JP2022548342A - デバイスとしての単電極セルおよび二つ以上のセルの直列物 - Google Patents
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Abstract
本発明は、誘電率が非常に高い強誘電体を含む、室温未満から室温超の温度でのデバイスとしての単電極セル（１０）および二つ以上のセルの直列物に関する。一つ以上のセルによって構成されるデバイスにおいて、セルは、互いに物理的に接触する必要はなく、三つのセルのいずれの間にも物理的接触なしで、一方の端子（３００）が第一セルに接続され、他方の端子（３１０）が第三セルに接続されうる。強誘電体の双極子の自発的かつ動的な整列により、セル、複数のセルまたはデバイスの表面の様々な点で電位差が誘起され、導体端子によって電流が採取されうる。本発明は、エネルギー貯蔵デバイスの非接触充電のために、およびいくつかの部品または製品の一部として使用されうる。【選択図】図１
Description
本発明は、誘電率が非常に高い強誘電体と、電極、強誘電体、強誘電性誘起超伝導体、半導体、絶縁体、超伝導体、強誘電体ベースのデバイスまたはその一部とを含む全温度静電効果デバイスである。本発明は、単電極強誘電性誘起超伝導体と一つ以上の電極、単電極セルまたはフルセルとの結合物も含みうる。ホール効果のような現象の観察および応用と生成された電位差の後の採取のために、セル、セル結合物、またはデバイスの様々な点で導体端子が接続される。一つ以上の強誘電性誘起超伝導体または強誘電性絶縁体セルによって構成されるデバイスにおいて、セルは互いに物理的に接触する必要はなく、三つのセルのいずれの間にも物理的接触なしで、一方の端子が第一セルに接続され、他方の端子が第三セルに接続されうる。強誘電体の双極子の自発的かつ動的な整列により、セル、複数のセルまたはデバイスの表面の様々な点で電位差が誘起され、導体端子によって電流が採取されうる。二つまたはいくつかの単電極セルの間、単電極セルと一つの電極、フルセル、またはデバイスとの間で、第一のものによって界面で産出される電場は、第二のものに対称的な分極を誘起してホール効果の産物のように表面の一方の側に電荷キャリアの蓄積を、他方の側に鏡像電荷の蓄積を生じるのに十分である。
強誘電体材料は、外部電場の印加によって反転されうる自発電気分極を有する材料である。全ての強誘電体は焦電体であり、その自然の電気分極は反転可能であり温度に関係する。
ホール効果は、電導体を横断した電位差の生成である。元のホール効果では、印加磁場に垂直な印加電流による鏡像電荷の蓄積から電位差が蓄積される。本発明においては、効果は電気絶縁体または導体を横断した電位差および電荷蓄積による電気力に基づいて生じる静電効果であり、横方向印加電流または印加磁場を用いる必要はない。
エネルギーを採取し、その後貯蔵する新規な構造物の開発は、人類に重要な利益をもたらす。
超伝導体は、ゼロ抵抗を示すことができる材料であり、したがってこれは電子に関係する特性である。超伝導体は、印加電位なしで電流を維持することもでき、これはＭＲＩマシンに見られるような超伝導電磁石で利用される特性である。実験により、超伝導コイルの電流が劣化せずに何年も持続しうることが実証されている。低温のＢｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、ＳｎおよびＨｇＢａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘなどの銅酸化物高温超伝導体または鉄系ＦｅＳｅのようないくつかの材料が超伝導を示すことが報告されている。既知の最も高温の超伝導体はＨ２Ｓであるが、これは高圧力も要する。
したがって超伝導体は、損失のない電力の伝達を可能にし、放熱を示さない（ジュール効果がない）。
強誘電体と別の材料など誘電率が大きく異なる二つの材料間の界面で二次元超伝導が生成されうる。これは、対称性を自発的に破り、２Ｄ超伝導を誘起する材料／強誘電性絶縁体界面で起こる急激な相転移（誘電率が急激に変化する）に起因する。
金属と誘電率が非常に高い強誘電体との界面に沿って超伝導が生じうる。
本明細書に提示されるデバイスなどのように、空気／強誘電体、イオン性液体／強誘電体、半導体／強誘電体の界面に沿っても２Ｄ超伝導が生じうる。
強誘電超伝導体の表面上で、双極子の整列および分極はそのままで一つの界面から別の界面に表面を通して電流が伝導されうる。この現象は、デバイスセルを放電する間にも何年もの充電をもたらしうる。
０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦３であるＬｉ３‐２ｙＭｙＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｌｉ３‐３ｙＡｙＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｎａ３‐２ｙＭｙＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｎａ３‐３ｙＡｙＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｋ３‐２ｙＭｙＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｋ３‐３ｙＡｙＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）などの誘電率が極めて高い強誘電体ガラスもしくはＬｉ３‐２ｙ‐ｚＭｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、およびＢａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｌｉ３‐３ｙ‐ｚＡｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｎａ３‐２ｙ‐ｚＭｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、およびＢａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｎａ３‐３ｙ‐ｚＡｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｋ３‐２ｙ‐ｚＭｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、およびＢａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｋ３‐３ｙ‐ｚＡｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）のような結晶性材料、それらの混合物、またはそれらとＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２、ＢａＴｉＯ３、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｘ、ＳｒＴｉＯ３もしくは他の強誘電体もしくは超伝導体材料との混合物、またはそれらとＣｕ２Ｏ、ＳｉＯ２、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｏ、ＬｉＩ、Ｎａ２Ｓ、Ｎａ２Ｏ、ＮａＩ、Ｋ２Ｓ、Ｋ２Ｏ、ＫＩ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＢ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｓ、ポリマー、イオン性液体もしくは他の溶媒もしくはイオン性材料との混合物は、誘電率が実質的に異なる材料との界面で超伝導体となることができ、その材料は、「セル」または「デバイス」の非存在下で強誘電体材料を２Ｄ超伝導体にする空気であることもできる。
単電極セルは、以下では、高誘電率材料と接触する一つの電極によって構成されるセルである。セルは、高誘電率材料の上に保護層を有しうる。電極は、導体もしくは半導体またはそれらの混合物でありうる。セルの端子は、電極の場合によっては両側に位置する様々な点に取り付けられることができ、高誘電率材料の表面と接触しうる。
フルセルは、強誘電体材料を間に備える二電極以上のセルである。電極は類似することも異なることもできる。
単電極セル、フルセルまたはそれらの混合物の結合物は、以下では、セルが準平行側面を最も近い単数／複数のセルと整列させて（場合によっては直列に）互いに接続されるかのように配置された結合物である。セルは、同じタイプの電極を通して、または異なる電極を通して接続されうる。第二セルが第一セルおよび第三セルに接続されずに、一番目のセルが第三セルに接続されうる。
本発明は、室温未満から室温超で機能しうる、誘電率が非常に高い強誘電体に接触するかもしくは単にその近くにある導体の二つの異なる点の間、または強誘電体の表面とそれに接触する導体コレクタとの間、または二つの単電極セルの間、またはフルセルもしくはセルの結合物の間の強誘電誘起電位差を対象とする。
本発明は、強誘電分極および導体、半導体、単電極セル、フルセルまたはセル結合物における静電的に誘起される電位差、ならびに強誘電性誘起超伝導体表面電流を対象とする。
本発明の特徴は、強誘電体との物理的接触のない（物理的に分離された）導体、半導体、絶縁体、セル、またはセル結合物における強誘電性誘起電荷蓄積を提供することである。
本発明の特徴は、電極、フルセル、セル結合物における強誘電性誘起電荷蓄積を提供し、したがって磁束の変化を含むファラデーの電磁誘導の法則に回帰せずに、元のホール効果のような磁場および横方向電流に回帰せずに、摩擦または材料のいずれかとのいかなる機械的相互作用にも回帰せずに電位差を誘起することである。したがって、本発明は、物理的接触なしでセルまたはセル結合物を連続的に充電または自己充電する方法を提供する。
本発明は、強誘電性絶縁体と、セルの様々な点で端子が接続された、電極、強誘電体、強誘電性誘起超伝導体、半導体、絶縁体、超伝導体、強誘電体ベースのデバイスまたはその一部とを含む単電極セルであって、強誘電性絶縁体は、界面で－４０℃～１７０℃の温度で１０３より高い誘電率εｒを有する、単電極セルを開示する。
さらに、本発明は、強誘電性絶縁体が０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦３であるＬｉ３‐２ｙＭｙＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｌｉ３‐３ｙＡｙＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｎａ３‐２ｙＭｙＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｎａ３‐３ｙＡｙＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｋ３‐２ｙＭｙＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｋ３‐３ｙＡｙＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）もしくはＬｉ３‐２ｙ‐ｚＭｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、およびＢａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｌｉ３‐３ｙ‐ｚＡｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｎａ３‐２ｙ‐ｚＭｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、およびＢａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｎａ３‐３ｙ‐ｚＡｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｋ３‐２ｙ‐ｚＭｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、およびＢａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｋ３‐３ｙ‐ｚＡｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）のような結晶性材料、それらの混合物、またはそれらとＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２、ＢａＴｉＯ３、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｘ、ＳｒＴｉＯ３もしくは他の強誘電体もしくは超伝導体材料との混合物、またはそれらとＣｕ２Ｏ、ＳｉＯ２、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｏ、ＬｉＩ、Ｎａ２Ｓ、Ｎａ２Ｏ、ＮａＩ、Ｋ２Ｓ、Ｋ２Ｏ、ＫＩ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＢ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｓ、ポリマー、イオン性液体もしくは他の溶媒もしくはイオン性材料との混合物である単電極セルを明らかにする。
加えて、単電極セルは、ポリマー、樹脂、可塑剤、接着剤、または別の結合剤と混合された強誘電性絶縁体を提示しうる。
さらに、本発明の単電極セルは、強誘電性絶縁体が、セルロース、繊維ガラス、または布などのマトリックスに埋め込まれる可能性をもつ。
本発明は、電極導体がＡｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｋ、Ｌｉ、Ｎａ、合金、化合物、複合体、混合物または発泡体である単電極セルも開示する。
単電極セルは、電極導体がＣ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、真ちゅう、青銅、合金、化合物、複合体または発泡体である構成を提示しうる。
単電極セルは、電極導体がＣ発泡体、Ｃナノチューブ、Ｃフェルト、Ｃ紙、グラファイト、またはグラフェンであるさらなる構成を提示しうる。
単電極セルは、電極半導体がＳｉ、Ｇａ、ＧａＡｓ ｐもしくはｎドープＳｉまたはｐもしくはｎドープＧａまたはＢａＴｉＯ３などの他の半導体であるさらなる構成を提示しうる。
単電極セルは、電極および強誘電性絶縁体が長方形、円盤、リング、トロイダル、または任意の規則的または不規則な形状を有するさらなる構成を提示しうる。
単電極セルは、電極および強誘電性絶縁体が鋸形状のエッジまたは電荷蓄積を促進する任意の他の形状を有するさらなる構成を提示しうる。
単電極セルは、セルが絶縁体保護層によって保護されるさらなる構成を提示しうる。
単電極セルは、セルがパッケージに封入されるさらなる構成を提示しうる。
本発明は、上に定義された二つ以上の単電極セルの直列物であって、二つ以上のセルは互いに整列し、セルは物理的接触なしでｍｍまたはｃｍの距離によって分離され、または二つ以上のセルは、一つのセルの負極が次のセルの正極と接続してセル電位を加えるように接触する、直列物も開示する。
さらに、本発明は、セルが導体、半導体、または超伝導体である直列物を明らかにする。
加えて、直列物は、強誘電性絶縁体を間に有する二つの電極を提示しうる。
直列物は、フルセルが電極が類似するかまたは異なる二つの単電極セルの直列物であるさらなる構成を提示しうる。
直列物は、電極がＺｎおよびＣであるさらなる構成を提示しうる。
直列物は、セルの負極および異なるセルの正極に負荷が接続されるさらなる構成を提示しうる。
直列物は、負荷がＬＥＤであるさらなる構成を提示しうる。
直列物は、二つの導体電極が一つ以上の交互の強誘電体および／または絶縁体材料の層対によって分離されるさらなる構成を提示しうる。
定義されたセルまたは二つ以上の単電極セルの直列物の使用は、いくつかの用途、例えば、エネルギーハーベスタのためのデバイスとして、エネルギー貯蔵デバイスとして、トランジスタ、コンピュータ、量子コンピュータ、センサ、充電器、アクチュエータ、熱電子デバイス、温度コントローラ、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ、光起電力セル、パネル、風力タービン、スマートグリッド、送電、変圧器、電力貯蔵デバイス、電気モータ、飛行機、車、ボート、潜水艦、衛星、ドローン、ロケット、および／または宇宙船の一部としての用途を提示する。
本発明のこれらおよび他の特徴、態様ならびに利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲、ならびに添付の図面を参照することでよりよく理解されるであろう。
以下の例および図１～１８で、本発明の好ましい実施形態が示される。後者は例にすぎず、簡略化のために大半のセルが正方形として描かれたが、長方形、円盤状、リング、トロイダル、不規則であることができ、または定められた点に電荷を蓄積するために鋸のような多数のエッジを有することができる。
図１は、単電極セル１０の側面図を示し、導体基板１００が、誘電率が非常に高い強誘電性絶縁体２００と接触させられる。セルは、図１には示されない保護層またはパッケージによって湿気から保護されうる。セルに電位差が誘起された後に、端子３００および３１０が電流を収集する。
図２は、図１のセル１０の上面図２０を示す。
図３は、直列に接続されるかのようであるが間に物理的接触がない設定３０の二つのセル２０を示す。強誘電性絶縁体２００の自発分極により、二つのセル２０の間に「コンデンサ」が形成される。セル間の絶縁体は、空気、エポキシ、テフロン（登録商標）、ポリマー、接着剤、イオン性液体または他の誘電体材料でありうる。
図４は、セルが電極導体４００と直列に接続されるかのようであるが間に物理的接触がない設定４０の一つのセル２０を示す。導体４００にホール効果を誘起する強誘電性絶縁体２００の自発分極により、セル２０と電極４００との間に「コンデンサ」が形成される。
図５は、セルが電極半導体５００と直列に接続されるかのようであるが間に物理的接触がない設定５０の一つのセル２０を示す。強誘電性絶縁体２００の自発分極により、セル２０と電極５００との間に「コンデンサ」が形成される。半導体がｎまたはｐドープされる場合、負または正電荷のドリフトが起こり、半導体における電荷の蓄積、したがって表面の様々な点での電位差を引き起こす。
図６は、セルが直列に接続されるかのようであるが第一セルと第二セルとの間および第二セルと第三セルとの間に物理的接触がない設定６０の三つのセル２０を示す。強誘電性絶縁体２００の自発分極により、第一セルと第二セルとの間および第二セルと第三セルとの間に二つの「コンデンサ」が形成される。
図７は、セルが間の電極導体４００と間に物理的接触なしで直列に接続されるかのような設定７０の両端に位置する二つのセル２０を示す。強誘電性絶縁体２００の自発分極により、第一セルと電極４００との間および電極４００と第二単電極セルとの間に二つの「コンデンサ」が形成される。
図８は、セルが間の電極半導体５００と間に物理的接触なしで直列に接続されるかのような設定８０の両端に位置する二つのセル２０を示す。強誘電性絶縁体２００の自発分極により、第一セルと電極５００との間および電極５００と第二セルとの間に二つの「コンデンサ」が形成される。
図９は、一つまたはいくつかの強誘電性絶縁体２００および絶縁体６００～６２０の層によって形成された多層セル９０を示す。絶縁体は、空気、エポキシ、テフロン（登録商標）、ポリマー、接着剤、イオン性液体、アクリル系または他の誘電体材料でありうる。強誘電性絶縁体の非常に高い誘電率は、誘電体を分極する電場を生成する。さらに、絶縁体６００～６２０は表面超伝導体電子のほとんどを通さず、代わりに強誘電体によって自発的に生成される電場により強誘電体との表面で分極する。したがって、絶縁体は強誘電体の表面に平行な二つの表面間に電位差を示す。
図１０は、強誘電体／絶縁体セル１００を示す。絶縁体６００は、任意の誘電体材料とすることができ、表面超伝導を生じる強誘電体２００の電気化学的電位の自発整列および自発分極によりセルの界面にコンデンサが形成される。
図１１は、強誘電体／絶縁体／半導体セル１１０を示す。絶縁体は、任意の誘電体材料とすることができ、表面超伝導を生じる強誘電体２００の電気化学的電位の自発整列および自発分極によりセルの界面にコンデンサが形成される。絶縁体６００および半導体５００の界面に、別のコンデンサが形成される。半導体は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、Ｃｕ２Ｏ、またはバンドギャップエネルギーが通常約０．２≦Ｅｇ≦３ｅＶ以上の任意の他の材料とすることができる。
図１２は、直列に接続されるかのようであるがセル７００と７１０との間およびセル７１０と７２０との間に物理的接触がない、端子８００、８１０、９００、９１０、１０００、および１０１０を備えた設定１２０の三つのフルセルを示す。第一コンデンサがセル７００と７１０との間に、第二コンデンサがセル７１０と７２０との間に、二つの「コンデンサ」が形成される。図１２ａ、ｂ、ｃおよびｄ（写真）は、設定１２０の例の写真を示す。
図１３は、ＣｕおよびＡｌの異なる電極によってそれぞれ構成される７００、７１０、および７２０のタイプのセルによって構成されるデバイス１２０の電気化学的電位の「ステップ」グラフ１３０の例を示す。類似の電極Ｃｕ（１）、Ｃｕ（２）およびＣｕ（３）ならびに類似の電極Ａｌ（１）、Ａｌ（２）およびＡｌ（３）の電気化学的電位の間の差の測定、ならびに異なるセル電極の組み合わせの電気化学的電位差の測定が得られた。異なるセルの異なる電極（２）および（３）の間で最大電位差μＣｕ（３）－μＡｌ（２）＝１．３６１Ｖが得られ、これは以前に報告された他のいかなるデバイスとも明らかな差を際立たせる。セルが直列に接続された場合には、電位差はＶ＝１．１７７＋１．３１３＋１．０００＝３．４９０Ｖとなり、セルが並列に接続された場合には、電位差を測定するためにいずれの二つの異なる電極が選択されても電位差は同じになる。
図１４は、自発的に分極し最終的に表面超伝導を示す強誘電体でリングが満たされるかまたは一部満たされる浅いリング、コイル、またはトロイダルセル１４０を示す。リングまたはトロイド内の電子は、その後リング内を自由に伝導される。
図１５は、増幅または切り替えしうる強誘電体／絶縁体／半導体セル１５０を示し、このセルでは、強誘電性絶縁体２００は、絶縁体６００ならびに半導体５１０および５２０（ｎドープ半導体など）との界面で負に分極されうる。負の分極は表面超伝導に起因し、電子が伝導されるチャネルを生じうる。
図１６は、増幅および切り替えしうる強誘電体／半導体セル１６０を示し、このセルでは、強誘電性絶縁体２００は、半導体５００、５１０、および５２０との界面で正に分極されうる。鏡像負電荷が導体４００との界面に整列する。
図１７は、開回路電圧ＯＣＶ１．３８Ｖのフルセル２０００、単電極セル２０、および赤色ＬＥＤの間に物理的接触がある直列の結合物１７０によって構成される閉回路の例を示す。赤色ＬＥＤが点灯される。フルセルのＯＣＶは赤色ＬＥＤを点灯するのに十分でないため、単電極セル２０の寄与が証明され、これにより単電極セルがエネルギーを採取および貯蔵できることが明確に示される。
図１８は、直列に結合されるかのようであるが単電極セル２０と電極導体４００との間に物理的接触がない設定１８０の二つのセルにより構成される閉回路の例を示す。実験として、ＶＦ電位の測定は、セルが液体窒素温度から加熱時に約Ｔ≧－７０℃でＶＦ≧１．０Ｖおよび電流ＩＦ≧２００μＡを示しうる。同じ実験において、Ｔ≧２０℃でＶＣ≧０．８Ｖである。
半導体であるＢａＴｉＯ３のような材料では、キュリー温度未満で高抵抗結晶がその境界において高い誘電率の強誘電特性および電子が容易に透過しうる低い電位障壁を生じる結果、低い抵抗率が生じることがよく知られている（ベインおよびチャンド（Ｂａｉｎ ａｎｄ Ｃｈａｎｄ）著、「強誘電体の原理および応用（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」、ワイリーＶＣＨ（Ｗｉｌｅｙ‐ＶＣＨ）、２０１７年、第４章、ｐ．９３）。
従来の金属‐絶縁体‐半導体電界放出トランジスタ（ＦＥＴ：ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）において達成可能な典型的なシートキャリア濃度ｎ２Ｄは、わずかｎ２Ｄ≒１×１０１３ｃｍ－２であり、超伝導を誘起するのに不十分である。本発明のセルでは、低温から高温で超伝導が観察され、界面電極／強誘電体に蓄積される電荷キャリアの数は、ｎ２Ｄ≧１０１５ｃｍ－２と計算される。
強誘電性絶縁体２００はアモルファスまたはガラスでありうるため、強誘電誘起超伝導の実施可能性は強誘電体構造に関係しないが、超伝導を可能にする双極子の動的会合および整列と大きく関係する。本デバイスでは、空気、金属、または誘電率が大きく異なる任意の他の材料と接触する誘電率が非常に高い強誘電体材料の表面で超伝導が生じる。
実施形態３０～１２０においては、電極、セル、またはデバイスの間の物理的絶縁体障壁を横断して電子が伝導されうることが可能である。
誘電体材料のローレンツ空洞（電場の存在下で分極する分子を含む球形の空洞）の表面上の分極電荷は、連続分布を形成すると考えられうる。さらに、材料が等方性である場合、全ての原子が互いに平行な点双極子で置き換えられることができ、双極子による電場はゼロに減少する。このとき総電場は、
であり、式中Ｅは総電場、Ｅａｐｐｌ．は印加外部電場、Ｐは分極ベクトル、そしてε０は真空の誘電率である。Ｌｉ２．９９Ｂａ０．００５ＣｌＯのように強誘電性絶縁体２００を過度に単純化すると、ミリメートル単位以上の距離の他の材料を分極してホール効果を誘起できる非常に高い電場に反映する印加電場の非存在下で、分極は２５℃でＰ＝１．５Ｃ．ｃｍ－２に達しうる（ブラガら（Ｂｒａｇａ ｅｔ ａｌ．）米国化学会誌（Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．）２０１８、１４０、１７９６８‐１７９７６）。分極して電気化学的電位またはフェルミ準位が整列した二つの材料の界面での電場は、Ｅ≧１０ＭＶｍ－１である。この後者の電場は通常、分極表面が距離ｄ≦１ｎｍだけ離れているときに観察される。
一方、静電容量Ｃを有する絶縁材料の誘電損失Ｐｌ（電力）は、
Ｐｌ＝Ｖ２２πｆＣｔａｎδ （２）
から得られ、式中Ｖは電位差、ｆは周波数、そしてｔａｎδは誘電正接である。
Ｐｌ＝Ｖ２２πｆＣｔａｎδ （２）
から得られ、式中Ｖは電位差、ｆは周波数、そしてｔａｎδは誘電正接である。
強誘電性絶縁体の自発分極は、強誘電体材料からｍｍまたはｃｍ距離の他の材料を分極しうる非常に高い電場をもたらし、鏡像電荷を誘起し、したがって強誘電性絶縁体に近接した材料の異なる側面間の電場および電位差を誘起する。
実施形態１０および２０の単電極セルでは、電極が強誘電体よりも高いフェルミ準位を有する場合、電極は陽イオンを蓄積する強誘電体との界面で電子を蓄積する一方で、（空気または保護層と接触する）強誘電体材料の自由表面で電子が自由に伝導される。この電極の実施形態は、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｋ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｓｒまたは強誘電体のフェルミ準位よりも高いフェルミ準位の任意の合金、化合物、混合物もしくは複合体である。
強誘電体表面超伝導は、負に分極される単セル電極の連続充電を促進する。強誘電体材料の双極子の負極の蓄積によってもこの分極が達成されうる。
本発明のセルまたはデバイス１０～１８０は、エネルギー貯蔵デバイスの非接触充電に使用されうる。
Claims (21)
- 強誘電性絶縁体と、
セルの様々な点で端子が接続された、電極、強誘電体、強誘電性誘起超伝導体、半導体、絶縁体、超伝導体、強誘電体ベースのデバイスまたはそれらの一部と
を含む単電極セルであって、
前記強誘電性絶縁体は、界面で－４０℃～１７０℃の温度で１０３より高い誘電率εｒを有する、
単電極セル。 - 前記強誘電性絶縁体は、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦３であるＬｉ３‐２ｙＭｙＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｌｉ３‐３ｙＡｙＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｎａ３‐２ｙＭｙＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｎａ３‐３ｙＡｙＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｋ３‐２ｙＭｙＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｋ３‐３ｙＡｙＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）もしくはＬｉ３‐２ｙ‐ｚＭｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、およびＢａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｌｉ３‐３ｙ‐ｚＡｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｎａ３‐２ｙ‐ｚＭｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、およびＢａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｎａ３‐３ｙ‐ｚＡｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｋ３‐２ｙ‐ｚＭｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、およびＢａ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、Ｋ３‐３ｙ‐ｚＡｙＨｚＸＯ（Ｍ＝Ｂ、Ａｌ；Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）のような結晶性材料、それらの混合物、またはそれらとＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２、ＢａＴｉＯ３、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｘ、ＳｒＴｉＯ３もしくは他の強誘電体もしくは超伝導体材料との混合物、またはそれらとＣｕ２Ｏ、ＳｉＯ２、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｏ、ＬｉＩ、Ｎａ２Ｓ、Ｎａ２Ｏ、ＮａＩ、Ｋ２Ｓ、Ｋ２Ｏ、ＫＩ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＢ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｓ、ポリマー、イオン性液体もしくは他の溶媒もしくはイオン性材料との混合物である、請求項１に記載の単電極セル。
- 前記強誘電性絶縁体は、ポリマー、樹脂、可塑剤、接着剤、または別の結合剤と混合される、請求項１または請求項２に記載の単電極セル。
- 前記強誘電性絶縁体は、セルロース、繊維ガラス、または布などのマトリックスに埋め込まれる、請求項１～３のいずれか一項に記載の単電極セル。
- 前記電極導体は、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｋ、Ｌｉ、Ｎａ、合金、化合物、複合体、混合物または発泡体である、請求項１～４のいずれか一項に記載の単電極セル。
- 前記電極導体は、Ｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、真ちゅう、青銅、合金、化合物、複合体または発泡体である、請求項１～５のいずれか一項に記載の単電極セル。
- 前記電極導体は、Ｃ発泡体、Ｃナノチューブ、Ｃフェルト、Ｃ紙、グラファイト、またはグラフェンである、請求項１～６のいずれか一項に記載の単電極セル。
- 前記電極半導体は、Ｓｉ、Ｇａ、ＧａＡｓ ｐもしくはｎドープＳｉまたはｐもしくはｎドープＧａまたはＢａＴｉＯ３などの他の半導体である、請求項１～７のいずれか一項に記載の単電極セル。
- 前記電極および強誘電性絶縁体は、長方形、円盤、リング、トロイダル、または任意の規則的または不規則な形状を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の単電極セル。
- 前記電極および強誘電性絶縁体は、鋸形状のエッジまたは電荷蓄積を促進する任意の他の形状を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の単電極セル。
- 前記セルは、絶縁体保護層によって保護される、請求項１～１０のいずれか一項に記載の単電極セル。
- 前記セルは、パッケージに封入される、請求項１～１１のいずれか一項に記載の単電極セル。
- 請求項１～１２のいずれか一項にしたがって定義される二つ以上の単電極セルの直列物であって、
前記二つ以上のセルは、互いに整列し、前記セルは物理的接触なしでｍｍまたはｃｍの距離によって分離され、
または
前記二つ以上のセルは、一つのセルの負極が次のセルの正極と接続してセル電位を加えるように接触する、
直列物。 - 前記セルは、導体、半導体、または超伝導体である、請求項１３に記載の直列物。
- 前記二つの電極は、間に強誘電性絶縁体を有する、請求項１３または請求項１４に記載の直列物。
- フルセルが、電極が類似するかまたは異なる二つの単電極セルの直列物である、請求項１３～１５のいずれか一項に記載の直列物。
- 前記電極はＺｎおよびＣである、請求項１６に記載の直列物。
- セルの負極および異なるセルの正極に負荷が接続される、請求項１３～１７のいずれか一項に記載の直列物。
- 前記負荷はＬＥＤである、請求項１８に記載の直列物。
- 前記二つの導体電極は、一つ以上の交互の強誘電体および／または絶縁体材料の層対によって分離される、請求項１３～１９のいずれか一項に記載の直列物。
- エネルギーハーベスタのためのデバイスとして、エネルギー貯蔵デバイスとして、トランジスタ、コンピュータ、量子コンピュータ、センサ、充電器、アクチュエータ、熱電子デバイス、温度コントローラ、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ、光起電力セル、パネル、風力タービン、スマートグリッド、送電、変圧器、電力貯蔵デバイス、電気モータ、飛行機、車、ボート、潜水艦、衛星、ドローン、ロケット、および／または宇宙船の一部としての、請求項１～１２のいずれか一項に記載のセル、または請求項１３～２０のいずれか一項に記載の二つ以上の単電極セルの直列物の使用。
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