JP2022523273A - Nanoscale energy converter - Google Patents

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J45/00Discharge tubes functioning as thermionic generators

Abstract

実施形態は、ナノスケールのエネルギー変換器および発電機の装置、ならびに関連する方法に関する。この装置は、間に空洞が形成された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第1のベース材料を含むエミッタ電極である。第2の材料は第1のベース材料上に堆積されて、第1の仕事関数値を第2の仕事関数値へと変更する。第2の電極は、第3の仕事関数値を有する第2のベース材料を含むコレクタ電極である。第4の材料は第2のベース材料上に堆積されて、第3の仕事関数値を第4の仕事関数値へと変更する。【選択図】図1Embodiments relate to nanoscale energy converters and generator devices, as well as related methods. The device includes two electrodes with a cavity formed between them. The first electrode is an emitter electrode containing a first base material having a first work function value. The second material is deposited on the first base material, changing the first work function value to the second work function value. The second electrode is a collector electrode containing a second base material having a third work function value. The fourth material is deposited on the second base material, changing the third work function value to the fourth work function value. [Selection diagram] Fig. 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。 [0001] The present embodiment relates to the generation, conversion, and transfer of electric power, and more specifically, the embodiments disclosed herein transfer electric power through thermoelectric energy conversion and thermoelectric energy conversion. It relates to the nanoscale energy converters to produce and the methods of manufacturing and using them.

[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。 [0002] Portable power generators are often used to supply power to devices that are difficult to supply power from the power grid (eg, mobile phones and tablets in shopping centers, satellites in orbit around the earth, etc.). Such devices are also used when access to the grid is not possible (eg, remote facilities where the grid is intermittent or unavailable). In addition, such devices are used as a backup power source to keep critical equipment operating in the event of a grid event (such as a power outage or voltage drop).

[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。 General portable power generators include gasoline engines and diesel engines. However, these devices need to be frequently monitored during operation to ensure that the refueling required to keep them in operation is being performed. Photoelectric devices such as solar cells are only effective if sufficient light is available. Commercially available power storage devices include, for example, electrochemical batteries and all-solid-state batteries. However, the amount of charge for electrochemical batteries and all-solid-state batteries is limited and requires frequent replacement and / or recharging. In addition, electrochemical and all-solid-state batteries require a relatively large footprint when used as an emergency and backup power source for industrial facilities. Similarly, microelectronic devices are not always compatible with the use of electrochemical and all-solid-state batteries. An example of a microelectronic device that may require a compact, long-life, low-current power device is a low-power electronic sensor that is installed unattended for long periods of time in an inaccessible location. Another example of a microelectronic device that is compact, has a long life, and requires low power consumption is a non-volatile memory circuit of a small computing device.

[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。 Other portable power generators include fuel cells and atomic batteries. Fuel cells require hydrogen replacement over a period of time and, like electrochemical cells and all-solid-state batteries, require a relatively large footprint when used as an emergency and backup power source in industrial facilities. Atomic batteries utilize processes such as nuclear fission, fusion, and radioactivity. These processes are relatively inefficient and require a shield to reduce the emission of ionizing radiation, a natural by-product of the nuclear process.

[0005]電力を生成するための装置および方法が提供される。 Devices and methods for generating electric power are provided.

[0006]一態様では、この装置は、第1および第2の電極を具える。第1の電極は、第1の仕事関数値を有する少なくとも1つの第1の材料を含む第1の基板を具え、第1の材料はタングステン(W)を含む。また、第1の電極は、第1の材料とは異なる少なくとも1つの第2の材料を含み、第2の材料は、第1の電極が第1の仕事関数値よりも小さい第2の仕事関数値を有するように、第1の材料の少なくとも一部の上に堆積される。第2の材料は酸化セシウム(CsO)を含む。第2の電極は、第1の電極から距離を隔てている。第2の電極は、少なくとも1つの第3の材料を有する第2の基板を含み、第3の材料は、第1および第2の材料とは異なる。第3の材料は金(Au)を含み、第3の仕事関数値を有する。また、第2の電極は、第1および第3の材料とは異なる少なくとも1つの第4の材料を含む。第4の材料は酸化セシウム(CsO)を含み、第2の電極が第3の仕事関数値よりも小さい第4の仕事関数値を有するように、第3の材料の少なくとも一部の上に堆積される。 In one aspect, the device comprises first and second electrodes. The first electrode comprises a first substrate comprising at least one first material having a first work function value, the first material comprising tungsten (W). Further, the first electrode contains at least one second material different from the first material, and the second material has a second work function in which the first electrode is smaller than the first work function value. It is deposited on at least a portion of the first material to have a value. The second material contains cesium monoxide (Cs 2 O). The second electrode is separated from the first electrode. The second electrode comprises a second substrate having at least one third material, the third material being different from the first and second materials. The third material contains gold (Au) and has a third work function value. Also, the second electrode contains at least one fourth material that is different from the first and third materials. The fourth material contains cesium monoxide (Cs 2 O) and is above at least part of the third material such that the second electrode has a fourth work function value that is less than the third work function value. Is deposited on.

[0007]別の態様では、本装置を製造する方法は、第1の電極および第2の電極を製造するステップを含む。第1の電極について、少なくとも第1の材料を含む第1の電極基板が提供され、第1の材料は第1の仕事関数値を有し、第1の材料はタングステン(W)を含む。第1の材料とは異なる少なくとも1つの第2の材料が、第1の材料の少なくとも一部の上に堆積され、少なくとも1つの第2の材料の堆積は、第1の電極に第2の仕事関数値をもたらし、第2の仕事関数値は、第1の仕事関数値よりも小さく、第2の材料は酸化セシウム(CsO)を含む。第1および第2の材料とは異なる少なくとも1つの第3の材料を含む第2の電極基板が提供され、ここで、第3の材料は第3の仕事関数値を有し、第3の材料は金(Au)を含む。第1および第3の材料とは異なる少なくとも1つの第4の材料が、少なくとも1つの第3の材料の少なくとも一部の上に堆積され、少なくとも1つの第4の材料の堆積は、第2の電極に第4の仕事関数値をもたらす。第4の仕事関数値は、第3の仕事関数値よりも小さく、第4の材料はCsOを含む。 In another aspect, the method of manufacturing the apparatus comprises the steps of manufacturing a first electrode and a second electrode. For the first electrode, a first electrode substrate comprising at least the first material is provided, the first material having a first work function value and the first material comprising tungsten (W). At least one second material different from the first material is deposited on at least a portion of the first material, and the deposition of at least one second material is a second work on the first electrode. The second work function value yields a function value, the second work function value is smaller than the first work function value, and the second material contains cesium oxide (Cs 2 O). A second electrode substrate containing at least one third material different from the first and second materials is provided, where the third material has a third work function value and is a third material. Includes gold (Au). At least one fourth material, which is different from the first and third materials, is deposited on at least a portion of the at least one third material, and the deposit of at least one fourth material is a second. It gives the electrode a fourth work function value. The fourth work function value is smaller than the third work function value, and the fourth material contains Cs 2 O.

[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。 The above and other features and advantages, together with the accompanying drawings, will be apparent from the following detailed description of the current exemplary embodiments.

[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。
The drawings referenced herein form part of this specification and are incorporated herein. Unless otherwise specified, the illustrated features exemplify only some embodiments and not all embodiments.
FIG. 1 shows a cross-sectional view of an embodiment of a nanoscale energy conversion device. [0011] FIGS. 2A and 2B show a flowchart showing a manufacturing process of a nanoscale energy conversion device. FIG. 3 shows a cross-sectional view of an embodiment of a partially constructed nanoscale energy conversion device. FIG. 4 shows a table of work function values of elemental bulk materials. FIG. 5 is a perspective view showing a process of depositing a thermionic radiation material on an electrode substrate. FIG. 6 shows a graph of work function values as a function of particle size. FIG. 7 shows a bird's-eye view of the covalently bonded dipole deposited on the electrode surface by the electrospray deposition of the thermionic radiation material on the electrode substrate. FIG. 8 shows a cross-sectional view of an embodiment of a nanofluid containing a plurality of nanoparticle clusters suspended in a dielectric medium. FIG. 9 is a flowchart showing a power generation process using a nanoscale energy conversion device. FIG. 10 is a cross-sectional view showing the work function relationship between the electrode and the nanofluid in the electrode in one embodiment of the nanoscale energy conversion device. FIG. 11 is a graph showing the effect when the work function value of the emitter is larger than the work function value of the collector. FIG. 12 shows a schematic diagram of electron transfer due to collision of nanoparticle clusters. FIG. 13 shows a schematic diagram of an embodiment of the use of a nanoscale energy converter. FIG. 14 shows a schematic diagram of a system of stacked or grouped nanoscale energy converters for generating electric power from waste heat. FIG. 15 shows a cross-sectional view of a waste heat collection system including a nanoscale energy conversion device coupled to an electronic chip that collects electrical energy from waste heat from the electronic chip. FIG. 16 shows an exploded view of a power generation system including an array of nanoscale energy converters coupled to an array of solar cells that collects electrical energy from waste heat from the solar cell array.

[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。 As is commonly described and illustrated herein, it will be readily appreciated that the components of this embodiment may be arranged and designed in a wide variety of different configurations. Accordingly, the following detailed description of embodiments of the apparatus, system, and method of the present embodiment, as shown in the drawings, is not intended to limit the scope of the embodiments in the claims, but merely selected embodiments. It is representative of the form.

[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。 References to "selected embodiments," "one embodiment," or "one embodiment" throughout the specification are specific features, structures, or characteristics described in connection with embodiments. Means included in at least one embodiment. Therefore, the expressions "selected embodiment," "in one embodiment," or "in one embodiment" at various locations throughout the specification do not necessarily refer to the same embodiment. Various embodiments can be combined with each other.

[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。 The illustrated embodiments are best understood by reference to the drawings, and the same parts are represented by the same numbers throughout. The following description is intended for illustration purposes only and merely illustrates certain selected embodiments of appliances, systems, and processes that are consistent with the embodiments in the claims.

[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。熱電子電力変換発電機は、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。 Thermoionic power conversion provides a method of converting heat into electrical energy. Thermionic power conversion generators convert thermal energy into electrical energy by emitting electrons from a heated emitter electrode (ie, cathode). Electrons flow from the emitter electrode over the gap between the electrodes, through an external load to the collector electrode (ie, the anode), and return to the emitter electrode to convert heat into electrical energy. Recent improvements in thermionic power transducers include the selection of materials with low work functions of the electrodes and the use of fluids to fill the gaps between the electrodes. The electron transfer density is limited by the material of the electrodes and the material of the fluid in the gap between the electrodes (ie, the associated work function).

[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。
Configuration of Nanoscale Energy Converters [0031] To provide additional details for a better understanding of the selected embodiments of the present disclosure, reference to FIG. 1 is configured to generate electric power. A cross-sectional view of an embodiment of the nanoscale energy conversion apparatus (100) is shown. The nanoscale energy converter (100) is sometimes referred to as a cell or layer. Multiple devices (100) can be organized as series or parallel cells or layers, or a combination of both, to generate power at the desired voltage, current, and output. The nanoscale energy converter (100) includes an emitter electrode (cathode) (102) and a collector electrode (anode) (104). The emitter electrode (102) and collector electrode (104) are collectively referred to as an electrode (106) of the nanoscale energy converter (100). Multiple insulator posts (also referred to herein as columns, standoffs, or micropillars) (108) (only one shown) maintain separation between the electrodes (106) and the electrodes (106) and insulators. The post (108) defines the cavity (110). In one embodiment, the insulator post (108) is an alkanthiol, airgel-like sol-gel, corona-doped, super-corona-doped, silicon, silicon oxide, polymer, any dielectric material, or one of the aforementioned. Manufactured from dielectric materials such as combinations including, but not limited to. In one embodiment, one or more insulator walls (not shown) are formed that divide the cavity (110). In one embodiment, the cavity (110) extends between the electrodes (106) at a distance ranging from 1 nanometer (nm) to less than about 10 nm. The interstitial nanofluid (112) is retained in the cavity (110). Thus, the nanoscale energy converter (100) has two opposing electrodes separated by an insulator post (108) having a cavity (110) filled with nanofluid (112) between the electrodes (106). (106) is included.

[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。 The emitter electrode (102) and collector electrode (104) are made of different materials, and these different materials have different work function values. As used herein, the work function of a material (or combination of materials) is the thermodynamic work required to extract electrons from a solid to a point in vacuum just outside the solid surface of that material. Is the minimum value (ie, minimum energy) of. The work function is a material-dependent property. The work function value is usually expressed in units of electron volt (eV). Therefore, the work function of the material determines the minimum energy required for an electron to escape from the surface, the lower the work function, the easier it is to emit the electron.

[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。 The emitter electrode (102) has a higher work function value than the collector electrode (104). Overcome to transmit electrons from the emitter electrode (102) to the collector electrode (104) via the nanofluid (112) in the cavity (110) due to the difference in work function values between the electrodes (106) due to different electrode materials. There is a contact potential difference between the electrodes (106) that must be done. Both electrodes (106) emit electrons, but as described in more detail elsewhere herein, when the contact potential difference is overcome, the emitter electrode (102) is more than the collector electrode (104). Also emits significantly more electrons. The net flow of electrons is transferred from the emitter electrode (102) to the collector electrode (104), and the net current flows from the emitter electrode (102) to the collector electrode (104). This net current causes the emitter electrode (102) to be positively charged and the collector electrode (104) to be negatively charged. Therefore, the nanoscale energy converter (100) generates an electron current transmitted from the emitter electrode (102) to the collector electrode (104).

[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。 [0034] The nanofluid (112) includes a dielectric medium (114) and a plurality of nanoparticle clusters (116) suspended in the dielectric medium (114). The nanofluid (112) eliminates the formation of space charges in the cavity (110) so as to minimize ohm heating and prevent arc discharge in the medium (114). In some embodiments, the dielectric medium (114) is one of water, silicone oil, or alcohol, without limitation. Also, in at least one embodiment, the dielectric medium (114) has airgel-like properties and a low thermal conductivity value that reduces heat transfer through it, eg, 1.0 watt / metric kelvin (W / (W / ( A solgel having a thermal conductivity value of less than m · K)). In at least one embodiment, the thermal conductivity of the dielectric medium (114) is 0.013 watts / (m · K) compared to the thermal conductivity of water at 20 degrees Celsius (° C.) of 0.6 W / (m · K). It is as low as metric degree Kelvin (W / (m ・ K)). Therefore, the nanofluid (112) has a low thermal conductivity value, minimizing heat transfer through the cavity (110). The heat transport of the thermally conductive nanofluid (112) is proportional to the temperature difference between the electrodes (102) and (104). For example, if the heat transport in a nanofluid with low thermal conductivity is small, a high temperature difference between the two electrodes (102, 104) can be maintained during operation. As described elsewhere in this book, the electrical conductivity of the nanofluid (112) varies with the operation of the corresponding device.

[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。 Nanoparticle clusters (116) can be made from metals and metal alloys, ceramics, cermets, composites, and other materials. Some nanoparticle clusters (116) may contain different materials than other nanoparticle clusters (116). In one embodiment, the nanofluid (112) comprises, but is not limited to, a nanoparticle cluster (116) of gold (Au) (118) and silver (Ag) (120). As used herein, "nanoparticle cluster" refers to a group of 6-8 atoms of a related material, eg Au and Ag, with an unrestricted number of atoms. The nanoparticle cluster (116) has a work function value larger than that of the electrode (106). Specifically, the work function values of the Au nanoparticle cluster (118) and the Ag nanoparticle cluster (120) are 4.1 eV and 3.8 eV, respectively. As described in more detail elsewhere herein, charge transport via electron hopping and Brownian motion has a large work function value (116) for nanoparticle clusters and a different work function value2. It is facilitated by using the above types of nanoparticle clusters (116). The Brownian motion of the nanoparticle cluster (116) includes collisions between the nanoparticle clusters (116) and collisions between the nanoparticle cluster (116) and the two electrodes (102), (104).

[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。 [0036] The nanoparticle cluster (116) is coated with alkanethiol to form a dielectric barrier on it, where the choice of alkanethiol is non-limiting. In at least one embodiment dodecanethiol is used. In at least one other embodiment, dodecanethiol or at least one other alkane shorter than decanethiol is used. The length of the alkane chain is limited by the need for the conductive core of the nanoparticles to be within 1 nm in order to transfer electrons from one conductive surface to another. The alkanethiol coating reduces the coalescence of nanoparticle clusters (116). In one embodiment, the nanoparticle cluster (116) has a diameter of 0.5 nm to 5 nm. In at least one embodiment, the nanoparticle cluster (116) has a diameter of 1-3 nm. In one embodiment, the nanoparticle cluster (116) has a diameter of 2 nm. The nanoparticle clusters (116) of Au (118) and Ag (120) are tuned to be conductive with a charge storage function. Thus, the nanofluid (112) in which the nanoparticle clusters (116) are suspended is conductive for electrons to move across the cavity (110) from the emitter electrode (102) to the collector electrode (104) via charge transfer. Provides a sexual pathway.

[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/cm)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。 [0037] A plurality of emitter electrons (122) and a plurality of collector electrons (124) are shown in close proximity to a cavity (110) in the respective emitter electrode (102) and collector electrode (104). The electrons (126) are shown to exit the emitter electrode (102), hop across the nanoparticle cluster (116), and enter the collector electrode (104). FIG. 1 shows an external circuit (128) connected to two electrodes (106). Specifically, the first conductor (130) is connected to the collector electrode (104) and the external circuit (128), and the second conductor (132) is connected to the external circuit (128) and the emitter electrode (102). Be connected. When the nanoscale energy converter (100) is in operation, the external circuit current (134) is transmitted via the external circuit (128) and the same amount of electron current as it flows through the external circuit (134) is transmitted through the emitter electrode (134). It flows from 102) to the collector electrode (104). For example, a single cell or layer as in the configuration shown and described in FIG. 1 is guided between the emitter electrode (102) and the collector electrode (104) as a function of the material used for each. Depending on the contact potential difference (discussed further herein), voltages in the range of about 0.25 Volts to 6.0 Volts can be generated. In some embodiments, the device (100) nominally produces a voltage of about 0.75 to 5.0 volts. In one embodiment, the device produces about 0.75 volts. Also, for a single cell or layer, for example as in the configuration shown and described in FIG. 1, the device (100) can generate currents in the range of about 1mA (ma) to about 10ma. can. Further, in some embodiments, the apparatus (100) produces about 0.75 milliwatts / square centimeter (mW / cm 2 ). Therefore, the nanoscale energy converter (100) produces enough current to power a small load, eg, a microcircuit.

[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(CsO)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CsO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CsO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、CsO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CsO(138)および(142)の堆積層が形成される。それぞれのCsO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。CsO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。 In one embodiment, the emitter electrode (102) is coated with tungsten (W) nanoparticles (136) and a cesium monoxide ( Cs2O ) coating that at least partially covers the surface of the W nanoparticles (136). Manufactured with 138). The collector electrode (104) is manufactured with a gold (Au) nanoparticle surface (140) and a Cs2O coating (142) that at least partially covers the Au nanoparticle surface (140). As further described herein, during the manufacture of the electrode (106), the W nanoparticles are electrosprayed onto a nanometal film, i.e., a polymer-based single side containing an atomic-scale lattice of nanometal atoms. W nanoparticles form a surface layer on the nanometal film. The Cs2O coating (138) on the W nanoparticle surface (136) is laminated onto the surface (136) via a template. The polymer base is a sacrificial component for the assembly that is removed with acetone (as further described herein). Similarly, in one embodiment, Au nanoparticles are electrosprayed onto a nanometal film on a polymer base to form the Au nanoparticles surface (140), and the Cs2O coating (142) is via a template. It is laminated on the Au nanoparticles surface (140) and the polymer base is removed. Using templates with specific electrospray and nanofabrication techniques, Cs 2 O (138) and (142) in one or more predetermined patterns on the W nanoparticle surface (136) and Au nanoparticle surface (140). ) Is formed. The coverage of each of the two surfaces (136) and (140) with the respective Cs 2 O coating layers (138) and (142) is at least 50% to 70%, and in at least one embodiment about 60%. Is. The Cs2O coatings (138) and (142) set the work function values of the electrodes (102) and (104) to W (typically 4.55 eV) and Au (typically 5.1 eV), respectively. Decrease from the work function value. Specifically, the emitter electrode (102) has a work function value of 0.88 electron volt (eV), and the collector electrode (104) has a work function value of 0.65 eV. Therefore, the low work function values of the electrodes (102) and (104) are essential for the operation of the nanoscale energy converter (100) as described herein.

[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、CsO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。 [0039] In an exemplary embodiment, W and Au are work functions when at least some of their metallic properties (eg, strength and corrosion resistance) and the thermionic emission material of Cs2O are laminated on top. Depending on the measured change in, it is selected as the electrode (106). Alternative materials include precious metals such as renium (Re), osmium (Os), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), iridium (Ir), rhodium (Rh), palladium (Pd), and platinum (Pt), or these. Any combination of metals can be used, but is not limited to these. Further, but not limited to, non-precious metals such as aluminum (Al) and molybdenum (Mo) can also be used. For example, but not limited to, Al nanoparticles instead of W nanoparticles can be used to form the surface (136) and Pt nanoparticles instead of Au nanoparticles to form the surface (140). be able to. Therefore, the choice of materials used to form the nanoparticles surfaces (136) and (140) is primarily the work function of the electrode (106), more specifically the work of the electrode (106) when completed. Based on different functions.

[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。 The nanoscale energy converter (100) collects thermal energy (144) to generate electric power. As further detailed herein, the emitter electrode (102) receives thermal energy (144) from a source including, but not limited to, a heat source and an ambient environment, and is hollow through the nanoparticle cluster (116). Generates an electron (126) traversing (110). The electron (126) reaches the collector electrode (104) and the external circuit current (134) is transmitted to the external circuit (128). In some embodiments, the nanoscale energy converter (100) produces electric power by placing it in an ambient room temperature environment. Therefore, the nanoscale energy converter (100) collects thermal energy (144), including waste heat, to generate useful power.

[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)。
Assembling the Nanoscale Energy Converter [0042] With reference to FIGS. 2A and 2B, a flowchart (200) showing the manufacturing process of the nanoscale energy converter is provided. Referring to FIG. 3, a diagram (300) showing a cross-sectional view of an embodiment of a partially constructed nanoscale energy converter (300) is provided (not on scale).

[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。
Fabrication of Emitter Electrode (Cathode) As shown and described in FIGS. 2A, 2B, and 3, the emitter electrode (302) is a base (indicated by a dotted line) such as a polymer base (330). Manufactured by placing (204) a nanometal film (328) on one side (202). The thickness of the polymer base (330) is about 2 nm (this value should be understood as non-limiting) and the thickness of the nanometal film (328) is about 3.7 angstroms. The polymer base (330) is used as a sacrificial assembly. The nanometal film (328) is located near the electrospray nozzle of the electrospray device (see FIG. 5, electrospray nozzle (512)). Emitter electrode nanoparticles (not shown) are selected for deposition (208) on the nanometal film (328) (206). In an exemplary embodiment of the selection of nanoparticle material for the emitter electrode (302) (206), the combination of the nanoparticle material and the deposited thermionic emission material is further described elsewhere herein. It has a work function value of a combination larger than the work function value of the collector electrode (306) made to be. In an exemplary embodiment, the difference in work function values between the two electrodes (302) and (306) (measured by eV) maximizes electron transfer between the two electrodes (302) and (306). Therefore, it is more than a predetermined value. A partial list of suitable nanoparticle materials for the emitter electrode (302) is provided elsewhere herein. In an exemplary embodiment, at least one layer of W nanoparticles (338) is deposited (208) on the nanometal film (328) by electrospray and the nanoparticles surface (328) on the nanometal film (328). 304) is formed. In at least one embodiment, the thickness of the layer of nanoparticles for forming the nanoparticles surface (304) is about 2 nm (ie, the approximate thickness of the nanoparticles), where the value of 2 nm is non-existent. It should be considered limited. Thus, one or more metal materials in the form of nanoparticles reduce the work function values of the electrodes (302) and (306) and the difference in work function values between the electrodes (302) and (306). As a function of keeping above a predetermined value, it is selected at least partially as the nanoparticle surface (304) of the emitter electrode (302).

[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。 When the W nanoparticle surface (304) is formed (208), the polymer base (330) is removed via an acetone solution (210), whereby the polymer base (330) is rendered as a sacrificial material. .. This allows the W nanoparticle surface (304) on the nanometal film (328) to be ready to receive thermionic emission material on it.

[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。 At least one layer of thermionic radiation material (308) is deposited on at least a portion of the W nanoparticle surface (304) (212). In one embodiment, a nanolayer of thermionic radiation material (308) is deposited on the surface of about 50% to about 70% of the W nanoparticle surface (304) (212). In another embodiment, about 60% of the surface of the W nanoparticle surface (304) receives a nanolayer of material (308). In yet another embodiment, multiple layers of thermionic radiation material (308) are deposited on about 60% of the W nanoparticle surface (304). The deposited thermionic radiation material (308) now reduces the work function value of the emitter electrode (302) to a value lower than the work function value of the material selected for the W nanoparticle surface (304). Be selected.

[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CsO(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。 [0047] With reference to FIG. 4, a table (400) showing the work function values of the elements of the bulk material is provided. For example, the work function value of W is 4.55 eV. As further described herein, the deposition of Cs 2 O (308) on the W nanoparticle surface (304) reduces the work function value of the emitter electrode (302) to about 0.88 eV. Therefore, the material combinations are arranged to create the desired work function values, and the work function values of the combinations can be changed by changing the material combinations.

[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。 The selection of the thermionic radiation material (308) to be deposited on the nanoparticle surface (304) is the desired work function value of the electrodes (302) (and the electrode (306)) and the nanoparticles surface (304) and deposits. Partially based on chemical compatibility with material (308). Deposit materials include, but are not limited to, thorium, aluminum, cerium, and scandium, as well as oxides of alkali metals or alkaline earth metals such as cesium, barium, calcium, and strontium.

[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。 [0049] Referring to FIG. 5, the process of depositing thermionic radiation material on the electrode substrate, ie, the surface of nanoparticles such as the surface of W nanoparticles (136/304) and the surface of Au nanoparticles (140/310) (500). A perspective view of is provided. In the first step (502), the template (504) is placed near the substrate (506). The template (504) has an opening pattern (508) corresponding to the desired deposition pattern on the substrate (506). The template (504) is placed on one side of the substrate (506), as indicated by the arrow (524). The substrate (506) is grounded to facilitate direct deposition of droplets on the substrate (506) in order to form a pattern of deposited material to be deposited.

[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)CsO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。CsO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(cm)あたり1014個のCsO原子が、基質(506)の目標濃度である。 In the second step (510), the substrate (506) with the overlaid template (504) is placed near the electrospray nozzle (512) of the electrospray device (not shown). The emission of thermionic emission material as monodisperse droplets (514) from the electrospray nozzle (512) is characterized by nanoparticles of uniform size in the dispersed phase. The droplet electrospray (514) (hereinafter referred to as electrospray) produces monodisperse particles to support the deposition of thermionic radiation material in the nanometer scale range. In one embodiment, the electrospray (514) comprises a solution of 0.1 mol (M) Cs 2 O nanoparticles in ethanol, wherein the droplet diameter is 10 microns. Also, in one embodiment, the pattern (508) has a center-to-center distance of about 60-200 microns and is staggered at an angle of about 30-60 degrees, preferably an angle of 45 degrees, with a diameter of 30-. It has a hole of 50 microns. The electrospray (514) containing Cs2O nanoparticles is directed at the template (504), even though the template (504) and substrate (506) pass through the electrospray (514) as indicated by the arrow (526). Along with this, a nanolayer (516) is formed. In one embodiment, 1014 Cs2O atoms per square centimeter (cm 2 ) are the target concentration of substrate (506).

[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CsO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。 In the third step (518), the template (504) is separated from the substrate (506) as indicated by the arrow (528), and the patterned thermoelectron emitting material (520) is attached to the electrode substrate (520). 506) The emitter electrode (522) is formed by leaving it on the top. As shown, four separate lines of sedimentary material, collectively referred to as sedimentary material (520), overlap on the W substrate (506). This pattern is merely an exemplary pattern and should not be considered limiting. In one embodiment, the thermionic pattern may be varied as long as the pattern achieves the operation of the electrode (522). Thus, a single layer of patterned thermionic radiation material (520) or Cs2O is formed on the W substrate (506) and achieves at least 50% to 70% or more of the coating of the substrate (506). 60% is the optimum coverage. In at least one embodiment, the layer thickness of the patterned thermionic radiation material (520) is about 2 nm, where a value of 2 nm should be considered non-limiting.

[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。 Three-dimensional and four-dimensional printing to form the layers, films, and coatings discussed herein (four-dimensional changes nanoscale composition during printing to adjust properties). Exemplary electrospray and nanofabrication technologies and related equipment, including, are described in US Patent Application Publication No. 2015/0251213.

[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。 [0053] With reference to FIG. 6, a diagram showing a graph display (600) of work function values as a function of particle size is provided. The graph (600) has a first axis (602) represented herein as a vertical axis indicating a change in work function value (ΔΦ), where the vertical axis is incremented by 0.2 in units of eV. Has a range of 0 to 1.2. Graph (600) also has a second axis (604) represented herein as a horizontal axis indicating particle size, where the second axis (604) is nanometers (nm) in increments of 10. ) It has a range from 0 to 60 in units. The graph (600) also includes a curve (606) showing the relationship between the particle size and the change in the work function value with respect to that size. As shown in graph (600), the choice of nanoparticle size affects its work function value. For example, as the nanoparticle cluster approaches a single atom, the value of the work function changes beyond 1 eV. Conversely, as the size of the nanoparticles increases, the work function value approaches the measured value of the bulk material. As described above, the use of the nanoscale energy conversion device (100) can be individually set by utilizing the characteristic that the work function value of the material increases as the particle size becomes smaller. Therefore, selecting specific nanoparticle sizes for the spray deposits (520) on the emitter and collector electrodes (102) / (302) and (104) / (306), respectively, results in a large difference in work function between the electrodes. , The number of electrons transferred during the operation of the nanoscale energy converter (100) can be increased.

[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CsO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。 Referring to FIG. 7, the nano of the electrode (302/306) via electrospray (514) deposition of thermionic radiation material on the electrode nanoparticle surface / substrate (136/304) / (506/704). A diagram showing a bird's-eye view (700) of a covalently coupled dipole (702) deposited on a particle surface (136/304/506/704) is provided. The nanoparticles of Cs2O deposited on the surface of the electrode nanoparticles (704) form covalent bonds, thereby forming dipoles (702) on the surface (only one is shown in FIG. 7). Within the dipole (702), the charged nanodroplets in the electrospray (514) collide with the surface (704) to form a positive charge (706) and the opposite negative charge (708). The charges (706) and (708) induce an electric field (710) between the charges (706) and (708), so that the dipole (702) acts as a function of the induced electric field (710) to cause nearby electromagnetic waves. By inducing, it acts as a nanoantenna that changes the dipole moment in the vicinity of the dipole (702). Therefore, the covalently bonded dipoles (702) deposited on the electrode nanoparticles surface (704) create an electrode with a low work function when the coverage area is optimized.

[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。 In at least one embodiment, the electrodes (eg, W emitter electrode (302) and Au collector electrode (306)) are 20-50 mm (mm) long, 20-50 mm wide, and 4-100 nm thick. Has the dimensions of. The thickness of 100 nm is based on the penetration of charge from the emitter electrode (102/302) to the nanofluid (112) and from the collector electrode (104/306) to the second conductor (132). In general, it is preferable to reduce the associated thickness in order to maximize the penetration of charge through the associated electrodes (102/302) and (104/306). Therefore, in at least one embodiment, the electrodes (102/302) and (104/306) are about 4 nm thick.

[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。
Fabrication of Collector Electrode (Anode) [0057] With reference to FIGS. 2A, 2B, and 3 again, the collector electrode (306) is manufactured in much the same manner as the emitter electrode (302). (214). A nanometal film (332) is placed on one side of the polymer base (334) (indicated by the dotted line) (216). The polymer base (334) is about 2 nm thick (this value should be considered non-limiting) and the nanometal film (332) is about 3.7 angstroms thick. A nanometal film (332) is placed near the electrospray nozzle of the electrospray device (see FIG. 5, electrospray nozzle (512)). Collector electrode nanoparticles (not shown) are selected for deposition (220) on the nanometal film (332) (218). In an exemplary embodiment of the selection of nanoparticle material for the collector electrode (306) (218), the combination of the nanoparticle material and the deposited thermionic emission material is described elsewhere herein. It has a work function value of a combination smaller than the work function value of the emitter electrode (302). In an exemplary embodiment, the difference in work function values between the two electrodes (302) and (306) (measured by eV) maximizes electron transfer between the two electrodes (302) and (306). Therefore, it is more than a predetermined value. A partial list of nanoparticle materials suitable for the collector electrode (306) is provided elsewhere herein. In an exemplary embodiment, at least one layer of Au nanoparticles (336) is electrosprayed onto a nanometal film (332) to deposit (220) and on the nanometal film (332) a nanoparticle surface (310). ) Is formed. In at least one embodiment, the thickness of the layer of nanoparticles for forming the nanoparticles surface (332) is about 2 nm (ie, the approximate thickness of the nanoparticles), where the value of 2 nm is non-existent. It should be considered limited.

[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。 [0058] When the Au nanoparticle surface (310) is formed (220), the polymer base (334) is removed via an acetone solution (222), thereby sacrificing the polymer base (334). This allows the Au nanoparticle surface (310) on the nanometal film (332) to be ready to accept thermionic emission material on it.

[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CsO(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。 At least one layer of thermionic radiation material (312) is deposited on at least a portion of the Au nanoparticle surface (310) (224). In one embodiment, a nanolayer of thermionic radiation material (312) is deposited on about 50% to about 70% of the surface of the Au nanoparticles surface (310). In another embodiment, about 60% of the surface of the Au nanoparticles surface (310) receives a nanolayer of material (312). In yet another embodiment, multiple layers of thermionic radiation material (312) are deposited on about 60% of the Au nanoparticles surface (310). The deposited thermionic radiation material (312) now reduces the work function value of the collector electrode (306) to a value lower than the work function value of the material selected for the Au nanoparticle surface (310). Be selected. Referring to FIG. 4, Table (400) shows that the work function value of Au is 5.1 eV. When Cs 2 O (312) is deposited on the Au nanoparticles surface (310), the work function value of the collector-emitter electrode (306) is reduced to 0.65 eV. Therefore, as with the emitter electrodes (302), the work function values of the electrodes (302) and (306) are reduced and the difference in work function values between the electrodes (302) and (306) is maintained above a predetermined value. As a function, one or more metallic materials in the form of nanoparticles are selected, at least in part, as the nanoparticle surface (310) of the collector electrode (306).

[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。
Manufacture of Insulator Posts [0061] After the electrodes (302) and (306) have been made, the assembly of the nanoscale energy converters (100) / (300) (200) is continued. Specifically, one of the collector electrode (306) (shown in FIG. 3) or the emitter electrode (302) is placed on the surface (not shown) for support. A template (not shown in FIG. 2) is used between the electrodes (302) and (306) so that the electrodes (302) and (306) and the insulator post (314) define the cavity (316). To maintain separation, electrospray deposition multiple insulator posts (or columns, standoffs, or micropillars) (314) are made (226). In at least one embodiment, the template is a graphite template. In one embodiment, the insulator post (314) comprises alkanethiol, sol-gel with aerogel-like properties, corona dope, super corona dope, silicon, silicon oxide, polymer, any dielectric material, or at least one of the aforementioned. Manufactured with dielectric materials such as inclusive combinations, but not limited to these. The template is configured to allow electrospraying of alkanethiols so that overspraying on thermionic radiation materials (308) and (312) is minimized. In one embodiment, one or more insulator walls are formed that divide the cavity (316) into a plurality of cavities (316).

[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。 The height (318) of the insulator post (314) can be, for example, in the range of 1 nanometer (nm) to less than 10 nm. Thus, the cavity (316) extends between the electrodes (302) and (306) over a distance ranging from 1 nanometer (nm) to less than 10 nm. The width (320) of the insulator post (314) can be, for example, in the range of 1 nanometer (nm) to 10 nm. The width (322) of the cavity (322) can be, for example, in the range of 1 nanometer (nm) to 10 nm. The insulator post (314) is shown as a cube or a cube-like structure and is substantially similar in shape and size to the cavity (322), but this configuration is not limiting. The distance between the insulator posts (314) is within the range defined by about 5-6 nm to about 1 cm. The dimensions and composition of the insulator posts (314) and cavities (316) are determined based on the intended use of the nanoscale energy converter (100) / (300). Therefore, the insulator post (314) (or wall) is to maintain a predetermined distance between the two electrodes (302) and (306) in the nanoscale energy converter (100) / (300). It is made to one of the two electrodes (302) and (306) at a predetermined height.

[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)。
Coupling of Electrodes and Insulator Posts [0064] Electrodes (302) and (306) and insulator posts (314) are coupled together (228). As mentioned above, and as shown in FIG. 3, the insulator post (314) is deposited on the collector electrode (306). As shown in FIG. 3, the electrode in which the insulator post (314) is not formed, the emitter electrode (302) is lowered so as to be placed on the insulator post (314) as shown by the arrow (326). To. The adhesive (324) is spot-deposited on the outer ends of the nanoscale energy converters (100) / (300) to bond the electrodes (302) and (306) to the insulator post (314) as a unit. .. In one embodiment, the apparatus (100) / (300) is sealed or sealed with either a silicon or silicon dioxide casing segment, a sealant such as a hot melt adhesive, or (at another location in this document). This aspect of the assembly by electrospraying an alkanthiol film gasket around all sides of the device except partially unsealed to facilitate the addition of nanofluids (as detailed). Is completed. The arrangement of the electrodes (302) and (306) and the insulator post (314) defines a cavity (316) between them (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。
Fabrication of Nanofluids and Addition of Nanofluids to Cavities With reference to FIGS. 2A and 2B, nanofluids (112) are prepared (232). Referring to FIG. 8, a cross-sectional view of an embodiment of a nanofluid (800) comprising a plurality of Au and Ag nanoparticle clusters (802) and (804) suspended in a dielectric medium (806), respectively, is provided. .. In some embodiments, the dielectric medium (806) is either water, silicone oil, or alcohol, without limitation. Also, in at least one embodiment, the dielectric medium (806) is an airgel, which has airgel-like properties and a low thermal conductivity value, eg, thermal conductivity of water at 20 degrees Celsius (° C.). Compared to 0.6 W / m-K, the thermal conductivity value per metric Kelvin (W / m-K) is as low as 0.013 watts, reducing heat transfer through it. Appropriate materials are selected prior to making the nanoparticle clusters (802) and (804). The nanoparticle clusters (802) and (804) have a work function value greater than the work function value of the electrode (234). Specifically, the work function values of the Au nanoparticle cluster (802) and the Ag nanoparticle cluster (804) are 4.1 eV and 3.8 eV, respectively.

[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。 [0067] One or more layers of dielectric coating, such as a single layer (808) of alkanethiol material, are deposited on nanoparticles (236), for example by electrospray, on which a dielectric barrier is formed. The alkanethiol material of step (236) includes, but is not limited to, dodecanethiol and decanethiol. The deposition of a dielectric coating such as alkanethiol reduces the coalescence of nanoparticle clusters (802) and (804). In at least one embodiment, the nanoparticle clusters (802) and (804) have a diameter of 1 nm to 3 nm. In one embodiment, the nanoparticle clusters (802) and (804) have a diameter of 2 nm. The Au (802) and Ag (804) nanoparticle clusters are conductive with charge storage function (ie, capacitive function) and have low thermal conductivity values through cavities (110) and (316). It is tuned to minimize heat transfer, minimize ohmic heating, remove space charge in cavities (110) and (316), and prevent arc discharge. The plurality of Au and Ag nanoparticle clusters (802) and (804) are each suspended (238) in a dielectric medium (806). Thus, in a nanofluid (800) containing suspended nanoparticle clusters (802) and (804), electrons pass through charge transfer from the emitter electrodes (102) and (302) to the cavities (110) and (316). Provides a conductive path to travel across the collector electrodes (104) and (306).

[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。 [0068] Au nanoparticles clusters (802) are dodecanethiol-functionalized gold nanoparticles, having a particle size of 1-3 nm, about 2% (weight / volume percent), and suspended in toluene. Ag nanoparticles clusters (804) are dodecanethiol-functionalized silver nanoparticles with a particle size of 1-3 nm, about 0.25% (weight / volume percent), and suspended in hexanes. In one embodiment, the particle size of both Au and Ag nanoparticle clusters (802) and (804) is about 2 nm. The Au and Ag cores of the nanoparticle clusters (802) and (804) are selected for their ability to store and move electrons. In one embodiment, a 50% -50% mixture of Au and Ag nanoparticle clusters (802) and (804) is used. However, mixtures with Au vs. Ag in the range of 1-99% can be used. Electron transfer is likely to occur between nanoparticle clusters (802) and (804) with different work functions. In one embodiment, a mixture of two different nanoparticle clusters (802) and (804) in approximately equal numbers provides good electron transfer. Therefore, nanoparticle clusters are selected based on particle size, particle material (having relevant work function values), mixing ratio, and electron affinity.

[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。 [0069] In some cases, the conductivity of the nanofluid (800) can be increased by increasing the concentration of nanoparticle clusters (802) and (804). However, the optimum concentration for the conductivity of the nanofluid can be found at low concentrations of nanoparticles, such as less than 0.5 mol / liter, 0.4-0.5 mol / liter, or even lower concentrations. The nanoparticle clusters (802) and (804) can have a concentration of about 0.1 mol / liter to about 2 mol / liter in the nanofluid (800). In at least one embodiment, Au and Ag nanoparticle clusters (802) and (804) each have a concentration of at least 1 mol / liter.

[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。 The stability and reactivity of colloidal particles such as Au and Ag nanoparticle clusters (802) and (804) are predominantly adsorbed or covalently bonded to the surfaces of the nanoparticle clusters (802) and (804). Determined by the ligand shell formed by the thiol coating (808). The nanoparticle clusters (802) and (804) tend to aggregate and precipitate, but due to the presence of the ligand shell of the non-aggregating polymer alkanethiol coating (808), these nanoparticle clusters (802) and (804) Will remain floating, which can be prevented. The adsorbed or covalently bound ligand acts as a stabilizer against aggregation and can be used to impart chemical function to the nanoparticle clusters (802) and (804). Over time, the surfactant properties of the ligand coating are overcome and a low energy state of aggregated nanoparticle clusters is formed. Therefore, over time, aggregation due to the low energy state of the nanoparticle cluster accumulation may occur and occasional addition of surfactant may be used.

[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。 The nanofluid (802) is transformed into cavities (110) and (316), for example, by capillaries and vacuum processes through the remaining unsealed side of the nanoscale energy converter (100) / (300). Filled (240). The remaining unsealed side of the nanoscale energy converter (100) / (300) is around a silicon or silicon dioxide gasket segment, a sealant such as a hot melt adhesive, or the remaining unsealed side of the device. The assembly is completed when the Alcanthiol film gasket is sealed (242) by electric spraying. Thus, in at least one embodiment, a plurality of Au and Ag nanoparticle clusters (802) and (804) are mixed together in a dielectric medium (806) to form a nanofluid (112) / (800). When the nanofluid (112) / (800) is inserted into the cavity (110) / (316), the nanoscale energy converter (100) / (300) is completely sealed.

[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。 [0072] In one embodiment, the dimensions of the nanoscale energy converter (100) / (300) are about 20-50 mm in length, about 20-50 mm in width, and about 9-19 nm in thickness (each electrode (102/302). And 104/306) are about 4 nm and the cavities (110/316) between them are from about 1 nm to less than about 10 nm). The thickness of the device (100/300) is determined based on the desired electron flow inside, and the other two dimensions are expandable based on the desired overall output of the device (100/300).

[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)。
Operating Principle of Nanoscale Energy Converter [0074] With reference to FIG. 9 again, a flowchart showing a process (900) of generating power using the nanoscale energy converter (100) is provided. As described herein, an emitter electrode (102) is provided (902), a collector electrode (104) is provided (904), where the work function value of the collector electrode (104) is the emitter electrode (102). It is smaller than the work function value of 102). The emitter electrode (102) and collector electrode (104) are arranged at a predetermined distance from each other, that is, from about 1 nm to less than about 10 nm (906).

[0075]図10を参照すると、エミッタ電極(1002)(WF)、コレクタ電極(1004)(WF)、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。WFとWF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、その対向する表面の60%に両方ともCsO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、WFの値を0.88eV、WF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。 [0075] With reference to FIG. 10, the relationship between the work functions of the emitter electrodes (1002) (WF e ), collector electrodes (1004) (WF c ), and the nanofluids (1006) (WF nf ) therein is shown. , A cross-sectional view of an embodiment of the nanoscale energy converter (1000) is provided. FIG. 10 also shows a pair of insulator posts (1008) that separate the electrodes (1002) and (1004). The difference between WF e and WF c establishes the contact potential difference (CPD) between the two electrodes (1002) and (1004) (908). Specifically, since the dissimilar metals of the electrodes (1002) and (1004), such as W and Au, each have at least a single layer of Cs 2 O on 60% of their opposing surfaces, the nanofluid (1006). ) Is induced across the voltage difference ( VCPD ). In this embodiment, the value of WF e is 0.88 eV and the value of WF c is 0.65 eV to induce V CPD of 0.23 eV. V CPD induces an electric field ( ECPD ) that must be overcome in order to transfer electrons from the emitter electrode (1002) to the collector electrode (1004) via the nanofluid (1006). Therefore, as further described herein, this induced CPD results in thermionic emission of electrons from the emitter electrode (1002) to the collector electrode (1004).

[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、WFより大きなWF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。 [0076] A nanofluid (1006) comprising a plurality of Au nanoparticle clusters (1010) and Ag nanoparticle clusters (1012) is provided (910). In this embodiment, the work functions of the Au nanoparticle cluster (1010) and the Ag nanoparticle cluster (1012) are 4.1 eV and 3.8 eV, respectively. Therefore, the collective work function WF nf is larger than WF e , which is larger than WF c . This relationship between Au and the work function values of Ag nanoparticle clusters (1010) and (1012) to the nanoparticle clusters (1010) and (1012) via Brownian motion and electron hopping (discussed further herein). Optimize the movement of electrons. Therefore, the selection of the material in the nanoscale energy converter (1000) causes the emission of electrons from the emitter electrode (1002) and the conduction of electrons emitted across the nanofluid (1006) to the collector electrode (1004). The enhancement optimizes the generation of current and the transmission within it.

[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(μ)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(WF)は、エミッタ電極(1102)のフェルミ準位(μ)から、エミッタ電極の電位(E)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(μ))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(WF)は、コレクタ電極(1104)のフェルミ準位(μ)から、コレクタ電極の電位(E)まで延びる。コレクタ電極(1104)のフェルミ準位(μ)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(WF)はコレクタ仕事関数(WF)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(WF)は、外部負荷とコレクタ電極(1104)の仕事関数(WF)との組み合わせに等しい。 [0077] With reference to FIG. 11, a diagram showing a graph display (1100) of the effect when the work function value of the emitter is larger than the work function value of the collector is provided. The emitter electrode (1102) and collector electrode (1104) are separated by a cavity (1106) filled with nanofluid (1108). As a function of the distance of the electrode (1102) from the surface (1112), the electrochemical potential (heat distribution function (1110) of electrons in the emitter electrode (1102) having a Fermi level ( μe ) or higher) is shown. The work function (WF e ) of the emitter electrode (1102) extends from the Fermi level (μ e ) of the emitter electrode (1102) to the potential (E e ) of the emitter electrode. Similarly, as a function of the distance of the electrode (1104) from the surface (1116), the electron heat distribution function (1114) of the collector electrode (1104) above the electrochemical potential (Fermi level (μ c )) is shown. ing. The work function (WF c ) of the collector electrode (1104) extends from the Fermi level (μ c ) of the collector electrode (1104) to the potential (E c ) of the collector electrode. The Fermi level (μ c ) of the collector electrode (1104) is shifted upward by the potential of the load (eV load ) connected to the electrodes (1102) and (1104), and the contact potential difference voltage (V CPD ) across the cavity. (1108), where eV load and V CPD are equal to each other. The potential function (E) is from the surface (1112) of the emitter electrode (1102) to the surface (1116) of the collector electrode (1104), i.e., as indicated by the arrow (1118), the electrons are in the nanofluid (1106) and the cavity (1106). It is shown to decay linearly from Ee to Ec as it traverses 1108). Since the emitter work function (WF e ) is larger than the collector work function (WF c ), the electrons are accelerated toward the collector electrode (1104) and not toward the emitter electrode (1102). Therefore, the operating function of the nanoscale energy converter (100) is determined by selecting the materials of the emitter electrode (1102) and collector electrode (1104) along with the relevant work function and Fermi level values. In an exemplary embodiment, the work function (WF e ) of the emitter electrode (1102) is equal to the combination of the external load and the work function (WF c ) of the collector electrode (1104).

[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。 [0078] With reference to FIG. 12 (and FIGS. 1 and 9), a diagram (1200) showing electron transfer due to collision of a plurality of nanoparticle clusters is provided. As shown in FIG. 12, the nanofluid (1202) comprises a plurality of nanoparticle clusters (1204) suspended in a dielectric medium (1206). In the illustrated embodiment, the plurality of nanoparticle clusters (1204) include Au nanoparticle clusters (1208) and Ag nanoparticle clusters (1210). The Au nanoparticle cluster (1208) has a work function value of about 4.1 eV and the Ag nanoparticle cluster (1210) has a work function value of about 3.8 eV. These work function values of the nanoparticle cluster (1204) are much higher than the work function values of the emitter electrodes (102) (0.88 eV) and collector electrodes (104) (0.65 eV). The nanoparticle clusters (1204) are coated with alkanethiol to form a dielectric barrier (1212) on top to reduce the coalescence of the nanoparticle clusters (1204). In one embodiment, the nanoparticle cluster (1204) has a diameter of about 2 nm. The nanoparticle cluster (1204) is tuned to be conductive with capacitive (ie, charge storage) function while minimizing heat transfer through it. Thus, the suspended nanoparticle clusters (1204) provide a conductive path for electrons to travel across the cavity (110) from the emitter electrode (102) to the collector electrode (104) via charge transfer.

[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。 [0079] Due to the heat-induced Brownian motion, the nanoparticle clusters (1204) move within the dielectric medium (1206), during which the nanoparticle clusters collide with each other or the electrodes (102) and (104). ) May collide. When the nanoparticle cluster (1204) moves and collides in the dielectric medium (1206), the nanoparticle cluster (1204) chemically and physically transfers charges. The nanoparticle cluster (1204) is charged as electrons (1214) hop from the electrodes (102) and (104) to the nanoparticle cluster (1204) and from one nanoparticle cluster (1204) to another nanoparticle. Is chemically transferred. This hop mainly occurs during a collision. Due to the difference in work function values, the electrons (1214) move from the emitter electrode (102) to the collector electrode (104) via the nanoparticle cluster (1204), and there is not much reverse direction. Therefore, the net electron current from the emitter electrode (102) to the collector electrode (104) via the nanoparticle cluster (1204) is the main and dominant current of the nanoscale energy converter (100).

[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。 [0080] The nanoparticle cluster (1204) is physically formed by the ionization of the nanoparticle cluster (1204) upon receipt of an electron and the electric field generated by the differently charged electrodes (102) and (104). Transfer charge to (ie, receive temporary charge). The nanoparticle cluster (1204) is ionized during collisions when gaining or losing electrons (1214). The positively and negatively charged nanoparticle clusters (1204) in the nanofluid (1202) move to the negatively charged collector electrode (104) and the positively charged emitter electrode (102), respectively, to provide electron flow. This ionic current flow is in the opposite direction of the electron current flow, but much smaller in magnitude than the electron flow.

[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。 [0081] Rebonding of some ions occurs in the nanofluid (1202), reducing both electron and ion currents. The electrode spacing can be selected to the optimum width to maximize ion formation and minimize ion recombination. In an exemplary embodiment, the electrode spacing is slightly less than 10 nm. Since the maximum size of the nanoparticle cluster (1204) is about 2 nm, the electrode spacing is about 3-5 nanoparticle clusters (1204). This separation distance provides sufficient space in the cavity for the nanoparticle clusters (1204) to move around and collide while minimizing ion recombination. For example, in one embodiment, the electrons hop from the emitter electrode (102) to the first nanoparticle cluster (1204) before hopping to the collector electrode (104), then the second, third, fourth, and so on. Alternatively, it can be hopping to a fifth nanoparticle cluster (1204). As the number of hoppings decreases, the chances of ion recombination are reduced. Therefore, ion recombination in the nanofluid (1202) is minimized through the electrode separation distance selected with the optimum width to maximize ion formation and minimize ion recombination.

[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。 When the emitter electrode (102) and the collector electrode (104) first approach each other, the electrons in the collector electrode (104) are smaller than the electrons in the emitter electrode (102) because the work function of the collector electrode (104) is low. Has a high Fermi level. This difference in Fermi levels is the net transfer of electrons from the collector electrode (104) to the emitter electrode (102) until the Fermi levels are equal, i.e., until the electrochemical potentials are balanced and thermodynamic equilibrium is achieved. Drives the electronic current of. When electrons move between the emitter electrode (102) and the collector electrode (104), a charge difference occurs between the emitter electrode (102) and the collector electrode (104). This charge difference creates a contact potential difference voltage (V CPD ) and electric field between the emitter electrode (102) and collector electrode (104), where the polarity of the V CPD is determined by a material with a large work function. When the Fermi levels are equal, no net current flows between the emitter electrode (102) and the collector electrode (104). Therefore, when the emitter electrode (102) and collector electrode (104) are electrically coupled without an external load, a contact potential difference between the electrodes (102) and (104) is achieved with the two electrodes (102) and (104). The achievement of the thermodynamic equilibrium between) prevents the net current from flowing between the electrodes (102) and (104).

[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。 [0083] The nanoscale energy converter (100) can generate electric power (eg, at room temperature) with or without additional heat input. The heat applied to the emitter electrode (102) raises its temperature and raises the Fermi level of its electrons. When the Fermi level of the emitter electrode (102) is higher than the Fermi level of the collector electrode (104), a net electron current flows from the emitter electrode (102) through the nanofluid (1202) to the collector electrode (104). Flow to. When an external circuit (128) is connected, the same amount of electron current flows from the collector electrode (104) to the emitter electrode (102) through the external circuit current (134). The thermal energy added to the emitter electrode (102) is carried to the collector electrode (104) by electrons (1214). Most of the added energy is transferred to an external circuit (128) to convert it into useful work, and some of the added energy is transferred to the collector electrode (104) in the event of a collision and eventually discarded. It is lost to the surroundings as energy. As the energy input to the emitter electrode (102) increases, the temperature of the electrode (102) decreases as the highest energy electrons are emitted, resulting in an increase in electron transmission from the emitter electrode (102), thereby more. A lot of current is generated. When the emitter electrode (102) emits electrons to the nanoparticle cluster (1204) (912), the energy is stored in the nanoscale energy converter (100). Thus, the nanoscale energy converter (100) generates, stores, and transfers charges, transfers thermal energy if there is a temperature difference, and with additional thermal energy, from the emitter electrode (102) to the nanofluid (102). The generation of electrons to 1202) increases.

[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。 [0084] The nanofluid (1202) is movable from the emitter electrode (102) due to collision with the emitter electrode (102) of the nanoparticle cluster (1204) induced by the Brownian motion (914) of the nanoparticle cluster (1204). Used to transfer charge (via intermediate contact potential difference) to one of the nanoparticle clusters (1204). By selecting heterogeneous nanoparticle clusters (1204), including Au nanoparticle clusters (1208) and Ag nanoparticle clusters (1210), which have large work functions of about 4.1 eV and about 3.8 eV, respectively, the emitter electrodes (1208). The transfer of electrons from 102) to the nanoparticle cluster (1204) and the transfer of electrons to the collector electrode (104) are optimized. A single nanoparticle cluster aggregates faster than a mixed nanoparticle cluster.

[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。 When an electron (1214) hops from a nanoparticle cluster (1204) to a nanoparticle cluster (1204), another electron (1214) is generated if the electron (1214) is already present in the nanoparticle cluster (1204). Determine if a single electron charging effect, including the additional work required to hop to the nanoparticle cluster (1204), can hopping additional electrons (1214) to that particular nanoparticle cluster (1204). Specifically, the nanoparticle cluster (1204) includes a voltage feedback mechanism that prevents hopping of more than a predetermined number of electrons into the nanoparticle cluster (1204). This prevents the nanoparticle cluster from having more electrons than allowed at the same time. In one embodiment, only one electron (1214) is allowed on any nanoparticle cluster (1204) at a time. Thus, a single electron (1214) hops to the nanoparticle cluster (1204) during the conduction of current through the nanofluid (1202). The electrons (1214) do not stay on the nanoparticle cluster (1204) indefinitely, but through collisions due to Brownian motion of the nanoparticle cluster (1204), the next nanoparticle cluster (1204) or collector electrode (104). ) To hop off. However, the electrons (1214) remain in the nanoparticle cluster (1204) for a sufficient amount of time to provide the necessary voltage feedback to prevent additional electrons (1214) from hopping to the nanoparticle cluster (1204) at the same time. Hopping of electrons (1214) across nanoparticle clusters (1204) avoids resistance heating associated with current flow in the medium. In particular, the nanoscale energy converter (100) does not require precharging by an external power source to introduce electrostatic force. This is because the apparatus (100) is self-charged by the frictional charge generated at the time of contact between the nanoparticle clusters (1204) due to Brownian motion. Therefore, electron hopping across the nanofluid (1202) is limited to one electron (1214) at a time on the nanoparticle cluster (1204).

[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。 [0086] When an electric current begins to flow through the nanofluid (1202), a net energy exchange between the emitted (1214) electron and the substituted electron causes a substantial energy flux away from the emitter electrode (102). Realize. The substituted electrons from the second conductor (132) connected to the emitter electrode (102) are not equal to the average Fermi energy associated with the material of the emitter electrode (102), but the average Fermi energy. It arrives with energy lower than the value. Therefore, the substitution energy of the substitution electrons is not equal to the chemical potential of the emitter electrode (102), and the electron substitution process is carried out in an available energy state below the Fermi energy of the emitter electrode (102). The process by which electrons are emitted above the Fermi level and replaced by electrons below the Fermi energy is sometimes referred to as the reverse Nottingham effect. Therefore, when the work function value of the emitter electrode (102) is as low as about 0.88 eV, the emitted electrons can be replaced with electrons having a lower energy level, and a cooling effect can be induced in the emitter electrode (102). ..

[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。 [0087] A plurality of nanoscale energy conversion devices (100) are distinguished by at least one embodiment having the thermoelectric energy conversion function described herein. Generally, the nanofluid (1202) is selected so that the nanoscale energy converter (100) operates over multiple temperature ranges. In one embodiment, the temperature range of the associated nanoscale energy converter (100) is controlled to modulate the power output of the device (100). Generally, as the temperature of the emitter electrode (102) rises, the rate of thermionic emission from it rises. The operating temperature range of the nanofluid (1202) is based on the desired power of the nanoscale energy converter (100), the temperature range for optimizing thermoelectric conversion, and the fluid properties. Therefore, different embodiments of the nanofluid (1202) are designed for different energy outputs of the device (100). For example, with respect to the nanofluid (1202), when the dielectric medium (1206) is silicone oil, in order to avoid harmful changes in energy transformation due to changes in the viscosity of the silicone oil at 250 ° C or higher, the nanofluid (1202) The temperature should be maintained below 250 ° C. In one embodiment, the temperature range of the nanofluid (1202) for substantially thermionic emission ranges from room temperature (ie, about 20 ° C to about 25 ° C) to about 70-80 ° C, thermionic and thermoelectric. The nanofluid for conversion is above 70-80 ° C, and the main limitation is the temperature limitation of the material. The working nanofluid (1202), including thermoelectric transformation, includes a temperature range that optimizes thermoelectric conversion by optimizing the power density within the nanoscale energy converter (100), thereby the apparatus (100). The output can be optimized. In at least one embodiment, the mechanism for regulating the temperature of the nanofluid (1202) comprises diverting a portion of the energy output of the apparatus (100) to the nanofluid (1202). Thus, the cavity (110) of a particular embodiment of the nanoscale energy transformation apparatus (100) is a nanofluid (nanofluid) for obtaining thermoelectric energy conversion above a specific temperature range, or thermoelectric energy conversion below its own temperature range. It can be filled with 1202).

[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。 [0088] As described elsewhere herein, in at least one embodiment, the dielectric medium (1206) is less than about 1.0 watt / metric Kelvin (W / (mK)). Has a thermal conductivity value. In at least one embodiment, the thermal conductivity of the dielectric medium (1206) is about 0, compared to the thermal conductivity of water at about 20 degrees Celsius (° C) of 0.6 W / (m · K). It is as low as 013W / (m ・ K). Therefore, the nanofluid (1202) has a low thermal conductivity value that minimizes heat transfer through the cavity (110). The low thermal conductivity nanofluid (1202) can reduce heat transport so that a high temperature difference between the two electrodes (102) and (104) can be maintained during operation. These embodiments are designed for those nanoscale energy converters (100) that use only thermionic emissions, where heat transfer through the nanofluid (1202) is desired to be minimal.

[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。 [089] In some alternative embodiments of the nanoscale energy converter (100), greater heat transfer via the nanofluid (1202) is desired. The nanoscale energy converter (100) has the dimensions of a cavity (110) less than about 10 nm. In this predetermined distance range from about 1 nm to less than about 10 nm, the thermal and electrical conductivity values of the nanofluid (1202) are the heat of the nanofluid (1202) when the predetermined distance of the cavity is greater than about 100 nm. It will be higher than the conductivity and electrical conductivity values. This increase in the thermal and electrical conductivity values of the nanofluid (1202) is due to several factors. The first factor is that the movement of phonons and electrons between the plurality of nanoparticle clusters (1204) in the nanofluid (1202) is enhanced, the plurality of nanoparticle clusters (1204) and the first electrode (102). The movement of phonons and electrons between the two is enhanced, and the movement of phonons and electrons between the plurality of nanoparticle clusters (1204) and the second electrode (104) is enhanced. The second factor is the enhanced effect of Brownian motion of nanoparticle clusters (1204) on a more confined volume, seen on a scale less than about 10 nm. When the distance between the electrodes (106) is about 10 nm or less, the characteristics of the fluid continuum of the nanofluid (1202) having the floating nanoparticle clusters (1204) change. For example, as the ratio of particle size to the volume of the cavity (110) increases, effects such as random convection of Brownian motion in dilute solutions dominate. Therefore, the nanoparticle cluster (1204) collides with the surfaces of other nanoparticle clusters (1204) and the electrodes (102) and (104) to promote the movement of phonons and electrons, resulting in thermal conductivity and electrical conductivity. The value of is increased. The third factor is the formation of a nanoparticle cluster (1204) matrix in the nanofluid (1202) at least partially. In one embodiment, the formation of the matrix is based on time factors and / or the concentration of nanoparticle clusters (1204) in the nanofluid (1202). Under certain conditions, the nanoparticle clusters (1204) form a matrix within the nanofluid (1202) as a function in close proximity to each other, while some other nanoparticle clusters (1206) remain independent of the matrix. Become. The fourth factor is the density of predetermined nanoparticle clusters (1204), which is about 1 mol per liter in one embodiment. Therefore, the very small size of the cavity (110), less than about 10 nm, increases the thermal and electrical conductivity values of the nanofluid (1202) therein.

[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。 [0090] Moreover, the nanoparticle clusters (1204) are very thin and are believed to have only one dimension, i.e. their characteristic length. This extreme thinness limits electrons and holes in a process called quantum confinement, improving electrical conductivity. Collision of particles with different quantum confinements facilitates the transfer of charge to the electrodes (102) and (104). When the size of the nanoparticle cluster (1204) is small, the influence on the surface is large and the thermal conductivity tends to be high. The embodiment of the nanoscale energy converter (100) has a high conductivity value of more than about 1 siemens (S / m) per meter. Further, the embodiment of the apparatus (100) having improved thermal conductivity has a thermal conductivity value of more than about 1 W / m · K.

[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。 [0091] Thermionic emission of electrons (1214) from the emitter electrode (102) and movement of electrons (1214) across the nanofluid (1202) from the nanoparticle cluster (1204) to the nanoparticle cluster (1204) by hopping. Are both quantum mechanical effects.

[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。 The emission of electrons from the emitter electrode (102) by thermionic emission as described herein is an energy-selective mechanism. The Coulomb barrier in the cavity (110) between the emitter electrode (102) and the collector electrode (104) is due to the interaction of the nanoparticles (1204) with the electrodes (102) and (104) in the cavity (110). Be guided. The Coulomb barrier is at least partially induced by the number and material composition of multiple nanoparticle clusters (1204). The Coulomb barrier induced via the nanofluid (1202) provides an energy selection barrier on the order of magnitude of about 1 eV. Thus, the nanofluid (1202) provides an energy-selective barrier to electron emission and transfer.

[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、当該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。 [093] To overcome the thermionic barrier and emit electrons (1214) above the energy level required to overcome this barrier from the emitter electrode (102), the emitter electrode (102) and collector electrode (104). The material selection of is selected according to the work function value and the Fermi level value. The Fermi levels of the two metal electrodes (102) and (104) and the nanoparticle cluster (1204) are aligned by tunneling electrons (1214) from the electrodes (102) and (104) to the nanoparticle cluster (1204). Try to make it. The thermionic barrier is overcome by the potential difference between the two electrodes (102) and (104) (described elsewhere herein), and the emission of electrons (1214) from the emitter electrode (102) is thermal. Generated with enough energy to overcome the electron block. In particular, when higher energy electrons are removed from the emitter electrode (102) for cooling purposes, the emission of electrons (1214) results in more thermal energy than is realized by the lower energy electrons (102). Removed from. Therefore, the energy-selective barrier is overcome by thermionic emission of electrons at higher energy levels than would occur without the barrier.

[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、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。 [0094] When electrons (1214) are emitted from the emitter electrode (102) by thermionic emission, the barrier continues to be an obstacle to further transmission of electrons (1214) through the nanofluid (1202). Smaller gaps on the order of about 1-10 nm facilitate short-range electron hopping, or field emission, across the cavity (110). Since the energy required for electron hopping is much lower than the energy required for thermionic emission, electron hopping has a great influence on the energy generation characteristics of the apparatus (100). The design of the nanofluid (1202) enables energy-selective tunneling (hopping). This is due to a special type of barrier (which has a wider gap for low energy electrons), with electrons above the Fermi level being the main hopping component. The direction of electron hopping is determined by the selection of the various materials of the electrodes (102) and (104) and their associated work functions and Fermi level values. Electron hopping across the nanofluid (1202) heats with electrons (1214) across the cavity (110) while maintaining a predetermined temperature gradient so that the temperature of the fluid (1214) does not change relatively during electron transfer. Transfers energy. Thus, the emitted electrons transport thermal energy from the emitter electrode (102) across the cavity (110) to the collector electrode (104) without raising the temperature of the nanofluid (1202).

[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。
[0995] Application Example of Nanoscale Energy Converter [0906] With reference to FIG. 13, a diagram showing an embodiment of use of the nanoscale energy converter (1300) is provided. Thermal energy (1302) from the source enters the emitter electrode (1304). The electrons (1306) are thermically emitted from the emitter electrode (1304) (1318). The electron (1306) traverses a cavity (1308) filled with nanofluid (1310) as described herein. The electron (1306) reaches the collector electrode (1312) that collects the electron (1306) (1320) and is transmitted to the load (1316) through the first conductor (1322) to perform work. (1314) is generated. The load (1316) is connected to the emitter (1304) by a second conductor (1324). The current represented by the arrow (1326) flows in the direction opposite to the electron flow (1314). Therefore, the nanoscale energy converter (1300) collects thermal energy (1302) including waste heat and ambient heat to generate electric power (1314).

[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。 [097] Referring to FIG. 14, a system (1400) of stacked or grouped nanoscale energy converters (1402) that, in one embodiment, generate power from waste heat or heat (1404), which is a waste heat by-product. ) Is provided. The system (1400) includes a plurality of nanoscale energy converters (1402) in an insulated casing (1406). Each nanoscale energy converter (1402) can generate at least 0.024 watts / cell and the system (1400) can reach a power density of about 1550 watts / liter, thus about 64,583 devices (1402). ) Is involved. For a particular home using 3 kW (kW), in one embodiment, a system (1400) that powers a typical home requires a system of about 2 liters. The stacked nanoscale energy converters (1402) (series or parallel) define a power flux to obtain a power system with the desired current and voltage characteristics. In addition, an additional device (1402) enhances the heat removal function. Therefore, the nanoscale energy converter (1402) is expandable and configurable to provide power under a variety of applications.

[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。 [098] Referring to FIG. 15, waste heat collection including a nanoscale energy transformation group (1502) that is coupled to an electronic chip (1504) such as a semiconductor chip and collects electrical energy from waste heat from the electronic chip (1504). A diagram showing the system (1500) is provided. Such a system (1500) is suitable for use in mobile phones and other portable electronic devices. The electronic chip (1504) is attached to the nanoscale energy transformation group (1502) with an adhesive (1506), eg, but not limited to, an epoxy adhesive. The stacked nanoscale energy converter group (1502) includes, for example, but not limited to, about 35 stacked nanoscale energy converters. In one embodiment, the quantity of stacked nanoscale energy converters can vary depending on the size and dimensions of the semiconductor chip. For example, in one embodiment, this quantity can range from a minimum of 1 to more than 1000 stacked nanoscale energy converters. Similarly, in one embodiment, a stack of multiple nanoscale energy converters forms the layer. The nanoscale energy transformation group (1502) is cooled by both radiant heat transfer (1508) and natural convection heat transfer (1510). The nanoscale energy transformation group (1502) is driven by a temperature difference, where the electronic chip (1504) operates at about 100 ° C. The collected power does not need to be used to cool the system (1500). The nanoscale energy conversion group (1502) includes a predetermined number of nanoscale energy conversion devices for doubling current and voltage as needed. Therefore, the nanoscale energy transformation group (1502) can cool by combining natural convection and radiation without the need to install a power-consuming fluid transfer device.

[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。 [099] Referring to FIG. 16, an array of nanoscale energy converters (1604) coupled to a solar cell array (1606) that collects electrical energy from a thermal by-product (1608) from the solar cell array (1606). A diagram showing a power generation system (1600) including 1602) is provided. An energy storage device (1610), such as an unrestricted ultracapacitor, is electrically connected to an array (1602) of a nanoscale energy converter (1604). By integrating the nanoscale energy converter (1604) into the power generation system (1600), the array (1602) cools the solar cell array (1606) and at the same time synergistically generates power to generate photovoltaic power. Production can be increased. In addition to strengthening solar power generation, the integration of nanoscale energy converters (1604) can enhance other heat sources such as hot water, geothermal sources and waste heat sources for automobiles to enhance electricity generation. can. Therefore, the nanoscale energy conversion device (1604) can be integrated with a plurality of energy recovery devices to produce a device with a high energy density that cannot be achieved without such integration.

[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。 [0100] In at least one embodiment described herein, the present disclosure is generally directed to an ultra-long life energy source such as a battery, and more specifically to a nanoscale energy conversion device. Ionization is provided by a combination of electron tunneling and thermionic emission in a nanoscale energy converter. Charge transfer is carried out by the collision of conductive nanoparticles suspended in a fluid (eg, a nanofluid) with thermally induced Brownian motion. The design of this device allows the extraction of ambient energy at low and high temperatures (including room temperature). For this reason, the electrodes are very close to each other, allowing electrons to move the distance between the electrodes. These electrons emitted over a wide temperature range travel across the gap as the nanofluid provides a conduction path for the electrons, minimizing heat transfer and maintaining a nanoscale heat engine, resulting in an arc discharge. Be prevented. With respect to thermionic transducers, the electrical efficiency of these devices depends on the material of the very low work function deposited on the emitter electrode (cathode) and collector electrode (anode). The efficiency of the two low work function electrodes can be improved by developing a cathode that is capable of sufficiently thermionic emission of electrons even at room temperature. Cathodes and anodes with these low work functions provide large amounts of electrons. Similarly, the tunneling device comprises two low work function electrodes separated by a designed nanofluid. Cooling by electrode emission refers to the transfer of high-temperature electrons from the object to be cooled (cathode) to the heat-removing electrode (anode) through the nanofluid gap. In this embodiment, a technique for forming two low-work function electrodes containing cesium oxide in tungsten and gold by electrospray, thermoelectron emission and electron quantum hopping by energy-selective electron transfer, and heat transfer in an apparatus. It combines multiple technologies, such as nanofluids tuned as thermoelectric elements that conduct electricity while minimizing the amount of heat, heat transfer from equipment and an anode electrical connection that is in thermal contact with an external heat source. The combination of this technology will produce a feasible thermionic generator.

[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。 [0101] The nanoscale energy converters of the embodiments described herein facilitate the generation of electrical energy via a long-life, always-chargeable battery for electrical applications of any size scale. The apparatus of the embodiment described herein provides a battery with better conversion efficiency than currently available single and double conversion batteries. Further, the apparatus of the embodiments described herein can be manufactured as an integral part of an integrated circuit to provide electrical energy to the integrated circuit. The apparatus of the embodiment described herein is a lightweight and compact multiplex conversion battery with a power output of useful value and a relatively long operating life. Further, in addition to the tuned work function, the nanoparticle clusters of the embodiments described herein are polyphase nanocomposites, including thermoelectric materials. Combining thermoelectric and thermoion functions within a single device further enhances the power generation capacity of the nanoscale energy conversion device of the embodiments described herein.

[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)。 [0102] By converting ambient thermal energy into usable electricity, electrons to a conventional power source such as an electrochemical battery, especially when a large number of electronic devices in dispersed locations need to be used for a long period of time. It enables energy harvesting that can offset or replace device dependencies. Energy harvesting has unique advantages, such as excellent lifespan of several years, low maintenance, and low disposal and pollution problems, unlike conventional battery and wiring power supplies. The nanoscale energy converters described herein are new, low cost generators for the efficient collection of thermal energy (requires an initial temperature difference or temperature gradient to initiate the flow of electrons). Do not).

[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。 [0103] The nanoscale energy converters of the embodiments described herein are expandable over a number of power generation requirements. These devices can be designed for applications that require power in the range of milliwatts (mW), watts (W), kilowatts (kW), and megawatts (MW). Examples of mW range devices include IoT (Internet of Things) related devices (home appliances, vehicles (communication only)), portable portable electronic devices (mobile phones, medical devices, tablets), and embedded systems (RFIDs). , Wearable), but not limited to these. Examples of watt range devices include, but are not limited to, portable sensors, networks, robotic equipment, cordless tools, drones, appliances, toys, vehicles, utility lighting, and edge computing. Examples of kW range equipment include residential off-grid equipment (rather than fossil fuel backup generators), resilient / sustainable housing, portable generators, electric silent transportation (including water transportation), and Includes, but is not limited to, spacecraft. Examples of MW range equipment include off-grid equipment for industrial / data centers / facilities (uninterruptible power supplies, etc.), resilient complexes, city centers, commercial and military aircraft, flying cars, railroads / locomotives. Includes, but is not limited to, truck / ship transport.

[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。 [0104] Aspects of the present embodiment are described herein with reference to one or more of the flow charts and / or block diagrams of the method and apparatus (system) according to the embodiment. The embodiments can be combined with each other, for example, so that one embodiment can be used to modify another.

[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。 [0105] The terms used herein are for purposes of illustration only and are not intended to limit embodiments. As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" are intended to include the plural unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "contains" and / or "provides" specify the presence of the features, numbers, steps, operations, elements, and / or components described, but one or more. It is further understood that it does not preclude the existence or addition of other features, numbers, steps, operations, elements, components, and / or groups thereof.

[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。 [0106] Corresponding structures, materials, acts, and equivalents of all means or step plus function elements within the claims perform a function in combination with other specifically claimed elements. Intended to include any structure, material, or act for. The description of this embodiment has been presented for purposes of illustration and illustration, but is not intended to be exhaustive or limited to the disclosed embodiments. Many modifications and variations will be apparent to those of skill in the art without departing from the scope and spirit of the embodiment. The embodiments are selected and described to best explain the principles and practical applications of the embodiments and to allow one of ordinary skill in the art to understand the various embodiments with various modifications suitable for the particular use intended. Was done. The implementation of a nanoscale energy converter as a heat collector that efficiently converts waste heat energy into usable electrical energy facilitates the flexible use of small generators. Thus, nanoscale energy converters and related embodiments as illustrated and described in FIGS. 1-16 provide power through heat conversion in most known environments, including ambient temperature environments.

[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。 [0107] Although specific embodiments are described herein for illustrative purposes, it will be appreciated that various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the embodiments. In particular, nanoscale energy converters have been shown to be configured to collect waste heat from a stationary or relatively stationary state. Alternatively, the nanoscale energy converter can be configured to collect heat or waste heat during exercise. Therefore, the scope of protection of the embodiments is limited only by the following claims and their equivalents.

Claims (26)

第1の電極であって、
少なくとも第1の材料を有する第1の基板であって、前記第1の材料は第1の仕事関数値を有し、前記第1の材料はタングステン(W)を含む、第1の基板と、
前記第1の材料とは異なる少なくとも1つの第2の材料であって、前記第1の材料の少なくとも第1の部分上に堆積され、前記第1の電極は前記第1の仕事関数値よりも小さい第2の仕事関数値を有し、前記第2の材料は酸化セシウム(CsO)を含む、第2の材料と、
を含む第1の電極と、
前記第1の電極から離れて配置された第2の電極であって、
前記第1の材料および前記第2の材料とは異なる少なくとも1つの第3の材料を含む第2の基板であって、前記第3の材料は第3の仕事関数値を有し、前記第3の材料は金(Au)を含む、第2の基板と、
前記第1の材料および前記第3の材料とは異なる少なくとも1つの第4の材料であって、前記少なくとも1つの第3の材料の少なくとも第2の部分上に堆積され、前記第2の電極は前記第3の仕事関数値よりも小さい第4の仕事関数値を有し、前記第4の材料はCsOを含む、第4の材料と、
を含む第2の電極とを含むことを特徴とする装置。
The first electrode,
A first substrate having at least a first material, wherein the first material has a first work function value, and the first material contains tungsten (W).
At least one second material different from the first material, deposited on at least the first portion of the first material, the first electrode having a higher work function value than the first. A second material having a small second work function value, wherein the second material contains cesium oxide (Cs 2 O), and the second material.
With the first electrode, including
A second electrode arranged away from the first electrode.
A second substrate comprising the first material and at least one third material different from the second material, wherein the third material has a third work function value and the third material. The material of the second substrate, which contains gold (Au),
At least one fourth material different from the first material and the third material, which is deposited on at least a second portion of the at least one third material, the second electrode. A fourth material having a fourth work function value smaller than the third work function value and the fourth material containing Cs 2 O, and the fourth material.
A device comprising: and a second electrode comprising.
請求項1に記載の装置において、
前記第2の材料は、前記第1の基板の第1の表面の50%超に延在し、
前記第4の材料は、前記第2の基板の第2の表面の50%超に延在することを特徴とする装置。
In the apparatus according to claim 1,
The second material extends over 50% of the first surface of the first substrate.
The fourth material is an apparatus characterized in that it extends over 50% of the second surface of the second substrate.
請求項1または2に記載の装置において、
前記第2の材料は、前記第1の基板の第1の表面の60%以上に延在することを特徴とする装置。
In the apparatus according to claim 1 or 2.
The second material is an apparatus characterized in that it extends over 60% or more of the first surface of the first substrate.
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4の材料は、前記第2の基板の第2の表面の60%以上に延在することを特徴とする装置。
In the apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The fourth material is an apparatus characterized in that it extends over 60% or more of the second surface of the second substrate.
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および第2の部分のそれぞれの上に、CsOの単分散液滴のエレクトロスプレー堆積物をさらに含むことを特徴とする装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein an electrospray deposit of monodisperse droplets of Cs 2 O is further contained on each of the first and second portions. .. 請求項1乃至5のいずれかに記載の装置において、少なくとも1つの第2の層および少なくとも1つの第4の層はそれぞれ、それぞれ前記第1および第2の部分の上にCsOで形成された少なくとも2つの層を含むことを特徴とする装置。 In the apparatus according to any one of claims 1 to 5, at least one second layer and at least one fourth layer are formed of Cs 2 O on the first and second portions, respectively. A device comprising at least two layers. 請求項1乃至6のいずれかに記載の装置において、前記第1の部分および前記第2の部分のうちの少なくとも1つに形成された複数の双極子をさらに含み、前記双極子がナノアンテナを規定することを特徴とする装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 6, further comprising a plurality of dipoles formed in at least one of the first portion and the second portion, wherein the dipole comprises a nanoantenna. A device characterized by being specified. 請求項7に記載の装置において、近接双極子モーメントを変更するためのナノアンテナをさらに含むことを特徴とする装置。 The device according to claim 7, further comprising a nano-antenna for changing the proximity dipole moment. 請求項1乃至8のいずれかに記載の装置において、前記所定の距離が1ナノメートルから10ナノメートル未満の範囲を含むことを特徴とする装置。 The device according to any one of claims 1 to 8, wherein the predetermined distance includes a range of 1 nanometer to less than 10 nanometer. 請求項1乃至9のいずれかに記載の装置において、前記所定の距離が10ナノメートル未満であることを特徴とする装置。 The device according to any one of claims 1 to 9, wherein the predetermined distance is less than 10 nanometers. 請求項1乃至10のいずれかに記載の装置において、前記第1および第2の電極の分離を維持して、前記第1の電極と第2の電極との間に空洞を規定するための複数の絶縁体ポストをさらに含むことを特徴とする装置。 A plurality of devices according to any one of claims 1 to 10 for maintaining the separation of the first and second electrodes and defining a cavity between the first electrode and the second electrode. A device characterized by further inclusion of an insulator post. 請求項11に記載の装置において、前記空洞内に維持される間質性ナノ流体をさらに含むことを特徴とする装置。 The device according to claim 11, further comprising an interstitial nanofluid maintained in the cavity. 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の基板が第1のナノ金属膜を含み、前記第2の基板が第2のナノ金属膜を含むことを特徴とする装置。 The device according to any one of claims 1 to 12, wherein the first substrate contains a first nanometal film, and the second substrate contains a second nanometal film. 装置の製造方法において、
第1の電極を製造するステップであって、
少なくとも第1の材料を含む第1の電極基板を提供し、ここで前記第1の材料は第1の仕事関数値を有し、前記第1の材料はタングステン(W)を含み、
前記第1の材料の少なくとも一部の上に、前記第1の材料とは異なる少なくとも1つの第2の材料を堆積し、ここで前記少なくとも1つの第2の材料の堆積は、前記第1の電極に第2の仕事関数値をもたらし、前記第2の仕事関数値は前記第1の仕事関数値より小さく、前記第2の材料は酸化セシウム(CsO)を含む、ステップと、
第2の電極を製造するステップであって、
前記第1および第2の材料とは異なる少なくとも1つの第3の材料を含む第2の電極基板を提供し、ここで前記第3の材料は第3の仕事関数値を有し、前記第3の材料は金(Au)を含み、
前記少なくとも1つの第3の材料の少なくとも一部の上に、前記第1および第3の材料とは異なる少なくとも1つの第4の材料を堆積し、ここで前記少なくとも1つの第4の材料の堆積は、前記第2の電極に第4の仕事関数値をもたらし、当該第4の仕事関数値は前記第3の仕事関数値よりも小さく、前記第4の材料はCsOを含む、ステップとを含むことを特徴とする方法。
In the manufacturing method of the device
This is the step of manufacturing the first electrode.
Provided is a first electrode substrate comprising at least the first material, wherein the first material has a first work function value and the first material comprises tungsten (W).
At least one second material different from the first material is deposited on at least a portion of the first material, wherein the deposition of the at least one second material is the first. The step, which results in a second work function value for the electrode, the second work function value is smaller than the first work function value, and the second material contains cesium monoxide (Cs 2 O).
This is the step of manufacturing the second electrode.
Provided is a second electrode substrate containing at least one third material different from the first and second materials, wherein the third material has a third work function value and the third material. Material contains gold (Au)
On at least a portion of the at least one third material, at least one fourth material different from the first and third materials is deposited, where the at least one fourth material is deposited. Brings a fourth work function value to the second electrode, the fourth work function value is smaller than the third work function value, and the fourth material contains Cs 2 O. A method characterized by including.
請求項14に記載の方法において、さらに、
前記前記第2の材料を第1の基板の第1の表面の50%超に延在させるステップと、
前記第4の材料を前記第2の基板の第2の表面の50%超に延在させるステップと、を含むことを特徴とする方法。
In the method of claim 14, further
The step of extending the second material to more than 50% of the first surface of the first substrate,
A method comprising: extending the fourth material to more than 50% of the second surface of the second substrate.
請求項14または15に記載の方法において、さらに、
前記第2の材料を前記第1の基板の第1の表面の少なくとも60%に延在させるステップを含むことを特徴とする方法。
In the method of claim 14 or 15, further
A method comprising the step of extending the second material to at least 60% of the first surface of the first substrate.
請求項14乃至16のいずれかに記載の方法において、さらに、
前記第4の材料を前記第2の基板の第2の表面の少なくとも60%に延在させるステップを含むことを特徴とする方法。
In the method according to any one of claims 14 to 16, further
A method comprising the step of extending the fourth material to at least 60% of the second surface of the second substrate.
請求項14乃至17のいずれかに記載の方法において、前記第1および第2の部分のそれぞれの上にCsOの単分散液滴をエレクトロスプレーするステップを含むことを特徴とする方法。 The method according to any one of claims 14 to 17, comprising electrospraying a monodisperse droplet of Cs 2 O onto each of the first and second portions. 請求項14乃至18のいずれかに記載の方法において、前記少なくとも1つの第2の層および前記少なくとも1つの第4の層はそれぞれ、それぞれ前記第1および第2の部分の上にCsOで形成された少なくとも2つの層を含むことを特徴とする方法。 In the method of any of claims 14-18, the at least one second layer and the at least one fourth layer are each on the first and second portions, respectively, with Cs 2 O. A method comprising at least two layers formed. 請求項14乃至19のいずれかに記載の方法において、前記第1の部分および前記第2の部分のうちの少なくとも1つに複数の双極子を形成するステップをさらに含み、前記双極子がナノアンテナを規定することを特徴とする方法。 The method according to any one of claims 14 to 19, further comprising forming a plurality of dipoles in at least one of the first portion and the second portion, wherein the dipole is a nanoantenna. A method characterized by prescribing. 請求項20に記載の方法において、前記ナノアンテナは、近接双極子モーメントを変更することを特徴とする方法。 The method according to claim 20, wherein the nanoantenna changes a proximity dipole moment. 請求項14乃至21のいずれかに記載の方法において、さらに、
前記第2の電極を前記第1の電極から離して配置し、その距離が前記第1の電極と第2の電極との間に空洞を少なくとも部分的に規定する、ステップと、
前記空洞にナノ流体を加え、前記ナノ流体は複数のナノ粒子を含む、ステップとを含むことを特徴とする方法。
In the method according to any one of claims 14 to 21, further
A step in which the second electrode is placed away from the first electrode and the distance defines at least a cavity between the first electrode and the second electrode.
A method comprising adding a nanofluid to the cavity, wherein the nanofluid comprises a step, comprising a plurality of nanoparticles.
請求項22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を含むことを特徴とする方法。 22. The method of claim 22, wherein the distance comprises a range of 1 nanometer to less than 10 nanometers. 請求項22または23に記載の方法において、前記距離が10ナノメートル未満であることを特徴とする方法。 22 or 23, wherein the distance is less than 10 nanometers. 請求項14乃至24のいずれかに記載の方法において、前記第1の基板が第1のナノ金属膜を含み、前記第2の基板が第2のナノ金属膜を含むことを特徴とする方法。 The method according to any one of claims 14 to 24, wherein the first substrate contains a first nanometal film, and the second substrate contains a second nanometal film. 電力を生成するための方法において、
第1の電極であって、
少なくとも第1の材料を有する第1の基板であって、前記第1の材料は第1の仕事関数値を有し、前記第1の材料がタングステン(W)を含む、第1の基板と、
前記第1の材料とは異なる少なくとも1つの第2の材料であって、前記第1の材料の少なくとも第1の部分上に堆積され、前記第1の電極は前記第1の仕事関数値よりも小さい第2の仕事関数値を有し、前記第2の材料は酸化セシウム(CsO)を含む、第2の材料と、
を含む第1の電極を提供するステップと、
前記第1の電極から所定の距離に配置された第2の電極であって、
前記第1の材料および前記第2の材料とは異なる少なくとも1つの第3の材料を含む第2の基板であって、前記第3の材料は第3の仕事関数値を有し、前記第3の材料は金(Au)を含む、第2の基板と、
前記第1および第3の材料とは異なる少なくとも1つの第4の材料であって、前記少なくとも1つの第3の材料の少なくとも第2の部分上に堆積され、前記第2の電極は前記第3の仕事関数値よりも小さい第4の仕事関数値を有し、前記第4の材料はCsOを含む、第4の材料と
を含む第2の電極を提供するステップと、
前記第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、
前記距離の配置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、
前記第1の電極から複数の電子を放出させるステップと、
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の電極に移動させるステップと、を含むことを特徴とする方法。
In the way to generate electricity
The first electrode,
A first substrate having at least a first material, wherein the first material has a first work function value, and the first material contains tungsten (W).
At least one second material different from the first material, deposited on at least the first portion of the first material, the first electrode having a higher work function value than the first. A second material having a small second work function value, wherein the second material contains cesium oxide (Cs 2 O), and the second material.
The step of providing the first electrode, including
A second electrode arranged at a predetermined distance from the first electrode.
A second substrate comprising the first material and at least one third material different from the second material, wherein the third material has a third work function value and the third material. The material of the second substrate, which contains gold (Au),
At least one fourth material different from the first and third materials, deposited on at least a second portion of the at least one third material, the second electrode being the third. A step of providing a second electrode comprising a fourth material, wherein the fourth material has a fourth work function value that is less than the work function value of.
The step of establishing a contact potential difference between the first electrode and the second electrode, and
The step of establishing a contact potential difference between the first electrode and the second electrode, and
A step of providing multiple nanoparticles in a cavity defined by the distance arrangement,
The step of emitting a plurality of electrons from the first electrode and
A method comprising: moving a plurality of emitted electrons to the second electrode via Brownian motion of the nanoparticles.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE9102263L (en) * 1991-07-31 1992-08-31 Leif Holmlid COLLECTOR DRIVES THERMOJONIC ENERGY CONVERTER
US6294858B1 (en) * 1998-02-26 2001-09-25 Sandia Corporation Microminiature thermionic converters
GB0713069D0 (en) * 2007-07-05 2007-08-15 Univ Bristol Energy conversion devices
GB2463117A (en) * 2008-09-08 2010-03-10 Landa Lab Ltd Generating electricity from the thermal motion of gas molecules
US10807119B2 (en) 2013-05-17 2020-10-20 Birmingham Technologies, Inc. Electrospray pinning of nanograined depositions
US10559864B2 (en) * 2014-02-13 2020-02-11 Birmingham Technologies, Inc. Nanofluid contact potential difference battery

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