KR20020070269A

KR20020070269A - 고체 표면 촉매 반응기

Info

Publication number: KR20020070269A
Application number: KR1020027005133A
Authority: KR
Inventors: 주퍼로안토니씨; 기드와니자와하엠
Original assignee: 네오키즈멧 엘엘씨
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2002-09-05

Abstract

전기를 이용하여 촉매 표면(116)에서의 화학 반응을 촉진하는 방법 및 장치를 제공하고, 아울러 상기 화학 반응에서 방출된 에너지를 전기로 변환하는 역처리에 관한 것이다. 가역 에미터(102)는 전자들을 발생하고, 이 전자들은 촉매 표면(116)상의 반응물에 주입되어 화학 반응 진동성 공진을 여기시킨다. 반도체 접합(110)의 에미터 영역에서 생성된 핫 캐리어는 공동 위치된 콜렉터 영역 및 촉매 표면(116)으로 확산된다. 콜렉터 표면상에 접합된 촉매 클러스터 또는 막은 피흡수 반응물을 가진 촉매 표면(116)으로 또는 그 표면으로부터 핫 캐리어를 전송한다. 촉매 콜렉터(104)의 크기는 열 전자의 에너지 평균 자유 경로보다 작다. 열 전자들은 표면 격자로 열중성자화하기 전에 반응물 진동을 여기하여 반응을 가속화한다. 열 전자들은 또한 촉매 표면에서의 동일한 반응에 의해 발생된다. 본 발명의 방법 및 장치는 가역성이며 화학 반응을 이용하는 발생기로서 동작될 수 있다.

Description

고체 표면 촉매 반응기{SOLID STATE SURFACE CATALYSIS REACTOR}

표면 과학에 있어서 최근의 실험적 또는 이론적인 연구 개발은 어떻게 열 전자가 촉매 표면에 흡착된 분자 또는 원자의 진동에 필요한 가열을 가능하게 하는지를 보여준다. 열 전자의 에너지는 절대 온도 600°K 및 절대 온도 60,000°K 사이의 유효 온도를 갖는 전자로 정의된다. 여기에서 유효 온도는 0.05 와 약 5 eV 사이의 에너지와 등가인 에너지를 의미하고, 그것은 실온에서 열 에너지의 수 배에 해당한다. 절대 온도 300°K는 0.026 eV이다.

촉매 금속 표면에 확산된 열 전자는 피흡수체가라고도 하는 흡착된 표면 화합물과 강하게 상호 작용한다는 것을 발견하였다. 그리고, 그 상호 작용은 촉매 금속 원자의 격자에서 전자를 열중성자화하는 프로세스의 속도보다 빠르게 진행된다. 또한, 피흡수체가 촉매 표면의 열 전자와 상호 작용할 때 그 피흡수체는 진동 에너지를 얻게 된다는 사실도 발견하였다. 또한, 피흡수체 진동 에너지가 화학 반응의 속도를 크게 증가시키고 어떤 경우에는 활성화 에너지 또는 화학적인 열역학이 포함되기 때문에 열을 이용한 수단으로는 발생하기 어려운 반응을 일으킨다는 것도 알게 되었다. 열 전자는 촉매의 표면에서 피흡수체 화학 반응을 촉진한다. 이와 반대의 프로세스인 표면 화학 반응이 열 전자의 발생을 일으키는 프로세스에 대해서도 관찰하였다.

촉매의 표면에 열 전자가 존재하면 의사-열 상태(pseudo-thermal regime)를 일으키고, 그 의사-열 상태에서 피흡수체의 분자의 표면 진동은 그 자신에 대항하여 또는 촉매에 대항하여 기판 자체의 실제 온도가 아니라 기판의 열 전자의 온도와 평형을 이룬다. 이것은 촉매가 대기 온도 상태에 있을 때에도 진동이 수천도에 이를 수 있다는 것을 의미한다. 열 전자는 그 흡착 웰의 저면으로부터 단계적으로 피흡수체를 여기시키고, 그것이 흡착 장벽을 뛰어 넘어 이웃하는 포텐셜 웰로 호핑하여 반응하거나 탈착될 때까지 진행될 수 있다.

열 전자의 에너지 또는 주파수는 피흡수체의 그것과 정확하게 일치할 필요는 없다. 피흡수체 여기 구조는 일반적으로 매우 넓어서, 많은 주파수에 확산되어 있고, 그 메카니즘은 종종 전자 여기 상태를 경유한다. 즉, 피흡수체가 전자를 획득한 경우 그것은 여기 전자 상태로 전이한다. 수십 펨토세컨드 내에 그것은 표면으로부터 외부로 이동하기 시작하고, 그런 다음 전자를 방출한다. 피흡수체는 이제 비-전자 여기 상태로 역전이한다. 그러나, 그것은 열 전자에 의하여 그것에 주어진 잉여 에너지를 보유한다. 결과적으로, 피흡수체는 더 높은 여기 상태에 있게 된다. 프로세스에 있어서 수십 펨토세컨드의 수명은 넓은 밴드의 공진 특성을 일으키고, 그에 따라 열 전자와 받는 흡착 에너지 레벨 사이에 에너지 미스매치(mismatch)가일어날 가능성이 생긴다. 기판의 전자는 실제로 에너지를 피흡수체 반응물 분자에 있는 원자의 진동 또는 촉매 표면에 대항하여 피흡수체의 진동과 같은 피흡수체 반응물의 진동 모드로 디포지트한다. 이러한 프로세스는 피흡수체가 탈착하는 점에서 그것을 여러번 반복한다. 이것을 문자로 표현하면, "(다중) 전자 전이에 의하여 유도되는 탈착"이고, 줄여서 DIMET 또는 DIET라고도 한다. 이것은 자극 프로세스이다.

발생기 프로세스는 역으로 진행된다. 그 진동 모드 중 하나의 에너지를 갖는 피흡수체가 촉매로부터 냉전자(cold electron)를 끌어당기고 그것을 획득한다. 그것은 전이를 일으키고 전자가 부착된 피흡수체는 전자 여기 상태에서 하전된 피흡수체 종류가 된다. 수 펨토세컨드(femtosecond) 내에서 전자 여기 상태에 있는 이러한 종류의 피흡수체가 붕괴되어서 전자를 방출하게 된다. 이것은 더 낮은 에너지를 갖는 피흡수체 반응물을 그 진동 모드에 남기게 되고, 전자가 과잉의 운동 에너지를 갖게 한다. 그 효과는 촉매의 표면에서 활성적으로 여기된 반응물이 그 에너지의 일부를 촉매 내의 전자에 준다는 것이다. 이것이 발생기 프로세스이다.

이러한 발생기 또는 역 프로세스에 대하여 실험실에서 관찰하였다. 이러한 관찰에서 표면 반응기에 의하여 직접 발생하는 전자 플럭스를 측정하기 위하여 검출기로 단락 회로의 쇼트키 다이오드를 사용하였다. 실험실의 검출기는 단락 회로 다이오드에서 전류를 측정하였다. 그것은 검출기가 거의 정확하게 0인 전력을 발생한다는 것을 의미한다. 그러나, 검출기는 발생기 모드가 존재한다는 것을 확인하였다. 열 전자와 열 정공이 모두 검출되었고, 실리콘에서 쇼트키 장벽을 초과하는 에너지를 지니고 있으며 그 크기는 0.5 eV가 되었다.

촉매 표면에서 열 전자는 반응을 가속시키는 것을 보여준다. 진동적으로 여기되고 구리(Cu) 표면과 상호 작용하는 산화 질소(NO)를 사용한 실험은 표면 반응을 수천배 강화시키는 것을 보여준다. 장치의 반응이 발생하는 상한선에 대하여 관찰해 보았다. 이 작업에서, 반응물의 병진 운동 에너지나 표면 온도는 그 어느 것도 반응이 발생하는 가능성에 큰 영향을 주지 못하였다. 그로부터 열 전자를 사용하는 것의 효력을 확인할 수 있다.

다른 실험에서, 루테늄 표면에서 일산화탄소(CO)를 산화시켰다. 이 때, 열 전자에 1.5 eV, 110 펨토세컨드 동안 존속하는 레이저 펄스가 발생하였다. 일산화탄소(CO)에 산소(O)가 흡착되어 이산화탄소(CO₂)를 생성하는 반응이 서브-피코세컨드 동안에 발생한다는 것은 에너지적으로 볼 때 열 전자가 없으면 전혀 불가능하다는 것도 알아내었다. 이것은 만약 열에너지만을 사용한다면, 일산화탄소(CO)가 반응없이 탈착될 것이라는 것을 의미한다.

상기 피흡수체에 진동 에너지를 부여하는 열 전자의 효율은 100%에 다다를 수 있다. 구리 표면으로부터 거의 100%의 CO 탈리가 관측되었다. 또한, Cu와 No의 반응률에 있어서의 차수 3인 크기 증가가 관측되었다.

이로 인하여 금속 촉매 표면상에서 열 전자와 여기된 피흡수체간의 강력한 2개 경로의 에너지 전달이 이루어진다. 관측 결과에 따르면, 촉매 표면에 화학 흡착되거나 물리 흡착된 흡착 반응제의 여기체 구조를 당해 피흡수체에 근접하도록반도체 다이오드의 여기체 구조에 결합시키는 장치 및 방법이 얻어진다.

상기 반도체 다이오드의 여기체 구조는 가전자대의 홀(hole)과 전도대의 전자를 포함하는 다소 간단한 구조이다. 화학 반응성 피흡수체-촉매 시스템의 여기체 구조는 원자 및 분자 자체의 진동 및 기판에 대한 진동에 의해 지배되어 에너지 레벨 밴드, 및 이들 종류의 전자 여기 상태를 형성하며, 여기서 상기 피흡수체는 임시 전하 또는 영구 전하를 획득한다.

이들 구조의 결합은 주로 피흡수체와 반도체 사이에서의 열 전자 또는 열 정공과 같은 핫 캐리어의 직접적이고 전형적인 발리스틱(ballistic) 이송을 통한 것이거나, 에너지의 공진 터널링에 의한 2개의 경로에 의해 발생한다. 공진 터널링은 반도체 및 피흡수체-촉매 시스템에서의 여기 시스템에 의해 생성된 진동 전계를 통해 2개의 구조를 결합한다. 상기 결합은 양 측면에 대한 여기 주파수가 상호 근접할 때 크게 강화된다.

열 전자는 다루기에 가장 용이한 여기체이다. 금속 촉매 표면에 열 전자를 생성하고 주입시키기 위해 선택되는 현재의 방법은 펄스 레이저에 의존된다. 이들 열 전자를 생성하는 통상의 방법은 단파 레이저 펄스, 특히 펄스 주기가 50 내지 1000 펨토세컨드(femtosecond) 범위이고, 1 eV 이상의 광자 에너지(0.2 내지 1.5 미크론의 파장)를 갖는 펄스로 조사하는 것이다. 상기 광자들이 흡착되고 0 eV와 상기 광자 에너지 사이의 에너지를 갖는 전자들을 생성하고, 입사하는 광자 에너지의 대략 절반의 평균을 갖는 열 전자 및 열 정공으로 상기 에너지를 분산시킨다. 그러나, 레이저가 사용할 수 있는 것 중 가장 고가의 에너지원이다.

공진에 의해 결합되는 열 전자를 생성하기 위해 고체 상태의 금속-절연체-금속 접합을 사용하는 방법이 제안되어 왔다. 이러한 이론적 제안은 표면에서의 공진-보조식, 열 전자-유도식 펨토 화학적 처리를 생성한다. 촉매 페르미 레벨에 대한 에너지 및 금속-절연체 접합과 관련된 에너지는 표면 공진에 적절한 것으로 알려진 것보다 높다. 상기 이론을 이용한 실험 중 어떠한 실험도 알려지지 않았다. 프로세스의 가역성에 대한 어떠한 공지된 언급도 요구되지 않았다.

반도체에서의 핫 캐리어의 생성자인 펄스식 레이저로부터 유도된 광자에 의한 박막 금속 오버레이로의 주입 메커니즘으로서의 중성 반도체 기판의 사용도 학계에 제안되었다. 이것은 광자 수용체로 금속을 사용하는 것보다 기체 표면을 자극시키는 데에 보다 유용한 크기 차원의 촉매 반응일 수 있는 것으로 제안되었다. 광자에 의해 보다 효율적으로 열 전자를 생성하고, 이들을 촉매 표면에 주입시키기 위하여 반도체 기판, 금속 오버레이 및 촉매 장치를 사용하는 것이 제안되었다. 공정의 효율을 유용하게 하기 위해 필요한 중요한 세부 사항은 공정의 효율을 보장하기 위해 필요한 방식으로 개시되지 않았다. 쇼트키 접합, 오옴 접합 또는 반도체와 금속간의 대부분의 오옴 접합은 열 전자 또는 열 정공과 같은 핫 캐리어의 결합이 전기적으로 유효하도록 설계되어야 하며, 공진 터널링이 유효하도록 설계되어야 한다. 공진 터널링과 공진-보조 공정의 적절한 사용은 유요한 장치 및 방법에 있어서 중요한 부분일 수 있다.

열 전자 주입을 위한 실험에서 쇼트키 접합 다이오드가 해결책으로서 사용되어 왔다. 상기 연구의 공동 연구자 중 한 사람은 전해 냉각된 전자로 인한 표면 상태 때문에 그들이 원했던 결과를 달성하지 않았다고 하였다. 전자를 반응성 전해질 용액에 주입시키기 위해 n 실리콘과 백금 금속으로 구성된 촉매 전극 쇼트키 접합이 사용되었다. 백금의 두께는 평균 자유 경로 이하에서부터 백금에 있어서의 열 전자의 평균 자유 경로보다 수 배 이상의 두께까지 변화한다. 그들은 일부 성공을 거두었고, 열 전자와 전해질 사이에서의 상호 작용으로 인한 심각한 문제점에 직면하였다. 표면을 액체 전해질에 침지시키는 것은 열 전자의 효율성을 저하시킨다. 금속-산화물 접합 표면 상태는 상기 방법에 의해서는 해결되지 않는 문제였으며, 여기서 액체가 반응성 표면을 침지시킨다.

열 전자를 폴라리톤(polariton)으로서 포획하는 금속-액체 인터페이스에 축적되고, 그들을 여기 생성자로서 또는 즉각적 반응 자극원으로서 덜 유용하게 만드는 것은 다층 피흡수체 중 촉매 표면으로부터 이격된 외부 층인 것이 알려져 있다. 금속과 촉매 반응 표면 하에서의 반도체 기판의 효능은 중요한 요소이다. 반도체 다이오드는 중요한 요소이다.

모든 관측에는 펄스식 동작의 효과가 포함된다. 반응 자극 장치의 경우에 있어서, 열 전자를 발생시키는 펄스의 지속 기간은 격자에 의한 전자 열중성자화(electron thermalization)와 관련된 시간보다 짧다. 발생기의 경우에 있어서, 갑작스러운 화학 반응의 버스트(burst)에 의해 열 전자가 촉매 표면상으로 흐르게 한다. 또한, 갑작스러운 화학 반응의 버스트에 의해, 이들 열 전자가 쌓이는 반도체 기판의 전도대에 있어서 전자의 흐름을 발생시킨다. 충분히 짧은 버스트에 의해, 발생된 전자의 수가 열적으로 발생된 단락 전자를 초과하게 함으로써전기 발생의 효율을 증가시킨다.

공공의 영역(public domain)에 있어서, 공명 터널을 강화하거나, 선택된 에너지대의 활성화를 강화하거나, 소망하는 에너지 변환의 확률을 강화하거나 또는 선택된 반응 경로를 강화하기 위한 촉매 표면을 제작하는 방법은 없었다.

본 발명은 에너지 발생기에 관한 것으로서, 특히 반도체 기판의 여기체(excitation) 구조를 촉매의 표면 상에서 반응성 피흡수체의 여기체 구조와 결합시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 고체 표면 촉매 반응기 디바이스의 개략적인 단면도.

도 2는 본 발명의 일실시예의 촉매 콜렉터의 단면도.

도 3은 촉매 콜렉터를 형성하는 촉매 클러스터를 가진 반응 촉진 디바이스의 단면도.

도 4는 촉매 콜렉터의 일부분으로서의 촉매 클러스터용 기판 및 핫 캐리어 에미터용 전기 접속을 형성하는 얇은 전극을 가진 고체 표면 촉매 반응기의 단면도.

도 5는 촉매 금속 주위 또는 인접부에 반응 가속제/감속제 물질을 가진 고체 표면 촉매 반응기의 단면도.

도 6은 에미터에 대한 전기적 접속부, 촉매 콜렉터의 하부층인 동시에 쇼트키 다이오드의 금속 요소를 형성하는 단일 금속 요소를 가진 고체 표면 촉매 반응기의 단면도.

도 7은 고체 표면 촉매 반응기에 대한 전자 에너지 레벨 다이아그램을 보여주며, n+ n형 베이스로부터 피흡수체까지의 영역을 설명하는 도면.

본 발명은 반도체 기판의 여기체 구조를 촉매 표면의 반응성 피흡수체의 여기체 구조에 결합시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 바람직하게는 이 결합은 가역적이다. 가역 반응기는 반도체 기판에서 발생하는 여기를 이용하여 촉매 표면의 피흡수체종에 의해 화학 반응을 촉진시키고, 역공정을 이용하여 상기 기판에 반응 결과로서 여기를 생성한다. 촉진기 모드에서 동작할 때 본 방법 및 장치는 반응 경로를 조정하기 위해 반도체 기판으로 전기 및 다른 형태의 에너지 입력을 사용하여, 반응을 가속화하고, 반응을 조절하며, 반응에 의해 생성되는 에너지의 형태를 조정하며, 표면 촉매 반응을 촉진하는 데 필요한 온도를 감소시킨다. 발생기 모드에서는 동작할 때, 본 장치는 피흡수체-촉매 시스템의 여기 에너지를 반도체 기판에서 전기 또는 다른 형태의 에너지로 변환한다. 촉진자-발생기 모드에서 동작할 때, 반응을 조정하기 위해 전기 및 다른 형태의 에너지를 사용할 수 있고 동시에 피흡수체-촉매 시스템 화학 반응 에너지로부터 전기 및 다른 형태의 에너지를 생성할 수 있다.

본 발명에서, 전기 또는 다른 형태의 에너지는 핫 캐리어와 같은 여기 에너지를 생성하여 촉매 표면의 피흡수체로 분사하고, 피흡수체-표면 촉매 반응을 촉진하기 위해 사용된다. 이 과정의 가역성으로 인해, 하나 및 동일한 타입의 장치들이 표면 화학 반응으로부터 생성되는 여기체를 수집하고, 이것을 전기 또는 다른 형태의 에너지로 변환하는 데 관련될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 본 발명은 반응 촉진을 위해 전자식으로 활성화되는 반도체 다이오드를 신규한 방식으로 사용한다. 예를 들면, 일실시예에서 본 발명은 핫 캐리어의 생성원 및 분사 메커니즘으로서 p-n 접합을 사용하여, 이들을 촉매 물질의 얇은 금속 상부층 구조 및 촉매 표면의 피흡수체로 결합한다. 동일한 실시예가 반도체 다이오드에서 핫 캐리어를 수집하기 위해 동일한 p-n 접합을 사용하여, 이 접합에 순방향 바이어스를 가하고 전기를 생성할 수 있다.

본 발명은 촉매 콜렉터로 알려진 촉매 조화(ensemble) 에너지 콜렉터와 근접하여 배치되는 여기 에미터로도 알려진 핫 캐리어 에미터를 구비한다. 여기 에미터는 반도체 다이오드를 포함한다.

장치가 촉진기 모드에서 동작할 때, 반도체 다이오드로의 전기적 또는 다른 형태의 입력이 반도체 다이오드를 과잉 홀 또는 전자와 같은 여기체를 생성하게 하고, 결과적이 핫 캐리어와 공명성 결합 여기 에너지가 촉매-피흡수체 시스템의 여기체 구조에 결합하여 흡수되며, 이에 따라 피흡수체의 화학 반응을 촉진시킨다.

장치가 발생기 모드에서 동작할 때, 촉매-피흡수체 시스템에서 발생한 여기 에너지는 반도체 밴드 여기에 결합하는데, 이것은 반도체에 통상 순방향 바이어스를 발생시켜 전기 또는 유용한 다른 형태의 에너지를 생성한다.

반도체 다이오드는 에미터, 다오오드 접합 및 반도체 베이스를 구비하고 있다. 이 다이오드가 p-n 접합 다이오드일 때 촉매 콜렉터와 근접해 있는 에미터는 반도체를 포함하고, 다이오드가 쇼트키 다이오드일 때 이 에미터는 금속을 포함하고 있다. 접합부는 에미터와 베이스 사이의 접촉 영역이다. 또한, 에미터는 전기적 접촉부를 구비하고 있다. 핫 캐리어(반도체 여기체)가 전자일 경우, 베이스는 n형 반도체를 포함하고, 에미터는 p형 반도체 또는 금속을 포함한다. 핫 캐리어가 홀일 경우, 베이스는 p형 반도체를 포함하고 에미터는 n형 반도체 또는 금속을 포함한다. 베이스 또한 전기적 접촉부를 구비하고 있다.

촉매 콜렉터는 에미터와 근접하여 배치되고, 촉매, 선택적인 하부층 및 선택적인 반응 가속제/감속제 물질을 포함하고 있다. 촉매 콜렉터의 요소는 하나일 수 있고 에미터의 요소들과 같을 수도 있다. 촉매 표면 및 선택적 반응 가속제/감속제 물질은 반응 약품과 밀접하게 접촉하고 있다.

본 발명을 사용하는 다양한 디바이스 영역은 다양하고 상이한 촉매 콜렉터, 핫 캐리어 에미터 및 다양한 모드의 에너지 결합을 포함할 수 있고, 발리스틱(ballistic) 이송 및 공명 터널링을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 특징 및 장점 뿐만 아니라 본 발명의 다양한 실시예의 구조 및 동작이 이하 도면을 참조하여 상세히 기술된다. 도면에서 유사한 참조 번호는 동일 또는 기능상 유사한 요소를 지시한다.

본 발명의 바람직한 실시예에는 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.

본 발명의 실시예는 전자를 핫 캐리어로서 사용하며 반도체 다이오드로서 p-n 접합 다이오드를 사용한다. 베이스는 n형 반도체이고 에미터는 p형 반도체이다. p-n 접합 다이오드 상의 순방향 바이어스는 소수 캐리어 전자들을 p형 에미터의 전도대으로 주입하여 거기서 전자들은 소수 캐리어가 된다. 소수 캐리어들은 촉매 콜렉터로 확산하고 이동하며, 또한 p형 반도체 내에서 소수 캐리어의 확산 길이의 수 배보다도 접합으로부터 촉매 콜렉터까지의 길이가 작다면 피흡수체-촉매 시스템의 여기체 구조 내로 공진 결합될 수 있을 것이다. 예를 들어, InSb, InAs, 또는 InGaAsSb의 몇몇 합금들이 반도체일 때, 확산 길이는 약 100나노미터에서 수 미크론에 이를 수 있다.

본 발명에 의하면, 소수 캐리어 전자들은 주입되어 촉매 콜렉터의 페르미 준위를 초과하는 에너지를 가지고 촉매 콜렉터 내로 공진 결합된다. 이 초과 에너지는 거의 단일-에너지(mono-energetic)의 형태이고 다이오드의 순방향 바이어스와 거의 같은 값이다. 반도체가 p-n 접합 다이오드라면, 소수 캐리어 에너지는 반도체의 밴드 갭 에너지인 약 수 kT(kT=열 에너지, 0.026eV)의 범위 내일 것이다. 반도체 다이오드가 쇼트키 접합일 때, 캐리어 에너지는 쇼트키 장벽을 넘는 데 필요한 에너지인 약 수 kT의 범위 내에 있을 수 있다. 순방향 바이어스 에너지를 갖는 전자들은 열 전자(hot electron)라고도 하며, 만일 예를 들어 p형 반도체로부터 반응물들과 접하는 표면까지의 거리가 촉매 콜렉터 내의 전자들의 에너지 평균 자유 경로의 수 배 보다 작다면, 반응물들과 면해 있고 깊게 접촉하고 있는 촉매의 표면으로 신속하게 침투할 수 있다.

촉매가 백금, 파라듐, 로듐(rhodium) 또는 루세늄(ruthenium) 등의 금속일 때, 에너지 평균 자유 경로는 5 에서 50 나노미터 사이에 걸쳐 있다. 하부층이 구리 또는 금일 때 에너지 평균 자유 경로는 50 에서 200 나노미터 사이에 걸쳐 있다.

촉매 콜렉터로부터 다이오드 접합까지의 거리가 에미터 반도체의 확산 거리 및 촉매와 하부 층의 에너지 평균 자유 경로 범위 내에 있다면, 반응물인 화합물들과 상호작용하는 열 전자의 플럭스(flux)는 다이오드 순방향 전류의 그것과 거의 같다. 열 전자들은 피흡수체들과 강하게 상호작용한다.

본 발명의 다른 측면은 낮은 장벽 높이를 가지도록 디자인되고, 터널링 접합으로도 부르는 쇼트키 다이오드를 사용한다. 이러한 소자는 금속과 쇼트키 접합 사이의 도핑이, 거의 오믹 접합을 만들기 위해서 사용하는 높은 도핑--통상 반도체의 전기적 컨택을 만들기 위한--과 보통의 쇼트키 다이오드를 만들기 위해서 사용되는 중간 도핑의 사이가 되도록 선택하여 구성된다. 도핑은 공핍 영역의 폭을 제어하며 그리하여 쇼트키 장벽의 세기를 제어한다. 도핑의 값은 응용에 따라 디제너레이트(degenerate) 또는 높은 도핑, 그리고 통상의 또는 적당한 도핑의 사이에서 선택된다.

반도체가 실리콘이고 금속이 촉매 콜렉터와 관련된 임의의 금속일 때, 도핑은 0.1eV 정도의 유효한 값으로 조정될 수 있다. 실리콘의 높은 도핑은 유효하게는 0.0eV 장벽을 초래할 수 있고 보통의 도핑은 통상 0.5에서 1.5eV 사이의 장벽을 초래할 수 있다. 이러한 터널링 접합 쇼트키 다이오드는 실리콘과 같은 통상의 반도체 물질들의 사용을 허용한다. 이러한 다이오드의 사용은 반응들이 펄스(pulse)되는 발생기 모드에서의 사용에 적합하다.

본 발명의 쇼트키 접합 실시 형태나 p-n 접합 다이오드 실시 형태의 어느 쪽에서 제공되는 방법 또는 장치들에 의해, 반도체 다이오드는 핫 캐리어들을 주입하고 캐리어들을 촉매 콜렉터의 표면 상의 피흡수체들로 다이오드 순방향 바이어스 전압의 에너지와 거의 동일한 에너지로 공진 결합시킨다. 본 발명에서 제공되는 방법 및 장치에 의하여, 주입된 전자들의 에너지는 사용자에 의해 선택되어 반응을 조절하고 선택된 모드들 또는 경로들--열적 과정들로 접근할 수 없는 반응 경로들을 포함함-- 내로 반응을 구동시킬 수 있다.

본 발명의 다른 한 신규의 측면은 본 발명의 가역적 특성이다. 예를 들어, 촉진 과정의 역은 촉매 콜렉터 상에서 반응하는 피흡수체들과 반도체 다이오드 내로의 에너지의 공진 결합에 의해 생성되는 전자들의 수집이며, 전도대 전자들 또는 가전자대 홀들 등의 캐리어들을 만들어낸다. 촉매 콜렉터는 핫 캐리어 에미터에 의하여 생성되는 열 전자들의 콜렉터 대신에 피흡수체의 화학적 반응 에너지에 의해 생성되는 열 전자들의 콜렉터와 같이 작용한다. 촉매 콜렉터는 반도체에서 피흡수체로의 대신에 피흡수체로부터 반도체로 여기들을 결합한다. 핫 캐리어 에미터는 다이오드 접합으로부터의 대신에 촉매 콜렉터로부터 그것의 열 전자들을 얻는다. 열 전자 에미터는 피흡수체-촉매 시스템의 여기체 구조로부터 에너지의 공진 결합에 의해 그것의 전자들을 생성할 것이다. 열 전자들은 다이오드 접합으로 가서 베이스로부터 다이오드 접합을 벗어나는 대신에 베이스로 향한다. 이렇게 하여, 열 전자들은 다이오드 상에서 순방향 바이어스를 유지하여 전기를 생성한다. 본 발명의 이러한 가역적 본성은 소자가 화학적 반응의 직접적 결과로서 전기를 생성하도록 허용한다. 이것이 발생기 모드이다.

이와 동일한 소자가 동시에 스티뮬레이터(stimulator) 및 발생기 모드에서동시에 작동할 수 있고 그리하여 발생기 모드에서만 동작하는 것보다 전기를 더 효율적으로 생성할 수 있다. 이러한 방식으로 작동할 때, 스티뮬레이터 장치는 전기 또는 다른 형태의 에너지를 반도체 다이오드에 인가하여 피흡수체 반응을 트리거 또는 촉진한다. 이것은 반응을 개시하고 반응이 짧은 시간--예를 들어, 피코초의 오더에서--에 종료하도록 할 수 있다. 반응의 폭발은 화학적 반응의 높은 피크 전력의 폭발을 초래하고, 전자의 부수적인 방출을 야기한다. 결과적인 전자의 범람은 수집되어 그에 의하여 전기를 생성한다. 결과적으로 전자들은 화학적 반응을 더 촉진하고 폭발 또는 디토네이션(detonation)과 같은 연쇄 반응을 개시시킨다. 이 결과는 표면 폭발의 형태이다. 전자들은 반도체 다이오드에서 더 효과적으로 전기를 일으킨다. 다이오드의 전기 생성 효율은 피크 전력의 강한 함수이고, 스티뮬레이터는 반응이 이러한 높은 전력을 얻는 조건을 생성할 것이다.

소자가 스티뮬레이터 모드에서 작동할 때, 에너지는 발생기 모드에서 고체 표면을 촉매 반응기로 작동시킴에 의하는 것을 포함하는 임의의 방식으로 수집될 수 있다. 에너지 수집의 다른 모드들은 촉진된 반응으로부터 발산되는 방사선을 수집하는 것, 또는 열을 수집하는 것, 또는 반응 생성물 자체를 수집하는 것, 또는 그들이 흡수한 생성물의 역학적 에너지를 포획하는 것, 또는 포논(phonon)을 수집하는 것, 또는 결부된 음향 또는 광학적 방사를 수집하는 것, 또는 압전 소자를 촉진하는 것 등을 포함하며 그에 한정되지 않는다.

소자가 발생기 모드에서 작동될 때, 촉진은 발생기 모드에서 고체 표면을 촉매 반응기로 작동시키는 것을 포함하여 임의의 방식으로 이루어 질 수 있다. 촉진의 다른 모드는 펄스형 레이저 광, 단순 광 플래시, 또는 에너지 출력이 반응을 촉진하는 핫 캐리어들 및 다른 촉매 생성물들을 포함할 수 있는 다른 반응들에 의하여 소자의 다른 영역에서 생성된 핫 캐리어들을 사용하는 것을 포함하며 그에 한정되지 않는다.

본 발명의 p-n 접합 다이오드와 함께, 약 0.05eV에서 시작하여 5eV 까지의 밴드 갭을 가지는 반도체들이 상온 열 싱크 작동으로 사용될 수 있고, 0.05eV 미만의 밴드 갭이 시스템이 상온 보다 낮은 온도에서 작동할 경우 사용될 수 있다. 이것은 더 높은 밴드 갭을 가지는 재료를 사용하는 것--예를 들어 12eV 의 CaF2와 같은 절연체, 또는 더 높은 밴드 갭을 가지는 다른 임의의 재료--을 배제하지는 않는다. 특히, 통상 사용되는 InSb 및 InGaAsSb 재료들은 In/Ga 비 및 As/Sb 비의 적절한 선택에 의하여 0.1 에서 1.5eV의 영역 내에서 연속적으로 선택 가능한 밴드 갭을 갖는다. 결과적으로 밴드 갭의 범위는 탄화수소 화학적 본드와 관련된 에너지들의 범위 내에서 정밀하게 놓이게 된다. InSb 재료는 0.18eV의 전자들을 생성하는데, 더 높은 에너지의 전자들은 원치 않는 큰 비율의 탈착--표면 반응과 반대인--을 촉진할 수 있기 때문에, 이것은 바람직한 반응 촉진 vs 탈착을 위해 이상적이다.

본 발명의 p-n 접합 실시 형태는 그것의 에너지 레벨이 피흡수체의 여기된 상태 에너지 레벨들과 매칭하는 기판을 제공한다. 이 매우 강화된 공진은, 양 방향에서, 즉 피흡수체로 향하여 그리고 피흡수체로부터 전이한다. 촉매 콜렉터의 금속들은, 예를 들어, 플라즈몬들을 통하여, 피흡수체와 반도체 기판들사이에서 공진터넬링 결합을 제공한다. 공진 터넬링 결합은 유효하게는 기판의 에너지대 갭 구조를 피흡수체의 에너지대 구조와 연결한다. 촉매 콜렉터와 반도체 사이의 오믹 또는 거의 오믹 접합은 유효하게는 반도체의 가전자대으로 촉매 콜렉터의 페르미 준위를 고정한다. 반도체의 전도대은 반도체의 밴드 갭과 거의 같은 양만큼 반도체의 가전자대보다 높고, 동일한 양, 즉 밴드 갭 에너지만큼 촉매 콜렉터의 페르미 준위 위에 나타난다. 밴드 갭이 0.05에서 5eV 사이에서 선택될 수 있기 때문에 밴드 갭 에너지는 거의 촉매 콜렉터와 피흡수체를 가지는 시스템의 어떠한 에너지 레벨과도 매칭되도록 만들어질 수 있다. 촉매 콜렉터 상의 피흡수체의 에너지 레벨에 반도체의 밴드 갭이 매칭하도록 선택하여, 이들 둘을 잘 알려진 통상 사용되는 공진 터널링의 과정을 통하여 결합시킬 수 있다. 공진 터널링은 에너지 전달을 위한 단면적(cross section)을 크게 증가시킨다.

이것은 상기 피흡수체의 선택된 에너지 레벨이 상기 반도체에서 유입되는 핫 캐리어에 의해 공진 형태로 활성될 수 있으므로, 자극기 모드(stimulator mode)에서 반응을 조절하는 데 유용하다. 이것은 피흡수체의 여기된 진동 상태가 공진 형태로 상기 반도체에 결합될 수 있으므로 생성자 모드에서 유용하게 사용될 수 있다. 이것은 상대적으로 작은 자극자 에너지를 이용하여 피흡수체 반응을 트리거 및 초기화할 수 있고, 그 다음에 상기 반응은 상기 반응물에 노출된 표면 촉매 콜렉터 상의 익스플로젼(explosion) 또는 데토네이션(detonation)과 유사한 방식으로 확산될 수 있으므로, 자극기-발생기 모드에서 유용하게 사용될 수 있다. 그 다음에, 상기 핫 캐리어는 열을 생성하여 에너지를 방출하는 것 보다 빠른 속도로 전기를 생성할수 있다.

일 실시예에서, 핫 캐리어 에미터는 고불순물의 또는 높게 도핑된 p-n 접합을 이용하여 제조된다. 본 실시예에서, 스위칭 속도는 높은 캐리어 농도를 갖고, 고농도 도핑된 반도체는 쇼트키 다이오드와 유사하게 어브럽트(abrupt) 접합을 형성할 수 있으므로, 쇼트키 접합의 스위칭 속도에 근접할 수 있다. 높은 스위칭 속도는 자극자를 진동시키고 높은 첨두 전력 반응을 일으키는 능력을 향상시킨다. 그 다음에, 상기 p-n 접합은 낮은 에너지의 핫 캐리어를 제공하는데, 상기 에너지는 0.05eV 정도로서, 0.4eV 보다는 낮아야 하며, 이는 선택된 밴드 갭에 의해 결정된다. p-n 접합은 상기 반도체의 밴드 갭과 동일한(공지의 소자는 5eV를 초과함) 고에너지의 단색광 핫 캐리어를 제공한다. p-n 접합은 쇼트키 접합의 확산 거리 보다 긴 확산 거리를 갖는데, 그 확산 거리는 200 ㎚와 수 ㎛ 사이이며, 핫 캐리어는 그 거리에서 이동하고 표면 촉매와 반응할 수 있다. 이로써, 반도체 소자를 훨씬 크게 제조할 수 있게 된다. 더욱이, 고농도 도핑된 반도체 접합은 거의 저항성 접합을 나타내어 상기 표면 상태의 문제점을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 신규한 다른 양상은 전기 구동식 반응 자극기와, 그 반대인 반응 구동식 전기 발생기 모두가 공존하는 것이다. 자극은 높은 속도의 반응을 유도하여 에너지 발생기를 보다 효과적으로 만드는 높은 첨두 전력을 초래한다.

다른 신규한 양상에서, 본 발명으로 인하여 상기 소자는 자극기 또는 발생기 모두의 역할을 할 수 있다. 결합형 반응 자극의 사용은 1)촉매 반응을 제어하는 단계, 2)발생된 전기 신호를 사용하여 상기 반응을 모니터링하는 단계, 3)바람직하지않은 낮은 반응 속도를 갖지만 매우 바람직한 선택도를 갖는 촉매의 반응을 가속하는 단계, 4)반응 경로의 비열적 조정(non thermal steering)을 야기하는 단계, 5)낮은 평균 전력을 유지하면서 높은 첨두 전력을 실현하기 위해 매우 빠른 표면 연쇄 반응을 자극하는 단계, 6)촉매의 물리적 온도를 훨씬 초과하는 촉매 내의 핫 캐리어의 온도와 유사한 화학 반응 온도를 야기하는 단계, 7)자극기-발생기 모드에서, 소자를 진동시켜 전기를 발생시키는 자극기의 한 유형과 소자의 자체 클리닝(cleaning), 예컨대 사용함에 따라 생성되고 축적될 수 있는 원하지 않는 화학적 부산물을 제거하는 다른 유형을 이용하는 단계, 8)화학 반응이 스스로 핫 캐리어를 생성하고, 이 핫 캐리어를 반대 방향으로 확산시키는 애벌런치(avalanche) 반응을 야기시켜, 상기 소자를 전기적 발생기로 야기하는 단계를 포함한다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 선택된 촉매 표면 상의 전기 에너지 입력을 사용하여 화학 반응을 자극 및 조절하고, 역반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 방법 및 장치의 다양한 양상에 관한 것이다.

예컨대, 본 발명은 핫 캐리어, 특히 고에너지 전자(hot electron)를 생성하고, 이들을 전송하여 촉매 표면 상의 반응 피흡수체과 결합시킴으로써, 이 피흡수체가 촉매 표면의 온도를 초과하는 효과적인 진동 온도를 얻을 수 있는 소자를 제작하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 진동 에너지 및 온도 양자는 상호 교환하여 사용된다. 에너지는 볼츠만 상수 및 절대 온도의 곱이다. 그 다음에, 상기 효과적인 진동 온도는 상기 촉매의 반응 속도를 가속한다. 온자 및 분자 피흡수체의 여기된 진동 상태가 바닥 상태의 피흡수체 보다 잘 반응하는 크기의 순서대로 존재하는것 발견된다. 본 발명의 방법 및 장치는 피흡수체의 열 에너지 또는 온도를 크게 증가시키는 일없이 전기적 자극을 이용하여 피흡수체의 진동 에너지 또는 온도를 증가시킨다.

다른 양상에서, 본 발명은 상기 과정을 역행하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 전술한 화학 반응에 의해 생성된 여기 에너지, 전자 또는 홀이 반대로 반도체 기판 및 전기와 결합된다.

따라서, 본 발명의 한 양상은 전기를 사용하여 핫 캐리어 에미터 내에 있는 에너지를 갖는 캐리어, 특히 고에너지 전자를 생성하고, 이들 캐리어를 촉매 콜렉터에 효과적으로 주입하는 방법 및 소자에 관한 것이다. 반응 자극시, 상기 촉매 또는 기판 온도가 상승될 필요는 없는 것이 바람직하다.

다른 양상에서, 본 발명은 촉매 표면 상의 반응에 의해 생성된 에너지를 갖는 캐리어, 특히 고에너지 전자를 효과적으로 수집하여, 에미터-베이스 접합을 통해 순방향 바이어스의 다이오드를 충전시켜 전기를 발생시키는 반응 자극기-발생기에 대한 방법 및 장치에 관한 것이다.

다른 양상에서, 본 발명은 원하는 유형의 표면 화학 반응을 선택적으로 적합하게 하는데 필요한 에너지의 범위로 핫 캐리어 또는 고에너지 전자를 주입시키는 반응 자극기에 관한 것이다. 반응 자극기는 설계상 간단하고, 구조상 조야하며, 제조상 경제적인 것이 바람직하다.

다른 양상에서, 본 발명은 가역적인 반응 자극기에 관한 것으로서, 핫 캐리어의 확산은 어느 한쪽 방향으로도 진행할 수 있다. 즉 화학 피흡수체 반응에서 핫캐리어 에미터 방향으로 진행하여 전기를 발생하거나, 핫 캐리어 에미터에서 화학 피흡수체 방향으로 진행함으로써 전기를 사용하여 반응을 자극할 수 있다.

다른 양상에서, 본 발명은 반응물의 증발열을 반도체 접합의 동작용 냉각제로서 사용한다.

따라서, 반응물을 자극하는 방법은 전기 에너지를 사용하여 반도체 다이오드를 순방향으로 바이어스시키는 단계를 포함한다. 여기서, 반도체 다이오드의 전기 접촉에 걸리는 전위는 다이오드 접합 밖으로 확산하는 고에너지 전자와 같은 핫 캐리어를 생성하며, 촉매 콜렉터를 통하여 화학 피흡수체로 전송된다. 이로써, 상기 피흡수체을 자극하여 반응하게 한다.

따라서, 전기를 발생시키는 방법에는 화학 피흡수체 반응 에너지를 사용하여 촉매 콜렉터내에 핫 캐리어를 생성하는 단계와, 이 핫 캐리어를 전송하여 반도체 다이오드의 접합과 결합시키는 단계와, 상기 다이오드가 순방향 바이어스 상태가 되도록 야기시켜 전기를 발생시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 방법은 고에너지 전자와 같은 에너지를 갖는 캐리어를 다이오드 접합으로/으로부터 상기 촉매 콜렉터로 전송하는 캐리어 확산 공정을 이용하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 방법은 에미터에서 제공되는 핫 캐리어를 수집하여 이를 촉매 표면 상의 화학 피흡수체 또는 임의의 반응 가속기-저속기 재료로 전송하여 결합시키거나, 또는 그 반대로 촉매 또는 임의 반응 가속기-저속기 재료 상의 화학 피흡수체에 제공되는 핫 캐리어를 수집하고, 이를 에미터로 전송하여 결합시키는 촉매 콜렉터를 이용하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 방법은 또한 금속 클러스터들(metal layers), 층들(layers), 원자가 일정한 단일층들(atomically uniform monolayers), 표면 구조, 결정 층들, 또는 양자 도트(quantom dots), 양자 스태디엄(quantom stadia), 양자 코랄(quantum corrals), 및 양자 웰(quantom wells)과 같은 1차원, 2차원, 또는 3차원의 양자 제한 구조를 촉매 콜렉터를 포함하는 물질로부터 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 방법은 이러한 층들과 양자 제한 구조를 이용하여 물질의 홀 상태와 전자의 밀도를 맞추는(tailor) 단계를 포함하는데, 이로 인해 차례로 핫 캐리어와의 반응 또는 핫 캐리어의 생성에 유리한 상태가 된다. 이러한 상태에는 기판의 밴드 갭의 전이 에너지보다 낮은 전이 에너지 값을 가진 흡착 기판 시스템의 진동 에너지의 감쇠에 이용할 수 있는 전자 수의 공핍이 포함된다.

본 발명은 상태의 맞춰진 전자 밀도와 맞춰진 에너지 감쇠 모드를 가진 표면 촉매 리액터를 포함한다. 예를 들어, 상태의 전자 밀도는, 주문되거나, 전자 반사적이거나, 홀 반사적인 물질 구조를 반응물에 노출된 촉매 콜렉터 표면 상에 형성함으로써 변경될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 원하는 에너지 분포를 가진 전자-홀 쌍을 형성하는 확률을 향상시키고, 흡착 기판 시스템의 진동 상태의 공진 터널 결합(resonant tunneling coupling)의 유도(stimulation)를 향상시키기 위하여, 촉매 콜렉터의 페르미(Fermi) 표면 근처로 상태의 캐리어 밀도를 맞추는 단계를 포함한다. 이러한 단계는 박막 전자 간섭계의 핫 전자 파브리 페로 모드를 형성하여 맞추는 단계를포함한다.

상태의 전자 밀도는, 촉매 및 구조를 형성하는 다른 기판 물질을 사용하여 전자 간섭계 구조를 형성하여, 스텝(steps), 채널(channels), 스태디엄(stadia), 코랄(corrals), 피라미드(pyramids), 폴리곤(polygons), 밸리(vallys), 월(walls), 주기 반사체(periodic reflectors), 무질서 반사체(chaotic reflectors)를 포함하는(이에 한정되는 것은 아님) 다수의 전자 경로 반사(path reflections of electrons)를 초래함으로써, 변경될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 촉매 콜렉터의 일부로서 선택적인 반응 가속-감속 물질의 조합과 상이한 촉매 물질의 조합을 사용하여 이러한 물질들을 필러(pillars), 아일랜드(islands), 클러스터(clusters), 인터디지털(interdigital), 랜덤(random) 구조와 스트라이프를 포함하는(이에 한정되는 것은 아님) 임의의 형상으로 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 방법은 또한 피흡수체의 반응을 지연 또는 방해하는 최적 가속-감속 물질과 촉매를 선택하는 단계를 포함할 수 있는데, 그 결과, 유도 모드의 사용이 반응 속도를 더 잘 조절할 수 있다. 이러한 물질은 촉매 자체의 일부가 될 수도 있고, 촉매에 인접한 것일 수 있고, 연료-산화제 혼합물에 의해 운반(carry)되는 소모제(expendables)일 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 또한 원하는 핫 캐리어 에너지의 디바이(Debye) 주파수보다 낮은 디바이 주파수를 가진 촉매 물질을 선택하는 단계를 포함할 수 있는데, 이는 핫 전자가 촉매의 포논 진동보다 피흡수체와 상호작용할 확률을 높여준다.

본 장치의 형상은 사용자가 특정한 윤곽에 맞출 수 있는데, 그 이유는 기본 형상이 반도체의 치수에 의해 두께가 제한되고, 부품을 절단하거나 부품을 형성하는 능력에 의해 길이와 폭이 제한되는 소자들에 의해 결정되기 때문인데, 이러한 제한은 부품의 크기를 10 마이크론보다 작게 한다. 이는 장치가 육안으로 보이는 임의의 형상에 가깝게 윤곽을 형성하도록 한다.

본 발명에 따른 방법은 펄스 유도(pulsed stimulation)를 사용하는 단계를 포함한다. 펄스 동작은 반응을 높은 피크 전력에서 짧게 지속되도록 유도한다. 이는 반응이 완료된 이후에 장치가 장기간의 제로 유도 동안 상대적으로 차갑게 유지되도록 하고, 상대적으로 짧은 펄스 유도 기간 동안 고온과 높은 피크 전력에서 반응이 일어나도록 할 수 있다. 펄스(pulsing)는 열 공정이 반응을 일으키도록 하기 전에, 반응이 일어날 수 있도록 한다. 펄스는 반응물이 반응 기체 혼합물에 의해, 즉, 기체 동적 수단(gas kinetic means)을 통해 보충될 수 있는 시간보다 짧은 시간에 반응물이 완전히 공핍될 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 방법은 또한 촉매 컬레터의 일부로서 선택적인 하층 물질(underlayer meterial)을 사용하는 단계를 포함한다. 하층은 구리, 금, 은, 또는 알루미늄과 같은 금속일 수 있고, 핫 캐리어 에미터의 반도체 부품의 원하는 특성을 얻는 것과 양립할 수 있도록 선택된다. 한가지 원하는 특성은 저항 또는 대략 저항의 접합이다. 하층은 핫 캐리어 에미터의 전기 접속으로 사용될 수 있고, 촉매 콜렉터에의 전기 접속으로서 사용될 수 있다. 하층은 촉매 구조를 만들기 위하여, 더 많은 하층 또는 물질의 결정 오리엔테이션(crystal orientations)과 특정한 구조가 촉매 콜렉터의 일부로서 축적되는 기판으로서 사용되거나, 하층에 축적된 물질의 격자 상수(lattice constant)를 맞추기 위하여 사용된다.

본 발명에 따른 방법은 하층의 두께를 장치에 대하여 선택된 핫 캐리어의 여러 에너지 평균 자유 경로(energy mean free paths)보다 작도록 제한하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 하층 금속이 백금, 니켈, 팔라듐, 로듐, 레늄, 구리, 금, 은, 또는 알루미늄을 포함할 때(이에 한정되지는 않음), 임의의 하층은 하나의 단일층(약 0.3 nm)과 50 nm 사이일 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 장치의 모든 부품 또는 선택된 부품을 반도체, 촉매 콜렉터, 피흡수체, 또는 이들의 결합의 여기체 구조와 관련된 에너지에 동조된 광 캐비티에 포함되도록 하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따라 반응을 유도하거나, 전기를 생성하는 장치는 핫 캐리어 에미터와 촉매 콜렉터를 포함한다. 본 장치에 속한 핫 캐리어 에미터는 반도체 다이오드를 포함한다. 반도체 다이오드는 반도체 베이스, 에미터-베이스 접합이라고 불리는 다이오드 접합, 및 에미터를 포함한다. 에미터는 다이오드 소자로서 반도체 또는 금속을 포함한다. 본 장치는 또한 에미터로의 제1 전기 접속과 베이스로의 제2 전기 접속을 포함한다.

본 발명에 따른 반응 자극 장치 또는 전기 생성 장치는 반도체의 여기체 구조(excitation structure)와, 촉매 콜렉터 및 화학 피흡수체을 포함하는 시스템 중 어느 하나의 원하는 에너지 준위 전이로 맞추어진 선택적 광학 캐비티(cavity)를포함할 수 있다. 이러한 캐비티는 이하의 구조로 한정되는 것은 아니지만, 금속 및 유전 마이크로 캐비티, 광량자 밴드 갭 특성을 나타내는 주기적인 구조, 페브레이-페롯 캐비티(fabrey-perot cavity), 텍스쳐 미러(texture mirror), 분배된 브래그 반사기(distributed Bragg reflector), 단일 또는 쌍으로 된 반도체 마이크로 캐비티, 파장 필터 또는 큰 분산을 갖는 캐비티, 양자 도트 수직 캐비티, 마이트로디스크 캐비티, 양자 도트 마이크로디스크 캐비티, 클래딩(cladding)을 포함하거나 포함하지 않는 레이저 도파관, 유전 슬래브 도파관, 어떠한 추가적인 콘파인먼트 레이저(confinement layer)도 필요하지 않은 금속 반도체 인터페이서에서 표면 플래스먼(plasmon)으로도 불리우는 전자기 표면파와 관련된 캐비티, 케이아틱 공진기(chaotic resonator), 변형 단면을 갖는 광학 공진기, 케이아틱 레이(chaotic ray)의 움직임을 결합시키는 공진기 디자인, 그리고 위스퍼링-갤러리 모드(whispering-gallery mode)를 갖는 대칭형 공진기를 포함할 수 있다.

일실시예에서, 핫 캐리어는 전자이고, 다이오드는 n형 베이스와 p형 이미터를 갖는 InSb로 이루어진 p-n 접합이며, 촉매 콜렉터는 이미터 전기 콘택 근방에 위치하거나 공동으로 존재한다(co-located). 촉매 인젬블(ensemble)은 표면 구조, 클러스터 또는 양자 제한 구조(quantum confined structure)에 놓인 플라티늄과 팔라듐으로된 임의의 합금과 같은 촉매 금속을 포함한다. 상기 촉맨의 구성 또는 기하학적 구조는 예를 들면, 피흡수체에 노출된 촉매 부분으로부터 반도체까지의 거리가 플라티늄에서 에너지 평균 자유 거리의 3배 보다 현저히 작도록 구성된다. 평균 자유 거리는 대략 20nm이다. 촉매 금속은 옴 접합이나 터널링 접합을 형성하도록 디제너러티블리하게 도핑(degeneratively doping)된 반도체의 이미터와 직접 콘택하고 있다. 본 실시예에서, p-n 접합은 촉매 콜렉터로부터 P형 InSb의 전도대에 있는 전자에 대한 확산 거리의 3배 이하인 거리에 형성된다. 상기 확산 거리는 200 nanometer 정도로 작을 수 있다. 상기 장치는 자극기 모드(stimulator mode), 생성기 모드(generator mode), 또는 자극기-생성기 모드에서 동작할 수 있다. 여기서, 핫 캐리어는 화학 피흡수체 반응과 반도체 다이오드에 대한 전기 에너지 입력 중 어느 하나에 의하여 생성될 수 있다.

본 발명에 따른 가소성 고체 표면의 촉매 현상의 여기 전달 반응 장치는 피흡수체-촉매 시스템의 여기 밴드 구조와 반도체 기질의 여기 밴드 구조를 결합한다. 상기 장치는 기체 반응물 상에서 동작하도록 고안될 수 있다. 생성기 모드에서, 촉매 콜렉터의 표면 상에서 또는 이 표면과 피흡수체의 화학적 반응과 관련된 여기 에너지는 핫 캐리어와 같은 여기와 전자기 필드로 변환된다. 피흡수체의 반응과 연관된 에너지 여기는 여기된 반응 물질 분자 진동, 분자 표면 진동, 원자 표면 진동, 흡수 진동, 화학 반응 및 여기된 전자 상태를 포함할 수 있다. 핫 캐리어와 전자기 필드와 같은 변환된 여기는 반도체의 이미터 여기가 생성될 수 있는 여기 이미터로 옮겨지고, 유용한 형태의 에너지로 변환될 수 있다. 이미터 여기는 반도체 내에 있는 소수 캐리어, 핫 캐리어, 캐리어 확산, 결합 전기장, 여기자 및 플래스먼(plasmon)을 포함한다.

또한, 생성기 모드에서는 여기된 반응물질 분자 진동, 분자 표면 진동, 원자 표면 진동, 흡수 반응, 화학 반응 및 여기된 전자 상태와 같은 촉매 콜렉터의 표면상에서 일어나는, 피흡수체과 이 표면의 화학 반응과 관련된 여기 에너지 펄스가 핫 캐리어 및 전자기 필드와 같은 여기로 변환될 수 있다. 이러한 여기체(excitation)는 반도체에서의 소수 캐리어, 핫캐리어, 캐리어 확산, 결합 전계, 여기자(excition), 플라즈몬(plasmon)과 같은 여기체가 생성되어 유용한 에너지 형태로 변환될 수 있는 에미터 또는 여기체 에미터로 수송된다.

일실시예에 있어서, 여기체 에미터 및 촉매 콜렉터는 이들에 공통인 구성 요소를 공유할 수 있다.

도 1은 고체 표면 촉매 반응기(reactor) 디바이스의 일반적인 개략 단면도이다. 디바이스(100)는 베이스(108) 위에 형성된 에미터(102)와 촉매 콜렉터(104)를 포함하고 있다. 반도체 p-n 접합부(110)는 에미터(102)와 베이스(108) 사이에 형성된다. 에미터 전기 접합부(114)와 촉매 콜렉터(104)는 도 1에 도시한 바와 같이 배열된다. 베이스 전기 접합부(112)는 또한 도 1에 도시한 바와 같이 베이스(108)와 접촉하여 배열된다. 반응물 및 생성물은 촉매 콜렉터(104)의 촉매 표면(116)에서 반응한다. 반응물은 탄화 수소 체인, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 프로린, 부탄, 부틴, 세탄, 이들의 이성체(isomer)를 포함하며 이들에만 제한되는 것은 아니다.

자극 모드에서, 디바이스(100)는 전기 에너지를 이용하여 핫캐리어, 열 전자라고도 불리는 에너지적 캐리어를 생성한다. 핫캐리어는 촉매 콜렉터(104)로 확산하여 촉매 표면(116)에서 반응물과 견고하게 반응하고 반응물을 가속하여 반응 생성물을 만든다. 자극된 반응에 의해 표면 폭발(surface explosion)의 등가물 또는체인 반응이 야기된다. 자극된 반응은 또한 자기 촉매된 체인 반응을 야기할 수 있다.

발생기 모드에서, 촉매 표면(116)에서 발생하며, 접합부, 예컨대 p-n 접합부를 가로질러 확산하는 화학 반응에 의해서 생성된 열 전자는 p-n 접합부를 가로질러 순방향 바이어스를 야기하여 전기 에너지를 생성한다.

예증의 실시예에 있어서, p형 에미터 및 n형 베이스의 p-n 접합부를 사용하여 열 전자를 생성한다. 따라서, 접합부(110)는 순바이어스될 수 있다. 핫캐리어가 핫홀과 대비되는 열 전자인 경우, 접합부는 p형 에미터와 n형 베이스를 가진 p-n 접합부일 수 있다. 이와는 달리, 접합부는 금속 에미터와 n형 반도체 베이스를 가진 쇼트키 접합부일 수 있다.

자극 모드에서, 순방향 바이어스 접합부(110)는 열 전자를 생성한다. 예컨대, 베이스 접촉부(112)는 역바이어스되고 에미터 접촉부(114)는 순바이어스될 때, 열 전자들이 접합부(110)에서 생성된다. 열 전자는 에미터(102)를 통해 확산하여 촉매 콜렉터(104)를 통해 탄도적으로 촉매 표면(116)으로 전달된다.

발생기 모드에서, 촉매 표면(116)에서 발원하는 열 전자들 또한 촉매 콜렉터(104)를 통해 탄도적으로 수송되어 접합부(110)로 확산함으로써, 에미터-베이스 접합 다이오드(110)는 순방향 바이어스된다.

예를 들면, 열 전자가 이송되어 촉매 표면(116)에서 접합부(110)로 확산될 때, 베이스 접촉부(112)는 역바이어스되고 에미터 접촉부(114)는 순바이어스되며, 본 발명에서의 다이오드는 싱크 대신에 전자 소스가 된다.

이러한 열 전자들은 에미터(102)로/로부터 및 촉매 표면으로/으로부터 이동하거나 확산한다. 따라서, 예증의 실시예에 있어서, 촉매 표면(116)상에서 다이오드 접합부(110)에서 흡착질(adsobate)에 이르는 거리는 이들 캐리어의 에너지가 저하하는 거리 보다 작게 형성된다. 이 거리는 촉매 표면(116)상의 에미터-베이스 접합부(110)에서 흡착질에 이르는 경로상에서 측정되었을 때 에너지 열 전자의 에너지 평균 자유 경로 보다 일반적으로 수 배 작다.

전술한 공정을 이용하여 촉매 표면상에 흡착하는 반응물은 열 전자들에 의해 진동적으로 여기되며, 여기체는 반응물을 가속하여 생성물을 형성한다. 이러한 수단을 이용함으로써, 콜렉터 촉매 조립체에서 흡착된 반응물에 의해서 생성된 열 전자들은 순방향 바이어스 다이오드에서 전위를 생성한다.

본 발명의 예증의 실시예에 있어서, 촉매 콜렉터(104)는 층들 내의 촉매 물질, 클러스터, 원자적으로 균일한 단층, 또는 표면 구조체를 포함한다. 층 또는 클러스터의 두께 규격은 촉매 내의 열 전자의 총 에너지 평균 자유 경로 보다 수배 작은 것이 좋다. 층 또는 클러스터는 열 전자가 접합부(110)와 촉매 표면(116) 사이에서 직접 확산할 수 있도록 다이오드 접합부(110)와 충분히 근접하여 형성되고 있다.

백금 또는 팔라듐과 같은 촉매 내의 열 전자의 총 에너지 평균 자유 경로는 Au, Ag 또는 Cu 보다 훨씬 짧은 20 나노미터 정도이다. 그러므로, 예증의 실시예에 따르면, 촉매 클러스터 또는 층은 이러한 보다 작은 값 보다 작은 클러스터 또는 층두께 또는 두께 규격으로 제조된다. 예를 들면, 전자 에너지 수명은 팔라티늄 그룹과 전자적으로 유사한 대표적인 천이 금속인 탄탈에서 측정되었고, 15 fs 정도이었다. 페르미 역제곱 스케일링(Fermi inverse square scaling)에 기초해서 팔라듐에서 계산된 수명은 0.3 eV에서 600 fs가 되며 840 나노미터의 총에너지 평균 자유 경로를 부여한다. 이러한 낙관적인 큰값 대신에 수명은 탄탈에서 측정된 것 보다 형편없다고 추정된다. 이것은 21 나노미터 정도의 백금 또는 팔라듐 내에서 총에너지 평균 자유 경로를 부여한다. 이 실시예에서 촉매 규격은 열 전자의 측정된 에너지 평균 자유 경로 보다 작다. 촉매에 대한 전기 접속부인 하층과 촉매의 총두께에 관한 이들 인자는, 핫캐리어 에너지를 현저하게 저하하는 한 촉매와 하층을 통해 핫캐리어에 의해서 취해지는 경로는 존재하지 않을 것이며, 이러한 조건을 만족하는 어느 규격이 수용 가능하다고 만 가정한다.

본 발명에 따라서 제공되는 방법에 의하면, 바람직하게 탈착(desorption)을 통한 반응을 선호하는 범위 내의 에너지를 갖는 전자를 생성하고 있다. 이와 같이 생성된 전자의 에너지는 0.05∼0.4 eV[electron volt; 전자 볼트(EV)의 단위임]의 범위 내에 있다. 이와 유사하게, 전자를 수집하기 위한 방법에는 전자를 수집하는 촉매 표면 상에서의 화학 반응에 의해서 전자가 생성되고 있는데, 이 화학 반응에 의해 생성된 전자의 에너지도 또한 0.05∼0.4 eV의 범위 내에 있다. 따라서, 대략 0.4 eV 이하의 밴드갭(band gap)을 갖는 반도체 재료가 사용될 수 있다. 그와 같은 반도체 재료의 예로는 0.18 eV의 밴드갭과 0.35 eV의 밴드갭을 각각 갖는 인듐 안티몬화물(InSb) 또는 인듐 비소화물(InAs)을 포함한다. 이들 반도체에 의해서 생성되는 에너지 전자는 p형 반도체의 에미터의 밴드갭과 대략 동일한 에너지를 갖는다. n형 반도체의 베이스로 배면 확산하는 열 전자(hot electron)는 그 크기가 밴드갭 에너지에 근접하는 전위를 발생시킨다. 상기 밴드갭 에너지의 값은 일반적으로 반응물의 특성 및 그 반응물의 표면 활성도와 관련된 에너지에 기초하여 선택된다.

예시적인 일실시예에 있어서, 촉매 클러스터에는 도 2의 단면도에 도시된 바와 같이 산화물이나 기타의 재료와 같은 근접하게 배치된 활성제, 불활성제, 감속제 또는 촉진제를 더 포함할 수 있다. 도 2에는 촉매 재료(202)에 인접하고 또한 이 촉매 재료(202)와 공동 배치된 반응 촉진제-감속제 재료(206)를 포함하는 촉매 콜렉터의 단면적(200)을 예시하고 있다. 도시된 바와 같이, 열 전자 촉매 콜렉터는 촉매 재료(202), 임의 박막 전극 하부층(204) 및 산화물과 같은 반응 촉진제-감속제 재료(206)를 포함한다. 예컨대, 세륨, 티타늄 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 촉매 자체의 산화물들은 촉매 아일랜드들(catalyst islands), 즉 층들(layers) 사이에 형성될 수 있다. 촉매와 박막 전극 하부층(204)의 전체 치수는 열 전자의 전체 에너지 평균 자유 경로의 몇배 이하로 하는 것이 바랍직하다.

도 3, 도 4 및 도 5에는 본 발명의 고체 표면 촉매 반응기 내에서 사용되는 촉매 콜렉터의 다수의 상이한 실시예를 예시하고 있다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 촉매 콜렉터는 반도체(도 3 참조) 위에 바로 잔류하는 아일랜드, 또는 박막 전극 하부층(도 4 참조) 상의 촉매--여기서, 박막 전극 하부층은 핫 캐리어 에미터에 대해 전기 접속을 형성함--, 또는 촉매 주변이나 촉매 부근의 반응 촉진제-감속제 재료를 갖는 촉매와 같은 촉매 재료를 포함할 수 있는데, 이들 모두는 핫 캐리어 에미터(도 5 참조)에 대해 전기 접속을 형성할 수 있는 박막 전극 하부층 위에 잔류한다.

촉매에는 Au, Ag, Pt, Pd, Cu, In, Fe, Ni, Sn 및 Mo와 같은 재료를 포함할 수 있다. 상기 촉매는 금속 클러스터, 필러(pillar), 아일랜드, 층, 결정층(crystalline layer), 균일한 원자 단일층(atomically uniform molayer), 인터디지탈(interdigital) 및 랜덤 구조체, 스트라이프, 또는 표면 구조체를 포함하는 구조체로 형성될 수 있다. 촉매는 양자 도트(quantum dot), 양자 스타디아(quantum stadia), 양자 코랠(quantum corral) 및 양자 웰(quantum well)과 같은 1차원, 2차원, 또는 3차원 양자 제한 구조체로 형성될 수도 있다.

도 3은 캐리어가 전자, 촉매 콜렉터인 핫 캐리어 에미터를 포함하는 고체 표면 촉매 반응기 소자의 단면적(300)을 도시하고 있다. 촉매 콜렉터 조립체는 촉매 아일랜드(302)를 포함하고, 바람직하게는 상기 촉매 아일랜드(302) 내의 열 전자의 전체 에너지 평균 자유 경로를 반도체(304)에 대해 3배 이하의 거리로 형성된다. 촉매 아일랜드(302)는 바람직하게 반도체(304)의 p형 도핑되거나 또는 농도가 짙게 p형 도핑된 p+형 영역에 결합된다. 일실시예에 있어서, 촉매 재료(302)는 반도체의 표면 상에서 확산된다. 다른 실시예에 있어서, 촉매는 균일한 원자 단일층을 포함하는 표면 구조체로 형성된다.

예를 들어, 열 전자 및 핫 캐리어 에미터는 n형 반도체(308), p형 반도체(312), 상기 n형 반도체(308)와 p형 반도체(312) 사이에 형성된 p-n 접합부(310), p형 도핑되거나 또는 농도가 짙게 p형 도핑된 p+형 반도체(304) 및양전극(314)과 접촉하는 음전극(306)에 의해 형성된 반도체 다이오드를 포함하고 있다.

도 4는 촉매 구조체에 대해 기판을 형성하는 박막 전극(402)과 고체 표면 촉매 반응기 소자의 단면적(400)을 예시하고 있다. 이 실시예에 있어서, 촉매 콜렉터는 박막 전극 하부층(402), 촉매 구조체(404) 및 상기 박막 전극 하부층(402)과 전기 접촉하는 버스 바 전기 접속(406)을 포함한다. 열 전자 에미터는 음 전기 접속(408), n형 반도체(410), p-n 접합부(412), p형 반도체(414), p형 도핑되거나 또는 농도가 짙게 p형 도핑된 p+형 반도체(416) 및 박막 전극 하부층(402)에 의해 형성된 반도체 다이오드를 포함하고 있다. 도시된 바와 같이, 박막 전극 하부층(402)은 열 전자 에미터 및 촉매 콜렉터에 공통으로 구성될 수 있다. 또한, 박막 전극 하부층(402)은 박막 양전극이 될 수 있다. 박막 전극 하부층(402)은 반도체에 대해 저항성이거나 또는 거의 저항성 접합부를 구성하는 재료 중에서 바람직하게 선택된다.

본 발명에 있어서 제공되는 박막 전극 하부층(402)은 촉매(404)를 주입하거나 잔류시키기 위해 열 전자에 대해서도 경로를 제공하는 동안 반도체(416)에 대해 저항성이거나 또는 거의 저항성 접합부를 형성한다. 촉매 금속 및 반도체의 결합의 일부의 선택에 따라서, 반도체(416)와 촉매(404) 사이의 접합부의 저항성 특성은 쇼트키 접합부를 형성할 수 있다. 쇼트키 접합부가 형성되는 경우에, 금속층, 즉 박막 전극 하부층(402)은 거의 저항성이거나 또는 터널링 쇼트키 접합부가 될 수 있는 실제 저항성 접합부를 형성하기 위한 수단으로서 사용되고 있다. 이어서, 촉매 클러스터 또는 층(404)은 박막 전극 하부층 금속(402)의 상부에 배치된다. 예시적인 실시예에 있어서, 전극 하부층(402)의 두께는 이 전극 하부층을 관통하는 열 전자의 에너지 평균 자유 경로 이하가 되도록 선택된다.

은("Ag"), 금("Au") 및 구리("Cu")와 같은 통상적으로 사용되는 접촉 금속의 0.3 eV 전자에 대해서, 전자 에너지 수명은 200 펨토(10^-15)초(femtosecond)를 초과하고, 전자 속도는 1.4e6 m/s 정도이다. 따라서, 그에 따른 에너지 평균 자유 경로는 280 나노미터(nm) 정도이다. 이것은 하부층으로 하여금 촉매 콜렉터 이상의 크기 두께 정도가 되도록 반도체에 대해 전기 접촉을 가능하게 하고, 또한 제조 능력을 개선한다. Au, Ag 및 Cu 도체의 1∼5 나노미터("nm")의 박막층은 반도체와 저항성 접촉하거나 또는 거의 저항성 접촉을 형성할 수 있도록 반도체 상에 통상적으로 제조된다. 이러한 박막층, 예컨대 박막 전극(402)은 촉매의 페르미 준위와 p형 반도체 에미터의 페르미 준위가 동일하거나 또는 실제로 동일하게 하는 것을 보장한다. 이 실시예에 있어서, Au, Ag 및 Cu와 같은 금속의 1∼20 nm의 박막층이 촉매 조립체용의 전극(402) 또는 기판으로서 사용될 수 있다. 본 발명이 Au, Ag 또는 Cu 및 기타 다른 금속과 같은 전극, 반도체와 적어도 거의 저항성 접합부를 형성하도록 선택될 수 있는 합금이나 반금속(semi-metal)을 형성하는 데에 사용되는 접촉 금속의 선택을 제한하고자 하는 것이 아님을 명확히 이해할 수 있을 것이다.

열 전자 에미터가 농도가 짙게 도핑된 반도체, 예컨대 도 3에 도시된 참조 부호 304로 나타낸 바와 같은 반도체 및 도 4에 도시된 참조 부호 416으로 나타낸바와 같은 반도체를 포함하는 실시예에 대해서, 박막 전극(402)의 용도로 사용되는 재료는 박막 전극(402)과 농도가 짙게 도핑된 반도체(416) 사이의 접합부가 적어도 거의 저항성 접합부를 형성하도록 선택될 수 있다. 형성된 접합(junction)은 오믹 접합인 것이 바람직하다. 오믹 접합 또는 거의 오믹 접합을 형성하기 위해서, 이 접합에 의해 형성된 쇼트키 장벽의 디멘젼 또는 두께가 전자 터널링이 전류 흐름을 지배할 정도로 충분히 작도록 반도체 도핑을 충분히 높게 선택한다. 따라서, p형 반도체는 금속과의 콘택트 영역 근처에서 무겁게 또는 축퇴(縮退)적으로 도핑될 수 있다. 이러한 중(重)도핑은 도펀트 농도가 체적 센티미터당 약 1e18을 초과할 때 발생한다. 도 3은 에미터 전기 접속부(314)와 촉매 클러스터(302) 양자의 근처에 있는 이 중도핑 영역(304)을 도시하고 있다. 도 4는 얇은 전극 하층(402)에 접촉한 이 중도핑 영역(416)을 도시하고 있다.

일 예로서, 이러한 중도핑으로는 InSb 또는 InAs에서 cc 도너당 2e19의 양호한 도핑이 고려된다. cc당 2e20까지의 반도체의 축퇴 도핑과 얇은 금속 콘택트로서 Au, Ag, 또는 Cu와 같은 적절한 금속의 결합은 반도체에 거의 오믹 전기 접속을 만들 수 있다. 거의 모든 금속은 이러한 거의 오믹 접합을 형성할 수 있다. 그 이유는 중도핑 또는 축퇴 도핑 하에서의 접합 디멘젼은 1 나노미터 이하의 배수로 되고, 이 디멘젼에서 접합을 가로지르는 터널링이 우세하기 때문이다. 이러한 형태의 접합은 통상 특징적인, 3 나노미터 이하의 배수의 p-n 접합 디멘젼 및 1 미크론을 초과하는 에미터 영역과 콜렉터 영역에서의 전자 확산 길이를 갖는다. 그 디멘젼은 오거 재결합(Auger recombination)에 의해서 제한될 수 있다. 따라서, 0.1 미크론두께 및 보다 큰 디멘젼은 실제로 일상적으로 얻어지므로, 본 발명의 에미터 소자와 촉매 콜렉터 소자간의 접합은 쉽게 구성될 수 있다.

얇은 전극은 p형 반도체 표면에 결합된다. 촉매 클러스터 또는 층은 그 얇은 전극 상에 그리고 양호하게는 p-n 접합 근처에 배치된다. '근처'는 "에미터 반도체에서 소수 캐리어의 확산 디멘젼 내에 있는 거리"로서 정의된다. 이 디멘젼은 통상 0.1 미크론 이상의 배수로 되어 있다. cc당 2e20까지 도핑된 p형 InSb에서의 전자의 계산된 확산 길이는 7 미크론의 배수가 되고, InAs에서는 5.5 미크론의 배수가 된다. 그러나, 1 피코초의 관찰된 오거 수명은 확산 길이가 1 미크론의 배수가 됨을 시사한다. 당해 기술 분야의 숙련자가 이해할 수 있는 바와 같이, 이 디멘젼은 당해 기술의 현재 제조 상황 이내에서 양호하다. 따라서, 촉매 금속(302 및 404) 또는 얇은 금속 콘택트 하층(402)은 촉매 콜렉터와 에미터 양전기 연결의 양자(兩者)로서 기능할 수 있다. 또한, 이것은 제조의 비용과 복잡성을 감소시킨다.

도 5는, 도 4에 도시한 것과 유사하고, 촉매 구조체(404)를 감싸거나 그에 인접한 반응 가속기-감속기 물질(502)을 갖는 고체 상태 표면 촉매 반응기 장치의 단면(500)을 도시한다. 도 2을 참조하여 설명한 바와 같이, 예시적인 실시예에서, 촉매 클러스터는 산화물 또는 기타의 물질과 같은, 그에 인접 배치된 화학적 표면 반응 활성기, 가속기 또는 감속기를 더 포함할 수 있다. 도시한 바와 같이, 촉매 콜렉터는 산화물과 같은, 촉매 구조체(404), 옵션의 얇은 적극 하층(402) 및 촉매 가속기 또는 감속기(502)를 포함한다. 예컨대, 촉매 자체의 산화물, 또는 세륨, 티타늄 또는 알루미늄의 산화물은 촉매 아일랜드(분리 영역) 또는 층 사이에 형성될수 있다. 열 전자가 촉매(404)와 얇은 전극 하층(402)을 통해서 주행해야 하는 거리는 총 에너지 평균 자유 경로의 수배(數倍) 이하인 것이 바람직하다.

도 6은 에미터에 대한, 촉매 콜렉터의 하층인 전기 접속부이고 동시에 쇼트키 다이오드의 금속 요소를 형성하는 단일 금속 요소(605)를 포함하는 고체 상태 표면 촉매 반응기 장치의 단면(600)을 도시하고 있다.

도 6은 쇼트키 다이오드를 이용하여 고체 상태 표면 촉매 반응기 장치를 도시하고 있다. 반응물은 촉매 콜렉터(605, 606 및 607) 상에서 흡착한다. 쇼트키 다이오드는 얇은 금속 하층(605), 열 전자인 핫 캐리어에 적절한 도시를 위하여 n형으로서 도시한 보다 중도핑된 반도체(604), 보다 경(輕)도핑된 반도체 영역(601), 및 보다 두꺼운 음전기 접속부(606) 사이에 형성된다. 버스 바(602)는 전류 반송의 양(陽)의 얇은 전극(605)을 전기 접속한다. 동작시, 다이오드는 순방향 바이어스에 의해서 펄스된다. 즉, 전극(606)은 양의 전극(605)에 대해서 음으로 펄스되어 전력을 소모한다. 이것은 촉매 조립체(607) 상에서 표면 반응을 시작하여 생성물이 형성되게 된다. 초과 반응 에너지는 얇은 촉매 구조체(607) 및 요소(605)를 통과하여 주행하고 쇼트키 장벽 전위를 뛰어 넘으며 다이오드 영역(601 및 604)으로 진입하는 열 전자들의 버스트를 발생하여 다이오드가 순방향 바이어스되고 전력이 생성될 수 있다.

이 실시예의 가역성에 대해서 설명한다. 동일한 장치의 반응 자극 성질은 그의 주요한 기능일 수 있다. 전기 생성의 성질은 주요 기능일 수 있다.

도 7은 핫 캐리어가 열 전자인 경우에 적절한 고체 상태 표면 촉매 반응기장치의 요소들에 관한 전자 에너지 레벨의 도면(700)을 도시하고 있다. 이들 요소는 피흡수체(absorbate)(702), 촉매(704), 양의 전극 또는 전기 접속부(718), 전극 접합, 콜렉터-에미터 영역에서 고농도 도핑된 반도체(706), p형 도핑된 반도체 영역(708), p-n 접합 영역(710), 및 n형 중도핑 영역(714)을 포함한다.

자극 모드시에, 순방향 바이어스(716)는 다수 캐리어인 n+ 영역(714)의 전자를 p-n 접합(710)으로, 그 전자가 소수 캐리어인 반도체의 p형 영역(708)으로, 촉매(704)로, 이어서 그 전자가 피흡수체(706)와 상호 작용하는 촉매 표면으로 몰아간다. 열 전자는 반응을 자극하는 피흡수체 안의 상태를 여기시킨다.

발생기 모드시에, 피흡수체의 여기된 상태에서의 에너지 감쇠 경로는 열 전자를 촉매 표면 상에서 생성하고, 이어서 열 전자는 촉매를 통과하여 p형 반도체 영역으로 주행하고, 이어서 반도체의 내부 전기장이 그 열 전자를 n+ 영역(714)로 쓸어 내리는 p-n 접합(710)으로 이어져서, 순방향 바이어스가 생성되어, 전력 소스가 된다.

이 실시예와 기타의 모든 실시예에서, 자극기, 생성기 및 반응기의 유효성은 반응물을 기상(氣相)으로 제공함으로써 매우 증대될 수 있다. 이 경우에, 촉매 표면 상의 피흡수체는 핫 캐리어와 상호 작용한다. 액체가 촉매를 덮으면, 복수의 피흡수체 층은 열 전자를 흡수하여 그의 효과를 감소시킨다. 따라서, 본 발명의 신규성의 요점은 또한, 반응 자극 또는 전기 생성의 목적을 위하여 순방향 바이어스된 장치의 사용을 포함한다.

본 발명은 특히 본 발명의 양호한 실시예에 관해서 도시하고 설명하였지만,당해 기술 분야의 숙련자는 형태와 세부의 전술한 변경 및 기타의 변경이 본 발명의 정신과 범주를 벗어나지 않고서도 그 안에서 만들어질 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 당해 기술의 숙련자는 본 발명의 구성이 앞에서 도시하거나 설명한 다른 구성의 상응하는 이용 없이도 이롭게 이용되는 경우가 종종 있을 수 있음을 이해할 것이다. 마찬가지로, 몇 가지 특징은 본 발명의 범주와 균등물 이내에서 조합되어 원하는 결과를 얻을 수 있다.

Claims

고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치에 있어서,

촉매 콜렉터와;

여기체 밴드 구조가 상기 촉매 콜렉터와 관련된 여기체 밴드 구조와 결합되어 있는 p-n 접합 다이오드를 구비하는 여기 에미터를 포함하고,

상기 촉매 콜렉터에서 발생하는 피흡수체의 반응과 관련된 하나 이상의 에너지가 여기체로 변환되어 여기 에미터에 전송되고, 상기 여기 에미터에서 에미터 여기체가 발생되어 하나 이상의 에너지 형태로 변환되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 피흡수체의 반응은 상기 촉매 콜렉터의 표면에서 발생하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 피흡수체의 반응은 상기 촉매 콜렉터의 표면과 함께 발생하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 에너지는 하나 이상의 여기된 반응물 분자 진동을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 에너지는 하나 이상의 분자 표면 진동을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 에너지는 하나 이상의 원자 표면 진동을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 에너지는 하나 이상의 흡착 반응을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 에너지는 하나 이상의 화학 반응을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 에너지는 하나 이상의 여기된 전자 상태를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 여기체는 하나 이상의 핫 캐리어를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 여기체는 하나 이상의 전자계를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 에미터 여기체는 하나 이상의 소수 캐리어를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 에미터 여기체는 하나 이상의 핫 캐리어를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 에미터 여기체는 캐리어 확산에 의해 전송된 에너지를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 에미터 여기체는 결합 전계를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 에미터 여기체는 하나 이상의 여기자를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 에미터 여기체는 하나 이상의 플라즈몬을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 촉매 콜렉터는 에미터와 접촉하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 p-n 접합 다이오드는 순방향 바이어스되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 에미터 여기체는 p-n 접합이 순방향 바이어스될 때 생성되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제20항에 있어서, 상기 p-n 접합 다이오드 양단에 인가된 전위가 상기 p-n 접합 다이오드에서 순방향 바이어스를 야기하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제20항에 있어서, 상기 p-n 접합 다이오드에서의 광학적 광자 흡착이 상기 p-n 접합 다이오드에서의 순방향 바이어스를 야기하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 핫 캐리어는 하나 이상의 열 전자를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 p-n 접합 다이오드는 p형 에미터 영역과 n형 베이스를포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 p-n 접합 다이오드는 고농도로 도핑된 p+ 영역을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제24항에 있어서, 상기 p형 에미터 영역은 고농도로 도핑된 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 p-n 접합 다이오드는 고농도로 도핑된 n+ 영역을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제24항에 있어서, 상기 n형 베이스는 고농도로 도핑된 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 여기 에미터는 In, Ga, As 및 Sb로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함한 반도체 물질로 제조되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 여기 에미터는 In, Sb, Bi 및 Tl로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함한 반도체 물질로 제조되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 여기 에미터는 Hg, Cd 및 Te로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함한 반도체 물질로 제조되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제31항에 있어서, 상기 카드뮴(Cd)의 농도는 20% 내지 30%인 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 p-n 접합 다이오드의 p-n 접합으로부터 촉매 콜렉터까지의 거리는 상기 p-n 접합 다이오드에서 소수 캐리어의 확산 길이의 3배보다 작은 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 촉매 콜렉터는 촉매를 더 포함하고, 피흡수체 반응물에 노출된 촉매 표면과 상기 여기 에미터의 반도체와의 사이에서 활성 캐리어가 이동하는 전체 경로는 상기 경로를 따르는 상기 활성 캐리어의 전체 에너지 평균 자유 경로의 3배보다 작은 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 촉매 콜렉터 및 여기 에미터에서 활성 캐리어의 이송을 위하여 탄도 캐리어 이송이 사용되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 촉매 콜렉터와 여기 에미터를 접속하는 오믹 전기 접속부를 더 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 촉매 콜렉터와 상기 에미터를 접속하는 터널링 쇼트키 접합부를 더 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제34항에 있어서, 상기 촉매는 하나 이상의 촉매 클러스터를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제38항에 있어서, 상기 촉매는 하나 이상의 촉매 클러스터를 둘러싸는 하나 이상의 반응 가속제-감속제를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제39항에 있어서, 상기 하나 이상의 반응 가속제-감속제는 산화물을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제40항에 있어서, 상기 산화물은 티타늄, 세륨, 희토류 금속, 주석, 납 및 알루미늄 중에서 선택된 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제40항에 있어서, 상기 산화물은 촉매 물질을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제38항에 있어서, 상기 촉매는 하나 이상의 촉매 클러스터에 인접한 하나 이상의 반응 가속제-감속제를 더 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제38항에 있어서, 상기 촉매는 하나 이상의 촉매 클러스터에 접촉된 하나 이상의 반응 가속제-감속제를 더 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제34항에 있어서, 상기 촉매는 적어도 하나의 피흡수체 반응물의 에너지 완화 우성 모드의 진동 감소 주파수보다 작은 드바이 주파수를 갖는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 촉매 콜렉터는 절대온도 500°K보다 작은 드바이 온도를 가진 물질을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제34항에 있어서, 상기 촉매는 Au, Ag, Pt, Pd, Cu, In, Fe, Ni, An 및 Mo중에서 선택된 어느 한 물질을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제34항에 있어서, 상기 촉매는 금속 클러스터로 형성되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제34항에 있어서, 상기 촉매는 양자 억류 구조로 형성되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 촉매 콜렉터는 상기 촉매 콜렉터의 촉매와 여기 에미터와의 사이에 형성된 적어도 하나의 전극 하층 금속을 더 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제50항에 있어서, 상기 전극 하층 금속은 상기 촉매 콜렉터에서 하나 이상의 촉매용 기판을 형성하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제50항에 있어서, 상기 전극 하층 금속은 상기 촉매 콜렉터에서 하나 이상의 반응 가속제-감속제용 기판을 형성하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제50항에 있어서, 상기 전극 하층 금속은 그 두께가 상기 전극 하층 금속을 통과하여 지나가는 여기체의 에너지 평균 자유 경로의 3배보다 작은 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제50항에 있어서, 상기 전극 하층 금속과 상기 여기 에미터 사이에 오믹 접합이 형성되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제50항에 있어서, 상기 전극 하층 금속과 상기 여기 에미터 사이에 터널링 쇼트키 접합이 형성되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제50항에 있어서, 상기 전극 하층 금속과 상기 여기 에미터 사이에 대부분 오믹 접합이 형성되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 피흡수체 반응 영역에 결합된 광학 공동을 더 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제57항에 있어서, 상기 광학 공동은 상기 여기 에미터, 촉매 콜렉터 및 피흡수체 중 적어도 하나의 여기체 밴드 구조에서 선택된 에너지 레벨 전이로 동조되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제57항에 있어서, 상기 광학 공동은 절연성 미소 공동을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제57항에 있어서, 상기 광학 공동은 방사선 방출을 촉진하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제57항에 있어서, 상기 광학 공동은 여기 에미터의 여기체 밴드 구조의 에너지 전이를 촉진하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 에너지 형태는 펄스형 에너지를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제62항에 있어서, 상기 하나 이상의 에너지 형태는 펄스형 전기 에너지를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제62항에 있어서, 상기 하나 이상의 에너지 형태는 펄스형 광학 에너지를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
피흡수체 반응 에너지를 파워로 변환하는 방법에 있어서,

피흡수체-촉매의 하나 이상의 여기체 밴드 구조를 여기 에미터의 하나 이상의 여기체 밴드 구조에 결합하는 단계와;

여기 에미터에서 다이오드에의 결합을 최적화하는 단계와;

다이오드에서의 하나 이상의 여기체를 파워로 변환하는 단계를 포함하는 방법.
제65항에 있어서, 상기 결합하는 단계는 하나 이상의 양자 억류 표면 구조로 상기 피흡수체-촉매에 촉매 콜렉터를 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제65항에 있어서, 상기 결합하는 단계는 상기 피흡수체-촉매와 상기 여기 에미터 중 적어도 하나의 하나 이상의 여기체 밴드 구조의 주파수에 하나 이상의 광학 공동을 동조시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
제65항에 있어서, 상기 결합하는 단계는 상기 피흡수체-촉매에 촉매 콜렉터를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 최적화하는 단계는 피흡수체 반응물에 노출된 상기 촉매 콜렉터의 표면과 상기 여기 에미터 사이의 영역의 두께를 억제하는 단계를 포함하며, 상기 영역은 그 두께가 상기 촉매 콜렉터와 상기 여기 에미터 사이에서 교환되는 핫 캐리어의 에너지 평균 자유 경로의 3배보다 작은 것인 방법.
제65항에 있어서, 상기 최적화하는 단계는 피흡수체-촉매의 선택된 여기체와 같거나 더 작은 밴드 갭 에너지를 갖는 기판을 선택하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제65항에 있어서, 상기 최적화하는 단계는 상기 여기 에미터의 여기 에너지 대역이 피흡수체-촉매의 여기 에너지 대역과 일치하도록 다이오드의 순방향 바이어스를 조정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제65항에 있어서, 상기 결합하는 단계는 피흡수체-촉매 시스템의 하나 이상의 여기체 구조의 선택된 에너지 레벨보다 더 낮은 드바이 주파수를 갖는 촉매를 선택하는 단계를 포함하는 것인 방법.
반응 에너지를 파워로 변환하는 방법에 있어서,

하나 이상의 피흡수체 반응물을 핫 캐리어로 변환하는 단계와;

상기 핫 캐리어가 다이오드로 이송되는 동안에 상기 핫 캐리어를 고온으로 유지하는 단계와;

상기 핫 캐리어를 다이오드에서 순방향 바이어스로 변환하는 단계를 포함하는 방법.
제72항에 있어서,

상기 핫 캐리어를 소수 캐리어로 변환하는 단계와;

상기 소수 캐리어를 다이오드의 p-n 접합 영역으로 이송하는 단계와;

순방향 바이어스를 발생하여 파워를 발생하는 단계를 더 포함하는 방법.
제73항에 있어서, 상기 파워는 전기(electricity)인 것인 방법.
제72항에 있어서,

다이오드에서 핫 캐리어의 집단 반전을 형성하는 단계와;

광학 에너지를 추출하는 단계를 더 포함하는 방법.
제75항에 있어서, 상기 추출하는 단계는 레이저 작용을 추출하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제75항에 있어서, 상기 추출하는 단계는 초광체 방사물을 추출하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제72항에 있어서,

촉매 콜렉터 내 물질 상태들의 하나 이상의 전자 밀도를, 피흡수체 반응물을 가진 피흡수체-촉매 시스템의 하나 이상의 여기체 밴드 구조의 에너지 전이의 선택된 범위와 일치하도록 수정하는 단계를 더 포함하는 방법.
제78항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 하나 이상의 촉매 단일층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제78항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 피흡수체 반응물에 노출된 표면상에 하나 이상의 질서있는 전자 반사 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제78항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 피흡수체 반응물에 노출된 표면상에 하나 이상의 질서있는 홀 반사 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제78항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 박막 전자 간섭계의 하나 이상의 열 전자 파브리-페롯 모드를 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제78항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 하나 이상의 촉매 단일층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제78항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 1∼100개의 촉매 단일층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제78항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 하나 이상의 정수개의 촉매 단일층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제78항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 복수개의 전자 경로 반사를 형성하도록 하나 이상의 전자 간섭계를 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제72항에 있어서, 하나 이상의 소모성 첨가물을 상기 피흡수체 반응물에 첨가하는 단계를 더 포함하는 방법.
제87항에 있어서, 상기 소모성 첨가물은 하나 이상의 촉매 물질을 포함하는 것인 방법.
제87항에 있어서, 상기 소모성 첨가물은 하나 이상의 반응 가속제-감속제 물질을 포함하는 것인 방법.
제72항에 있어서, 상기 하나 이상의 피흡수체 반응물은 하나 이상의 피흡수체 반응물 각각에 대하여 단지 하나의 단일층이 형성되도록 분압을 갖는 것인 방법.
제90항에 있어서, 상기 분압은 10기압 이하인 것인 방법.
제72항에 있어서, 상기 적어도 하나의 피흡수체 반응물은 기상(gaseous)인 것인 방법.
제72항에 있어서, 상기 적어도 하나의 피흡수체 반응물은 하나 이상의 감속제 물질을 포함하는 것인 방법.
제72항에 있어서, 상기 적어도 하나의 피흡수체 반응물은 하나 이상의 가속제 물질을 포함하는 것인 방법.
제72항에 있어서, 상기 적어도 하나의 피흡수체 반응물은 하나 이상의 탄화수소 체인을 포함하는 것인 방법.
제72항에 있어서, 다이오드를 하나 이상의 피흡수체 반응물의 증발열로 냉각시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제72항에 있어서, 하나 이상의 피흡수체 반응물의 반응에 의해 촉매를 세정하는 단계를 더 포함하는 방법.
가역 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치에 있어서,

촉매 콜렉터와;

상기 촉매 콜렉터와 관련된 여기체 밴드 구조에 여기체 밴드 구조가 결합된 여기 에미터를 포함하고,

상기 촉매 콜렉터에서 발생하는 피흡수체의 반응과 관련된 하나 이상의 에너지가 여기체로 변환되어 여기 에미터로 이송되고, 상기 여기 에미터에서 에미터 여기체가 발생되어 하나 이상의 에너지 형태로 변환되며,

상기 여기 에미터에 인가된 에너지는 에미터 여기체를 생성하고, 상기 에미터 여기체는 촉매 콜렉터의 피흡수체로 이송되어 그 이송된 에미터 여기체가 상기 여기체들을 활성화시키며, 상기 여기체들은 촉매 콜렉터에서 반응 촉진을 야기하는 것인 가역 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제98항에 있어서, 상기 여기 에미터에 인가된 에너지는 펄스형 전력인 것인 가역 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제98항에 있어서, 상기 반응 촉진은 핫 캐리어를 발생하는 것인 가역 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제100항에 있어서, 상기 핫 캐리어는 부가적 반응들을 더 촉진하는 것인 가역 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
반응을 촉진하는 방법에 있어서,

여기 에미터의 다이오드에 파워를 인가함으로써, 촉매 콜렉터와 접촉된 여기 에미터에 핫 캐리어를 생성하는 단계와;

상기 다이오드에서 발생한 핫 캐리어를 촉매 물질을 갖는 촉매 콜렉터로 이송하는 단계와;

상기 핫 캐리어가, 반응물에 노출되어 있는 상기 촉매 콜렉터의 표면으로 이송되는 동안, 고온으로 유지되도록 촉매 물질의 두께 특성을 조정하는 단계를 포함하는 방법.
제102항에 있어서, 상기 다이오드를 순방향 바이어스하기 위해 전력 펄스가 인가되는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 인가된 파워는 가장 오래 생존하는 여기 상태의 핫 캐리어의 수명보다 더 짧은 주기의 전력 펄스를 포함하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 인가된 파워는 폴라리톤 상태의 수명보다 더 짧은 주기의 전력 펄스를 포함하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 인가된 파워는 1 나노초보다 더 짧은 주기의 전력 펄스를 포함하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 인가된 파워는 1/2 이하의 충격 계수를 갖는 전력 펄스를 포함하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 인가된 파워는 기상 반응물이 공핍 반응물의 표면을 보충할 수 있는 동안의 평균 시간에 필적하거나 그보다 더 작은 반복 시간을 갖는 전력 펄스를 포함하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 인가된 파워는 50 메가헤르쯔 이상의 반복률을 갖는 전력 펄스를 포함하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 반응물은 촉매 물질의 표면상의 각 반응물에 대하여 단지 하나의 단일층을 형성하도록 분압을 갖는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 적어도 하나의 반응물은 기상인 것인 방법.
제102항에 있어서, 촉매 콜렉터의 하나 이상의 전자 농도를, 반응물을 가진 피흡수체-촉매 시스템의 하나 이상의 여기체 밴드 구조의 에너지 전이의 선택된 범위로 수정하는 단계를 더 포함하는 방법.
제112항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 하나 이상의 촉매 단일층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제112항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 반응물에 노출된 표면상에 하나 이상의 질서있는 전자 반사 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제112항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 반응물에 노출된 표면상에 하나 이상의 질서있는 홀 반사 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제112항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 박막 전자 간섭계의 하나 이상의 열 전자 파브리-페롯 모드를 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제112항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 하나 이상의 촉매 금속 단일층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제112항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 1∼100개의 촉매 금속 단일층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제112항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 하나 이상의 정수개의 촉매 금속 단일층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제112항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 복수개의 전자 경로 반사를 형성하도록 하나 이상의 전자 간섭계 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 하나 이상의 소모성 첨가물을 상기 반응물에 첨가하는 단계를 더 포함하는 방법.
제121항에 있어서, 상기 소모성 첨가물은 하나 이상의 촉매 물질을 포함하는 것인 방법.
제121항에 있어서, 상기 소모성 첨가물은 하나 이상의 반응 가속제 물질을 포함하는 것인 방법.
제121항에 있어서, 상기 소모성 첨가물은 하나 이상의 반응 감속제 물질을 포함하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 반응물은 탄화수소 체인을 포함하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 반응물은 촉매 콜렉터상에 하나 이상의 화합물을 증착하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 반응물은 촉매 콜렉터를 형성하는 하나 이상의 화합물을 포함하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 핫 캐리어에 의해 촉진되는 반응은 표면 파열을 야기하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 핫 캐리어에 의해 촉진되는 반응은 자기 촉매화 체인 반응을 야기하는 것인 방법.
제102항에 있어서, 상기 다이오드를 반응물의 증발열로 냉각시키는 단계를 더 포함하는 방법.
고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치에 있어서,

촉매 콜렉터와;

여기체 밴드 구조가 상기 촉매 콜렉터와 관련된 여기체 밴드 구조와 결합되어 있는 여기 에미터를 포함하고,

상기 여기 에미터에 인가된 에너지는 하나 이상의 에미터 여기체를 생성하고, 상기 에미터 여기체는 상기 촉매 콜렉터의 반응물로 이송되어 상기 이송된 에미터 여기체가 상기 촉매 콜렉터의 여기체를 활성화하며, 상기 여기체는 반응을 촉진하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제131항에 있어서, 상기 에미터 여기체는 소수 캐리어를 포함하는 것인 고체표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제131항에 있어서, 상기 에미터 여기체는 핫 캐리어를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치에 있어서,

촉매 콜렉터와;

여기체 밴드 구조가 상기 촉매 콜렉터와 관련된 여기체 밴드 구조와 결합되어 있는 여기 에미터를 포함하고,

상기 촉매 콜렉터에서 발생하는 피흡수체의 반응과 관련된 하나 이상의 여기체 펄스는 하나 이상의 제2 여기체로 변환되어 상기 여기 에미터에 이송되며, 여기에서 상기 에미터 여기체가 발생되어 하나 이상의 에너지 형태로 변환되는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제134항에 있어서, 상기 반응물은 기상 반응물을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제134항에 있어서, 상기 여기체의 펄스는 여기된 반응물 분자 진동을 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제134항에 있어서, 상기 피흡수체의 반응은 촉매 콜렉터의 표면에서 발생하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제134항에 있어서, 상기 피흡수체의 반응은 촉매 콜렉터의 표면과 함께 발생하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제134항에 있어서, 상기 에미터 여기체는 핫 캐리어를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제134항에 있어서, 상기 에미터 여기체는 소수 캐리어를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제140항에 있어서, 하나 이상의 제2 여기체는 핫 캐리어를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 에미터 여기체는 반응물 터널링에 의해 이송된 에너지를 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응 장치.
제1항에 있어서, 상기 촉매 콜렉터는 촉매, 촉매 물질 및 하나이고 동일한 p-n 접합 다이오드의 전극을 더 포함하는 것인 고체 표면 촉매 여기체 전송 반응장치.
제70항에 있어서, 상기 핫 캐리어는 전자이고, 상기 에미터의 여기체 밴드는 그 전도대인 것인 방법.
제70항에 있어서, 상기 핫 캐리어는 홀이고, 상기 에미터의 여기체 밴드는 그 가전자대인 것인 방법.
제72항에 있어서, 촉매 콜렉터의 물질 상태의 하나 이상의 전자 농도를, 상기 피흡수체 반응물을 가진 피흡수체-촉매의 선택된 여기체 밴드 구조와 일치하도록 수정하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
제78항에 있어서, 상기 수정하는 단계는 다수의 홀 반사를 야기하도록 하나 이상의 전자 간섭계 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
반응을 촉진하는 방법에 있어서,

촉매 콜렉터에 접촉된 여기 에미터의 다이오드에 파워를 인가하는 단계와;

상기 여기 에미터에 핫 캐리어를 생성하는 단계와;

공진 터널링을 이용하여 상기 핫 캐리어의 여기 에너지를 상기 촉매 콜렉터의 여기체 밴드 구조에 결합하는 단계와;

상기 여기 에너지의 공진 터널링이 상기 여기 에미터와 촉매 콜렉터 사이에서 필적하는 에너지 손실율의 3% 이상인 에너지 전송율을 나타내도록 촉매 콜렉터의 결합 물질의 두께 특성을 억제하는 단계를 포함하는 방법.
제148항에 있어서, 상기 두께 특성을 억제하는 단계는 상기 촉매 콜렉터의 전도성 결합 물질에 대하여 200 나노미터(nm)보다 작게 상기 두께를 억제하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제148항에 있어서, 상기 두께 특성을 억제하는 단계는 상기 촉매 콜렉터의 비전도성 결합 물질에 대하여 100,000 나노미터(nm)보다 작게 상기 두께를 억제하는 단계를 포함하는 것인 방법.