KR20130129886A - 강화된 필드들 및 전자 방출을 갖는 광학 안테나들 - Google Patents

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제이. 레이톤 필립
에제키엘 크루클릭
마하 아처
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퍼시픽 인테그레이티드 에너지, 인크.
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Abstract

전자기 에너지 수집 및 감지 디바이스가 기술된다. 디바이스는 에너지 수집을 위해 전자들을 방출하도록 강화된 필드들을 이용한다. 디바이스는 가시광, 적외선 방사선 및 자외선 전자기 방사선으로부터 에너지를 수집하도록 구성된다. 디바이스는 간극을 가로질러 전자 복귀 평면에 전자 방출을 야기하는 높은 로컬화된 전계를 생성하기 위해 도체를 따라 전계를 강화하도록 선택된 기하학적 외형을 갖는 도파관을 포함한다.

Description

강화된 필드들 및 전자 방출을 갖는 광학 안테나들{OPTICAL ANTENNAS WITH ENHANCED FIELDS AND ELECTRON EMISSION}
상호참조
본 출원은 2010년 6월 8일 출원된 미국 가특허 출원 번호 제61/352,697호를 우선권으로 주장하며, 상기 가특허 출원 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
전통적으로 자외선(UV), 가시선 및 적외선의 전자기 또는 광 에너지는 원하는 광자 에너지가 수집되도록 튜닝되는 밴드갭 에너지들을 갖는 반도체들을 이용하여 수집된다. 대안적으로, 광 에너지는 흡수체에 의해 열적 에너지로 변환될 수 있고, 이어서 열 에너지는 스터링 엔진들(sterling engines), 스팀 엔진들 또는 다른 방법들과 같은 종래의 열적 에너지 컬렉터들에 의해 수집될 수 있다. 이들 주요한 태양 에너지 수집 기술들은 1) 무기성의 반도체 기반 광발전(photovoltaic; "PV") 생성, 2) 유기체 기반 PV 생성, 3) 탄소 나노튜브들 및 양자 도트들(quantum dots)을 포함하는 나노기술(nanotechnology) 및 4) 태양열 또는 태양열 집중기(solar concentrator) 기술로서 추가로 그룹핑될 수 있다. 실리콘(반도체-기반) PV 기술들, 태양열 기술들 및 태양열 집중기 기술들은 가장 널리 이용되는 현재 상업적으로 이용 가능하고 완숙한 기술이다.
몇몇 경우들에서, 광발전 기술들은 광으로부터 에너지를 수집하기 위해 p-도핑된 및 n-도핑된 반도체 물질에 의해 생성되는 이산 밴드갭 전위들(discrete bandgap potentials)을 이용한다. 통상적인 무기성의 PV 효율들은 단일-접합 셀들에 대해서 10% 내지 3-접합 PV 셀들에 대해서 대략 28% 범위에 있을 수 있다. PV 기술은 밴드갭 에너지 수집 제한들에 의해 그리고 반도체 전기 저항에 의해 33% 에너지 수집 효율 미만으로 물리적으로 제한된다.
부가적으로 반도체-기반 PV는 이용된 물질들 및 제조 프로세스들과 연관된 높을 비용들을 갖는다. 물질 비용들은 희귀한 그리고 고가의 물질들의 이용 및 순(pure) 웨이퍼를 생산하기 위한 높은 비용을 포함한다. 제조 비용들은 반도체 시설, 이용되는 유독성 물질들의 제어 그리고 제조 동안 임의의 불순물들이 물건을 도핑하는 것을 방지하기 위한 청격도 요건을 구축하기 위해 막대한 자본 비용을 포함한다. 이들 비용들은, IC가 기능하도록 허용하는데 요구되는 모두는 아닐지라도 대부분의 피처들이 작은 영역에 위치될 수 있고, 다수의 디바이스들은 단일의 웨이퍼 상에서 생산되기 때문에 집적 회로(IC) 전자기기에 대해 합당할 수 있다.
IC 전자기기들에 대한 요구들에 대조적으로, 태양열 수집 기술은 광을 수집하기 위해 큰 표면 영역들을 필요로 한다. 큰 영역 요건은 PV-기반 태양 에너지를 생성하기 위한 표면 영역 비용으로 인해 고가의 프로세스들을 이용하는 디바이스들에 고유한 제한을 제공한다. 그러므로 다수의 에너지 시장들에 대해 무기성 PV들의 이용에 대한 비용 제약들이 존재한다.
현재 PV 기술에 대한 다른 주요한 부정적인 측면은 PV 디바이스들의 프로세싱 동안 그리고 최종 PV 물건에서 유해성 물질들을 이용한다는 것이다. 현재의 PV 디바이스들의 수명의 종료 이후에, 이러한 디바이스들에 포함되는 환경적으로 유해하거나 위험한 물질들은 환경적인 폐기 문제를 생성한다.
광자 에너지를 수집하는데 이용될 수 있는 기술의 다른 카테고리는 전압 강화 필드 방출(voltage enhanced field emission)을 이용하는 센서들을 포함한다. 이러한 디바이스들은 광전 효과(photoelectric effect)를 이용하여 통상적으로 낮은-세기 광자들을 검출하기 위해 높은 전압들을 이용한다. 이러한 디바이스들은 순 에너지 손실(net energy loss)을 갖고 외부 전력 소스를 이용하여 신호를 증폭한다. 이들 디바이스들은 이들이 생산하는 것보다 많은 전력을 소모하고, 에너지 컬렉터로서 유용하지 않다.
기술의 다른 카테고리는 기존의 검출기들 상에서 전계 강화가 광자-검출기들의 성능을 개선한다는 최근의 연구결과에 기초한다. 이 강화 방법은 원하는 위치들에서 전계를 강화하기 위한 표면 구조들을 이용한다. 이 기술의 카테고리에 따라 생성된 강화된 전계들은 디바이스들에서 더 뛰어난 전자 이동을 허용한다.
종래의 안테나들은 안테나 구조들로부터(안테나 구조들로) 원거리장 영역(far- field)로(원거리장 영역으로부터) 전기 전류를 변환하지만, 광학 안테나들은 또한 접촉 센서들에 의해 영상화 및 터치스크린 디스플레이들과 같은 근거리장 영역(near-field) 애플리케이션들을 위해 이용될 수 있다. 안테나 구조들은 매크로-스케일에서의 광학 안테나 어레이들의 기하학적 형상(geometrical shape)의 레버리지(leverage)를 통해 더 양호한 집적 유연성을 제공하고 전자기 필드 조작을 가능하게 하기 위해 단단한 또는 가요성 기판, 금속, 및 유전체 층들을 이용하여 설계될 수 있다. 유닛 셀 레벨에서의 마이크로-기하학적 구조 및 어레이 레벨에서의 매크로-기하학적 특징의 이러한 조합은 어레이의 유효한 유전율 및 투자율(permeability)의 가상 값들을 정의하는데 있어 더 양호한 자유도를 제공한다. 예를 들어, 에어(air) 및 내부 계면에서 전자기 흡수 및 굴절의 조작을 가능하게 하고 광학 안테나 효율들을 개선하기 위해 광 스펙트럼 내에서 전파 특성들을 갖는 메타물질(metamaterial) 구조들의 내부 층들을 이용한다. 또한, 광학 안테나들은 1) 열적 변환 없이 그리고 이를 통해, 2) 금속의 플라스몬 주파수들을 이용하지 않고 그리고 이를 이용하여 또는 3) 이러한 구조들을 구축하는데 이용되는 물질의 양자 특성들을 레버리징하지 않고, 그리고 이를 통해 이러한 변환을 수행할 수 있다.
이들 새로운 기술들이 약속하는 한, 대부분은 반도체 PV 기술들과 동일한 고유 효율 제한들을 부과하는 이산 양자 에너지 밴드들을 이용하여 광을 수집하는 것으로 제약된다. 접합들 또는 웰들의 수의 증가는 밴드갭들의 수를 증가시키고 이용 가능한 에너지를 증가시키며, 이는 가시광 스펙트럼에 걸쳐서 효율을 증가시킨다. 무기성의 반도체와 마찬가지로, 이 접근은, 각각의 새로운 웰 또는 접합이 그 아래의 (마스크)웰 또는 접합에 간섭할 수 있는 층을 생성하고 광 및 자유 전하 둘 다의 경로 길이를 증가시키기(이들은 흡수 및 전기적 저항으로부터의 손실들을 증가시킴) 때문에 부정적인 측면을 갖는다. 또한, 나노기술 및 양자 도트들은 유해성, 제조 능력 및 효율과 관련된 이슈들을 여전히 갖는다.
이들 광학 안테나들의 근본적인 구조들은 이들 작고 간단한 구조들이 크기, 비용, 효율 또는 정밀도가 적절한 다양한 애플리케이션들에서 이용되도록 허용하는 높은-수율로 그리고 보다 경제적으로 제조될 수 있다.
여기서 개시된 시스템들 및 방법들은 디스트레스 필드 소스(distressed field source)로부터 전자 방출을 생성하기 위해 필드 집중 방법을 이용하여 입사 전자기 파들로부터 에너지를 생성하는 광학 안테나들에 관한 것이다. 이러한 광학 안테나들은 광을 포착하고 전류 또는 전압을 이용하여 포착된 광을 에너지로 변환하거나, 또는 인가된 전류(전압) 또는 고도의 디스트레스 전자기 필드로부터 광을 방출하도록 전도성 및 유전체 층들을 이용하여 형성된 나노구조들에 기초한다.
몇몇 실시예들에서, 광의 전자기(EM) 필드들은 광자 컬렉터 및 변환 설계의 물리적 특징들에 의해 로컬적으로 강화된다. 일 실시예에서, 광의 전자기 파 성질을 이용하여, 광 파의 전계 및 자계는 도체 및 절연체 또는 유전체 층들 사이에서 구조적인 기하학적 외형들 및 적층(layering)을 이용하여 강화된다. 다른 실시예에서, 금속-코팅된 나노구체식 미립자들은 전자들과 입사 전자기 파의 집합적 커플링(collective coupling)을 생성한다. 몇몇 경우들에서, 금속 및 미립자의 크기는 이러한 커플링의 특성을 결정하며, 이는 또한 플라스몬 파라 불린다. 다른 실시예에서, 플라스몬 파들은 강한 로컬 필드 강화를 생성한다.
몇몇 실시예들에서, 필드 강화는 플라스몬들을 레버리징 하지 않고, 또는 레버리징을 통해 광학 안테나 기능들을 갖는 도파관을 이용하여 생성된다. 입사광은 넓은 범위의 주파수 범위에 걸쳐서 공명하는 도파관들의 형태로 구조들에서 트래핑되고, 이는 구조의 부분 상의 필드의 높은 집중을 통해 더 많은 광이 포착되고 전기 전류로 변환되는 것을 가능하게 하며, 이에 따라 전체 효율을 개선한다. 플라스몬들은 금속과 유전체의 계면에서 발생한다. 올바른 상황들 하에서, 광파들은 금속의 표면의 이동 전자들과 파들 사이에서 공명 상호작용들을 유도한다. 광학 안테나 구조에 의존하여, 이들 공명은 더 높은 차수의 모드들의 여기를 통해 또는 구조에서 트랩핑된 도파관들의 성질과 연관된 넓은 범위의 주파수 범위들에 걸쳐있다. 상호작용들은 표면 플라스몬들을 생성한다. 그러므로 표면 금속들의 선택적인 기하학적 외형을 이용하는 것은 주파수 종속 공명 흡수를 유도한다.
몇몇 실시예들에서 기술되는 시스템 및 방법들은 일반적으로 전자기 방사선의 수집 효율, 보다 구체적으로 가시광의 수집 효율을 개선하다. 몇몇 예들에서, 이 효과는 1)양자 밴드갭 제약들을 제거하고 전자기 방사선의 스펙트럼을 활용(예를 들어, 가시선 파장들에 대해서, 전체 가시선 및 근가시선 스펙트럼을 활용함)함으로써 및/또는 2)유도된 전기 전류의 수집을 전담하는 안테나 구조와 인접한 엘리먼트들 간의 매칭(matching)을 개선함으로써 자유 전자들의 저항을 낮춤으로써 달성된다. 디스트레스 필드, 필드 집중, 및 강화 필드들 사이에서 매칭, 방사선 필드, 방향성, 효율 등과 같은 종래의 안테나 파라미터들과의 직접적인 관련성이 존재한다. 부가적으로, 특정한 예들에서, 여기서 기술된 시스템들 및 방법들은 반도체 물질들을 요구하지 않거나 또는 포함하지 않는다. 몇몇 예들에서, 반도체 물질들의 부재는 종래의 반도체-기반 광전변환 공학(photovoltaics)보다 상당히 덜 고가인 디바이스를 발생시킨다. 몇몇 잠재적인 애플리케이션들에서, 반도체는 바람직한 선택이다.
몇몇 실시예들에서, 여기서 기술된 시스템들 및 방법들은 전자 방출을 생성하기 위해 강화된 필드를 이용하여 전자기 에너지를 수집한다. 몇몇 경우들에서, 여기서 기술된 시스템들 및 방법들은 전자기 스펙트럼으로부터 에너지를 포착하기 위해 도체들에서 로컬화된 필드 강화들을 생성하도록 입사 전자기 파의 스케일의 피처 크기들을 이용한다. 즉, 전체 에너지 수집을 개선하고, 에너지가 광의 특정한 파장으로부터 수집되는 방식 및 효율을 개선하기 위해 시스템을 튜닝하고, 전기 전류의 효율적인 변환을 가능하게 하도록 매칭 등을 하기 위해, 여기서 기술된 방법 또는 시스템의 피처 크기들, 구조적 특징들, 이용되는 물질 및/또는 기하학적 외형(예를 들어, 리세싱된 구조의 폭, 길이, 직경들, 형상들, 깊이들, 하강 각도(descending angle) 등; 리세싱된 구조들 간의 거리들; 애노드들의 형상들 또는 연결성 등)은 조정 가능하다.
몇몇 실시예들에서, 전계는 높은 필드 세기의 영역을 생성하는 디바이스의 기하학적 외형을 갖는 도체에서 포착된다. 필드의 세기는 간극을 가로질러 접지 평면으로 또는 계면을 통해 전기 전류 포트들로 전자 방출을 야기하는데 충분하여 전위차 및 전류를 생성한다. 몇몇 실시예들에서, 여기서 기술되는 시스템 또는 방법은 UV, 가시선 및/또는 적외선 광을 수집하는데 활용된다. 예를 들어, 특유의 피처 크기들 및 기하학적 외형들은 자외선(UV), 가시선 및/또는 적외선(IR) 광이 단일의 기하학적 외형을 이용하여 포착되는 시스템을 제공한다.
여기서 제공되는 시스템 및 방법들은 예를 들어, 태양 에너지 수집, 센서들, 근거리장 영역 이미징, 터치-스크린, 클로킹(cloaking), 집중된 전자기 에너지 수집 및 광학-전기 신호 변환을 포함하는 다양한 세팅들에서 응용 가능하다. 다른 예로서, 여기서 제공되는 시스템들 및 방법들은 전기 전력을 요구하는 애플리케이션들을 위해 또는 다른 전자기 센서 및 시스템 애플리케이션들을 위해 이용된다.
일 양상에서, 필드-강화 에너지 수집 디바이스 또는 디바이스는,
베이스 표면을 포함하는 기판으로서,
상기 베이스 표면은 베이스 표면으로부터 하향으로 테이퍼링되는 하나 이상의 경사진 벽 표면들을 갖는 적어도 하나의 리세싱된 구조를 포함하고, 경사진 벽 표면들 사이에 리세스 공극이 형성되고,
리세스 공극은 비어있거나 투과성 또는 반투과성 물질로 충전되고,
하나 이상의 경사진 벽 표면들은 접촉하거나 베이스 표면으로부터 거리를 두고 있는 다른 하나에 근접해 있고,
하나 이상의 경사진 표면들은 전자기 에너지 전도성 도파관 물질을 포함하고,
상기 전자기 에너지 전도성 도파관 물질은 리세스 공극에 광학적으로 노출되는, 상기 기판; 및
애노드를 포함하고,
상기 디바이스는 리세싱된 구조의 전자기 에너지 전도성 도파관 물질과 애노드간의 간극을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 디바이스의 전자기 수집 영역은 광학 안테나 구조들의 어레이 및 평면(예를 들어, 베이스 표면)을 가로지르는 도파관들(예를 들어, 리세싱된 구조 내에서)을 포함한다. 특정한 실시예들에서, 리세싱된 구조(들), 광학 안테나 구조들, 도파관들, 애노드들, 또는 여기서 기술된 시스템의 또는 디바이스의 다른 부분들은 수집될 전자기 스펙트럼에 맞춰진다. 바람직하게는, 리세싱된 구조는 원뿔 구조들, 피라미드 또는 경사진 또는 테이퍼링되는 다른 다각형 구조와 같이 하나 이상의 기울어진 또는 테이퍼링된 구조들을 포함하고, 도파관은 상기 하나 이상의 기울어진 또는 테이퍼링된 구조들의 표면에 광학적으로 노출되거나 이들의 표면에 존재한다(즉, 광이 도달할 수 있음). 이러한 광학 안테나들은 도체들 및 절연체들이 잠재적으로 상이하게 행동하는 광 주파수들에서 이들이 동작한다는 것을 제외하면 라디오 주파수("RF") 호른 안테나들에 유사하다. 몇몇 실시예들에서, 리세싱된 구조의 내부 벽 표면과 베이스 표면 간의 각도(도 3a의
Figure pct00001
참조)는 약 90˚이거나 또는 약 70˚ 내지 85˚이거나, 또는 약 54˚ 내지 70˚이거나, 또는 90˚ 미만이거나 또는 기타 등등이다. 몇몇 예들에서, 최상부에서 아래로 리세싱되는 하부(깊이) 까지의 크기는 수집될 광의 파장들을 결정하거나 영향을(적어도 부분적으로) 준다. 몇몇 예들에서, 최상부 표면은 구조에서 광의 트랩핑을 추가로 개선하기 위해 곡선의 또는 사선의 에지들을 추가로 포함한다. 몇몇 예들에서, 하부 표면은 전자 방출 레벨에서의 필드 세기 및 전기 회로 계면과의 매칭 조건을 추가로 개선하기 위해 곡선의 또는 사선의 에지들을 추가로 포함한다. 몇몇 예들에서, 이들 구조들은 전자기 에너지 수집의 스펙트럼의 수집을 제공하거나, 또는 이를 용이하게 한다. 일반적으로, 이들 구조들은 여기서 기술된 시스템들 및 디바이스들에 대한 전자 이미터 또는 캐소드를 형성한다.
부가적으로, 몇몇 예들에서, 이들 구조들의 2개 이상의 구조들 간의 간격(적어도 2개의 리세싱된 구조들의 베이스 표면 치수를 제공함 - 도 3a의 311 참조)은 다른 파장들을 위한 공명 영역들을 생성한다. 즉, 특정한 예들에서, 기울어진 구조들은 하나의 스펙트럼의 파장들을 수집하고, 이들 간의 거리는 다른 스펙트럼의 파장들을 수집하며, 이에 따라 다수의 파장들의 수집을 제공하거나 용이하게 한다. 몇몇 경우들에서, 유닛 셀 레벨에서의 광학 안테나 구조는 어레이내의 지점마다 상이하여, 공기 또는 내부 층 계면들에서 전자기 필드 흡수 및 전파의 더 높은 조작을 가능하게 한다.
부가적인 실시예는 튜브 구조(예를 들어, 여기서
Figure pct00002
는 90˚임)를 포함한다. 몇몇 경우들에서, 튜브 구조는 형상이 원형, 타원형 또는 다각형이다. 테이퍼링된 구조 대신에, 이 옵션은 하나의 폭 또는 타원형 또는 다각형 형상에 대해 제한된 수의 폭들을 갖는다. 특정한 예들에서, 이러한 구조는 특유의 파장들로부터 에너지를 수집하기에 적합한 디바이스 또는 시스템을 제공한다. 특정한 예들에서, 세팅된 거리들을 갖는 이러한 구조들(예를 들어, 복수의 상이한 베이스 표면 치수들 및/또는 기하학적 외형들을 갖는)의 어레이는 또한 수집될 부가적인 특유의 파장들을 제공한다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 시스템은 광의 특유의 타입들/파장들로부터의 에너지가 수집되는 에너지 수집 디바이스들에서 또는 센서들로서 유용하다. 특정한 예들에서, 이들 디바이스들의 어레이들의 폭을 변화시키는 것은 특정한 크기를 갖는 각각의 디바이스로부터의 신호 세기를 결정함으로써 파장-특유 정보의 수집을 허용한다. 그럼으로써, 이것과 같은 디바이스는 특유의 주파수 검출기에서 선택적으로 활용된다.
특정한 실시예들에서 수집 구조(리세싱된 구조)는 원형 횡단면을 갖는 원뿔이지만; 다른 실시예들에서 수집 구조는 예를 들어, 정사각형, 타원형, 5각형, 다각형 또는 심지어 접시형(parabolic)과 같이 다른 형상들을 갖는다. 몇몇 예들에서, 수집 구조의 테이퍼링된 횡단면은 표면을 따라 다수의 위치들에서 각각의 파장이 수집되는 노드들을 생성한다. 몇몇 예들에서, 수집 구조는 전자 방출 레벨에서의 필드 세기 및 전기 회로 계면과의 매칭 조건을 추가로 개선하기 위해 곡선, 나선 또는 사선의 에지들을 추가로 포함한다. 몇몇 예들에서, 구성은 다수의 구조들을 서로 근접하게 패킹하여서 수집 표면의 실질적인 부분은 원뿔들에 의해 커버된다. 특정한 애플리케이션들에서, 6각형들과 같은 테이퍼링된 다각형 구조들은 패킹 밀도를 증가시키는데 더 유리하다. 부가적인 실시예들은 다른 것들보다 특정한 주파수들을 강화하기 위해 노드들을 생성하도록 또는 공명 영역들을 변경하도록 비균일한 영역들을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 구조들은 삼각형 또는 접시형인 트랙들이다. 몇몇 예들에서, 디바이스는 동심원 또는 나선원, 정사각형, 또는 다른 구조들로 제조된다. 이는 디바이스가 손상의 영향을 제한할 수 있거나, 또는 디바이스의 제조를 용이하게 할 수 있는 몇 개의 격리된 영역들을 갖는 것을 가능하게 한다. 몇몇 예들에서, 디바이스에 대한 구조의 실시예들은 불량 셀들을 갖는 것들을 우회하도록 클러스터링된다. 일반적으로, 제조 프로세스는 어떠한 셀들도 제조 동안 쇼트되지 않도록 규정되지만; 일부는 개방 회로(open circuit)를 제공할 수 있다.
바람직한 넓은 스펙트럼 에너지 수집 실시예에 대해서, 구조들은 구조의 베이스가 최상부에 있고 구조가 하향으로 테이퍼링되도록 역전된다. 최상부의 베이스는 태양 또는 다른 광 에너지의 소스를 향한다. 몇몇 예들에서, 최상부 베이스 직경(또는 다른 횡단면 치수, 즉 리세싱된 구조의 베이스 표면 치수)은 전자기 스펙트럼의 적외선(IR) 부분, 가시선 부분 및 자외선(UV) 부분을 포함하는, 수집된 광의 최장 파장과 비슷하다. 가시선 부분에 대해서, 도파관 베이스(또는 베이스 표면 치수들)는 일 실시예에서, 약 1000나노미터(nm) 내지 600nm 또는 800nm 내지 750nm이다. 치수들은 자외선 광에 대해서 더 짧다. 몇몇 실시예들에서, 적외선 수집을 위해, 베이스는 1미크론보다 더 대형이거나 크다. 특정한 예들에서, 1 미크론 초과로 베이스의 크기의 이러한 증가는, 더 많은 양의 영역이 적외선 광에 전용되기 때문에 기사광의 수집 효율을 감소시킬 것이다. 그럼으로써, 수집될 원하는 주파수 범위는 도파관 수집 치수들을 선택할 때 고려될 필요가 있다.
특정한 예들에서, 호른(horn) 안테나들과 유사한 기울어진 기하학적 외형은, 입사 스펙트럼의 파장들의 범위가 광의 각각의 파장에 대응하는 도파관 구조에서의 각각의 직경 또는 폭을 갖는 트랩 영역(trap region)을 갖는 환경을 생성한다. 몇몇 경우들에서, 이 트랩핑은 최상부 또는 하부 표면들에서 사선의 또는 원통형의 표면들을 포함함으로써, 또는 기울어진 기하학적 외형의 내부 표면을 따라 홈들 또는 임의의 부류의 표면 거칠기를 포함함으로써, 또는 내부측을 따라 메타물질 공명 구조들 또는 금속-절연체-금속("MIM") 층을 포함함으로써 추가로 강화된다.
몇몇 예들에서, 도파관 구조는 원하는 수집 특성들에 의해 결정되는 두께를 갖는 도체(예를 들어, 전자기 에너지 전도성 물질)를 포함한다. 특정한 실시예들에서, 두께는 도체 매체의 전자기 스킨 깊이의 파장과 비슷하다. 특유의 실시예들에서, 도파관들의 벽에 대해 유용한 도체들은 금, 은, 구리 및 알루미늄과 같은 금속들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 다른 비-금속 물질들이 또한 이용된다. 예를 들어, 그래핀은 매우 낮은 저항 광 트랩을 생성하는 특정한 상대적인 양자 전자 동적 특성들(relativistic quantum electrodynamic properties)을 갖는다. 적합한 예들에서, 전도성 표면 계면에서 플라스몬 파를 생성하는 임의의 물질은 입사 파장 및 원하는 수집 스펙트럼에 의존하여 각도들을 변화시키도록 작동할 것이다. 몇몇 실시예들에서, 전도성(또는 도파관) 층은 SiO2와 같은 유전체 또는 플라스틱 또는 다른 비전도성 매체와 같이 임의의 다른 쉽게 제조되는 물질에 의해 지지된다.
일 선택적인 모드에서, 다수의 도체들, 다수의 금속층들, 금속-절연체-금속(MIM) 층들, 또는 메타물질-기반 층들은 상이한 물질 층들 간의 계면에서 생성되는 플라스몬 파를 수정하도록, MIM 층들을 통한 광 트랩핑을 추가로 강화하기 위해, 또는 MIM 층들에 따른 전자 양자 터널링을 가능하게 하기 위해 이용된다. 적합한 예들에서, 유전체/금속 또는 바이메탈(bimetal) 계면에서 플라스몬 파와 결합되는 금속의 정상파들(standing waves)은 각각의 도파관 구조의 첨단에서 높은 필드 영역을 생성한다. 전도성 물질 계면들에서의 플라스몬 파는 그의 파장에 매칭하는 원뿔의 영역에 아직 도달하지 않는 더 짧은 파장 광에 대해서 원뿔에 따라 도파관을 생성한다. 특정한 예들에서, 도파관 구조의 첨단 구조에서의 강화된 필드는 전자들이 간극을 가로질러 방출되는 로컬화된 높은 필드 영역(localized high field area)을 생성한다. 적합한 예들에서, 간극은 디바이스의 요구되는 동작 전압 및 간극의 유전체 세기에 기초하여 디바이스에 대해 맞춰진다. 가시광에 대한 구성의 특유의 실시예들에서, 간극 거리는 수집될 광의 최단 파장 미만이지만, 몇몇 예들에서, 이것보다 큰 간극 거리가 또한 도움이 될 것이다. 이 도파관 첨단은 필드 이미터에 대한 캐소드를 생성한다.
적합한 예들에서, 강화 필드는, 적절한 매칭이 전자 수집 계면에서 도달될 때 전도성 캐소드로부터 간극을 뛰어넘어 애노드 또는 접지 평면에 야기한다. 몇몇 실시예들에서, 전자 전류는 광의 세기, 도파관의 기하학적 외형 및 물질들, 유전체 물질, 2개의 도체들 간의 거리, 캐소드 애노드 간극 양단의 임의의 전압 및 그 지점의 강화된 필드의 함수이다. 특정한 실시예들에서, 전압은 필드 세기 및 유전체 물질 또는 진공 간극의 함수이다.
적합한 예들에서, 접지 평면, 또는 애노드는 방출된 전자들을 수집한다. 접지 평면은 적절한 매칭 조건들을 갖는 로드에 연결된다. 몇몇 실시예들에서, 로드는 유리하게는, 모터, 배터리, 저장 디바이스, 또는 여기서 개시된 에너지 컬렉터에 의해 생성되는 전기 에너지를 이용 또는 수집하고 터치스크린 애플리케이션들 또는 센서들의 경우 전류 세기를 감지하는 임의의 다른 디바이스이다. 일 실시예에서, 애노드는 캐소드를 향해 위로 뾰족해지는 역전된 테이퍼링된 구조를 가지며, 캐소드는 원뿔 구조의 전자 방출 첨단이다. 이는 캐소드와 애노드 간의 더 높은 필드 교란(field disturbance)을 생성한다.
시스템 및 방법들의 특정한 실시예들에서, 캐소드 및 애노드는 캐소드와 애노드 간의 필드를 변경하는 전압 소스에 연결된다. 몇몇 실시예들에서, 이 연결은 다양한 타입들의 애플리케이션 로드들에 대해 전자 전류를 증가시키거나 전압을 증가시킨다. 특정한 실시예들에서, 이는 애노드가 전자들을 방출하게 하여, 전류를 반전(reversing)시킨다. 적합한 예들에서, 전류 반전이 특정한 전압의 인가 이후에 요구되는 특정한 애플리케이션들이 존재하고; 이 애플리케이션들은 몇몇 예들에서, AC 전압 조절기 또는 커플링을 포함한다.
본 발명의 양상들에 따른 시스템 및 방법은 첨부된 도면들에 따라 여기서 개시된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 광(또는 전자기 스펙트럼의 다른 파장의 에너지)이 최상부로부터 역전된 테이퍼링된 구조의 베이스인, 도파관 내로 진입하는 테이퍼링된 도파관 수집 구조의 실시예의 투시뷰를 예시하는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라, 애노드 위에 캐소드들 또는 도파관들의 어레이의 투시뷰를 예시하는 도면.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따라, 캐소드들 및 전도성 접지 평면(애노드) 간의 유전체를 도시하고 캐소드가 위치되는 구조들인 도 2의 도파관의 어레이의 횡단면 입면뷰들을 예시하는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 수집 원뿔의 첨단(tip)의 전계의 강화를 도시하는 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따라, 로컬화된 필드 강화를 증가시키기 위해 각각의 캐소드로 포인팅되는 역전된 애노드를 갖는 테이퍼링된 도파관 구조들을 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라, 수집 구조의 전자 방출 첨단 및 접지 평면 사이의 간극 양단의 전압을 증가시키기 위해 저 전류 또는 0 전류 전압 소스를 이용하는 시스템의 변동물에 대한 전기 회로를 예시하는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 도파관 구조가 보다 좁은 스펙트럼의 파장들의 광을 수집하도록 설계되는 특별한 구조(이 구조는 테이퍼링되지 않고 원통형임)를 도시하는 도면.
도 8은 각각의 캐소드가 연속적인 영역인 트랙 구조를 도시하는 도면. 방출 영역은 본 발명의 실시예에 따라 디바이스의 테이퍼링된 하위 영역에 의해 형성된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광학 안테나의 기능적 블록도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 광학 안테나 나노-구조들을 매크로 기하학적 외형들 내로 임베딩하는 것을 개략적으로 예시하는 도면.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 테이퍼링된 구조의 변동물들을 예시하는 도면.
도 12a는 본 발명의 실시예에 따라 필드 강화 영역을 갖는 광학 도파관을 예시하는 도면.
도 12b는 본 발명의 실시예에 따라 필드 강화 영역을 갖는 광학 도파관을 예시하는 도면.
도면들 및 다음의 설명은 본 발명을 구현하기 위한 시스템 및 방법의 바람직한 실시예들을 예시한다. 몇몇 실시예들에서, 다른 형상들 및 구성들이 전자기 파로부터 전계를 수집하고 전자들이 디스트레스 필드 포인트(distress field point) 또는 라인으로부터 방출되는 전도성 평면 위의 로컬화된 필드 영역으로 전계를 통과시키게(funneling)하는 개시된 효과를 생성하는데 또한 이용된다.
여기서 이용되는 바와 같은 용어 "도파관"은 전자기 에너지와 같은 파형들을 안내하는 구조 또는 디바이스를 지칭한다.
여기서 이용되는 바와 같은 용어 "전자기 에너지"는 파-유사 행동(wave-like behavior)을 표출하는 에너지의 형태인 전자기 방사선(또한 여기서 "광")을 지칭한다. 전자기 방사선은 라디오 파들, 마이크로파들, 적외선 방사선, 가시광, 자외선 방사선, X-선 및 감마선을 포함한다. 전자기 방사선은 전자기 상호작용의 양자 및 광의 베이스인 광자들을 포함한다.
여기서 이용되는 바와 같은 용어 "인접한"은 접촉하는, 또는 부근의와 같이 서로 접하거나 옆에 있는 것을 포함한다. 다른 층, 디바이스 또는 구조에 인접한 층, 디바이스 또는 구조는 다른 층, 디바이스, 또는 구조에 접하거나 그 옆에 있다. 일 예에서, 제 2 구조에 인접한 제 1 구조는 제 2 구조 바로 옆에 있다. 여기서 기술되는 임의의 디바이스의 인접한 컴포넌트들은 여기서 기술된 용도에 대해서와 같이 디바이스가 기능하도록 서로에 대해 이렇게 접촉하거나 부근에 있다. 몇몇 예들에서, 서로 부근에 있는 인접한 컴포넌트들은 서로의 20 미크론 내에, 서로의 10 미크론 내에, 서로의 5 미크론 내에, 서로의 1 미크론 내에, 서로의 500 nm 내에, 서로의 400 nm 내에, 서로의 300 nm 내에, 서로의 250 nm 내에, 서로의 200 nm 내에, 서로의 150 nm 내에, 서로의 100 nm 내에, 서로의 90 nm 내에, 서로의 80 nm 내에, 서로의 75 nm 내에, 서로의 70 nm 내에, 서로의 60 nm 내에, 서로의 50 nm 내에, 서로의 40 nm 내에, 서로의 30 nm 내에, 서로의 25 nm 내에, 서로의 20 nm 내에, 서로의 15 nm 내에, 서로의 10 nm 내에, 서로의 5 nm 내에, 또는 기타 등등 내에 있다. 몇몇 예들에서, 서로 부근에 있는 인접한 컴포넌트들은 진공, 공기, 가스, 유체 또는 고상 물질(예를 들어, 기판, 도체, 반도체 등)에 의해 분리된다.
여기서 이용되는 바와 같은 용어 "필드 강화 영역"은 도파관 또는 도파관과 광학적 통신하는 구조에서 전계를 강화하거나 집중시키는 구조 또는 디바이스를 지칭한다.
여기서 이용되는 바와 같은 용어 "전극"은 전자가 디바이스 또는 구조에 진입하거나 떠나는 도체를 지칭한다. 몇몇 경우들에서, 전극은 디바이스의 애노드를 포함한다. 다른 경우들에서, 전극은 디바이스의 캐소드를 포함한다.
전계 강화 에너지 수집 디바이스
본 발명의 일 양사에서, 필드-강화 에너지 수집 디바이스들이 제공된다. 일 실시예에서, 필드-강화 에너지 수집 디바이스는 기판을 포함한다. 기판은 하향으로 테이퍼링(tapering)되고 베이스 표면으로부터 멀어지는 하나 이상의 경사진 벽 표면들을 갖는 적어도 하나의 리세싱된 구조를 갖는 베이스 표면을 포함하며, 경사진 벽 표면들 사이에 리세스 공극(recess void)이 형성된다. 리세스 공극은 비어있거나 투과 또는 반투과 물질로 충전된다. 하나 이상의 경사진 벽 표면들은 베이스 표면에 접촉하거나, 근접해 있다. 하나 이상의 경사진 표면들은 전자기 에너지 전도성 도파관 물질을 포함하며, 전자기 에너지 전도성 도파관 물질은 리세스 공극에 광학적으로 노출된다. 디바이스는 기판에 인접한 전극을 추가로 포함한다. 몇몇 경우들에서, 전자기 에너지 전도성 도파관 물질은 디바이스의 캐소드를 포함하고, 전극은 애노드를 포함한다. 대안적으로, 전자기 에너지 전도성 도파관 물질은 애노드를 포함하고 전극은 캐소드를 포함한다. 디바이스는 리세싱된 구조의 전자기 에너지 전도성 도파관 물질과 애노드 사이에 거리("간극")를 포함한다. 몇몇 상황들에서, 간극에 대한 거리는 약 100 나노미터("nm") 미만이고, 최적의 거리는 물질 조직(material morphology)에 의존한다. 일 실시예에서, 평활한 표면들을 위해, 거리는 약 1 nm 내지 60nm이거나, 또는 5nm 내지 30nm이다. 특정한 실시예들에서, 거리("간극")는 약 1nm 내지 약 500nm, 약 1nm 내지 약 200nm, 약 1nm 내지 약 100nm, 약 1nm 내지 약 50nm, 약 1nm 내지 약 20nm, 약 20nm 내지 약 100nm, 약 20nm 내지 약 50nm, 약 20nm 미만, 약 50nm 미만 또는 임의의 적합한 거리이다. 전자가 도파관 물질로부터 애노드로 방출되는 몇몇 예들에서, 거리("간극")는 약 1nm 내지 약 500nm, 약 1nm 내지 약 200nm, 약 1nm 내지 약 100nm, 약 1nm 내지 약 50nm, 약 20nm 내지 약 100nm, 약 20nm 내지 약 50nm, 약 50nm 미만, 또는 임의의 적합한 거리이다. 전자들이 도파관 물질로부터 애노드로 터널링(tunnel)하는 몇몇 예들에서, 거리는 약 1nm 내지 약 50nm, 약 1nm 내지 약 20nm, 약 20nm 미만, 또는 임의의 적합한 거리이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 여기서 제공되는 광학 안테나들의 기능적 블록도를 도시한다. 이 도면은 기하학적인 도파관들에 의해 원거리장 영역-근거리장 영역 광 트래핑을 위해 3개의 기본적인 빌딩 블록들을 도시한다. 표면 플라스몬의 선택적 여기는 선택된 금속 및 유전체 기판들의 공명 주파수들에 의존하여 발생한다. 접지 평면 근처에 위치되는 간극으로 향하는 필드 집중 영역(field concentration region)은 접지 평면 표면으로의 자유 전자들을 위해 공명 필드들을 집성(aggregating)하는 것을 전담한다. 전자들은 또한 접지 평면 위에 그리고/또는 기하학적인 도파관들의 내부 층들을 따라 금속-절연체-금속("MIM") 층들의 구성 및/또는 물질을 선택함으로써 양자 기계적 터널링(또한 여기서 "양자 터널링")을 통해 자유롭게 된다(또는 생성된다). 이들 빌딩 블록들의 기능들 및 그의 대응하는 상호연결은 기본적으로 종래의 근거리장 영역 또는 광발전 효과들과 상이하다. 또한, 몇몇 경우들에서, 이러한 나노-구조 광학 안테나들은 집적(integration)과 더불어 부가적인 유연성을 허용하기 위해 단단한 또는 가요성 시트들 또는 기판들 상의 어레이들로서 제조된다. 일 예에서, 가요성 시트들은 입사광의 방향성을 감지하거나 컨포멀 맵핑(conformal mapping)을 통해 전자기 근거리장 영역 조작을 허용하도록 도 10에서 도시된 것과 같이 정해진 기하학적 형상들에 컨포멀하다. 예를 들어, 도 10에서, y-축에 평행한 벡터를 따라 전파하는 입사 전자기 에너지("광")는 네거티브 y-축을 따라 위치되는 나노-구조들에 의해 보다 효과적으로 포착된다. 몇몇 경우들에서, 이러한 나노구조들은 입사 신호의 방향성을 보다 효과적으로 감지한다. 몇몇 애플리케이션들에서, 이는 입사광의 방향성의 감지 또는 맵핑을 가능하게 한다. 즉, y-축을 따라 배향되는 도파관들은 y-축을 따라 배향되는 광에 응답하여 임의의 전자를 감지할 수 있게(또는 검출할 수 있게) 생성하지 않는 x-축을 따라 배향된 도파관보다 단위 시간 당 더 많은 전자들(또는"전류")을 생성한다. 어느 도파관 또는 도파관들의 그룹이 가장 많은 전류를 생성하는지를 결정함으로써, 입사광의 방향성이 결정된다.
몇몇 실시예들에서, 필드-강화 에너지 수집 디바이스의 전자기 에너지 전도성 도파관 물질과 전극 간의 간극은 진공 공극, 기판 또는 이들의 조합을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 전자기 에너지 전도성 도파관 물질은 캐소드이다. 다른 실시예들에서, 캐소드는 전자기 에너지 전도성 도파관 물질로부터 분리된다. 특정한 실시예들에서, 전자기 에너지 전도성 도파관 물질 및/또는 캐소드는 Al, Ag, Au, Cu, Ni, Pt, Mn, Mg, W, Ti, Ru, Rh, C 또는 그래핀(Graphene)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질들과 같은 전도성 물질을 포함하거나 이들로 구성된다.
몇몇 실시예들에서, 필드-강화 에너지 수집 디바이스의 기판은 비-전도성 또는 반도체 물질이다. 기판은 유전체, 플라스틱, 세라믹, 반도체 또는 이들의 조합들을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 리세싱된 구조의 베이스 표면 치수들(310)(예를 들어, 여기서 기술된 디바이스 또는 시스템의 베이스 표면에서 리세싱된 구조의 폭, 직경, 길이 등 - 도 3a의 310을 참조)은 임의의 적합한 크기이다. 특정한 실시예들에서, 도 3a의 표면(303) 상의 개구로서 정의되는 베이스 표면 치수는 횡단면 치수(예를 들어, 개구가 원형인 경우 직경), 또는 에지 치수(예를 들어, 원형의 개구의 원주 또는 다각형 개구에 대해서 한 측의 길이) 등의 치수이다. 몇몇 실시예들에서, 베이스 표면 치수(횡단면과 같은, 예를 들어, 원의 경우 직경 또는 에지 치수)는 약 5 nm보다 크고, 약 20nm보다 크거나, 또는 약 100nm보다 크거나, 또는 약 250nm보다 크거나, 또는 약 500nm보다 크거나, 또는 약 1 마이크로미터("미크론")보다 크거나, 또는 2 마이크로미터들보다 크거나, 또는 약 5nm 내지 약 5미크론(예를 들어, 가시선에 대해), 또는 약 5 nm 내지 약 20 미크론들(예를 들어, 가시선 및 적외선에 대해), 또는 약 5 미크론 내지 약 20 미크론, 또는 약 10 미크론 내지 약 20 미크론(예를 들어, 적외선에 대해) 등이다.
몇몇 실시예들에서, 필드-강화 에너지 수집 디바이스의 기판은 전자기 에너지 전도성 도파관 물질 및 애노드 둘 다와 접촉한다. 특정한 실시예들에서, 리세싱된 구조는 원뿔, 피라미드, 다각형, 선형 트랙 또는 원형 트랙이다.
몇몇 실시예들에서, 리세스 공극은 진공 또는 불활성 물질을 포함한다. 특정한 실시예들에서, 불활성 물질은 불활성 가스 또는 불활성 고체를 포함한다.
다른 실시예들에서, 리세스 공극은 유기체 PV 물질과 같은 반도체 광발전("PV") 물질을 포함한다. 특정한 실시예들에서, 유기체 광발전 물질은 TiO2 및 전해물을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 필드-강화 에너지 수집 디바이스는 투명 외투 보호층을 추가로 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 필드-강화 에너지 수집 디바이스의 전자기 에너지 전도성 도파관 물질은 리세싱된 구조의 표면 상에 안착된다. 필드-강화 에너지 수집 디바이스는 복수의 리세싱된 구조들을 포함한다.
몇몇 상황들에서, 복수의 리세싱된 구조들의 전자기 에너지 전도성 도파관 물질은 베이스 표면에 대향하는 기판의 표면 상의 전자기 에너지 전도성 도파관 물질에 의해 상호연결된다. 특정한 실시예들에서, 복수의 리세싱된 구조들 각각은 리세싱된 구조로부터 이격된 격리된 애노드를 포함한다. 일 실시예에서, 격리된 애노드는 간극의 도움으로 리세싱된 구조로부터 이격된다. 간극은 복수의 리세싱된 구조들로부터 애노드를 전기적으로 격리한다. 몇몇 경우들에서, 이는 디바이스가 영상 생성 센서로서 동작하는 것을 가능하게 한다.
몇몇 실시예들에서, 애노드는 전자기 에너지 전도성 도파관 물질로부터 이격된 평탄한 표면을 포함한다.
특정한 실시예들에서, 애노드는 전자기 에너지 전도성 도파관 물질로부터 이격된 평탄한 표면을 포함하고, 평탄한 표면으로부터의 돌출부를 추가로 포함하며, 애노드 돌출부와 전자기 에너지 전도성 도파관 물질 간의 간극은 애노드 평탄한 표면과 전자기 에너지 전도성 도파관 물질 간의 간극 미만이다.
예시적인 도 1은 여기서 기술되는 시스템들 및 방법들의 특정한 실시예의 테이퍼링된 도파관 수집 구조(100)의 투시뷰이다. 수집 구조는 베이스(102)로부터 지점(104)으로 테이퍼링되는 전도성 물질을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 전도성 물질은 전도성 박막(thin conducting film)이다. 몇몇 상황들에서, 전도성 물질은 금, 구리, 은, 알루미늄, 그래핀(하나의 원자 두께 평면 시트의 밀집하게 패킹된 탄소 원소들의 꿀벌집의 6각형 결정 격자(honeycomb crystal lattice)), 또는 전기적으로 전도성인 다른 탄소 물질들과 같은 금속들 또는 금속 물질들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 전도성 물질은 하나 이상의 전도성 물질들로 구성된다. 특정한 예들에서, 전도성 물질의 두께는 전도성 매체의 전자기 스킨 깊이(electromagnetic skin depth)의 파장과 비슷하다.
도 1에서 예시되는 바와 같이, 일 실시예에서, 테이퍼링된 수집 구조(100)는 베이스(102)가 최상부에 위치되고 지점(104)이 하부에 위치되도록 역전된다. 원뿔은 최상부에서 "개방"되어 베이스(102)는 전자기 방사선(예를 들어, 가시선 및/또는 적외선 광)에 대해 투과성이다. 몇몇 실시예들에서, 원뿔은 광학적으로 투과성 물질(예를 들어, 가시선 및/또는 적외선 광에 대해 투과성임)로 충전된다. 적합한 예들에서, 베이스는 태양 또는 다른 광 또는 전자기 에너지의 소스를 향하도록 지향되어서 광(또는 다른 파장의 전자기 스펙트럼에서의 에너지)은 최상부를 통해 도파관에 진입하고 첨단 이미터를 향해 전파한다. 몇몇 실시예들에서, 예시된 실시예의 베이스는 원형이다. 다른 실시예들은 원뿔 내의 노드 지점들을 생성하기 위해 비-원형 베이스들을 제공한다. 통상적인 도파관들과 달리, 몇몇 예들에서의 개시된 도파관들의 공통적인 특징은 도파관이 원형 또는 다각형 형상을 갖는 개구 또는 지점으로 테이퍼링된다는 것이다. 비-원형 횡단면을 갖는 다른 구성들에서, 특정한 예들에서의 도파관은 선으로 테이퍼링된다.
원뿔 도파관들
예시적인 도 2는 본 발명의 특정한 실시예들에 따라 도파관들(100)의 어레이(110)의 투시뷰를 예시한다. 도 3a 및 도 3b는 도 2의 도파관들의 어레이의 단면 입면뷰를 예시한다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 몇몇 예들에서, 각각의 또는 하나 이상의 도파관은 캐소드로서 기능한다(대안적으로, 캐소드는 부가적으로 여기서 기술되는 디바이스에 포함됨). 도 3b에서 도시되는 바와 같이, 도파관의 첨단(104)은 간극(또는 고립(standoff) 층)(122)에 의해 전도(또는 전도성) 접지 평면(120)으로부터 이격된다. 간극(122)은 전도 접지 평면(120)의 최상부 표면 및 첨단(104)에 의해 정의된다. 몇몇 실시예들에서, 이 영역은 영역(126)과 동일한 물질을 포함한다(도 3b를 참조). 특정한 예들에서, 전도성 접지 평면은 전기적 도체를 포함하고, 애노드로서 기능한다. 도 3의 일 실시예에서, 전자 방출 영역(124)은 각각의 도파관(예를 들어, 캐소드로서 또한 역할함)과 애노드 사이에 위치된다. 몇몇 실시예들에서, 도파관은 고립층(122)을 포함하거나, 고립층(122)이 형성되는 유전체 기판(126)에 형성된다.
적합한 예들에서 전자기파들은 각각의 개별 원뿔 도파관(100)의 넓은 개방된 단부(베이스) 위로부터 입사된다. 각각의 입사 전자기파(130)는 전기적으로 전도성 물질을 포함하는 도파관에서 미러 전계(mirror electric field)를 생성한다. 적합한 예들에서, 광은 테이퍼링된 횡단면의 치수(예를 들어, 원형 베이스를 갖는 원뿔의 경우 직경)가 전자기파의 파장과 동일하게 될 때까지, 금속의 계면에서 생성되는 플라스몬 파들을 통해 안쪽을 반사되고 안내된다. 몇몇 예들에서, 매칭하는 치수들은 도 3b에 도시되는 바와 같이 파(132)를 부분적으로 트랩(trap)하는 정상파(standing wave)를 생성한다. 또한, 적합한 예들에서, 파에 의해 전도 도파관에서 생성되는 전계는 도파관의 첨단의 지점(104)에서 높은 필드 영역을 생성하기 위해 다른 파장들의 전자기 에너지에 의해 생성되는 전계들과 조합된다. 몇몇 실시예들에서, 전체 도파관 구조는 캐소드 또는 전자 이미터로서 기능한다. 도파관 첨단에서의 충분한 로컬화된 필드 세기에 의해, 적합한 예들에서 전자들은 간극(124)을 가로질러 접지 평면(애노드)(120)으로 점프하도록 금속의 일함수를 극복한다.
몇몇 실시예들에서, 트랩핑 광과 전자 방출 간의 매칭을 최적화하기 위해 그리고 애노드(120)로부터 캐소드 지점(104)으로의 전자 복귀를 방지하기 위해, 진공 하에 있거나, 불활성 가스로 충전되거나, MIM, 메타물질 구조들, 또는 간극 커패시턴스 및 매칭 조건들을 추가로 강화하는 다른 기하학적인 금속으로 적층된 간극(124)이 캐소드 첨단과 애노드 사이에서 이용된다. 특정한 예들에서, 간극에 포함되는 물질은 입사 전자기파의 세기 및 기하학적 외형의 함수인 필드 세기를 기초하여 선택된다. 예를 들어, 간극은 불활성 가스와 같은 가스로 충전된다. 몇몇 실시예들에서, 가스는 추가로, 생성된 전류를 강화하고 전자 방출 에너지들을 낮추는 부가적인 전자 생성의 원인이다. 몇몇 예들에서, 가스는 또한 캐소드 애노드 간극 양단의 고립 전압을 변화시키는 효과를 갖는다.
몇몇 실시예들에서, 도 3b의 실시예에 의해 예시되는 바와 같이, 전기적으로 절연성(또는 유전체) 고립(122)은 애노드(120)와 캐소드(100)의 첨단(104) 사이의 요구되는 거리를 지지하는데 이용된다. 몇몇 예들에서, 유전체 고립을 위한 물질들의 선택은 적어도 부분적으로 유전체 필드 세기 및 제조 비용 중 하나 또는 둘 다에 의해 결정된다. 몇몇 실시예들에서, 실리콘 산화물들, 플라스틱 및/또는 세라믹들이 유전체 고립(122)으로서 이용된다. 다른 실시예들에서, 캐소드 첨단(104)과 애노드(접지 평면)(120) 간의 거리는 광학적 에너지 수집 애플리케이션에 의존해서, 약 100 나노미터("nm"), 또는 90nm, 또는 80nm, 또는 70nm, 또는 60nm, 또는 50nm, 또는 40nm, 또는 30nm, 또는 20nm, 또는 10nm 미만이다.
이론에 의해 속박되도록 바라지 않고, 도 4는 도파관(100)의 첨단(104)에서의 강화된 필드를 예시한다. 도 4에서, 도파관의 첨단은 그래프를 제시하는데 편의를 위해 상향으로 포인팅된다. 도 4의 유닛들은 상대적 좌표들(0,0)에 위치되는 첨단의 위치에서 최대 필드에 관하여 정규화된다. 캐소드 또는 도파관(100)에서 전기적으로 전도성 물질의 자유 전자들이 전자기파의 전계와 상호작용할 때, 적합한 예들에서, 금속에 대한 플라즈마 주파수가 전자기파 주파수를 초과하는 한 자유 전자들은 전자기파의 주파수에서 발진한다. 몇몇 경우들에서, 이러한 공명 현상(resonance phenomenon)은 첨단에서 필드 강화를 발생시킨다. 몇몇 실시예들에서, 공명은 플라스몬적 커플링을 통해서가 아니라 광학적 안테나의 기하학적 외형을 통해 이루어진다. 이러한 경우에, 공명은 첨단에서 필드 압축 영역을 생성하도록 안테나 호른(antenna horn) 그 자체의 변화하는 크기의 함수이다.
예시적인 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 상위 베이스(202) 및 하위 첨단(원뿔 지점)(204)을 갖는 원뿔 도파관 컬렉터(200)의 상세 횡단면들을 예시한다. 몇몇 예들에서, 첨단(204)은 도 5a에서 도시되는 바와 같이, 간극(222)에 의해 접지층(애노드)(220)으로부터 이격된다. 몇몇 예들에서, 첨단은 도 5b(204)에서 도시되는 바와 같이 원형 또는 다각형 형상을 갖는 개구이다. 몇몇 실시예들에서, 도파관 컬렉터를 형성하는 벽은 유전체(230) 금속층(232)을 포함한다. 몇몇 예들에서, 전계는 원뿔 지점(204)으로 전파한다. 플라스몬 표면 파들은 금속 표면 파에 대한 광파의 커플링을 형성하고, 그럼으로써 도파관을 생성한다. 플라스몬 파는 주파수, 물질 및 두께와 같은 다양한 인자들에 의존한다. 플라스몬들은 예를 들어, S.Maier의 plasmonics: Fundamentals and Applications. Springer. (ISBN 978-0387331508) (2007); H.Atwater의 "The Promise of plasmonics", Scientific American 296(4): 56-63 (2007); 및 Dione, Sweatlock, Atwater 및 Polman의 plasmon slot Waveguides:Towards chip-scale propagation with subwavelength-scale localization, Physical Review B 73, 035407 (2006)에서 상세히 논의되며, 이들은 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
몇몇 예들에서, 표면 플라스몬들은 입사 광파의 전자기 필드 에너지를 전도 영역으로 커플링하고 절연성(230), 유전체(230), 가스(202) 또는 진공 영역(202) 및 도파관의 전도성 영역(232)의 계면을 따라 에너지를 전파시킨다. 일 실시예에서, 영역(230)은 수집되는 광의 파장에 대해 반투과성이다. 몇몇 예들에서, 영역(230)은 포토 루미네슨스 물질들(photo lumiscence materials)과 마찬가지로 광을 하향이동(downshifting)시키기 위한 영역들을 생성하거나 광을 필터링하기 위해 광의 특정한 파장들을 차별적으로 흡수하는데 또한 이용된다. 몇몇 실시예들에서, 플라스몬 표면 파는 금속층 위에 얇은 유전체 층 또는 상이한 전도성 물질(예를 들어, 금속, 반도체, 그래핀)을 배치함으로써 강화되거나 수정된다. 몇몇 실시예들에서, 유전체 및 전도성 계면을 횡단하는 표면 플라스몬 파들은 Pendry, Martin- Moreno, Garcia- Vidal에 의한 Mimicking Surface Plasmons with Structured Surfaces, Science 305, 847 (2004); DOI: 10.1126/science.1098999에서 보여지는 바와 같이 표면 상의 피처들에 의해 제어되며, 상기 문서는 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다. 몇몇 실시예들에서, 광 트래핑 및 전자 방출은 테이퍼링된 구조의 최상부 또는 하부 부분에서의 사선의 또는 원통형의 표면들을 포함함으로써, 또는 기울어진(sloping) 기하학적 외형의 내부 표면을 따라 홈(groove)들 또는 임의의 부류의 표면 거칠기를 포함함으로써, 또는 내부측을 따라 MIM 층 또는 메타물질 공명 구조들을 포함함으로써 추가로 강화된다.
몇몇 실시예들에서, 도 5a와 같이, 애노드(220)는 캐소드 첨단(들)(204) 맞은편의 평탄한 평면이고; 다른 실시예들에서 도 5b와 같이, 애노드(234)는 컬렉터(220)에서 광의 전파 시에 생성된 전계를 추가로 강화하기 위해 역전된 전도성 첨단(233)을 포함하다. 일반적으로, 캐소드(204)와 애노드(234) 간의 전기적 고립을 제공하기 위한 간극(235)이 존대한다. 몇몇 실시예들에서, 간극(235)은 진공이거나, 가스(예를 들어, 불활성 가스) 또는 다른 물질(예를 들어, 여기서 기술되는 바와 같은 기판 물질)로 충전되거나, 이들로 구성되거나, 또는 이들을 포함한다. 특정한 실시예들에서, 진공은 전자가 간극(222)을 가로질러 이동할 때 전자와 물질의 상호작용을 설계가 요구하지 않을 때 이용된다. 그러나 적합한 예들에서, 가스는 전자들 또는 전자들로부터 지나친 전달 에너지를 늦추거나 더 적은 에너지들을 갖지만 더 많은 전자들을 생성하기 위해 전자들과 상호작용하는데 이용된다. 특정한 예들에서, 간극 내의 물질은 필드 세기에 영향을 미치고, 이는 특유의 입사광 세기들 및 에너지들에 대한 방출의 맞춤(tailoring)을 허용하고 이에 따라 환경에 대해 최종 전자 방출을 맞춘다.
테이퍼링된 구조의 몇몇 실시예들에서는 도 11a, 도 11b 및 도 11c에서 도시된 바와 같이 2개 이상의 테이퍼 형상을 갖는다. 몇몇 예들에서, 디바이스의 베이스 표면 부근의 테이퍼는 제 1 각도를 갖고 디바이스의 베이스 표면(또는 첨단의 또는 첨단 부근의) 말단은 베이스 표면에 직교하는 것과 같이 제 2 각도 또는 다른 형상(예를 들어, 볼록, 오목, 둥근 등의 형상)을 갖는다. 몇몇 예들에서, 테이퍼링된 구조의 첨단은 필드 세기 및 이에 따라 전자 방출을 추가로 증가시키기 위해 도 11c에서 예시된 바와 같이 간극이 하부로 진행할수록 더 예리하게 테이퍼링되는 영역을 포함한다. 도 11에서 예시되는 테이퍼링된 구조들은 도 5b에서 예시되는 바와 같이 간극에 의해 접지 평면(220)으로부터 분리된다. 접지 평면은 예를 들어, 전자 방출을 추가로 강화하기 위해 최상부 MIM 층을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 간극(235)은 진공을 포함하거나, 가스(예를 들어, 불활성 가스) 또는 다른 물질(예를 들어, 여기서 도시되는 바와 같이 기판 물질)로 충전된다. 특정한 실시예들에서, 진공은 전자가 간극(222)을 가로질러 이동할 때 전자와 물질의 상호작용을 설계가 요구하지 않을 때 이용된다. 그러나 적합한 예들에서, 가스는 전자들 또는 전자들로부터 지나친 전달 에너지를 늦추고 더 적은 에너지들을 갖지만 더 많은 전자들을 생성하기 위해 전자들과 상호작용하는데 이용된다. 특정한 예들에서, 간극 내의 물질은 또한 필드 세기에 영향을 미치고, 이는 특유의 입사광 세기들 및 에너지들에 대한 방출을 맞추고 이에 따라 환경에 대해 최종 전자 방출을 맞추도록 허용한다.
몇몇 실시예들에서, 애노드들과 캐소드들 간의 간극들은 약 760 토르 또는 1 torr, 또는 1 x 10-3 torr, 1 x 10-4 torr, 또는 1 x 10-5 torr, 또는 1 x 10-6 torr, 또는 1 x 10-7 torr, 또는 1 x 10-8 torr, 또는 1 x 10-9 torr 미만의 압력에서 진공 하에 있다. 몇몇 경우들에서, 간극을 정의하는 애노드와 캐소드의 벽들은 원하는 압력에서 진공을 제공하도록 밀폐된다. 압력은 캐소드와 애노드 간의 영역에서 원하는 방출을 달성하도록 선택 가능하다.
비-제한적인 예시적인 도 1에 의해, 원뿔 도파관(100)의 특정한 실시예의 횡단면 직경(또는 다른 형상들에 대해서 횡단부 양단의 거리)을 변화시키는 것은 바람직하게는 수집되는 전자기 방사선의 파장과 비슷하게 된다. 원뿔 도파관 최상부 표면으로부터 하부 첨단까지의 거리를 변화시키는 것은 매칭 조건들 및 전자 방출을 개선할 수 있다. 가시광을 수집하기 위해, 몇몇 실시예들에서 원뿔의 내부 직경은 대략 800 나노미터 내지 400 나노미터 미만에서 변화한다. 몇몇 경우들에서, 직경은 또한 nλ/2에 의해 기술되는 하모닉 차원(harmonic dimension)을 갖는 파의 하모닉들에 기초하여 증가되거나 감소되며, 여기서 'n'은 정수이고 'λ'는 전자기파의 파장이다. 일 실시예에서, 직경은 다른 애플리케이션들에 대해서 파장들의 배수이다. 특정한 실시예들에서, 지점(point)에 가장 근접한 내부 직경은 충분히 작아서, 원뿔은 자외선 범위에서 전자기 에너지를 수집할 수 있다.
특정한 실시예들에서, 도파관은 광의 원하는 수집 주파수 초과의 플라스마 주파수를 갖는 전기적으로 전도성 금속 매체를 포함한다. 플라스마 주파수,
Figure pct00003
(초당 라디안의)는 다음과 같이 정의된다:
Figure pct00004
여기서 'ne'는 전자 밀도이고, 'e'는 전기 전하이며,'
Figure pct00005
'는 자유 공간의 유전율이고, 'me'는 전자의 질량이다. 주파수는 이어서
Figure pct00006
이다.
몇몇 실시예들에서, 예를 들어, 금, 은, 알루미늄, 플래티늄 또는 합성 금속들과 같은 금속들은 가시광 컬렉터를 위해 이용된다. 특정한 예들에서, 구리와 같은 일부 금속들은 가시선 범위의 플라스마 주파수를 갖고, 특유의 황색을 산출한다. 몇몇 상황들에서, 이러한 금속들은, 이들이 전자기 스펙트럼 중 일부의 모음을 배제하기 때문에, 전체 스펙트럼 애플리케이션들에 대해서 덜 우호적인 물질들이다. 다른 상황들에서, 이러한 금속들은 더 높은 주파수의 광이 필터링되는 애플리케이션에 대해서 바람직한 후보들이다. 이러한 애플리케이션들에서, 개시된 시스템은 특정한 또는 미리 결정된 주파수의 광을 필터링한다. 금속들 및 물질들의 플라스마 주파수는 당업자들에 의해 인지되고 수집될 전자기 방사선의 스펙트럼에 의존해서 선택된다.
금속의 두께를 고려하는 것이 또한 중요하며; 불충분한 양의 금속은 기판 내로 전자기 에너지의 상당한 양의 전송을 생성할 수 있다. 또한, 특히 금속과 리세스 공극 사이에서 금속의 평활도가 또한 중요하다. 금속의 광학 특성들은 금속 표면이 너무 거칠거나 주름잡히는 경우 변할 수 있다. 마찬가지로, 금속이 얇고 주파수 스킨과 비슷하거나 또는 그 미만인 경우, 금속 기판 계면의 거칠기는 또한 도파관의 응답에 또한 영향을 미칠 수 있다.
또한, 도 5a 또는 도 5b에서 도시된 것과 유사한 구조들의 어레이의 전자 방출이 여기서 개시된다.
적합한 예들에서, 필드가 충분하거나 로컬화된 전자 밀도가 충분할 때, 전자들은 도 1 내지 도 3의 실시예에서 캐소드(도파관)(100)의 첨단(104)으로부터 애노드(접지 평면)(120)로 방출된다. 몇몇 실시예들에서, 필드는 캐소드-애노드 경로와 평행하게, 도 6의 고-저항 전압 소스(242)를 배치함으로써 수정된다. 다른 실시예들에서, 도 6에서 도시된 바와 같이, 전압 소스(240)는 직류(DC) 소스(예를 들어, 배터리, 또는 상이한 금속들 또는 반도체 밴드갭으로부터의 고유 전압)(242)를 포함한다. 몇몇 상황들에서, 다이오드(244)는 애노드로부터 캐소드로 전자들의 역유동을 제한하도록 부가된다. 전압 소스는 최상부 전도성 평면(246)과 애노드 사이에 캐소드-애노드 경로와 병렬로 위치된다. 몇몇 실시예들에서, 이 전압 소스는 또한 외부(또는 외측) 로드에 대한 커플링 전류를 생성하기 위한 교류 전류(AC) 소스이다. 몇몇 실시예들에서, 최상부 전도성 평면은 복수의 도파관들(100)을 상호연결한다(도 2). 비-제한적인 예로서, 로드(248)는 최상부 전도성 평면과 애노드(접지 평면) 사이에 연결된다. 일 예에서, 로드는 여기서 제공된 구조들 및 디바이스들에 의해 생성된 전기 에너지(또는 전력)를 이용하는 임의의 디바이스이다. 도 6에서 예시되는 실시예는 도파관이 센서 애플리케이션들에서와 같이 낮은 세기 환경에서 이용될 때 특히 유용하다. 대안적인 실시예(도시되지 않음)에서, 2개 이상의 도파관들이 생성된 전압을 증가시키기 위해 직렬로 배치된다.
몇몇 실시예들에서, 도 2 및 도 3에서 도시된 것들과 같은 복수의 원뿔 도파관들(100)은 수집 영역(collection area)을 최대화하기 위해 가능한 많은 표면 영역을 점유하도록 빈틈없이 패킹된다. 다른 애플리케이션들에서, 도파관들 간의 간격은 부가적인 공명 모드를 부가하도록 도파관들 간의 거리들에 의존하는 표면 플라스몬 파들을 생성하는데 이용된다. 다수의 도파관들에 의해 생성되는 전류는 광 세기, 기하학적 외형들 및 도파관에서 이용되는 금속들의 함수이고, 에너지는 스펙트럼 및 전체 저항과 연관된다. 몇몇 실시예들에서, 다수의 도파관들은 마일라(Mylar) 시트들과 유사한 이중 금속 유전체 층에 테이퍼링된 기하학적 외형을 임베딩하는 단일 물질을 이용하여 제조된다. 특정한 실시예들에서, 전체 디바이스의 두께는 4 미크론 미만, 또는 1000 나노미터("nm") 미만, 또는 500 nm 미만, 또는 100 nm 미만이다. 다른 실시예들에서, 더 두꺼운 애노드는 4 미크론 초과까지 전체 두께를 증가시키도록 구조적인 지지체를 제공하는데 이용된다. 위에서 논의된 바와 같이, 특정한 실시예들에서, 진공 또는 가스는 첨단들(104) 및 접지 평면(120) 간의 방출 영역(124)에 임베딩된다. 다른 실시예들에서, 다른 절연성 물질들이 또한 이용된다. 몇몇 실시예들에서, 첨단들과 접지 평면 간의 거리는 절연성 고립들(122)의 도움으로 유지(및 첨단들 및 접지 평면은 전기적으로 절연됨)된다. 방출 영역(124)의 임베딩된 가스 또는 진공은 입사 전자기 파들의 에너지 및 세기에 기초하여 생성되는 전자들의 수 및 전자 방출 에너지를 맞춤하도록 허용한다.
튜브 도파관
몇몇 실시예들에서, 예시적인 도 7은 특유의 파장 수집을 위한 대안적인 버전을 도시한다. 도파관은 튜브(
Figure pct00007
는 90도임)이며, 전도성 물질(100), 캐소드 이미터(204) 및 애노드 평면(120)을 갖는다. 구조는 일 실시예에서 절연 물질(126)에 의해 지지되고 원뿔의 내부는 반투과 및 캐소드와 애노드 간의 필드 세기에 관한 효과 및 전자 방출에 관한 효과를 위해 선택된 투과성 물질(230)로 충전된다. 다른 실시예에서, 이 옵션은 또한 역전된 애노드 구조(도시되지 않음)에 의해 수정되지만, 도 5b의 233과 유사하다.
예시적인 도 8은 테이퍼링된 구조들이 트랙 구성에 있는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 몇몇 실시예들에서, 이들 구조들은 동심원들 또는 나선 형상들이다. 이 구성에서, 캐소드 이미터(204)는 애노드(120) 위의 연속적인 표면이다. 간극 영역(235)의 물질은 디바이스의 다른 실시예들에서 기술된 물질과 유사하다. 몇몇 실시예들에서, 이 구성은 다른 수집 영역들로부터 격리되고 표면 플라스몬들을 통한 트랙 영역들 간의 거리에 기초하여 수집되는 부가적인 공명 주파수들을 생성하는 특유의 영역들을 제조하는데 이점을 갖는다.
광 수집 및 강화 구조들
본 발명의 다른 양상에서, 필드-강화 에너지 수집 디바이스는 전계 또는 자계 강화를 필드-강화 에너지 수집 디바이스(또는 안테나)에 제공하도록 구성되는 하나 이상의 필드 강화 영역들(또는 구조들)을 포함한다. 필드 강화 영역들은 여기서 제공되는 다양한 필드-강화 에너지 수집 디바이스들에 응용 가능하다.
여기서 제공되는 필드 강화 영역들은 하나 이상의 필드 강화 구조들을 포함한다. 몇몇 경우들에서, 필드 강화 구조들은 예리한 지점들을 갖는 하나 이상의 구조들을 가져서, 하나 이상의 구조들의 하나 이상의 첨단들에서의 전계는 발산하게 된다(또는 발산(divergence)에 접근함)(예를 들어, 도 11c를 참조). 몇몇 경우들에서 도 5b와 같이, 애노드는 필드를 추가로 강화하기 위해 캐소드를 향해 포인팅하는 포인팅된 전기적으로 전도성 구조(pointed electrically conducting structure)(233)를 갖는다. 다른 경우들에서, 필드 강화 구조는 얇은 절연체 또는 산화물(5)을 이용하여 도 12b에서 도시된 것과 같은 양자 기계적 터널링("터널링") 접합을 포함한다.
도파관들의 어레이 내의 개별 도파관은 필드 강화 영역을 포함한다. 대안적으로, 도파관들의 어레이는 필드 강화 영역을 포함한다.
일 실시예에서, 필드 강화 영역들은 디바이스의 도파관(예를 들어, 캐소드) 및 필드-강화 에너지 수집 디바이스의 전극(예를 들어, 애노드)에 인접하게 배치된다. 다른 실시예에서, 필드 강화 영역들은 디바이스의 전극과 접촉한다.
도 12a는 본 발명의 실시예에 따른 광학 도파관을 도시한다. 도 12b는 본 발명의 실시예에 따라, 도 12a로부터 대안적인 교정(rectification) 모드를 제공하기 위한 디바이스를 도시한다.
도 12a를 참조하면, 광학 도파관은 광학적으로 투과성 최상부 표면(1), 광 수집층(2), 지지 구조(3), 동공 테이퍼링된 바디(hollow tapered body)(4), 전기적 절연체(5), 가스 또는 진공 영역(6), 전기적 복귀 평면(7) 및 방출 영역(8)을 포함한다. 전기적 복기 평면(7)은 몇몇 경우들에서, 콜렉터 또는 전극으로서 지칭된다. 몇몇 상황들에서, 콜렉터(7)는 애노드이고, 최상부 표면(1)은 캐소드이다. 일 실시예에서, 최상부 표면(1) 및 컬렉터(7)는 전극들이다.
몇몇 실시예들에서, 도 12b의 구조는 광 수집 및 강화 구조(2)의 양 측면들 상에 광이 진입하도록 허용함으로써 잠재적 필드 흡수를 강화한다. 광은 표시된 바와 같이 구조의 최상부를 통해 광학 도파관에 진입한다. 일 실시예에서, 지지 구조(3)는 광학적으로 투과성 물질로 형성된다.
몇몇 경우들에서 도 12a의 디바이스는 전기 전류가 도파관(2)으로 유동하는 것을 가능하게 하는, 지지 구조(3)를 커버하는 전기적으로 전도 물질을 포함한다. 일 실시예에서, 이 물질을 광학적으로 투과성이어서, 광이 리세싱된 구조의 양 측면들에 진입하도록 허용한다. 일 예에서, 물질 인듐 주석 산화물(ITO)은 지지 구조(3)를 커버하는 전기적으로 전도 물질로서 이용된다. 다른 예에서, 원하는 수집 파장들에 대해 투과성인 다른 전기적 도체들이 이용된다. 일 실시예에서, 광 수집 및 강화 구조(2)는 금속(예를 들어, Ag, Al 및 Au 중 하나 이상), 그래핀 또는 물질 내의 전자들이 구조에서 수집될 광 주파수에 반응하는 것을 가능하게 하기 위해 플라즈마 주파수를 갖는 다른 전기적으로 전도 물질로 형성되는 테이퍼링된 구조이다. 광 수집 및 강화 구조(2)는 지지 구조(3)에 의해 지지된다. 몇몇 상황들에서, 지지 구조(3)는 광학적으로 투과성이다.
도 12a에서, 전자 방출은 교정을 위해 이용된다. 몇몇 실시예에서, 전기 절연체(5)는 약 1 나노미터("nm") 내지 40nm, 또는 10nm 내지 300nm, 또는 20nm 내지 100nm의 두께를 갖는다. 방출 영역(8)은 예리하거나 실질적으로 예리한 첨단으로 형성되며, 예리한 첨단은 전자 방출을 강화하기 위해 더 높은 필드를 생성한다. 몇몇 상황들에서, 방출 영역(8)에서의 강화된 필드는 전자들이 일함수를 극복하고 가스 또는 진공 영역(6)을 횡단하게 한다. 전자들은 이어서 전기적으로 전도 물질로 형성되는 전기적 복귀 평면(7)에 의해 수집된다. 도 12a에서, 광은 개구 컬렉터 영역(4) 내로 그리고 광학적으로 투과성 지지 구조(3)를 통해 진입하고, 테이퍼링된 형상으로 인해 방출 영역(8)에서 필드 강화를 생성하도록 공명, 기하학적 압축 및 플라스몬적 파들을 통해 집중된다. 몇몇 상황들에서, 동공 테이퍼링된 바디(4)는 원뿔의 형상을 갖는다. 공명은 테이퍼링된 영역에서 파장 스케일 기하학적 외형들 및 하모닉들을 통해 발생한다. 이는 방출 영역(8)에서의 높은 필드 영역을 갖는 내부 표면 상에서 강화된 필드를 생성한다. 몇몇 상황들에서, 광은 또한 최상부 표면(1)을 통해 그리고 지지 구조(3) 내로 진입한다. 몇몇 경우들에서, 최상부 표면(1)은 도 12a의 디바이스의 전기적 접촉이다. 최상부 표면(1)은 광학적으로 투과성이지만, 전기를 전도한다. 최상부 표면(1)을 통해 지지 구조(3)에 진입시에, 광은 외부 금속 표면(2) 상에서 집중된다. 지지 구조(3)는 구조 내로 광을 허용하도록 광학적으로 투과성이다. 일 실시예에서, 광 수집 및 강화 표면(또는 구조)(2)의 두께는 특정한 물질에서 원하는 광 수집 주파수들의 스킨 깊이보다 크다. 예를 들어, 광 수집 및 강화 구조(2)는 약 1nm 내지 500nm 또는 5nm 내지 100nm의 두께를 갖는다. 광 수집 및 강화 구조(2)가 Al, Ag 또는 Au로 형성되는 경우들에서, 광 수집 및 강화 구조(2)의 두께는 약 5 nm, 또는 10 nm, 또는 40 nm, 또는 50 nm보다 크다.
일 실시예에서, 평면(7)은 최상부 표면(1)과 전기적으로 통신하는 로드와 전기적으로 통신한다. 광 수집 및 강화 구조(2)를 광에 노출 시에, 전자들이 방출 영역(8)으로부터 방출되고 평면(7)에서 수집된다. 전자들은 후속적으로 로드로 이동하고 최상부 표면(1)으로 복귀한다.
몇몇 실시예들에서, 도 12b의 디바이스는 금속 절연체 금속(MIM) 구조의 절연층을 가로지르는 전자 터널링을 위해 MIM 구조를 이용한다. MIM은 광 수집층(2), 절연체(5) 및 콜렉터(7)에 의해 정의된다. 도 12b의 디바이스에서, 필드 집중 지점(8)으로부터의 전자들은 절연체(5)를 가로질러 컬렉터(7)로 터널링된다. 이러한 구성에서, 절연체의 두께는 실질적으로 절연체를 가로지르는 전자 터널링을 허용하도록 얇다. 몇몇 상황들에서, 절연체의 두께는 시몬스 전자 터널링 접근법(Simmons electron tunneling approach)을 이용하여 계산되고, 이 경우, 절연체는 약 1nm 내지 30nm의 두께를 갖는다. 다른 실시예들에서, MIM 구조는 Cowell등에 의한 Adv. Mater. 2011, 23, 74-78 및 Dagenais 등에 의한 "Solar Spectrum Rectification Using Nano-Antennas and Tunneling Diodes", Optoelectronic Integrated Circuits XII, Proceedings of SPIE Volume: 7605 (2010년 2월 12일)에서 기술된 것과 같은 다른 양자 기계적 터널링 다이오드들과 조합되거나 또는 이들에 의해 수정되며, 상기 문서들은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
몇몇 구현들에서, 절연체(5)는 금속 또는 절연성 산화물과 같은 산화물을 포함한다. 일 예에서, 절연체(5)는 티타늄 산화물(예를 들어, TiO2), 알루미늄 산화물(예를 들어, Al2O3), 및/또는 실리콘 산화물(예를 들어, SiO2)로 형성된다. 몇몇 경우들에서, 절연체는 애노드(7) 상에 평활한 방식으로 제조 및 증착하기 위한 능력 및 고립 전압을 포함하는 다양한 특성들을 위해 선택된다.
몇몇 실시예들에서, 절연체(5)는 몇 개의 예들을 말하자면, 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD), 플라즈마-강화 ALD, 화학 기상 증착(CVD), 또는 플라즈마 강화 CVD를 이용하여 형성된다. 몇몇 실시예들에서, 절연체(5)는 광 수집층(2)과 컬렉터(7) 간의 쇼트들을 최소화하기 위해 실질적으로 낮은 결함 밀도를 갖는다. 또한, 절연체(5)는 하나 이상의 표면들을 갖는다. 다른 구성에서, 전자 복귀 경로(1)는 도 12b에서 도시된 바와 같이 절연체(5) 위에 있다. 이 구성은 광학적으로 투과성 지지 구조(3)가 노출(uncover)되도록 허용하여, 전기적 복귀 물질(1)이 투과성이 될 필요성을 제거한다. 이 경우에, 광학적으로 투과성 지지 구조(3)의 최상부 표면은 도 12a에서와 같이 최상부 표면 상의 전도 물질(1)을 가는 것이 아니라 오히려, 캐소드 전도 평면(1)이 절연체(5) 위에 안착된다. 절연체 위에 전자 복귀 층(1) 또는 캐소드를 배치하는 것은, 전기 전류가 광 수집 층(또는 수집 물질)(2)을 통해 전도되지 않는다는 부가적인 잠재적 이점을 갖는다. 몇몇 경우들에서, 이는 광 수집층(2) 상의 전류 유동에 의해 생성되는 전자기 필드들로부터 잠재적으로 부정적인 효과들을 감소 또는 제거한다.
몇몇 상황들에서, 도파관들 및 여기에 제공되는 광학 안테나들은 예를 들어, 2008년 10월 27일 출원된 미국 특허 출원 번호 제12/259,104호; Warner, Jr에 의한 미국 특허 번호 제3,994,012호("PHOTOVOLTAIC　SEMI-CONDUCTOR DEVICES""；M.Laan, J.Aarik, R.Josepson 및 V.Repan의 Low current mode of negative coronas: mechanism of electron emission, J. Phvs .D: Appl . Phys ., 36, 2667-2672, 2003; V.Repan, M.Laan 및 T.Plank의 Electric Field Modeling for Point-Plane Gap, Institute of Experimental Physics and Technology, University of Tartu, Tahe Estonia publication, 2002; P.Dombi 및 P.Racz의 Ultrafast monoenergetic electron source by optical waveform control of surface plasmons, Optics Express. Vol.16, No.5, 페이지 2887-2893, 2008년 3월 3일; 및 Mark I. Stockman, Matthias F.Kling, Ulf Kleineberg and Ferenc Krausz, Attosecond nanoplasmonic-field microscope, Nature Photonics, Vol.1, 페이지 539-544, 2007년 9월 3일; Palash Bharadwaj 등에 의한 Advances in Optics and Photonics 1, 438-483 (2009); Peter Muhlschlegel, Ph.D.Thesis, University of Basel/Germany, 2006년 2월; 및 Jong-Yeon Park등에 의한, Japanese Journal of Applied Physics Vol.43, No.6A, 2004, pp.3320-3327; Knight등에 의한 "Photodetection with Active Optical Antennas", Science 332, 702 (2011); 및 Kotter 등에 의한 "Solar NANTENNA Electromagnetic Collectors", ASME Proceedings of the 2nd International Conference on Energy Sustainability, 2008년 8월 10일 내지 14일, Jacksonville, Florida, USA 에서 기술된 구조들, 시스템들 및/또는 방법들과 같이 다른 구조들, 시스템들 및/또는 방법들과 조합 가능하거나, 또는 이들에 의해 수정 가능하며, 상기 문서들은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
가시광을 이용하는 애플리케이션들은 폭넓으며, 몇몇 실시예에서는, 예를 들어, 빌딩들, 차들, 전자기기들 등과 같이 시스템이 광에 노출되는, 전기 에너지를 요구하는 임의의 애플리케이션을 포함한다. 애플리케이션들은, 충분한 광이 이용가능한 임의의 장소에 시스템이 위치될 수 있기 때문에 아웃도어(outdoor) 애플리케이션들로 제한되지 않는다. 몇몇 예들에서, 시스템은 유리하게는, 거울들 또는 프레넬(Fresnel) 렌즈들을 포함하는 광 포커싱 기법을 이용하여 강화된다. 적합한 예들에서, 다른 애플리케이션들은 전자기 방사선의 의도된 파장과 비슷한 원뿔 크기들을 갖는 적외선 또는 마이크로파 에너지를 이용한 항공 급유를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 더 낮은 주파수 애플리케이션들에 대해, 광자 당 에너지가 더 낮은 주파수에서 더 낮기 때문에 충분히 강한 로컬화된 필드들을 생성하기 위해 세기가 증가된다.
특정한 구현들이 예시 및 기술되었지만, 다양한 수정들이 이들에 가해질 수 있으며 본원에서 예견된다는 것이 위의 내용으로부터 이해되어야 한다. 본 발명은 본 명세서 내에서 제공되는 특유의 예들에 의해 제한되는 것이 또한 의도되지 않는다. 본 발명이 상술한 명세서를 참조하여 기술되었지만, 여기서 바람직한 실시예들의 설명들 및 예시들이 제한적인 의미로 해석되는 것을 의미하지 않는다. 또한, 본 발명의 모든 양상들은 다양한 조건들 및 변수들에 의존하는, 여기서 기술된 특유의 묘사들, 구성들 또는 상대적 특성들로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 실시예들의 형태 및 상세의 다양한 수정들은 당업자에게 자명하게 될 것이다. 그러므로 본 발명은 또한 임의의 이러한 수정들, 변동물들 및 등가물을 포함하여야 한다는 것이 예견된다.

Claims (68)

  1. 필드-강화 에너지 수집 디바이스(field-enhancing energy collection device)로서,
    베이스 표면을 포함하는 기판으로서, 상기 베이스 표면은 베이스 표면으로부터 하향으로 테이퍼링되는 하나 이상의 경사진(angled) 벽 표면들을 갖는 리세싱된 구조를 포함하고, 경사진 벽 표면들 사이에는 리세스 공극(recess void)이 형성되고, 상기 리세스 공극은 비어있거나 투과성 또는 반투과성 물질로 충전되고, 상기 하나 이상의 경사진 벽 표면들은 서로 접촉하거나 상기 베이스 표면으로부터 거리를 두고 있는 다른 하나에 근접해 있고, 상기 하나 이상의 경사진 표면들은 상기 리세스 공극에 광학적으로 노출되는 전자기 에너지 전도성 도파관을 포함하는, 상기 기판; 및
    상기 기판에 인접하거나 근접해 있는 전극
    을 포함하고,
    상기 필드-강화 에너지 수집 디바이스는 상기 전극으로부터 분리된 필드 강화 영역을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리세스 공극의 곡률은 상기 베이스 표면으로부터의 상기 거리에서 변경되는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는,
    상기 전극과 상기 리세싱된 구조의 전자기 에너지 전도성 도파관 사이에 간극
    을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전극과 상기 전자기 에너지 전도성 도파관 간의 간극은,
    진공 공극, 가스, 기판 또는 이들의 조합을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 간극은,
    광발전 물질(photovoltaic material)
    을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광발전 물질은,
    전해물 및 TiOx를 포함하며,
    상기 'x'는 0보다 큰 수인,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    TiOx는 TiO2인,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 에너지 전도성 도파관은 캐소드를 포함하고
    상기 전극은 애노드를 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 캐소드는,
    Al, Ag, Au, Cu, Pt, Ni, Cu, Fe, W, 이트륨 산화물, 팔라듐 산화물, 그래파이트 또는 그래핀으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질들을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은,
    절연성 또는 반도체 물질
    을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판은,
    유전체, 폴리머, 세라믹 및 반도체로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질들로 형성되는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 리세싱된 구조의 베이스 표면 치수들은,
    500 나노미터들("nm")보다 큰,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 전자기 에너지 전도성 도파관과 상기 애노드 둘 다와 접촉하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 전자기 에너지 전도성 도파관으로부터 전기적으로 절연되는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 리세싱된 구조는,
    원뿔, 하프 돔(half dome), 피라미드, 다각형, 선형 트랙, 또는 원형 트랙 구성인,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 리세스 공극은,
    진공 하에 있거나, 또는 광학적으로 투과성 물질을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 투과성 물질은,
    불활성 가스인,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층에 인접한 투과성 외투 보호층(transparent overcoat protection layer)
    을 더 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 에너지 수집은,
    상기 리세싱된 구조의 표면 상에 안착되는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 2개 이상의 리세싱된 구조를 포함하고,
    상기 리세싱된 구조들은 리세싱된 구조들의 어레이를 정의하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 리세싱된 구조들의 어레이 내의 각각의 리세싱된 구조는,
    격리된 애노드로부터 이격된 캐소드를 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  22. 제 21 항에 있어서,
    각각의 리세싱된 구조는,
    상기 리세싱된 구조의 전자기 에너지 전도성 도파관과 전기적으로 통신하는 전자기 에너지 전도성 도파관을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은,
    상기 전자기 에너지 전도성 도파관으로부터 이격된 평탄한 표면을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 전극은,
    상기 평탄한 표면으로부터의 돌출부
    를 더 포함하고,
    상기 돌출부 및 상기 전자기 에너지 전도성 도파관은 제 1 간극을 정의하고, 상기 평탄한 표면 및 상기 전자기 에너지 전도성 도파관은 제 2 간극을 정의하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 간극은,
    상기 제 2 간극보다 작은,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 리세스 공극에 광학적으로 노출되는 상기 전자기 에너지 전도성 도파관의 부분은,
    금속-절연체-금속(metal-insulator-metal; MIM) 층들을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 리세스 공극에 광학적으로 노출되는 상기 전자기 에너지 전도성 도파관의 부분은,
    메타물질 구조들(metamaterial structures)을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 리세스 공극에 광학적으로 노출되는 상기 전자기 에너지 전도성 도파관의 부분은,
    상기 리세싱된 구조에서의 광의 트랩핑(trapping)을 개선하도록 구성된 곡선 또는 사선의 최상부 또는 하부 에지들을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 강화 영역은,
    양자 기계적 터널링 접합(quantum mechanical tunneling junction)을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 강화 영역은,
    상기 하나 이상의 경사진 벽 표면들에 의해 정의되는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  31. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 강화 영역은,
    상기 표면의 나머지에 관하여 예리한 첨단(sharp tip)을 갖는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  32. 광학 안테나로서,
    테이퍼링된 구조(tapered structure)를 갖는 기하학적 도파관(geometrical waveguide)으로서, 상기 기하학적 도파관은 전자기 방사선의 원거리장 영역 - 근거리장 영역 트래핑을 위해 구성되고, 상기 테이퍼링된 구조는 제 1 부분, 제 2 부분 및 상기 제 2 부분에, 또는 그 근처에 위치되는 필드 집중 영역(field concentration region)을 포함하고, 상기 제 1 부분은 제 1 폭을 갖고, 상기 제 2 부분은 제 2 폭을 갖고, 상기 제 1 폭은 상기 제 2 폭보다 큰, 상기 기하학적 도파관; 및
    상기 기하학적 도파관에 인접한 접지 평면(ground plane)
    을 포함하고,
    상기 접지 평면은 상기 기하학적 도파관으로 전자기 방사선의 인가 시에 상기 필드 집중 영역으로부터 전자들을 방출하면 전자들을 수집하도록 구성되고,
    상기 도파관의 제 2 부분 및 상기 접지 평면은 서로로부터 전기적으로 격리되는,
    광학 안테나.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 도파관의 제 2 부분 및 상기 접지 평면은,
    간극(gap)을 정의하는,
    광학 안테나.
  34. 제 32 항에 있어서,
    상기 기하학적 도파관의 곡률은,
    상기 제 2 부분에 따라 변경되는,
    광학 안테나.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 테이퍼링된 구조의 벽들을 따라 표면 플라스몬 파들을 제공하도록 구성되는 표면 피처들(surface features)
    을 더 포함하는,
    광학 안테나.
  36. 제 32 항에 있어서,
    상기 기하학적 도파관은,
    플라스몬 도파관인,
    광학 안테나.
  37. 제 32 항에 있어서,
    상기 테이퍼링된 구조는,
    금속-절연체-금속(MIM) 층들을 포함하는,
    광학 안테나.
  38. 제 32 항에 있어서,
    상기 필드 집중 영역은,
    상기 제 2 부분에, 또는 그에 인접한 첨단(tip)을 포함하는,
    광학 안테나.
  39. 제 32 항에 있어서,
    상기 광학 안테나는,
    복수의 기하학적 도파관들을 갖는 광학 안테나들의 어레이를 포함하는,
    광학 안테나.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 복수의 기하학적 도파관들은,
    단단한 또는 가요성 기판으로 형성되는,
    광학 안테나.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 광학 안테나의 어레이는,
    상기 어레이 상에 입사되는 전자기 방사선의 방향성의 컨포멀 맵핑(conformal mapping) 또는 감지를 통해 전자기 근거리장 영역 조작(electromagnetic near-field manipulation)을 위해 구성되는,
    광학 안테나.
  42. 제 32 항에 있어서,
    상기 접지 평면은,
    상기 기하학적 도파관의 전자 방출 영역에 인접하게 배치되는,
    광학 안테나.
  43. 제 32 항에 있어서,
    상기 기하학적 도파관은 캐소드를 포함하고
    상기 접지 평면은 광학 안테나의 애노드를 포함하는,
    광학 안테나.
  44. 제 32 항에 있어서,
    상기 광학 안테나 어레이들은,
    불량 셀들(bad cells)을 갖는 클러스터(cluster)를 우회하도록 클러스터링되는,
    광학 안테나.
  45. 제 32 항에 있어서,
    상기 테이퍼링된 구조는,
    원형, 타원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 5각형, 6각형, 7각형, 8각형, 9각형, 및 10각형으로 구성된 그룹으로부터 선택된 횡단면 형상을 갖는,
    광학 안테나.
  46. 제 32 항에 있어서,
    상기 테이퍼링된 구조는,
    홈들(grooves)을 포함하는,
    광학 안테나.
  47. 제 32 항에 있어서,
    상기 테이퍼링된 구조는,
    하나 이상의 주름잡힌(corrugated) 표면들을 포함하는,
    광학 안테나.
  48. 제 32 항에 있어서,
    상기 테이퍼링된 구조는,
    상기 테이퍼링된 구조의 테이퍼링된 표면들 중 하나 이상의 표면들 상에 나노구조들(nanostructures)을 포함하는,
    광학 안테나.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 나노구조들은,
    양자 도트들(quantum dots), 양자 웰들, 나노섬유들, 나노배선들, 나노튜브들 및 나노도트들로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
    광학 안테나.
  50. 제 32 항에 있어서,
    상기 테이퍼링된 구조는,
    상기 테이퍼링된 구조의 하나 이상의 표면들 상에 금속 절연체 금속 산화물(metal insulator metal oxide; MIMO)을 포함하는,
    광학 안테나.
  51. 제 32 항에 있어서,
    상기 테이퍼링된 구조는,
    상기 테이퍼링된 구조의 테이퍼링된 표면들 중 하나 이상의 표면들 상에 메타물질 공명 구조들(metamaterial resonating structures)을 포함하는,
    광학 안테나.
  52. 전자기 필드 집중기(electromagnetic field concentrator)로서,
    하나 이상의 도파관들로서, 상기 하나 이상의 도파관들의 개별 도파관은 기판의 제 1 단부로부터 상기 기판의 제 2 단부로 테이퍼링되는 하나 이상의 경사진 표면들을 포함하는 상기 기판을 갖고, 상기 하나 이상의 경사진 표면들은 전자기 방사선을 수집하도록 구성된 리세스 공극을 정의하고, 상기 하나 이상의 경사진 표면들은 전자기 방사선 전도성 물질로 형성되는, 상기 하나 이상의 도파관들; 및
    상기 하나 이상의 도파관들에 인접한 전극
    을 포함하고,
    상기 전극은 상기 하나 이상의 도파관들로 전자기 방사선의 인가 시에 생성되는 전자들을 수집하도록 구성되고,
    상기 전극 및 상기 제 2 단부는 상기 도파관과 상기 하나 이상의 도파관들의 개별 도파관 간의 간극을 정의하고,
    상기 전자기 필드 집중기는
    상기 전극에 인접한 필드 강화 구조
    를 포함하는,
    전자기 필드 집중기.
  53. 제 52 항에 있어서,
    상기 리세스 공극의 곡률을,
    제 2 단부에 따라 변경되는,
    전자기 필드 집중기.
  54. 제 52 항에 있어서,
    상기 제 1 단부는 제 1 폭을 갖고,
    상기 제 2 단부는 제 2 폭을 갖고,
    상기 제 1 폭은 상기 제 2 폭보다 큰,
    전자기 필드 집중기.
  55. 제 52 항에 있어서,
    상기 전극은,
    상기 전자기 필드 집중기의 애노드인,
    전자기 필드 집중기.
  56. 필드-강화 에너지 수집 디바이스로서,
    제 1 단부 및 상기 제 1 단부에 대향하는 제 2 단부를 갖는 적어도 하나의 리세싱된 구조를 포함하는 지지 구조로서, 상기 리세싱된 구조는 상기 제 1 단부로부터 하향으로 테이퍼링되는 하나 이상의 경사진 벽 구조들을 갖고, 상기 경사진 벽 구조는 리세스 공극을 정의하고, 상기 리세스 공극은 비어있거나 광학적으로 투과성 또는 반투과성 물질로 충전되고, 상기 하나 이상의 경사진 벽 표면들은 상기 제 2 단부에서 또는 그 근처에서 서로 접촉하거나 근접해 있고, 상기 하나 이상의 경사진 표면들은 상기 리세스 공극에 광학적으로 노출되는 전자기 에너지 전도성 도파관을 포함하는, 상기 지지 구조; 및
    상기 지지 구조에 인접한 전극
    을 포함하고,
    상기 전극은 상기 적어도 하나의 리세싱된 구조로 전자기 방사선의 인가 시에 생성되는 전자들을 수집하도록 구성되고, 상기 전극은 상기 전자기 에너지 전도성 도파관으로부터 이격되고,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스는 상기 전극에 인접한 필드 강화 구조를 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 제 2 단부는,
    필드 강화 영역을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 필드 강화 영역은,
    실질적으로 예리한 첨단을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  59. 제 56 항에 있어서,
    상기 리세스 공극의 곡률은,
    상기 제 2 단부에 따라 변경되는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  60. 제 56 항에 있어서,
    상기 리세스 공극은,
    원뿔 형상을 갖는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  61. 제 56 항에 있어서,
    상기 지지 구조는 기판인,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  62. 제 56 항에 있어서,
    상기 지지 구조는,
    광학적으로 투과성 물질로 형성되는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  63. 필드-강화 에너지 수집 디바이스로서,
    도파관들의 어레이로서, 상기 어레이의 개별 도파관은 상기 개별 도파관의 제 1 단부로부터 상기 개별 도파관의 제 2 단부로 테이퍼링되는 하나 이상의 경사진 표면들을 포함하고, 상기 하나 이상의 경사진 표면들은 리세스 공극을 정의하고, 상기 하나 이상의 경사진 표면들은 전자기 방사선 전도성 물질로 형성되고, 상기 개별 도파관은 상기 제 1 단부로부터 상기 제 2 단부로 전자기 방사선을 수집하고 지향시키도록 구성되는, 상기 도파관들의 어레이; 및
    상기 도파관들의 어레이에 인접한 전극
    을 포함하고,
    상기 전극은 상기 도파관들의 어레이 내의 각각의 도파관으로부터 전기적으로 격리되고, 상기 전극은 상기 어레이로 전자기 방사선의 인가 시에 생성되는 전자들을 수집하거나 지향시키도록 구성되고,
    상기 필드-강화 에너지 수집 디바이스는 상기 전극에 인접한 하나 이상의 필드 강화 구조들을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  64. 제 63 항에 있어서,
    상기 리세스 공극의 곡률은,
    상기 제 2 단부를 따라 변경되는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  65. 제 63 항에 있어서,
    상기 도파관의 어레이는 베이스 표면을 갖는 지지 구조에 형성되고,
    상기 도파관들은 상기 베이스 표면과 상기 전극 사이에 배치되는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  66. 제 65 항에 있어서,
    상기 베이스 필드는,
    광학적으로 투과성 또는 반투과성 물질을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  67. 제 63 항에 있어서,
    상기 베이스 표면은,
    인듐 주석 산화물을 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
  68. 제 63 항에 있어서,
    상기 전극과 필드 강화 구조 간의 비전도성 영역 내에 전도성 금속 구조
    를 더 포함하는,
    필드-강화 에너지 수집 디바이스.
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