CN103229358A - 用于光频整流器的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于接收入射辐射并将入射辐射转换为直流电流的方法和装置。该方法从选择具有终止末端的天线开始，该终止末端具有锐利边缘。采用衬底和第一涂层来层积天线。第一电极和金属/mCNT天线被层积在第一涂层上，然后附加等离激元层。形成缝隙，该缝隙在一侧由等离激元层的终止末端和第一涂层的终止末端划界，并且在另一侧由第二电极和第二涂层划界。第二电极被层积在第二涂层上，第二涂层被层积在衬底上。沿天线的长度感应一组交流电流。该方法然后计算所感应的交流电流是否足够大以产生用于场发射的电压。如果电压足够大，则发起正向偏置和反向偏置。由于这些隧穿势垒的非对称性，正的净直流电流被传送到外部电路。

Description

用于光频整流器的方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年1月4日提交的美国临时专利申请No.61/335，201的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用完全地并入本文。
公开图片
图1A。
技术领域
本发明涉及一种用于进行光频整流（optical frequency rectification）以便更加有效地采收从红外到可见光的辐射的技术。更具体地，本发明涉及一种基于天线末端的或诸如贴片天线上的其它成形边缘的几何非对称性的光频整流技术。
背景技术
在微波区域中的用于功率传输和检测的整流天线（rectenna）的使用具有很长的历史。应用已经包括：长距离功率集束、信号检测、以及无线控制***。用于微波功率的有效接收和整流的第一种接收装置开发于二十世纪六十年代早期。
点接触装置（即，触须型二极管）已经被用于上至可见光频谱的绿光部分的绝对频率的测量，该装置展示出飞秒数量级的响应时间，该响应时间比传统的MIM二极管快几个数量级大小。除了用于触须型天线的纳米线几何结构之外，贴片天线（例如，微带天线）的使用可以具有扩展的实心和空心的几何结构（例如，正方形、矩形、环形或其它形状），这在实际的装置中提供了更健壮的稳定性。
另外，贴片天线可以导致增强的天线性质和输出（参见K.R.Carver和J.W.Mink，IEEE Trans.Antennas and Prop，AP-29，1，2（1981））。此外，在爱达荷国家实验室，已经在柔性衬底上制备了这样的黄金天线阵列。平面结构将需要更简单的制备。近来，Gupta和Willis使用原子层沉积（ALD）克服了生产纳米缝隙结阵列的技术难点。使用传统的光刻技术，随后通过ALD生成约1nm的隧道结，在硅晶片上产生铜（Cu）-真空-铜隧道结的平面阵列。
最近，对使用银（Ag）、金（Au）以及铜（Cu）末端的经光学照射的MVM隧道结进行的三维量子力学计算机模拟，预测了由于在这些材料中在约3eV（对应于可见光频谱的高能量的绿光部分）处的表面等离激元（surface plasmonic resonance）谐振所引起的增强的整流和电流输出。将由诸如钨、钼或铝这些金属形成的薄层沉积在下层天线结构上将产生相同的结果。
不同于传统的平面MIM二极管，在所提出的装置中，整流处理可以仅仅（和/或主要地）由尖锐的纳米线/mCNT末端的几何非对称性引起。在微带天线或其它形式的贴片天线上所产生的刀片状边缘也可以提供整流处理所需要的固有的几何非对称性。
有效地采收频谱的光频部分中的能量的主要挑战之一是开发将从频谱中的红外（IR）至可见光部分（约1015Hz）（包括了太阳能频谱中的绝大部分）进行整流的宽波带装置。当前，硅基能量转换装置（光伏器件）是窄波带装置，其限制为对电磁频谱的较低能量部分的收集。
这种用于光频整流的技术具有如下应用，包括但不限于：光伏器件（光子能量到电能的转换）、将太阳能转换为电能（参见于2010年9月21日颁发给Paul H.Cutler的名为APPARATUS AND SYSTEM FOR ASINGLE ELEMENT SOLAR CELL的美国专利No.7,799,998（在下文中被称为Cutler）；该美国专利的全部内容通过引用并入本文）、热能或化学能的太阳能电池、纳米光子器件、近场光学器件、包括医学和化学传感器在内的IR传感和成像（参见Optical antennas for nano-photonicapplications，J.Alda，J.Rico-García，J.López-Alonso以及G.Boreman，Nanotechnology，vol.16，pp.S230-4，2005；和Optical Antennas，PalashBharadwaj，Brad Deutsch以及Lukas Novotny，Adv.Opt.Photon.1，438-483）。另外的应用是信息的光频传输和接收，以及能量转换。这是有意义的，因为以更高的频率所传输的信息的密度更大；实际上，密度根据频率的平方而变化。对于穿过大气的传输，损耗随着频率的增加而降低。
因此，对于采收而言，根本性的重要和关键的方面之一是实现到电磁频谱的可见光部分的光学整流的能力。采用当前的整流装置，最快的频率响应被限制在IR。本申请人已经开发了光学整流的新范例，并且理论上和实验上均证明了长期寻求的用于电磁频谱的可见光部分的实际整流装置的可行性。
现有技术尝试解决在上文中所提出的多个问题。例如，1984年4月24日颁发给Alvin M.Marks的名为DEVICE FOR CONVERSION OFLIGHT POWER TO ELECTRIC POWER的美国专利No.4,445,050（在下文中被称为Marks-1）提出了用于光功率到电功率的直接转换的装置。本发明与Marks-1的不同之处在于，Marks-1使用了用于吸收可见光子的多个偶极天线。可见光子的交流电场被用来引起偶极天线中的电子谐振并且吸收电功率。在导电汇流排（busbar）上蓄积来自多个天线和相关的整流电路的直流（DC）功率。
另外，1988年1月19日颁发给Marks的名为FEMTO DIODE ANDAPPLICATIONS的美国专利No.4,720,642（在下文中被称为Marks-2）公开了由一端附接至MIM二极管的亚微米尺寸的偶极天线所构成的飞秒整流装置。Marks-2装置是传统的平面MIM二极管，其依赖于材料的选择而不依赖于几何结构。重要的是要注意在Marks-2的MIM整流装置中，装置的响应时间将受材料的选择所限制，并且不延伸超过IR。
此外，1986年3月4日颁发给Marks的名为ORDERED DIPOLARLIGHT-ELCETRIC POWER CONVERTER的美国专利No.4,574,161（在下文中被称为Marks-3）教导了包括具有嵌入其中的光吸收电传导粒子的薄板的光功率到电功率转换器。所述粒子可以是金属的，或可以是导电分子（诸如共轭碳链）。Marks-3的电极是原位形成的，并且包括还原为金属且形成预定图案的盐。
现有技术未意识到，当前的硅基能量转换装置（光伏器件）是窄波带装置，其将收集和转换限制到频谱的较低能量部分。通常，传统的整流天线由两个不同的元件构成：偶极天线和单独的整流装置（诸如MIM或Schottky二极管）。因此，对于采收而言，根本性的重要和关键的方面是实现到太阳频谱的可见光部分的光学整流的能力。采用当前的整流装置，最快的频率响应被限制在IR。
另外，现有技术的另一缺陷是传统的平面MIM二极管的受限频率响应（受寄生电容效应限制）的问题。
Cutler可以在很大程度上解决接收入射辐射和将入射辐射转换为DC电流所需要的效率。本发明通过基于天线末端或诸如贴片天线上的其它成形边缘的几何非对称性，来解决针对用于光伏器件和其它应用的改进的光学整流技术的需求，扩展了Cutler的成功。此外，存在以下需求：使用点接触纳米线/mCNT和诸如贴片天线等其它锐利边缘装置以及其固有的快速响应时间，以克服传统的平面MIM二极管的受限频率响应的问题。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种用于将从包括红外（IR）到可见光频谱的范围的辐射转换为DC电流的有效和新颖的设备。
本发明的另一方面是提供一种由纳米线、或其它适当地成形的天线或金属碳纳米管（mCNT）制成的单元件整流天线（即，在微波区域中最初使用的整流二极管和天线的组合）。
本发明的另一方面是提供一种同时用作接收天线和点接触（或锐利边缘）整流装置两者的整流天线。
本发明涉及一种用于接收入射辐射并将入射辐射转换为DC电流的方法和设备。更具体地，本发明涉及一种基于天线末端或诸如贴片天线上的其它成形边缘的几何非对称性的光频整流技术。该方法从选择具有终止末端的天线开始。该末端具有锐利边缘，并且该天线能够接收入射辐射。整流天线由具有以末端或锐利边缘结构终止的一个边缘的接收天线（例如，贴片天线或纳米线或mCNT）构成，所述一个边缘为几何上非对称的隧道结的一部分。
根据本发明的实施例，提供一种用于接收入射辐射并将入射辐射转换为DC电流的方法和设备。该方法包括从选择用于具有终止末端的天线的适当实施方式开始的多个步骤。该末端具有锐利边缘，并且该天线能够接收入射辐射。可以层积天线以便产生适当的实施方式。
层积包括：选择衬底，以及首先将第一涂层层积在衬底上，使得第一涂层从衬底的近端边缘沿衬底的长度延伸到中途。第一电极被层积在第一涂层上，以便从第一涂层的近端边缘沿第一涂层的长度延伸到中途。然后，金属天线被层积在第一涂层上，以便从第一电极的远端边缘沿第一涂层延伸，并延伸超过第一涂层的远端边缘。从包括钨、钼、镍、金、铝、铜以及银的组中选择用于天线的金属。
然后，由金、铜、银或具有期望性质的其它适当材料组成的等离激元层（plasmonic layer）被附加在金属天线的顶部，使得等离激元层从第一电极的远端边缘沿金属天线延伸，并延伸超过金属天线的远端边缘，并且在远端端部处向下延伸以便覆盖金属天线。形成缝隙，该缝隙一方面由等离激元层的终止端部和第一涂层的终止端部划界，另一方面由第二电极和第二涂层划界。第二电极被层积在第二涂层上，而第二涂层被层积在衬底上。
沿天线的长度感应一组交流（AC）电流。然后该方法需要计算所产生的横跨缝隙的感应AC电压是否足够大以用于场发射。如果电压足够大，则基于在天线末端处的几何非对称性发起正向偏置和反向偏置。然后正向净DC电流被引导到外部电路。
根据结合附图阅读的以下说明，本发明的以上和其它方面、特征以及优点将变得明显，在附图中类似的参考数字指示相同的元件。
附图说明
图1A是被配置为提供隧道结的非对称性的整流天线的透视图，其中示出了点接触纳米线/mCNT结（或在图1B中更明确可见的锐利边缘贴片天线）和入射辐射。
图1B是被配置为提供隧道结的非对称性的整流天线的透视图，其中示出了锐利边缘贴片天线结和入射辐射。
图2A是本发明的方法的流程图，其中，EM辐射入射在天线上。
图2B是图2A的流程图的继续。
图2C示出了在正向偏置下的本发明的示例性实施例的隧道结的表示。
图2D示出了在反向偏置下的本发明的示例性实施例的隧道结的表示。
图2E示出了本发明的示例性实施例的点接触结，包括电场线。
图3是使用贴片天线的图1的整流天线的电极和集电极组件的框图。
图4是使用贴片天线的图1的整流天线的电极至电极流的框图。
图5是天线末端的侧视图，示出了使用贴片天线的本发明的层积衬底。
图6是当入射波长与点接触结相遇时入射波长的影响的图，其中仅示出一个纳米线/mCNT以便简化视图。
图7是通过使用整流技术在天线的末端进行光能量转换的变型电路图。
图8是在使用本发明的天线处所捕获的入射辐射的变型关系图，示出了多个纳米线/mCNT以及外部负载。
图9是示出天线末端样本距离与在末端生成的整流之后的电流之间的关系的点散图（point dispersion graph）。
图10是末端半径对整流比的影响的图。
具体实施方式
现在将详细地参照附图中所示的本发明的几个实施例。只要可能，在附图和说明书中使用相同或类似的数字来指示相同或类似的部分或步骤。附图具有简化的形式，而不是按照精确的比例。仅出于方便和清楚的目的，可以关于附图使用诸如顶部、底部、上、下、之上、以上以及以下等方向术语。这些术语和类似的方向术语不应当被理解为以任何方式限制本发明的范围。词语“连接”、“耦接”、以及采用其变形语素的类似术语不必然指示直接的和紧邻的连接，而是还可以包括通过中间元件或装置的连接。
首先转向图1A和图1B，其中示出了能够支持本发明的天线。在本发明中，单个元件用作接收天线和整流装置两者，该整流装置已经被证明具有到电磁频谱的可见光部分中的一部分的响应时间。在图1A中，该点接触状装置由平面衬底上的纳米线/mCNT构成（参见图6和图8）。本发明使用由这些点接触状装置组成的尺寸与波长相关的垂直阵列。在所提出的点接触装置中，纳米线或mCNT利用集电极形成MVM或MIM结势垒（junction barrier）。通过隧穿效应发生穿过势垒的电荷输运。在图1B中，整流天线是具有整流隧道结的锐利边缘贴片天线。
关于图1A和图1B，整流天线装置140具有多个纳米线/mCNT190。外部负载196连接到整流天线140以便使用和/或存储整流之后的DC电流。
随着来自入射辐射180的光子到达纳米线/mCNT190，纳米线/mCNT190吸收光子。在红外和光学区域中，点接触纳米线/mCNT190的长度比入射辐射180大几个波长（大约大1-10个波长的数量级），当纳米线/mCNT190等于适当的长度（诸如入射辐射的波长的1/4）时，纳米线/mCNT190将用作有效的天线。
二极管天线长度、电导率、光学反射率以及负载阻抗的适当选择可以用来改进高频二极管的接收性质，并且可以用来优化功率吸收，从而优化电流发射的强度，或对应地优化整流天线140中的输出功率。
由纳米线/mCNT190吸收的能量使电荷载流子移动到纳米线/mCNT190的锐利边缘，并且此电荷在纳米线/mCNT190中产生AC电压。点接触结188的几何非对称性引起对通过隧道结的AC电流的整流。当对电流进行整流之后，集电极198的透明导电层收集整流之后的DC电流。DC电流从集电极198耦接至外部负载196，以使用和/或存储可使用的能量。以这样的方式，金属纳米线/mCNT190用作接收天线以吸收辐射，从而在纳米线/mCNT190生成交流电压，该交流电压然后在点接触结188中被整流以产生DC电压。
图2A是本发明的方法的流程图，其中EM辐射入射在天线上。
方法流程从步骤200开始，在步骤200中发起可见辐射的整流。方法流程从步骤200前进至步骤202，在步骤202中入射辐射被导向整流天线。整流天线由接收天线（例如，由其三个主要维度表征的贴片天线）组成，所述接收天线的一个边缘以末端或锐利边缘结构终止，所述末端或锐利边缘结构为用于由天线所收集的辐射的几何上非对称的金属真空/金属结（具有缝隙距离s）的一部分。
在步骤S204中，选择适当的实施方式（具体形式），诸如具有锐利边缘涂层（诸如金刚石、BN、GaN、AlN、AlGaN以及Cs）的整流天线，贴片天线或触须型天线。所述涂层减少了正向隧穿势垒的大小，从而允许增强的电子发射。除了由触须型天线所使用的纳米线几何结构之外，其它实施例使用贴片天线，该贴片天线在IR及更高的频率中工作，并且可以具有扩展的实心和空心几何结构（例如，正方形、矩形、任何n边形结构或其它结构）。这些整流天线装置提供了更健壮的稳定性。
此外，贴片天线导致增强的可操作天线性质和输出。在爱达荷国家实验室中，在柔性衬底上制备了这样的由黄金制成的天线阵列。近来，通过使用原子层沉积（ALD）克服了生产纳米缝隙结阵列的技术难点。使用传统的光刻技术，随后通过ALD产生约1nm的隧道结，来在硅晶片上生产铜-真空-铜隧道结的平面阵列（参见R.Gupta和B.G.Willis，Appl.Phys.Lett.90，253102（2007））。
方法流程从步骤S204前进至步骤206，在步骤206中，在前进至步骤208的查询之前确定天线。
在步骤S208中，所述流程关于辐射频谱是否窄进行查询。如果对查询的回答为“是”，则方法流程前进至步骤212，在步骤212中，将几何参数与谐振匹配以确定峰值波长。方法流程从步骤212前进至步骤S214。但是，如果在步骤208中对查询的回答为“否”，则流程前进至步骤210，在步骤210中，在流程前进至步骤214之前，几何参数是基于能量吸收和能量密度的。
在步骤214中，缝隙足够小以对入射辐射所呈现的频谱中的最高频率进行响应。缝隙距离被设计为使得隧穿时间足以让电子在场反向之前穿越势垒。纳米线/mCNT190和其它锐利边缘的几何结构装置具有固有的快速响应时间（达到飞秒）。整流天线装置使用由这些整流天线组成的尺寸与波长相关的阵列。在整流天线装置中，纳米线/mCNT190或其它实施例利用集电极形成点接触或锐利边缘的MVM或MIM结势垒。通过隧穿效应电荷穿过势垒。通过使用这些面积减小的点接触纳米线/mCNT或锐利边缘装置，可以克服由于寄生电容效应所引起的传统平面MIM二极管的受限频率响应的问题。
方法流程从步骤214前进至步骤216，在步骤216中，沿天线的长度感应出AC电流。所述流程然后沿路径A前进，在步骤218再次进入方法流程，如图2B中所示。
转向图2B，示出了图2A的流程图的继续，在图2B中路径A前进至步骤218。在步骤218，AC电流在几何上非对称的隧道结的顶部或边缘产生震荡电荷，在步骤220，由于末端或边缘的紧缩几何结构，震荡电荷引起增强的场。在步骤222，隧道结中的震荡电荷感应出横跨缝隙的AC电压。
方法流程从步骤222前进至步骤224的查询，该查询询问所感应出的场是否足够大以用于场发射。如果对查询的回答为“否”，则在沿路径B移动以便如图2A所示在步骤204再次进入方法流程之前，在步骤226改变实施方式。但是，如果在步骤224对查询的回答为“是”，则流程前进至步骤228，在步骤228中，由于几何非对称性，关于正向偏置的势垒与关于反向偏置的势垒之间存在差别，该差别导致了整流。
在根据偏置是正向的还是反向的而从步骤230前进至步骤232或步骤234之前，方法流程在步骤230采用“偏置参考”。可以通过参看图2C、2B以及2D（在下文中将进一步讨论）来查看步骤230中的偏置参考。
在步骤232中，正向偏置导致在相对于对应电极的末端或边缘突出处的电场增强，该电场增强导致与均匀场情况相比的凹势垒。在步骤234中，反向偏置导致在末端处的几何上要求的场降低，该场降低进一步导致与均匀场情况相比的凸势垒。
平面几何结构的整流比（rectification ratio）为1。在步骤232中正向偏置导致凹势垒，而在步骤234中势垒是凸的，这导致正向和反向隧穿电流的非对称性，因此整流比大于1。当然，可以通过温度或材料非对称性以及其它几何因子来增强整流处理。
方法流程从步骤232和步骤234前进至步骤236，在步骤236中正向电流超过反向电流，从而使净DC电流和功率被传送到外部电路。方法流程然后在步骤238终止。
纳米线/mCNT点接触二极管140中的整流由二极管结构的几何非对称性以及异种材料的使用引起。在图2C和图2D中示出了此几何非对称性，其中，对于所施加的电偏置，在正向和反向方向上的电流不相等（即使对于相同金属），因为几何上感应的非对称隧穿势垒导致了非对称的正向和反向隧穿电流。如在图2C和图2D中所示，对于正向偏置，在边缘34和基部30之间，凹势垒32与反向偏置的凸势垒36不对称。通过提供边缘34和基部30的材料非对称性，以及通过改变结的其它物理参数（诸如边缘半径和边缘-基部（阳极）间隔），可以进一步增强此整流。通过测量STM的I-V特性可以实验上确认以上结果，STM只是对结中的真空间隔进行原子尺度控制的点接触二极管。
图2E示出了点接触结，所述点接触结具有位于纳米线/mCNT40（具有锐利边缘42）与金属电极46之间的薄绝缘/真空层48。虚线44表示点接触结中的电场。此结构允许入射辐射感应的表面电流以小的衰减沿纳米线/mCNT140的长度传播。由所吸收的太阳辐射所感应的表面电荷在边缘42处积累。此电荷分布在边缘42与金属电极层46（即，阳极或透明导电层）之间产生AC偏置电压。
转向图3，其中示出了天线56的电极和集电极组件的框图。此点接触状装置由平面衬底上的贴片天线或水平定向的纳米线/mCNT构成。本发明使用这些点接触状装置的尺寸与波长相关的贴片天线形式或水平定向的纳米线/mCNT。在所提出的点接触装置中，贴片天线或纳米线或mCNT根据集电极60形成MVM或MIM结势垒。在具有62所示的结距离的整流隧道结58处通过隧穿效应发生穿过势垒的电荷输运。
天线组56由电极50所固定，并且沉积在衬底Si52上的SiO254上，，并具有预先确定的辐射波长64。天线56的宽度66在大约50-300nm的范围中，而在衬底上的SiO254具有大约20-100nm的宽度。
图4是图3的天线56的电极至电极流的框图。电极82层积在衬底80上，并且接合涂覆有等离激元层的金属天线84。通过势垒的电荷输运被导向集电极88。
在图3和图4的透视图的变型中，图5是天线末端的侧视图，示出了本发明的层积衬底。电极188层积在衬底100的SiO2涂层106上，并且邻接涂覆有等离激元层110的金属天线114。结缝隙112位于等离激元层110与集电极104之间。穿过势垒的电荷输运被导向位于衬底100的SiO2涂层102的顶部的集电极104。
接下来转向图6，其中示出了接收穿过透明覆盖层128的入射辐射130的高频整流装置。透明覆盖层128位于至少一个基于纳米线/mCNT的高频二极管140之上。基于纳米线/mCNT的高频二极管140包括支撑在金属电极基部122上的纳米线/mCNT整流天线132（代替平面MIM或MVM二极管装置），该金属电极基部122被层积为与衬底120相接触。
纳米线/mCNT在一侧与金属电极126非常接近（大约1-10纳米的数量级）以形成整流接触134。金属电极层126包括透明导电层，该透明传导电层可以由氧化铟锡或任何合适的透明导体组成。薄绝缘层124位于金属电极层126与纳米线/mCNT132之间，并且可以由任何适当的电绝缘层（包括真空层）组成。在接触区域134处的纳米线/mCNT132的端部是纳米线/mCNT132的锐利边缘，并且与绝缘层124一起形成点接触结134。
在另一示例性的实施例中，锐利边缘可以是针状末端。在又一示例性实施例中，锐利边缘可以是刀片状边缘。并且，在另一示例性实施例中，锐利边缘可以是环形，诸如圆柱体的上边缘。整流天线的锐利边缘可以涂覆有诸如金刚石、BN、GaN、AlN、AlGaN以及Cs等材料。这些涂层减小了正向隧穿势垒的大小，从而允许增强的电子发射。
相邻的纳米线/mCNT132之间的距离可以是入射波长的宽度的大约2或3倍的数量级，对于实际应用大约为300-2000纳米；但是，认为间隔距离应当不超过几百纳米的数量级，以确保可行的收集效率。
接下来转向图7，其中示出了通过使用整流技术在天线154的末端处进行的光能量转换的变型的电路图。通过使末端与衬底150之间的接触区域152尽可能的小（大约50-200nm2的数量级），并且对于边缘使用诸如但不限于钨、钼、镍、金或银等的低电阻率金属，来获得具有在光学区域（对应于大约100–1000THz的数量级的频率）中的响应时间的点接触二极管整流器。在纳米线/mCNT点接触二极管140中的整流可以起因于二极管结构的几何非对称性以及不同的材料的使用。
Nguyen等人研究了针对金属触须型二极管的入射辐射的整流。Nguyen等人的实验具有重大意义，因为他们从经IR照射的末端获得了整流之后的DC电流。下面所描述的此实验构成了第一原理证明。
1989年的此实验（参见图7）确定了当采用IR辐射6进行照射时穿过STM MVM结势垒的有效隧穿时间或穿越时间。在实验中，对于λ激光=1.06μm，根据末端-集电极间隔测量到大约1nA的整流之后的DC电流。实验结果证明了关于适当的隧道缝隙间隔d的IR频率整流。如果假定平均隧穿速度为费米速度（Fermi velocity）（vf），则v截止=vf/d。此分析预测了1nm的缝隙能够整流接近UV6的辐射。
采样保持栅160位于反馈电路与STM结之间，反馈电路由控制末端与样本之间的距离的164和166构成。隧穿电流还可以由计算机通过12位模拟到数字转换器（ADC）158来自动地记录。在两阶段处理中进行测量。在初始或采样阶段，在天线154与衬底150之间所施加的偏置和反馈电路中的参考电流被用于设定末端与样本之间的间隔s。162是电路结。
在图7中，缝隙距离被设计为使得隧穿时间足以使电子在场反向之前穿越势垒。纳米线/mCNT190和其它锐利边缘几何结构装置具有固有的快速响应时间（达到飞秒）。沿天线的长度感应出AC电流166，并且在AC电流穿越栅156之后在几何上非对称的隧道结的顶部或边缘产生震荡电荷。在隧道结中的震荡电荷感应出横跨缝隙的AC电压。由于几何非对称性，在关于正向偏置的势垒和关于反向偏置的势垒之间存在差别，该差别导致了整流。
接下来转向图8，其中示出了本发明的整流天线装置140具有多个纳米线/mCNT190。另外，图8还示出了连接到整流天线140以便使用和/或存储整流之后的DC电流的外部负载196。所述多个纳米线/mCNT可以由多个贴片天线所代替。
在图6和图8中，随着来自入射辐射130的光子到达纳米线/mCNT132，纳米线/mCNT132吸收光子。在红外和光学区域中，当纳米线/mCNT等于适当的长度（诸如入射辐射的波长的1/4）时，纳米线/mCNT132将用作有效的天线，其中在红外和光学区域中点接触纳米线/mCNT132的长度比入射辐射130大几个波长（大约大1-10个波长的数量级）。
二极管天线长度、电导率、光学反射率以及负载阻抗的适当选择可以被用来改进高频二极管的接收性质，并且可以被用来优化功率吸收，从而优化电流发射的强度，或对应地优化整流天线140中的输出功率。在示例性实施例中，纳米线190的长度是入射辐射180的波长的1/4。
由纳米线/mCNT190所吸收的能量使电荷载流子移动到纳米线/mCNT190的锐利边缘，并且此电荷在纳米线/mCNT190中产生AC电压。如以下所解释的，点接触结134的几何非对称性导致对穿过隧道结134的AC电流的整流。当电流已被整流，透明导电层184收集整流之后的DC电流。DC电流从此透明导电层184（或阳极）耦接至外部负载196，以使用和/或存储可使用的能量。以这样的方式，金属纳米线/mCNT用作接收天线以吸收辐射，从而在纳米线/mCNT中生成交流电压，该交流电压然后在点接触结188中被整流以在透明导电层上产生DC电压。
已经显示，基于隧穿二极管的金属触须型天线具有极高的频率响应（参见Hung Quang Nguyen，Experimental and Theoretical Studies ofTunneling Phenomena Using Scanning Tunneling Microscopy andSpectroscopy,Ph.D.Thesis，该文献可以从Bell and Howell Informationand Learning获得）（1989）（在下文中被称为Nguyen）。与标准的平面MIM二极管的较低的频率响应相比，此高频响应被认为是更好的。因此，这些类型适合于用于本发明的高频光学整流装置。
不同于标准的整流天线，整流处理可以唯一地或主要由锐利的CNT/纳米线边缘的几何非对称性引起。如同A.Mayer,M.S.Chung,B.L.Weiss,N.M.Miskovsky以及Paul H.Culter在Three-DimensionalAnalysis of the Geometrical Rectifying Properties of Metal-Vacuum-MetalJunctions and Extension for Energy Conversion,Phys.Rev.B.77,085411（2008年2月8日）（在下文中，被称为Mayer等人，其通过引用并入本文）中所讨论的，还可以通过材料和温度非对称性来增强整流处理。
基于纳米线/mCNT的整流天线140的效率因子是通过最小化寄生电容而从纳米线/mCNT190产生感应电流的能力。这可以通过点接触结134而实现，该点接触结134导致通过隧道结134的AC电流的整流。当纳米线/mCNT190接触区域非常小（大约50-200nm2的数量级）时，光频区域中的频率响应相对于平面MIM二极管提高了两个数量级大小，使得该装置可以将所吸收的来自入射辐射180的电磁波转换为DC电流。
在Krzysztof Kempa,Jakub Rybczynski,Zhongping Huang,KeithGregorczyk,Andy Vidan,Brian Kimball,Joel Carlson,Glynda Benham,Yang Wang,Andrzej Herczynski以及Zhifeng Ren的文章CarbonNanotubes as Optical Antennae,Adv.Mater.19,421-426（2007）中，示出了具有大约1-20纳米的数量级的半径、并且具有大约1-10微米的数量级的长度的多壁CNT具有光学天线的性质。
在Mayer等人中，预测了类似尺寸的纳米线在光学区域中展现出天线和整流器性质。
图9是示出天线末端与样本之间的距离与在末端所生成的整流之后的电流之间的关系的点散图。此图证明了针对不同末端阳极间隔的整流实验结果，并且确定了限制频率响应（参见Nguyen）。
图10是末端半径对整流比的影响的图（参见Nguyen）。对于2nm的间隔和如下的ρ进行了计算：（a）ρ=∞，即平面-平面结，其被包括以做为参考（实线）；（b）ρ=10nm（点线）；（c）ρ=2nm（虚线）；（d）ρ=1nm（点划线）；（e）ρ=0.5（双点划线）。
然后转向图11，其中示出了点接触纳米线/CNT（m）整流装置和入射辐射的示意图；图12是点接触或锐利边缘贴片天线199整流装置和入射辐射的示意图。
关于图11和图12，整流天线装置140具有多个纳米线/mCNT190。外部负载196连接到整流天线140以便使用和/或存储整流之后的DC电流。
随着来自入射辐射180的光子到达纳米线/mCNT190，纳米线/mCNT190吸收光子。在点接触纳米线/mCNT190的长度比入射辐射180大几个波长（大约大1-10个波长的数量级）的红外和光学区域中，当纳米线/mCNT190等于适当的长度（诸如入射辐射的波长的1/4）时，纳米线/mCNT190将用作有效的天线。
二极管天线的长度、电导率、光学反射率以及负载阻抗的适当选择可以被用来改进高频二极管的接收性质，并且可以被用来优化功率吸收，从而优化电流发射的强度，或对应地优化整流天线140中的输出功率。
由纳米线/mCNT190所吸收的能量使电荷载流子移动到纳米线/mCNT190的锐利边缘，并且此电荷在纳米线/mCNT190中产生AC电压。点接触结188的几何非对称性引起通过隧道结的AC电流的整流。当电流已被整流，集电极198的透明导电层收集整流之后的DC电流。DC电流从集电极198耦接至外部负载196，以使用和/或存储可使用的能量。以这样的方式，金属纳米线/mCNT190用作接收天线以吸收辐射，从而在纳米线/mCNT190中生成交流电压，该交流电压然后在点接触结188中被整流以产生DC电压。
在权利要求中，装置或步骤加功能项旨在涵盖在本文中所描述的或所提出的执行所叙述的功能的结构，并且不仅涵盖结构上的等同内容而且还涵盖等同结构。因此，例如，尽管钉子、螺丝以及螺栓可能不是结构上的等同内容，因为钉子依赖于木制部分与圆柱体表面之间的摩擦，螺丝的螺旋表面主动地啮合木制部分，而螺栓的头部和螺母压紧木制部分的相对侧；但是在紧固木制部分的环境下，钉子、螺丝以及螺栓可以容易地被本领域内技术人员理解为等同的结构。
已经参照附图描述了本发明的至少一个优选实施例，可以理解本发明不限于这些精确的实施例，并且可以由本领域内技术人员有效地实施其中的各种改变、变形和适应性修改，而不背离所附的权利要求中所限定的本发明的范围或精神。

Claims (29)

1.一种用于接收入射辐射并将所述入射辐射转换为直流电流的方法，所述方法包括以下步骤：
（a）选择具有终止末端的天线的适当实施方式，所述末端具有锐利边缘，并且所述天线能够接收所述入射辐射；
（b）确定所述入射辐射的辐射频谱；
（c）对应于所述辐射频谱是窄还是宽，建立一组用于所述末端的几何和材料参数；
（d）确定缝隙距离，所述缝隙距离足够小以对所述频谱中的最高频率进行响应；
（e）沿所述天线的长度感应一组交流电流；
（f）计算所述感应的交流电压是否足够大以用于场发射；
（g）基于所述末端的几何非对称性发起正向偏置和反向偏置；以及
（h）将正的净直流电流传送到外部电路。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述天线是贴片天线。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述天线是触须型天线。
4.一种用于接收入射辐射并将所述入射辐射转换为直流电流的设备，所述设备进一步包括：
（a）衬底；
（b）第一涂层，所述第一涂层层积在所述衬底上，并且从所述衬底的近端边缘沿所述衬底的长度延伸到中途；
（c）第一电极，所述第一电极层积在所述第一涂层上，并且从所述涂层的近端边缘沿所述涂层的长度延伸到中途；
（d）金属天线，所述金属天线层积在所述第一涂层上，并且从所述电极的远端边缘沿所述第一涂层延伸，并延伸超过所述第一涂层的远端边缘；
（e）等离激元层，所述等离激元层层积在所述金属天线上，并且从所述电极的远端边缘沿所述金属天线延伸，并延伸超过所述金属天线的远端边缘，并且在所述远端端部处向下延伸以便覆盖所述金属天线；以及
（f）缝隙，所述缝隙由所述等离激元层的终止端部和所述涂层的终止端部形成，所述缝隙使第二电极与第二涂层偏移，其中，所述第二电极层积在所述第二涂层上，并且所述第二涂层层积在所述衬底上。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述衬底是硅。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第一涂层是二氧化硅。
7.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第二涂层是二氧化硅。
8.根据权利要求4所述的设备，其中，所述金属天线还包括至少一个点接触二极管，所述至少一个点接触二极管进一步包括：
（a）导体；
（b）纳米线，所述纳米线提供了接收天线功能和整流功能，所述纳米线进一步包括：
（i）锐利边缘，所述纳米线呈锥形并且在所述锐利边缘处最窄；
（ii）薄绝缘层，位于透明导体与所述纳米线之间；以及
（iii）点接触结，所述锐利边缘与所述薄绝缘层在所述点接触结处相接触。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述锐利边缘是点。
10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述锐利边缘是线。
11.根据权利要求8所述的设备，其中，所述锐利边缘是环形。
12.根据权利要求8所述的设备，其中，所述点接触结进一步包括大约50nm2至200nm2数量级的小的接触区域。
13.根据权利要求4所述的设备，其中，所述纳米线由具有高辐射吸收的金属制成。
14.根据权利要求4所述的设备，其中，所述纳米线由具有低辐射反射率的金属制成。
15.根据权利要求4所述的设备，其中，所述纳米线由具有高导电率的金属制成。
16.根据权利要求4所述的设备，其中，所述纳米线由具有低电阻率的金属制成。
17.根据权利要求4所述的设备，其中，所述金属从包括以下材料的组中选择：
（a）钨；
（b）钼；
（c）镍；
（d）金；
（e）银；以及
（f）铜。
18.根据权利要求4所述的设备，其中，所述纳米线的长度为所述入射辐射的波长的大约1/4。
19.根据权利要求4所述的设备，其中，所述纳米线的长度为所述入射辐射的波长的大约1至10倍。
20.根据权利要求4所述的设备，其中，所述纳米线以大约所述入射辐射的波长的数量级的距离与相邻的纳米线分离。
21.根据权利要求4所述的设备，其中，所述纳米线以大约所述入射辐射的波长的两倍的数量级的距离与相邻的纳米线分离。
22.根据权利要求4所述的设备，其中，所述纳米线以大约所述入射辐射的波长的三倍的数量级的距离与相邻的纳米线分离。
23.根据权利要求4所述的设备，其中，所述薄绝缘层为真空。
24.根据权利要求4所述的设备，进一步包括：用于接收和存储所述直流电流的外部负载。
25.根据权利要求4所述的设备，其中，所述至少一个点接触二极管包括多个点接触二极管，所述多个点接触二极管中的每个具有提供接收天线功能和整流功能的纳米线，所述纳米线中的每个包括锐利边缘，并且其中，所述纳米线中的每个呈锥形并且在所述锐利边缘处最窄。
26.一种用于接收入射辐射并将所述入射辐射转换为直流电流的方法，所述方法包括以下步骤：
（a）选择具有终止末端的天线的适当实施例，所述末端具有锐利边缘，并且所述天线能够接收所述入射辐射；
（b）层积所述天线以便产生所述实施例；
（c）选择衬底；
（d）首先，将第一涂层层积在所述衬底上，使得所述第一涂层从所述衬底的近端边缘沿所述衬底的长度延伸到中途；
（c）其次，将第一电极层积在所述第一涂层上，使得所述第一电极从所述第一涂层的近端边缘沿所述第一涂层的长度延伸到中途；
（d）第三，将金属天线层积在所述第一涂层上，使得所述金属天线从所述第一电极的远端边缘沿所述第一涂层延伸，并延伸超过所述第一涂层的远端边缘；
（e）第四，将等离激元层层积在所述金属天线上，使得所述等离激元层从所述第一电极的远端边缘沿所述金属天线延伸，并延伸超过所述金属天线的远端边缘，并且在所述远端端部处向下延伸以便覆盖所述金属天线；以及
（f）形成由所述等离激元层的终止端部和所述第一涂层的终止端部划界而形成的缝隙，所述缝隙使第二电极与第二涂层偏移，其中，所述第二电极层积在所述第二涂层上，并且所述第二涂层层积在所述衬底上。
（g）沿所述天线的长度感应一组交流电流；
（h）计算所述所感应的交流电流是否产生了足够大以用于场发射的电压；
（i）基于所述末端的几何非对称性发起正向偏置和反向偏置；以及
（j）将正的净直流电流传送到外部电路。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述天线是贴片天线。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述天线是触须型天线。
29.根据权利要求26所述的方法，所述金属从包括以下材料的组中选择：
（a）钨；
（b）钼；
（c）镍；
（d）金；
（e）银；以及
（f）铜。
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