TWI497782B - 用於產生電力的裝置及方法 - Google Patents

Description

用於產生電力的裝置及方法 發明領域

本發明在其某些實施例中係有關於能量轉換，且更明確但非絕對地，係有關於用於產生電力的裝置及方法。

發明背景

一熱電轉化器類型係使用塞貝克熱電效應(Seebeck thermoelectric effect)，根據該效應，電流係在具有異極導電材料之兩接頭間產生。以塞貝克為主之熱電產生器典型上係作為溫度感測器，亦即熱電偶，但是亦已試圖使用熱電產生器以提供電路之動力(見，例如國際專利公開案第WO 07/149185號)。

另一種熱能轉化器為使用熱離子發射效應之熱離子轉化器，根據該效應於合適高的溫度下可自固體表面發射電子。熱離子轉化器典型上包括一熱體及一冷體，且具有至少幾百攝氏度之熱梯度，為了發生熱離子發射效應，係於合適高之溫度(典型上高於1000℃)下維持該熱體。電子係自該熱體之表面發射且與該冷體之表面碰撞，藉此產生可通過該等表面間之空隙的電壓。熱離子轉化器之說明可在美國專利第7,109,408號中找到。

該熱離子轉化器之操作原理不同於熱電產生器。其中一差異為通過該裝置之電荷傳輸的性質。在熱離子轉化器中，電荷傳輸係藉自由電子之運動而控制，而在熱電產生器中，電荷傳輸係藉在實體接觸之導體內的電子及電洞之擴散而控制。

另一種熱轉化器為使用量子力學穿隧效應之熱穿隧轉化器，根據該效應，一粒子可穿透高於其動態之位障。熱穿隧轉化器包括一熱表面及一冷表面，且典型上係在真空內操作。使該等表面充份地彼此接近以藉穿隧作用而使電子自熱表面移至冷表面。熱穿隧轉化器之說明可在美國專利第3,169,200號及第6,876,123號中找到。一合併該等熱離子及熱穿隧原理之併合能量轉化器係揭示在美國專利第6,489,704號中。

亦重要之論文為J. M. Dudley在Infinite Energy Magazine 66(2006)21中發表之論文，其名稱為“Maxwell’s Pressure Demon and the Second Law of Thermodynamics”。Dudley描述一種裝置，其包括一對具有兩玻璃纖維篩於其間之鋁板且該等玻璃纖維篩之間包含一銅箔。Dudley聲稱當在該等鋁板上施加壓力時，通過該裝置之電壓下降會增加。Dudley試圖去除環境溫度以排除或減少電化學反應之影響並認定該電壓下降起因於穿隧效應。

發明概要

本發明之某些實施例係有關於用於產生電力的裝置，其可自氣體分子之運動取得能量。在本發明之某些實施例中，該裝置包括一對彼此隔開之由不同材料製成之表面、及位於該等表面之間的氣體介質。各此等表面對及中間的氣體在文中可稱為電池。於該對之第一表面，氣體分子可帶電荷且藉熱運動而移至該對之第二表面以將得自該對之第一表面的淨電荷轉移至該對的第二表面。在本發明之某些實施例中，整個系統係於環境或接近環境溫度下操作。

不想受任何特定理論束縛，咸信在該等表面間之電荷的傳輸受兩機制間之交互作用的影響。第一機制為該氣體介質與一熱源(其可以是環境)間之熱交換。第二機制為經氣體媒介之電荷轉移，其在下文有進一步詳述且在下文之實例段落有舉例說明。

該熱交換可維持氣體分子之熱運動，且該經氣體媒介之電荷轉移可維持兩表面間之電位差。由於其熱能，夠快的氣體分子可自一表面將電荷送至另一表面。由於該等氣體分子與表面間之交互作用，所以可發生電荷轉移。如下文所述，本交互作用可具暫時性(例如經由彈性或非彈性碰撞過程)或延長性(例如經由吸附-去吸附過程)。

當氣體分子與該第一表面交互作用時，該第一表面可，例如藉將電子轉移至該氣體分子或自該氣體分子轉移電子而使該分子帶電荷。當帶電荷之氣體分子與該第二表面交互作用時，該第二表面可自帶電荷之氣體分子接收過量電荷。因此，該第一表面可作為電荷施體表面且該第二表面可作為電荷接收表面或反之亦然。

該經轉移之電荷可在該等表面之間產生一電位差，其可選擇性不使用任何外施電壓，且可用以產生電流。

咸信由於使電荷穿過該空隙所耗費之功可克服其鏡像電荷之吸引力，因而可使氣體分子減慢以冷却該氣體。為了提供穩態系統，較佳，例如自環境將熱能轉移至該氣體。

由於該等表面間之電位差係藉作為電荷傳輸劑之分子自一表面至另一表面的熱運動而產生，所以沒必要維持該等表面間之溫度梯度。因此，這兩表面可彼此在50℃內或在10℃內或在1℃內。在本發明之某些實施例中，該等表面之以凱耳文溫標(Kelvin scale)表示的溫差小於5%或小於3%或小於2%，例如1%或較低。

在本發明之各代表性實施例中，這兩表面可實質上處於相同溫度下。雖然就該電池或裝置之操作而言，並不需要極端的溫度條件，但是能夠成為有效電荷傳輸劑之高速氣體分子的比例可隨溫度而增加。因此，已預期任何特定電池或裝置之效率可在其操作範圍內隨增加的溫度而增加。在本發明之各代表性實施例中，這兩表面係處於在約400℃以下或在約200℃以下或在100℃以下或在50℃以下之溫度下。在本發明之某些實施例中，這兩表面係處於低於30℃且高於15℃之溫度，例如於室溫(例如約25℃)下或在其附近之溫度下。在本發明之某些實施例中，這兩表面係處於低於15℃且高於0℃之溫度下，且在本發明之某些實施例中，這兩表面係處於低於0℃之溫度下。

在本發明之各代表性實施例中，該第一表面將具特定極性之電荷轉移至氣體介質的能力不同於該第二表面將電荷轉移至氣體介質之能力。本構形可以使該等氣體分子在與其中一表面交互作用時獲得電荷且在與另一表面交互作用時失去電荷。

當該等表面係藉電接觸外電力負荷時，電流可經由該負荷自更可能使氣體介質得到一負電荷的表面流至更可能自氣體介質得到一負電荷的表面。

已知為了提供有效的電荷轉移，大量的帶電荷分子應該自該第一表面前進至第二表面。在本發明一較佳實施例中，該等表面間之距離夠小，所以符合本條件。夠小的空隙可減少分子間的碰撞數並降低藉該帶電荷分子而產生之像電荷位障，因此可增加夠快的分子離開第一表面之附近以成功越過該空隙且不會與其它氣體分子碰撞並將電荷移至該第二表面的可能性。較佳，該等表面間之空隙大約為該等氣體分子之平均自由程。一般而言於操作之溫度及壓力下，該等表面間之距離較佳小於該等分子之平均自由程的10且較佳小於5.2或大約較小或中間的倍數。其最好應該是一平均自由程或更小。一般而言，該等表面間之距離較佳小於1000奈米、更佳小於100奈米、更佳小於10奈米、且最好(但並必)小於2奈米。

不管上述理論之正確性，本發明者已發現在特定環境下，電流及電壓可藉一系統之兩元件間之經氣體媒介的電荷轉移而產生，其中除了經由該等氣體分子之熱能外，並未將能源輸入該系統內。

可將數個此等電池排列在一起以形成一電源裝置。在本實施例中，可將該等電池排列於其中以使電流在以串聯排列的鄰接電池之間流動。此等電池較佳串聯及/或並聯排列，與單一電池比較，該串聯排列可提供增加的電壓輸出且該並聯排列可提供增加的電流。

根據本發明某些實施例之一方面，係提供一用於將熱能直接轉化成電力之電池裝置。該電池裝置包括第一表面及第二表面與位於該等表面間之空隙；及位於該等表面間之具有呈熱運動之氣體分子的氣體介質；該第一表面能有效地將一電荷移至與該第一表面交互作用之氣體分子，且該第二表面能有效地自與該第二表面交互作用之氣體分子接收該電荷；其中該等表面間之電位差係在外施電壓不存在下藉該電荷轉移而產生。

根據本發明某些實施例之一方面，係提供一用於將熱能直接轉化成電力之電池裝置。該電池裝置包括第一表面及第二表面與位於該等表面間之空隙；及位於該等表面間之具有呈熱運動之氣體分子的氣體介質；該第一表面能有效地將一電荷移至與該第一表面交互作用之氣體分子，且該第二表面能有效地自與該第二表面交互作用之氣體分子接收該電荷；其中該空隙小於1000奈米。

根據本發明某些實施例之一方面，係提供一用於將熱能直接轉化成電力之電池裝置。該電池裝置包括第一表面及第二表面與位於該等表面間之空隙；及位於該等表面間之具有呈熱運動之氣體分子的氣體介質；該第一表面能有效地將一電荷移至與該第一表面交互作用之氣體分子，且該第二表面能有效地自與該第二表面交互作用之氣體分子接收該電荷；其中該第一表面與第二表面在彼此之50℃範圍內。

根據本發明某些實施例之一方面，係提供一用於將熱能直接轉化成電力之電池裝置。該電池裝置包括第一表面及第二表面與位於該等表面間之空隙；及位於該等表面間之具有呈熱運動之氣體分子的氣體介質；該第一表面能有效地將一電荷移至與該第一表面交互作用之氣體分子，且該第二表面能有效地自與該第二表面交互作用之氣體分子接收該電荷；其中該第一表面與第二表面係處於低於200℃之溫度下。

根據本發明之某些實施例，該第一表面具有一正電荷可轉移性，而該第二表面具有一負電荷可轉移性。

根據本發明某些實施例之一方面，係提供一用於產生電力之電池裝置。該電池裝置包括與第一電觸點電聯之第一表面；與第二電觸點電聯之第二表面且其係在該第一表面之50℃範圍內；及位於該等表面之間的空隙內之氣體介質；其中該第一表面具有一正電荷可轉移性，且其中該等電觸點可連接至一負載以使負載電流自第一表面流經該負載抵達第二表面。

根據本發明之某些實施例，至少一表面為具導電性基板之表面。

根據本發明之某些實施例，至少一表面為具有小於10^-9 S/m之導電度之基板的表面。

根據本發明某些實施例之一方面，係提供一電源裝置。該電源裝置包括多個如文中所述之電池裝置，其中至少一對鄰接電池裝置係藉導體而互連，藉此電流可經由該導體自該對之第一裝置的第二表面流至該對之第二裝置的第一表面。

根據本發明之某些實施例，該等鄰接電池裝置對係以串聯及並聯排列，藉此該電源裝置之電流可大於任何單一電池之電流且藉此該電源裝置之電壓可大於任一電池裝置之電壓。

根據本發明某些實施例之一方面，係提供一電源裝置。該電源裝置包括第一導電電極及第二導電電極；在該等電極間之第一電池裝置堆疊及第二電池裝置堆疊，各電池裝置如文中所述；其中在各堆疊內，該堆疊之鄰接電池裝置對各係藉導體而互連，藉此電流可經由該導體自該對之第一電池裝置的第二表面流至該對之第二細胞裝置的第一表面；且其中該第一堆疊及第二堆疊可自第一電極將電荷運送至第二電極。

根據本發明之某些實施例，該導體為具有兩側之導電基板，該基板之一側構成一電池裝置之表面，而反向側構成一鄰接電池裝置之表面。

根據本發明之某些實施例，該導體為經導電材料塗覆之基板，其塗覆程度可以在該基板之第一側與第二側之間產生導電性，其中該導體為具有兩側之導電基板，該基板之一側構成一電池裝置之表面，而其反向側構成一鄰接電池裝置之表面。

根據本發明之某些實施例，該等電池之表面可以以有序或無規方式彼此重疊，藉此單一基板之表面係部份由至少兩電池共有。

根據本發明某些實施例之一方面，係提供將熱能直接轉化成電力的方法。該方法包括提供第一表面及第二表面且一空隙存在於該等表面之間；使一氣體介質之分子與該第一表面交互作用以將一電荷轉移至至少部份該等氣體分子；並使一部份該等氣體分子與第二表面交互作用以自至少部份該等氣體分子將該電荷轉移至第二表面，藉以在該等表面之間產生電位差；其中該空隙小於1000奈米。

根據本發明某些實施例之一方面，係提供將熱能直接轉化成電力的方法。該方法包括提供第一表面及第二表面且一空隙存在於該等表面之間；使一氣體介質之分子與該第一表面交互作用以將一電荷轉移至至少部份該等氣體分子；並使一部份該等氣體分子與第二表面交互作用以自至少部份該等氣體分子將該電荷轉移至第二表面，藉以在該等表面之間產生電位差；其中該第一表面及第二表面係在彼此之50℃範圍內。

根據本發明某些實施例之一方面，係提供將熱能直接轉化成電力的方法。該方法包括提供第一表面及第二表面且一空隙存在於該等表面之間；使一氣體介質之分子與該第一表面交互作用以將一電荷轉移至至少部份該等氣體分子；並使一部份該等氣體分子與第二表面交互作用以自至少部份該等氣體分子將該電荷轉移至第二表面，藉以在該等表面之間產生電位差；其中該第一表面及第二表面係處於低於200℃之溫度下。

根據本發明某些實施例之一方面，係提供將熱能直接轉化成電力的方法。該方法包括提供第一表面及第二表面且一空隙存在於該等表面之間；使一氣體介質之分子與該第一表面交互作用以將一電荷轉移至至少部份該等氣體分子；並使一部份該等氣體分子與第二表面交互作用以自至少部份該等氣體分子將該電荷轉移至第二表面，藉以在該等表面之間產生電位差；其中該等表面間之電位差係在外施電壓不存在下，藉該電荷轉移而產生。

根據本發明之某些實施例，其中一表面可以使該等氣體分子帶電荷且另一表面可中和該等帶電荷之氣體分子。

根據本發明之某些實施例，這兩表面皆可使氣體分子帶電荷，其中之一可使氣體分子帶正電荷，而另一表面可使氣體分子帶負電荷。

根據本發明之某些實施例，該等表面間之任何電壓係在外施電壓不存在下藉該電荷轉移而產生。

根據本發明之某些實施例，該裝置進一步包括一用於防止該氣體介質滲漏之密封護罩。

根據本發明之某些實施例，該密度封護罩內之壓力高於環境壓力。根據本發明之某些實施例，該密封護罩內之壓力低於環境壓力。根據本發明之某些實施例，該密封護罩內之壓力高於1.1大氣壓。根據本發明之某些實施例，該密封護罩內之壓力高於2大氣壓。

根據本發明之某些實施例，該空隙小於1000奈米或小於100奈米或小於10奈米或小於5奈米或小於2奈米。

根據本發明之某些實施例，該第一表面與第二表面係在彼此之50℃或10℃或1℃範圍內。

根據本發明之某些實施例，該第一表面與第二表面係處於低於200℃或低於100℃或低於50℃之溫度下。

根據本發明之某些實施例，該第一表面與第二表面實質上呈平滑狀且藉隔片而分隔。

根據本發明之某些實施例，該空隙係藉自該等表面之至少之一向外突起的粗糙特徵而維持。

根據本發明之某些實施例，該等表面之至少之一包括至少一選自由以下所組成之群組的磁性或非磁性物質：金屬、半金屬、合金、本質或雜摻之無機或有機半導體、介電材料、層狀材料、本質或雜摻聚合物、導電聚合物、陶瓷、氧化物、金屬氧化物、鹽、冠狀醚、有機分子、第四銨化合物、陶金、及玻璃與矽酸鹽化合物。

根據本發明之某些實施例，該等表面各獨立包括至少一選自以下所組成之群組的磁性或非磁性物質：鋁、鎘、鉻、鈷、銅、釓、金、石墨、石墨烯(graphene)、鉿、鐵、鉛、鎂、錳、鉬、鈀、鉑、鎳、銀、鉭、錫、鈦、鎢、鋅；銻、砷、鉍；氧化石墨、氧化矽、氧化鋁、二氧化錳、氧化鎳錳、二氧化鎢、二氧化鎢、氧化錫銦、氧化鈣、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化鍶、氧化銅鋇鈣釔；黃銅、青銅、杜拉鋁(duralumin)、因鋼(invar)、鋼、不銹鋼；硫化鋇、硫化鈣；本質或雜摻矽晶圓、鍺、矽、砷化鎵鋁、硒化鎘、砷化錳鎵、碲化鋅、磷化銦、砷化鎵及聚乙炔；、氮化鋁、氮化鋯、碳化鎢；鈦酸鋇、氟化鈣、鈣鹽、稀土鹽、鋯鹽、錳鹽、鉛鹽、鈷鹽、鋅鹽；矽化鉻、Cr₃ Si-SiO₂ 、Cr₃ C₂ -Ni、TiN-Mo；玻璃及金雲母(phlogopite mica)、苯胺黑(nigrosine)、磺化環烷酸鈉(sodium petronate)、聚乙亞胺、馬拉加膠(gum malaga)、OLOA 1200、卵磷脂、以本質及雜摻硝基纖維素為主之聚合物、以聚氯乙烯為主之聚合物、及丙烯酸樹脂。

根據本發明之某些實施例，該等表面包括至少一獨立選自以下所組成之群組的物質：鋁、鉻、釓、金、鎂、鉬、不銹鋼、矽石、二氧化錳、氧化鎳錳、三氧化鎢、經還原之氧化石墨、石墨、石黑烯、矽化鉻矽石、氟化銫、HOPG、碳酸鈣、氯酸鎂、玻璃、金雲母、氮化鋁、氮化硼、玻璃陶瓷、雜摻硝基纖維素、經硼摻雜之矽晶圓、及經磷摻雜之矽晶圓。

根據本發明之某些實施例，該第一表面及第二表面各係藉石墨烯基板而支撐。

根據本發明之某些實施例，該第一表面及第二表面各係藉石墨基板而支撐。

根據本發明之某些實施例，該第一表面及第二表面各為改質石墨或石墨烯基板。

根據本發明之某些實施例，該第一表面及第二表面中之一為改質石墨或石墨烯基板，而另一表面為未改質石墨或石墨烯基板。

根據本發明之某些實施例，該第一表面包括至少一選自以下所組成之群組的物質：金、鎂、氟化銫、HOPG、碳酸鈣、鋁、鉻、釓、鉬、不銹鋼、矽石、金雲母、二氧化錳、氧化鎳錳、三氧化鎢、經還原之氧化石墨、石墨、石墨烯、矽化鉻矽石、經硼摻雜之矽晶圓、經磷摻雜之矽晶圓、及氮化硼。

根據本發明之某些實施例，該第二表面包括至少一選自以下所組成之群組的物質：金、氯酸鎂、鋁、玻璃陶瓷、雜摻硝基纖維素、玻璃、矽石、氮化鋁、及經磷摻雜之矽晶圓。

根據本發明之某些實施例，該氣體介質包括至少一選自以下所組成之群組的元素：鹵素、氮、硫、氧、含氫之氣體、惰性氣體、鹼性氣體及貴氣體。

根據本發明之某些實施例，該氣體介質包括至少一選自以下所組成之群組的氣體：At₂ 、Br₂ 、Cl₂ 、F₂ 、I₂ 、WF₆ 、PF₅ 、SeF₆ 、TeF₆ 、CF₄ 、AsF₅ 、BF₃ 、CH₃ F、C₅ F₈ 、C₄ F₈ 、C₃ F₈ 、C₃ F₆ O、C₃ F₆ 、GeF₄ 、C₂ F₆ 、CF₃ COCl、C₂ HF₅ 、SiF₄ 、H₂ FC-CF₃ 、CHF₃ 、CHF₃ 、Ar、He、Kr、Ne、Rn、Xe、N₂ 、NF₃ 、NH₃ 、NO、NO₂ 、N₂ O、SF₆ 、SF₄ 、SO₂ F₂ 、O₂ 、CO、CO₂ 、H₂ 、氘、i-C₄ H₁₀ 、CH₄ 、Cs、Li、Na、K、Cr、Rb及Yb。

根據本發明之某些實施例，該氣體介質包括至少一選自以下所組成之群組的氣體：六氟化硫、氬、氦、氪、氖、氙、氮、甲烷、四氟化碳、八氟丙烷、水蒸汽及空氣。

根據本發明之某些實施例，該氣體介質在裝置操作期間並不會被消耗。

根據本發明某些實施例之一方面，係提供一種方法，其包括提供至少一具有第一表面及第二表面與位於該等表面之間的充滿具有電活性物種於其中之液體介質的空隙之電池裝置，該空隙小於50微米；施加電壓在該第一表面與第二表面之間以誘發該電活性物種與至少一表面的電化學或電泳交互作用，藉以將該經交互作用之表面的表面性質改質；並排出至少一部份液體以使該空隙減少至少50%。

根據本發明之某些實施例，就多個電池裝置而言，可同時進行該方法。

根據本發明之某些實施例，該排放步驟可以使空隙減少至少90%。

根據本發明之某些實施例，在進行表面修飾前，該第一表面及第二表面係由相同材料製成，且該等電活性物種經選用可致使在電沈積後，該第一表面之特性電荷可轉移性不同於第二表面之特性電荷可轉移性。

根據本發明之某些實施例，該相同材料為石墨烯。

根據本發明之某些實施例，該相同材料為石墨。

根據本發明之某些實施例，該等電活性物種係選自由鹽及染料組成之群組。

除非另有定義，文中使用之所有技術及/或科學名詞具有如一般技術者普遍瞭解之有關於本發明的相同意義。雖然，可使用與文中所述類似之方法及材料以實踐或測試本發明之實施例，但是代表性方法及/或材料描述在下文。若互相抵觸，則該專利說明書(其包括定義)應該適用。此外，該等材料、方法、及實例僅用於闡明並無意成為必要性限制。

圖式簡單說明

參考以下附圖及影像在文中說明本發明之某些實施例，其僅作為實例。現在詳細參考圖示，其強調所示之細節係作為實例且用於本發明實施例之闡明性論述。關於這點，該等圖示所附之說明可以使熟悉本項技藝者瞭解本發明實施例之實踐方法。

在該等圖示中：第1A及1B圖為根據本發明各種代表性實施例之一用於產生電力之電池的圖解。

第1C-1F圖為第1A圖之電池或其經改質變體內的電位圖解。第1C及1D圖表示通過經修飾而具有相同表面之第1A圖之電池之空隙的影像電荷電位。第1E及1F圖表示通過第1A圖之電池的空隙之電位，其中該等表面係不同。第1G及1H圖表示以第1A圖之電池內的空隙大小為變數之位障(第1G圖)及每一表面積之電流(第1H圖)。

第2A及2B圖為根據本發明各種代表性實施例之電源裝置的圖解。

第3圖為用於測定以回應流經網目之噴流之目標網目與噴嘴間所產生的電流表示之電荷可轉移性的根據本發明某些代表性實施例之實驗設備之圖解。

第4圖表示在第3圖內所闡明之設備中所測定之各種材料的尖峰電流。

第5圖表示在各種氣體存在下，各種材料之凱耳文探針測定值。

第6圖為用於藉氣體分子之熱運動而產生電流之根據本發明某些實施例所使用的實驗設備之圖解，其中該等表面並未直接(或間接)接觸。

第7A-7C圖為在根據本發明某些實施例的進行之實驗期間，使用第6圖內所闡明之實驗設備所獲得之典型示波器輸出額。

第8圖為根據本發明之某些實施例，用於功函數修飾之實驗設備的圖解。

第9圖為根據本發明之某些實施例，用於作為隔片之幾種非導電材料之分析的實驗設備之圖解。

第10圖表示根據本發明某些實施例，使用第9圖內所闡明之實驗設備研究作為隔片之幾種材料的放電圖解。

第11圖為用於藉氣體分子之熱活動而產生電流之根據本發明某些實施例所使用之實驗設備的圖解，其中該等表面係經由表面的崎嶇不平或隔片而直接或間接接觸。

第12圖表示如在根據本發明某些實施例所進行之實驗期間使用第11圖內所闡明之實驗設備於幾種氣體壓力下所測定，以時間為變數之電流。其中之箭號表示氣體壓力的變化。

第13圖為表示如在根據本發明某些實施例所進行之實驗中所測定，用於在一特定裝置內獲得最大電流之底限壓力的圖解。該等壓力係以該氣體分子之直徑平方的倒數之變數表示。

第14圖表示如在根據本發明某些實施例所進行之實驗期間使用第11圖中所闡明之實驗設備於幾種溫度下所測定，以時間為變數之電流。

第15圖表示如在根據本發明某些實施例所進行之8次實驗操作中所測定，以時間為變數之電流。

第16圖表示如在根據本發明某些實施例所進行之實驗中，經過數分鐘(下橫座標)後通過單一對表面(連續線)或經過數小時(上橫座標)後通過一疊表面(虛線)所測定，經過一段時間後所蓄積之電壓。

第17圖表示如同時在根據本發明某些實施例所進行之實驗中所測定，以時間(橫座標)為變數之電流(左縱座標)的變化、及室溫度(右縱座標)之起伏。

第18圖表示以在根據本發明某些實施例所進行之8次實驗操作內所測定之隔片大小為變數，於底限壓力下之電流。

第19圖表示以如在隔片不存在或存在下，根據本發明某些實施例所進行之8次實驗操作中所測定之該等氣體分子的直徑平方之倒數為變數，獲得最大電流所需之底限壓力。

第20A-20D圖表示以如在根據本發明某些實施例所進行之實驗中所測定的外施電壓為變數之電流(第20A及20C圖)及功率(第20B及20D圖)。

第21圖表示以如在根據本發明某些實施例所進行之實驗中所測定之壓力為變數的電流。

較佳實施例之詳細說明

本發明在其某些實施例中係有關於能量轉化，且更明確，但並非絕對，係有關於用於產生電力之裝置及方法。

在詳細解釋本發明至少一實施例前，應該瞭解本發明之應用並未必受限於以下說明文中所揭示及/或圖示及/或實例中所闡明之元件及/或方法之構造及排列的詳述。可以使用各種方法實踐或進行本發明之其它實施例。而且，雖然本發明者認為用於各該實施例之操作的理論性解釋係正確，但是如此所述並主張權利之裝置及方法並未取決於該理論。各該實施例未必互相排斥，因為某些實施例可合併一或多其它實施例以形成新的實施例。為了清楚明瞭，部份圖示內之某些元件並未按比例闡明。該等圖示不應被視為藍圖規格。

現在參考該等圖示，第1A圖闡明根據本發明之各種代表性實施例之用於產生電力的裝置10(單一電池)。電池裝置10包括一對隔開之表面12及14、及位於表面12與14之間的氣體介質16。表面12及14分別為基板32及34之一部份且由其等支撐。氣體分子18可將電荷自第一表面12輸送至第二表面14。該等氣體分子之運動係藉其等之熱能而引起且由該氣體之溫度決定。該氣體之溫度係藉由如下文進一步詳述之貯熱器20所供應之熱能22而維持。在第1A圖之圖解內，表面12可在該分子與表面12交互作用期間將負電荷轉移至電中性分子，因此可以使該分子具有一負電荷。當該帶負電荷之分子抵達表面14並與其交互作用時，表面14可自該分子接受負電荷以中和該分子。

該等分子與表面之交互作用可具短暫性，例如經由彈性或非彈性碰撞方法；或延長性，例如經由吸附一去吸附方法。

如文中使用，“吸附-去吸附方法”或“吸附-去吸附電荷轉移方法”意指其中該分子首先被表面吸附，其吸附時間足以使該分子損失大量之其動態且接著自該表面進行去吸附的方法，其中該進行吸附之分子的淨電荷不同於該進行去吸附後之分子的淨電荷。

在某些吸附-去吸附方法中，在該分子經吸附之時間內，該分子及表面係呈熱平衡狀態。在吸附期間，該分子可被視為表面之一部份。因此，在該吸附期間，該分子之電子波函數包括於表面處之所有分子(其包括被該表面所吸附之所有分子)的電子波函數。典型上，但非必要，該等經吸附分子係位於該表面之最外分子層。

分子與表面間之“短暫性方法”係指其中該氣體分子很接近表面，所以可在該表面與分子間進行電荷轉移之方法，其中該方法之進行時間顯著短於使該方法與表面達到熱平衡所需之時間。

典型的短暫性方法類型為碰撞。若分子之電子波函數與表面之電子波函數有至少一部份空間重疊，則該氣體分子與固體表面呈碰撞狀態。典型上，當氣體分子之中央與固體表面之最外原子間的距離小於10埃(Angstrom)或小於5埃時，該氣體分子與固體表面可被視為呈碰撞狀態。

當碰撞前之動能等於碰撞後之動能時，則該碰撞具“彈性”，且當碰撞前之動能高於碰撞後之動能，則該碰撞具“非彈性”。該等分子與該表面間之碰撞可具彈性或非彈性。

雖然第1A圖闡明當自表面14移至表面12時，該分子具中性，且當自表面12移至表面14時帶負荷，但是情況未必如此，因此當自表面14移至表面12時，該等分子或許可帶正電荷，且當自表面12移至表面14時可具中性。在任一種上述方法中，如第1A圖所示，一般技術者可知該方法可以使表面12帶正電荷並使表面14帶負電荷。因此，根據本發明之實施例，該等氣體分子可自表面12將負電荷傳送至表面14及/或自表面14將正電荷傳送至表面12。

在本發明之各代表性實施例中，自表面12至該等分子之電荷轉移、及自該等分子至表面14之電荷轉移係藉轉移電子而加速。因此，在這些實施例中，該等分子可接收得自表面12之電子並將電子轉移至表面14。

第1B圖係以圖解方式闡明其中係使用雙向電荷轉移之實施例中的裝置10。在這些實施例中，如第1A圖所示，當自表面12移至表面14時，該等分子帶負電荷，且當自表面14移至表面12時帶正電荷。這些實施例之優點為熱能轉化方法之效率較高。現在說明根據本發明某些實施例之雙向電荷轉移。

考慮一種剛才已接收一得自表面12之負電荷且沿著表面14的方向移動之分子。假定本帶負電荷分子係與表面14碰撞並與其交互作用。該碰撞方法並非瞬時性發生。在交互作用期間，該分子在表面14附近變弱，該分子可將單一負電荷轉移至表面14(或相等地自表面14接收單一正電荷)-或可轉移大於單一個電荷。例如在該交互作用之前半段期間(雖然該分子可接近表面14或被其吸附)，該分子可將第一負電荷轉移至表面14以變成具電中性，且在該交互作用之後半段(雖然該分子可退縮或自表面14去吸附)，該分子可將第二負荷轉移至表面以變成帶正電荷。亦可於表面12之附近進行互補性電荷轉移方法，例如在該帶正電荷分子與表面12交互作用之前半段期間，該分子可接收得自表面12之第一負電荷以變成具電中性，且在該分子之交互作用的後半段期間，該分子可接收一得自表面12之第二負電荷以變成帶負電荷。當該等分子自一表面將電荷輸送至另一表面時，表面12會變成帶正電荷而表面14會變成帶負電荷，因此可在該等表面之間產生一電舒差。可藉連接一負載(24)(例如經由電觸點26)至該等表面而利用本電位差。電流i係經由該負載自表面12流至表面14。因此，可將裝置10併入可供應電流至電路、器具或其它負載之電源裝置內。

在本發明之各代表性實施例中，該等氣體分子之動能僅起因於氣體之溫度。在這些實施例，並不需要額外機制(諸如外電壓源)即可維持該等分子之運動，其完全依靠熱能。而且，雖然該氣體可以與該等操作表面交互作用，不像燃料電池，此等交互作用並未含有不可逆化學反應且氣體在該方法內並未經消耗。

當裝置10達到穩態時，通過該負載之電荷量與藉該等氣體分子而轉移至各該表面的電荷大約相同，且，就特定負載及溫度而言，該等表面間之電位差大約恆定。該等表面間之小溫差即使存在，亦在上述電荷轉移機制中並未起重大作用。

表面12及14上之電荷的存在可產生一電位，其會對該等將電荷自一表面輸送至另一表面的分子產生能障。當該等分子自其等之各表面彈開時，該能障顯示可作為藉表面12或14對帶相反電荷之分子施加之吸引力及對帶同樣電荷之分子施加之斥力。

在熱隔離條件下，藉在該等表面間彈跳之分子而進行之電荷轉移(且藉此可克服位障)可持續降低氣體分子之平均動態，因此可將氣體介質冷却至該等氣體分子之動態不能再克服位障之溫度。然而，由於裝置10係與貯熱器20熱交流，所以熱能22可持續供應至該氣體介質，因此可再補充該等氣體分子之動能。貯熱器20可以是，例如其中可操作裝置10之環境(例如天然環境)，且可藉傳導、對流及/或輻射而將熱能供應至裝置10，並接著轉移至該氣體介質。

一旦該等表面間之電位差達穩態，由於電荷在該等表面聚集後已積聚之電場，所以可抑制電荷轉移。當裝置10連接至負載24時，已聚集之電荷係經由負載而自該等表面傳導，藉此可持續該電荷轉移之過程。由於流經該負載之電流，所以於該負載處可產生熱或其它有用之功。因此，負載24可使用至少部份自貯熱器20轉移至氣體介質16的熱能以進行有用的功。

一般而言，於特定非零溫度下，雖然所有氣體分子呈運動狀態，但是並非所有分子具有相同速力。因此，在自充電表面彈間後，並非所有帶電荷氣體分子可成功地越過該等表面間之空隙。通過位障後，僅具有足夠動能之分子可越過該空隙並確保電荷之轉移。較慢(低能量性)的分子並不能克服位障且不能參與該電荷輸送過程。就特定熱力學條件而言，可藉統計力學，尤其馬克士威-波茲曼(Maxwell-Boltzmann)速度分佈(其係為描述在特定速度範圍內一分子移動(或同義地，具有特定動能)之機率的純量函數)，而分析氣體分子之運動。因此，可使用該馬達克士威‧波茲曼分佈以估計具足以克服表面12與14間之位障之能量的氣體分子之分率。應注意的是就任何正性動能而言，該馬達克士威-波茲曼分佈具正性。因此，總是有發現具充份能量之分子的非零機率。在藉本發明者而進行之實驗中，經由負載24可發現顯著高於背景噪聲之電流信號，其表示至少一部份氣體分子可成功地克服該位障。下文描述這些實驗。

分子離開表面之方向取決於許多參數，諸如該分子抵達表面之速力(亦即速度及方向)、及該分子與表面間之交互作用類型(例如參與該碰撞之表面原子數、位置及取向)。一旦該氣體分子以特定方向離開表面時，其可移動特定距離，直到其與一表面或另一氣體分子碰撞並改變方向為止。一氣體分子之兩連續碰撞間的平均距離亦即平均自由程，且其係由希臘字母λ表示。λ值取決於該分子之直徑、氣體壓力及溫度。在本發明各代表性實施例中，就任一特定壓力及氣體之組成而言，該等表面間之空隙d夠小，所以可限制分子間之碰撞數。本構形可增加具充份能量之分子成功地越過該空隙且不會與其它氣體分子碰撞的機率。

除降低分子間之碰撞數外，如現在參考第1C-1F圖所解釋，夠小的空隙亦可降低藉該帶電荷分子與該等表面間之交互作用而產生的影像電荷位障。該影像電荷位障為兩表面之該等影像電荷電位的總和。兩表面間之任一帶電荷氣體分子被吸引至兩表面。

第1C圖闡明其中該等表面係相同且藉2奈米之空隙而分離之情況下，表面12與14間之影像電位。就其中一電子至該氣體分子之電荷轉移係以離該表面5埃()之距離並計算。該影像電位具有局部最大值64之點，其大約在該空隙之半途，於該點下在該帶電荷分子上並無影像電荷力作用。於局部最大值64之影像電荷電位係以V_max 表示且其值係取決於d(該空隙之大小)。

第1D圖闡明當該空隙之大小d增至10奈米而導致V_max 層次增加的情況。第1E及1F圖描述當表面12與14並不相同時，越過相同2奈米及10奈米代表性空隙之電位，文中係以0.5eV之功函數的差異闡明。在本情況下，該標繪之電位相當次影像電荷電位及由於功函數差異之電位。對該帶電荷分子並無淨力作用之局部最大值64係朝具有較高功函數之表面移動且該位障V_max 隨漸增之空隙大小而增加。

因此，當該空隙之大小降低時，克服該位障(其包括影像電荷位障)所需之動能量亦可降低，因此可以使較慢之帶電荷分子越過該空隙。

表面12與14間之空隙d具有於裝置10之操作溫度及壓力下該等氣體分子之平均自由程的量級。例如d可小於平均自由程之10倍、更佳小於平均自由程之5倍、更佳小於平均自由程之2倍。表面12與14間之空隙d的典型值小於或約1000奈米、更佳小於約100奈米、更佳小於約10奈米、更佳小於或約2奈米。

可以以不足一種方法維持表面12與14間之分離。在本發明之某些實施例中，係將一或多個非導電性隔片28插入在該等表面之間以維持分離。該隔片具“非導電性”，其意義為可在該空隙內防止短路。隔片28之大小係根據空隙之大小d而選擇。該隔片之尺寸較佳為所欲間隔。該隔片可以是，例如具任何形狀之奈米結構體。在本質上與該等表面平行之平面內該等隔片之截面積較佳實質上小於表面12與14之面積，因此能夠使該等表面充份有效地彼此暴露。

在本發明之某些實施例中，係藉表面之向外突起的粗糙特徵(文中並未表示，但是可為了闡明可參閱第2B圖)而維持該等表面間之分離。當表面12與14中之至少一表面由具劣導電性之材料製成時，這些實施例特別有用。

分子18可自一表面得到電荷並經由氣體媒介之電荷轉移應而將電荷轉移至另一表面，因此一旦與一表面相互作用時，氣體分子可獲得或失去電荷。例如該氣體分子可藉自表面取出一電子而獲得電子或藉提供一電子至該表面而失去電子。可藉不止一種機制而進行該氣體媒介之電荷轉移。電子轉移至一分子實體可形成分子-電子單位，其中在該分子實體之電子與正電荷原子核間之特定結合能。然而，在該(短程)電子結合作用與(長程)庫侖斥力(Coulombic repulsion)之間有互相作用，其可影響該分子-電子單元之穩定性。廣泛地說，一分子-電子單位之量子機械態可具穩定性、亞穩定性或不穩定性。

當結合能夠高時，該量子機械態具穩定性且該分子-電子單元據稱為一離子。就較低結合能而言，該電子僅寬鬆地連接至該分子且該量子機械態具亞穩定性或不穩定性。有關於電子連接之研究，尤其有關於亞穩定性不穩定性分子單元之形成可在以下文獻中找到：見，例如等人，“Electron attachment to molecules and its use for molecular spectroscopy”,Acta Chim. Slov. 51(2004)11-21;R.A. Kennedy and C.A. Mayhew,“A study of low energy electron attachment to trifluoromethyl sulphur pentafluoride,SF₅ CF₃ :atmospheric implications”,International Journal of Mass Spectrometry 206(2001)i-iv;Xue-Bin Wang and Lai-Sheng Wang,“Observation of negative electron-binding energy in a molecule”,Letters to Nature 400(1999)245-248。

本發明之發明者已發現由於該分子-電子量子機械態之壽命典型上比該分子-電子單元越過該等表面間之空隙所需之平均時間還長。已預期該等表面間之電荷轉移主要經由於亞穩定或不穩定量子機械態之分子-電子單元而進行。然而，並不排斥經由游離化分子而進行之電荷轉移。

在本發明之構思及付諸實施期間，並經預期電子與該等氣體分子或表面之連接並自該等氣體分子或表面之分離可藉類似或有關於摩電效應之氣體媒介機制而進行。

該摩電效應(亦稱為“接觸充電”或“摩擦電力”)為兩一起摩擦或彼此相對運動之不同物件的充電並自一物件至另一物件進行電馬達手剪切作用。可輕易地以絲及玻璃說明該充電效應。本發明者已發現並相信似摩電效應亦可藉氣體而媒介。

在本發明各代表性實施例中，一旦，例如如下文進一步詳述之吸附-去吸附或碰撞方法而接觸該表面時，該等分子可獲得或失去一電子。

根據本發明之某些實施例之在該等表面間所進行的經氣體媒介之電轉移係於實質上在400℃以下或在200℃以下或在100℃以下或在50℃以下之溫度下進行。而且，在某些實施例中，該經氣體媒介之電荷轉移亦係於高於400℃之溫度下進行。

在本發明各代表性實施例中，這兩表面係處於小於30℃並高於15℃之溫度下，例如於室溫(例如約25℃)或其附近之溫度下。在本發明之某些實施例中，這兩表面係處於小於15℃且高於0℃之溫度下，且在本發明之某些實施例中，這兩表面係處於小於0℃之溫度下。

由於該等表面間之位差係藉可作為自一表至另一表面之電荷輸送體的分子之熱運動而產生，所以不需要維持該表面間之溫度梯度。因此，這兩表面可實質上處於相同溫度下。其不像傳統熱電轉化器，其中相對於收集器電極，發射器電極係維持於高溫下並藉塞貝克效應而使電子繼續流經該電負載。在此等傳統熱電轉化器中，並無可作為電荷輸送體之氣體分子。而且，該等熱電子可自熱發射器電極直接流至冷收集器電極。

表面12及14可具有任何類型。如第1A及1B圖中所闡明。典型上，該等表面呈平面狀，但是亦涵蓋非平面構形。表面12及14通常由不同材料製成、或係為具相同材料之表面修飾物，因此可經由該經氣體媒介之電荷轉移效應而使氣體分子獲得負電荷(例如藉獲得電子)並接觸表面12及/或獲得正電荷(例如藉失去電子)並接觸表面14。

本實施例之經氣體媒介的電荷轉移起因於該電荷可轉移性。

如文中使用，“電荷可轉移性”意指一表面將電荷轉移至該等氣體分子或自該等氣體分子接受電荷的能力、或一氣體分子將電荷轉移至該表面或自該表面接受電荷之能力。

該電荷可轉移性係藉該等表面或氣體分子之性質而決定且亦可取決於溫度。電荷可轉移性係描述該特定表面與特定氣體分子間之交互作用並表示藉該交互作用而導致電荷轉移之可能性、電荷轉移之程度以及電荷轉移之極性。在本文件內，當該氣體分子將一表面正性充電時，該表面據稱具有正電荷可轉移性，且當該氣體分子將一表面負性充電時，該表面具有負電荷可轉移性。例如具有正電荷可轉移性之表面為可以使氣體分子得到一個電子以中和該氣體分子或形成一分子-電子單元之表面。具有負電荷可轉移性之表面為可自中性氣體分子或分子-電子單元接收一個電子的表面。電荷可轉移性取決於這兩表面及參與該電荷轉移之氣體。電荷可轉移性亦可取決於溫度，因為溫度會影響該等氣體分子之動能以及許多材料性質，諸如能隙、熱膨脹、導電率、功函數等。定量上，以Θ表示之電荷可轉移性可以以能量單位表示。例如正電荷可轉移性之定義為Θ=E ^S _min ，其中E ^S _min 為自該表面移除一個電子並使其附著於中性氣體分子所需之最低能量，而負電荷可轉移性之定義為Θ=-E ^M _min ，其中E ^M _min 為自中性氣體分子移除一個電子並將其轉移至該表面所需之最低能量。

已知當Θ以如上文定義之能量單位表示時，在某些情況下，其值未必等於用於將該電荷轉移至中性分子所需之能量，因為當已使該等分子及/或表面電荷時，亦可進行電荷轉移。因此，如現在可更詳細解釋，自該氣體分子移除一個電子並使電子與該表面結合所需之能量可高於或低於E ^M _min ，且自表面移除一個電子並使電子附著於該氣體分子所需之能量可高於或低於E ^S _min 。

當一氣體分子帶正電荷時，在該分子與一個電子之間有庫侖吸引力。因此，自該表面移除一個電子並使電子附著於該帶正電荷之分子所耗費之功可小於E ^S _min ，因為該分子有助於此等附著作用。另一方面，自該帶正電荷之分子移除一個電子並將電子轉移至該表面所耗費之功可高於E ^M _min ，因此帶正電荷之分子並不會促進其電子之附著。

當氣體分子帶負電荷時，該情況可逆轉。尤其在其中電子係寬鬆地附著於該分子的情況下，自該帶負電荷之分子移除一個電子並將電子轉移至該表面所耗費之功可低於E ^M _min 。其乃由於寬鬆連接之電子的結合能低於中性分子之價電子的結合能。自該表面移除一個電子並將電子附著於一帶負電荷之分子所耗費的功可高於E ^S _min ，其乃由於該電子與分子之庫侖斥力所致。

E ^S _min 及E ^M _min 取決於該固體表面以及氣體介質之性質。因此，描述一特定固體表面與氣體介質之交互作用的電荷可轉移性未必與描述相同固體表面與另一氣體介質之交互作用的電荷可轉移性相同。

就某些固體表面而言，該表面之電荷可轉移性與該表面之功函數有關。然而，這兩種數量並不相同。由於該表面之功函數的定義為自該表面(一般而言在真空下)釋放一個電子所需之最低能量，所以該電荷可轉移性與移除電荷並將該電荷對著於氣體分子所需之能量有關，且因此其係與該氣體分子及表面之性質有關。

應注意在氣體介質存在下，於真空中具有特定功函數之固體材料的作用可不同且可在各種氣態環境中顯示不同的接觸電位差。本專利說明書從頭至尾且在申請專利範圍中，該名詞“電荷可轉移性”係描述在特定氣體介質存在下且非在真空中，一特定固體表面的性質。

除該功函數外，一表面之電荷可轉移性亦取決於其介電常數及該氣體分子接收或失去電荷之能力。該氣體分子接收或失去電荷之能力受該氣體介質之電子親和力、電離電位、負電性及正電性之影響，因此亦大致上與電荷可轉移性有關。

本發明者已發現一種評估試驗材料之電荷可轉移性的技術。在本技術中，係使用超音波氣體噴嘴以產生超音波噴流，其係朝由該試驗材料製成或經該試驗材料塗覆之導電靶網目前進。電流計係連接在該靶網目與噴嘴之間。流經該電流計之電流的方向及大小表示在該氣體存在下與試驗材料有關之電荷可轉移性的正負號及程度。藉本發明者而進行之超音波噴氣實驗的代表性結果提供在下文實例段落之實例2及第3圖內。

在本發明之某些實施例中，該電荷可轉移性Θ係藉測定文中稱為I _mesh 之數量而評估，其中I _mesh 為回應流經具預定密度之網目之超音波噴流的在靶網目與噴嘴間所產生之電流。I _mesh 之一些代表性測定法描述在下文實例段落(見實例2)中。

在本發明之各實施例中，描述表面12與該氣體介質之交互作用的電荷可轉移性具正性。典型上，但非必要，描述表面14與該氣體介質之交互作用的電荷可轉移性具負性。已知表面12之電荷可轉移性合適具正性，因為當具有寬鬆附著之電子的分子與表面14碰撞或經其吸附時，即使表面14之電荷可轉移性對中性分子不具負性，該表面12之正性可轉移性具有可將電子轉移至表面14之不可忽略的機率。

可藉正確地選擇氣體介質及製成表面12與14之材料(其可以是表面32及34的表面改質劑)而獲得適於各表面的電荷可轉移性。可使用並經任何改質之由合適材料製成的基板。或者，一旦選用一基板時，根據本發明某些實施例，各該表面可經改質或塗覆以使電荷可轉移性增加或減少至所欲程度。表面改質可包括該基板表面之改變、添加材料或材料群至該基板之表面、自該表面移除材料或材料群、或這些程序之組合。表面改質亦可包括添加材料至該表面，藉此，該基板下面之材料仍然是該表面的一部份且可參與電荷轉移方法。該基板表面之改變可包括化學反應，其包括但不限於氧化或還原反應。對該表面進行材料或材料群之添加可包括，但不限於：藉一或多層而進行之塗覆、一或多分子或原子層之吸附等。自該表面進行材料或材料群的移除包括，但不限於：發射(lift off)技術、蝕刻等。此等表面改質法中之任一種在文中皆可稱為表面活化法。

表面改質法可包括塗覆法。可以使用不止一種方法以進行該基板之塗覆。在某些實施例中，可直接使用形成各該表面之材料以塗覆該基板。在某些實施例中，係在該基板與可形成各該表面之材料間提供塗層。

該基板之表面的改質或塗覆法可允許基板32及34使用相同材料，藉此可使用不同表面處理程序以使表面12及14具有不同的特性電荷可轉移性。例如基板32及34皆可以由首先經金塗覆以形成適於導電性之底塗層的玻璃製成。就表面12而言，該金底塗層可進一步經氟化銫(CsF)或碳酸鈣(CaCO₃ )塗覆，且就表面14而言，該金底塗層可進一步經氯酸鎂(Mg(ClO₃ )₂ )塗覆。

亦可藉薄膜塗覆技藝中已知之濺鍍技術而塗覆該等基板。在本技術中，係藉自一標靶將材料濺在基板上而沈積薄膜。

可作為能將塗料濺鍍於其上之基板的材料之代表生實例包括，但不限於：鋁、不銹鋼、金屬箔、玻璃、浮製玻璃、塑膠膜、陶瓷及半導體，其包括經各種摻質(例如磷及硼摻質)摻雜並於各種結晶取向(例如<100>、<110>、<111>)下之矽的半導體，且先前其一或兩側已經過塗覆之任何基板包括，但不限於：經鋁濺鍍之玻璃、經鋁濺鍍之浮製玻璃及經鉻濺鍍之浮製玻璃，可作為能濺鍍在基板上以於其上形成塗層或底塗層之標靶材料的材料之代表性實例包括，但不限於：鋁(Al)、氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、銅(Cu)、金(Au)、六硼化鑭(LaB₆ )、鎳(Ni)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、鈀-金(Pd-Au)、鉿(Hf)、錳(Mn)、二氧化錳(MnO₂ )、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、釓(Gd)、矽石(SiO₂ )、氧化釔(Y₂ O₃ )、氮化鈦(TiN)、鎢(W)、碳化鉿(HfC)、碳化鈦(TiC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鎢(WC)、氧化鋯(ZrO₂ )、三氧化鎢(WO₃ )、氧化錫銦(ITO)、氧化鑭(La₂ O₃ )、鈦酸鋇(BaTiO₃ )、氧化鍶(SrO)、氟化鈣(CaF₂ )、氧化銅鋇鈣釔(YCaBaCuO)、氧化鈣(CaO)、矽化鉻(Cr₃ Si)、氧化鋁(Al₂ O₃ )、硫化鋇(BaS)、硫化鈣(CaS)、及其等之組合。

在本發明之某些實施例中，使基板32及34進行處理以於原位置確保表面12及14之特性電荷可轉移性的差異。例如具有基板32及34之裝置10可裝填其中具有電活性物種(諸如，但不限於鹽及染料)之液體介質。當基板32與34間之空隙裝填該液體介質時，該等空隙之大小可相當高，例如高於50微米。該液體介質可包含極性溶劑或非極性溶劑。使基板32與34、及該液體介質接受電流，例如藉使基板32與34連接外電源，諸如以進行電沈積(ED)方法。該電沈積可以是電化學沈積(ECD)，其中該等電活性物種在溶劑內係解離成離子；或電泳沈積(EPD)，其中該等電活性物種在溶劑內帶電荷。

本發明者已發現該ED方法可改質基板32及34之至少一表面或其上之保護膜，因此其等之特性電荷可轉移性可產生差異。例如在電化學沈積法中，任一表面係藉存在於該液體介質內之離子而改質或塗覆，或兩表面同時經改質或塗覆，其中一表面經陰離子改質或塗覆，而另一表面經陽離子改質或塗覆。在電泳沈積中，該液體介質內之溶解或懸浮物可經電泳處理而沈積在一或兩表面上。

無論如何，該液體介質及基板32與34之材料經選用可致使在進行該ED方法後，所形成之表面12及14可各具有不同特性電荷可轉移性。

一旦基板32及34之一或兩者藉該ED彷法而改質或塗覆時，較佳藉在烘箱內乾燥或藉真空或藉任何其它已知乾燥方法而自裝置10排出該液體介質。在本發明之某些實施例中，該排出或乾燥程序可縮小總體積(表面及液體)，因此，在排出後，表面間之距離可實質上小於乾燥前之距離。例如該空隙可自排出前之50微米減少至少50%或至少60%或至少70%或至少80%或至少90%且甚至可減至小於5微米。更大的空隙減少比率亦合適。

上述程序因此可作為能確保表面12與14間之特性電荷可轉移性的差異之活化方法。不論基板32及34是否具有相同材料或各基板是否由不同材料製成，可進行該活化方法。如所欲，單一電池裝置或多個電池裝置皆可進行上述程序。就多個電池裝置而言，所有裝置較佳皆可同時進行該程序。

適於本發明之實施例之表面處理程序的其它實例詳述在上文實例段落內。

表面12及14各較佳，但未必，具平滑性。亦涵蓋非實質上平滑但並未彼此接觸之表面。如習慣上藉使用標準程序進行原子力顯微術(AFM)之影像分析所測定，表面12及14之表面粗糙度較佳小於或等於約20埃RMS粗糙度、更佳小於或等於約10埃RMS粗糙度、更佳小於或等於約5埃RMS粗糙度。亦涵蓋原子級平坦表面。進一步涵蓋具有數十奈米(例如約100奈米)之RMS粗糙度的表面。

可用於表面12及/或表面14之合適材料包括碳性或非碳性物質，諸如但不限於：金屬、半金屬、合金、本質或雜摻、無機或有機半導體、介電材料、本質或雜摻聚合物、傳導聚合物、成層材料、陶瓷、氧化物、金屬氧化物、鹽、冠狀醚、有機分子、第四銨化合物、金屬資料、玻璃、矽酸鹽化合物、及其等之任何組合。

代表性實例包括，但限於：金屬與半金屬(例如鎳、金、鈷、鈀、鉑、石墨、石墨烯、鋁、鉻、釓、鉬)及其等之氧化物(例如氧化石墨(可視需要經還原或部份還原)、矽石、二氧化錳、氧化鎳錳、及三氧化鎢)、合金(例如不銹鋼)、半導體(例如經硼或磷摻雜之矽晶圓)、陶瓷(例如玻璃陶瓷、諸如、氮化鋁、及氮化硼)、金屬瓷料(例如矽化鉻矽石)、玻璃及矽酸鹽化合物(例如玻璃及金雲母)、鹽、諸如鈣鹽(例如磺化環烷酸鈣、環烷酸鈣鹽，諸如)、稀上鹽(例如稀土新癸酸或柯赫酸鹽(versatate)諸如、稀土辛酸鹽，諸如，其係自2-乙基己酸所製成之辛酸鹽)、鋯鹽(例如羰酸鋯鹽，諸如鋯)、錳鹽(例如錳、錳、錳及II)、第四銨鹽(例如Arquad)、鉛鹽(例如鉛、鉛)、鈷鹽(例如鈷、鈷、鈷)、鋅鹽(例如鋅、鋅、鋅、硬脂酸鋅)、苯胺黑、磺化環烷酸鈉、聚乙二亞胺、馬拉加膠、OLOA 1200、卵磷脂、聚合物，諸如硝基纖維素、以硝基纖維素為主之聚合物、其可選擇性經摻雜(例如Zaponlack)、以聚氧乙烯為主之聚合物(例如310、410、440、32、40、43、S 43、46)及丙烯酸樹脂(例如2041)及其等之任何組合。

幾種上述材料亦適於基板32及/或34，其適用程度可以使其等形成自支撐結構。

文中參考之特定標誌可以是普遍法律或第三之註冊之商標。這樣標誌之用途係以實例說明且不應被視為敘述或將本發明之範圍限於僅與此等標誌有關之材料。

可作為氣體介質16之合適材料包括，但不限於：鹵素及含鹵素氣體，例如At₂ 、Br₂ 、Cl₂ 、F₂ 、I₂ 、WF₆ 、PF₅ 、SeF₆ 、TeF₆ 、CF₄ 、AsF₅ 、BF₃ 、CH₃ F、C₅ F₈ 、C₄ F₈ 、C₃ F₈ 、C₃ F₆ O、C₃ F₆ 、GeF₄ 、C₂ F₆ 、CF₃ COCl、C₂ HF₅ 、SiF₄ 、H₂ FCCF₃ 、CHF₃ 及CHF₃ ；惰性氣體，例如Ar、He、Kr、Ne、Rn、及Xe；含氮氣體，例如N₂ 、NF₃ 、NH₃ 、NO、NO₂ 、及N₂ O；含硫氣體，例如SF₆ 、SF₄ 、SO₂ F₂ ；含氧氣體，例如O₂ 、CO、及CO₂ ；含氫氣體，例如H₂ 、氘、異-C₄ H₁₀ 、及CH₄ ；鹼性氣體，例如Cs、Li、Na、K、Cr、Rb、及Yb；及其等之組合。在本發明之各代表性實施例中，該氣體介質並不會與電池或裝置之該等表面起化學反應。

如進一步在下文中所詳述，可在該氣體介質存在下，根據表面12及14之電荷可轉移性而將其等配對。表面12較佳具有正電荷可轉移性且在某些實施例中，表面14具有負電荷可轉移性。

在本發明之某些實施例中，表面12可以由一選自如該實例段落之表1(見實例2)中所列示的第1至19號材料之材料所製成且表面14可以由一選自第23至46號材料之材料所製成。然而，情況未必如此，因為，在某些實施例中，表面12及14皆可選自第1至19號材料，且在其它實施例中，表面12及14皆可選自第23至46號材料。亦涵蓋其中表面12及14中之一或兩者係由一選自實例8之表6內所列示之材料的材料製成之實施例。

作為一些非限制性配對實例，當該氣體介質為六氟化硫(SF₆ )時，一表面可以由鋯CEM-ALL^R 製成，而另一表面可以由以下材料中之一種製成：錳HydroII、鋯、3HT-75、鉛、稀土、鈷、鎳、鈣、錳、氧化石墨、鈷、稀土TEN-CEM、苯胺黑、鉛、錳、鋅、鈷、磺化環烷酸鈣、OLOA 1200、鋅、卵磷脂、錳Hydro、金、鈷、硬脂酸鋅、磺化環烷酸鈉、鈀、32、鋅、石墨、鉑、聚乙二亞胺(PEI)、40、馬拉加膠、硝基纖維素、Episol 310、Episol 440、EpivylS 43、2041、46、43、及Episol 410。另外的非限制性配對實例及合適氣體介質提供在實例8之表6內。

由於所欲電荷可轉移性可藉表面改質技術而獲得，所以基板32及34可以由任何材料製成，但其限制條件為其可至少以厚度方向傳導合適電流。在本發明之某些實施例中，一或兩基板係由一具有高體傳導度之材料(諸如金屬)製成。然而，情況未必如此，因為一材料之電導係受其體形及取向的影響。被視為具有劣體導電度之某些材料可適當地以其等之晶態軸中之一內傳導電流。例如某些成層材料可具有劣體導電度，但是可具有能通過該材料之薄層(不論是否包含單一原子單層或多層)之合適導電度。

進一步經由實例說明，玻璃及MACOR^R 被認為是劣導體，因為於室溫下其等之典型導電度(分別為10^-15 S/m及10^-12 S/m)顯著低於金屬之典型導電度(大約10⁶ S/m)。儘管如此，此等材料之夠薄層可傳導適於某些低功率應用之大量電流。一種結構，其中裝置10之該等基板之一為直徑50毫米且厚度為100微米之玻璃板。假定該經氣體媒介之電荷轉移可產生能通過該玻璃厚度之電壓(IV)。此電壓可產生能通過該玻璃板之各pA的可測定電流。因此，就某些低電流應用而言，基板32及34亦可以由具有相當劣導電度之材料製成。

適於基板32及34之材料的代表性實例包括，但不限於金屬，諸如但不限於：鋁、鎘、鉻、銅、釓、金、鐵、鉛、鎂、錳、鉬、鎳、鈀、鉑、銀、鉭、錫、鈦、鎢、及鋅；半金屬，其包括但不限於：銻、砷、及鉍；合金，其包括但不限於：黃銅、青銅、杜拉鋁、因鋼、及鋼；本質及經摻雜之無機及有機半導體與半導體雜結構，其包括但不限於矽晶圓、鍺、矽、砷化鎵鋁、硒化鎘、砷化錳鎵、碲化鋅、磷化銦、砷化鎵及聚乙炔；層狀材料，其包括但不限於：石墨、石墨烯、氧化石墨、二硫化鎢、二硫化鉬、二硫化錫、及六角形氮化硼；本質或摻雜氧化物，其包括但不限於：矽石、三氧化鎢、二氧化錳、氧化鎳錳、經錫摻雜之氧化銦(ITO)；本質或雜摻陶瓷，其包括但不限於氮化硼、氮化鋁、及玻璃陶瓷，諸如MACOR^R ；陶金，其包括但不限於：矽化鉻矽石：玻璃及矽酸鹽化合物，其包括玻璃及金雲母；或其等之組合。亦涵蓋經任何上述材料塗覆之含任何材料的基板。

適於基板及塗覆物之材料可具磁性(例如Co、Fe、Gd、Ni、GaMnAs等)及非磁性(例如Al、Cu等)。

在任一上述本發明之實施例中，如下文進一步詳述，該基板必需提供合適導電性(例如可使電流流經該負載)。可使用具有高體導電度(例如高於10³ S/m)之基板或具有劣體導電度(例如低於10^-9 S/m)之基板或具有中範圍體導電度(例如介於10^-9 至10³ S/m之間)之基板以獲得合適的導電性，但其限制條件為該基板在厚度方向(亦即電流流動之方向)具有充份傳導性。

基板12及14可以是裸基板(32及34)、經表面改質之基板或塗膜基板。裸基板32及34之典型厚度為自約1奈米至約100微米。在本發明之某些實施例中，該裸基板之厚度可介於1-20奈米之間。在某些實施例中，該厚度可低如單一原子單層(就石墨烯而言，其係為0.34奈米)。就某些經表面改質之基板而言(諸如經由化學改質、氧化或還原表面)。表面12及14之典型厚度可在1奈米以下。然而，就經塗覆表面而言，表面12及14之典型厚度為自約1奈米至約600奈米，但是本發明範圍並不排除其它厚度。就在基板32與表面12間或在基板34與表面14間之任何中間層或結合層(若存在)而言，典型厚度為自低於1奈米至約250奈米。

在本發明之各代表性實施例中，裝置10進一步包括用於維持氣體壓力並防止該氣體介質之滲漏或污染的密封護罩36。護罩36內之壓力可不同於(高於或低於)環境壓力。封裝36內之壓力可經選用以獲得所欲平均自由程及/或所欲導熱度(壓力愈高，導熱度愈高)。如下文實例段落中之方程式1所示，該平均自由程與壓力成反比。因此，藉降低封裝36內之壓力，可增加平均自由程。藉增加壓力，載體分子數可如同導熱度般增加。一最合適壓力可抵銷這些效應以產生最大電流。在本發明之各代表性實施例中，封裝36內之壓力低於10大氣壓，但是亦涵蓋較高壓力，尤其就緊密間隔之空隙而言。事實上，就在奈米範圍內之空隙而言，尤其當使用具小分子直徑之分子(諸如氦)的氣體而言，於數百大氣壓之氣體壓力下可獲得高效率。一般而言，就此等小空隙而言，可於操作溫度下藉壓力抑制考慮或藉該氣體之液化壓力而設定上壓限。典型上，該氣體壓力高於1.1大氣壓或高於2大氣壓或高於3大氣壓或高於4大氣壓或高於5大氣壓。

現在參考第2A及2B圖，其等係為根據本發明各代表性實施例之電源裝置40的圖示。裝置40包括各具一對上述表面12及14及在於該等表面間之氣體介質(未顯示，為了闡明，見第1A及1B圖)之多個電池10。如下文進一步詳述，經由該氣體媒介之電荷轉移效應，該氣體介質之分子可自表面12將負電荷輸送至表面14及/或自表面14將正電荷轉送至表面12。

電池10互連於其間以使電流在連續連接之鄰接電池間流動。在第2A及2B圖中所示之圖解中，裝置40被排列成多個雙構件44，其各係由具有兩反向表面12及14之核心42形成，其中該等表面中之一可將負電荷轉移至至少部份氣體分子且該反向側之表面可自至少部份帶電荷氣體分子接收負電荷。使雙構件44定向，藉此具有不同電荷可轉移性之表面能彼此相向。在第2A圖中所示之圖解中，雙構件44係藉隔片28而分離，且各雙構件之兩表面係經由基板42而電連。在第2B圖中所示之圖解中，雙構件44間之空隙係藉反向面對之表面的向外突出粗糙特徵50而維持。亦涵蓋其中一些雙構件係藉如第2A圖中所述之隔片而分離且一些雙構件係藉如第2B圖中所述之向外突出粗糙特徵而分離之實施例。若該等面向表面中之至少一表面由劣導電材料製成且接觸面積小，因此可使藉該接觸而導致之“滲漏”減至最小。

該雙構件構形可說明類似電池10之幾個電池的排列。兩鄰接且互連之電池可共享一核心，藉此核心42之一側上的表面12可作為，例如一電池之電子施體，而核心42之另一側上的表面14可作為，例如另一電池之電子接受體。該氣體介質與貯熱器20間之熱交換可維持能在各電池之表面間傳輸電荷之氣體分子的熱運動。可在該氣體與貯器20之間及/或經由基板42之導熱性以進行熱交換。可藉使大部份核心層42具導電性及/或藉導電材料而塗覆層42以進行兩電池間之電互連，其可經由基板42之邊緣而提供導電性。

可將雙構件之排列放置在第一導電構件46及第二導電構件48之間。該等導電構件46及48之內表面亦可分別為電子施體表面及電子接受體表面。因此，電子係經由雙構件44而構件46傳送至導電構件48，藉此可選擇在任何外電壓源不存在下，可在構件46及48之間產生電位差。構件46及48可連接至外負載24。

應注意，自電用觀點而言，此等電池係以串聯及/或並聯排列，與單一電池比較，串聯排列可得到增加的電壓輸出量，且並聯排列可得到增加的電流。該裝置之總電壓為沿著該串聯方向之電壓的總和，且總電流係藉橫向內之傳輸面積而測定。

在本發明之較佳實施例中，如上文定義，裝置40進一步包括一用於防止該氣體介質滲漏或污染可控制該室內之壓力的密封室。

如文中使用，該名詞“大約”係指±20%。

該等名詞“包含”、“含”、“包括”、“具有”及彼等之同源詞意指“包括但不限於”。

該名詞“本質上由...組成”意指該組成物、方法或結構可包括另外成份、步驟及/或份數，但是其限制條件為該等另外成份、步驟及/或份數不會實質上改變所主張之組成物、方法或結構的基本及新穎特性。

除非文中另有清楚指定，如文中使用，單數形“一”、及“該”包括複數意義。例如該名詞“一化合物”或“至少一化合物”可包括多個化合物，並包括其等之混合物。

已知就各實施例而言，為明瞭起見所述之本發明某些特徵亦可一起提供在單一實施例中。反之，就單一實施例而言，簡略地說，所述之本發明各特徵亦可分別或以任何合適亞組合或呈合適形式提供在本發明任何其它所述實施例中。就各實施例而言，所述之某些特徵並不被視為彼等實施例之必須特徵，除非該實施例含此等要素才有效。

如下文描述及下文申請專利範圍段落中所主張之本發明各實施例及方面在以下實例中得到實驗支持。

實例

現在參考以下實例，其與上述說明文一起可以以非限制性形式闡明本發明某些實施例。

實例1理論性考慮事項

自氣體之動力學理論已確定在藉溫度依存性馬克士威-波茲曼分佈函數而定義之範圍內的各速度下，氣體分子可以以無規方向運動，其中該馬克士威-波茲曼分佈函數可使用統計力學之方法導出。該馬克士威-波茲曼分佈函數可描述在由許多非交互作用粒子所組成之碰撞支配性系統內之速度分佈，其中量子效應可忽略。

氣體分子可彼此碰撞並與控制其等之容器碰撞。就直徑σ之氣體分子而言，於特定壓力P及絕對溫度T(°K)下之平均自由徑λ係藉以下方程式而表示

其中R為萬有氣體常數(R=0.082大氣壓.升.莫耳^-1 .°K^-1 )而N為亞佛加厥數(Avogadro number)。因此，就特定壓力及溫度而言，氣體分子之平均自由程取決於該等氣體分子之直徑，其中較小分子之平均自由程大於較大分子之平均自由程。

於5大氣壓之壓力P及25℃之溫度下使用方程式1所計算一些代表性氣體之直徑σ(埃)及相應平均自由程λ(奈米)如下：(σ=4.0埃，λ=11.2奈米)、CF₄ (σ=4.2埃，λ=10.3奈米)、C₃ F₈ (σ=4.8埃，λ=7.9奈米)、CH₄ (σ=4.4埃，λ=9.6奈米)、氦(σ=2.4埃，λ=31.5奈米)、氪(σ=4.6埃，λ=8.6奈米)、氖(σ=2.9埃，λ=22.2奈米)、N₂ (σ=3.8埃，λ=13.0奈米)、SF₆ (σ=5.5埃、λ=6.0奈米)及氙(σ=5.4埃，λ=6.2奈米)。這些計算結果顯示在指定條件下，一般氣體之平均自由程值通常在奈米計量的距離範圍內。就較高溫度(高於25℃)及/或較低壓力(低於5大氣壓)而言，這些分子之平均自由程較長。

當將氣體分子放置在藉距離d<λ而分離的表面之間時。顯著的交互作用發生在該等分子與表面之間，且僅小部份的交互作用為分子間碰撞。因此，就d<λ而言，大多數分子可在表面之間前後運動。每單位時間與該等表面交互作用之分子量係線性取決於壓力。一旦與合適表面交互作用時，該等分子可失去或得到一個電子，因此獲得一正或負電荷。在表面之附近，各種力可對帶電荷之氣體分子作用。帶電荷之氣體分子可在該表面內誘發相反極性之影像電荷，其接著可在帶電荷分子及表面之間產生吸引力。具夠高速度之帶電荷氣體分子可克服該影像電荷逃自第一表面逃逸並跨越空隙以到達另一表面之吸引力。

當將氣體分子放置在藉距離d>λ而分離的表面之間時，可將分子間碰撞會更頻繁且跨越該表面間之空隙之氣體分子的機率η寫成

因此，由於方程式1中所述之λ及P間之依存性的結果，跨越該空隙之分子的機率隨壓力之增加而降低。

可將氣體分子之平均速度寫成

其中T為溫度，而M為該氣體之分子量。如自方程式3所計算，於25℃溫度下，一些代表性氣體之平均速度(以米/秒表示)如下：氬(398米/秒)、CF₄ (268米/秒)、C₃ F₈ (183米/秒)、CH₄ (627米/秒)、氦(1,256米/秒)、氪(274米/秒)、氖(559米/秒)、N₂ (474米/秒)、SF₆ (208米/秒)及氙(219米/秒)。這些平均速度中有些可超過聲音之速度(於25℃下在空氣中約346米/秒，亦如Mach 1所定義)。

就可成功地跨越藉該影像電荷而產生之位障V_max 並抵達另一表面之帶電荷分子而言，其動能必需於V_max 。其表示一分子之速度若高於v_min ，則可跨越位障，其中v_min 係藉以下方程式而獲得：

且其中m為該分子之質量。預期其速度高於本值之氣體分子可在該等分子之間傳輸電荷。

可根據基於馬克士威-波茲曼分佈之以下方程式以計算可藉克服位障V_max 而自表面逃逸之分子的分率：

可自根據上述方程式4之V_max 計算v_min 。夠快速分子之分率x的所計算值表示具100%電荷轉移效率之理想狀況。實際上，已預期明顯較低分率之分子可參與該電荷轉移方法。例如就以並非與該表面垂直之方向運動的分子而言，所需逃逸速度高於與該表面呈垂直方向運動的分子。

作為一數值實例，考慮由具有0.5eV之功函數之差異的理想金屬所製成之兩表面12及14。假定每一氣體分子之一個電子的電荷轉移係以離該表面5埃之距離發生且該等表面間之空隙充滿SF₆ 氣體(M=146克/莫耳，直徑σ=5.5埃)。

就2奈米之空隙大小而言，經估計，位障V_max 為0.39eV，該影像電荷電位僅可提供0.25eV。如使用方程式3所計算之v_min 值為v_mi n=710米/秒(約2.1Mach)，其約為於25℃溫度下，SF₆ 分子之平均速度(米/秒)的3倍，且如使用方程式4所計算之x值為1.6×10^-4 %。應注意雖然該百分率低，與表面12、14碰撞(在或不在吸附下)之分子數量大(例如於1大氣壓及25℃下，就SF₆ 而言，大約為每微米² ，每秒10²¹ 次碰撞數)。因此，就本實例而言，藉克服位障並參與電荷轉移方法，約10¹⁵ 個分子/秒可潛在地自該等表面之一逃逸。

就10奈米之空隙大小(及相同表面與氣體)而言，該V_max 值為0.92eV，該影像電荷能障產生0.62eV，且v _min 值為1084米/秒(約3.1Mach)，其係為於25℃下該平均速度之約5倍，且X值為2.5×10^-11 %。

計算在兩相同表面間攜帶一個電子之分子的該影像電荷能障對空隙大小之依存性且示於第1C圖(就2奈米空隙而言)及第1D(就10奈米空隙而言)。計算其中表面12之功函數比表面14之功函數低0.5eV之情況的位障(其包括該影像電荷位障)的依存性且示於第1E圖(2奈米空隙)及第1F圖(10奈米空隙)。如所示，當該等表面不相同時，局部最大值64之點係朝具較高功函數之表面移動。表面不同時，位障V_max 值高於表面相同時之V_max 值，在該情況下，V_max 僅相當於該影像電荷位障。

第1G圖表示在具有0.5eV功函數差異之表面間攜帶一個電子之分子的相同說明性條件下，以至高100奈米之空隙的空隙d(奈米)之大小為變數之預計位障V_max (V)。

由於V_max 影響可參與電荷轉移之分子數(因此影響該等表面間之有效電荷轉移之機率)，所以所形成電流亦取決於空隙大小。例如就在上述數值實例之條件下可自表面12攜帶一個電子至表面14之SF₆ 分子而言，以空隙大小(奈米)為變數之每一表面積所產生之電流(安培/厘米² (A/cm² ))的作用理想上如第1H圖所闡明。應注意第1H圖相當於一完美情況，其中已經與表面12交互作用之各氣體分子可自該表面接收一個電子且各夠快速之帶電荷分子可成功地跨越該空隙並將一個電子轉移至表面14。而且，在假定表面12及14本質上呈平坦、平行及重疊狀態的情況下進行上述計算，因此跨越該等表面之空隙大小皆相同。實際上，預期每一面積值之電流較低。然而，已預期該電流對空隙大小之非線性依存性類似。如在下文之一些實例中所示，所產生之電流隨空隙大小之降低而增加。

因此，空隙愈小，克服位障所需之最低速度愈低且可成功越過該空隙之帶電荷氣體分子之部份愈高。類似地，較小之空隙可使用較高的氣體壓力，亦即具有較短平均自由程及較高導電率。太高的壓力程度可降低該等表面間之經氣體媒介之電荷轉移的效率，因為較高壓力相當於分子間碰撞的機率較高。然而，較高的氣體壓力亦可增加能與該等表面交互作用之分子數，且其可有效地轉移電荷。因此，分子間碰撞之速率，可作為電荷載體之分子數、及該空隙之寬度間可得到平衡。如在下文之一些實施例中所示，有一底限壓力，於該壓力下該氣體媒介之電荷轉移可達其最高效率。超過該底限壓力，若較高壓力之逆效應(增加的分子間碰撞對與表面交互作用之增加的分子數)可彼此抵消，則該電流可維持於一平穩值下。在一不十分理想的平衡情況下，高於該底限壓力點，該電流可隨壓力之增加而降低。

實例2藉超音速氣流而進行電荷可轉移性測定法

本實例描述在氣體介質存在下，測定表面之電荷可轉移性之根據本發明某些實施例所進行的實驗。本實例中之電荷可轉移性係以回應流經網目之超音波噴流而在靶網目及噴嘴之間所產生的電流表示。

方法

第3圖為用於該等測定法之實驗預備的圖示。該設備包括已裝填氣體之供氣單元302、靶金屬線網目306、噴嘴312、及經由一對連接線314而在網目306與312之間連接的電流計304。

供氣單元302包括室320及經由導管324而連接之出口322。室320裝填氣體介質並配備可經由導管324而控制自室320流至出口322之氣體的閥326。

噴嘴312係根據NASA設計KSC-11883(NASA Tech Briefs,KSC-11883)。導流嵌件310位於沿著精密中空柱形部件308之對稱軸的中央。嵌件310之形狀如具有漸增直徑的第一部件316及漸減直徑的第二部件318之心軸。使得自供氣單元302之出口322的氣體介質向外流至在柱形部件308與嵌件310之內壁之間所形成的體積328內之嵌件310。當向外流至嵌件310之第一部件316時，由於第一部件316之漸增直徑，該氣體會經歷體積328之變窄區域，且當向外流至嵌件310之第二部件318時，由於第二部件318之漸減直徑，該氣體會經歷體積328之變寬區域。為說明起見，氣體之幾種流動軌道係以第3圖中之粗箭號表示。

體積328之變窄區域可導致該氣體壓縮並加速，於嵌件310之最大直徑的平面達到音速。本平面(與第3圖之平面垂直)係由虛線340表示。經過該平面後，使氣流膨脹並加速以進一步於噴嘴312之超音波出口342獲得超音波速度。

網目306為使用第20或40型網目金屬線篩之20毫米圓板，其中不銹鋼之金屬線係分別藉750或450微米而分離。該等金屬線係經重要的材料塗覆。塗覆步驟為將網目浸在含該重要材料之溶液或懸浮液內，費時15分鐘。在水或揮發有機溶劑(諸如丙酮、乙酸乙酯、乙醇、及己烷)內製備懸浮液，且該重要材料之濃度足以均勻地塗覆網目並避免開放空間被多餘的材料堵塞。典型上，使用含0.05-30% w/w材料之懸浮液。浸泡後，藉毛細管自該網目移除過量材料，且於110℃乾燥金屬線，費時48小時。

將該經塗覆網目放置在與超音波出口342反向之位置，藉此該氣體介質可以以超音波速度通過網目。

電流計304為皮安培計(picoammeter)(Model 617;Keithley)。通過電流計之電流(大小及方向)表示該等氣體分子與塗料間之電荷轉移。進行電流測定，費時至少2秒，記錄各重要材料之尖峰電流。

在未施加熱至標靶或外電場的情況下進行所有實驗。其不像超熱表面電離技術(見，例如Danon A. and Amirav A.,“Hyperthermal surface ionization:a novel ion source with analytical applications”,International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes 96(1990)139-167)。

使用經由微細金屬線網目篩流動而非撞擊平面標靶之超音波噴流的原因在後者之條件會產生可防止該氣體物料流自表面電荷剝離的牢固邊界層。反之，流過該網目之微細金屬線的超音波噴流可以使大量氣體分子撞擊金屬線表面，然後與其等之電荷一起藉該剪切氣體物料流而撤離。

結果

表1摘述經由皮安培計所測得之含六氟化硫的氣體介質(SF₆ ；BOC氣體；99.999%純度)、及46種不同的重要材料之尖峰電流。在本實驗中使用SF₆ 之動機在其係為非毒性氣體並已知可進行低能電子附著(如藉L.G. Gerchikov及G. F. Gribakin in“Electron attachment to SF₆ and lifetimes of SF₆ ^- negative ions”Phy. Rev. A 77(2008)042724 1-15中所述)。

其中一些結果亦顯示在第4圖之曲線圖上。

表1說明在第1-19實驗中有一顯著正電流，在第23-46號實驗中有一顯著負電流，且在第20-22號實驗中有非顯著電流。因此，在第1-19號實驗中之材料帶正電荷，所以在SF₆ 氣體介質存在下具有正電荷可轉移性；而在第23-46號實驗中之材料帶負電荷且因此在SF₆ 氣體介質存在下具有負電荷可轉移性。在SF₆ 氣體介質存在下，在第20-22號實驗中之材料的電荷可轉移性低或與零一致。

使用本實驗設備已發現一些小變量(在±20%內)，其被認為是起因於以下因素，諸如環境空氣條件、濕度、殘留氣體冷凝作用及/或氣體-表面之化學交互作用。儘管這些不一致性。然而，電荷可轉移性之一般趨勢與所測試材料之功函數及/或摩電特性有很合適的關聯。

討論

在本實驗組內所獲得之結果提供有關於固體材料與氣體分子間之電荷轉移的資料。該等氣體分子可自經塗覆網目獲得電荷(正或負)，使該經塗覆網目帶相反電荷。穿越微細金屬線網目之表面之至少部份該等氣體分子的高速度可以使其等克服以在該表面及氣體分子間之吸引力表示之影像電荷電位。

本實驗已證明高能氣體分子可將電荷轉移至特定表面並自特定表面轉移電荷。由於根據馬克士威-波茲曼分佈，具足以進行此種電荷轉移之某些分子的非零機率，所以甚至在該等分子之外加速不存在下仍然會發生電荷轉移。

本實例證明熱運動足以使該等帶電荷分子可自帶相反電荷之表面帶走電荷，使氣體分子之熱運動成為用於在兩表面之間轉移電荷之合適機制。本實例亦證明如根據本發明某些實施例所定義之電荷可轉移性為可測量的數量。

實例3藉凱耳文(Kelvin)探針而進行之測定法

本實例描述藉凱耳文探針而評估表面之電荷可轉移位之根據本發明某些實施例所進行之實驗。

凱耳文探針為可測定一探針表面與一重要表面間之接觸電位差(CPD)的裝置。接觸電位差與該等參考及測試表面之功函數差異有關。藉在極接近該重要表面之處振動探針而進行本測定法。凱耳文探針表面與該測試表面間之功函數差異可形成電場。導體表面之功函數的定義為自該導體之內部移除一個電子至超過影像電荷區域之位置所需之最低量功。

因此，亦至少可使用凱耳文探針以評估該電荷可轉移性，因為其可用以測定自該重要表面移除電荷並使其附著於氣體分子所需之能量。更詳細地，在本實例中係使用凱耳文探針以比較在真空中及在各種氣體介質存在下，各種表面之作用，且因此可表示用於電荷可轉移性之各種表面-氣體對之合適性。

方法

將凱耳文探針(Kelvin Control 07,Besocke Delta Phi)放入其中氣體環境已受控制之可密封室內。於各種壓力下在真空內、在環境空氣內或在各種氣體存在下進行測定。於室溫進行所有測定。

將欲測試之固體材料、及參考固體材料一起放在旋轉桌上並因此在其等之表面上的許多點進行探測以進行與各試樣之經掃描段(而非一單一點)有關之測定。本方法可避免可能僅表示局部異常性而非代表該材料性質之總值的單一點測定之缺失。使用具已知功函數之試樣材料(諸如金)以校準凱耳文探針。

將80%乙氧化之聚乙二亞胺(PEI;Sigma Aldrich；在水中37% w/w in water)、碳酸銫(Cs₂ CO₃ ；Alfa Aesar;99%)、氟化銫(CsF;Sigma Aldrich;99%)及鎂(Mg)放在旋轉盤上並在真空、空氣、三氟化氮(NF₃ ;BOC Gases;99.999%純度)、氙(Xe;BOC Gases;99.999%純度)、氬(Ar)、乙炔(C₂ H₂ )、二氧化碳(CO₂ )、氦(Kr)、氮(N₂ )、氧(O₂ )及六氟化硫(SF₆ ;BOC Gases;99.999%純度)內進行測試。

結果

表2摘述如於室溫及一大氣壓(NF₃ 氣體除外，其係於4大氣壓下測試)下藉凱耳文探針而評估之以eV表示的接觸電位差。其中一些氣體介質(空氣、NF₃ 、Xe、O₂ 及SF₆ )之結果示於第5圖內。

如所示，在真空內及在氣體存在下，該CPD並不相同，且其取決於氣體介質之類型。就特定固體材料而言，相對於真空條件，在一類型之氣體介質存在下，CPD增加而另一類型氣體介質存在下，CPD降低。類似地，相對於真空條件，就一固體材料而言，特定氣體介質之存在可增加CPD，而就另一固體材料而言，卻可降低CPD。

已假設在測定室內之氣體材料由於與測試材料之表面交互作用，所以帶電荷。大量帶電荷之氣體分子在接近該表面處保持被截獲狀態，藉該影像電荷之吸引力而保存，以其電荷之程度及極性為變數改變所測定之CPD。

本現象可定義各氣體介質之零電荷可轉移性(ZCT)之點。本點之定義為該氣體可自電子施體變成電子接受體之材料的CPD。換言之，一氣體之ZCT在顯示CPD增加之該等材料的最高功函數與顯示CPD降低之該等材料的最低功函數之間。

例如就PEI而言，空氣之存在可以使在真空中之CPD自約4.6eV降至在空氣存在下之約4.4eV。因此，空氣可作為PEI之電子接受體。本作用在第5圖中係以使於真空條件下之4.6eV點連接於氣體條件下之4.4eV點的漸降實線表示。就Cs₂ CO₃ 而言，空氣之存在可以使在真空中之CPD自約4.0eV增至在空氣存在下之約4.5eV。因此，空氣可作為Cs₂ CO₃ 之電子施體。本作用在第5圖中係以使於真空條件下之4.0eV點連接於氣體條件下之4.5eV點的漸升實線表示。根據上述定義，經估計，空氣之ZCT為約4.45eV。

亦對Xe進行相同的測定，得到約4.45eV之ZCT。由於就所有經測試材料而言，NF₃ 可作為電子接受體，所以不需評估ZCT，但是預期其低於2.9eV。如根據上述程序所估計之一些氣體介質的ZCT值列示在表3內。

本實例證明該等氣體分子可自固體表面帶走正或負電荷，且證明由於與該氣體分子交互作用而使表面帶電荷之電位取決於固體材料之類型及氣體介質。本實例進一步證明凱耳文探針可用於表示如在本發明某些實施例中所定義之電荷可轉移性。

實例4藉氣體分子之熱運動而產生電流之方法

本實例描述藉即非直接接觸亦於其間不具有隔片之鄰接表面間的氣體分子之熱運動而產生電流之根據本發明某些實施例所進行的實驗。

方法

該實驗設備如第6圖中所圖示。在由不銹鋼製成之可加壓且可密封室607內使兩由不銹鋼製成之反向圓盤形貯留電極601及602經試驗氣體覆蓋。或者，該等貯留電極及室可以由具有低熱膨脹係數之材料(諸如Super Invar 32-5)製成。室607呈圓柱形，直徑9厘米，高4.3厘米，且氣體容量14立方厘米。室607之壁厚為至少2.3厘米。提供用於控制該室內之氣體組成及壓力之具有入口閥622的入口605、及具有出口閥624之出口606。室607可維持10大氣壓之最大壓力。藉入口605及出口606而改變室607內之壓力，且使壓力計(Model ATM 0-10Bar;STS)而進行監測。

如下文進一步詳述，電極601及602可用以貯留具有負及正電荷可轉移性之試樣。在某些實驗中，該等電極上之試樣呈平面狀(扁平圓盤)，而在某些實驗中，係以該等試驗試樣塗覆一或二片由玻璃製成之平凸透鏡並將其等安裝在電極上。

使電極601連接至藉高電壓電源及控制器604(Model E516/E761;Physik Instrumente)而驅動之堆疊壓電晶體603(Physik Instrumente)。藉回應得自控制器604之信號的壓電晶體603而使電極601產生交互運動。電容式感測器613(Model D105,Physik Instrumente)可監測電極601與602間之距離並發送回授信號至控制器。在約0.2奈米之解析度下，本構形可控制電極上該等試樣之最外層間之距離。用於該等實驗中之距離範圍為自約1奈米至幾十微米。

將電極602固定並機械性連接至室607。金屬電極614將電極602連接至靈敏電流計615(皮安培計Model 617;Keithley)，其本身可電至電極601。電流計615可測定藉電極601及602上之兩試樣間之經氣體媒介電荷轉移而產生的電流i。輸出量顯示在示波器618(Tektronix TDS3012)上。

藉具有範圍自DC至2Hz之頻率的三角形電壓脈波而使晶體603振盪，藉此可獲得完全接觸至幾十微米之間隔間的任何距離。除該振盪外，亦可藉施加DC電壓而使晶體603移動一固定距離。在某些實驗中，係連續使用DC電壓及振盪電壓以控制晶體603之位置及電極上兩試樣之外表面間的距離。在振盪期間，可藉該電流計而測定通過這兩表面所產生之電流。同時測定得自電容式感測器613之類比電壓信號以監測該等表面間之距離。藉示波器618而顯示並測定該類比電壓信號及該電流信號之類比輸出量。

於室溫下進行所有實驗。僅使用電壓以控制壓電晶體之運動及降低該示波器。自電源分離該等電極並進行測定以確保電源及距離測定系統不會在該等電極之間產生電場。

使用具有正電荷可轉移性之以下試驗材料：(a)鎂圓形物，厚1毫米且直徑10毫米：(b)高取向熱解石墨(HOPG)方形物，厚1毫米且大小為10毫米×10毫米(Micromasch,USA,Type:ZYH品質，嵌鑲擴展：3.5±1.5度，顆粒大小在30-40奈米範圍內)；(c)經金塗覆之玻璃透鏡；及(d)進一步經具有正電荷可轉移性之材料(例如CsF及CaCO₃ )塗覆的覆金玻璃透鏡。

如本項技術所知，拋光該試驗材料之表面且使用AFM遵照以下標準程序以測定其粗糙度(見，例如C. Nogues and M. Wanunu,“A rapid approach to reproducible,atomically flat gold films on mica”,Surface Science 573(2004)L383-L389)。HOPG被視為一種具亞奈米範圍之原子性平坦及平滑性，因此不需要進一步進行表面拋光處理即可使用。在本行業內很容易獲得可達成小於0.5奈米表面粗糙度之拋光技術。所有測試材料基本上具平滑性且大部份具有小於5埃RMS之表面粗糙度。

使用以下程序以製備該等覆金透鏡，其可無修飾(僅塗覆金)地使用或可進一步經能增加或降低其初電荷可轉移性之材料塗覆。

藉習知電子束(e-beam)蒸發法以200奈米厚99.999%純金層塗覆玻璃透鏡。先後在乙醇(分析級；Gadot)浴內及在正-己烷(分析級；Gadot)內藉超音波處理而洗淨直徑52毫米及厚2毫米之矽酸硼玻璃透鏡(Casix Inc.)。然後於室溫在N₂ 氣氛下乾燥該等透鏡。藉電子束蒸發而先後以薄黏著層(厚約2-5奈米)之99.999%純鉻(Cr)及轉厚層(厚約200-250奈米)之99.999%純金(Au)塗覆該等透鏡之凸側。在10^-7 毫巴之壓力下進行該蒸發。使用石英晶體微天平以監測該等鉻層及金屬之厚度。將該最外金層退火並先後藉如上文Npgues中所述之AFH及影像分析而評估其表面粗糙度。所獲得之表面具有小於5埃RMS之粗糙度。

在某些實驗中，進一步以具有不同電荷可轉移性之材料塗覆該金層。使用以下技術中之一種獲得該另外塗層：(a)旋塗法；(b)施加至載體表面之滴液的乾燥；(c)電化學沈積；及(d)藉，例如使用具有一游離態硫醇(-SH)端基之分子而產生分子之自組裝單層。

提供正或負電荷可轉移性之表面的另一方法例示在下文實例5中。

結果

第7A-C圖為在3種不同實驗中之示波器輸出量。

第7A圖相當於一實驗，其中具正電荷可轉移性之表面由CsF製成，且具負電荷可轉移性之表面Mg(ClO₃ )₂ 製成，其中這兩種材料係沈積在玻璃透鏡所具有之金層上。

第7B圖相當於一實驗，其中具正電荷可轉移性之表面由Mg扁平圓形物製成，且具負電荷可轉移性之表面為玻璃透鏡所具有之金層。

第7C圖相當於一類似第7B圖之實驗的實驗，但是兩表面之方向相反，因此該電流之相反方向可作為實驗之對照實驗。

用於這些實驗之氣體為SF₆ ，且該室維持於3大氣壓之壓力下。

第7A-C圖表示得自電流計615(下圖解)之信號i及表示電極601及602間之距離d之電容式感測器613(上圖解)的輸出量。應注意第7C圖描述由於在電極上具正及負電荷可轉移性之該等材料的相反位置，相對於第7A-B圖之反向電流。

於點A_min (該等電極間之最大外施電壓及最小距離)下，d等於幾奈米。於點A_max (該等電極間之最小外施電壓及最大距離)下，d等於約300奈米。在第7A圖中發現具類似振幅之兩主要電流尖峰(在第7A-C圖中以a及b表示)為約20pA。這兩尖峰相當於其中壓電晶體603可以使該等電極彼此在相距小於5奈米之距離內的單一振盪循環內之兩時段。

第7A-C圖中所述之電流輪廓為許多該等實驗之典型輪廓。在以下實驗中可獲得類似結果：具正電荷可轉移性之表面由具高取向熱解石墨(HOPG)之扁平表面製成且具負電荷可轉移性之表面為玻璃透鏡所具有之金層的實驗、及具正電荷可轉移性之層由沈積在玻璃透鏡所具有之金層上的CaCO₃ 製成且具負電荷可轉移性之表面為玻璃透鏡所具有之金層的實驗。在某些實驗中，可發現不同的輪廓。

在其中兩表面為相同覆金透鏡之對照實驗中，於所有情況下，在相同範圍內進行測試並未檢測出電流。

如藉已建議直接接觸之單一電流尖峰不存在所確認，該裝置之設置可防止該等測試表面間的直接接觸。

由於該實驗係在無任何外電場之情況下進行(該等電極係自任何電源分離)，在電流計615中之電流信號表示藉氣體分子之熱運動而進行之電荷傳輸。

本實例證明藉自氣體分子之熱運動而衍生之能量可產生電流。

實例5電沈積

本實例描述藉電沈積(ED)而進行之塗覆。電沈積可細分成電化學沈積(ECD)，其中電活性物種(通常為鹽)在溶劑內解離成離子；及電泳沈積(EPD)，其中電活性物種在溶劑內帶電荷。在這兩種情況下，該溶劑可具極性或非極性。

在電化學沈積中，例如在水性溶液中，任一表面可經存在於電解溶液中之離子塗覆或修飾，或兩表面可同時經塗覆或修飾，其中一表面具陰離子而另一表面具陽離子。該電化學沈積可修飾一表面之功函數。

在電泳沈積中，例如在非極性溶劑中，該功函數係藉已溶解或懸浮材料而修飾。在某些情況下，係將已溶解或懸浮物種(諸如染料)電泳沈積在極性溶劑(諸如水或乙醇)內。

一般而言，當該表面作為陽極時，其係經具有較高功函數之材料塗覆或修飾，且當一表面作為陰極時，其係經具有較低功函數之材料塗覆或改質。

在由本發明者所進行之實驗中，可使用含單一鹽之溶劑及含其它已溶解或分散之物種的溶劑與含其等之混合物的溶劑以獲得上述結果。

方法

第8圖為根據本發明某些實施例，用於修飾功函數之實驗設備的圖示。

在導電基板、陰極810及陽極808之間形成一ED電池800。使用電壓源806以在該陰極與陽極之間使用電位差。該ED電池亦包括至少一導電支撐結構體802或804及一或多種鹽或其它已溶解或分散物種在極性或非極性溶劑中之溶液。如第8圖中所圖示，導電支撐結構體802及804被設計成可接收該等導電基板(其可彼此相同或不同)並使其等維持在合適位置之凹槽金屬環。

在某些實驗中，該支撐結構體為金屬圓盤，且在某些實驗中，該基板為覆金玻璃透鏡，其中電流係經由導電金層自該貯留電極傳送至欲經塗覆之表面。就單一電極塗覆而言，這些基板可作為陽極或陰極。就同時塗覆而言，這些基板可兼作為陽極及陰極。下文提供用於該等基板之材料。

該陽極及陰極係經由DC電源806(Titan TPS 6030)而連接，且施加恆定電壓，費時固定時間。藉DC毫安培計812而監測流經該電路之電流。

為確保精準地測定電沈積並防止該等陰離子及陽離子自支撐表面無規擴散回該溶液，將放置在該等表面間之欲塗覆多孔材料814浸漬在含電活性物種之溶液內。該多孔材料由玻璃微纖維濾紙(;GF/D 2.7微米)或熱塑性聚酯所製成之非織造織物製成且具有約5微米之孔徑。以溫和壓力施加該經浸泡多孔材料至目標表面以確保接觸及導電度。於各電沈積實驗結束時，自該電池移除濕多孔材料。

然後自該ED電池移除經塗覆表面且於室溫在約10^-2 毫巴之壓力下放入真空室內，費時4小時。藉使用凱耳文探針(Kelvin Control 07,Besocke Delta Phi)如前述測定功函數而評估該塗覆步驟。該探針可在真空內測定功函數。

在某些實驗中，亦藉能量分散X射線分析(EDX)而分析該基板塗覆或改質之性質。EDX已確認該基板表面上一新物質之存在。

在本實驗中係使用由以下材料製成之圓形物作為基板：不銹鋼(經拋光AISI 314；直徑25毫米；厚1.5毫米)；鋁(Al6061；直徑25毫米；厚1.5毫米)；金(經金濺鍍之不銹鋼圓形物)；經在市面上稱為之石墨(GrafTech;GT^TM A石墨；厚約0.13毫米)、藉根據Hummers之方法(美國專利第2,798,878號及W.S. Hummers與R.E. Offeman,“Preparation of graphite oxide”,J. Am. Chem. Soc. 80(1958)1339)進行石墨薄片(Asbury Carbon 3763；大小介於40-71微米之間)之氧化作用而製成之氧化石墨(GO)、藉該Hummers方法而製成之氧化(GFO)的可撓性層覆蓋之不銹鋼圓形物；及如實例4所述製成之覆金玻璃透鏡。

在第一組實驗中，在上述ED電池內以含20mM或2μM任一下述鹽或染料之水性溶液處理該支撐材料：Ba(CH₃ COO)₂ 、Ba(NO₃ )₂ 、BaSO₄ 、CsBr、CsF、CsN₃ 、乙二胺(EDA)、KF、KNO₃ 、Na(CH₃ COO)、NaNO₃ 、NH₄ CO₃ 、(NH₄ )₂ CO₃ 、鹼性藍(Basic Blue)7及9、鹼性綠(Basic Green)1及5、鹼性橘(Basic Orange)2及14、鹼性紅(Basic Red)1、1：1、2、12、13、14、18、鹼性紫(Basic Violet)2、10、11、11：1、鹼性黃(Basic Yellow)2、11、37、直接紅(Direct Red)80、甲基紫(Methyl Violet)2B、玫塊紅(Rhodamine)FB及這些鹽及染料之混合物。該等鹽為購自Sigma Aldrich或其它供應商之純化學品，且該等染料購自Dynasty Chemicals或其它供應商。

用於製備該等水性溶液之水為經雙蒸餾且過濾(微孔過濾系統：ExtraPure;18.2MΩ.cm)之水且所形成溶液係於最大功率(SoniClean)下經超音波處理5分鐘以確保鹽或染料之完全溶解。當使用染料時，必需進行另一過濾步驟(0.2微米過濾)。

在第二組實驗中，係以已溶解在分析級乙醇中之0.02MCsN₃ +0.02M CsF處理在上述ED電池內之支撐材料並如上文詳述經超音波處理。

在第三組實驗中，係以含以下組成物中之任一種的以L為主之溶液處理該ED電池內之支撐材料：30% w/w磺化環烷酸鈣、30% w/w Lubrizol、30% w/w卵磷脂、3% w/w卵磷脂、0.3% w/w卵磷脂、30% w/w12%、3% w/w12%。卵磷脂(Eastman Kodak)、及品名為(Mooney Chemicals)之2-乙基己酸辛酸鹽可分別作為食品添加物及油漆乾燥劑。

結果

下表4描述部份結果。在表4之所有登錄項目中，就該ED電池之陰極及陽極位置而言，基板材料相同。如使用實例3中所述之凱耳文探針，在真空中測定，在沈積後該陽極及陰極之功函數係以絕對值(分別在第5及第7欄內)及相對值(分別在第6及第8欄內)提供在表4內。

表4證明在具有鹽及染料之極性溶劑及在具有各種已溶解/已分散物種之非極性溶中，所述之電沈積技術可將相當高功函數材料沈積在該陽極上並將相當低功函數材料沈積在該陰極上。一般而言，根據所使用氣體，當使根據文中之教示經塗覆或改質之陽極及陰極接觸合適氣體介質時，通常該陽極具有比陰極更高之負電荷可轉移性，且該陰極可具有更高之正電荷可轉移性。

實例6非導電隔片之選擇

本實例描述用以估計幾種材料之電阻並評估其等作為本發明實施例之電池及電源裝置的潛在非導電隔片之效力之根據本發明某些實施例所進行的實驗。

方法

實驗設備描述在第9圖中。使用以下技術中之任一種，藉隔片試驗材料之均勻膜而塗膜金屬圓形物900：旋塗法、滾輪塗覆法、噴塗法或本項技藝中已知之任何其它塗覆方法。就不容易製成均勻塗層之不可溶材料而言，首先以導電黏著樹脂塗覆該金屬圓形物，試驗材料之粉末層可黏著於其上。

然後將經塗覆圓形物900安裝在經電氣接地之旋轉鋁桌902(每分鐘30轉數)上。藉放置在該旋轉桌上之如美國專利第2,836,725號中所述之電暈充電裝置904而將圓形物900充電25秒。將該電暈充電裝置之鎢線發射體906維持於+5kV之DC偏壓下。然後，在壓關閉且桌902持續旋轉下，藉放置在旋轉圓形物上並與示波器910連接之圓盤形銅電極908而測定該圓形物電荷。藉觀測在該銅電極上引發之電位降而監測該圓物表面電荷之衰變速率，費時8分鐘。因此，藉使用靜電放電速率而比較各種合適隔片材料之阻。

此外，使用如實例3中所述之凱耳文探針評估所有試驗材料在氮存在下之電荷可轉移性。

結果

第10圖表示在實驗中業經研究之許多材料的放電圖解。結果係以殘留電荷百分比對時間(秒)的形式表示。如所示，充電後，經8小時，某些材料，諸如乙酸鎂及乙酸銨，之初電荷損失約80%，而在全部測定期內，其它材料，諸如氧化鋁及氧化鈣，可保留100%之其等初電荷。最能有效保留電荷之該等材料在本發明各代表性實施例之電池及電源裝置內被視為可作為非導電隔片的潛在合適物。

可藉本程序而評估計劃用於非間隔化之用途之材料的非導電性。例如在本實驗裝置內測試金雲母及且分別顯示在2分鐘後具約90%及約98%之殘留電荷，其等在8分鐘後下降至約50%及約75%。

實例7濺鍍

本實例描述用以藉將由陰極濺鍍而發射之另一材料薄層沈積在材料之表面而修飾該等材料之電荷可轉移性的根據本發明某些實施例所進行之實驗。

方法

廣泛使用濺鍍法以沈積薄膜，其係藉自一目標將材料沈積在基板上或在本方法之顛倒中移除非所欲膜。濺鍍方在薄膜塗覆技藝中係已知(見，例如第2版“Materials science of thin films”(by Milton Ohring,2001)中之第4及第5章。

藉使用氬氣體離子衝擊靶材料以塗覆附近的基板之該濺鍍法係在下降至2.7×10^-7 毫巴之低基礎壓力下在真空室內進行。使用ATC Orion 8 HV濺鍍系統(AJA International Inc)以進行濺鍍。該濺鍍系統包括DC及RF電源，且可按需求適應至高4個3”目標(約7.6厘米)，其可對不同材料進行連續濺鍍、或對不同材料之組合進行共濺鍍。該濺鍍系統亦可適用於反應性氣體，諸如N₂ 、O₂ 等，以進行反應性濺鍍。可使該系統最佳化以獲得厚度均勻性，其在直徑至高約15厘米之基板上具小於1%之變量。

使用以下結構體作為基板：(i)鋁(Al,AL6061-T4)或不銹鋼(S/S,AISI303)之圓形物，其直徑為50毫米，厚為5毫米且粗糙度不超過100奈米；(ii)薄玻璃圓形物(TGD,Menzel-Inc.)，其直徑為50毫米、厚為100微米且粗糙度小於50毫米；(iii)浮製玻璃圓形物(FGD,Perez Brothers,Israel)，其直徑為40毫艸或50毫米，厚為5毫米或10毫米且粗糙度小於10奈米；(iv)雙側拋光矽(Si)晶圓圓形物(Virginia Semiconductor Inc.)，其直徑為50.8毫米，厚為300微米，粗糙度為至多1奈米，結晶取向<100>且硼摻質之電阻為8-12=Ω‧cm或0.1-1.2Ω‧cm，磷摻質之電阻為8-12Ω‧cm；及(v)單側拋光矽晶圓圓形物(Virginia Semiconductor Inc.)，其直徑為50.8毫米，厚為350微米，結晶取向<111>，且磷摻質之電阻為7-10Ω‧cm。

藉表面輪廓儀(Veeco-Dektak 3ST)而測定該等基板之粗糙度。

使用以下材料作為用以最終塗覆(單獨或一起)該等基板之靶材料：鋁(Al)、氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、金(Au)、六硼化鑭(LaB₆ )、鎳(Ni)、鈀-金(Pd-Au)、鉿(Hf)、錳(Mn)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、釓(Gd)、矽石(SiO₂ )、氧化釔(Y₂ O₃ )、鎢(W)、氧化鋯(ZrO₂ )、三氧化鎢(WO₃ )、氧化鑭(La₂ O₃ )、鈦酸鋇(BaTiO₃ )、氧化鍶(SrO)、氧化鈣(CaO)及矽化鉻(Cr₃ Si)。各靶材料之純度為至少99.9%。所有靶材料係購自AJA International Inc.或Kurt Lesker Company。為確保最佳黏著性及均勻薄膜沈積，首先在有機溶劑中藉超音波處理(連續在正-己烷丙酮及異丙醇中進行，各費時5分鐘)而洗淨基板，繼而在已過濾去離子水中藉超音波處理而沖洗，費時1分鐘，並在氮氣流下乾燥。濺鍍前，使用典上20分鐘之4×10^-3 毫巴、30W(瓦)RF功率、10Sccm(每分鐘之標準立方厘米)Ar之等離子體使該等試樣進行等離子蝕刻以自表移除任何殘留有機/非有機污染物。

結果

如此製成之覆膜基板的特定實例提供在表5內。表5內列示主要濺鍍條件，其包括電源類型及其強度(瓦)、氣體之流率(每分鐘之標準立方厘米，sccm)、室內之壓力(毫巴)、及濺鍍之持續時間(秒)。在所有以下實例中，靶材料與基板之距離為146毫米。藉表面輪廓儀而測定所形成均勻膜之厚度(奈米)及粗糙度。該膜塗層夠薄，因此不會顯著改變基板之原有平滑性。GD/Al及FGD/Al分別指已完全濺鍍在含有鋁之基板的兩側上之薄及扁平玻璃圓形物。若必要，可在該基板之一或兩側上進行濺鍍。星號表示遵照濺鍍程序，該等試樣係於500℃及10^-6 毫巴壓力下經後退火處理，費時1小時。

如在下文實例8中進一步詳述，在第11圖中所圖示之實驗設備內使用根據上述方法所製成之表面。

實例8藉氣體分子之熱運動而產生電流之方法

本實例描述藉具有不同電荷可轉移性之表面間之氣體分子的熱運動而產生中流的根據本發明某些實施例所進行之實驗。在下述實驗中，係藉隔片或向外突出之粗糙特徵而分開該等表面。

實驗概論

設備

用於本實例之所有實驗中的實驗設備在第11圖中以圖解表示。將電氣接地結構體1101放在可密封不銹鋼室1125(AISI 316)內。將結構體1101放在內加熱器1105之電絕緣陶瓷介面1103上。經由連接線1128而使控制器1107(Ceramisis-Controllable Sample Heater，至高1,200℃)連接至加熱器1105。結構體1101至接地電位之連接以1109表示。無接地結構體1111之位置在室1125內的結構體1101上。結構體1101表面之電荷可轉移性不同於結構體1111之電荷可轉移性。

在其中結構體1101及1111之一或多個係由具劣整體傳導度之材料製成的實驗中，除非另有指定，係直接將結構體1111放在結構體1101上。在這些實驗中，結構體1101與1111之外層表面間之距離部份藉其等之粗糙度而表示。根據粗糙特徵之大小及分佈，在其它面積內之該等表面間之距離可自0(亦即直接接觸)至數十或數百奈米不等。

在其中結構體1101及1111係由整體導電性材料製成之實驗中，係將隔片1113放在放在其等之間。將隔片1113旋塗在面向1111之接地結構體1101的表面上。沿著z方向(通常與結構體1101及1111之表面成直角，見第11圖)之隔片1113的高度為自幾百奈米至幾微米。

導電彈簧(其係由琴絃高碳鋼製成)1115之位置在室1125內之結構體1111上並經由室1125之上壁內的電穿通密封件而連接至外靜電計1117(Keithley 6517A)。已校準該靜電計並顯示讀數之小於±1%的準確度。在某些實驗中，係在該室內堆疊多個電池，其各含具有空隙位於其間之一對結構體1101及1111。在這些實驗中，係使該堆疊之最低層的結構體1101連接至地面1109且使該堆疊之最上層結構體1111連接至靜電計1117。該堆疊內之最上層結構體在文中稱為“無接地結構體”。

室1125配備用於將氣體射入該室內之入口1119、1121及1123、與用於經由真空泵1129(Boc Edwards,XDS 10；其可選擇性經由第二真空泵Boc Edwards,EXT-225H Turbo而串連)而自該室排出氣體的出口1127。室1125呈圓柱形，其平均直徑為約8.5厘米，高為約7厘米，壁厚為約0.17厘米、氣體容量為約400立方厘米。該室係由耐蝕性低除氣材料製成，其零件及經由O環之連接結構適於至少可承受操作真空及溫度條件。一旦氣體射入及排出時，可控制室1125內之壓力。使用壓力計1131(BOC Edwards)，主動數位控制器，其量規型號為APG100-XLC,ASG 2000毫巴、及WRG-SL，其各在壓力測定之範圍內涵蓋一不同部份)以監測壓力。於各壓力(在10^-10 至8巴之範圍內)下進行實驗。

以下述兩種方式控制進行該等實驗期間之溫度：經由內加熱器1105及控制器1107而控制結構體1101之溫度T_In ，並藉已連接至該室之外壁的外螺條加熱器(圖中未顯示)而控制室1125之器壁的溫度T_Ex ，於各種內及外溫度下進行該等實驗。更明確地，T_In 自25℃至400℃不等，而T_Ex 自50℃至150℃不等。使用k型熱電偶及控制器1133(Eurotherm 2216e)以監測T_In 及T_Ex 。

在其中結構體1101及1111係連接至熱電偶之初步實驗中已確定當僅施加內加熱(經由加熱器1105)且關閉該外加熱時，在氣體存在下可忽略結構體1101與1111間之溫差。更明確地，結構體1101之凱耳文溫度比結構體1111之凱耳文溫度高不超過1%。而且，殘留溫度梯度，即便有，於低溫下具有熱離子發射，在其中該接地結構體經加熱之本實驗設備中可產生負電流。於本操作溫度下或在溫度梯度不存下，皆未預期熱離子發射。此外，熱離子所產生之電流亦應該可存在於真空中，其與根據本發明所產生之電流不同，如所述，根據本發明所產生之電流係取決於紅氣體媒介之電荷轉移且因此在真空中並不存在。如藉下文結果段落所證明，在真空中並無高於噪聲程度之電流。

由於本實驗中所監測之信號通常在1mA(毫安培)以下，所以一旦不再需要，可切斷會影響該等記錄信號且在測定時並非必要之任何裝置的電源。例如一旦達到並測出所欲穩定壓力時，可關閉壓力計。

材料

下文描述用於具有高導電率(高於10³ S/m)、劣導電率(低於10^-9 S/m)或中間範圍導電率(介於10^-9 與10³ S/m之間)之結構體1101及1111材料的實驗。

方法

當未經製造商提供時，結構體1101及1111之表面的粗糙度係藉表面輪廓儀而測定。一般而言，使用具有0.1微米聚集之α-氧化鋁的懸浮液之拋光圓盤(Struefs,MD-NAP)將金屬表面溫和地拋光。因此，除非另有指定，該等表面具有約100奈米或更小之粗糙度。

在各實驗進行前，使用Wavetek Meterman DM28XT多用電錶(圖中未顯示)測定結構體1101與1111間之電阻。該電阻經常高於2 GigaOhm，其中可保證在該等表面之間無電短路。

根據以下程序，在進行各實驗前，先將室1125抽空。將該室密封，施加真空，費時至少1小時(以達至多10^-5 巴之基線壓力)且將該接地結構體加熱至至少100℃以移除殘留水份。於高真空下定期將該室抽空，費時一夜並加熱至150℃之T_Ex 以進一步消除實驗間之除氣污染的可能性。藉確保穩定的基線壓力P_b 及約零基線電流i_b 而證實該實驗設備之穩定性。除非另有指定，P_b 小於10^-5 巴，而i_b 小於0.1微微安培(pA)。

就各實驗而言，修改並監測以下參數：(i)餵入先前經抽空之室內的氣體類型、(ii)該室內之壓力(P)、(iii)內加熱器之溫度(T_In )、及(iv)該室內壁之溫度(T_Ex )。

以每秒約1次測定之採樣速率測定並記錄各組參數之通過該等結構體的所形成電流或電壓。由於單一實驗之典型時為10-50小時，所以每一回操作有10⁴ -10⁵ 測定值。因此，該等實驗之統計學誤差很微小。本發明者已預測其中接地結構體之電荷可轉移性具正性且無接地結構體之電荷可轉移性具負性之實驗的負電流信號。本發明者亦已預測該反向構形(就接地結構體而言具負電荷可轉移性且無接地結構體而言具正電荷可轉移性)之正電流信號。

雖然在以下實驗中，結構體1101及1111之外層表面各可具有至少2.5厘米之直徑且在某些情況下每一對具有約20平方厘米之理論重疊面積，但是應該瞭解有效面積可能小於最大理論重疊面積。就任一對材料而言，已發現當藉並未超過欲在該等操作條件下使用之氣體的平均自由程的數倍數之空隙而隔開(經由隔片或向外突起之粗糙特徵)鄰接表面時，該重疊面積最有效。兩表面間之有效重疊的比例取決於各表面之構造、形狀、平坦度、粗糙度及突起特更之分布。

實驗I材料及方法

使用釓(Gd；24.7毫米直徑及1.5毫米厚之圓形物；99.95%純度；Testbourne Ltd.)作為接地結構物，使用鋁(Al;AL6061-T4；50毫米直徑及12毫米厚之圓形物)作為無接地結構體，並使用C₃ F₈ (具有高電子親和力之氣體)作為氣體介質，在真空中釓及鋁之經測定功函數分別為3.2eV及3.9eV。自在異丙醇中0.01重量%之懸浮液以2,000RPM將平均粒度為約5微米之氧化鋁微粒(Al₂ O₃ ;K.C.A.)旋塗在釓圓形物上以在該圓形物之表面上形成高分散性隔片。

於該實驗之初階段時，將該室抽空並將內加熱器加熱至400℃。對該室未施加外加熱。其後，於3個不同時間點將5、11及23毫巴之C₃ F₈ 射入該室內。

在不同條件下使用電構形及各種隔片與氣體類型以重複進行使用Gd及Al結構體之本實驗。

結果

第12圖表示以時間(秒)為變數之測量電流(pA)。如第12圖中所示，經一夜抽空後，在真空條件下之電流為約+0.1pA。箭號1表示當將5毫巴C₃ F₈ 射入該室內時之時間點。在約30分鐘之瞬電流增加後，在氣體存在下該電流可穩定至約-0.2pA之負值。箭號2表示當該C₃ F₈ 之壓力上升至11毫巴時之時間點。一旦修飾該等測定條件，可再發現短尖峰之正電流，但是其後該電流穩定地降回約-0.25pA之負電流。箭號3表示當該C₃ F₈ 氣體之壓力進一步上升至23毫巴時，可產生(在該瞬變正尖峰後)約-0.4pA之穩定負電流。所觀測電流具負性之事實表示通過該釓-鋁對之電位具負性。由於這些金屬之標準還原電位分別為-2.4V(Gd)及-67V(Al)，所以已預期若該C₃ F₈ 氣體經液體電解質取代，則上述設備可提供正電化學電流。因此一負電流之測定可排除所發現之電流係得自電化學反應之可能性。

第12圖證明在真空條件中所發現之基線電流比較，所產生該電流具有較大振幅及相反的方向。第12圖進一步證明根據經氣體媒介之電荷轉移的原理，該電流之絕對值具壓力依存性。

以位於該室內之逆定向的本材料對(Al接地，Gd無接地)、及不同隔片及/或氣體所進行之實驗操作的結果以登錄號第2至4號示於下表6內。

實驗II材料及方法

為包含二氧化矽(SiO₂ )、氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al₂ O₃ )、氧化鉀(K₂ O)、三氧化二硼(B₂ O₃ )及氯(F)之可切削玻璃陶瓷。在巨觀尺度內，於室溫下之導電率為約10^-15 S/m。

在本實驗中，係使用圓形物(直徑50毫米，厚3.5毫米，粗糙度小於400奈米)作為接地結構體。使鋁形物(Al;AL6061-T4；直徑50毫米，厚12毫米)作為無接地結構體。可各別使用各該等氣體CF₄ 、C₃ F₈ 、SF₆ 、N₂ 、及惰性氣體氬(Ar)、氦(He)、氪(Kr)、氖(Ne)、及氙(Xe)(其等全部具至少99.99%純度且呈乾燥狀態)作為氣體介質。以在不使用任何隔片之情況下可直接接觸的方式將及圓形物放在該室內，且該材料表面粗糙度可得到該空隙。

將內加熱器加熱至200℃且對該室未施加外加熱。該室對經抽空且幾乎零正電流之基線值已穩定後，射入各該氣體。

就各氣體而言，逐漸增加壓力，一旦穩定時，測定並記錄各壓力之電流。

在不同條件下使用氣體，其包括空氣(N₂ ：O₂ ：Ar：CO₂ 比率為約78：21：0.9：0.04體積比)之各種組合、及CF₄ 與C₃ F₈ (1：1體積比)之組合重複進行使用及鋁結構體之本實驗。

本實驗進一步包括使用作為該接地結構體之薄玻璃圓形物(如實例7中所述，亦即直徑50毫米，厚100微米，表面粗糙度小於50奈米)進行幾回實驗操作。於室溫下，該玻璃之導電率為約10^-12 S/m。如實例7中所述，使該玻璃圓形物之一側經鋁濺鍍以加速對接地端之良好接觸。在這些實驗操作內之無接地結構體為鋁圓形物(如實驗I中所述，亦即厚12毫米且直徑50毫米)，且上述氣體中之一些可作為該氣體介質。該玻璃圓形物之位置為未經塗覆之一側面向鋁圓形物，使用經鉻濺鍍在一側以方便接觸地面而作為該接地結構體之薄玻璃圓形物(相同大小)、及藉完全濺鍍浮製玻璃圓形物(在厚10毫米且直徑50毫米之玻璃基板上，Cr厚度為230奈米)而製成之鉻圓形物並使用幾種上述氣體介質類型以進行另外實驗操作。

結果

在所有情況下，經測定電流具正性，其表示可作為電子接受體，而鋁可作為電子施體。已發現該電流之絕對值取決於氣體壓力。更明確地，就各氣體而言，有一第一階段，其中電流隨壓力之漸增而線性增加，直到該電流達最大值為止，然後在一壓力範圍內維持恆定或緩慢下降。在本實驗內，該名詞“底限壓力”係指於穩定期可首先測得最大電流之最低壓力。本觀測結果詳述在下述實驗XI內。使用各種純及混合氣體所觀測之底限壓力及最大電流以登錄號第5-15號表示在下表6內。

第13圖表示以1/σ² 為變數之某些氣體的底眼壓力(毫巴)，其中σ為該氣體分子之直徑(埃)。根據上述方程式1，該平均自由程(λ)與1/σ² 呈線性比例。如第13圖中所示，在經測定底限壓力與1/σ² 之間有一線性相關性(R² =0.9898)：該氣體分子之直徑愈低，可發現最大電流之壓力愈高。

就使用一側經鋁濺鍍之薄玻璃圓形物作為該接地結構體、不含隔片之附在該玻璃側上之無接地鋁圓形物、及於T_In =200℃與T_Ex =70℃下之純氣體所進行的實驗而言，該等最大電流及底限壓力係以登錄號第16、20號提供在下表6內。在不使用隔片之實驗中可獲得結果，其中該接地結構體為經鉻濺鍍在一側上之薄玻璃圓形物，而該無接地結構體為藉完全濺鍍扁平玻璃並使用於T_In =150℃下之純氣體而製成之鉻圓形物。該外螺條加熱器並未作用。這些結果以登錄號第33-41號表示且描述在下文(見實驗III及VIII)。

可注意到以下事實：其中在鋁-玻璃構形內之811毫巴乾燥空氣可產生該電流之各別實驗內已確認合適之氣體混合物(就-鋁構形而言，見登錄號14-15號)係以登錄號第24號表示在表6內。

以各種氣體所進行之實驗II證實電流係藉各表面間之經氣體媒介之電荷轉移而產生。在氣體不存在下，發現並無電流，其證實並無可促成電流之可偵測熱離子。發現該電流之壓力依存性。不想受限於任何理論，已認為該底限壓力值取決於該氣體之內表面空隙與平均自由程間之關係。使用惰性氣體發現穩定電流之事實可排除得自氣體化學反應之促成作用。實驗II進一步證實本發明該電池裝置之操作表面亦可自具有相當低導電率之，諸如玻璃及之材料製成。以氣體組合所獲得之結果證實亦可使用氣體之混合物以操作本發明實施例的電池裝置。

實驗III材料及方法

本實驗包括如下文稱為操作(a)-(i)之幾回實驗操作。在操作(a)中，係使用層狀金雲母之薄圓形物(直徑50毫米，厚50微米)作為無接地結構體，以Pd/Au濺鍍該金雲母之一側上以增強與導電彈簧1115之電接觸。使用鋁圓形物(AL6061-T4，直徑40毫米，厚3毫米)作為接地結構體。在無隔片下，該等接地與無接地結構體可直接接觸。將內加熱器加熱至400℃。關閉彙加熱器。將該室抽空且在真空下該基線電流小於1fA(亦即小於10^-15 A)。於本階段下，將300毫巴氦附入該室內。在約80小時之總時間內，內溫度可不同，且測定並記錄該電流。

在操作(b)中，係使用雜摻硝基纖維素作為接地結構體；使用不銹鋼(AISI303，40毫米直徑、5毫米厚之圓形物)作為無接地結構體，且使用於100毫巴之恆壓下的氬氣作為氣體介質。藉於1,000rpm下，使用含以硝基纖維為主之Zweihorn Zaponlack NR 10026(Akzo Nobel Deco GmbH，5重量%溶劑)及LiClO₄ (40重量%之Zaponlack)之環己酮溶液旋塗鋁圓形物(AL6061-T4，其具有50毫米直徑及12毫米厚)而製成該接地結構體。在無隔片之情況下使該等接地與無接地結構體直接接觸。使T_In 自約25℃逐漸上升至約85℃。

在操作(c)中，係使用鋁圓形物(AL6061-T4，直徑50毫米且厚12毫米)作為接地結構體，使用薄玻璃圓形物(直徑50毫米，厚100微米，粗糙度小於50毫米，經過濺鍍以適於接觸該導電彈簧)作為無接地結構體，且使用於300毫巴之恆壓下的氦作為氣體介質，在無隔片之情況下使該等接地及無接地結構體直接接觸。使T_Ex 自60℃逐漸上升至100℃。

在操作(d)中，係使用圓形物(直徑50毫米，厚3.5毫米，且粗糙度小於400奈米)作為接地結構體，使用鋁(AL6061-T4，如上述)作為無接地結構體，並使用300毫巴氬作為氣體介質。在無隔片之情況下使該等接地及無接地結構體直接接觸。使T_In 自100℃逐漸上升至200℃。

在操作(e)中，係使用薄玻璃圓形物(直徑50毫米，厚100微米，且表面粗糙度小於50奈米，其一側上經鉻濺鍍以適於接觸地面)作為接地結構體，且使用完全經230奈米鉻層濺鍍之扁平較厚玻璃圓形物(直徑50毫米，厚10毫米，且粗糙度小於10奈米)作為無接地結構體。藉具有3微米之平均高度的氧化鋁隔片而分離該等接地與無接地結構體。如實驗I中所述，將該等隔片旋塗在玻璃表面上。在於130毫巴之恆壓下的氙存在下，使T_In 自150℃逐漸上升至250℃。

在操作(f)至(i)中，係使用薄玻璃圓形物(直徑50毫米，厚100微米，且表面粗糙度小於50奈米，其一側上經鉻濺鍍以適於接觸地面)作為接地結構體。在操作(f)中，如實驗XII中所述，使該無接地結構體經r-GO旋塗在不銹鋼上。在操作(g)中，該無接地結構體為藉完全濺鍍具有40毫米直徑、5毫米厚及小於10奈米表面粗糙度之扁平玻璃圓形物而製成之MnO₂ 圓形物(220奈米厚)。在操作(h)中，該無接地結構體為藉完全濺鍍具有40毫米直徑、5毫米厚及小於10奈米表面粗糙度之扁平玻璃圓形物而製成之鉬圓形物(330奈米厚)。在操作(i)中，該無接地結構體為藉濺鍍具有50毫米直徑、100微米厚、及小於50奈米表面粗糙度之薄玻璃圓形物而製成之由Cr₃ Si及SiO₂ 所構成的陶金圓形物(540奈米厚)。

在無隔片存在下，使該等接地與無接地結構體直接接觸。在於1,000毫巴之恆壓下的氦存在下，使T_In 自約70℃逐漸上升至約180℃。

結果

第14圖表示就使用該金雲母-鋁對之操作(a)而言，以時間(秒)為變數之經測定電流(pA)。於各時間間隔下之內部溫度顯示在第14圖之上部份中。當該內部溫度為400℃時，經測定電流為約2.1pA，費時至少7小時。於t=194,500秒(約54小時)下，使用加熱器之溫度T_In 降至300℃並使電流降至約0.2pA，該電流可維持安定，費時約10小時測定時間。於t=231,000秒(約64小時)下，進一步冷却至200℃，其可導致電流下降至約4fA。於t=280,000秒(約78小時)下，使該溫度回升至300℃且該電流增至約0.25pA，其接近先前於本溫度下所獲得之值。

在本構形內，電流方向呈正性，其顯示該鋁可作為電子接受體，而該金雲母可作為電子施體。本實驗確認大容量絕緣體可用於本發明之裝置及方法內。應注意在該等測定法之時窗內，經測定電流可穩定數小時。該電流具溫度依存性之事實係根據藉本發明者而發現之經氣體媒介的電荷轉移機制。

第15圖表示就操作(b)-(i)而言，以時間為變數之以絕對值(安培)表示的經測定電流。

第15圖內之正方塊相當於使用該雜摻硝基纖維素-不銹鋼對之操作(b)。如所示，T_In 自約25℃逐漸上升至約85℃可導致電流自76fA增至20pA。應注意於約室溫下經測定之低電流高於在真空條件下經測定之基線電流(1fA)。

第15圖內之圓圖相當於使用該鋁-薄玻璃對之操作(c)如所示，T_Ex 自60℃逐漸上升至100℃可導致電流自65fA增至0.4pA。

第15圖內之三角形相當於使用該MACOR^R -鋁對之操作(d)。如所示，T_In 自約100℃逐漸上升至約200℃可導致電流自11fA增至3.67pA。

第15圖內之菱形相當於使用該薄玻璃-鉻對之操作(d)。如所示，T_In 自約150℃逐漸上升至約250℃可導致電流自78fA增至17pA。這些結果以登錄號第25-29號示於表6內。

在第15圖內之十字形相當於使用該薄玻璃-r-GO對之操作(f)。如所示，T_In 自約72℃逐漸上升至約180℃可導致電流自78fA增至86pA。空心圓相當於使用該薄玻璃-MnO₂ 對之操作(g)。如所示，T_In 自約136℃逐漸上升至約180℃可導致電流自43fA增至0.16pA。

第15圖內之加號(+)相當於使用薄玻璃-Mo對之操作(h)。如所示，T_In 自約111℃逐漸上升至約180℃可導致電流自15fA增至3pA。空心正方形相當於使用該薄玻璃-(Cr₃ Si-SiO₂ )對之操作(i)。如所示，T_In 自約126℃逐漸上升至約180℃可導致電流自15fA增至0.48pA。這些結果以登錄號第63-66號示於表6內。

這些實驗證明不考慮用於加熱之技術(在操作(b)、(d)至(i)內為內加熱，而在操作(c)內為外加熱)，經測定電流之時間依存性通常類似且大體上可用指數表示。其證實當僅將下表面加熱時，該經測定電流並非得自可存在於該等表面間之任何較小溫度梯度，而是得自該氣體本身之溫度。

使用惰性氣體發現穩定電流之事實排除得自氣體化學反應之促成作。操作(b)之結果說明於室溫下單一結構體對足以產生充份高於躁聲程度之可測定電流。而且，第15圖中之任一曲線的外推法認為就操作(b)-(i)中之任一項而言，於室溫或更低溫度下充份高於躁聲程度之可測定電流可自單一對產生。已知在連續堆疊內多個此等對之使用可增加通過該堆疊之所產生電位且並聯之多個此等對可增加該電流。

實驗IV

本實驗係有關於確認顛倒這兩種結構體可導致電流方向之逆轉的預測。除使用該玻璃圓形物作為接地結構體並使用該鋁圓形物作為無接地結構體不同外，該實驗類似實驗III，操作(c)。在室抽空後，射入300毫巴氦且從外部將該室加熱至T_Ex =60℃。所形成電流為-100fA，其符號與在實驗III之操作(c)內所測定之電流(+65fA)相反但通常具有類似強度。經顛倒結構體之結果以登錄號第27及30號示於表6內。本發現可證實該經測定電流得自這兩表面間之差異及其等與該氣體介質之交互作用而非得自非所欲實驗效應。兩電流間之絕緣值差異可歸因於許多因素，諸如空隙大小與重疊區域之輕微差異。

實驗V

材料及方法

如實例7中所述，將鋁濺鍍在薄玻璃圓形物(直徑50毫米，厚100微米，粗糙度小於50奈米)之一側上。將十片此等經鋁濺鍍之玻璃圓形物的堆疊放入該室內，藉此就每兩鄰接圓形物而言，一圓形物之經濺鍍側可接觸另一圓形物之暴露(無濺鍍)側。最下層之圓形物的位置可以使其經濺鍍側面向該內加熱器並接地，且其暴露側面向從最下層算起倒數第二層。因此，在本實驗內，該接地側為玻璃，而該無接地側為鋁。使用氦作為氣體介質。

將該室抽空後，將該內加熱器加熱至200℃，並注入300毫巴氦。測定並記錄電壓信號。就單一玻璃-鋁對而言，重複本程序。

結果

第16圖表示就單一結構體對(連續線)及十對之堆疊(虛線)而言，以時間為變數之電壓。該起源(t=0)相當於自用於電流測定之短路將該實驗設備轉換至用於電壓測定之開路的時間點。就該單一對(下軸)而言，時間係以分鐘表示，而就該堆疊(上軸)而言，時間係以小時表示，因為該堆疊具有較高電阻。應注意該實驗設備之總電容係受測定裝置(就所有實驗操作而言，其皆相同)控制。因此，雖然該堆疊之總電容顯著高於單一對，但是這兩種情況而言，該電容通常相同。由於特性響應時間與被乘以該電容之電阻成比例，所以該堆疊之響應時間顯著高於單一對之響應時間。

如第16圖中所示，經6小時後，該堆疊之蓄積電壓可達3V，而經6小時後，該單一對之蓄積電壓可達0.3V。這些電壓間之比率為10：1，其與該堆疊操作(10)內之電池數及該單一對操作(1)內之電池數間的比率相同。本發明證實以下結論：該經測定電壓得自藉各氣體充填之電池而產生之電位而非得自任何非所欲實驗效應。

實驗VI

在本實驗內，係測定3種不同施體-接受體結構體對之蓄積電壓。在第一回操作中係使用玻璃-鋁對，在第二回操作中係使用鋁-MACOR^R 對，而在第三回操作中係使用玻璃-MACOR^R 對。在所有操作回中，係將該內加熱器加熱至200℃且在將室抽空後，射入300毫巴氦。

第一回操作產生約0.3V之電壓穩定狀態。該鋁可作為電子施體，而該玻璃可為電子接受體。第二回操作產生約0.9V之電壓穩定狀態。該MACOR^R 可作為電子施體，而該鋁可作為電子接受體。第三回操作產生約1.15V之電壓穩定狀態。該MACOR^R 可作為電子施體，而該玻璃可作為電子接受體。

已證明使用該玻璃-MACOR^R 對所測定之蓄積電壓(1.15V)約等於使用該玻璃-鋁對所測定之電壓(0.3V)及使用鋁-MACOR^R 對所測定之電壓(0.9V)的總和。該電壓具加成性之事實證實該等測定值得自發生於該等表面間之經氣體媒介的電荷轉移而並非得自外電路。

實驗VIII

材料及方法

在先前實驗(見，例如實驗III，尤其第14及第15圖)中已證實所產生電池可穩定至少幾小時，並證實該電流取決於T_In 或T_Ex 。在本實驗內，係以超過4天的時間監測T_In 及T_Ex 。在本實驗內之接地結構地為藉經LiClO₄ 摻雜之硝基纖維素而旋塗之鋁圓形物，該無接地結構體為不銹鋼圓形物(直徑40毫米，厚5毫米)，且使用氬作為氣體介質。

將該內加熱器加熱至80℃，將該室抽空且該基線電流於0.1pA下穩定。經約17小時後，射入100毫巴氬，且在這些條件下監測該系統，費時4天。

結果

第17圖表示以時間為變數之電流及外溫度T_Ex 。該電流係以顯示pA在左縱座標上，T_Ex 係以攝氏度數顯示在右縱座標上，且時間以小時顯示在橫座標上。於相同時間點下記錄電流及外溫度。在第17圖內，自t=0至t=19之時期相當次自該室抽出空氣以進行穩定化的初期。於t=19小時下，以將氬射入該室內開始進行該實驗。

一旦將氣體射入該室內時可發現瞬變電流尖峰。經約20小時後，該系統可達穩態且電流通常穩定至約1pA之值。當該室溫度變化時可發現電流起伏。當該室維持於約24℃下時，電流為約1.25pA，當經約12小時後，該室溫度降至約18℃時，該電流可降至約0.8pA。

本實驗證實一旦達穩態時，該電流通常可穩定數天。本實驗亦證實該電流對溫度之依存性。假定於約21℃之平均溫度下，平均電流為1.0pA，本實驗顯示在室溫度之±3℃起伏可導致測定電流之約±20%的變量。其結果以登錄號第31號示於表6內。表6之登錄號第26及第31號間有差異，其可歸因於幾項因素，諸如空隙大小之輕微差異及該雜摻硝基纖維素塗層厚度之差異。

實驗VII

本實驗係有關於電流(及可獲得最大電流之壓力)對這兩表面間之空隙大小的依存性之研究。

概括地說，有兩種用於藉本發明實施例之裝置而產生電力的條件：在氣體與該等固體表面間之電荷轉移、及帶電荷之氣體分子成功地穿越該等表面間之空隙。就較小空隙而言，該等氣體分子傳送電荷之機率較大(其限制條件為該空隙約大，所以可以使氣體分子進入)。因此，在其它條件相同的情況下，較小的空隙可產生較高電流且於較高壓力下可獲得最大電流。

材料及方法

本實驗包括9回實驗操作，下文稱為操作(a)-(i)，八步驟如下。

在操作(a)至(c)中，該接地結構體為經鉻濺鍍於一側上之薄玻璃圓形物(直徑50毫米，厚100微米，粗糙度小於50奈米)，而該無接地結構體為如實驗III操作(e)中所述之經230奈米鉻層完全濺鍍之扁平玻璃圓形物(直徑50毫米，厚10毫米，粗糙度小於10奈米)。將該一側經塗覆之玻璃圓形物放在該室內，使其經塗覆側連接地面端，且其未經塗覆側面向完全塗覆之鉻圓形物。藉具有3微米平均高度之氧化鋁(Al₂ O₃ )隔片而分離這兩種結構體。如上文實驟I中所述，將該等氧化鋁隔片旋塗在薄玻璃表面上。在操作(a)中，該氣體介質為氙，在操作(b)中該氣體介質為氬，且在操作(c)中，該氣體介質為氦。

除氧化鋁隔片具有1微米之平均高度不同外，操作(d)至(f)分別與操作(a)至(c)相同。

除了未使用隔片不同外，操作(g)至(i)分別與操作(a)至(c)相同。就這些操作而言，空隙大小並非0，但是相當於該等表面之平均粗糙度。

於T_In =150℃下進行所有操作。操作(a)相當於實驗III操作(e)中所述曲線內的最低溫度點，其中在150至250℃之內溫度範圍內可確定T_In 與該測定電流間之關係。除氧化鋁隔片具有7微米之平均高度不同外，於T_In =250℃下再進行3次類似(a)-(c)之操作。在各回操作內，測定底限壓力並記錄最大電流。這些測定值以登錄號第21-23、及32-41號示於表6內。

結果

第18圖表示就所使用3種氣體而言，各別之以間隔(微米)為變數，於底限壓力下所測定之電流(pA)。正方形相當於氦(σ=2.4埃)，圓圈相當於氬(σ=4.0埃)，而三角形相當於氙(σ=5.4埃)。如所示，該電流可隨間隔之增加而降低。對空隙大小之依存性的非直線性使本發明者獲得以下結論：該空隙大小之進一步減少可產生更高之電流。第18圖亦證明該氣體分子之直徑愈小，於底限壓力下所測定之電流愈高，其與依照較小分子具有較大平均自由徑，因此使電荷通過特定空隙之機率更高的原理一致。

第19圖表示以1/σ² 為變數之底限壓力(毫巴)，於該等壓力下在穩定階段時可首先測出最大電流，其中σ為該氧體分子之直徑(埃)。在第19圖中，菱形相當於使用3微米隔片之操作(a)-(c)，三角形相當於使用1微米隔片之操作(d)-(f)，而正方形相當於未使用隔片之操作(g)-(i)。應注意的是在相當於操作(a)及(g)，亦即使用3微米隔片進行之操作及不含隔片並以氙進行之操作之數據點之間有一重疊。

如所示，在該底限壓力與1/σ² 之間有有一線性相互關係：該氣體分子之直徑愈小，底限壓力愈高，其與上述實驗II之結果一致。第19圖亦顯示在該空隙大小與底限壓力之間有一反相互關係，較大空隙大小需要較低壓力才能產生最大電流。

實驗IX

本實驗為其中電化學衍生之電流係經有計劃地產生的對照實驗。據此，使用水蒸汽以作為該氣體介質。不像其它氣體，諸如上述之氣體，於進行該等實驗之溫及壓力下，水可以呈液相。

材料及方法

使用薄玻璃圓形物(厚100微米，直徑50毫米，粗糙度小於50奈米)作為接地結構體。該玻璃圓形物之一側經鋁濺鍍以促進和地面端之良好接觸。在這些操作內，該無接地結構體為鋁圓形物(厚7毫米，直徑40毫米)，且使用水蒸汽作為氣體介質，在無隔片之情況下，該玻璃圓形物之位置為其未經塗覆側面向鋁圓形物。

將該內加熱器設定至60℃並將壓力設定至7毫巴以確保該室內不發生水冷凝現象。其後，將該壓力設定至27毫巴並維持內加熱器於60℃下以誘發水冷凝作用。該實驗下頭至尾監測並記錄電流。

結果

在7毫巴水蒸汽存在下所測定之電流為+0.6pA，然而於27毫巴之較高壓力下所測定之電流為-12pA(見表6，登錄號第42-43號)。該27毫巴壓力相當於室溫下使該室充滿水蒸汽以達其蒸汽壓力而獲得之壓力。呈水冷凝模式之該電流方向與電化學為主之電流一致，而在水冷凝作用不存在下，該電流之方向相反。本實驗證明當表面間之空隙由非冷凝氣體充填時，所產生之電流並非得自電化學方法。

實驗X

本實驗係有關於功率產生區域並找出使用本發明裝置或方法可獲得最大功率之最佳操作點(電流及電壓)。

材料及方法

微修飾該實驗設備(見第11圖)並在結構體1101與地面1109之間連接DC電壓源(Yokogawa 7651)。該DC電壓源並未示於第11圖內。施加電壓並經由連接至第二結構體1111之外靜電計1117而監測電流。進行兩實驗操作。在操作(a)中，係使用矽石圓形物(在具有40毫米直徑、5毫米厚及小於10奈米粗糙度之扁平玻璃圓形物上濺鍍600奈米厚之SiO₂ )作為接地結構體，且二氧化錳(220奈米，濺鍍在預先經鋁濺鍍之具有50毫米直徑、100微米厚、小於50奈米粗糙度之薄玻璃圓形物上)可作為無接地結構體。在無任何隔片之情況下使該二氧化錳面向接地結構體之矽石側。在操作(b)中，係使用具有50毫米直徑、100微米厚、小於50奈米粗糙度之薄玻璃圓形物(其一側上業經鋁濺鍍以便接觸地面)作為接地結構體，且具有52毫米直徑、5毫米厚之已將還原性氧化石墨(r-GO)旋塗於其上之不銹鋼圓形物可作為無接地結構體。下文(見實例XIII)進一步詳述該r-GO圓形物之製法。在無任何隔片之情況下使該r-GO面向接地結構體之玻璃側。就操作(a)及(b)而言，係將該內加熱器加熱至180℃，並在室抽空後，於1,100毫巴下射入作為氣體介質之氦。

結果

第20A及20C圖表示以外施電壓V(伏特)為變數之所測定電流I(微微安培)，而第20B及20D圖表示以外施電壓V為變數之經計算功率p(微微瓦特)。第20A及20B圖係有關於操作(a)，而第20C及20D圖係有關於操作(b)。

如第20A圖所示，當未施加電流時，操作(a)中之短路電流為約2.5pA，然而當電流為0pA時，該開路電壓為-0.63V。如第20B圖所示，功率係在-0.63至0V之外施電壓之間產生，且於約-0.34V之外施電壓V下可獲得之最大功率絕對值為約3.3pW。如第20C圖所示，當未施加電壓時，操作(b)中之該短路電流為約94pA，然而當電流為0pA時，該開路電壓為-1V。如第20D圖所示，功率係在-1至0V之外施電壓之間產生，且於約-0.4V之外施電壓V下可獲得之最大功率絕對值為約16.3pW。因此，就操作(a)而言，在0至-0.63伏特之範圍內及就操作(b)而言，在0至-1伏特之範圍內，電阻具負性，且該系統係以電力產生器之形式操作。本實驗之結果證明本發明該裝置可自氣體分子之熱運動產生電力。

實驗XI

本實驗係有關於測定以壓力為變數之電流值以決定使用本申請案之教示可獲得最大電流之底限壓力。

材料及方法

該等接地及無接地結構體與用於上述實驗VIII中之薄玻璃及鉻結構體相同。將T_In 設定至200℃，將T_Ex 設定至50℃，並使用氦作為氣體介質。室抽空並使零基線電流穩定後，以50毫巴之壓力步驟自50至高於1,200毫巴下射入氦。於第一壓力步驟下，使該系統穩定至少2小時，然後記錄電流。於各接下來的壓力步驟下，使電流穩定，然後記錄。在本實驗中，15分鐘之穩定期合適，因為該等測定法係於50毫巴壓力下開始進行而非在真空內進行，且因為施加50毫巴之小壓力步驟。

結果

第21圖表示以該氣體壓力(毫巴)為變數之經測定電流(pA)。第21圖中所示，在以50毫巴增量使壓力自50逐漸至約700毫巴之第一階段內，該電流係單調地自約2.7pA上升至約5.7pA。在第二階段內，自約700上升至約1,250毫巴，該電流可達以壓力為變數之穩定階段。

所觀測之壓力依存性係根據藉本發明者而發現之該經氣體媒介之電荷轉移機制。所產生電流可隨高至其中該等氣體分子之平均自由程小於這兩表面間之空隙的壓力而增加。將壓力增加至高於該點亦可在該等氣體分子將其等之電荷傳送經過空隙抵達第二表面之前，增加氣體分子間碰撞之機率，而且可增加能轉移該等電荷之分子數。因此在該等分子間碰撞(其可降低每一分子之電荷傳送速率)與分子總數之間有一平衡，其可增加欲經轉移之經氣體媒介的電荷之總數量。咸信第21圖可說明此種平衡作用。兩衝突之效應似乎可彼此抵消，因此超過底限壓力，該電流不再或僅微弱取決於氣體壓力。

該曲線圖之單調性漸增部份相當於可產生大於空隙大小之平均自由程的壓力。如實例1中所解釋，在λ>d之條件下，每一單位時間與該等表面交互作用之分子數預期對壓力具線性依存性。該曲線圖之平穩部份相當於可產生小於空隙大小之平均自由程的壓力。底部壓力之定義為電流不再隨壓力而顯著增加之最低壓力。就表面材料之特定組合(氣體及操作條件)而言，該電流可隨壓力之增加而下降，而非於平穩狀態下穩定。在本實驗之第21圖中，該底限壓力為約700毫巴。

實驗XII

實驗III操作(a)顯示層狀材料可作為表面，其說明該等表面之一係由劣導電礦物(金雲母，其係為一種天然矽酸鹽化合物)製成。在本實驗中，所使用層狀材料為導電性還原氧化石墨(r-GO)，其相當於石墨烯(包含石墨之單層)。

材料及方法

使用Hirata方法(見，例如美國專利第6,596,396號)將石墨(具有約25、75微米範圍內之薄片大小的Asbury石墨3763)氧化。清潔並洗滌所形成氧化石墨(GO)，然後使用膜濾器(Pall Corp.,UMP-1047R)進行濃縮。AFM掃描確認如此獲得之GO奈米薄層之厚度範圍為自約1奈米厚之單一GO薄片至多薄片，其總平均厚度為約3奈米。

然後藉於230℃下在真空內加熱，費時一夜而使該GO熱還原成石墨烯，所獲得之還原GO預期僅包含15-20%殘留官能基。以0.4%之重量濃縮率使該r-GO分散在1%乙酸溶液內。

經拋光D2鋼圓形物(52毫米直徑，約5毫米厚，小於50奈米粗糙度)可作為支撐表面。將該圓形物之外緣切削以避免在塗覆期間r-GO厚度增加。使首先經異丙醇洗淨之該圓形物經黏著性底漆(Microlite HST-XE 20之上澄清液)之薄層預塗覆。將該經預塗覆之圓形物放在旋塗機上並經r-GO懸浮液弄濕。然後以1,200RPM旋塗該圓形物。乾燥所形成之薄r-GO(石墨烯)塗層，並於不超過80℃下之溫度下以熱空氣吹風機進行旋轉。當該層似乎乾燥時，重複該旋塗程序，直到使用總共9克r-GO懸浮液為止。使用旋塗法以確保該等層狀石墨烯層以定向層狀塗層的方式積聚。

然後在真空烘箱內，於95℃下進一步乾燥該層狀r-GO旋塗圓形物，費時24小時。在本初步乾燥步驟後，將該圓形物轉移至爐(Ney Vulcan 3-1750)上，於其上可以以20℃增量加熱2小時，直到溫度達230℃為止，於該溫度下靜置，使其接受最後10小時烘乾以確保完全乾燥。其後，在使用前將其貯存於乾燥器內。

使用薄玻璃圓形物(直徑50毫米，厚100毫米，且其一側上經鋁濺鍍以適於與地面接觸)作為接地結構體，且該r-GO圓形物可作為無接地結構體(其中在無任何隔片之情況下，該r-GO面向玻璃且該不銹鋼基板可用以接觸外電路)。將T_In 設定至180℃且在室抽空及零基線電流確定後，使用氦作為氣體介質。

結果

在1,100毫巴氦存在下，如下表6內以登錄號第59號所示，經測定電流為約+150pA。在本設備中，玻璃可作為電子接受體，而r-GO可作為電子施體。本實驗證明層狀材料可用於本發明某些實施例之裝置內。

實驗XIII

上述實驗已確認具有廣範圍之體傳導度的各種材料適於本發明某些實施例之裝置的表面。在本實驗中，係在7回實驗操作中研究由半導體製成之表面。

材料及方法

在操作(a)中，係使用具有<100>表面結晶定向及8-12Ω‧cm之電阻的經磷摻雜之矽晶圓圓形物(雙側經拋光，具有50.8毫米直徑、300微米厚、小於1奈米粗糙度)作為接地結構體。

在操作(b)中，係使用具有相同尺寸及結晶定向，但不同電阻(0.1-1.2Ω‧cm)之經硼摻雜之矽晶圓的圓形物作為接地結構體。

在操作(a)及(b)中，係使用鋁圓形物(200奈米厚，濺鍍在40毫米直徑及5毫米厚之扁平玻璃圓形物上)作為無接地結構體。

在操作(d)中，係使用具有<110>表面結晶定向及0.7-1.3Ω‧cm之電阻的經磷摻雜之矽晶圓的圓形物(雙側經拋光，具有50.8毫米直徑、140微米厚、小於1奈米粗糙度)作為接地結構地並使用釓圓形物(560奈米厚，濺鍍在40毫米直徑及5毫米厚之扁平玻璃圓形物上)作為無接地結構體。

在所有操作(a)-(d)中，係在無隔片之情況下，使該等接地及無接地結構體彼此面對。於1,100毫巴之恆壓及不同於下文詳述之各操作的內溫度T_In (但經常包含於200℃下之共同點)下使用氦作為氣體介質。

在操作(e)-(g)中，如操作(a)-(b)中之鋁圓形物可作為接地結構體且如操作(a)中之經磷摻雜的矽晶圓之圓形物可作為無接地結構體。如實驗I中所述，將具有7微米之平均高度的鋁隔片旋塗在該接地結構體上。將該內加熱器設定於T_In =250℃下並將外加熱器設定於T_Ex =70℃下。在室抽空後，於1,100毫巴之恆壓下射入該氣體介質。在操作(e)中，該氣體介質為氙，在操作(f)中為氬，且在操作(g)中為氦。

結果

該實驗之結果以登錄號第44-50號列示在下表6內。

如登錄號第44-47號中所示，當在無任何隔片之情況下所使用該等表面中之至少一表面由半導體材料製成時，經測定電流可以以該奈米安培範圍之數量級顯著地增加。在操作(a)中，將T_In 自150℃增至200℃可將電流自8.5nA增至52nA。在操作(b)中，內溫度之相同增加可將電流自-2.7nA。該負電流表示在本設備中，該經硼摻雜之矽晶圓可作為電子施體。在操作(c)中，係於T_In =200℃下測試該含兩經不同摻雜之矽晶圓的對且經測定電流為0.9nA。

如登錄號第48-50號所示，當在該金屬與半導體表面之間使用隔片時，若該氣體介質為氙，則經測定電流為0.24pA且若該氣體介質為氬或氦，則該經測定電流為1pA。雖然隔片之存在會導致經測定電流之顯著下降，但是其仍然具大數量。這些實驗證明半導體材料可用於本發明某些實施例之裝置內。具有中間範圍體傳導度之材料(諸如半導體)的優點之一在其等對傳送電流充份導電性且在無任何隔片之情況下使用時具充份非導電性。

實驗XIV

在本實驗中，係研究藉根據本發明某些實施例之電流而進行之原位表面活化作用。

材料及方法

使用其一側上經鉻濺鍍以適於接觸之薄玻璃圓形物(50毫米直徑，100微米厚，小於50奈米表面粗糙度)作為無接地結構體。使用r-GO圓形物(如實驗XII中所述製成)作為無接地結構體。將每一重量含0.01%磺化環烷酸鈉^R L(Witco)作為電活性物種之IsoparL溶液放在該玻璃表面上。在無任何隔片之情況下，將該r-GO放在非極性溶液上。在第一步驟中，該無接地r-GO結構體係經由其鋼載體而連接至電壓源之正端並於室溫下施加+100V，費時2小時。

在電沈積後，將該活化電池(其仍維持在偏壓下)加熱至T_In =120℃並將該室抽空以移除主要含IsoparL之溶液及任何殘留水份。藉將該等表面短路化而將該電池完全放電，因此可確認零基線電流。於1,100毫巴之恆壓下注入氦以作為氣體介質。

結果

如下表6中所示，在登錄號第61號中，當該等表面之至少一表面藉電沈積法而活化時，經測定電流為約130pA。應注意於約120℃之相同溫度下，具玻璃-r-GO之未經活化它池可產生約2pA之電流。本實驗證明根據本發明某些實施例之該等表面的活化可導致所產生電流顯著地增加約2數量級。

應注意在所有上述實驗中，氣體壓力並未下降，其表示氣體反應從頭至尾並未消耗氣體。

表6摘述實驗I-XIV及使用第11圖之設備所進行之其它實驗中所獲得之結果。在表6內，NA表示一特定登錄號並不適用。玻璃表示所使用表面為具有50毫米直徑、100微米厚及小於50奈米粗糙度之薄玻璃圓形物。若合適所示溫度係有關於T_In 及/或T_Ex 。

表6說明使用根據本發明各代表性實施例之裝置及方法以產生電流。該等實驗證明所測定電流及電壓源自特定材料與氣體介質間之交互作用。其可藉該電流之溫度及壓力依存性、藉在真空中並未發現電流之事實、及藉當顛倒該電池結構時可逆轉電流方向之事實而證明。該等實驗進一步證實甚至使用惰性氣體及/或惰性材料亦可產生電流，因此可排除電化學反應。該等實驗另外證實該電流之方向與業經電化學反應而產生之電流方向相反。

多對結構體之堆疊的總電壓相當於單一對(實驗V)之電壓之合適倍數的事實進一步表示藉本發明而產生之經測定電力並非衍生自任何外電路或非所欲實驗效應。

有關於根據本發明某些實施例之電流及電壓之產生的觀測結果與藉本發明者而發現之該經氣體媒介之電荷轉移機制一致。在導電度範圍包括數個數量級下，各種具不同電荷可轉移性的方面顯示可產生電力。在各種操作條件下已發現許多合適的氣體。效率對溫度及壓力之依存性證實本發明該經氣體媒介之電荷轉移機制的存在。該等實驗證實依照本發明，於室溫下已顯著高於躁聲之電流可隨溫度而呈指數性成長(第15圖)。就特定隔開之表面對及特定氣體而言，於與該等氣體分子之大小有相互關係之底限壓力下，該電流可達最大值之穩定狀態。就特定表面對及特定氣體而言，該空隙愈小，經測定電流愈高，且該空隙愈小，產生最大電流之底限壓力愈高。

該等實驗數據清楚地證明本發明之基本機制：可將熱能直接轉化成電流之經氣體媒介的電荷轉移效應。

雖然本發明業經參考其特定實施例而說明，但明顯可知許多其它可選用的方法、修飾及變異為熟悉本項技藝者所知。因此，有意涵蓋屬於附加申請專利範圍之精神及廣泛範圍的所有此等其它可選用方法、修飾及變異。例如第2圖之裝置表示具有串連電池之並聯柱。在本發明之某些實施例中，可重疊該等電池，因此其等並非呈並聯柱之形式，而係呈可形成更複雜結構之電池的形式，諸如砌磚或無規結構。而且，當該等隔片被描述為由顆粒或各別元件形成時，該等部份導電表面之表面凹凸不平(表面粗糙度)本身可作為隔片，其原因為一表面之僅小百分比可實際接觸其它表面，因此儘管該表面凹凸不平之觸點，仍可維持該等表面間之低總導電率。此外，雖然本發明描述可於或接近室溫下操作之方法及裝置，但是可以於高溫，諸如50、100、150、200或400℃下以及於更高、中間或較低溫度下進行該方法。

本專利說明書中所揭示之所有公開案、專利及專利申請案之全文在此併入本專利說明書以為參考資料，其併入程度就如同各別公開案、專利或專利申請案係詳細且獨立地併入本案以為參考資料一般。此外，本申請案內之任何參考文獻的列舉或確認不應被視為承認此參考文獻能有效作為本發明之先前技藝。段落標題使用之程度為其等應該不可視為必要的限制。

10，40．．．裝置

12、14．．．表面

16．．．氣體介質

18．．．氣體分子

20．．．貯熱器

22．．．熱能

24．．．負載

26．．．觸點

28，1113．．．隔片

32，34．．．基板

36．．．密封護罩、封裝

42．．．核心

44．．．雙構件

46．．．第一導電構件

48．．．第二導電構件

50．．．粗糙特徵

64．．．局部最大值

302．．．供氣單元

304，615．．．電流計

306．．．靶金屬線網目

308．．．中空柱形部件

310．．．導流嵌件

312．．．噴嘴

314，1128．．．連接線

316．．．第一部件

318．．．第二部件

320．．．室

322，606，1127．．．出口

324．．．導管

326．．．閥

328．．．體積

340．．．虛線

342．．．超音波出口

601，602．．．貯留電極

603．．．壓電晶體

605，1119，1121，1123．．．入口

607．．．可加壓且可密封室

611，612．．．平凸透鏡

613．．．電容式感測器

614．．．金屬電極

618，910．．．示波器

622．．．入口閥

624．．．出口閥

800．．．ED電池

802，804．．．導電性支撐結構體

806．．．電壓源

808．．．陽極

810．．．陰極

812．．．DC毫安培計

814．．．多孔材料

900．．．金屬圓形物

902．．．旋轉鋁桌

904．．．電暈充電裝置

906．．．鎢線發射體

908．．．圓盤形銅電極

1101．．．電氣接地結構體

1103．．．電絕緣陶瓷介面

1105．．．內加熱器

1107，1133．．．控制器

1109．．．地面

1111．．．無接地結構體

1115．．．導電彈簧

1117．．．靜電計

1125．．．可密封不銹鋼室

1129．．．真空泵

1131．．．壓力計

i．．．電流

d．．．空隙

第1A及1B圖為根據本發明各種代表性實施例之一用於產生電力之電池的圖解。

第1C-1F圖為第1A圖之電池或其經改質變體內的電位圖解。第1C及1D圖表示通過經修飾而具有相同表面之第1A圖之電池之空隙的影像電荷電位。第1E及1F圖表示通過第1A圖之電池的空隙之電位，其中該等表面係不同。第1G及1H圖表示以第1A圖之電池內的空隙大小為變數之位障(第1G圖)及每一表面積之電流(第1H圖)。

第2A及2B圖為根據本發明各種代表性實施例之電源裝置的圖解。

第3圖為用於測定以回應流經網目之噴流之目標網目與噴嘴間所產生的電流表示之電荷可轉移性的根據本發明某些代表性實施例之實驗設備之圖解。

第4圖表示在第3圖內所闡明之設備中所測定之各種材料的尖峰電流。

第5圖表示在各種氣體存在下，各種材料之凱耳文探針測定值。

第6圖為用於藉氣體分子之熱運動而產生電流之根據本發明某些實施例所使用的實驗設備之圖解，其中該等表面並未直接(或間接)接觸。

第7A-7C圖為在根據本發明某些實施例的進行之實驗期間，使用第6圖內所闡明之實驗設備所獲得之典型示波器輸出額。

第8圖為根據本發明之某些實施例，用於功函數修飾之實驗設備的圖解。

第9圖為根據本發明之某些實施例，用於作為隔片之幾種非導電材料之分析的實驗設備之圖解。

第10圖表示根據本發明某些實施例，使用第9圖內所闡明之實驗設備研究作為隔片之幾種材料的放電圖解。

第11圖為用於藉氣體分子之熱活動而產生電流之根據本發明某些實施例所使用之實驗設備的圖解，其中該等表面係經由表面的崎嶇不平或隔片而直接或間接接觸。

第12圖表示如在根據本發明某些實施例所進行之實驗期間使用第11圖內所闡明之實驗設備於幾種氣體壓力下所測定，以時間為變數之電流。其中之箭號表示氣體壓力的變化。

第13圖為表示如在根據本發明某些實施例所進行之實驗中所測定，用於在一特定裝置內獲得最大電流之底限壓力的圖解。該等壓力係以該氣體分子之直徑平方的倒數之變數表示。

第14圖表示如在根據本發明某些實施例所進行之實驗期間使用第11圖中所闡明之實驗設備於幾種溫度下所測定，以時間為變數之電流。

第15圖表示如在根據本發明某些實施例所進行之8次實驗操作中所測定，以時間為變數之電流。

第16圖表示如在根據本發明某些實施例所進行之實驗中，經過數分鐘(下橫座標)後通過單一對表面(連續線)或經過數小時(上橫座標)後通過一疊表面(虛線)所測定，經過一段時間後所蓄積之電壓。

第17圖表示如同時在根據本發明某些實施例所進行之實驗中所測定，以時間(橫座標)為變數之電流(左縱座標)的變化、及室溫度(右縱座標)之起伏。

第18圖表示以在根據本發明某些實施例所進行之8次實驗操作內所測定之隔片大小為變數，於底限壓力下之電流。

第19圖表示以如在隔片不存在或存在下，根據本發明某些實施例所進行之8次實驗操作中所測定之該等氣體分子的直徑平方之倒數為變數，獲得最大電流所需之底限壓力。

第20A-20D圖表示以如在根據本發明某些實施例所進行之實驗中所測定的外施電壓為變數之電流(第20A及20C圖)及功率(第20B及20D圖)。

第21圖表示以如在根據本發明某些實施例所進行之實驗中所測定之壓力為變數的電流。

10．．．裝置

12．．．表面

14．．．表面

16．．．氣體介質

18．．．氣體分子

20．．．貯熱器

22．．．熱能

24．．．負載

26．．．觸點

28．．．隔片

32．．．基板

34．．．基板

36．．．密封護罩、封裝

i．．．電流

d．．．空隙

Claims (70)

1. 一種用於將熱能直接轉化成電力的電池裝置，其包括：第一表面與第二表面，且在該等表面之間有一空隙；及位於該等表面間之具有呈熱運動之氣體分子的氣體介質；該第一表面在該氣體存在下具有一第一電荷可轉移性，使得該第一表面可將一電荷轉移至能與該第一表面交互作用之氣體分子，而該第二表面在該氣體存在下具有一第二電荷可轉移性，使得該第二表面可接收得自能與該第二表面交互作用之帶電荷之氣體分子的電荷，其中該第一電荷可轉移性不同於該第二電荷可轉移性；其中該空隙係小於或等於7微米。
2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該等表面間之電位差係在無外施電壓之情況下藉由該電荷轉移而產生。
3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一與第二表面彼此在50℃範圍內。
4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一與第二表面處於低於200℃之溫度下。
5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該等表面之一可將氣體分子充電，而另一表面可中和該等帶電荷之氣體分子。
6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該等表面皆可將氣 體分子充電，其中之一可以使氣體分子帶正電，而另一表面可以使氣體分子帶負電。
7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一表面在該氣體存在下具有正電荷可轉移性，且該第二表面在該氣體存在下具有負電荷可轉移性。
8. 一種用於產生電力之裝置，其包括：如申請專利範圍第1項之電池，其中，與第一電觸點電聯之第一表面；及與第二電觸點電聯之第二表面，其中該等電觸點可連接至一負載以提供可經由該負載自第一表面流至第二表面之負載電流。
9. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該等表面之至少一者是導電基板之表面。
10. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該等表面之至少一者是具有小於10^-9 S/m之導電率的基板表面。
11. 一種電源裝置，其包括多個如申請專利範圍第1-8項中任一項之電池裝置，其中至少一鄰接電池裝置對係藉導體而互連，藉此電流可經由該導體自該對之第一裝置的第二表面流至該對之第二裝置的第一表面。
12. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該等鄰接電池裝置對係以串聯及並聯排列，藉此該電源裝置之電流大於任何單一電池之電流，且藉此該電源裝置之電壓大於任一電池裝置之電壓。
13. 一種電源裝置，其包括： 第一導電電極及第二導電電極；在該等電極間之第一電池裝置堆疊及第二電池裝置堆疊，各電池裝置如申請專利範圍第1-8項中任一項；其中在各堆疊內，該堆疊之各鄰接電池裝置對係藉導體而互連，藉此經由該導體，電流可自該對之第一電池裝置的第二表面流至該對之第二電池裝置的第一表面；且其中該第一堆疊及第二堆疊可自該第一電極將電荷送至該第二電極。
14. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該導體為具有兩側之導電基板，其中一側可構成一電池裝置之表面，而反向側可構成一鄰接電池裝置之表面。
15. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該導體為經導電材料塗覆之基板以致可在基板之第一側與基板之第二側之間建立導電性。
16. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該等電池之表面可以以有序或無規方式彼此重疊，藉此單一基板之表面可由至少兩電池部份共享。
17. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其進一步包括用於防止該氣體介質洩漏之密封護罩。
18. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中該密封護罩內之壓力高於環境壓力。
19. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中該密封護罩內之壓力低於環境壓力。
20. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中該密封護罩內之壓力高於1.1大氣壓。
21. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中該密封護罩內之壓力高於2大氣壓。
22. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中該第一表面與第二表面係各藉由選自於由石墨烯基板與石墨基板所組成之群組的基板來支撐。
23. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該空隙小於5微米。
24. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該空隙小於3微米。
25. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該空隙小於1000奈米。
26. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該空隙小於100奈米。
27. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該空隙小於10奈米。
28. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該空隙小於5奈米。
29. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該空隙小於2奈米。
30. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該空隙小於10 λ，而λ為該等氣體分子在裝置之操作溫度及壓力下之特徵性的平均自由程。
31. 如申請專利範圍第30項之裝置，其中該空隙小於5 λ。
32. 如申請專利範圍第30項之裝置，其中該空隙小於2 λ。
33. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該第一與第二表面彼此在10℃範圍內。
34. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該第一與第二表面彼此在1℃範圍內。
35. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該第一與第二表面處於低於100℃之溫度下。
36. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該第一與第二表面處於低於50℃之溫度下。
37. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該第一與第二表面實質上具平滑性且藉隔片而隔開。
38. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該空隙係藉向該等表面中之至少一面向外突起的粗糙特徵而維持。
39. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該等表面之至少一者包含至少一選自以下所組成之群組的磁性或非磁性物質：金屬、半金屬、合金、本質或雜摻之無機或有機半導體、介電材料、層狀材料、本質或雜摻聚合物、導電聚合物、陶瓷、氧化物、金屬氧化物、鹽、冠狀醚、有機分子、第四銨化合物、陶金、及玻璃與矽酸鹽化合物。
40. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該等表面各獨立包括至少一選自以下所組成之群組的磁性或 非磁性物質：鋁、鎘、鉻、鈷、銅、釓、金、石墨、石墨烯、鉿、鐵、鉛、鎂、錳、鉬、鈀、鉑、鎳、銀、鉭、錫、鈦、鎢、鋅；銻、砷、鉍；氧化石墨、氧化矽、氧化鋁、二氧化錳、氧化鎳錳、二氧化鎢、三氧化鎢、氧化錫銦、氧化鈣、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化鍶、氧化銅鋇鈣釔；黃銅、青銅、杜拉鋁、銦鋼、鋼、不銹鋼；硫化鉬、硫化鈣；本質或雜摻矽晶圓、鍺、矽、砷化鎵鋁、硒化鎘、砷化錳鎵、碲化鋅、磷化銦、砷化鎵及聚乙炔；MACOR^® 、氮化鋁、氮化硼、氮化鈦、六硼化鑭；碳化鉿、碳化鈦、碳化鋯、碳化鎢；鈦酸鉬、氟化鈣、鈣鹽、稀土鹽、鋯鹽、錳鹽、鉛鹽、鈷鹽、鋅鹽；矽化鉻、Cr₃ Si-SiO₂ 、Cr₃ C₂ -Ni、TiN-Mo；玻璃及金雲母、苯胺黑、磺化環烷酸鈉、聚乙亞胺、馬拉加膠、OLOA 1200、卵磷脂、以本質及摻雜硝基纖維素為主之聚合物、以聚氯乙烯為主之聚合物、及丙烯酸樹脂。
41. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該等表面包括至少一獨立選自以下所組成之群組的物質：鋁、鉻、釓、金、鎂、鉬、不銹鋼、矽石、二氧化錳、氧化鎳錳、三氧化鎢、經還原之氧化石墨、石墨、石墨烯、矽化鉻矽石、氟化銫、HOPG、碳酸鈣、氯酸鎂、玻璃、金雲母、氮化鋁、氮化硼、玻璃陶瓷、雜摻硝基纖維素、經硼摻雜之矽晶圓、及經磷摻雜之矽晶圓。
42. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該第一 表面與第二表面係各藉由選自於由石墨烯基板與石墨基板所組成之群組的基板來支撐。
43. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該第一表面與第二表面各為經改質石墨或石墨烯基板。
44. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該第一表面與第二表面之一者為經改質石墨或石墨烯基板，而另一者為未經改質石墨或石墨烯基板。
45. 如申請專利範圍第17項中任一項之裝置，其中該第一表面與第二表面之一者為經改質石墨或石墨烯基板，而另一者為未經改質石墨或石墨烯基板。
46. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該第一表面包括至少一選自以下所組成之群組的物質：金、鎂、氟化銫、HOPG、碳酸鈣、鋁、鉻、釓、鉬、不銹鋼、矽石、金雲母、二氧化錳、氧化鎳錳、三氧化鎢、經還原之氧化石墨、石墨、石墨烯、矽化鉻矽石、經硼摻雜之矽晶圓、經磷摻雜之矽晶圓、及氮化硼。
47. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該第二表面包括至少一選自以下所組成之群組的物質：金、氯酸鎂、鋁、玻璃陶瓷、雜摻硝基纖維素、玻璃、矽石、氮化鋁、及經磷摻雜之矽晶圓。
48. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該氣體介質包括至少一選自以下所組成之群組的元素：鹵素、氮、硫、氧、含氫之氣體、惰性氣體、鹼性氣體及貴氣體。
49. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該氣體介質包括至少一選自以下所組成之群組的氣體：At₂ 、Br2、Cl₂ 、F₂ 、I₂ 、WF₆ 、PF₅ 、SeF₆ 、TeF₆ 、CF₄ 、AsF₅ 、BF₃ 、CH₃ F、C₅ F₈ 、C₄ F₈ 、C₃ F₈ 、C₃ F₆ O、C₃ F₆ 、GeF₄ 、C₂ F₆ 、CF₃ COCl、C₂ HF₅ 、SiF₄ 、H₂ FC-CF₃ 、CHF₃ 、CHF₃ 、Ar、He、Kr、Ne、Rn、Xe、N₂ 、NF₃ 、NH₃ 、NO、NO₂ 、N₂ O、SF₆ 、SF₄ 、SO₂ F₂ 、O₂ 、CO、CO₂ 、H₂ 、氘、i-C₄ H₁₀ 、CH₄ 、Cs、Li、Na、K、Cr、Rb及Yb。
50. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該氣體介質包括至少一選自以下所組成之群組的氣體：六氟化硫、氬、氦、氪、氖、氙、氮、甲烷、四氟化碳、八氟丙烷、水蒸汽及空氣。
51. 如申請專利範圍第1-8項中任一項之裝置，其中該氣體介質在裝置之操作期間並未被消耗。
52. 一種將熱能直接轉化成電力之方法，其包括：提供第一表面與第二表面，且該等表面之間有一空隙小於或等於7微米，該第一表面在氣體介質存在下具有一第一電荷可轉移性，且該第二表面在該氣體介質存在下具有一第二電荷可轉一性，而該第一電荷可轉移性不同於該第二電荷可轉移性；使該氣體介質之分子與該第一表面交互作用以將一電荷轉移至至少部份該等氣體分子；且使一部份該等帶電荷之氣體分子與該第二表面交互作用以自至少部份該等氣體分子將該電荷轉移至第 二表面，藉此在該等表面之間產生電位差。
53. 如申請專利範圍第52項之方法，其中該第一與第二表面彼此在50℃範圍內。
54. 如申請專利範圍第52項之方法，其中該第一與第二表面處於低於200℃之溫度下。
55. 如申請專利範圍第52項之方法，其中該等表面間之電位差係在無外施電壓之情況下藉由該電荷轉移而產生。
56. 如申請專利範圍第52項之方法，其中該等表面之一可將該等氣體分子充電且另一表面可中和該等帶電荷氣體分子。
57. 如申請專利範圍第56項之方法，其中該等表面皆可將氣體分子充電，其中之一可以使氣體分子帶正電，而另一表面可以使氣體分子帶負電。
58. 如申請專利範圍第52-57項中任一項之方法，其中該第一與第二表面實質上具平滑性且藉隔片而隔開。
59. 如申請專利範圍第52-57項中任一項之方法，其中該空隙係藉向該等表面中之至少一面向外突起的粗糙特徵而維持。
60. 如申請專利範圍第52-57項中任一項之方法，其中該第一表面與第二表面係各藉由選自於由石墨烯基板與石墨基板所組成之群組的基板來支撐。
61. 如申請專利範圍第52-57項中任一項之方法，其中該第一表面與該第二表面各為經改質石墨或石墨烯基板。
62. 如申請專利範圍第52-57項中任一項之方法，其中該第一表面與第二表面之一者為經改質石墨或石墨烯基板，而另一者為未經改質石墨或石墨烯基板。
63. 如申請專利範圍第52-57項中任一項之方法，其中該氣體介質在裝置操作期間並未被消耗。
64. 一種表面性質之改質方法，其包括：提供至少一具有第一表面與第二表面之電池裝置，其中該等表面間之空隙充滿具有電活性物種於其中之液體介質，該空隙小於50微米；在該第一與第二表面之間施加電壓以誘發該等電活性物種與該等表面之至少一者的電化學或電泳交互作用，藉此改質該交互作用表面之表面性質；且將至少一部份該液體排出以使該空隙減少至少50%。
65. 如申請專利範圍第64項之方法，其中該至少一電池裝置為多個電池裝置。
66. 如申請專利範圍第64項之方法，其中該排出步驟可以使該空隙減少至少90%。
67. 如申請專利範圍第64-66項中任一項之方法，其中在進行表面改質前，該第一與第二表面係由相同材料製成，且其中該等電活性物種經選用可致使在進行該電化學或電泳交互作用後，該第一表面之特徵性電荷可轉移性不同於該第二表面之特徵性電荷可轉移性。
68. 如申請專利範圍第67項之方法，其中該相同材料為石 墨烯。
69. 如申請專利範圍第67項之方法，其中該相同材料為石墨。
70. 如申請專利範圍第64-66項中任一項之方法，其中該等活性物質選自由鹽及染料所組成之群組。