JP7209627B2 - エネルギー採取装置及びセンサならびにそれらの製造及び使用方法 - Google Patents

エネルギー採取装置及びセンサならびにそれらの製造及び使用方法 Download PDF

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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる、２０１６年１２月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／４３８，３２７号に対する優先権及び利益を主張する。
［分野］
開示された技術は、概して、エネルギー採取装置及びセンサ、ならびにそれらの製造及び使用方法に関する。
振動エネルギー採取は、外部の振動源（例えば、車両、機械、建物、及び人間の動き）から振動エネルギーの取得の実践である。この取得されたエネルギーは、その後様々な用途に使用できる。振動エネルギー採取への特定の手法では、プレートは一端で固定されており、励起されると両極端の間で上下に振動する。両極端の間で撓みかつ振動することにより、プレートの表面に発生した歪み／応力はエネルギーを発生させるために使用することができる。機械的に静かな環境でも、原子スケールの振動はどこにでもある。これは、材料が絶対零度を超える温度に保たれているためで、熱振動と呼ばれる。これら及び他の考慮事項に関して以下に記載される様々な実施形態が提示される。
本明細書に具現化され広く説明されるように、開示された装置及び方法の目的に従って、開示された主題は、エネルギー採取装置及びセンサ、ならびにそれらの製造及び使用方法に関する。
エネルギー採取装置及びセンサは、基板上に配置された２次元（２Ｄ）材料を含む膜を含むことができ、膜は１つ又は複数の波紋を含む。２次元材料は、例えば、グラフェン、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＲｅＳ２、ＲｅＳｅ２、又はそれらの組み合わせを含むことができる。特定の例では、２次元材料はグラフェンを含むことができる。膜は、例えば、０．３ナノメートル（ｎｍ）～３．０ｎｍの平均厚さを有することができる。膜は、例えば、０．１ミクロン～１００ミクロンの平均横方向寸法を有することができる。幾つかの例では、膜は、０．０Ｎ／ｍから１０．０Ｎ／ｍの単位長当たりの張力を有することができる。１つ又は複数の波紋は、例えば、１ｎｍ～１００ｎｍの平均長を有することができる。幾つかの例では、１つ又は複数の波紋は、０．１ｎｍ～２．０ｎｍの平均高さを有することができる。
基板は、例えば、銅、シリコン、サファイア、又はそれらの組み合わせを含むことができる。幾つかの例では、基板は、１つ又は複数の開口部を含むグリッドを含むことができる。
エネルギー採取装置は、膜及び／又は基板に電気的、磁気的、及び／又は機械的に結合された構成要素をさらに含み、構成要素は膜からエネルギーを採取するように構成される。
幾つかの例では、基板は熱伝導性であり、膜は基板と熱接触しており、基板の熱エネルギーは、膜が振動エネルギーを有するように膜の振動に変換することができ、また構成要素は、膜の振動エネルギーを電気的、磁気的及び／又は機械的エネルギーに変換し、それによって膜からエネルギーを採取するように構成される。幾つかの例では、熱エネルギーは周囲熱エネルギーを含み得る。幾つかの例では、膜は振動エネルギーを有することができ、また構成要素は、膜の振動エネルギーを電気的、磁気的及び／又は機械的エネルギーに変換し、それによって膜からエネルギーを採取するように構成される。幾つかの例では、振動エネルギーは周囲振動エネルギーを含む。振動エネルギーは、例えば、０．１ミリヘルツ（ｍＨｚ）～１０ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数を有する振動を含み得る。
幾つかの例では、エネルギー採取装置は、１つ又は複数の波紋のそれぞれが１ピコワット（ｐＷ）～１００ｐＷの電力を発生させることができるように構成することができる。幾つかの例では、エネルギー採取装置は、１Ｗ／ｍ２～１００，０００Ｗ／ｍ２の電力密度を有することができる。
幾つかの例では、膜は電荷を有することができ、構成要素は膜の周りに配置され、膜に電気的に結合されたコンデンサを含み、コンデンサは帯電した膜の振動エネルギーを交流に変換し、それによって膜からエネルギーを採取するように構成される。幾つかの例では、装置は、交流を直流に変換するためのダイオードブリッジ回路をさらに含むことができる。装置は、例えば、ダイオードブリッジに電気的に結合されたコンデンサをさらに含むことができ、それにより、直流がコンデンサを充電し、それによって帯電された膜の振動エネルギーによって発生した電荷を蓄積することができる。
幾つかの例では、膜はさらに複数の磁性粒子を含むことができる。複数の磁性粒子は、例えば、鉄、コバルト、ニオブ、マンガン、ニッケル、又はそれらの組み合わせを含むことができる。幾つかの例では、複数の磁性粒子は、酸化鉄、酸化コバルト、又はそれらの組み合わせを含み得る。複数の磁性粒子は、例えば、０．５ｎｍ～１０ｎｍの平均粒径を有することができる。幾つかの例では、構成要素は、膜に磁気的に結合された電極ループを含むことができ、装置は、膜の振動エネルギーを経時変化する磁場に変換し、これが電極ループ内に電流を誘導し、それによって膜の振動エネルギーを電流に変換し、膜からエネルギーを採取するように構成される。装置は、例えば、装置によって採取されたエネルギーをコンデンサに蓄積することができるように、電極ループに電気的に結合されたコンデンサをさらに含むことができる。
幾つかの例では、構成要素は圧電カンチレバーを含むことができ、膜は圧電カンチレバーに機械的に結合される端部を有し、圧電カンチレバーは膜の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、それによって膜からエネルギーを採取するように構成される。装置は、例えば、圧電カンチレバーに電気的に結合されたコンデンサをさらに含むことができ、それによって、装置によって採取されたエネルギーをコンデンサに蓄積することができる。
幾つかの例では、膜は圧電性であり得、構成要素は膜に機械的かつ電気的に結合された電圧読み出し部を含み、圧電膜は振動エネルギーを、電圧読み出し部によって採取できる電気エネルギーに変換するように構成される。装置は、例えば、電圧読み出し部に電気的に結合されたコンデンサをさらに含むことができ、それによって、装置によって採取されたエネルギーをコンデンサに蓄積することができる。
幾つかの例では、構成要素は、膜及び／又は基板に機械的に結合されたボックスポンプを含むことができ、ボックスポンプは、第１の一方向流体流動弁及び第２の一方向流体流弁を含み、ボックスポンプは、膜の振動エネルギーを第１の一方向流体流動弁及び／又は第２の一方向流体流動弁を介してボックスポンプを通る流体の流れに変換するように構成され、それにより膜の振動エネルギーを流体の流れに変換し、膜からエネルギーを採取する。
幾つかの例では、膜は、膜を横切るチャネルをさらに含み得る。構成要素は、例えば、膜に機械的に結合されたラチェット式輸送体を含むことができ、ラチェット式輸送体は、膜の振動エネルギーをラチェット式輸送体の平行移動に変換し、膜の振動時にチャネルを介して膜の一方側から他方側へラチェット式輸送体を輸送することができ、それによって膜の振動エネルギーをラチェット式輸送体の平行移動エネルギーに変換し、膜からエネルギーを採取する。
本明細書ではまたセンサが開示され、センサは、膜及び／又は基板に電気的、磁気的、及び／又は機械的に結合された構成要素をさらに含み、構成要素は膜からの信号を検出するように構成される。幾つかの例では、基板は熱伝導性であり、膜は基板と熱接触しており、基板は、膜が振動エネルギーを有するように、熱エネルギーを膜の振動に変換するように構成され、構成要素は膜の振動エネルギーによって生成された信号を検出するように構成される。熱エネルギーは、例えば、周囲熱エネルギーを含み得る。幾つかの例では、膜は振動エネルギーを有し、構成要素は膜の振動エネルギーによって生成された信号を検出するように構成される。振動エネルギーは、例えば、周囲振動エネルギーを含み得る。振動エネルギーは、例えば、０．１ｍＨｚ～１０ＧＨｚの周波数を有する振動を含み得る。構成要素は、膜及び／又は基板に電気的に結合された電極を含み得る。幾つかの例では、センサが、膜の振動の周波数の変化に基づいて膜の質量の変化を検出するように構成されるように、電極は膜の振動エネルギーの周波数を検出するように構成され得る。幾つかの例では、センサが膜から検出される信号の大きさの変化に基づいて膜の電荷の変化を検出するように構成されるように、電極は膜からの電圧信号の大きさを検出するように構成され得る。
本明細書に記載のエネルギー採取装置及びセンサの製造方法もまた本明細書に開示される。例えば、本明細書に記載されているエネルギー採取装置及び／又はセンサを製造する方法は、２次元材料のシートを圧縮して膜を形成することと、基板上に膜を配置することと、構成要素を膜及び／又は基板に電気的、磁気的、及び／又は機械的に結合することとを含み得る。
２次元材料のシートを圧縮することは、例えば、シートの端から端まで横方向の圧縮力を加えることを含むことができ、横方向の圧縮力は、１ナノニュートン（ｎＮ）～１００ｎＮの大きさを有する。幾つかの例では、２次元材料のシートは元の長さを有し、２次元材料の圧縮されたシートは圧縮された長さを有し、圧縮された長さは元の長さより０．０１％～１％短い。
本明細書に記載のエネルギー採取装置及び／又はセンサの使用方法も本明細書に開示されている。例えば、本明細書に記載のエネルギー採取装置を用いてエネルギーを採取する方法もまた本明細書に開示されている。
開示された装置及び方法のさらなる利点は、以下の説明に部分的に示され、またその説明から部分的に明らかであろう。開示された装置の利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘された要素及び組み合わせによって実現され達成されるであろう。前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明の両方は、例示的かつ説明的なものにすぎず、特許請求の範囲に記載されているように開示された装置及び方法を限定するものではない。
本発明の１つ又は複数の実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになろう。
本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付の図面は、本開示の幾つかの態様を例示し、説明と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。
銅グリッドを含む基板上に配置されたグラフェン膜の概略図である。 グラフェン膜に自然に形成された波紋の概略図である。 エネルギー採取装置の概略図である。 直流に変換されてコンデンサに蓄えられる、図３に示すエネルギー採取によって生成された交流の概略図である。 エネルギー採取装置の概略図である。 エネルギー採取装置の概略図である。 エネルギー採取装置の概略図である。 エネルギー採取装置の概略図である。 エネルギー採取装置の概略図である。 エネルギー採取装置の概略図である。 エネルギー採取装置の概略図である。 エネルギー採取装置の概略図である。 センサの概略図である。 １つの波紋の形成を示す２次元材料膜の上面図及び側面図の実装を示す図である。 膜上の２つの別々の端点で自然に生じる圧縮力での２つの波紋の形成を示す膜の実装の側面断面図である。 ２次元材料のシートを圧縮する概略図である。 自立型グラフェンの経時的な高さ変化である。 図１４からの高さ－時間データの自己相関である。 図１４及び図１５からのデータから計算されたパワースペクトル密度である。 Ｃｕレール支持体間の初期状態の自立型グラフェンのＳＥＭ画像である。 実験装置の概略図である。 硬質試料（下）からの膜の高さ（上）の典型的なタイムトレースを示す図である。挿入図は、自立型グラフェンのタイムトレースの拡大図である。 測定中の典型的なトンネル電流プロファイルを示す図である。 時間の関数としての膜の高さの平均二乗変位（ＭＳＤ）である。破線は、傾き１．４と０．３で適合する。挿入図は、指数関数的な待機時間とコーシージャンプ長を使用したシミュレーションの結果である。この場合も、破線は１．４と０．３の傾きで適合する。 図１９に示す膜の高さｚ（ｔ）から計算された速度自己相関関数（ＡＣＦ）及び瞬時速度（挿入図）である。 硬質管理試料（四角記号）と共に、コーシーローレンツ分布及びガウス分布に適合した測定した自立型グラフェン（ＦＳＧ）膜速度確率分布関数（ＰＤＦ）である。 異なるトンネル電流についての速度確率分布関数及びコーシーローレンツ適合（全曲線）である。 は、２つの異なるバイアス電圧設定値に対するトンネル電流による速度確率分布関数のＦＷＨＭの変動である。 低温（１００Ｋ）及び高温（３０００Ｋ）に対するＭＤシミュレーションからの経時の中心の炭素原子の高さである。高温データは、１ｎｓの間に４回、正から負の高さに移行することが見いだされる。ローパスフィルタ処理された高さもまた示される。 これらの計算は、１ｎｓの計算時間がリアルタイムで１ｍｓである温度加速動力学（ＴＡＤ）を使用して実行された。 ローパスフィルタ処理された高さデータに対するジャンプ長確率分布関数が、コーシーローレンツ分布及びガウス分布に最もよく適合して示される図である。 図２６において「（ｃ）」と印付けられた下向きに湾曲した形状の膜の斜視図である。 図２６において「（ｄ）」と印付けられた上向きに湾曲した形状の膜の斜視図である。 ＬＡＭＭＰＳを用いた最先端の分子動力学シミュレーションから報告された出力であり、予め座屈された自立型グラフェンの高さ－時間データを示している。
本明細書に記載される装置及び方法は、開示される主題の特定の局面の以下の詳細な説明及びそれに含まれる実施例を参照することによってより容易に理解され得る。
本装置及び方法が開示及び説明される前に、以下に説明される態様は、以下の説明に記載されるか又は図面に示される構成要素の構成及び配置の詳細に限定されないことを理解されたい。開示された技術は他の実施形態が可能でありかつ様々な方法で実施又は実行することが可能である。
以下の説明では、本明細書の一部を形成し、例示として特定の実施形態又は実施例を示す添付の図面を参照する。
本明細書で使用される用語は特定の態様を説明することのみを目的としており、限定することを意図していないことも理解されるべきである。例示的な実施形態を説明する際に、明確さのために専門用語が使用される。各用語は、当業者によって理解されるようなその最も広い意味を企図し、また同様の目的を達成するために同様の方法で作用する全ての技術的等価物を含むことが意図される。方法の１つ又は複数のステップの言及は、追加の方法ステップの存在又は明示的に特定されるこれらのステップ間に介在する方法ステップを排除するものではないことも理解されるべきである。方法のステップは、開示された技術の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載されたものとは異なる順序で実行されてもよい。同様に、装置又はシステム内の１つ又は複数の構成要素の言及は、明示的に特定されるそれらの構成要素間の追加の構成要素又は介在構成要素の存在を排除するものではないことも理解されたい。
また、本明細書を通して、様々な刊行物が参照されている。開示された事項が関連する技術水準をより完全に説明するために、これらの刊行物の開示内容全体が参照により本出願に組み込まれる。開示された参考文献はまた、その参考文献が依拠している文章中で論じられている、それらに含まれる材料について、本明細書中で参考として個々にかつ具体的に組み込まれる。
［定義］
本明細書及び添付の特許請求の範囲では、以下の意味を有するように定義される幾つかの用語に言及する。
本明細書の説明及び特許請求の範囲を通して、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」と、「備えている、含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などのこの用語の他の形態は、限定するものではないが、例えば、他の追加物、構成要素、整数又はステップなどの排除を意図するものではない。
説明及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないことを指示しない限り、複数の指示対象を含む。したがって、例えば、「構成要素」への言及は２つ以上のそのような構成要素の混合物を含み、「薬剤」への言及は２つ以上のそのような薬剤の混合物を含むなどである。
本明細書を通して、識別子「第１」及び「第２」は、開示された主題の様々な構成要素、特徴、又はステップを区別する際に読者を助けるためにもっぱら使用されることが理解される。識別子「第１」及び「第２」は、これらの用語によって修正された構成要素又はステップに対して、いかなる特定の順序、量、好み、又は重要性を暗示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「又はその組み合わせ」という用語は、その用語に先行する列挙された項目の全ての置換及び組み合わせを指す。例えば、「Ａ、Ｂ、Ｃ、又はそれらの組み合わせ」は、以下のうちの少なくとも１つを含むことを意図している。Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、又はＡＢＣ、また特定の状況で順序が重要な場合は、ＢＡ、ＣＡ、ＣＢ、ＣＢＡ、ＢＣＡ、ＡＣＢ、ＢＡＣ、又はＣＡＢ。この例を続けると、ＢＢ、ＡＡＡ、ＡＢ、ＢＢＣ、ＡＡＡＢＣＣＣＣ、ＣＢＢＡＡＡ、ＣＡＢＡＢＢなどの１つ又は複数の項目又は用語の繰り返しを含む組み合わせが明示的に含まれる。文脈から他に明らかでない限り、典型的には任意の組み合わせにおける項目の数又は用語に制限がないことを当業者は理解するであろう。
［エネルギー採取装置及びセンサ］
本明細書に記載されているのは、エネルギー採取装置１００及びセンサ１４０である。エネルギー採取装置１００及びセンサは、基板１０４上に配置された膜１０２を含むことができ、膜１０２は２次元（２Ｄ）材料及び１つ又は複数の波紋を含む。
例示的実施形態では、比較的低い周波数で座屈するための原子２次元膜１０２を有する、周囲振動エネルギー採取用の電源を有するエネルギー採取装置１００が開示される。これらの２次元材料の変則的な振動運動エネルギーは、エネルギー採取装置１００の能動部品として使用される場合、既存の技術と比較した場合に優れたエネルギー発生を提供することができる。例えば、現在のシリコン微小電気機械（ＭＥＭ）振動エネルギー採取技術では、能動部品はエッチングシリコンプラットフォームであり得る。このプラットフォームは硬すぎるため、自発的に振動したり機械的に座屈したりすることはない。「機械的座屈」は、本開示においては、非線形現象として理解される。シリコンＭＥＭ構造の従来の手法は線形応答装置である。対照的に、本明細書に記載されているエネルギー採取装置１００の膜１０２は、自発的に振動し、機械的に座屈することができる。
２次元材料は、例えば、グラフェン、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＲｅＳ２、ＲｅＳｅ２、又はそれらの組み合わせを含むことができる。特定の例では、２次元材料はグラフェンを含むことができる。
２次元材料の個性は、様々な要因に基づいて選択することができる。例えば、曲げ剛性は、異なる２次元材料の間で異なり、したがって、異なる振動周波数が利用可能であろう。また、様々な２次元材料の電気伝導率はかなり変化し、静電手法を使用してエネルギーを採取する効率を制御することができる。したがって、２次元材料の個性は、これらのパラメータのうちの１つ又は複数を制御するように選択することができる。
幾つかの例では、膜１０２は、速度確率分布において実質的に大きな速度成分を有する自立型グラフェンを含むことができる。幾つかの例では、膜１０２は室温で永久的な非線形運動を示すことができる。
膜１０２は、例えば、０．３ナノメートル（ｎｍ）以上（例えば、０．４ｎｍ以上、０．５ｎｍ以上、０．６ｎｍ以上、０．７ｎｍ以上、０．８ｎｍ以上、０．９ｎｍ以上、１．０ｎｍ以上、１．１ｎｍ以上、１．２ｎｍ以上、１．３ｎｍ以上、１．４ｎｍ以上、１．５ｎｍ以上、１．６ｎｍ以上、１．７ｎｍ以上、１．８ｎｍ以上、１．９ｎｍ以上、２．０ｎｍ以上、２．１ｎｍ以上、２．２ｎｍ以上、２．３ｎｍ以上、２．４ｎｍ以上、又は２．５ｎｍ以上）の平均厚さを有することができる。幾つかの例では、膜１０２は、３．０ｎｍ以下（例えば、２．９ｎｍ以下、２．８ｎｍ以下、２．７ｎｍ以下、２．６ｎｍ以下、２．５ｎｍ以下、２．４ｎｍ以下、２．３ｎｍ以下、２．２ｎｍ以下、２．１ｎｍ以下、２．０ｎｍ以下、１．９ｎｍ以下、１．８ｎｍ以下、１．７ｎｍ以下、１．６ｎｍ以下、１．５ｎｍ以下、１．４ｎｍ以下、１．３ｎｍ以下、１．２ｎｍ以下、１．１ｎｍ以下、１．０ｎｍ以下、０．９ｎｍ以下、０．８ｎｍ以下、０．７ｎｍ以下、０．６ｎｍ以下、又は０．５ｎｍ以下）の平均厚さを有することができる。膜１０２の平均厚さは、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、膜１０２は、０．３ｎｍ～３．０ｎｍ（例えば、０．３ｎｍ～２．５ｎｍ、０．３ｎｍ～２．０ｎｍ、０．３ｎｍ～１．５ｎｍ、０．３ｎｍ～１．０ｎｍ、又は０．３ｎｍ～０．６ｎｍ）の平均厚さを有することができる。
膜１０２は、例えば、０．１ミクロン（μｍ）以上（例えば、０．５μｍ以上、１μｍ以上、１．５μｍ以上、２μｍ以上、２．５μｍ以上、３μｍ以上、３．５μｍ以上、４μｍ以上、４．５μｍ以上、５μｍ以上、６μｍ以上、７μｍ以上、８μｍ以上、９μｍ以上、１０μｍ以上、１５μｍ以上、２０μｍ以上、２５μｍ以上、３０μｍ以上、３５μｍ以上、４０μｍ以上、４５μｍ以上、５０μｍ以上、６０μｍ以上、７０μｍ以上、又は８０μｍ以上）の平均横方向寸法を有することができる。幾つかの例では、膜１０２は、１００μｍ以下（例えば、９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４５μｍ以下、４０μｍ以下、３５μｍ以下、３０μｍ以下、２５μｍ以下、２０μｍ以下、１５μｍ以下、１０μｍ以下、９μｍ以下、８μｍ以下、７μｍ以下６μｍ以下、５μｍ以下、４．５μｍ以下、４μｍ以下、３．５μｍ以下、３μｍ以下、２．５μｍ以下、２μｍ以下、１．５μｍ以下、又は１μｍ以下）の平均横方向寸法を有することができる。膜１０２の平均横方向寸法は、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、膜１０２は、０．１～１００ミクロン（例えば、０．１μｍ～５０μｍ、５０μｍ～１００μｍ、０．１μｍ～２０μｍ、２０μｍ～４０μｍ、４０μｍ～６０μｍ、６０μｍ～８０μｍ、８０μｍ～１００μｍ、０．５μｍ～９５μｍ、又は１０μｍ～９０μｍ）の平均横方向寸法を有することができる。
幾つかの例では、膜１０２は、０．０ニュートン／メートル（Ｎ／ｍ）以上（例えば、０．０１Ｎ／ｍ以上、０．０２Ｎ／ｍ以上、０．０３Ｎ／ｍ以上、 ０．０４Ｎ／ｍ以上、０．０５Ｎ／ｍ以上、０．０６Ｎ／ｍ以上、０．０７Ｎ／ｍ以上、０．０８Ｎ／ｍ以上、０．０９Ｎ／ｍ以上、０．１０Ｎ／ｍ以上、０．１１Ｎ／ｍ以上、０．１２Ｎ／ｍ以上、０．１３Ｎ／ｍ以上、０．１４Ｎ／ｍ以上、０．１５Ｎ／ｍ以上、０．２０Ｎ／ｍ以上、０．２５Ｎ／ｍ以上、０．３０Ｎ／ｍ以上、０．３５Ｎ／ｍ以上、０．４０Ｎ／ｍ以上、０．４５Ｎ／ｍ以上、０．５０Ｎ／ｍ以上、０．６０Ｎ／ｍ以上、０．７０Ｎ／ｍ以上、０．８０Ｎ／ｍ ｍ以上、０．９０Ｎ／ｍ以上、１．０Ｎ／ｍ以上、１．５Ｎ／ｍ以上、２．０Ｎ／ｍ以上、２．５Ｎ／ｍ以上、３．０Ｎ／ｍ以上、３．５Ｎ／ｍ ４．０Ｎ／ｍ以上、４．５Ｎ／ｍ以上、５．０Ｎ／ｍ以上、６．０Ｎ／ｍ以上、又は７．０Ｎ／ｍ以上）の単位長さ当たりの張力を有することができる。幾つかの例では、膜１０２は、１０．０Ｎ／ｍ以下（例えば、９．０Ｎ／ｍ以下、８．０Ｎ／ｍ以下、７．０Ｎ／ｍ以下、６．０Ｎ／ｍ以下、５．０Ｎ／ｍ以下、４．５Ｎ／ｍ以下、４．０Ｎ／ｍ以下、３．５Ｎ／ｍ以下、３．０Ｎ／ｍ以下、２．５Ｎ／ｍ以下、２．０Ｎ／ｍ以下１．５Ｎ／ｍ以下、１．０Ｎ／ｍ以下、０．９０Ｎ／ｍ以下、０．８０Ｎ／ｍ以下、０．７０Ｎ／ｍ以下、０．６０Ｎ／ｍ以下、０．５０Ｎ／ｍ以下、０．４５Ｎ／ｍ以下、０．４０Ｎ／ｍ以下、０．３５Ｎ／ｍ以下、０．３０Ｎ／ｍ以下、０．２５Ｎ／ｍ以下、０．２０Ｎ／ｍ以下、０．１５Ｎ／ｍ以下、０．１４Ｎ／ｍ以下、０．１３Ｎ／ｍ以下、０．１２Ｎ／ｍ以下、０．１１Ｎ／ｍ以下、０．１０Ｎ／ｍ以下、０．０９Ｎ／ｍ以下、０．０８Ｎ／ｍ以下、０．０７Ｎ／ｍ以下、０．０６Ｎ／ｍ以下、又は０．０５Ｎ／ｍ以下）の単位長さ当たりの張力を有することができる。膜１０２の単位長さ当たりの張力は、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、膜１０２は、０．０～１０．０Ｎ／ｍ（例えば、０．０Ｎ／ｍ～８．０Ｎ／ｍ、０．０Ｎ／ｍ～５．０Ｎ／ｍ、０．０Ｎ／ｍ～３．０Ｎ／ｍ、０．０Ｎ／ｍ～１．０Ｎ／ｍ、０．０～０．５Ｎ／ｍ、０．０～０．３Ｎ／ｍ、又は０．０３Ｎ／ｍ～０．１２Ｎ／ｍ）の単位長さ当たりの張力を有することができる。張力は原子間力顕微鏡を用いて測定することができる。
１つ又は複数の波紋は、例えば、１ｎｍ以上（例えば、２ｎｍ以上、３ｎｍ以上、４ｎｍ以上、５ｎｍ以上、６ｎｍ以上、７ｎｍ以上、８ｎｍ以上、９ｎｍ以上、１０ｎｍ以上、１５ｎｍ以上、２０ｎｍ以上、２５ｎｍ以上、３０ｎｍ以上、３５ｎｍ以上、４０ｎｍ以上、４５ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、５５ｎｍ以上、６０ｎｍ以上、６５ｎｍ以上、７０ｎｍ以上、７５ｎｍ以上、又は８０ｎｍ以上）の平均長さを有することができる。幾つかの例では、１つ又は複数の波紋は、１００ｎｍ以下（例えば、９５ｎｍ以下、９０ｎｍ以下、８５ｎｍ以下、８０ｎｍ以下、７５ｎｍ以下、７０ｎｍ以下、６５ｎｍ以下、６０ｎｍ以下、５５ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、４５ｎｍ以下、４０ｎｍ以下、３５ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２５ｎｍ以下、２０ｎｍ又はそれ以下。以下、１５ｎｍ以下、１０ｎｍ以下、９ｎｍ以下、８ｎｍ以下、７ｎｍ以下、６ｎｍ以下、又は５ｎｍ以下）の平均長さを有することができる。１つ又は複数の波紋の平均長さは、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、１つ又は複数の波紋は、１～１００ｎｍ（例えば、１ｎｍ～９０ｎｍ、１ｎｍ～８０ｎｍ、１ｎｍ～７０ｎｍ、１ｎｍ～６０ｎｍ、５ｎｍ～５０ｎｍ、１０ｎｍ～４０ｎｍ、又は２０ｎｍ～３０ｎｍ）の平均長さを有することができる。波紋の長さは、例えば、電子顕微鏡を用いて測定することができる。
幾つかの例では、１つ又は複数の波紋は、０．１ｎｍ以上（例えば、０．１１ｎｍ以上、０．１２ｎｍ以上、０．１３ｎｍ以上、０．１４ｎｍ以上、０．１５ｎｍ以上、０．２０ｎｍ以上、０．２５ｎｍ以上、０．３０ｎｍ以上、０．３０ｎｍ以上、０．３５ｎｍ以上、０．４０ｎｍ以上、０．４５ｎｍ以上、０．５０ｎｍ以上、０．６０ｎｍ以上、０．７０ｎｍ以上、０．８０ｎｍ以上、０．９０ｎｍ以上、１．０ｎｍ以上、１．１ｎｍ以上、１．２ｎｍ以上、１．３ｎｍ以上、１．４ｎｍ以上、又は１．５ｎｍ以上）の平均高さを有することができる。幾つかの例では、１つ又は複数の波紋は、２．０ｎｍ以下（例えば、１．９ｎｍ以下、１．８ｎｍ以下、１．７ｎｍ以下、１．６ｎｍ以下、１．５ｎｍ以下、１．４ｎｍ以下、１．３ｎｍ以下、１．２ｎｍ以下、１．１ｎｍ以下、１．０ｎｍ以下、０．９０ｎｍ以下、０．８０ｎｍ以下、０．７０ｎｍ以下、０．６０ｎｍ以下、０．５０ｎｍ以下、０．４５ｎｍ以下、０．４０ｎｍ以下、０．３５ｎｍ以下、０．３０ｎｍ以下、０．２５ｎｍ以下、又は０．２０ｎｍ以下）の平均高さを有することができる。１つ又は複数の波紋の平均高さは、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、１つ又は複数の波紋は、０．１～２．０ｎｍ（例えば、０．１ｎｍ～１．５ｎｍ、０．１ｎｍ～１．０ｎｍ、０．１ｎｍ～０．７０ｎｍ、０．２０ｎｍ～０．６０ｎｍ、０．３０ｎｍ～０．５０ｎｍ、又は０．３５ｎｍ～０．４５ｎｍ）の平均高さを有することができる。波紋の高さは、例えば電子顕微鏡を用いて測定することができる。
膜１０２は、例えば、一端又は両端を基板１０４に固定することができる。幾つかの例では、膜１０２はその中央部分を通して振動するように構成されている。
基板１０４は、例えば、銅、シリコン、炭化シリコン、サファイア、又はそれらの組み合わせを含むことができる。幾つかの例では、基板１０４は、１つ又は複数の開口部を含むグリッドを含むことができる。
以下の説明は、膜１０２がグラフェンを含み、基板１０４が銅グリッドを含む特定の例に関するものであるが、同じ概念が本明細書に記載の膜１０２及び／又は基板１０４のいずれにも適用され得る。
特定の実施形態では、膜１０２は、その能動部品としてグラファイトからの単一原子平面の炭素を含むことができる。グラフェンのシートは、１つ又は複数の開口部の銅グリッドの上に配置することができる。グラフェンで覆われた各開口は、間に自立型グラフェンを有する開口枠形状を形成することができる。グラフェンが銅グリッド上に配置されると、グラフェンの端部と銅グリッド側壁との間に強いファンデルワールス相互作用（約０．１Ｊ／ｍ２）がある（図１）。過剰なグラフェンの量に応じて、ｚ０として示される接触の長さは力が釣り合うまで自然に増減する。この現象は自己テンショニングとして知られている。最終的な張力は、約０．１Ｎ／ｍであり得、自立型グラフェンの最終的な形状は、波紋によって構成され得る（図２）。これらの波紋は自然に形成することができ、波紋は、長さ２０～２４ｎｍ、高さ０．３～０．５ｎｍの典型的なサイズ分布を有することができる。波紋を形成するには、グラフェンは最終自己張力まで自由に自己圧縮する必要がある。
波紋形状に関連する圧縮歪みは、長さの変化を元の長さで割ったものである。圧縮歪みは、例えば、０．０１％以上（例えば、０．０２％以上、０．０３％以上、０．０４％以上、０．０５％以上、０．０６％以上、０．０７％以上、０．０８％以上、０．０９％以上、０．１％以上、０．２％以上、０．３％以上、０．４％以上、０．５％以上、０．６％以上、０．７％以上、又は０．８％以上）であり得る。幾つかの例では、圧縮歪みは、１％以下（例えば、０．９％以下、０．８％以下、０．７％以下、０．６％以下、０．５％以下、０．４％以下、０．３％以下、０．２％以下、０．１％以下、０．０９％以下、０．０８％以下、０．０７％以下、０．０６％以下、０．０５％以下、又は０．０４％以下）であり得る。圧縮歪みは、例えば、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、圧縮歪みは、０．０１～１％（例えば、０．０１％～０．１％、０．１％～１％、０．０１％～０．０５％、０．０５％～０．１％、０．１％～０．５％、０．５％～１％、又は０．０５％～０．５％）の範囲であり得る。
グラフェンが引き伸ばされるにつれて、基板１０４及びグラフェンアセンブリに引張荷重を加え、波紋の形状を変えることが可能である。波紋の形状を変えると、圧縮歪みが変わり、グラフェンが自発的に湾曲を反転する速度が変わる。あるいは、外部荷重を調整することによって、膜１０２の振動周波数を変えることができる。
室温（例えば３００Ｋ）に保持されると、銅グリッドのバー支持体から連続的に流れる熱エネルギーのために、自立型グラフェンは自発的に振動することができる。原子レベルでは、グラフェン膜１０２が室温に保持される場合、各炭素原子は、ｋＢＴ又は約２５ｍｅＶに等しい運動エネルギー（０．５ｍｖ２、ここで、ｍは炭素原子の質量であり、ｖはその速度である）を有する。グラフェンの原子数は４×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であるため、これは豊富なエネルギー源である。電力計算では、各波紋が１０ｐＷの電力、すなわち２５，０００Ｗ／ｍ２を発生させることができると予測しており、これは、風力や太陽エネルギーの生産と同様のカテゴリに分類される。速度はゼロではないため、膜１０２内の原子は一定の運動をしている。原子は網状に一緒に接続されているため、膜１０２全体が波紋を形成し、時にはこれらの波紋がそれらの湾曲を反転させる。各波紋には数千の原子があり、湾曲が反転すると、全ての原子が、位相が揃ってコヒーレントに移動し、このエネルギーを採取することができる。この自然な運動は、エネルギー採取装置１００の能動部品として使用することができるか、あるいはこの自然な運動は、従来の振動エネルギー採取装置１００の能動部品を駆動するために使用することができる。
幾つかの例では、膜１０２は１つの波紋を有することができる。幾つかの例では、膜１０２は、相互作用する波紋の網を形成することができる複数の波紋を含むことができる。幾つかの例では、１０ミクロン×１０ミクロンの寸法の膜１０２は、１００，０００個を超える波紋を有することができる。１つの波紋の動きが近くの他の波紋の動きに影響を与えることができ、したがってエネルギー採取能力を強化するフィードバックメカニズムが提供される。
エネルギー採取装置１００は、膜１０２及び／又は基板１０４に電気的、磁気的、及び／又は機械的に結合された構成要素１０６をさらに含み、構成要素１０６は膜１０２からエネルギーを採取するように構成される。
幾つかの例では、基板１０４は熱伝導性であり、膜１０２は基板１０４と熱接触しており、基板１０４の熱エネルギーは、膜１０２が振動エネルギーを有するように膜１０２の振動に変換することができ、また構成要素１０６は、膜１０２の振動エネルギーを電気的、磁気的及び／又は機械的エネルギーに変換し、それによって膜１０２からエネルギーを採取するように構成される。幾つかの例では、熱エネルギーは周囲熱エネルギーを含み得る。
幾つかの例では、膜１０２は振動エネルギーを有することができ、また構成要素１０６は、膜１０２の振動エネルギーを電気的、磁気的、及び／又は機械的エネルギーに変換し、それによって膜１０２からエネルギーを採取するように構成される。幾つかの例では、振動エネルギーは周囲振動エネルギーを含む。
振動エネルギーは、例えば、０．１ミリヘルツ以上（例えば、０．５ｍＨｚ以上、１ｍＨｚ以上、５ｍＨｚ以上、１０ｍＨｚ以上、５０ｍＨｚ以上、１００ｍＨｚ以上、５００ｍＨｚ以上、１Ｈｚ以上、５Ｈｚ以上、１０Ｈｚ以上、５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以上、５００Ｈｚ以上、１キロヘルツ（ｋＨｚ）以上、１０ｋＨｚ以上、５０ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ以上、５００ｋＨｚ以上、１メガヘルツ（ＭＨｚ）以上、５ＭＨｚ以上、１０ＭＨｚ以上、５０ＭＨｚ以上、１００ＭＨｚ以上、５００ＭＨｚ以上、又は１ギガヘルツ（ＧＨｚ）以上）の周波数を有する振動を含み得る。幾つかの例では、振動エネルギーは、１０ギガヘルツ（ＧＨｚ）以下（例えば、５ＧＨｚ以下、１ＧＨｚ以下、５００ＭＨｚ以下、１００ＭＨｚ以下、５０ＭＨｚ以下、１０ＭＨｚ以下、５ＭＨｚ以下、１ＭＨｚ以下、５００ｋＨｚ以下、１００ｋＨｚ以下、５０ｋＨｚ以下、１０ｋＨｚ以下、５ｋＨｚ以下、１ｋＨｚ以下、５００Ｈｚ以下、１００Ｈｚ以下、５０Ｈｚ以下、１０Ｈｚ以下、５Ｈｚ以下、１Ｈｚ以下、５００ｍＨｚ以下、１００ｍＨｚ以下、５０ｍＨｚ以下、１０ｍＨｚ以下、又は５ｍＨｚ以下）の周波数を有する振動を含み得る。振動エネルギーの振動の周波数は、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、振動エネルギーは、０．１ｍＨｚ～１０ＧＨｚ（例えば、０．１ｍＨｚ～１ｋＨｚ、１ｋＨｚ～１０ＧＨｚ、０．１ｍＨｚ～１Ｈｚ、１Ｈｚ～１ｋＨｚ、１ｋＨｚ～１ＭＨｚ、１ＭＨｚ～１０ＧＨｚ、又は５ｍＨｚ～１ＧＨｚ）の周波数を有する振動を含み得る。
幾つかの例では、膜１０２は、周囲エネルギーをより低い周波数で利用することができ、ノイズの制約とは無関係であり得るため、連続的に振動することができる。次に、この周囲エネルギーは、構成要素１０６によって利用され、電気を含む他の形態のエネルギーに変換され得る。
従来の振動エネルギー採取装置１００は、振動エネルギー（例えば、移動中の車内の振動）を採取するために肉眼で見える外部駆動力を必要としたが、幾つかの例では、本明細書に記載のエネルギー採取装置１００は周囲条件によって駆動され得る。例えば、本明細書に記載のエネルギー採取装置１００は、雑音の多い環境だけでなく静かな環境でもエネルギーを採取することができる。
幾つかの例では、エネルギー採取装置１００は、１つ又は複数の波紋のそれぞれが１ピコワット（ｐＷ）以上（例えば、５ｐＷ以上、１０ｐＷ以上、１５ｐＷ以上、２０ｐＷ以上、２５ｐＷ以上、３０ｐＷ以上、３５ｐＷ以上、４０ｐＷ以上、４５ｐＷ以上、５０ｐＷ以上、５５ｐＷ以上、６０ｐＷ以上、６５ｐＷ以上、７０ｐＷ以上、７５ｐＷ以上、８０ｐＷ以上、８５ｐＷ以上、又は９０ｐＷ以上）の電力を発生させることができるように構成することができる。幾つかの例では、エネルギー採取装置１００は、１つ又は複数の波紋のそれぞれが１００ｐＷ以下（例えば、９５ｐＷ以下、９０９５ｐＷ以下、８５９５ｐＷ以下、８０９５ｐＷ以下、７５９５ｐＷ以下、７０９５ｐＷ以下、６５９５ｐＷ以下、６０９５ｐＷ以下、５５９５ｐＷ以下、５０９５ｐＷ以下、４５９５ｐＷ以下、４０９５ｐＷ以下、３５９５ｐＷ以下、３０９５ｐＷ以下、２５９５ｐＷ以下、２０９５ｐＷ以下、１５９５ｐＷ以下、又は１０９５ｐＷ以下）の電力を発生させることができるように構成することができる。１つ又は複数の波紋のそれぞれによって発生する電力は、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、エネルギー採取装置１００は、１つ又は複数の波紋のそれぞれが１～１００ｐＷ（例えば、１ｐＷ～５０ｐＷ、５０ｐＷ～１００ｐＷ、１ｐＷ～３０ｐＷ、２０ｐＷ～４０ｐＷ、４０ｐＷ～６０ｐＷ、６０ｐＷ～８０ｐＷ、８０ｐＷ～１００ｐＷ、１０ｐＷ～９０ｐＷ、又は２０ｐＷ～８０ｐＷ）の電力を発生させることができるように構成することができる。
幾つかの例では、エネルギー採取装置１００は、平方メートル当たり１ワット（Ｗ／ｍ２）以上（例えば、２Ｗ／ｍ２以上、３Ｗ／ｍ２以上、４Ｗ／ｍ２以上、５Ｗ／ｍ２以上、１０Ｗ／ｍ２以上、５０Ｗ／ｍ２以上、１００Ｗ／ｍ２以上、５００Ｗ／ｍ２以上、１，０００Ｗ／ｍ２以上、５，０００Ｗ／ｍ２以上、１０，０００Ｗ／ｍ２以上、又は５０，０００Ｗ／ｍ２以上）の電力密度を有することができる。幾つかの例では、エネルギー採取装置１００は、１００，０００Ｗ／ｍ２以下（例えば、９０，０００Ｗ／ｍ２以下、８０，０００Ｗ／ｍ２以下、７０，０００Ｗ／ｍ２以下、６０，０００Ｗ／ｍ２、５０，０００Ｗ／ｍ２以下、１０，０００Ｗ／ｍ２以下、５，０００Ｗ／ｍ２以下、１，０００Ｗ／ｍ２以下、５００Ｗ／ｍ２以下、１００Ｗ／ｍ２以下、５０Ｗ／ｍ２以下、１０Ｗ／ｍ２以下、又は５Ｗ／ｍ２以下）の電力密度を有することができる。エネルギー採取装置１００の電力密度は、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、エネルギー採取装置１００は、１～１００，０００Ｗ／ｍ２（例えば、１～１，０００Ｗ／ｍ２、１，０００～１００，０００Ｗ／ｍ２、１～１００Ｗ／ｍ２、１００～１，０００Ｗ／ｍ２、１，０００～１０，０００Ｗ／ｍ２、１０，０００～１００，０００Ｗ／ｍ２、１０～５０，０００Ｗ／ｍ２、又は１００～１０，０００Ｗ／ｍ２）の電力密度を有することができる。
図３を参照すると、幾つかの例では、膜１０２は電荷を有することができ、構成要素１０６は膜１０２の周りに配置され電気的に結合されたコンデンサ１０８を含み、コンデンサ１０８は帯電した膜１０２の振動エネルギーを交流に変換し、それによって膜１０２からエネルギーを採取するように構成される。例えば、帯電した膜１０２（中央）の動きは、近くのコンデンサプレート（上部プレート及び下部プレート）１０８に電流を誘導する。このシステムは、可変ギャップコンデンサ設計に基づくエレクトレットベースの静電変換器です。膜１０２上の固定電荷は固定電圧源として作用し、膜１０２が移動するにつれて距離が時間と共に変化するため、静電容量は時間と共に変化する。出力電力は、電圧の２乗に、容量の変化を１サイクルの時間の変化で割った値を掛けたものに比例する。エレクトレットは、単純な機械エネルギーから電気エネルギーへの変換を可能にする。
図４を参照して、幾つかの例では、装置１００は、交流電流を直流電流に変換するためのダイオードブリッジ回路１１０をさらに含むことができる。装置１００は、例えば、ダイオードブリッジ１１０に電気的に結合されたコンデンサ１１２をさらに含むことができ、それにより、直流がコンデンサ１１２を充電し、それによって帯電された膜１０２の振動エネルギーによって発生した電荷を蓄積することができる。一旦充電されると、コンデンサ１１２は、例えば、無線センサ用途の単一サイクルの場合など、電子装置に電力を供給するために使用することができる。
幾つかの例では、エネルギー採取装置１００は電磁誘導装置を含むことができる。図５を参照して、幾つかの例では、膜１０２は複数の磁性粒子１１４をさらに含むことができる。複数の磁性粒子１１４は、例えば、鉄、コバルト、ニオブ、マンガン、ニッケル、又はそれらの組み合わせを含むことができる。幾つかの例では、複数の磁性粒子１１４は、酸化鉄、酸化コバルト、又はそれらの組み合わせを含むことができる。
複数の磁性粒子１１４は、平均粒径を有することができる。「平均粒径（Ａｖｅｒａｇｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ）」及び「平均粒径（ｍｅａｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ）」は、本明細書において互換的に使用され、一般に、粒子母集団中の粒子の統計的平均粒径を指す。例えば、実質的に球形の形状を有する複数の粒子の平均粒径は、複数の粒子の平均直径を含み得る。異方性粒子の場合、平均粒径は、例えば、粒子の平均最大寸法（例えば、棒状粒子の長さ、立方体形状粒子の対角線、三角形状粒子の二等分線など）を指すことができる。平均粒径は、走査型電子顕微鏡及び／又は透過型電子顕微鏡による評価などの当技術分野で公知の方法を使用して測定することができる。
幾つかの例では、複数の磁性粒子１１４は実質的に単分散であり得る。本明細書で使用される場合、「単分散」及び「均一サイズ分布」とは、一般に、全ての粒子が同じ又はほぼ同じサイズである粒子の集団をいう。本明細書で使用されるように、単分散分布とは、分布の８０％（例えば、分布の８５％、分布の９０％、又は分布の９５％）が中央粒径の２５％以内にある粒子分布を指す（例えば、中央粒径の２０％以内、中央粒径の１５％以内、中央粒径の１０％以内、又は中央粒径の５％以内）。
複数の磁性粒子は、任意の形状の粒子（例えば球、棒、四辺形、楕円形、三角形、多角形など）を含むことができる。幾つかの例では、複数の磁性粒子１１４は等方性形状を有することができる。幾つかの例では、複数の磁性粒子１１４は異方性形状を有することができる。
複数の磁性粒子１１４は、例えば、０．５ｎｍ以上（例えば、０．６ｎｍ以上、０．７ｎｍ以上、０．８ｎｍ以上、０．９ｎｍ以上、１．０ｎｍ以上、１．１ｎｍ以上、１．２ｎｍ以上、１．３ｎｍ以上、１．４ｎｍ以上、１．５ｎｍ以上、１．６ｎｍ以上、１．７ｎｍ以上、１．８ｎｍ以上、１．９ｎｍ以上、２．０ｎｍ以上、２．５ｎｍ以上、３．０ｎｍ以上、３．５ｎｍ以上、４．０ｎｍ以上、４．５ｎｍ以上、５．０ｎｍ以上、５．５ｎｍ以上、６．０ｎｍ以上、６．５ｎｍ以上、７．０ｎｍ以上、７．５ｎｍ以上、又は８．０ｎｍ以上）の平均粒径を有することができる。幾つかの例では、複数の磁性粒子１１４は、１０．０ｎｍ以下（例えば、９．５ｎｍ以下、９．０ｎｍ以下、８．５ｎｍ以下、８．０ｎｍ以下、７．５ｎｍ以下、７．０ｎｍ以下、６．５ｎｍ以下、６．０ｎｍ以下、５．５ｎｍ以下、５．０ｎｍ以下、４．５ｎｍ以下、４．０ｎｍ以下、３．５ｎｍ以下、３．０ｎｍ以下、２．５ｎｍ以下、２．０ｎｍ以下、１．９ｎｍ以下、１．８ｎｍ以下、１．７ｎｍ以下、１．６ｎｍ以下、１．５ｎｍ以下、１．４ｎｍ以下、１．３ｎｍ以下、１．２ｎｍ以下、１．１ｎｍ以下、又は１．０ｎｍ以下）の平均粒径を有することができる。複数の磁性粒子１１４の平均粒径は、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、複数の磁性粒子１１４は、０．５～１０．０ｎｍ（例えば、０．５ｎｍ～９．０ｎｍ、０．５ｎｍ～８．０ｎｍ、０．５ｎｍ～７．０ｎｍ、０．５ｎｍ～６．０ｎｍ、０．５ｎｍ～５．０ｎｍ、０．５ｎｍ～４．０ｎｍ、０．５ｎｍ～３．０ｎｍ、０．５ｎｍ～２．５ｎｍ、又は１．０ｎｍ～２．０ｎｍ）の平均粒径を有することができる。複数の磁性粒子１１４の平均粒径は、例えば、高分解能透過型電子顕微鏡を用いて決定することができる。
幾つかの例では、構成要素１０６は、膜１０２に磁気的に結合された電極ループ１１６を含むことができ、装置１００は、膜１０２の振動エネルギーを経時変化する磁場に変換し、これがファラデーの法則によって電極ループ１１６内に電流を誘導し、それによって膜１０２の振動エネルギーを電流に変換し、膜１０２からエネルギーを採取するように構成される。装置１００は、例えば、装置１００によって採取されたエネルギーをコンデンサに蓄積することができるように、電極ループ１１６に電気的に結合されたコンデンサをさらに含むことができる。
図６を参照して、幾つかの例では、構成要素１０６は圧電カンチレバー１１８を含むことができ、膜１０２は圧電カンチレバー１１８に機械的に結合される端部を有し、圧電カンチレバー１１８は膜１０２の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、それによって、膜１０２からエネルギーを採取するように構成される。装置１００は、例えば、圧電カンチレバー１１８に電気的に結合されたコンデンサをさらに含むことができ、それによって、装置１００によって採取されたエネルギーをコンデンサに蓄積することができる。幾つかの例では、圧電カンチレバー１１８は、相互接続された圧電カンチレバー１１８を介して従来の振動エネルギー採取装置１００に電力を供給するために本明細書に記載のエネルギー採取装置１００を使用できるように、従来の振動エネルギー採取装置１００の要素を含むことができる。
図７を参照すると、幾つかの例では、膜１０２は圧電性であり得、構成要素１０６は膜１０２に機械的かつ電気的に結合された電圧読み出し部１２０を含み、圧電膜１０２は振動エネルギーを電圧読み出し部１２０によって採取できる電気エネルギーに変換するように構成される。特定の例では、圧電膜１０２の振動は、圧電膜１０２が振動してその湾曲を反転させるときに交流電圧を発生させることができる。装置１００は、例えば、電圧読み出し部１２０に電気的に結合されたコンデンサをさらに含むことができ、それによって、装置１００によって採取されたエネルギーをコンデンサに蓄えることができる。
図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、幾つかの例では、構成要素１０６は、膜１０２及び／又は基板１０４に機械的に結合されたボックスポンプ１２２を含むことができ、ボックスポンプ１２２は、流体入口を制御する第１の一方向流体流動弁１２４及び流体出口を制御する第２の一方向流体流動弁１２６を含み、ボックスポンプ１２２は、膜１０２の振動エネルギーを第１の一方向流体流動弁１２４及び／又は第２の一方向流体流動弁１２６を介してボックスポンプ１２２を通る流体の流れに変換するように構成され、それにより、膜１０２の振動エネルギーを流体流れに変換し、膜１０２からエネルギーを採取する。
幾つかの例では、特定の膜１０２における工学特定チャネル形状は、相補的ラチェット式構成要素と共に、小型の人工Ｌｅｖｙモータを作り出すことができる。特定の例では、膜１０２を通る物体の動きを制御することができる。図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃを参照すると、幾つかの例では、膜１０２は、膜１０２を横切るチャネル１２８をさらに含み得る。構成要素１０６は、例えば、膜１０２に機械的に結合されたラチェット式輸送体１３０を含むことができ、ラチェット式輸送体１３０は、膜１０２の振動エネルギーをラチェット式輸送体１３０の平行移動に変換し、膜１０２の振動時にチャネル１２８を介して膜１０２の一方側から他方側へラチェット式輸送体１３０を輸送することができ、それによって膜１０２の振動エネルギーをラチェット式輸送体１３０の平行移動に変換し、膜１０２からエネルギーを採取する。例えば、膜１０２がその湾曲を反転させると、設計された幾何学形状を有する物体（例えばラチェット式輸送体１３０）を膜１０２を通して引っ張ることができ、反対側に戻ることはできない。このようにして、この装置１００を用いて試料を分離又は精製することができる。
本明細書ではまたセンサ１４０が開示され、センサ１４０は、膜１０２及び／又は基板１０４に電気的、磁気的、及び／又は機械的に結合された構成要素１４２をさらに含み、構成要素１４２は膜１０２からの信号を検出するように構成される。
幾つかの例では、基板１０４は熱伝導性であり、膜１０２は基板１０４と熱接触しており、基板１０４は、膜１０２が振動エネルギーを有するように、熱エネルギーを膜１０２の振動に変換するように構成され、構成要素１４２は、膜１０２の振動エネルギーによって生成された信号を検出するように構成される。熱エネルギーは、例えば、周囲熱エネルギーを含み得る。
幾つかの例では、膜１０２は振動エネルギーを有し、構成要素１４２は膜１０２の振動エネルギーによって生成された信号を検出するように構成される。振動エネルギーは、例えば、周囲振動エネルギーを含み得る。
振動エネルギーは、例えば、０．１ミリヘルツ以上（例えば、０．５ｍＨｚ以上、１ｍＨｚ以上、５ｍＨｚ以上、１０ｍＨｚ以上、５０ｍＨｚ以上、１００ｍＨｚ以上、５００ｍＨｚ以上、１Ｈｚ以上、５Ｈｚ以上、１０Ｈｚ以上、５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以上、５００Ｈｚ以上、１キロヘルツ（ｋＨｚ）以上、１０ｋＨｚ以上、５０ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ以上、５００ｋＨｚ以上、１メガヘルツ（ＭＨｚ）以上、５ＭＨｚ以上、１０ＭＨｚ以上、５０ＭＨｚ以上、１００ＭＨｚ以上、５００ＭＨｚ以上、又は１ギガヘルツ（ＧＨｚ）以上）の周波数を有する振動を含み得る。幾つかの例では、振動エネルギーは、１０ギガヘルツ（ＧＨｚ）以下（例えば、５ＧＨｚ以下、１ＧＨｚ以下、５００ＭＨｚ以下、１００ＭＨｚ以下、５０ＭＨｚ以下、１０ＭＨｚ以下、５ＭＨｚ以下、１ＭＨｚ以下、５００ｋＨｚ以下、１００ｋＨｚ以下、５０ｋＨｚ以下、１０ｋＨｚ以下、５ｋＨｚ以下、１ｋＨｚ以下、５００Ｈｚ以下、１００Ｈｚ以下、５０Ｈｚ以下、１０Ｈｚ以下、５Ｈｚ以下、１Ｈｚ以下、５００ｍＨｚ以下、１００ｍＨｚ以下、５０ｍＨｚ以下、１０ｍＨｚ以下、又は５ｍＨｚ以下）の周波数を有する振動を含み得る。振動エネルギーの振動の周波数は、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、振動エネルギーは、０．１ｍＨｚ～１０ＧＨｚ（例えば、０．１ｍＨｚ～１ｋＨｚ、１ｋＨｚ～１０ＧＨｚ、０．１ｍＨｚ～１Ｈｚ、１Ｈｚ～１ｋＨｚ、１ｋＨｚ～１ＭＨｚ、１ＭＨｚ～１０ＧＨｚ、又は５ｍＨｚ～１ＧＨｚ）の周波数を有する振動を含み得る。
例えば、センサ１４０の特定の実施態様では、構成要素１４２を膜１０２と動作可能に接続することができ、膜１０２は比較的低い周波数振動を利用するように動作可能な所定の感度を有することになる。したがって、構成要素１４２は、膜１０２の座屈周波数を検出するように構成することができ、膜１０２の周波数の所定の変化が、例えば追加質量の存在に基づいて構成要素１４２によって検出される場合、質量の検出に関する出力は、装置の膜１０２の感度により決定され、伝達される。
図１０を参照して、構成要素１４２は、膜１０２及び／又は基板１０４に電気的に結合された電極１４４を含むことができる。電極１４４は、例えば、膜１０２に隣接して配置され得、膜１０２及び／又は基板１０４に電気的に結合され得る。電極１４４は、例えば、単一電極を含むことができ、また金属ピックアップ電極を含むことができる。幾つかの例では、センサ１４０は、電極１４４が膜１０２の下に配置されるように整列させることができる。例えば、電極１４４は、電極が電圧ピックアップ周波数及び／又は電圧ピックアップの大きさのいずれの変化も検出できるように、電圧ピックアップ周波数を連続的に監視するように構成することができる。
幾つかの例では、センサが、膜１０２の振動周波数の変化に基づいて膜１０２の質量の変化を検出するように構成されるように、電極は膜１０２の振動エネルギーの周波数を検出するように構成される。余分な質量が膜１０２に加えられると、それは膜１０２の固有周波数を変える。較正実験は、周波数の変化に基づいて質量の変化を定量化することを可能にするであろう。
幾つかの例では、センサが、検出された電圧信号の大きさの変化に基づいて膜１０２の電荷の変化を検出するように構成されるように、電極は膜１０２からの電圧信号の大きさを検出するように構成され得る。
作製方法
本明細書に記載のエネルギー採取装置及びセンサの製造方法もまた本明細書に開示される。例えば、本明細書に記載されているエネルギー採取装置及び／又はセンサを製造する方法は、２次元材料のシートを圧縮して膜を形成することと、基板上に膜を配置することと、構成要素を膜及び／又は基板に電気的、磁気的、及び／又は機械的に結合することとを含み得る。
２次元材料のシートを圧縮することは、例えば、図１１及び図１２に概略的に示すように、シートを横切って横方向の圧縮力を加えることを含むことができる。横方向の圧縮力は、例えば、１ナノニュートン（ｎＮ）以上（例えば、５ｎＮ以上、１０ｎＮ以上、１５ｎＮ以上、２０ｎＮ以上、２５ｎＮ以上、３０ｎＮ以上、３５ｎＮ以上、４０ｎＮ以上、４５ｎＮ以上、５０ｎＮ以上、５５ｎＮ以上、６０ｎＮ以上、６５ｎＮ以上、７０ｎＮ以上、７５ｎＮ以上、８０ｎＮ以上、８５ｎＮ以上、又は９０ｎＮ以上）の大きさを有することができる。幾つかの例では、横方向の圧縮力は、１００ｎＮ以下（例えば、９５ｎＮ以下、９０ｎＮ以下、８５ｎＮ以下、８０ｎＮ以下、７５ｎＮ以下、７０ｎＮ以下、６５ｎＮ以下、６０ｎＮ以下、５５ｎＮ以下、５０ｎＮ以下、４５ｎＮ以下、４０ｎＮ以下、３５ｎＮ以下、３０ｎＮ以下、２５ｎＮ以下、２０ｎＮ以下、１５ｎＮ以下、又は１０ｎＮ以下）であり得る。横方向の圧縮力は、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、横方向の圧縮力は、１～１００ｎＮ（例えば、１ｎＮ～５０ｎＮ、５０ｎＮ～５００ｎＮ、１ｎＮ～２０ｎＮ、２０ｎＮ～４０ｎＮ、４０ｎＮ～６０ｎＮ、６０ｎＮ～８０ｎＮ、８０ｎＮ～１００ｎＮ、５ｎＮ～９５ｎＮ、１０ｎＮ～９０ｎＮ、又は２０ｎＮ～８０ｎＮ）であり得る。
幾つかの例では、例えば図１３に概略的に示されるように、２次元材料のシートは元の長さを有し、２次元材料の圧縮されたシートは圧縮された長さを有する。圧縮された長さは、元の長さより０．０１％～１％短い。
幾つかの例では、膜の座屈範囲は、０．２ｎｍ以上（例えば、０．３ｎｍ以上、０．４ｎｍ以上、０．５ｎｍ以上、０．６ｎｍ以上、０．７ｎｍ以上、０．８ｎｍ以上、０．９ｎｍ以上、１．０ｎｍ以上、１．５ｎｍ以上、２．０ｎｍ以上、２．５ｎｍ以上、又は３．０ｎｍ以上）であり得る。幾つかの例では、膜の座屈範囲は、４．０ｎｍ以下（例えば、３．５ｎｍ以下、３．０ｎｍ以下、２．５ｎｍ以下、２．０ｎｍ以下、１．５ｎｍ以下、１．０ｎｍ以下、０．９ｎｍ以下、０．８ｎｍ以下、０．７ｎｍ以下、０．６ｎｍ以下、又は０．５ｎｍ以下）であり得る。座屈範囲は、上記の任意の最小値から上記の任意の最大値までの範囲であり得る。例えば、座屈範囲は、０．２～４．０ｎｍ（例えば、０．２ｎｍ～２．０ｎｍ、２．０ｎｍ～４．０ｎｍ、０．２ｎｍ～１．０ｎｍ、１．０ｎｍ～２．０ｎｍ、２．０ｎｍ～３．０ｎｍ、３．０ｎｍ～４．０ｎｍ、又は０．５ｎｍ～３．５ｎｍ）であり得る。座屈範囲は一般に、１つ又は複数の波紋の平均高さの２倍に等しい。機械的座屈は波紋の湾曲の反転である。
本明細書に開示されるように、２次元シートを圧縮することによって膜を座屈前の状態に形成することは、座屈のプロセスを遅くすることができ、その結果、膜は周囲条件に関連する振動など低周波振動と相互作用して利用することができる。膜が歪みのない方法を用いて基板上に配置される場合、膜は自己圧縮して座屈前の状態になり得る。例えば、銅上のグラフェンを用いると、塩化鉄溶液を用いて銅をエッチング除去することができる。グラフェンは、銅が除去されても溶液の表面上に浮遊したままであり得る。次に、グラフェンを溶液から取り出し、グリッドを含む基板上に配置することができる。グリッドを圧縮又は拡大すると、波紋のサイズを変更し、自発的な湾曲反転の固有振動数を変更することができる。
［使用方法］
本明細書に記載のエネルギー採取装置及び／又はセンサの使用方法も本明細書に開示されている。例えば、本明細書に記載のエネルギー採取装置を用いてエネルギーを採取する方法もまた本明細書に開示されている。
本明細書に記載されているエネルギー採取装置は、例えば、放電センサ、力センサ及び質量センサ、ならびに自己給電型装置を含む、エネルギーを抽出するための様々なシステム、装置、及び方法に組み込むことができる。本明細書に記載の１つ又は複数のエネルギー採取装置を組み込んだ特定の例示的実施形態によるシステム、装置、及び方法は、自立型２次元膜の原子スケール変動の動力学を利用することができる。膜は、ランダムな面外運動を組み込むことができ、これはＬｅｖｙ ｗａｌｋを示す動的変数の変則的な動力学及び裾の長い平衡分布を示す。変動膜は、例えば、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて制御することができる。
開示された技術のエネルギー採取装置ならびに関連するシステム及び方法に関して言及される任意の構成要素又はモジュールは、互いに一体的に又は別々に形成され得ることを理解されたい。さらに、構成要素又はモジュールの冗長な機能又は構造を実施することができる。本明細書で説明した特徴及びそれらの構成要素のいずれも、環境的要件、構造的要件、及び動作上の要件を提供及び満たすためにあらゆる形状をとることができる。さらに、様々な構成要素の位置及び整列は、要望又は要求に応じて変わり得る。
上記の説明は、１つ又は複数の実施形態の例を含む。当然のことながら、前述の実施形態を説明する目的で構成要素又は方法論の考えられるあらゆる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、様々な実施形態の多くのさらなる組み合わせ及び置換が可能であることを認識し得る。したがって、記載された実施形態は、本開示及び本開示に添付された特許請求の範囲の精神及び範囲内にあり、非仮特許出願に提出されるような全てのそのような変更、修正及び変形を包含することを意図する。
以下の実施例は、開示された主題による方法及び結果を説明するために以下に示される。これらの実施例は、本明細書に開示されている主題の全ての態様を含むことを意図するものではなく、むしろ代表的な方法及び結果を説明することを意図している。これらの実施例は、当業者に明らかである本発明の均等物及び変形を排除することを意図していない。
数（例えば、量、温度など）に関して確実に正確にするための努力をしたが、いくらかの誤差及び偏差を考慮すべきである。他に特記しない限り、部品は部品数かける重量であり、温度は℃であるか又は周囲温度であり、圧力は大気圧であるか又は大気圧に近い。記載されたプロセスから得られる生成物純度及び収率を最適化するために使用することができる反応条件、例えば成分濃度、温度、圧力及び他の反応範囲ならびに条件の多数の変形及び組み合わせがある。そのようなプロセス条件を最適化するためには、合理的かつ定期的な実験のみが必要とされるであろう。
［実施例１］
走査型トンネル顕微鏡を用いた自立型グラフェン中の原子の面外（垂直）運動のサブナノメートル、広帯域幅測定が本明細書に記載されている。長期間にわたって垂直位置を追跡することによって、原子的に薄い膜の空間－時間動力学を測定する能力の、現在の最先端の画像化技術に比べて、１０００倍の増加が達成された。グラフェン膜の垂直運動は、変則的な平均二乗変位とコーシーローレンツのべき法則ジャンプ分布の両方を特徴とする、まれな大規模な偏位を示すことが観察された。
確率過程は本質的に偏在的である。このような確率過程の研究は現代物理学の発展において極めて重要な役割を果たしており、物質の原子的性質の最初の証拠を提供した。Ｌａｎｇｅｖｉｎは、粒子の確率微分運動方程式を考えてブラウン運動についての真に力学的な理論を始めた。このモデルは、しばしばＯｒｎｓｔｅｉｎ－Ｕｈｌｅｎｂｅｃｋモデルと呼ばれ、平均二乗変位、ＭＳＤ（τ）∝τ、時間的に指数関数的に減衰する速度自己相関関数（ＶＣＡＦ）、及びＭａｘｗｅｌｌ－Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ平衡速度分布を予測する（Ｌｉ Ｔら、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２０１０，３２８，１６７３）。測定精度及び分解能における最近の進歩は、ブラウン運動の枠組みを、光学グリッド中の原子拡散及び液体中のスピン拡散を含む前例のない空間－時間スケール及びより広範なシステムへと拡張した（Ｓｔａｐｆ Ｓら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１９９５，７５，２８５５、Ｋａｔｏｒｉ Ｈら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１９９７，７９，２２２１）。このようなシステムの研究は確率論に基づくメカニズムと相互作用への洞察を提供している。例えば、粒子は小さな区域では古典的なブラウン運動を実行することがあるが、その後、新しい区域まで大きな距離にわたって突然移動し、そこで古典的な動きを再開する。これは有限速度と有限待ち時間を有するＬｅｖｙ ｗａｌｋの要点であり、動きのより速いセグメントとより長いジャンプ長は、裾の長いべき法則分布をもたらす（Ｓｈｌｅｓｉｎｇｅｒ ＭＦら、Ｎａｔｕｒｅ（ロンドン）１９９３、３６３、３１、Ｍｅｔｚｌｅｒ Ｒ及びＫｌａｆｔｅｒ Ｊ．Ｐｈｙｓ、Ｒｅｐ．２０００、３３９、１）。Ｌｅｖｙ ｗａｌｋは、経済学、生物医学的信号、気候力学、さらには動物の餌探しに至るまで、様々なシステムの中に存在するという仮説が立てられている。情報探索理論の範囲内であっても、最適化された検索アルゴリズムは、無限分散を有するレビー安定分布を利用すべきであると今日では信じられている（Ｖｉｓｗａｎａｔｈａｎ ＧＭら、Ｎａｔｕｒｅ（Ｌｏｎｄｏｎ）１９９９，４０１，９１１）。
膜の表面に垂直な動きを特徴とする膜の変動も、ブラウン運動の対象である。熱変動がチャネルを通って細胞の内部への化学物質の輸送を助けるバイオ膜（Ｋｏｓｚｔｉｎ Ｉ及びＳｃｈｕｌｔｅｎ Ｋ．Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．２００４，９３，２３８１０２）は、核磁気共鳴分光法及び光学顕微鏡法を用いて実験的に研究されている（Ｂｏｃｉａｎ ＤＦ及びＣｈａｎ ＳＩ、Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ｐｈｙｓ、Ｃｈｅｍ、１９７８，２９，３０７、Ｐｅｃｒｅａｕｘ Ｊら、Ｅｕｒ．Ｐｈｙｓ．Ｊ．Ｅ ２００４，１３，２７７）。さらに、弾性だけでなくランジュバン方程式による確率的効果を含む、膜構造及び動力学の最新の理論は、膜の局所的な変動に対するマクスウェルボルツマン分布を予測する（Ｎａｊｉ Ａら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．２００９，１０２，１３８１０２、Ｒｅｉｓｔｅｒ－Ｇｏｔｔｆｒｉｅｄ Ｅら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ ２０１０，８１，０３１９０３）。
自立型グラフェンは、超高真空（ＵＨＶ）環境において走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて原子スケールで劣化することなく精査することができる結晶膜とすることができる。この手法を使用して、グラフェン膜内の波紋は、上向き（下向き）に湾曲した波紋をイジングスピンのアップ（ダウン）状態にマッピングすることによって、イジングモデルを使用して記述できることが示された（Ｓｃｈｏｅｌｚ ＪＫら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ２０１５，９１，０４５４１３）。これらの研究から欠けている構成要素は動的変動の測定である。本明細書では、走査型トンネル顕微鏡を使用して、変動するグラフェン膜の単一の炭素原子サイズの領域の動きをサブナノメートルの分解能で追跡した。膜はＬｅｖｙ ｗａｌｋを示すまれな大きな高さの移動でブラウン運動を実行する。さらに、膜速度は、マクスウェルボルツマン分布ではなく、裾の長いコーシーローレンツのべき法則分布に従う。
Ｎｉ上で商業的に成長させた単層グラフェン（１０％未満は多層グラフェンである）を、幅５μｍの棒状支持体を有する幅７．５μｍの正方形孔のグリッドを有する２０００メッシュの超微細銅グリッドに直接転写した。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像はグラフェンによる銅グリッドの９０％の被覆率を示す（図１７）。室温で操作されるオミクロン超高真空（ベース圧力は１０－１０ｍｂａｒである）低温走査型トンネル顕微鏡を高さ測定に使用した。グラフェンフィルムをスタンドオフ上の試料プレートに向けて取り付けたため、走査型トンネル顕微鏡の先端がグリッドの穴を通して接近し、より安定した支持を提供した。走査型トンネル顕微鏡室全体は、アクティブなノイズキャンセリング防振システムに支えられており、非常に低い電気ノイズを実現するために、絶縁された建物のグランドを備えた大規模なバッテリーバンクを使用して駆動される。
定電流（フィードバック）トンネル条件下で、自家製の走査型トンネル顕微鏡の先端を用いてデータを取得し、トポグラフィー走査をポイントモードに設定した（ｘ又はｙ走査なし）。このシステムは、実際のトンネル電流と先端の高さの両方について、１０４秒の期間にわたって８００Ｈｚの速度で１６ビットデータを連続的に記録することを可能にするように適合され、チャネル当たり８×１０６データポイントが得られた。走査型トンネル顕微鏡先端－試料ドリフトを独立して監視し、結果はドリフトが非確率論的で１ｎｍ／時未満であることを示した。全て室温で、トンネル電流（０．０１～１０ｎＡ）とバイアス電圧（０．０１～１０Ｖ）の数桁にわたる固定された画像化条件について、複数の膜からデータを収集した。原子分解能でグラフェン表面を画像化すると、ミクロン規模で欠陥のない単層グラフェンのみが観察された。
実験設定の概略を図１８に示す。圧電チューブスキャナの端部に取り付けられたバイアス走査型トンネル顕微鏡先端は、電気的に接地された自立型グラフェン膜に下から接近する。ｚ（ｔ）の典型的な時系列を、走査型トンネル顕微鏡の設定値（Ｉ＝０．１ｎＡ、Ｖ＝０．１Ｖ）について図１９に示す。膜移動の範囲（～１０ｎｍ）は、点モード走査型トンネル顕微鏡にとって非常に大きく、比較のために、硬質試料から得られた典型的な走査型トンネル顕微鏡法のトレースも示されている。このような大きな値のｚ（ｔ）は、支持されていないグラフェン膜が多数のエネルギー的に等価な構成の間で連続的にシフトする波状構造を形成するので妥当であると思われる（Ｍｅｙｅｒ Ｊ．Ｃら、Ｎａｔｕｒｅ （Ｌｏｎｄｏｎ）２００７，４４６，６０、Ｌｏｓ ＪＨら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ２００９，８０，１２１４０５（Ｒ））。図１９は時間の関数として（τ０＝１．２５０ｍｓの単位で）膜の高さの拡大プロット（δ０＝０．０２２ｎｍの単位で）を示し、２つの連続するジャンプ間の典型的な時間（すなわち、高さの変化）はτｋとラベル付けされる。このデータの待ち時間の確率分布が計算され、単純な指数関数に従い、これはポアソン過程であることを示している。図２０における測定されたトンネル電流は、図１９に示すデータに対応し、膜の高さが著しく変化したときでさえ、飽和レベルよりかなり低くかつゼロよりかなり高いままであった。膜の高さｚ（ｔ）に対する先端－試料間距離変動の寄与は、全てのデータについて無視できる程度であった。加えて、測定された高さとトンネル電流との間の相互相関係数は、０．０５未満である。
時系列ｚ（ｔ）から、次の式に従って平均二乗変位を計算した。
Figure 0007209627000001
 その結果を図２１に示す。時間がほぼ７桁に及ぶこれらのデータは、ＭＳＤ（τ）～τα、α≠１は変則的な拡散指数であり、べき法則依存性を特徴とする。このデータでは、短時間の運動はα＝１．４（超拡散運動）とそれに続くα＝０．３（副拡散運動）の範囲によって特徴付けられる。異なるトンネリング設定点で取得された他のデータセットでも同じ指数が観察された。指数関数的待ち時間及びコーシージャンプ長を使用するランダムウォークシミュレーションは、図２１の挿入図に示すように、短時間の超拡散及び長時間の副拡散を有するＭＳＤをもたらす。コーシー分布の実験的証拠もまた、膜速度からもたらされる。
図１９に示されるように、ｚ（ｔ）の時系列から数値的に計算された瞬時膜速度は、短いメモリで非常に不規則な挙動を示す（図２２の挿入図）。速度自己相関関数ＶＡＣＦ
Figure 0007209627000002
 は、図２２に示されるように、最終的にゼロに減衰する前に（１０，０００秒の長さの測定の０．５秒以内）、急速に減少し、０．１秒付近で負になり、液体様の挙動を示し、膜速度変動が急速に相関を失うことを示す。この観察は、走査型トンネル顕微鏡を用いた平衡速度分布の測定が可能であることを実証しており、走査型トンネル顕微鏡を用いた単一原子拡散の他の研究からの裏付けが得られている（Ｓｗａｒｔｚｅｎｔｒｕｂｅｒ ＢＳ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１９９６，７６，４５９）。
図２３は、図１９に示すデータから計算された膜速度確率分布関数（ＰＤＦ）を示す。実線の曲線は、平均速度がゼロ、ｖｏ＝０、ＦＷＨＭ２Γの最適コーシーローレンツ分布である。
Figure 0007209627000003
速度分布はゼロでピークに達し、それに関して対称的であり、膜が上下に移動する可能性が等しいこと（すなわち、走査型トンネル顕微鏡先端の存在下での平衡移動）と一致し、システムが、バイアス電圧設定値に対する弾性限度内であることを示す。
５００ｎｍ／ｓもの高速の膜速度が観察された場合でも、全速度の９８％が－１５ｎｍ／ｓから１５ｎｍ／ｓの範囲内に入る（図２３）。図２３の破線の曲線は、最適ガウス分布である。図２３のデータは、特に、１０ｎｍ／ｓを超える速度では、ガウス分布ではなくＣａｕｃｈｙ－Ｌｏｒｅｎｔｚ分布に明らかに従っている。３つのデータ点（四角）は、図１９に示されている硬質試料データに対するものであり、比較のために図２３に示されている。図２４は、最適Ｃａｕｃｈｙ－Ｌｏｒｅｎｔｚ分布と共に、何桁にもわたるトンネル電流についての膜速度確率分布関数データを示す。これらの速度分布は、トンネル電流を増加させながら試料上の新しい位置から得られた走査型トンネル顕微鏡データから得られた。最も際立った結論は、全ての場合において、膜速度はガウスよりもはるかに良くＣａｕｃｈｙ－Ｌｏｒｅｎｔｚ分布（すなわち、無限分散及び安定指数１を有するＬｅｖｙ安定分布）に従うということである。
図２４から、トンネル電流が増えるにつれて速度分布が広くなることがさらに分かる。同じ傾向が図２５でも明らかであり、 この研究の全範囲にわたるトンネル電流設定値による速度確率分布関数のＦＷＨＭの変動を示す。分布の広がりは、走査型トンネル顕微鏡のトンネル電流が膜により多くの運動エネルギーを提供するため、ジュール加熱と一致する（Ｎｅｅｋ－Ａｍａｌ Ｍら．Ｎａｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．２０１４，５，４９６２）。
弾性理論は自立型グラフェンの振動モードを予測するが、それは圧縮された２次元膜に見られる波紋の無秩序な網の基礎となる確率過程についての情報をもたらさない。原子論的シミュレーションは、観察された現象への洞察を提供することができる。本明細書中の分子動力学（ＭＤ）シミュレーションのために、境界原子を固定した１００００個の炭素原子を含む予め座屈した、湾曲した正方形の膜（１５×１５ｎｍ２）を調製した（走査型トンネル顕微鏡の先端なし）。真空中でのシミュレーションは、ＡＩＲＥＢＯポテンシャルを用いてＬＡＭＭＰＳで行われた。Ｎｏｓｅ－Ｈｏｏｖｅｒサーモスタットを使用して一定の温度を維持し、運動方程式を１ｆｓの時間ステップを使用して積分した。システムは最初に初期配置から始めて０．５ｎｓの間平衡化され、１ｎｓの製造運転からのその後の軌跡が分析のために使用された。
低温（１００Ｋ）で１０６時間ステップ（１ｆｓ当たり１）の中心原子の移動は、図２６に示すように、固定境界原子の上方０．３５ｎｍの全高で０．１ｎｍの高さ変動を示す。より高い温度（３０００Ｋ）では、著しく異なることが起こる。同じ時間スケールで、ランダムな動きは、固定境界原子の上からそれらの下まで膜全体の鏡面座屈をもたらす。図２８及び図２９は、図２６において（ｃ）及び（ｄ）とラベル付けされた反対の構成に対する膜の２つのスナップショットを示す。下向きの湾曲から上向きの湾曲への長い移動は、Ｌｅｖｙ ｗａｌｋを表している。実際、図２６のデータが、急激な変動を滑らかにするために、短い時間間隔にわたって平均化されている場合［図２６の黒い曲線］、図２７に示すように、Ｃａｕｃｈｙジャンプ長分布が得られる。非常に高い周波数のグラフェンの動きの時間平均は、まさに走査型トンネル顕微鏡による測定で得られるものである。中心原子についての空間平均についても同様のＣａｕｃｈｙ分布が得られ、これは、１ｎｍを超える分解能を有する任意の実際の測定でも当然に生じるであろう。追加のシミュレーションを図３０に示す。ここでは、システムはシミュレーションの後半に自発的に振動しているように見える。
この大規模な動きは、グラフェンがその全体的な湾曲を局所的に変化させることの結果であり（例えば、下向きの湾曲から上向きの湾曲への移行）、その一方で、小規模な動きはその湾曲の反転のない膜の単純な振動である。これがどのように起こるかは、高温シミュレーションで追跡することができ、時々ランダムな上下運動は同じ方向に加わり、固定境界原子の反対側の別の平衡配置への長い移動をもたらす。このような事象が３０００Ｋで１ｎｓの間に４回発生すると仮定すると、室温で実行される走査型トンネル顕微鏡測定ではこれらの事象が数回発生すると予測できる（Ｓｏｒｅｎｓｅｎ ＭＲ及びＶｏｔｅｒ ＡＦ．Ｊ．、Ｃｈｅｍ Ｐｈｙｓ、２０００，１１２，９５９９）。したがって、データは、自発的鏡面座屈が温度勾配なしで起こり得ることを示している。
これらの測定は、膜の基本的な理解と技術的応用の両方にとって深い意味を持つ、膜変動における未踏の空間的及び時間的領域を明らかにする。正しく理解されると、ランダムな膜変動は有効に活用され得る。例えば、大規模システムの連続的な動きからのエネルギー採取は、確率論的ナノ共振器の重要な応用である（Ｇａｍｍａｉｔｏｎｉ Ｌら、Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ、１９９８、７０、２２３）。
（例えば、トンネル電流を変えることによって）速度分布を調整することによって、特定のプロセスを起動し、他を停止することができる。さらに、膜が撓むにつれて、それは局所的な歪み、化学反応性、及び電荷分布を修正し、それによってシステムが機能することを可能にする。相補的ラチェット式構成要素と共に、膜における特定のチャネル形状を設計することによって、小型の人工Ｌｅｖｙモータを作り出すことができる（Ｈａｅｎｇｇｉ Ｐ及びＭａｒｃｈｅｓｏｎｉ Ｆ．Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．２００９，８１，３８７）。最後に、膜動力学の理解の進歩は、タンパク質機能や人工材料の自己組織化にとって重要な、膜上の物体の動きを制御するのに役立つ。
要約すると、自立型グラフェン膜の原子スケールの変動の動力学を、点モード走査型トンネル顕微鏡と分子動力学シミュレーションを用いて調べた。測定は、膜のランダムな面外運動の豊富さを明らかにし、それはＬｅｖｙ ｗａｌｋを示す動的変数の変則的な動力学及び裾の長い平衡分布を示す。また、変動する膜の確率的性質は、走査型トンネル顕微鏡を用いて制御できることも実証された。これは、原子スケールの分解能で運動を観察する能力と相まって、新しいブラウン運動様式を研究し、異常輸送の様々なモデルを試験するためのシステムを提供する。結論として、２次元材料の座屈事象は実験的及び理論的に調整可能なＬｅｖｙ ｗａｌｋを有する人工結晶膜を生成することが実証された。最終的に、この研究は、様々なシステムでの大規模で突然の変化の発生を予測、制御、さらには最小化するための方法を提供する。
［実施例２］
走査型トンネル顕微鏡を使用して、自立型グラフェンの高さの変化を経時的に測定することもできる［図１４］。この情報から、時間内の速度を計算して速度確率分布関数（ＰＤＦ）を生成することができる。速度ＰＤＦは、非ガウス形状を呈し、異常に大きい速度を有する可能性がある。また、高さ－時間データの自己相関関数を計算することにより、高さ－時間のパターンを求めることができ（図１５）、支配的な周波数は、パワースペクトル密度を計算することによって見いだすことができ（図１６）、これは、超低周波が発生する可能性があることを示している。
明白かつ本発明に固有の他の利点は当業者には明らかであろう。特定の特徴及び部分組み合わせは有用であり、他の特徴及び部分組み合わせを参照せずに採用され得ることが理解されるであろう。これは特許請求の範囲によって企図され、その範囲内にある。本発明の範囲から逸脱することなく本発明から多くの可能な実施形態を構成することができるため、添付の図面に説明され又は示された全ての事項は例示として理解され、限定的な意味ではないことが理解されるべきである。
添付の特許請求の範囲の方法は本明細書に記載される特定の方法によって範囲が限定されず、特許請求の範囲の幾つかの態様の例示として意図され、機能的に同等な方法は特許請求の範囲内に含まれることが意図される。本明細書に示され記載されたものに加えて方法の様々な改変は、添付の特許請求の範囲の範囲内に入ることが意図される。さらに、本明細書に開示された特定の代表的な方法ステップのみが具体的に説明されているが、具体的に列挙されていなくても、方法ステップの他の組み合わせも添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図される。したがって、ステップ、要素、部品、又は構成要素の組み合わせは、本明細書で明示的に言及され得るか、又は明示的でなくてもよいが、明確に述べられていなくても、ステップ、要素、部品、及び構成要素の他の組み合わせが含まれる。
なお、特願２０１９－５３４１１８の出願当初の特許請求の範囲は以下のとおりである。
［請求項１］
エネルギー採取装置であって、
基板上に配置された膜であって、２次元（２Ｄ）材料及び１つ又は複数の波紋を含む、膜と、
前記膜及び／又は前記基板に電気的、磁気的、及び／又は機械的に結合された構成要素であって、前記膜からエネルギーを採取するように構成される、構成要素と
を備える、エネルギー採取装置。
［請求項２］
前記２次元材料は、グラフェン、ＭｏＳ ２ 、ＭｏＳｅ ２ 、ＷＳ ２ 、ＷＳｅ ２ 、ＲｅＳ ２ 、ＲｅＳｅ ２ 、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の装置。
［請求項３］
前記２次元材料がグラフェンを含む、請求項１又は請求項２に記載の装置。
［請求項４］
前記膜が、０．３ｎｍ～３．０ｎｍ、０．３ｎｍ～２．０ｎｍ、０．３ｎｍ～１．０ｎｍ、又は０．３ｎｍ～０．６ｎｍの平均厚さを有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。
［請求項５］
前記膜が、０．１ミクロン～１００ミクロンの平均横方向寸法を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の装置。
［請求項６］
前記膜が、０．０～１０．０Ｎ／ｍ、０．０Ｎ／ｍ～５．０Ｎ／ｍ、０．０Ｎ／ｍ～１．０Ｎ／ｍ、０．０～０．５Ｎ／ｍ、０．０～０．３Ｎ／ｍ、又は０．０３Ｎ／ｍ～０．１２Ｎ／ｍの張力を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置。
［請求項７］
前記１つ又は複数の波紋は、１ｎｍ～１００ｎｍ、１ｎｍ～８０ｎｍ、５ｎｍ～５０ｎｍ、１０ｎｍ～４０ｎｍ、又は２０ｎｍ～３０ｎｍの平均長さを有する、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。
［請求項８］
前記１つ又は複数の波紋は、０．１ｎｍ～２．０ｎｍ、０．１ｎｍ～１．０ｎｍ、０．２０ｎｍ～０．６０ｎｍ、０．３０ｎｍ～０．５０ｎｍ、又は０．３５ｎｍ～０．４５ｎｍの平均高さを有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の装置。
［請求項９］
前記基板が、銅、シリコン、炭化シリコン、サファイア、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の装置。
［請求項１０］
前記基板が、１つ又は複数の開口部を含むグリッドを備える、請求項１～９のいずれか一項に記載の装置。
［請求項１１］
前記基板が熱伝導性であり、前記膜が前記基板と熱接触している、請求項１～１０のいずれか一項に記載の装置。
［請求項１２］
前記基板の熱エネルギーは、前記膜が振動エネルギーを有するように前記膜の振動に変換し、また前記構成要素は、前記膜の前記振動エネルギーを電気的、磁気的及び／又は機械的エネルギーに変換し、それによって前記膜からエネルギーを採取するように構成される、請求項１１に記載の装置。
［請求項１３］
前記熱エネルギーが周囲熱エネルギーを含む、請求項１２に記載の装置。
［請求項１４］
前記膜が振動エネルギーを有し、前記構成要素が、前記膜の振動エネルギーを電気的、磁気的、及び／又は機械的エネルギーに変換し、それによって前記膜からエネルギーを採取するように構成される、請求項１～１３のいずれか一項に記載の装置。
［請求項１５］
前記振動エネルギーが周囲振動エネルギーを含む、請求項１４に記載の装置。
［請求項１６］
前記振動エネルギーが、０．１ミリヘルツ～１０ギガヘルツの周波数を有する振動を含む、請求項１２～１５のいずれか一項に記載の装置。
［請求項１７］
前記１つ又は複数の波紋のそれぞれが、１ｐＷ～１００ｐＷの電力を発生させることができる、請求項１～１６のいずれか一項に記載の装置。
［請求項１８］
前記エネルギー採取装置が、１Ｗ／ｍ ２ ～１００，０００Ｗ／ｍ ２ の電力密度を有する、請求項１～１７のいずれか一項に記載の装置。
［請求項１９］
前記膜は電荷を有し、前記構成要素は前記膜の周りに配置され、前記膜に電気的に結合されたコンデンサを含み、前記コンデンサは帯電した前記膜の前記振動エネルギーを交流に変換し、それによって前記膜からエネルギーを採取するように構成される、請求項１２～１８のいずれか一項に記載の装置。
［請求項２０］
前記装置は、前記交流を直流に変換するためのダイオードブリッジ回路をさらに備える、請求項１９に記載の装置。
［請求項２１］
前記装置が、前記ダイオードブリッジに電気的に結合されたコンデンサをさらに含み、それにより、前記直流が前記コンデンサを充電し、それによって帯電された前記膜の前記振動エネルギーによって発生した前記電荷を蓄積することができる、請求項２０に記載の装置。
［請求項２２］
前記膜が複数の磁性粒子をさらに含む、請求項１２～１８のいずれか一項に記載の装置。
［請求項２３］
前記複数の磁性粒子が、鉄、酸化鉄、コバルト、酸化コバルト、ニオブ、マンガン、ニッケル、又はそれらの組み合わせを含む、請求項２２に記載の装置。
［請求項２４］
前記複数の磁性粒子が、０．５ｎｍ～１０．０ｎｍ、０．５ｎｍ～８．０ｎｍ、０．５ｎｍ～５．０ｎｍ、０．５ｎｍ～２．５ｎｍ、又は１．０ｎｍ～２．０ｎｍの平均粒径を有する、請求項２２又は請求項２３に記載の装置。
［請求項２５］
前記構成要素は、前記膜に磁気的に結合された電極ループを含み、前記装置は、前記膜の前記振動エネルギーを経時変化する磁場に変換し、これが前記電極ループ内に電流を誘導し、それによって前記膜の前記振動エネルギーを電流に変換し、前記膜からエネルギーを採取するように構成される、請求項２２～２４のいずれか一項に記載の装置。
［請求項２６］
前記装置が前記電極ループに電気的に結合されたコンデンサをさらに備え、前記装置によって採取された前記エネルギーを前記コンデンサに蓄積することができる、請求項２５に記載の装置。
［請求項２７］
前記構成要素は圧電カンチレバーを含み、前記膜は前記圧電カンチレバーに機械的に結合される端部を有し、前記圧電カンチレバーは前記膜の前記振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、それによって前記膜からエネルギーを採取するように構成される、請求項１２～１８のいずれか一項に記載の装置。
［請求項２８］
前記圧電カンチレバーに電気的に結合されたコンデンサをさらに含み、それにより、前記装置によって採取された前記エネルギーを前記コンデンサに蓄積することができる、請求項２７に記載の装置。
［請求項２９］
前記膜は圧電性であり、前記構成要素は前記膜に機械的かつ電気的に結合された電圧読み出し部を含み、前記圧電膜は振動エネルギーを、前記電圧読み出し部によって採取できる電気エネルギーに変換するように構成される、請求項１２～１８のいずれか一項に記載の装置。
［請求項３０］
前記装置が前記電圧読み出し部に電気的に結合されたコンデンサをさらに備え、前記装置によって採取された前記エネルギーを前記コンデンサに蓄積することができる、請求項２９に記載の装置。
［請求項３１］
前記構成要素は、前記膜及び／又は前記基板に機械的に結合されたボックスポンプを含み、前記ボックスポンプは、第１の一方向流体流動弁及び第２の一方向流体流弁を含み、前記ボックスポンプは、前記膜の振動エネルギーを前記第１の一方向流体流動弁及び／又は前記第２の一方向流体流動弁を介して前記ボックスポンプを通る流体の流れに変換するように構成され、それにより前記膜の前記振動エネルギーを流体の流れに変換し、前記膜からエネルギーを採取する、請求項１２～１６のいずれか一項に記載の装置。
［請求項３２］
前記膜が、前記膜を横切るチャネルをさらに含む、請求項１２～１６のいずれか一項に記載の装置。
［請求項３３］
前記構成要素は、前記膜に機械的に結合されたラチェット式輸送体を含むことができ、前記ラチェット式輸送体は、前記膜の前記振動エネルギーを前記ラチェット式輸送体の平行移動に変換し、前記膜の振動時に前記チャネルを介して前記膜の一方側から他方側へ前記ラチェット式輸送体を輸送することができ、それによって前記膜の前記振動エネルギーを前記ラチェット式輸送体の平行移動エネルギーに変換し、前記膜からエネルギーを採取する、請求項３２に記載の装置。
［請求項３４］
請求項１～３３のいずれか一項に記載のエネルギー採取装置を使用してエネルギーを採取する方法。
［請求項３５］
請求項１～３３のいずれか一項に記載のエネルギー採取装置を作製する方法であって、前記方法は、
前記２次元材料のシートを圧縮して前記膜を形成することと、
前記基板上に前記膜を配置することと、
前記構成要素を前記膜及び／又は前記基板に電気的、磁気的、及び／又は機械的に結合することと
を含む、方法。
［請求項３６］
前記２次元材料の前記シートを圧縮することは、前記シートの端から端まで横方向の圧縮力を加えることを含み、前記横方向の圧縮力は、１ｎＮ～１００ｎＮの大きさを有する、請求項３５に記載の方法。
［請求項３７］
２次元材料の前記シートは元の長さを有し、前記２次元材料の前記圧縮されたシートは圧縮された長さを有し、前記圧縮された長さは前記元の長さより０．０１％～１％短い、請求項３５又は請求項３６に記載の方法。
［請求項３８］
センサであって、
基板上に配置された膜であって、
前記膜は２次元材料の１つ又は複数の波紋を含む、膜と、
前記膜及び／又は前記基板に電気的、磁気的、及び／又は機械的に結合された構成要素であって、前記膜から信号を検出するように構成される、構成要素と
を備える、センサ。
［請求項３９］
前記２次元材料は、グラフェン、ＭｏＳ ２ 、ＭｏＳｅ ２ 、ＷＳ ２ 、ＷＳｅ ２ 、ＲｅＳ ２ 、ＲｅＳｅ ２ 、又はそれらの組み合わせを含む、請求項３８に記載のセンサ。
［請求項４０］
前記２次元材料がグラフェンを含む、請求項３８又は請求項３９に記載のセンサ。
［請求項４１］
前記膜が、０．３ｎｍ～３．０ｎｍ、０．３ｎｍ～２．０ｎｍ、０．３ｎｍ～１．０ｎｍ、又は０．３ｎｍ～０．６ｎｍの平均厚さを有する、請求項３８～４０のいずれか一項に記載のセンサ。
［請求項４２］
前記膜が、０．１ミクロン～１００ミクロンの平均横方向寸法を有する、請求項３８～４１のいずれか一項に記載のセンサ。
［請求項４３］
前記膜が、０．０Ｎ／ｍ～１０．０Ｎ／ｍ、０．０Ｎ／ｍ～５．０Ｎ／ｍ、０．０Ｎ／ｍ～１．０Ｎ／ｍ、０．０～０．５Ｎ／ｍ、０．０～０．３Ｎ／ｍ、又は０．０３Ｎ／ｍ～０．１２Ｎ／ｍの張力を有する、請求項３８～４２のいずれか一項に記載のセンサ。
［請求項４４］
前記１つ又は複数の波紋は、１ｎｍ～１００ｎｍ、１ｎｍ～８０ｎｍ、５ｎｍ～５０ｎｍ、１０ｎｍ～４０ｎｍ、又は２０ｎｍ～３０ｎｍの平均長さを有する、請求項３８～４３のいずれか一項に記載のセンサ。
［請求項４５］
前記１つ又は複数の波紋は、０．１ｎｍ～２．０ｎｍ、０．１ｎｍ～１．０ｎｍ、０．２０ｎｍ～０．６０ｎｍ、０．３０ｎｍ～０．５０ｎｍ、又は０．３５ｎｍ～０．４５ｎｍの平均高さを有する、請求項３８～４４のいずれか一項に記載のセンサ。
［請求項４６］
前記基板が、銅、シリコン、サファイア、又はそれらの組み合わせを含む、請求項３８～４５のいずれか一項に記載のセンサ。
［請求項４７］
前記基板が、１つ又は複数の開口部を含むグリッドを備える、請求項３８～４６のいずれか一項に記載のセンサ。
［請求項４８］
前記基板が熱伝導性であり、前記膜が前記基板と熱接触している、請求項３８～４７のいずれか一項に記載のセンサ。
［請求項４９］
前記基板は、前記膜が振動エネルギーを有するように、熱エネルギーを前記膜の振動に変換するように構成され、前記構成要素は前記膜の前記振動エネルギーによって生成された信号を検出するように構成される、請求項４８に記載のセンサ。
［請求項５０］
前記熱エネルギーが周囲熱エネルギーを含む、請求項４９に記載のセンサ。
［請求項５１］
前記膜が振動エネルギーを有し、前記構成要素は前記膜の前記振動エネルギーによって生成された信号を検出するように構成される、請求項３８～５０のいずれか一項に記載のセンサ。
［請求項５２］
前記振動エネルギーが周囲振動エネルギーを含む、請求項５１に記載のセンサ。
［請求項５３］
前記振動エネルギーが、０．１ミリヘルツ～１０ギガヘルツの周波数を有する振動を含む、請求項４９～５２のいずれか一項に記載のセンサ。
［請求項５４］
前記構成要素が、前記膜及び／又は基板に電気的に結合された電極を備える、請求項４９～５３のいずれか一項に記載のセンサ。
［請求項５５］
前記センサが、前記膜の振動の周波数の変化に基づいて前記膜の質量の変化を検出するように構成されるように、前記電極は前記膜の前記振動エネルギーの周波数を検出するように構成される、請求項５４に記載のセンサ。
［請求項５６］
前記電極は前記膜からの電圧信号の大きさを検出するように構成され、それによって前記センサが前記膜から検出される前記信号の前記大きさの変化に基づいて前記膜の電荷の変化を検出するように構成される、請求項５４に記載のセンサ。
［請求項５７］
請求項３８～５６のいずれか一項に記載のセンサを作製する方法であって、前記方法は、
前記２次元材料のシートを圧縮して前記膜を形成することと、
前記基板上に前記膜を配置することと、
前記構成要素を前記膜及び／又は前記基板に電気的、磁気的、及び／又は機械的に結合することと
を含む、方法。
［請求項５８］
前記２次元材料の前記シートを圧縮することは、前記シートの端から端まで横方向の圧縮力を加えることを含み、前記横方向の圧縮力は、１ｎＮ～１００ｎＮの大きさを有する、請求項５７に記載の方法。
［請求項５９］
２次元材料の前記シートは元の長さを有し、前記２次元材料の前記圧縮されたシートは圧縮された長さを有し、前記圧縮された長さは前記元の長さより０．０１％～１％短い、請求項５７又は請求項５８に記載の方法。

Claims (15)

  1. 複数の開口部を有する基板上に配置された膜を備え、
    複数の前記開口部の各々は開口枠を有し、前記開口枠は当該開口枠内の前記膜の自立部分を支持し、
    前記膜は２次元（２Ｄ）材料を含み、熱エネルギーの存在下で電荷と振動を呈し、
    前記振動により前記膜が湾曲し、前記膜が波紋の網へと反転し、
    前記湾曲が或る周波数で反転し、前記膜を移動する電荷により交流電流が生じ、
    さらに、
    前記膜に接続され、前記交流電流を直流電流へ変換するダイオードブリッジ回路と、
    前記ダイオードブリッジ回路に接続され、前記直流電流により充電されるコンデンサと
    を備える電気エネルギー採取装置。
  2. 前記２次元材料は、グラフェン、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＲｅＳ２、ＲｅＳｅ２、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の装置。
  3. 前記２次元材料がグラフェンを含む、請求項１又は請求項２に記載の装置。
  4. 前記膜が、０．３ｎｍ～３．０ｎｍ、０．３ｎｍ～２．０ｎｍ、０．３ｎｍ～１．０ｎｍ、又は０．３ｎｍ～０．６ｎｍの平均厚さを有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記膜が、０．０～１０．０Ｎ／ｍ、０．０Ｎ／ｍ～５．０Ｎ／ｍ、０．０Ｎ／ｍ～１．０Ｎ／ｍ、０．０～０．５Ｎ／ｍ、０．０～０．３Ｎ／ｍ、又は０．０３Ｎ／ｍ～０．１２Ｎ／ｍの張力を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記１つ又は複数の波紋は、０．１ｎｍ～２．０ｎｍ、０．１ｎｍ～１．０ｎｍ、０．２０ｎｍ～０．６０ｎｍ、０．３０ｎｍ～０．５０ｎｍ、又は０．３５ｎｍ～０．４５ｎｍの平均高さを有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記基板が、銅、シリコン、炭化シリコン、サファイア、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記基板が熱伝導性であり、前記膜が前記基板と熱接触している、請求項１～７のいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記熱エネルギーが周囲熱エネルギーを含む、請求項１に記載の装置。
  10. 前記膜が振動エネルギーを有し、前記構成要素が、前記膜の振動エネルギーを電気的、磁気的、及び／又は機械的エネルギーに変換し、それによって前記膜からエネルギーを採取するように構成される、請求項１～９のいずれか一項に記載の装置。
  11. 前記振動エネルギーが周囲振動エネルギーを含む、請求項１０に記載の装置。
  12. 前記振動エネルギーが、０．１ミリヘルツ～１０ギガヘルツの周波数を有する振動を含む、請求項１０又は１１に記載の装置。
  13. 前記膜が複数の磁性粒子をさらに含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載の装置。
  14. 前記複数の磁性粒子が、鉄、酸化鉄、コバルト、酸化コバルト、ニオブ、マンガン、ニッケル、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１３に記載の装置。
  15. 前記複数の磁性粒子が、０．５ｎｍ～１０．０ｎｍ、０．５ｎｍ～８．０ｎｍ、０．５ｎｍ～５．０ｎｍ、０．５ｎｍ～２．５ｎｍ、又は１．０ｎｍ～２．０ｎｍの平均粒径を有する、請求項１３又は１４に記載の装置。
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