc)から、コレクタ電極の電位(Ec)まで延びる。コレクタ電極(1104)のフェルミ準位(μc)は、電極(1102)および(1104)に接続された負荷(eVload)の電位により上方にシフトし、空洞を横切る接触電位差電圧(VCPD)を誘導し(1108)、ここでeVloadとVCPDは互いに等しい。電位関数(E)は、エミッタ電極(1102)の表面(1112)からコレクタ電極(1104)の表面(1116)まで、つまり矢印(1118)で示すように、電子がナノ流体(1106)および空洞(1108)を横断する際に、EeからEcまで直線的に減衰して示されている。エミッタ仕事関数(WFe)はコレクタ仕事関数(WFc)よりも大きいので、電子はコレクタ電極(1104)に向かって加速され、エミッタ電極(1102)に向かって加速されない。したがって、エミッタ電極(1102)およびコレクタ電極(1104)の材料を、関連する仕事関数およびフェルミ準位の値とともに選択することで、ナノスケールエネルギー変換装置(100)の動作機能が決定される。例示的な実施形態では、エミッタ電極(1102)の仕事関数(WFe)は、外部負荷とコレクタ電極(1104)の仕事関数(WFc)との組み合わせに等しい。
[0078]図12(および図1と9)を参照すると、複数のナノ粒子クラスタの衝突による電子移動を示す図(1200)が提供されている。図12に示すように、ナノ流体(1202)は、誘電媒体(1206)に懸濁された複数のナノ粒子クラスタ(1204)を含む。図示の実施形態では、複数のナノ粒子クラスタ(1204)は、Auナノ粒子クラスタ(1208)およびAgナノ粒子クラスタ(1210)を含んでいる。Auナノ粒子クラスタ(1208)は約4.1eVの仕事関数値を有し、Agナノ粒子クラスタ(1210)は約3.8eVの仕事関数値を有する。ナノ粒子クラスタ(1204)のこれらの仕事関数値は、エミッタ電極(102)(0.88eV)およびコレクター電極(104)(0.65eV)の仕事関数値よりもはるかに大きくなる。ナノ粒子クラスタ(1204)は、ナノ粒子クラスタ(1204)の合体を減らすために上に誘電体バリア(1212)を形成するように、アルカンチオールでコーティングされる。一実施形態では、ナノ粒子クラスタ(1204)は、約2nmの直径を有する。ナノ粒子クラスタ(1204)は、それを通る熱伝達を最小限に抑えながら、容量性(すなわち、電荷蓄積)機能を有する導電性であるように調整される。したがって、懸濁したナノ粒子クラスタ(1204)は、電子が電荷移動を介してエミッタ電極(102)からコレクタ電極(104)まで空洞(110)を横切って移動するための導電性経路を提供する。
[0079]熱で誘発されたブラウン運動により、ナノ粒子クラスタ(1204)は誘電媒体(1206)内を移動し、この移動中に、ナノ粒子クラスタが互いに衝突したり、電極(102)および(104)と衝突したりすることがある。ナノ粒子クラスタ(1204)が誘電媒体(1206)内で動いて衝突すると、ナノ粒子クラスタ(1204)は化学的および物理的に電荷を移動させる。ナノ粒子クラスタ(1204)は、電子(1214)が電極(102)および(104)からナノ粒子クラスタ(1204)へ、および1つのナノ粒子クラスタ(1204)から別のナノ粒子にホップするときに電荷を化学的に転送する。このホップは主に衝突時に発生する。仕事関数値の違いにより、電子(1214)はエミッタ電極(102)からナノ粒子クラスタ(1204)を介してコレクタ電極(104)に移動し、逆方向はあまりない。したがって、エミッタ電極(102)からナノ粒子クラスタ(1204)を介したコレクタ電極(104)への正味の電子電流が、ナノスケールエネルギー変換装置(100)の主要かつ支配的な電流となる。
[0080]ナノ粒子クラスタ(1204)は、電子を受け取ったときのナノ粒子クラスタ(1204)のイオン化と、異なる電荷を帯びた電極(102)および(104)によって生成される電界とによって、物理的に電荷を移動させる(すなわち、一時的な電荷を受ける)。ナノ粒子クラスタ(1204)は、電子(1214)を得たり失ったりする際の衝突時にイオン化する。ナノ流体(1202)内の正負に帯電したナノ粒子クラスタ(1204)は、それぞれ負に帯電したコレクタ電極(104)および正に帯電したエミッタ電極(102)に移動し、電子の流れを提供する。このイオン電流の流れは、電子電流の流れとは逆の方向であるが、電子の流れよりも大きさがはるかに小さい。
[0081]ナノ流体(1202)中で一部のイオンの再結合が発生し、電子とイオンの両方の電流が減少する。電極間隔は、イオン形成を最大化し、イオン再結合を最小化する最適な幅を選択することができる。例示的な実施形態では、電極間隔は10nmよりわずかに小さい。ナノ粒子クラスタ(1204)の最大寸法は約2nmであるため、電極間隔は約3~5ナノ粒子クラスタ(1204)である。この分離距離は、イオンの再結合を最小限に抑えながら、ナノ粒子クラスタ(1204)が動き回って衝突するのに十分なスペースを空洞内に提供する。例えば、一実施形態では、電子はコレクタ電極(104)にホッピングする前に、エミッタ電極(102)から第1のナノ粒子クラスタ(1204)にホッピングし、次に第2、第3、第4、または第5のナノ粒子クラスタ(1204)にホッピングすることができる。ホッピング数が減ると、イオン再結合の機会が軽減される。したがって、ナノ流体(1202)におけるイオン再結合は、イオン形成を最大化し、イオン再結合を最小化するために最適な幅で選択された電極分離距離を通じて最小化される。
[0082]エミッタ電極(102)とコレクタ電極(104)が最初に接近するとき、コレクタ電極(104)の仕事関数が低いため、コレクタ電極(104)の電子はエミッタ電極(102)の電子よりも高いフェルミ準位を有する。このフェルミ準位の差は、フェルミ準位が等しくなるまで、すなわち電気化学ポテンシャルがつり合い、熱力学的平衡が達成されるまで、コレクタ電極(104)からエミッタ電極(102)に電子を転送する正味の電子電流を駆動する。エミッタ電極(102)とコレクタ電極(104)との間で電子が移動すると、エミッタ電極(102)とコレクタ電極(104)との間に電荷の差が生じる。この電荷の差により、エミッタ電極(102)とコレクタ電極(104)の間に接触電位差の電圧(VCPD)と電界が生じ、ここでVCPDの極性は仕事関数の大きな材料によって決定される。フェルミ準位が等しくなると、エミッタ電極(102)とコレクタ電極(104)の間に正味の電流は流れなくなる。したがって、外部負荷なしでエミッタ電極(102)とコレクタ電極(104)を電気的に結合すると、電極(102)と(104)の間の接触電位差が達成され、2つの電極(102)と(104)の間の熱力学的平衡の達成により、電極(102)と(104)の間に正味の電流が流れなくなる。
[0083]ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、追加の熱入力の有無に拘わらず、(例えば、室温で)電力を生成することができる。エミッタ電極(102)に加えられた熱は、その温度を上昇させ、その電子のフェルミ準位を上昇させる。エミッタ電極(102)のフェルミ準位がコレクタ電極(104)のフェルミ準位よりも高い状態では、正味の電子電流が、エミッタ電極(102)からナノ流体(1202)を通ってコレクタ電極(104)に流れる。外部回路(128)が接続されている場合、同量の電子電流が外部回路電流(134)を通ってコレクタ電極(104)からエミッタ電極(102)に流れる。エミッタ電極(102)に追加された熱エネルギーは、電子(1214)によってコレクタ電極(104)に運ばれる。追加されたエネルギーの大部分は、有用な仕事に変換するために外部回路(128)に転送され、追加されたエネルギーの一部は、衝突時にコレクタ電極(104)に転送され、最終的に廃棄エネルギーとして周囲に失われる。エミッタ電極(102)へのエネルギー入力が増加すると、最も高いエネルギーの電子が放出されるにつれて電極(102)の温度が低下し、エミッタ電極(102)からの電子透過率が増加し、それによってより多くの電流が発生する。エミッタ電極(102)が電子をナノ粒子クラスタ(1204)に放出すると(912)、エネルギーはナノスケールエネルギー変換装置(100)に蓄積される。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、電荷を生成、貯蔵、および伝達し、温度差が存在する場合、熱エネルギーを移動させ、追加の熱エネルギーにより、エミッタ電極(102)からナノ流体(1202)への電子の生成が増加する。
[0084]ナノ流体(1202)は、ナノ粒子クラスタ(1204)のブラウン運動(914)によって誘発されるナノ粒子クラスタ(1204)のエミッタ電極(102)との衝突から、エミッタ電極(102)から可動のナノ粒子クラスタ(1204)の1つに(中間接触電位差を介して)電荷を移すために使用される。それぞれ約4.1eVと約3.8eVという大きな仕事関数を有するAuナノ粒子クラスタ(1208)およびAgナノ粒子クラスタ(1210)を含む異種のナノ粒子クラスタ(1204)を選択することで、エミッタ電極(102)からナノ粒子クラスタ(1204)への電子の移動とコレクタ電極(104)への電子の移動が最適化される。単一のナノ粒子クラスタは、混合のナノ粒子クラスタよりも速く凝集する。
[0085]電子(1214)がナノ粒子クラスタ(1204)からナノ粒子クラスタ(1204)へとホップすると、電子(1214)がすでにナノ粒子クラスタ(1204)に存在する場合に別の電子(1214)をナノ粒子クラスタ(1204)にホップさせるために必要な追加作業を含む単一電子帯電効果が、追加の電子(1214)をその特定のナノ粒子クラスタ(1204)にホッピングできるかどうかを判断する。具体的には、ナノ粒子クラスタ(1204)は、ナノ粒子クラスタ(1204)への所定数を超える電子のホッピングを防止する電圧フィードバックメカニズムを含む。これにより、許容数を超える電子が同時にナノ粒子クラスタに存在するのが防がれる。一実施形態では、任意のナノ粒子クラスタ(1204)上には、一度に1つの電子(1214)のみが許可される。したがって、ナノ流体(1202)を介した電流の伝導中に、単一の電子(1214)がナノ粒子クラスタ(1204)にホップする。電子(1214)は、ナノ粒子クラスタ(1204)上に無期限に留まるわけではなく、ナノ粒子クラスタ(1204)のブラウン運動に起因する衝突を通じて、次のナノ粒子クラスタ(1204)またはコレクタ電極(104)のいずれかにホップオフする。ただし、電子(1214)は、さらなる電子(1214)が同時にナノ粒子クラスタ(1204)にホップするのを防ぐために必要な電圧フィードバックを提供するのに十分な時間、ナノ粒子クラスタ(1204)に留まる。ナノ粒子クラスタ(1204)をわたる電子(1214)のホッピングでは、媒体中の電流の流れに関連する抵抗加熱が回避される。特に、ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、静電力を導入するために外部電源による事前帯電を必要としない。これは、装置(100)が、ブラウン運動によりナノ粒子クラスタ(1204)間の接触時に発生する摩擦電荷で自己帯電するためである。したがって、ナノ流体(1202)をわたる電子ホッピングは、ナノ粒子クラスタ(1204)上に一度に1つの電子(1214)に制限される。
[0086]電流がナノ流体(1202)を通って流れ始めると、放出された(1214)電子と置換電子との間の正味のエネルギー交換によって、エミッタ電極(102)から離れる実質的なエネルギーフラックスが実現する。エミッタ電極(102)に接続された第2の導電体(132)からの置換電子は、エミッタ電極(102)の材料に関連するフェルミエネルギーの平均値に等しいエネルギーの値ではなく、フェルミエネルギーの平均値よりも低いエネルギーで到着する。そのため、置換電子の置換エネルギーがエミッタ電極(102)の化学ポテンシャルと等しいのではなく、電子置換プロセスは、エミッタ電極(102)のフェルミエネルギーより下の利用可能なエネルギー状態で行われる。電子がフェルミ準位より上で放出され、フェルミエネルギーより下の電子に置換されるプロセスは、逆ノッティンガム効果と呼ばれることもある。したがって、エミッタ電極(102)の仕事関数値が約0.88eVと低いことで、放出された電子をより低いエネルギーレベルの電子で置き換えて、エミッタ電極(102)に冷却効果を誘発することができる。
[0087]複数のナノスケールエネルギー変換装置(100)が、本明細書に記載の熱電エネルギー変換機能を有する少なくとも1つの実施形態によって区別される。一般に、ナノ流体(1202)は、ナノスケールエネルギー変換装置(100)が複数の温度範囲で動作するように選択される。一実施形態では、関連するナノスケールエネルギー変換装置(100)の温度範囲は、装置(100)の電力出力を変調するように制御される。一般に、エミッタ電極(102)の温度が上昇すると、そこからの熱電子放出のレートが上昇する。ナノ流体(1202)の動作温度範囲は、ナノスケールエネルギー変換装置(100)の所望の出力、熱電変換を最適化する温度範囲、および流体特性に基づく。したがって、ナノ流体(1202)の異なる実施形態は、装置(100)の異なるエネルギー出力のために設計される。例えば、ナノ流体(1202)について、誘電媒体(1206)がシリコーンオイルの場合、250°C以上のシリコーンオイルの粘度の変化によるエネルギー変換の有害な変化を回避するために、ナノ流体(1202)の温度を250°C未満に維持する必要がある。一実施形態では、実質的に熱電子放出のためのナノ流体(1202)の温度範囲は、室温(すなわち、約20℃~約25℃)から約70~80℃までであり、熱電子および熱電変換用のナノ流体は70~80°C以上であり、主な制限は材料の温度制限である。熱電変換を含む動作用のナノ流体(1202)は、ナノスケールエネルギー変換装置(100)内の電力密度を最適化することによって熱電変換を最適化する温度範囲を含み、それによって装置(100)の出力を最適化することができる。少なくとも1つの実施形態では、ナノ流体(1202)の温度を調節するためのメカニズムは、装置(100)のエネルギー出力の一部をナノ流体(1202)に迂回させることを含む。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置(100)の特定の実施形態の空洞(110)は、特定の温度範囲を超える熱電エネルギー変換、またはそれ自体その温度範囲以下の熱電エネルギー変換を得るためのナノ流体(1202)で満たされ得る。
[0088]本明細書の他の箇所に記載するように、少なくとも1つの実施形態では、誘電媒体(1206)は、約1.0ワット/メートル度ケルビン(W/(m-K))未満の熱伝導率値を有する。少なくとも1つの実施形態では、誘電媒体(1206)の熱伝導率は、摂氏約20度(°C)での水の熱伝導率0.6W/(m・K)と比較して、約0.013W/(m・K)と低い。したがって、ナノ流体(1202)は、低い熱伝導率値で空洞(110)を介した熱伝達を最小限に抑えられる。低熱伝導率のナノ流体(1202)は熱輸送を小さくできるので、動作中に2つの電極(102)と(104)との間の高い温度差を維持することができる。これらの実施形態は、ナノ流体(1202)を介した熱伝達が最小であることが望まれる、熱電子放出のみを使用するそれらのナノスケールエネルギー変換装置(100)のために設計されている。
[0089]ナノスケールエネルギー変換装置(100)のいくつかの代替実施形態では、ナノ流体(1202)を介したより大きな熱伝達が望まれる。ナノスケールエネルギー変換装置(100)は、約10nm未満の空洞(110)の寸法を有する。約1nm~約10nm未満のこの所定の距離範囲において、ナノ流体(1202)の熱伝導率値および電気伝導率値は、空洞の所定の距離が約100nmより大きい場合のナノ流体(1202)の熱伝導率および電気伝導率値よりも高くなる。ナノ流体(1202)の熱伝導率と電気伝導率の値のこの増加は、いくつかの要因による。第1の要因は、ナノ流体(1202)内の複数のナノ粒子クラスタ(1204)間のフォノンと電子の移動が強化されること、複数のナノ粒子クラスタ(1204)と第1の電極(102)との間のフォノンと電子の移動が強化されること、および複数のナノ粒子クラスタ(1204)と第2の電極(104)の間のフォノンと電子の移動が強化されることである。第2の要因は、約10nm未満のスケールで見られる、より閉じ込められたボリュームでのナノ粒子クラスタ(1204)のブラウン運動の影響の強化である。電極(106)間の距離が約10nm以下になると、浮遊するナノ粒子クラスタ(1204)を有するナノ流体(1202)の流体連続体の特性が変化する。例えば、空洞(110)の体積に対する粒子サイズの比率が増加すると、希薄な溶液におけるブラウン運動のランダムな対流のような効果が支配的になる。そのため、ナノ粒子クラスタ(1204)が他のナノ粒子クラスタ(1204)や電極(102)および(104)の表面と衝突することで、フォノンと電子の移動が促進され、熱伝導率と電気伝導率の値が増加する。第3の要因は、ナノ流体(1202)内にナノ粒子クラスタ(1204)マトリックスが少なくとも部分的に形成されることである。一実施形態では、マトリックスの形成は、時間の要因および/またはナノ流体(1202)中のナノ粒子クラスタ(1204)の濃度に基づく。特定の条件下で、ナノ粒子クラスタ(1204)は、互いに近接する機能としてナノ流体(1202)内にマトリックスを形成し、他のいくつかのナノ粒子クラスタ(1206)は当該マトリックスから独立したままとなる。第4の要因は、所定のナノ粒子クラスタ(1204)の密度であり、一実施形態では1リットルあたり約1モルである。したがって、空洞(110)の寸法が約10nm未満と非常に小さいことで、その中のナノ流体(1202)の熱伝導率および電気伝導率の値が増加する。
[0090]さらに、ナノ粒子クラスタ(1204)は非常に薄く、それらは一次元、すなわちそれらの特徴的な長さのみを有すると考えられている。この極端な薄さは、量子閉じ込めと呼ばれるプロセスで電子と正孔を制限し、電気伝導率を向上させる。異なる量子閉じ込めを持つ粒子が衝突すると、電極(102)と(104)への電荷の移動が促進される。ナノ粒子クラスタ(1204)のサイズが小さいと、その表面の影響が大きくなり、熱伝導率が高くなる傾向がある。ナノスケールエネルギー変換装置(100)の実施形態は、メートルあたり約1シーメンス(S/m)を超える高い導電率値を有する。また、熱伝導率が向上した装置(100)の実施形態は、約1W/m・Kを超える熱伝導率値を有する。
[0091]エミッタ電極(102)からの電子(1214)の熱電子放出と、ホッピングによるナノ粒子クラスタ(1204)からナノ粒子クラスタ(1204)へのナノ流体(1202)をわたる電子(1214)の移動は、両方とも量子力学的効果である。
[0092]本明細書に記載されるような熱電子放出によるエミッタ電極(102)からの電子の放出は、エネルギー選択的なメカニズムである。エミッタ電極(102)とコレクタ電極(104)との間の空洞(110)内のクーロンバリアは、ナノ粒子(1204)と空洞(110)内の電極(102)および(104)との相互作用によって誘導される。クーロンバリアは、少なくとも部分的に、複数のナノ粒子クラスタ(1204)の数と材料組成によって誘導される。ナノ流体(1202)を介して誘導されるクーロンバリアは、約1eVの大きさのオーダーのエネルギー選択バリアを提供する。したがって、ナノ流体(1202)は、電子の放出および伝達に対してエネルギー選択的なバリアを提供する。
[0093]熱電子バリアを克服し、このバリアを克服するために必要なエネルギーレベル以上の電子(1214)をエミッタ電極(102)から放出させるために、エミッタ電極(102)およびコレクタ電極(104)の材料の選択は、仕事関数値とフェルミ準位値に応じて選択される。2つの金属電極(102)と(104)およびナノ粒子クラスタ(1204)のフェルミ準位は、電極(102)と(104)からナノ粒子クラスタ(1204)に電子(1214)をトンネリングすることによって整列させようとする。2つの電極(102)と(104)との間の電位差(本明細書の他の箇所に記載)で熱電子バリアが克服され、エミッタ電極(102)からの電子(1214)の放出は、熱電子ブロックを克服するのに十分なエネルギーで発生する。特に、冷却目的で、エミッタ電極(102)からより高いエネルギーの電子を除去すると、電子(1214)の放出により、より低いエネルギーの電子で実現されるよりも多くの熱エネルギーがエミッタ電極(102)から取り去られる。したがって、エネルギー選択的バリアは、熱電子バリアがない場合に発生するよりも高いエネルギーレベルの電子の熱電子放出によって克服される。
[0094]電子(1214)が熱電子放出によってエミッタ電極(102)から放出されると、熱電子バリアは、ナノ流体(1202)を介した電子(1214)のさらなる伝送に対する障害となり続ける。約1~10nmのオーダーのより小さなギャップは、空洞(110)を横切る短距離の電子ホッピング、すなわち電界放出を容易にする。電子ホッピングに必要なエネルギーは、熱電子放出に必要なエネルギーよりもはるかに低いため、電子ホッピングは装置(100)のエネルギー生成特性に大きな影響を与える。ナノ流体(1202)の設計により、エネルギー選択的なトンネリング(ホッピング)が可能になる。これは特殊な形式のバリア(低エネルギー電子に対してより広いギャップを持つ)によるものであり、フェルミ準位を超える電子が主要なホッピング成分となる。電子ホッピングの方向は、電極(102)と(104)のさまざまな材料と、それらに関連する仕事関数およびフェルミ準位の値の選択によって決定される。ナノ流体(1202)を横切る電子ホッピングは、流体(1214)の温度が電子移動中に比較的変化しないように所定の温度勾配を維持しながら、空洞(110)を横切って電子(1214)と共に熱エネルギーを伝達する。したがって、放出された電子は、ナノ流体(1202)の温度を上昇させることなく、エミッタ電極(102)から空洞(110)を横切ってコレクタ電極(104)に熱エネルギーを輸送する。
[0095]ナノスケールエネルギー変換装置の応用例
[0096]図13を参照すると、ナノスケールエネルギー変換装置(1300)の使用の一実施形態を示す図が提供されている。ソースからの熱エネルギー(1302)は、エミッタ電極(1304)に入る。電子(1306)は、エミッタ電極(1304)から熱電子的に放出される(1318)。電子(1306)は、本明細書に記載されるように、ナノ流体(1310)で満たされた空洞(1308)を横断する。電子(1306)は、電子(1306)を収集するコレクタ電極(1312)に到達し(1320)、第1の導電体(1322)を通って負荷(1316)に伝達されて仕事を行う出力電子流(1314)を生成する。負荷(1316)は、第2の導電体(1324)によってエミッタ(1304)に接続されている。矢印(1326)で表される電流は、電子の流れ(1314)とは逆の方向に流れる。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置(1300)は、廃熱や周囲熱を含む熱エネルギー(1302)を収集して、電力(1314)を生成する。
[0096]図13を参照すると、ナノスケールエネルギー変換装置(1300)の使用の一実施形態を示す図が提供されている。ソースからの熱エネルギー(1302)は、エミッタ電極(1304)に入る。電子(1306)は、エミッタ電極(1304)から熱電子的に放出される(1318)。電子(1306)は、本明細書に記載されるように、ナノ流体(1310)で満たされた空洞(1308)を横断する。電子(1306)は、電子(1306)を収集するコレクタ電極(1312)に到達し(1320)、第1の導電体(1322)を通って負荷(1316)に伝達されて仕事を行う出力電子流(1314)を生成する。負荷(1316)は、第2の導電体(1324)によってエミッタ(1304)に接続されている。矢印(1326)で表される電流は、電子の流れ(1314)とは逆の方向に流れる。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置(1300)は、廃熱や周囲熱を含む熱エネルギー(1302)を収集して、電力(1314)を生成する。
[0097]図14を参照すると、一実施形態では廃熱または廃熱副産物である熱(1404)から電力を生成する、積層型またはグループ化されたナノスケールエネルギー変換装置(1402)のシステム(1400)を示す図が提供される。システム(1400)は、絶縁されたケーシング(1406)内に複数のナノスケールエネルギー変換装置(1402)を含む。各ナノスケールエネルギー変換装置(1402)は少なくとも0.024ワット/セルを生成でき、システム(1400)は約1550ワット/リットルの電力密度に達することができ、したがって約64,583個の装置(1402)が関与する。3キロワット(kW)を使用する特定の住宅の場合、一実施形態では、典型的な家庭に電力を供給するシステム(1400)は、約2リットルのシステムを必要とする。積層されたナノスケールエネルギー変換装置(1402)(直列または並列)は、所望の電流および電圧特性の電力システムを得るための電力フラックスを定義する。さらに、追加のデバイス(1402)によって熱除去機能が強化されている。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置(1402)は、様々な用途の下で電力を提供するように拡張可能かつ構成可能である。
[0098]図15を参照すると、半導体チップなどの電子チップ(1504)に結合され、電子チップ(1504)からの廃熱から電気エネルギーを収集するナノスケールエネルギー変換グループ(1502)を含む廃熱収集システム(1500)を示す図が提供されている。このようなシステム(1500)は、携帯電話や他の携帯用電子機器での使用に適している。電子チップ(1504)は、接着剤(1506)、例えば、限定されないが、エポキシ接着剤でナノスケールエネルギー変換グループ(1502)に取り付けられている。積層型ナノスケールエネルギー変換装置グループ(1502)は、例えば、限定されないが、約35個の積層されたナノスケールエネルギー変換装置を含む。一実施形態では、積層型ナノスケールエネルギー変換装置の数量は、半導体チップのサイズや寸法に応じて変動し得る。例えば、一実施形態では、この数量は最小1から1000を超える積層型ナノスケールエネルギー変換装置の範囲であり得る。同様に、一実施形態では、複数のナノスケールエネルギー変換装置のスタックは、その層を形成する。ナノスケールのエネルギー変換グループ(1502)は、輻射熱伝達(1508)と自然対流熱伝達(1510)の両方によって冷却される。ナノスケールエネルギー変換グループ(1502)は温度差によって駆動され、ここで電子チップ(1504)は約100°Cで動作している。収集された電力は、システム(1500)を冷却するために使用する必要はない。ナノスケールエネルギー変換グループ(1502)は、必要に応じて電流および電圧を倍増するための所定数のナノスケールエネルギー変換装置を含む。したがって、ナノスケールのエネルギー変換グループ(1502)は、自然対流と放射を組み合わせて冷却することができ、電力を消費する流体移動装置を設置する必要がない。
[0099]図16を参照すると、太陽電池アレイ(1606)からの熱副産物(1608)から電気エネルギーを収集する、太陽電池アレイ(1606)に結合されたナノスケールエネルギー変換装置(1604)のアレイ(1602)を含む発電システム(1600)を示す図が提供される。限定されないウルトラキャパシタなどのエネルギー貯蔵装置(1610)が、ナノスケールエネルギー変換装置(1604)のアレイ(1602)に電気的に接続されている。ナノスケールエネルギー変換装置(1604)を発電システム(1600)に統合することにより、アレイ(1602)が、太陽電池アレイ(1606)を冷却すると同時に、相乗的に電力を生成して、光起電力の生産を増強することができる。太陽光発電の強化に加えて、ナノスケールエネルギー変換装置(1604)の統合により、温水、地熱源、自動車の廃熱源などの他の熱電力源を増強して、電力の生成を強化することができる。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置(1604)は、複数のエネルギー回収装置と統合され、このような統合なしでは達成できないような高いエネルギー密度の装置を生成することができる。
[0100]本明細書に記載の少なくとも1つの実施形態では、本開示は一般に、電池などの超長寿命エネルギー源を対象とし、より具体的には、ナノスケールエネルギー変換装置を対象とする。イオン化は、ナノスケールエネルギー変換装置の電子トンネリングと熱電子放出の組み合わせによって提供される。電荷移動は、流体(例えば、ナノ流体)に懸濁された導電性ナノ粒子が熱的に誘発されたブラウン運動によって衝突することによって行われる。この装置の設計により、低温および高温(室温を含む)での周囲エネルギーの抽出が可能になる。このため、電極は互いに非常に接近しており、電子が電極間の距離を移動できるようになっている。幅広い温度範囲で放出されたこれらの電子は、ナノ流体が電子の伝導経路を提供することからギャップを越えて進み、熱伝達を最小限に抑えてナノスケールの熱機関を維持し、アーク放電が防止される。熱電子変換器に関して、これらの装置の電気効率は、エミッタ電極(カソード)およびコレクタ電極(アノード)に堆積した非常に低い仕事関数の材料に依存している。2つの低仕事関数電極の効率は、室温でも電子を十分に熱電子放出できるカソードを開発することによって向上させることができる。これらの仕事関数が低いカソードとアノードは、大量の電子を提供する。同様に、トンネリング装置は、設計されたナノ流体によって分離された2つの低仕事関数電極を備える。電極放出による冷却とは、ナノ流体ギャップを介して冷却対象(カソード)から熱除去電極(アノード)まで高温の電子を移すことを指す。本実施形態では、タングステンと金にそれぞれ酸化セシウムを含む2つの低仕事関数電極をエレクトロスプレーで成膜する技術、エネルギー選択的な電子伝達による熱電子放出と電子の量子ホッピング、装置内の熱伝達を最小限に抑えながら電気を伝導する熱電素子として調整されたナノ流体、装置および外部熱源と熱的に接触しているアノード電気接続からの熱伝達など、複数の技術を結合している。この技術の結合により、実現可能な熱電子発電機が製造される。
[0101]本明細書に記載の実施形態のナノスケールエネルギー変換装置は、任意のサイズスケールの電気用途のために、長寿命で常時充電可能なバッテリーを介して電気エネルギーの生成を容易にする。本明細書に記載の実施形態の装置は、現在利用可能な単一および二重変換電池よりも優れた変換効率を有する電池を提供する。さらに、本明細書に記載の実施形態の装置は、集積回路の一体型部分として製造され、集積回路に電気エネルギーを提供することができる。本明細書に記載の実施形態の装置は、有用な値の電力出力を備えた比較的動作寿命が長い軽量でコンパクトな多重変換電池である。さらに、調整された仕事関数に加えて、本明細書に記載の実施形態のナノ粒子クラスタは、熱電材料を含む多相ナノ複合材料である。単一の装置内で熱電機能と熱イオン機能を組み合わせることで、本明細書に記載の実施形態のナノスケールエネルギー変換装置の発電能力はさらに強化される。
[0102]周囲の熱エネルギーを使用可能な電気に変換することで、特に分散した場所にある多数の電子機器を長期間使用する必要がある場合に、電気化学電池などの従来の電源への電子機器の依存を相殺または置換することができる環境発電が可能になる。環境発電は、従来の電池や配線による電源とは異なり、数年単位の卓越した寿命、メンテナンスの少なさ、廃棄や汚染の問題が少ないなどの固有の利点がある。本明細書に記載のナノスケールエネルギー変換装置は、熱エネルギーを効率的に収集するための低コストの新規な発電機である(電子の流れを開始するための初期の温度差や温度勾配を必要としない)。
[0103]本明細書に記載の実施形態のナノスケールエネルギー変換装置は、多数の発電要件にわたって拡張可能である。これらの装置は、ミリワット(mW)、ワット(W)、キロワット(kW)、およびメガワット(MW)の範囲の電力を必要とするアプリケーション向けに設計することができる。mWレンジの装置の例には、IoT(Internet of Things)に関連する機器(家電製品、車両(通信のみ))、携帯型ポータブル電子機器(携帯電話、医療機器、タブレット)、および組み込みシステム(RFID、ウェアラブル)が含まれるがこれらに限定されない。ワットレンジの装置の例には、携帯型センサ、ネットワーク、ロボット機器、コードレスツール、ドローン、家電製品、おもちゃ、車両、ユーティリティ照明、エッジコンピューティングが含まれるがこれらに限定されない。kWレンジの装置の例には、住宅用オフグリッド装置(化石燃料のバックアップ発電機ではなく)、レジリエント/サステナブルな住宅、ポータブル発電機、電気式の無音の輸送手段(水上輸送を含む)、および宇宙船が含まれるがこれらに限定されない。MWレンジの装置の例には、産業用/データセンター/施設用のオフグリッド装置(無停電電源装置など)、レジリエント複合施設、都市センター、商業用および軍用機、空飛ぶ車、鉄道/機関車/トラック/船上輸送が含まれるがこれらに限定されない。
[0104]本実施形態の態様は、実施形態による方法および装置(システム)のフローチャート図および/またはブロック図のうちの1つまたは複数を参照して本明細書に記載されている。実施形態は、例えば、ある実施形態を用いて別の実施形態を変更できるように、互いに組み合わせることができる。
[0105]本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、実施形態を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形の「a」、「an」および「the」は、文脈が明らかに他のことを示さない限り、複数形も含むことを意図している。本明細書で使用される場合、「含む」および/または「備える」という用語は、記載された特徴、数、ステップ、操作、要素、および/またはコンポーネントの存在を指定するが、1つまたは複数の他の機能、数、ステップ、操作、要素、コンポーネント、および/またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではないことがさらに理解される。
[0106]以下の特許請求の範囲におけるすべてのミーンズまたはステッププラスファンクション要素の対応する構造、材料、行為、および同等物は、具体的に請求された他の請求された要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料、または行為を含むことを意図する。本実施形態の説明は、例示および説明の目的で提示されたが、網羅的であることや、開示された形式の実施形態に限定されることを意図するものではない。実施形態の範囲および精神から逸脱することなく、多くの修正および変形が、当業者には明らかであろう。実施形態は、実施形態の原理および実際の適用を最もよく説明し、当業者が企図された特定の使用に適した様々な変更を伴う様々な実施形態を理解できるようにするために選択および説明された。廃熱エネルギーを使用可能な電気エネルギーに効率的に変換する集熱装置としてのナノスケールエネルギー変換装置の実装は、小型発電機の柔軟な使用を容易にする。したがって、図1~16に図示し説明したようなナノスケールエネルギー変換装置および関連する実施形態は、周囲温度環境を含むほとんどの既知の環境で熱の変換を通じて電力を供給する。
[0107]特定の実施形態が本明細書に例示の目的で記載されているが、実施形態の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができることが理解されよう。特に、ナノスケールエネルギー変換装置は、静止状態または比較的静止状態からの廃熱を収集するように構成されているように示されている。あるいは、ナノスケールエネルギー変換装置は、運動中に熱または廃熱を収集するように構成することができる。したがって、実施形態の保護範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物によってのみ制限される。
Claims (28)
- 第1の仕事関数値を有する第1の電極と、
第2の仕事関数値を有する第2の電極であって、当該第2の仕事関数値は前記第1の仕事関数値とは異なり、前記第2の電極は該第1の電極から距離を置いて配置されている第2の電極と、
前記第1電極と前記第2電極の間に形成された空洞と、
前記空洞内に配置された誘電媒体と、
前記誘電媒体中に浮遊する複数のナノ粒子と、
を含むことを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、前記第1の仕事関数値が前記第2の仕事関数値よりも大きいことを特徴とする装置。
- 請求項1または2に記載の装置において、前記第1および第2の仕事関数は、前記第1および第2の電極間に接触電位差を誘導し、前記複数のナノ粒子は、前記複数のナノ粒子を介して前記第1の電極から前記第2の電極への電子の移動を最適化する第3の仕事関数値を有することを特徴とする装置。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載の装置において、前記第1の電極はエミッタであり、前記第2の電極はコレクタであることを特徴とする装置。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の装置において、前記第1の電極と前記第2の電極の間の距離は、少なくとも1ナノメートルから10ナノメートル未満の第1の範囲内にあることを特徴とする装置。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載の装置において、前記誘電媒体と前記浮遊するナノ粒子とがナノ流体を形成することを特徴とする装置。
- 請求項6に記載の装置において、前記ナノ流体の熱伝導率の増加が、前記ナノ流体内の複数のナノ粒子間、前記複数のナノ粒子と前記第1の電極間、前記複数のナノ粒子と前記第2の電極間、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるフォノン移動を含むことを特徴とする装置。
- 請求項6または7に記載の装置において、前記ナノ流体は、ナノ流体内にナノ粒子マトリックスが少なくとも部分的に形成されていること、1リットルあたり約1モルのナノ粒子密度、またはそれらの組み合わせを含むナノ粒子特性を有することを特徴とする装置。
- 請求項1乃至8のいずれかに記載の装置において、前記誘電媒体が、アルコール、シリコーンオイル、またはそれらの組み合わせを含むことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至9のいずれかに記載の装置において、各ナノ粒子の上に、誘電体コーティング材料として非凝集性ポリマーで形成された外側層をさらに有することを特徴とする装置。
- 請求項1乃至10のいずれかに記載の装置において、前記複数のナノ粒子の各ナノ粒子は、約1から約3ナノメートルの範囲内の直径を有することを特徴とする装置。
- 請求項1乃至11のいずれかに記載の装置において、前記複数のナノ粒子は、当該複数のナノ粒子を介した電子ホッピングを促し、この電子ホッピングは、温度勾配を維持しながら、前記空洞を横切って熱エネルギーと電子を移動させることを特徴とする装置。
- 請求項1乃至12のいずれかに記載の装置において、前記第1および第2の電極は、それぞれのナノメタル膜を含むことを特徴とする装置。
- 電力を生成するための方法であって、
第1の仕事関数値を有する第1の電極を提供するステップと、
第2の仕事関数値を有する第2の電極を提供するステップと、
前記第1の電極を前記第2の電極から距離を置いて配置するステップと、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に接触電位差を確立するステップと、
複数のナノ粒子を、前記距離によって規定された空洞内に提供するステップと、
前記第1の電極から複数の電子を放出するステップと、
前記ナノ粒子のブラウン運動を介して、放出された複数の電子を前記第2の電極に伝達するステップとを含むことを特徴とする装置。 - 請求項14に記載の方法において、前記距離が1ナノメートルから10ナノメートル未満の範囲にあることを特徴とする方法。
- 請求項14または15に記載の方法において、さらに、
前記複数の電子を、電子ホッピングによって前記複数のナノ粒子を介して前記第2の電極に伝達するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項16に記載の方法において、前記電子ホッピングは、温度勾配を維持しながら、前記空洞を横切って熱エネルギーと電子を伝達することを特徴とする方法。
- 請求項16または17に記載の方法において、前記電子ホッピングは、少なくとも部分的に前記空洞内に誘起されるクーロンバリアに起因するエネルギー範囲内にあることを特徴とする方法。
- 請求項18に記載の方法において、前記クーロンバリアは、前記複数のナノ粒子の量および材料組成によって少なくとも部分的に誘導されることを特徴とする方法。
- 請求項18または19に記載の方法において、前記第1の電極は第1の材料を含み、前記第2の電極は前記第1の材料とは異なる第2の材料を含み、熱電子バリアが、前記第1および第2の材料の異なる第1および第2の仕事関数値によって誘導される電位差によって、少なくとも部分的に克服されることを特徴とする方法。
- 請求項14乃至20のいずれかに記載の方法において、前記複数のナノ粒子は、前記複数のナノ粒子を介して前記第1の電極から前記第2の電極への電子の移動を最適化する第3の仕事関数値を有することを特徴とする方法。
- 請求項14乃至21のいずれかに記載の方法において、前記空洞にナノ流体を充填するステップをさらに含み、前記ナノ流体は、熱電子変換(thermionic conversion)および熱電変換(thermoelectric conversion)のうちの少なくとも1つをサポートすることを特徴とする方法。
- 請求項22に記載の方法において、熱電子変換に限定した動作をサポートする第1の温度範囲と、熱電子変換および熱電変換をサポートする第2の温度範囲とを含む、前記ナノ流体の温度範囲を制御するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
- 請求項23に記載の方法において、出力を調節するために前記ナノ流体の温度範囲を制御するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
- 請求項14乃至24のいずれかに記載の方法において、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するステップをさらに含み、これは
前記第1の電極を、熱エネルギーを有する熱エネルギー源に近接配置するステップと、前記第1の電極の温度を上昇させるステップとを含むことを特徴とする方法。 - 請求項25に記載の方法であって、前記第1の電極の温度を上昇させることにより、前記第1の電極内の電子の第1のフェルミ準位が、前記第2の電極内の電子の第2のフェルミ準位よりも大きい値まで上昇し、前記第1の電極から前記第2の電極に向かって電子が放出されることを特徴とする方法。
- 請求項14乃至26のいずれかに記載の方法において、さらに、
前記距離を横切る電子の移動レートを制御することによって、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換を制御するステップ、
前記複数のナノ粒子の熱伝導率を制御するステップ、
前記複数のナノ粒子の電気伝導率を制御するステップ、または、
前記複数のナノ粒子の熱伝導率を制御するとともに前記複数のナノ粒子の電気伝導率を制御するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項14乃至27のいずれかに記載の方法において、前記第1および第2の電極がそれぞれのナノメタル膜を有することを特徴とする方法。
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