EA029915B1 - Converter of ambient thermal energy to electric power - Google Patents

Abstract

The claimed invention relates to converters of ambient thermal energy to electric power and it is intended for use as an independent source of electric power. The claimed converter of ambient thermal energy to electric power contains at least one basic multilayered solid-state different-sized structure, including B layer, contacting from one side with A1 layer through C layer, and from another side - with A2 layer through D layer. A1 layer is made from a conductive material, the thickness of which is greater than the value of the de Broglie wave-length, and the Fermi level is located in the conduction zone. B layer is made from a conductive material in the form of donor doped semiconductor or semimetal, the thickness of which has to be less than the value of the de Broglie wave-length, and the Fermi level is located in the conduction zone. C layer presents a nanofilm made from a conductive material or a dielectric, the thickness of which and material composition allow to organize the tunneling of electrons from A1 layer to B layer and back from B layer to A1 layer, and to provide with possible significant domination of the tunneling current over the current of overbarrier electron transfer. A2 layer is made from a conductive material, the thickness of which is greater than the value of the de Broglie wave-length. C layer presents a nanofilm made from a conductive material or a dielectric, the thickness of which and material composition allow to organize the overbarrier electron transfer from A2 layer to B layer and back from B layer to A2 layer, and to provide with possible significant domination of the current of overbarrier electron transfer over the tunneling current.

Description

изобретение относится к преобразователям тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию и предназначено для использования в качестве автономного источника электрической энергии. Заявляемый преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию содержит по меньшей мере одну базовую многослойную твердотельную разноразмерную структуру, включающую слой В, контактирующий с одной стороны со слоем А1 через слой С, а с другой стороны со слоем А2 через слой Ό. Слой А1, выполненный из проводящего материала, толщина которого больше величины длины волны де Бройля, а уровень Ферми расположен в зоне проводимости. Слой В выполнен из проводящего материала в виде донорно легированного полупроводника или полуметалла, толщина которого должна быть меньше величины длины волны де Бройля, а уровень Ферми расположен в зоне проводимости. Слой С представляет собой нанопленку из проводящего материала или диэлектрика, толщина которого и состав материала позволяют организовать туннелирование электронов из слоя А1 в слой В и обратно из слоя В в слой А1 и обеспечить возможность существенного преобладания туннельного тока над током надбарьерного переноса электронов. Слой А2 выполнен из проводящего материала, толщина которого больше величины длины волны де Бройля. Слой Ό представляет собой нанопленку из проводящего материала или диэлектрика, толщина которого и состав материала позволяют организовать надбарьерный перенос электронов из слоя А2 в слой В и обратно из слоя В в слой А2 и обеспечить возможность существенного преобладания тока надбарьерного переноса электронов над туннельным током.The invention relates to converters of thermal energy of the environment into electrical energy and is intended for use as an autonomous source of electrical energy. The inventive converter of thermal energy of the environment into electrical energy contains at least one basic multi-layer solid-state structure of various sizes, including layer B, which is in contact with layer A1 through layer C on the one side, and layer А through layer C on the other. The A1 layer made of a conductive material whose thickness is greater than the de Broglie wavelength, and the Fermi level is located in the conduction band. Layer B is made of a conductive material in the form of a donor-doped semiconductor or semimetal, whose thickness must be less than the de Broglie wavelength, and the Fermi level is located in the conduction band. Layer C is a nanofilm of conductive material or dielectric, the thickness of which and the composition of the material make it possible to organize the tunneling of electrons from the A1 layer to the B layer and back from the B layer to the A1 layer and to ensure that the tunneling current substantially dominates over the current above the barrier electron transfer. Layer A2 is made of a conductive material whose thickness is greater than the de Broglie wavelength. Layer Ό is a nanofilm of conductive material or dielectric, the thickness of which and the composition of the material allow you to organize the over-barrier transfer of electrons from the A2 layer to the B layer and back from the B layer to the A2 layer and to ensure that the above-barrier electron transfer current is substantially predominant over the tunnel current.

029915029915

Заявляемое изобретение относится к преобразователям тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию и предназначено для использования в качестве автономного источника электрической энергии в приборах и устройствах различного назначения, например, в мобильных средствах связи, портативных компьютерах, планшетах и т.д.The invention relates to converters of thermal energy of the environment into electrical energy and is intended for use as an autonomous source of electrical energy in devices and devices for various purposes, for example, in mobile communications, portable computers, tablets, etc.

Преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию представляет собой многослойную структуру, образованную из η последовательно соединенных, контактирующих между собой (непосредственно или через посредство нанослоя) слоев разнородных проводящих материалов, имеющих разную работу выхода. При этом в области каждого контакта (спая) слоев разнородных проводящих материалов возникает потенциальный барьер с контактной разностью потенциалов φ, а электрическое поле в области контакта создаётся некомпенсированными ионами кристаллической решетки.The converter of thermal energy of the environment into electrical energy is a multilayer structure formed of η connected in series, in contact with each other (directly or through a nanolayer) layers of heterogeneous conductive materials having different work functions. In this case, in the area of each contact (junction) of layers of dissimilar conductive materials, a potential barrier arises with a contact potential difference φ, and an electric field in the contact area is created by uncompensated ions of the crystal lattice.

Если все контактирующие слои многослойной структуры находятся в одинаковых внешних условиях, то сумма контактных разностей потенциалов всей многослойной структуры в замкнутой цепи равна нулю.If all the contacting layers of the multilayer structure are in the same external conditions, then the sum of the contact potential differences of the entire multilayer structure in a closed circuit is zero.

Для того, чтобы в такой многослойной структуре протекал электрический ток, достаточно приложить любое внешнее воздействие, изменяющие контактную разность потенциалов по крайне мере в одном из спаев многослойной структуры.In order for an electric current to flow in such a multilayer structure, it is sufficient to apply any external action that changes the contact potential difference in at least one of the junctions of the multilayer structure.

Действительно, если при приложении внешнего воздействия по крайней мере к одному из спаев многослойной структуры происходит изменение его контактной разности потенциалов, в то время как у остальных спаев в этой многослойной структуре, которые не подвергались внешнему воздействию, контактная разность потенциалов не изменилась, то сумма контактных разностей потенциалов всех спаев многослойной структуры перестанет быть равной нулю, и при замыкании цепи в многослойной структуре будет протекать электрический ток.Indeed, if an external impact is applied to at least one of the junctions of a multilayer structure, its contact potential difference changes, while for the remaining junctions in this multilayer structure that are not exposed to external influence, the contact potential difference does not change, then the sum of contact potential differences of all junctions of the multilayer structure will cease to be equal to zero, and when the circuit is closed in the multilayer structure, electric current will flow.

Известные в настоящее время из уровня техники преобразователи тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию можно разделить на два класса: термоэлектрические преобразователи и термоэлектронные преобразователи.Currently known from the prior art converters of thermal energy of the environment into electrical energy can be divided into two classes: thermoelectric converters and thermoelectronic converters.

В термоэлектрических преобразователях тепловой энергии в качестве внешнего воздействия используют тепловой нагрев по меньшей мере одного из спаев в многослойной структуре. При таком воздействии на спай происходит нагрев обоих разнородных проводящих контактирующих между собой материалов, образующих спай, в результате чего изменяется контактная разность потенциалов в нагреваемом спае, которая, как указывалась выше, создаётся исключительно ионами кристаллической решетки контактирующих слоев. У остальных спаев в этой многослойной структуре, которые не подвергались нагреву, контактная разность потенциалов не изменилась. В результате этого сумма контактных разностей потенциалов всех слоев многослойной структуры не равна нулю, и в замкнутой цепи многослойной структуры начнет протекать электрический ток.In thermoelectric thermal energy converters, as an external influence, heat is applied to at least one of the junctions in a multilayer structure. With such an impact on the junction, both dissimilar junction-forming materials junction in contact with each other are heated, resulting in a change in the contact potential difference in the heated junction, which, as mentioned above, is created solely by the lattice ions of the contacting layers. The remaining junctions in this multilayer structure, which were not subjected to heating, did not change the contact potential difference. As a result, the sum of the contact potential differences of all layers of the multilayer structure is not zero, and an electric current begins to flow in the closed circuit of the multilayer structure.

Явление изменения контактной разности потенциалов в одном из спаев многослойной структуры при изменении его температуры с сохранением температуры остальных спаев неизменной, приводящее к появлению термоэдс на концах многослойной структуры, получило название - эффект Зеебека.The phenomenon of a change in the contact potential difference in one of the junctions of a multilayer structure as its temperature changes while maintaining the temperature of the remaining junctions unchanged, leading to the appearance of a thermoelectric power at the ends of the multilayer structure, is called the Seebeck effect.

Упоминание о термоэлектрических преобразователях тепловой энергии и их возможном применении в технике имеется в российском патенте КП 2546678, дата приоритета 27.08.2009, стр. 2, 5 абз. снизу. Известно, что ранее предпринимались попытки использования термоэлектрических генераторов для электропитания электронных приборов, например, это было описано в международной публикации ΑΘ/2007/149185, дата публ. 27.12.2007, к международной заявке РСТ/И8 2007/012682.The mention of thermoelectric converters of thermal energy and their possible use in engineering is found in Russian patent KP 2546678, priority date 08/27/2009, pp. 2, 5 par. below. It is known that earlier attempts were made to use thermoelectric generators for powering electronic devices, for example, it was described in the international publication / 2007/149185, the date of publication. 12/27/2007, to the international application PCT / I8 2007/012682.

Термоэлектрические преобразователи тепловой энергии не нашли широкого практического применения в качестве источников энергии в приборах различного назначения в связи с тем, что для их работы необходим внешний автономный источник тепловой энергии и использование термоэлектрических преобразователей не позволяет получать большие мощности электрической энергии.Thermoelectric thermal energy converters have not found wide practical application as energy sources in devices for various purposes due to the fact that their work requires an external independent source of thermal energy and the use of thermoelectric converters does not allow for obtaining large amounts of electrical energy.

Другим типом преобразователей тепловой энергии является термоэлектронные преобразователи тепловой энергии.Another type of thermal energy converters is thermionic thermal energy converters.

Принцип действия термоэлектронного преобразователя тепловой энергии в электрическую основан на создании за счет внешнего воздействия в одном из контактирующих слоев спая многослойной структуры, называемом эмиттером, дополнительного количества электронов с повышенной энергией, которые образуют дополнительный однонаправленный поток электронов из эмиттера к коллектору, представляющему собой второй контактирующий слой в спае. В результате в коллекторе накапливается дополнительный объемный заряд электронов, который обеспечивает увеличение контактной разности потенциалов между эмиттером и коллектором. Накопление дополнительного объемного заряда электронов в коллекторе происходит до тех пор, пока в спае не установится равновесное состояние. Если замкнуть внешнюю электрическую цепь в многослойной структуре, то начинается стекание электронов, накопленных в коллекторе во внешнюю электрическую цепь, равновесное состояние между эмиттером и коллектором нарушается и во внешней электрической цепи начинает протекать электрический ток.The principle of operation of the thermionic converter of thermal energy into electrical energy is based on the creation, due to external influence in one of the contacting layers of a junction of a multilayer structure called an emitter, an additional number of electrons with increased energy that form an additional unidirectional flow of electrons from the emitter to the collector, which is the second contacting layer in the junction. As a result, an additional space charge of electrons accumulates in the collector, which provides an increase in the contact potential difference between the emitter and the collector. The accumulation of additional space charge of electrons in the collector occurs until an equilibrium state is established in the junction. If you close the external electrical circuit in a multilayer structure, the electrons accumulated in the collector to the external electrical circuit begin to flow, the equilibrium state between the emitter and the collector is disturbed, and an electric current begins to flow in the external electrical circuit.

Для увеличения контактной разности потенциалов и, соответственно, увеличения ЭДС на концах многослойной структуры можно организовать описанным выше способом получение дополнительной контактной разности потенциалов в каждом спае многослойной структуры, что позволяет увеличитьTo increase the contact potential difference and, accordingly, increase the emf at the ends of the multilayer structure, it is possible to organize in the manner described above to obtain an additional contact potential difference at each junction of the multilayer structure, which allows increasing

- 1 029915- 1 029915

мощность источника электрической энергии.power source of electrical energy.

По способу организации внешнего воздействия на многослойную структуру в термоэлектронных преобразователях тепловой энергии для получения дополнительного однонаправленного переноса электронов с повышенной энергией из эмиттера в коллектор различают термоэмиссионные и автоэмиссионные термоэлектронные преобразователи тепловой энергии в электрическую.According to the method of organizing external influence on the multilayer structure in thermal electronic converters of thermal energy to obtain additional unidirectional transfer of electrons with increased energy from the emitter to the collector, there are distinguished thermal emission and field emission thermal electronic converters of thermal energy into electrical energy.

В термоэмиссионных преобразователях тепловой энергии в электрическую для получения дополнительного количества электронов с повышенной энергией в эмиттере используют внешнюю тепловую энергию, которая создаёт температурный градиент между эмиттером и коллектором.In thermal emission converters of thermal energy into electrical energy, in order to obtain an additional quantity of electrons with increased energy in the emitter, external thermal energy is used, which creates a temperature gradient between the emitter and the collector.

При термоэмиссии для получения контактной разности потенциалов на концах многослойной структуры в термоэлектронных преобразователях нагревается только один слой спая - эмиттер, в то время как второй слой спая - коллектор, должен оставаться холодным. Поддержание градиента температуры между эмиттером и коллектором в термоэмиссионных преобразователях тепловой энергии в электрическую является технически сложной задачей. Из-за наличия теплопроводности у контактирующих слоев в спае наблюдается тенденция к выравниванию температур эмиттера и коллектора, что приводит к уменьшению контактной разности потенциалов в спае и, следовательно, к уменьшению термоэдс на концах многослойной структуры. Это является существенным недостатком термоэмиссионных преобразователей.During thermoemission to obtain a contact potential difference at the ends of a multilayer structure in thermoelectric converters, only one junction layer is heated — the emitter, while the second junction layer, the collector, must remain cold. Maintaining a temperature gradient between the emitter and the collector in thermionic converters of thermal energy into electrical energy is a technically challenging task. Due to the presence of thermal conductivity in contacting layers in the junction, there is a tendency to equalize the temperatures of the emitter and collector, which leads to a decrease in the contact potential difference in the junction and, consequently, to a decrease in thermoelectric power at the ends of the multilayer structure. This is a significant disadvantage of thermionic converters.

Примерами термоэлектронных преобразователей тепловой энергии с использованием термоэлектронной эмиссии, являются, термоэлектронные преобразователи, описанные, например, в патенте И8 7,109,408, дата публ. 19.09.2006, в патенте КП 2233509, дата приоритета 06.03.2000, и в международной публикации \νϋ 01/6957, дата публ. 20.09.2001 к международной заявке РСТ/ϋδ 01/07046.Examples of thermionic converters of thermal energy using thermionic emission are, thermionic converters, described, for example, in patent I8 7,109,408, the date of publ. 09/09/2006, in patent KP 2233509, priority date 06.03.2000, and in international publication \ νϋ 01/6957, date published 09/20/2001 to the international application PCT / δ 01/07046.

Существенным отличием термоэмиссионных преобразователей от термоэлектрических преобразователей является то, что в термоэлектрических преобразователях для получения контактной разности потенциалов на концах многослойной структуры происходит нагрев одновременно обоих контактирующих слоев по крайней мере в одном из спаев, при этом температура остальных спаев остается неизменной, а в термоэмиссионных преобразователях для создания дополнительной контактной разности потенциалов на каждом спае многослойной структуры требуется нагрев только одного из слоев спая - эмиттера, в то время как второй слой спая - коллектор, остается холодным.The essential difference between thermionic converters and thermoelectric converters is that in thermoelectric converters to obtain a contact potential difference at the ends of a multilayer structure, both contacting layers are heated at least in one of the junctions, while the temperature of the remaining junctions remains constant, and in thermionic converters for creating additional contact potential difference at each junction of the multilayer structure requires heating Only one of the junction layers - the emitter, while the second junction layer - collector remains cold.

В автоэмиссионных термоэлектронных преобразователях тепловой энергии в электрическую получение дополнительного количества электронов для организации их преимущественного переноса от эмиттера к коллектору осуществляется за счет создания высоких напряженностей электрического поля вблизи поверхности эмиттера.In the field emission thermionic converters of thermal energy into electrical energy, an additional quantity of electrons is obtained for the organization of their preferential transfer from the emitter to the collector by creating high electric field strengths near the emitter surface.

Примерами термоэлектронных преобразователей тепловой энергии с использованием автоэлектронной эмиссии может служить патент КИ 2479886, дата приоритета 02.12.2011, принадлежащий ФГБУ "Национальному исследовательскому центру "Курчатовский институт".Examples of thermionic converters of thermal energy using field emission can be KI patent 2479886, priority date 02.12.2011, belonging to the Kurchatov Institute National Research Center.

По мнению заявителя, наиболее перспективными термоэлектронными преобразователями тепловой энергии являются преобразователи с использованием автоэлектронной эмиссии.According to the applicant, the most promising thermionic converters of thermal energy are converters using field emission.

Таким образом, из описанного выше становится ясно, что принцип работы термоэлектронного преобразователя тепловой энергии отличается от принципа работы термоэлектрического преобразователя тепловой энергии.Thus, from the above, it becomes clear that the principle of operation of a thermionic converter of thermal energy differs from the principle of operation of a thermoelectric converter of thermal energy.

Главным отличием термоэлектронного преобразователя тепловой энергии от термоэлектрического преобразователя тепловой энергии является то, что в термоэлектрических преобразователях величина контактной разности потенциалов в области спая соседних слоев многослойной структуры определяется явлением диффузии электронов между контактирующими слоями различных проводящих материалов. При диффузии электронов величина контактной разности потенциалов в области спая создается неподвижными ионами кристаллической решетки контактирующих материалов и изменение её в широких пределах затруднительно. Это не позволяет создавать большие величины термоэдс, что, в свою очередь, ограничивает область их применения в качестве мощных источников энергии.The main difference between a thermal electron thermal energy converter and a thermal thermal energy converter is that in thermoelectric converters the magnitude of the contact potential difference in the junction of adjacent layers of a multilayer structure is determined by the phenomenon of electron diffusion between the contacting layers of various conductive materials. With the diffusion of electrons, the magnitude of the contact potential difference in the junction region is created by stationary ions of the crystal lattice of the contacting materials and it is difficult to change it over a wide range. This does not allow the creation of large thermopower values, which, in turn, limits the scope of their application as powerful energy sources.

В термоэлектронных преобразователях тепловой энергии при создании контактной разности потенциалов в области спая также имеет место явление диффузии электронов между контактирующими слоями различных проводящих материалов. Однако в термоэлектронных преобразователях помимо этого изменение контактной разности потенциалов осуществляется также за счет организации дополнительного преимущественного переноса электронов от эмиттера к коллектору и возникновения добавочной разности потенциалов между контактирующими различными проводящими материалами благодаря накоплению избыточных электронов в области коллектора. Это в конечном итоге дает возможность создавать значительно большую величину термоэдс по сравнению с термоэлектрическими преобразователями тепловой энергии и регулировать величину термоэдс и токов, протекающих в цепи в широких пределах. Всё это делает класс термоэлектронных преобразователей тепловой энергии значительно более перспективным по сравнению с термоэлектрическими преобразователями тепловой энергии для создания мощных источников электрической энергии.In thermionic thermal energy converters, when a contact potential difference is created in the junction region, the phenomenon of electron diffusion between the contacting layers of various conductive materials also takes place. However, in thermionic converters, in addition, the change in the contact potential difference is also carried out by organizing an additional preferential transfer of electrons from the emitter to the collector and the appearance of an additional potential difference between the contacting different conductive materials due to the accumulation of excess electrons in the collector region. This ultimately makes it possible to create a significantly larger thermopower compared with thermoelectric thermal energy converters and to regulate the magnitude of the thermopower and currents flowing in the circuit over wide limits. All this makes the class of thermoelectronic converters of thermal energy much more promising in comparison with thermoelectric converters of thermal energy for creating powerful sources of electrical energy.

В качестве прототипа выбрана патент США - И8 3,169,200 (НнГГтан) "Термотунельный преобразователь тепловой энергии в электрическую энергию", публ. 09 февраль 1965.As a prototype of the selected US patent - I8 3,169,200 (NnGGtan) "Thermotunar converter of thermal energy into electrical energy", publ. 09 February 1965.

- 2 029915- 2 029915

В данном патенте описана конструкция термоэлектронного преобразователя тепловой энергии в электрическую энергию, представляющая собой многослойную твердотельную структуру, соседние проводящие слои которой, образующие спай, разделены оксидными теплоизолирующими наноплёнками, толщина которых не превышает 4 нм. Перенос электронов из одного слоя спая в другой осуществляется за счёт эффекта туннелирования электронов через оксидные теплоизолирующие наноплёнки.This patent describes the design of a thermionic converter of thermal energy into electrical energy, which is a multi-layer solid-state structure, the adjacent conductive layers of which form a junction are separated by oxide insulating nanofilms whose thickness does not exceed 4 nm. Electrons are transferred from one junction layer to another due to the effect of electron tunneling through oxide heat-insulating nanofilms.

Для организации однонаправленного преимущественного переноса электронов между слоями спаев в этой твердотельной многослойной структуре организуют температурный градиент между соседними слоями спая. Для создания температурного градиента производят нагрев одного из слоев спая (эмиттера) за счёт внешнего теплового воздействия на него.To organize the unidirectional preferential transfer of electrons between the layers of junctions in this solid-state multilayer structure, a temperature gradient between adjacent layers of the junction is organized. To create a temperature gradient, one of the junction layers (emitter) is heated due to external thermal effects on it.

Температурный градиент в прототипе образуется вдоль всей многослойной структуры, состоящей из большого числа спаев (фиг. 4 указанного патента), разница температур на концах этой многослойной структуры достигает несколько сот градусов Кельвина. Горячий слой спая в прототипе представляет собой эмиттер относительно более холодного второго слоя спая (коллектора), контактирующего с эмиттером через оксидную теплоизолирующую наноплёнку.The temperature gradient in the prototype is formed along the entire multilayer structure consisting of a large number of junctions (Fig. 4 of this patent), the temperature difference at the ends of this multilayer structure reaches several hundred degrees Kelvin. The hot junction layer in the prototype is an emitter relative to the colder second junction layer (collector) in contact with the emitter through an oxide heat insulating nanofilm.

Поскольку электроны, находящиеся в горячем слое спая - эмиттере, будут обладать большей средней энергией, чем электроны, находящиеся в холодном слое спая - коллекторе, то из горячего эмиттера через оксидную теплоизолирующую наноплёнку будет туннелировать большее количество электронов в коллектор, чем из холодного коллектора в горячий эмиттер, то есть будет организован преимущественно однонаправленный перенос электронов из эмиттера в коллектор.Since the electrons in the hot layer of the junction - emitter will have a higher average energy than the electrons in the cold layer of the junction - collector, a greater number of electrons will tunnel from the hot emitter through the oxide heat-insulating nanofilm than from the cold collector to the hot emitter, that is, mainly unidirectional transfer of electrons from the emitter to the collector will be organized.

Таким образом, в прототипе различие в величине потоков электронов при их туннелировании из эмиттера в коллектор и обратно из коллектора в эмиттер обусловлено разностью температур эмиттера и коллектора, которая обеспечивается за счёт внешнего теплового воздействия.Thus, in the prototype, the difference in the electron fluxes during their tunneling from the emitter to the collector and back from the collector to the emitter is due to the temperature difference between the emitter and collector, which is provided by external thermal effects.

Однако, из-за наличия теплопроводности у контактирующих материалов в спае температуры коллектора и эмиттера имеют тенденцию к выравниванию, что приводит к уменьшению температурного градиента в спае, и, следовательно, ведёт к уменьшению эффекта преимущественно однонаправленного переноса электронов от эмиттера к коллектору.However, due to the presence of thermal conductivity in contacting materials in the junction of the collector and emitter temperatures, they tend to equalize, which leads to a decrease in the temperature gradient in the junction, and, consequently, leads to a decrease in the effect of predominantly unidirectional transfer of electrons from the emitter to the collector.

Оксидные теплоизолирующие наноплёнки, расположенные между эмиттером и коллектором, позволяют поддерживать перепад (градиент) температур между контактирующими слоями спая.Oxide heat insulating nanofilms located between the emitter and the collector allow you to maintain a temperature gradient between the contacting junction layers.

Таким образом, оксидные теплоизолирующие нанопленки способствуют организации преимущественно однонаправленного переноса электронов от эмиттера к коллектору, поскольку уменьшают теплопередачу между эмиттером и коллектором в спае.Thus, oxide heat insulating nanofilms contribute to the organization of predominantly unidirectional transfer of electrons from the emitter to the collector, since they reduce the heat transfer between the emitter and collector in the junction.

Резюмируя сказанное выше, подчеркнем, что в устройстве-прототипе Нийтаи организация преимущественно однонаправленного переноса электронов из эмиттера в коллектор обеспечивается за счёт градиента температур, организуемого между слоями спая за счёт внешнего теплового воздействия на один из слоев спая (эмиттер).Summarizing what was said above, we emphasize that in the Niytaya prototype device, the organization of mainly unidirectional transfer of electrons from the emitter to the collector is provided by a temperature gradient organized between the layers of the junction due to external thermal effects on one of the junction layers (emitter).

Недостатками прототипа является то, что для получения приемлемых в источниках питания значений ЭДС, необходимо поддерживать градиент температур на концах твердотельной многослойной структуры порядка нескольких сот градусов Кельвина. Сам автор Нийтаи в тексте патента отмечает, что его прибор эффективно работает с точки зрения получения приемлемых значений ЭДС в температурном диапазоне 700 градусов Кельвина и выше. Для получения существенных значений ЭДС в устройствепрототипе многослойная структура должна содержать 10⁶ слоев, что обусловлено недостаточными теплоизолирующими свойствами оксидных наноплёнок, разделяющих эмиттер и коллектор. Высокие рабочие температуры устройства-прототипа и очень большое количество слоев в многослойной структуре создают большие технологические трудности при его реализации.The disadvantages of the prototype is that to obtain acceptable values in the power sources EMF, it is necessary to maintain a temperature gradient at the ends of the solid-state multilayer structure of the order of several hundred degrees Kelvin. The author himself Nytai in the text of the patent notes that his device effectively works in terms of obtaining acceptable values of EMF in the temperature range of 700 degrees Kelvin and above. To obtain significant EMF values in the device prototype, the multilayer structure should contain 10 ⁶ layers, which is due to the insufficient thermal insulating properties of oxide nanofilms separating the emitter and collector. High operating temperatures of the prototype device and a very large number of layers in a multilayer structure create great technological difficulties in its implementation.

Дальнейшее развитие базового патента - прототипа получило в более поздней патентной заявке США И8 2005/0184603 А1 публ. 25 августа 2005 года, в которой конструктивными средствами пытались устранить недостатки патента И8 3,169,200 (Нийтаи), а именно конструктивно уменьшить теплопроводность между эмиттером и коллектором, что позволяет уменьшить количество слоев в многослойной структуре.Further development of the basic prototype patent was obtained in a later patent application US I8 2005/0184603 A1 publ. August 25, 2005, in which constructive means tried to eliminate the shortcomings of the patent I8 3,169,200 (Niytai), namely, to reduce the thermal conductivity between the emitter and the collector, which allows reducing the number of layers in a multilayer structure.

Авторы заявляемого изобретения решили пойти совершенно другим путём.The authors of the claimed invention decided to go a completely different way.

Авторы настоящего изобретения пришли к выводу, что возможно создать преимущественно однонаправленный перенос электронов между контактирующими слоями разнородных проводящих материалов в многослойной структуре, не прибегая к использованию какого-либо внешнего воздействия на саму многослойную структуру, либо на оба контактирующих между собой слоя в этой структуре, либо на один из контактирующих слоев.The authors of the present invention came to the conclusion that it is possible to create predominantly unidirectional transfer of electrons between contacting layers of heterogeneous conductive materials in a multilayer structure, without resorting to using any external influence on the multilayer structure itself, or on both layers in contact with each other in this structure, or on one of the contacting layers.

С этой целью авторы решили рассмотреть особенности явления переноса электронов в многослойной структуре, представляющей собой два контактирубщих слоя разнородных проводящих материалов, разделенных нанопленкой.To this end, the authors decided to consider the features of the electron transfer phenomenon in a multilayer structure, which consists of two contacting layers of dissimilar conductive materials separated by a nanofilm.

Из уровня техники известно, в многослойной структуре нанопленка может образовывать двусторонний потенциальный барьер (книга "Основы физики полупроводников", авторы Ю Питер, Кардона Мануэль, под редакцией Б. П. Захарчени, перевод с англ. И. И. Решиной. - 3-е изд. -Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2002, стр. 458-459).The prior art in the multilayer structure nanofilm can form a two-sided potential barrier (the book "Fundamentals of Semiconductor Physics", the authors Yu Peter, Cardona Manuel, edited by B.P. Zakharcheni, translated from English I. Reshina. - 3- e ed. -Moscow, FIZMATLIT, 2002, p. 458-459).

- 3 029915- 3 029915

На фиг. 1"а" приведен пример известной из уровня техники многослойной структуры, состоящей из двух слоев разнородных проводящих материалов А и В, разделенных нанопленкой - слоем С, имеющем толщину Н_Б, при этом слой А представляет собой эмиттер, а слой В - коллектор.FIG. 1, "a" is an example of a prior art multilayer structure consisting of two layers of dissimilar conductive materials A and B, separated nanofilm - layer C having a thickness of H _B, the layer A is an emitter B layer - collector.

Двухсторонним потенциальным барьером будем называть область пространства, в которой потенциальная энергия электронов имеет локальный максимум (см. фиг. 1"б").A two-way potential barrier will be called a region of space in which the potential energy of electrons has a local maximum (see Fig. 1 "b").

Поясним, какие явления происходят при падении электрона на двусторонний потенциальный барьер (нанопленку - слой С) в многослойной структуре, приведенной на фиг. 1"а".Let us explain what phenomena occur when an electron is incident on a two-sided potential barrier (nanofilm — layer C) in the multilayer structure shown in FIG. 1 "a".

На фиг. 1"б" - приведено распределение потенциальной энергии в области двустороннего потенциального барьера, образованного нанопленкой - слоем С, помещенной между слоями разнородных проводящих материалов А и В многослойной структуры.FIG. 1 "b" - shows the distribution of potential energy in the area of a bilateral potential barrier formed by a nanofilm - layer C, placed between layers of heterogeneous conductive materials A and B of a multilayer structure.

На фиг. 1"б" по оси координат "х" отложена физическая толщина Н_Б нанопленки (толщина слоя С), по оси ординат отложена величина энергии Е. Кроме этого, на рисунке приведена высота двустороннего потенциального барьера - и₀Т± и ^έ - полные энергии электронов, падающих на двусторонний потенциальный барьер со стороны слоя А и слоя В соответственно, равные сумме потенциальной энергии и части кинетической энергии электрона, определяемой проекцией квазиимпульса электрона на направление, перпендикулярное (нормальное) к поверхности потенциального барьера.FIG. 1 "b" based on the coordinate axis "x" delayed physical thickness H _B nanoplenki (thickness C), the amount of energy E is plotted along the ordinate addition, the figure shows the potential barrier height bilateral - and ₀ and ± T ^έ - total energy electrons incident on a two-sided potential barrier from the side of layer A and layer B, respectively, equal to the sum of the potential energy and part of the kinetic energy of the electron, determined by the projection of the electron quasi-momentum on the direction perpendicular to (normal) to the surface of the potential barrier.

Перенос электронов из слоя А в слой В и обратно из слоя В в слой А в многослойной структуре,Electron transfer from layer A to layer B and back from layer B to layer A in a multilayer structure,

приведенной на фиг. 1"а", всегда возможен, если энергия электронов ^ε± или А > налетающих на двухсто' ε“ > и₀.shown in FIG. 1 "a" is always possible if the electron energy ^ε ± or A> is incident on two hundred ε> and ₀ .

ронний потенциальный барьер, больше высоты барьера, то есть АThe outer potential barrier is greater than the barrier height, i.e., A

Такой вид переноса электронов называется надбарьерным.This type of electron transfer is called above-barrier.

Другой разновидностью переноса электронов между слоями А и В и обратно из слоя В в слой А является, так называемый, туннельный перенос, который определяет вероятность проникновения электрона через потенциальный барьер (слой С) из слоя А в слой В и обратно из слоя В в слой А при условии, что энергия электронов ^ε или А > налетающих на двухсторонний потенциальный барьер, меньше высоты потенциального барьера, то есть ^£± ’ ^£± ^< +оВеличиной, характеризующей вероятность проникновения электронов через двухсторонний потенциальный барьер, является прозрачность потенциального барьера - Ό(ε).Another type of electron transfer between layers A and B and back from layer B to layer A is the so-called tunnel transfer, which determines the probability of electron penetration through the potential barrier (layer C) from layer A to layer B and back from layer B to layer And provided that the electron energy ^ε or A> incident on a double-sided potential barrier is less than the height of the potential barrier, i.e. ^£ ± ' ^£ ± ^< + oThe value characterizing the probability of electron penetration through the double-sided potential barrier is the opacity of the potential barrier is Ό (ε).

Из квантовой механики известно, что вероятность проникновения (туннелирования) электронов через потенциальный барьер (прозрачность Ό(ε)) зависит не только от толщины Н_Б и свойств материала, из которого изготовлен барьер, но также и от энергий ^ε и ^ει > которые определяются энергией электронов, налетающих на двусторонний потенциальный барьер и зависят от свойств материалов слоев А и В, расположенных по обе стороны от потенциального барьера (слоя С). (Книга "Туннельные явления в твердых телах" под редакцией Э. Бурштейна и С. Лундквиста, М., Изд. "Мир", 1973 г., стр. 39, второй абз. снизу).From quantum mechanics it is known that the probability of penetration (tunneling) of electrons through the potential barrier (transparency Ό (ε)) depends not only on the thickness h _B and material properties of the barrier, but also on the energy ^ε and ^ε ι> are defined energy of electrons incident on a two-sided potential barrier and depend on the material properties of layers A and B located on both sides of the potential barrier (layer C). (The book "Tunneling phenomena in solids" edited by E. Burshtein and S. Lundqvist, M., “Mir” Publishing House, 1973, p. 39, second paragraph. Below).

Принимая во внимание это обстоятельство, авторы настоящего изобретения пришли к мысли, что добиться желаемого эффекта, а именно, преимущественно однонаправленного переноса электронов можно, варьируя свойства материалов и геометрические размеры контактирующих между собой слоев АTaking this circumstance into account, the authors of the present invention came to the conclusion that it is possible to achieve the desired effect, namely, mainly unidirectional electron transfer, by varying the properties of materials and the geometrical dimensions of the layers A that are in contact with each other.

и В многослойной структуры, что в совокупности позволит добиться существенных различий в величине „Яand In the multilayer structure, which together will make it possible to achieve significant differences in the “I

энергий ^ьт слоя А и ^йт слоя В.Energy ^s t A layer and ^{the second} layer B. t

Это позволит добиться различия прозрачностей потенциального барьера для электронов, падающих на него как со стороны слоя А, так и со стороны слоя В. Если прозрачность потенциального барьера для электронов, падающих со стороны слоя А - Ό^Λ(ε) больше прозрачности электронов, падающих на потенциальный барьер со стороны слоя В - Ό^Β(ε), то есть если Ό^Λ(ε)>Ό^Β(ε), то возникает преимущественно однонаправленный перенос электронов из слоя А в слой В без какого-либо внешнего воздействия.This will make it possible to achieve a difference in the transparency of the potential barrier for electrons falling on it both from layer A and layer B. If the transparency of the potential barrier for electrons falling from layer A — Ό ^Λ (ε) is greater than the transparency of electrons falling on the potential barrier on the side of the B layer is Ό ^Β (ε), that is, if Ό ^Λ (ε)> Ό ^Β (ε), then predominantly unidirectional transfer of electrons from the A layer to the B layer occurs without any external influence.

Таким образом, можно достигнуть преимущественно однонаправленного переноса электронов между слоями многослойной структуры, разделенными двухсторонним потенциальным барьером, лишь за счет использования особенностей явления туннельного переноса электронов через двусторонний потенциальный барьер, не прибегая при этом к какому-либо внешнему воздействию на многослойную структуру. Организация преимущественно однонаправленного переноса электронов из слоя А в контактирующий с ним слой В при замыкании внешней электрической цепи в такой многослойной структуре приведет к протеканию по ней электрического тока. Таким образом, можно создать автономный источник энергии, преобразующий тепловую энергию окружающей среды в электрическую энергию.Thus, it is possible to achieve predominantly unidirectional electron transfer between layers of a multilayer structure separated by a two-sided potential barrier, only by using the features of the phenomenon of tunnel electron transfer through a two-sided potential barrier without resorting to any external influence on the multilayer structure. The organization of a predominantly unidirectional transfer of electrons from layer A to the layer B in contact with it when the external electric circuit is closed in such a multilayer structure will lead to the flow of electric current through it. Thus, it is possible to create an autonomous source of energy that converts the thermal energy of the environment into electrical energy.

Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в создании автономного твердотельного преобразователя тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию посредством организации преимущественно однонаправленного переноса электронов между слоями многослойной структуры, разделенными двухсторонним потенциальным барьером, за счёт использования особенностей явления туннельного переноса электронов через двусторонний потенциальный барьер без привлечения для этой цели какого-либо внешнего воздействия на многослойную структуру.The technical problem solved by the claimed invention is to create an autonomous solid-state transducer of thermal energy of the environment into electrical energy by organizing mainly unidirectional transfer of electrons between the layers of a multilayer structure separated by a two-sided potential barrier by using the features of the tunneling electron transfer through a two-sided potential barrier without attracting for this purpose any external influence on many layered structure.

Таким образом, авторами настоящего изобретения предложен новый тип преобразователя тепловой энергии в электрическую, в котором в многослойной твердотельной структуре протекают физические процессы, аналогичные физическим процессам, протекающим в термоэлектронных преобразователях, аThus, the authors of the present invention proposed a new type of thermal energy to electrical energy converter, in which physical processes similar to the physical processes occurring in thermoelectronic converters take place in a multi-layer solid-state structure, and

- 4 029915- 4 029915

именно, организован преимущественно однонаправленный перенос электронов из эмиттера в коллектор. При этом принципиальным отличием заявляемого изобретения является то, что организация преимущественно однонаправленного переноса электронов между слоями многослойной структуры осуществляется не за счет нагрева эмиттера, как это имеет место в классических термоэлектронных преобразователях, а за счет использования различий туннельного переноса электронов между контактирующими слоями, разделенными двусторонним потенциальным барьером, которые имеют место тогда, когда контактирующие слои разноразмерны.it is precisely the predominantly unidirectional transfer of electrons from the emitter to the collector. The principal difference of the claimed invention is that the organization of predominantly unidirectional transfer of electrons between layers of a multilayer structure is not carried out by heating the emitter, as is the case in classical thermoelectronic converters, but by using the differences in tunneling transfer of electrons between contacting layers separated by two-sided potential barrier, which occur when the contacting layers of different sizes.

Поставленная задача решается тем, что заявляемая многослойная твердотельная структура, состоит из трех разноразмерных контактирующих слоев проводящих материалов, разделённых между собой двумя нанопленками, каждая из которых представляет собой двусторонний потенциальный барьер.The problem is solved by the fact that the claimed multi-layer solid-state structure consists of three different sized contacting layers of conductive materials separated by two nanofilms, each of which is a two-sided potential barrier.

Первый двухсторонний потенциальный барьер между первым и вторым разноразмерными контактирующими слоями в многослойной структуре выполнен так, что обеспечивает туннелирование электронов между первым и вторым разноразмерными контактирующими слоями при практически полном отсутствии надбарьерного переноса электронов между этими слоями. Это позволяет организовать преимущественно однонаправленный перенос электронов из первого контактирующего слоя (эмиттера) во второй контактирующий слой (коллектор) многослойной структуры.The first two-sided potential barrier between the first and second multi-sized contacting layers in a multilayer structure is designed so that electron tunneling between the first and second multi-sized contacting layers with the almost complete absence of above-barrier electron transfer between these layers. This allows you to organize mostly unidirectional transfer of electrons from the first contacting layer (emitter) to the second contacting layer (collector) of the multilayer structure.

Второй двухсторонний потенциальный барьер между вторым и третьим разноразмерными контактирующими слоями многослойной структуры выполнен так, что обеспечивает надбарьерный перенос электронов между вторым и третьим разноразмерными контактирующими слоями при практически полном отсутствии туннельного переноса электронов между этими слоями. Это позволяет организовать равенство встречных потоков электронов между вторым и третьим разноразмерными контактирующими слоями, исключить возникновение встречного преимущественно однонаправленного переноса электронов из третьего слоя во второй слой многослойной структуры и обеспечить равенство потенциалов между вторым и третьим контактирующими слоями. Это делается для того, чтобы обеспечить преимущественно однонаправленный перенос электронов из слоя один в слой три многослойной структуры и, в конечном итоге, организовать преимущественный однонаправленный перенос электронов вдоль всей многослойной структуры без компенсирующих встречных потоков электронов.The second two-sided potential barrier between the second and third multi-sized contacting layers of the multilayer structure is designed so that it provides over-barrier electron transfer between the second and third multi-sized contacting layers with virtually no tunneling electron transfer between these layers. This allows you to organize the equality of counter-electron flows between the second and third multi-sized contacting layers, to exclude the occurrence of the opposite mainly unidirectional transfer of electrons from the third layer to the second layer of the multilayer structure and to ensure equality of potentials between the second and third contacting layers. This is done in order to ensure predominantly unidirectional transfer of electrons from the layer to the layer of three multilayer structures and, ultimately, to organize the preferential unidirectional transfer of electrons along the entire multilayer structure without compensating counter-electron flows.

Заявленное изобретение поясняется следующими чертежами.The claimed invention is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1"а" - приведен пример известной из уровня техники многослойной структуры, состоящей из двух слоев разнородных проводящих материалов А и В, разделенных нанопленкой - слоем С, имеющем толщину Н_Б, при этом слой А представляет собой эмиттер, а слой В - коллектор.FIG. 1 "and" - is an example of a prior art multilayer structure consisting of two layers of dissimilar conductive materials A and B, separated nanofilm - layer C having a thickness of H _B, the layer A is an emitter B layer - collector.

На фиг. 1"б" - приведено распределение потенциальной энергии в области двустороннего потенциального барьера, образованного нанопленкой - слоем С, помещенной между слоями разнородных проводящих материалов А и В многослойной структуры, приведенной на фиг. 1"а".FIG. 1 "b" - shows the distribution of potential energy in the area of a bilateral potential barrier formed by a nanofilm - layer C, placed between the layers of heterogeneous conductive materials A and B of the multilayer structure shown in FIG. 1 "a".

На фиг. 2"а" - приведена заявляемая базовая многослойная твердотельная разноразмерная структура преобразователя тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию.FIG. 2 "a" - shows the inventive basic multi-layer solid-state multi-dimensional structure of the converter of thermal energy of the environment into electrical energy.

На фиг. 2"б" - приведено распределение потенциальной энергии в области двухсторонних потенциальных барьеров заявляемой базовой многослойной твердотельной разноразмерной структуры, приведенной на фиг. 2"а".FIG. 2 "b" - shows the distribution of potential energy in the area of double-sided potential barriers of the inventive basic multi-layer solid-state structure of different sizes shown in FIG. 2 "a".

На фиг. 3"а" - приведен график зависимости функции Ρ(ε) от полной энергии электронов ε, определяющей окно прозрачности для туннелирующих электронов.FIG. 3 "a" - shows a plot of the function Ρ (ε) as a function of the total electron energy ε, which determines the transparency window for tunneling electrons.

На фиг. 3"б" - приведен пример расположения окна прозрачности для туннелирующих электронов в первой энергетической подзоне слоя В заявляемой многослойной твердотельной разноразмерной структуры.FIG. 3 b - an example is given of the location of the transparency window for tunneling electrons in the first energy subzone of layer C of the inventive multi-layer solid-state multi-dimensional structure.

На фиг. 4"а" - приведен заявляемый преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию, состоящий из η последовательно соединенных базовых многослойных твердотельных разноразмерных структур.FIG. 4 "a" - shows the inventive converter of thermal energy of the environment into electrical energy, consisting of η series-connected basic multi-layer solid-state multi-dimensional structures.

На фиг. 4"б" - приведен вариант заявляемого преобразователя тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию для случая, когда свойства материалов, из которых изготовлены слои А1 и А2 идентичны и их геометрические размеры (толщины Н^А1, Н^А2) близки.FIG. 4 "b" - shows a variant of the proposed converter of thermal energy of the environment into electrical energy for the case when the properties of the materials from which the A1 and A2 layers are made are identical and their geometrical dimensions (thickness H ^A1 , H ^A2 ) are close.

На фиг. 4"в" - приведено распределение потенциальной энергии в области двухсторонних потенциальных барьеров заявляемого преобразователя тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию, приведенного на фиг. 4"б".FIG. 4 "in" shows the distribution of potential energy in the field of double-sided potential barriers of the proposed converter of thermal energy of the environment into electrical energy, shown in FIG. 4 b.

На фиг. 5 - приведена принципиальная схема выращивания слоев заявляемой базовой многослойной твердотельной разноразмерной структуры преобразователя тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию с помощью технологии молекулярно-лучевой (пучковой) эпитаксии.FIG. 5 shows a schematic diagram of the growth of layers of the inventive basic multi-layer solid-state multi-dimensional structure of the converter of thermal energy of the environment into electrical energy using the technology of molecular beam (beam) epitaxy.

На фиг. 2"а" приведена заявляемая базовая многослойная твердотельная разноразмерная структура преобразователя тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию, содержащая слой А1 позиция 1, слой В - позиция 2, слой А2 - позиция 3, разделенные между собой нанопленками С - позиция 4 и Ό - позиция 5. Слой В контактирует с одной стороны со слоем А1 через слой С, а с другой стороны со слоем А2 через слой Ό.FIG. 2 "a" shows the inventive basic multi-layer solid-state multidimensional structure of the converter of thermal energy of the environment into electrical energy, containing layer A1 position 1, layer B - position 2, layer A2 - position 3, separated by nanofilms C - position 4 and Ό - position 5. Layer B is in contact with one side with layer A1 through layer C, and on the other side with layer A2 through layer Ό.

На концах базовой многослойной структуры преобразователя тепловой энергии окружающей средыAt the ends of the basic multilayer structure of the thermal energy converter of the environment

- 5 029915- 5 029915

в электрическую энергию, выполнены электрические контакты 6, для подключения многослойной структуры во внешнюю электрическую цепь 7.in electrical energy, made electrical contacts 6, to connect the multilayer structure in an external electrical circuit 7.

Слой А1 (поз. 1) выполнен из проводящего материала, например, донорно высоколегированных полупроводников (арсенид галлия СаАк, арсенид индия 1иАк, антимонид индия 1и8Ь), уровень Ферми которого расположен в зоне проводимости.Layer A1 (pos. 1) is made of conductive material, for example, donor high-alloyed semiconductors (gallium arsenide CaAk, indium arsenide 1 and Ac, indium antimonide 1b), the Fermi level of which is located in the conduction band.

Толщина Н^А1 слоя А1 (поз. 1) должна значительно превышать величину длины волны де Бройля λ0Β, то есть Н^А1>>А0Б (структура 3Ό), например, толщина слоя А1 может быть равна Н^А1 = 50 нм. Типичная толщина слоя А1 (поз. 1) составляет 50-100 нм.The thickness H ^{A1 of the A1} layer (pos. 1) must significantly exceed the value of the de Broglie wavelength λ0Β, that is, H ^A1 >> A0B (structure 3Ό), for example, the thickness of the A1 layer may be equal to H ^A1 = 50 nm. Typical thickness of the A1 layer (pos. 1) is 50-100 nm.

Слой В (поз. 2) может быть выполнен из проводящего материала в виде донорно легированного полупроводника (например, арсенид галлия СаАк, или арсенид индия 1иАк, или антимонид индия 1и8Ь) или полуметалла (например, висмут Βί) с уровнем Ферми, расположенным в зоне проводимости.Layer B (pos. 2) can be made of a conductive material in the form of a donor-doped semiconductor (for example, gallium arsenide CaAk, or indium arsenide 1iAk, or indium antimonide Ii8b) or a semimetal (for example, bismuth) with a Fermi level located in the zone conductivity.

Толщина Н^в слоя В (поз. 2) должна быть меньше величины длины волны де Бройля λ_0& то есть IΙ^Β λ .. (структура 2Ό). Типичная толщина Н^в слоя В (поз. 2) имеет величину порядка 4-12 нм. Например, толщина слоя В может быть равна 8 нм.The thickness H ⁱⁿ layer B (pos. 2) must be less than the de Broglie wavelength λ _{0 &} that is, IΙ ^Β λ .. (structure 2Ό). Typical thickness H ⁱⁿ layer B (pos. 2) is of the order of 4-12 nm. For example, the thickness of the layer B may be equal to 8 nm.

Таким образом, принципиально важным для организации преимущественно однонаправленного туннельного переноса электронов из слоя А1 (поз. 1) - эмиттера в слой В (поз. 2) - коллектор в заявляемом устройстве является разноразмерность слоев А1 (поз. 1) и В (поз. 2), которая, как указывалось выше, определяется соотношением величины толщин этих слоев с величиной длины волны де Бройля λ _0Б.Thus, it is fundamentally important for the organization of predominantly unidirectional tunneling electron transfer from layer A1 (position 1) - emitter to layer B (position 2) —the collector in the inventive device is the dimensionality of layers A1 (position 1) and B (position 2 ), which, as mentioned above, is determined by the ratio of the thickness of these layers with the value of de Broglie wavelength λ _0B .

Слой С (поз. 4) представляет собой нанопленку из проводящего материала или диэлектрика, например, алюмината арсенида галлия А1_хСа1_-хАк или четырехкомпонентного твердого раствора Са_у1и_!-уАк_х8Ь1_-х, где х и у- соотношение компонент твердого раствора, составляющее в сумме единицу, или полуметаллов, например, висмута Βί.Layer C (pos. 4) represents nanofilm of conductive or dielectric material, such as gallium arsenide aluminate A1 _x Ca1 _-x Ak or quaternary solid solution of Ca _y 1 _{and! Y} Ak _x 81 _-x, where x and y component ratio solid solution, amounting to a unit, or semimetals, for example, bismuth.

Типичная толщина Н^с слоя С (поз. 4) имеет величину порядка 1-6 нм, предпочтительная толщина слоя С (поз. 4) составляет Н^с = 3 нм.Typical thickness of layer C ^to H (Pos. 4) is of the order of 1-6 nm, the preferred thickness of the layer C (pos. 4) is N ^c = 3 nm.

Слой С (поз. 4), приведенный на фиг. 2"б", представляет собой двухсторонний потенциальный барьер высотой и₀.Layer C (pos. 4), shown in FIG. 2 "b" is a two-way potential barrier height and ₀ .

Толщина Н^с слоя слоя С (поз. 4) и состав его материала позволяют организовать туннелирование электронов из слоя А1 (поз. 1) - эмиттера в слой В (поз. 2) - коллектор и обратно из слоя В (поз. 2) в слой А1 (поз. 1) и обеспечить возможность существенного преобладания туннельного тока над током надбарьерного переноса электронов, когда ток надбарьерного переноса электронов пренебрежимо мал по сравнению с туннельным током, то есть:The thickness H ^{from the} layer of layer C (pos. 4) and the composition of its material make it possible to arrange the tunneling of electrons from layer A1 (pos. 1) - emitter into layer B (pos. 2) - collector and back from layer B (pos. 2) to layer A1 (pos. 1) and to ensure the possibility of a significant predominance of the tunnel current over the current above the barrier electron transfer, when the current above the barrier electron transfer is negligible compared to the tunnel current, that is:

где Е- туннельный ток через слой С (поз. 4), представляющий собой двусторонний потенциальный барьер;where E is the tunneling current through the C layer (pos. 4), which is a two-sided potential barrier;

- ток надбарьерного переноса электронов между слоями А1 (поз. 1) и В (поз. 2).- current above the barrier electron transfer between layers A1 (pos. 1) and B (pos. 2).

Реализация этого требования достигается выбором высоты двухстороннего потенциального барьера и₀ и его толщины Н^с (фиг. 2 "б" и фиг. 2"а"). При этом необходимая высота двухстороннего потенциального барьера и₀ обеспечивается выбором состава материала слоя С (поз. 4), например, подбором процентного соотношения компонент в алюминате арсенида галлия А1_хСа1_-хАк, то есть величины х, или в четырехкомпонентном твердом растворе Са_у1и_1-уАк_х8Ь1_-х, то есть подбором величин х и у.The implementation of this requirement is achieved by choosing the height of the double-sided potential barrier and ₀ and its thickness H ^s (Fig. 2 "b" and Fig. 2 "a"). In this double required height of the potential barrier and ₀ is provided by selecting the composition of the material layer C (pos. 4), e.g., the selection of the percentage of components in the gallium arsenide aluminate A1 _x Ca1 _-x Ak, i.e. the values of x, or four component in solid solution _in Ca 1 and ₁ Ak _x 8b1- _x , that is, the selection of the values of x and y.

Слой А2 (поз. 3) выполнен из проводящего материала, например, донорно высоколегированных полупроводников (арсенид галлия СаАк, арсенид индия 1иАк, антимонид индия 1и8Ь).Layer A2 (pos. 3) is made of conductive material, for example, donor high-alloyed semiconductors (gallium arsenide CaAk, indium arsenide 1iAk, indium antimonide 1i8b).

Толщина Н^А2 слоя А2 (поз. 3) должна значительно превышать величину длины волны де Бройля λ_0Β, то есть Н^Л2>>/_,-|; (структура 3Ό), например, толщина слоя А2 может быть равна Н^А2=50 нм. Типичная толщина слоя А2 (поз. 3) составляет 50-100 нм.The thickness of the H ^A2 layer A2 (pos. 3) must significantly exceed the value of the de Broglie wavelength λ _0Β , that is, H ^Л2 >> / _, - |; (structure 3Ό), for example, the thickness of the A2 layer may be equal to H ^A2 = 50 nm. Typical A2 layer thickness (pos. 3) is 50-100 nm.

В предпочтительном варианте заявляемого изобретения толщина слоя А1 может быть равна толщине слоя А2, например, Н^А1 = Н^А2 = 50 нм.In a preferred embodiment of the claimed invention, the thickness of the A1 layer may be equal to the thickness of the A2 layer, for example, H ^A1 = H ^A2 = 50 nm.

Слой Ό (поз. 5) представляет собой нанопленку из проводящего материала или диэлектрика, например, выполненную из алюмината арсенида галлия А1хСа1-хАк или четырехкомпонентного твердого раствора Са_у1и_!-уАк_х8Ь1_-х, где х и у соотношение компонент твердого раствора, составляющее в сумме единицу.Layer Ό (pos. 5) represents nanofilm of conductive or dielectric material, e.g., made of gallium arsenide aluminate A1hSa1 Haq or quaternary solid solution of Ca _y 1 _{and! Y} Ak _x 81 _-x, where x and y components of the solid solution ratio totaling one.

Толщина Н^с слоя Ό (поз. 5) имеет величину порядка 3-15 нм, предпочтительная толщина слоя Ό (поз. 5) составляет Н^с = 6 нм.The thickness H ^{from the} Ό layer (pos. 5) has a size of the order of 3-15 nm, the preferred thickness of the поз layer (pos. 5) is H ^с = 6 nm.

Слой Ό (поз. 5) представляет собой двусторонний потенциальный барьер высотой и_ь приведенный на фиг. 2"б".Layer Ό (pos. 5) is a two-sided potential barrier of height, and _ь shown in FIG. 2 b.

Толщина Н^с слоя слоя Ό (поз. 5) и состав его материала позволяют организовать надбарьерный перенос электронов из слоя А2 (поз. 3) в слой В (поз. 2) и обратно из слоя В (поз. 2) в слой А2 (поз. 3) и обеспечить возможность существенного преобладания тока надбарьерного переноса электронов над туннельным током, когда туннельный ток пренебрежимо мал по сравнению с током надбарьерного переноса электронов, то есть при соблюдении условия:The thickness H ^{from the} layer of the поз layer (pos. 5) and the composition of its material make it possible to organize the over-barrier transfer of electrons from the A2 layer (pos. 3) to the B layer (pos. 2) and back from the B layer (pos. 2) to the A2 layer ( 3) and to ensure the possibility of significant predominance of the current above the barrier electron transfer over the tunneling current, when the tunneling current is negligible compared to the current above the barrier electron transfer, that is, under the condition:

- 6 029915- 6 029915

где А- туннельный ток через слой Ώ (поз. 5), представляющий собой двусторонний потенциальный барьер;where A is the tunneling current through the Ώ layer (pos. 5), which is a two-sided potential barrier;

- ток надбарьерного переноса электронов между слоями А2 (поз. 3) и В (поз. 2).- current above the barrier electron transfer between layers A2 (pos. 3) and B (pos. 2).

Реализация этого требования достигается выбором высоты двухстороннего потенциального барьера ϋ\ и его толщины Н° (фиг. 2"б" и фиг. 2"а"). При этом необходимая высота двухстороннего потенциального барьера ϋ\ обеспечивается выбором состава материала слоя Ώ (поз. 5), например, подбором процентного соотношения компонент в алюминате арсенида галлия А1_хОа_1-хАз, то есть величины х, а в четырехкомпонентном твердом растворе Оа_у1п_1-уАз_х8Ь_1-х подбором величин х и у.The implementation of this requirement is achieved by choosing the height of the double-sided potential barrier ϋ \ and its thickness H ° (Fig. 2 "b" and Fig. 2 "a"). At the same time, the required height of the two-sided potential barrier ϋ \ is provided by choosing the composition of the состава layer material (pos. 5), for example, by selecting the percentage ratio of the components in the gallium arsenide aluminate A1 _x Oa ₁ Az, i.e., x, and in the four-component solid solution Oa _{y 1} p _1-y Az _x 8b _{1-x by} selecting the values of x and y.

В заявляемой базовой многослойной структуре слой В (поз.2) окружен с двух сторон нанопленками - слоями С (поз.4) и Ώ (поз. 5), представляющими собой двухсторонние потенциальные барьеры, поэтому слой В (поз.2) представляет собой потенциальную яму.In the inventive basic multilayer structure, layer B (pos. 2) is surrounded on both sides by nanofilms — layers C (pos. 4) and Ώ (pos. 5), which are two-sided potential barriers; therefore, layer B (pos. 2) represents potential pit

Таким образом, в заявляемой базовой многослойной структуре за счет подбора свойств материалов слоев А1, С, В, Ώ, А2 и их геометрических размеров (толщин Н^А1, Н^А2, Н^в, Н^с, Н°) организован туннельный перенос электронов между слоем А1 (поз.1) и слоем В (поз.2) и надбарьерный перенос электронов между слоями В (поз.2) и А2 (поз.3).Thus, in the inventive base multilayer structure by the selection of material properties A1 layers C, B, Ώ, A2 and their geometrical dimensions (thickness H ^A1, H ^A2 and H ⁱⁿ H ^s, H °) organized tunneling electron transfer between layer A1 (POS.1) and layer B (POS.2) and above-barrier electron transfer between layers B (POS.2) and A2 (POS.3).

Существенной особенностью явления туннелирования электронов между контактирующими между собой слоями А1 (поз. 1) и В (поз.2), представляющим собой двусторонний потенциальный барьер, разделёнными нанопленкой - слоем С (поз. 4), является то, что туннелирование электронов может осуществляться только в ограниченном интервале энергий электронов, а именно, в так называемом, окне прозрачности.An essential feature of the electron tunneling phenomenon between layers A1 (pos. 1) and B (pos.2) that are in contact with each other, which is a two-sided potential barrier separated by a nanofilm — layer C (pos. 4), is that electron tunneling can occur only in a limited range of electron energies, namely, in the so-called transparency window.

Окно прозрачности - это диапазон энергий электронов обычно симметричный относительно энергии, соответствующей энергии уровня Ферми (фиг. 3"а").The transparency window is the electron energy range usually symmetrical with respect to the energy corresponding to the energy of the Fermi level (Fig. 3a).

Диапазон энергий электронов з в окне прозрачности ограничен пороговыми значениями энергий, для которых вне окна прозрачности количество электронов, туннелирующих через потенциальный барьер, пренебрежимо мало:The energy range of electrons in the transparency window is limited by energy thresholds, for which outside the transparency window the number of electrons tunneling through the potential barrier is negligible:

геГг· - ε”^ορ ε + ε^ηορ~\GeGG · - ε ” ^ορ ε + ε ^ηορ ~ \

^{й с} I® о_тж, ϋρ. -Г с_верх], ^{nd with} I® about _tzh , ϋρ. -G from the _top ],

где ε - полная энергия электрона;where ε is the total electron energy;

8р - энергия уровня Ферми;8p is the Fermi level energy;

ε_Ρ-ε^ηορ ε _Ρ -ε ^ηορ

- нижнее пороговое значение окна прозрачности;- lower threshold value of the transparency window;

ε_Ρ + ε"^ορ ε _Ρ + ε " ^ορ

- верхнее пороговое значение окна прозрачности.- the upper threshold of the transparency window.

Расположение полной энергии электронов ε, налетающих на двусторонний потенциальный барьер, в окне прозрачности является необходимым, но не достаточным условием туннелирования электронов через двусторонний потенциальный барьер. Для того, чтобы электроны, полная энергия которых е расположена в окне прозрачности, могли протуннелировать через двусторонний потенциальный барьер, требуется выполнение дополнительного условия, а именно: величина прозрачности потенциального барьера ϋ(ε) должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить туннелирование электронов. Прозрачность двустороннего потенциального барьера ϋ(ε) зависит от энергии электронов ε_χ, которая равна сумме потенциальной энергии и части кинетической энергии электрона, определяемой проекцией квазиимпульса электрона на направление, перпендикулярное (нормальное) к поверхности потенциального барьера. Таким образом, количество электронов, туннелирующих через двусторонний потенциальный барьер зависит не только от их полной энергии ε, величина которой должна быть расположена в диапазоне значений, определяемом окном прозрачности, но также и от энергии ε_χ, которая существенным образом зависит от характера движения электронов в слоях, прилегающих к двустороннему потенциальному барьеру и определяет величину прозрачности потенциального барьера как для электронов, налетающих на двусторонний потенциальный барьер со стороны слоя АПЭ^ф), так и величину прозрачности ϋ^Β(ε), налетающих на двусторонний потенциальный барьер со стороны слоя В.The arrangement of the total energy of electrons ε incident on a two-sided potential barrier in the transparency window is a necessary, but not sufficient condition for electron tunneling through a two-sided potential barrier. In order for electrons whose total energy e is located in the transparency window to be able to tunnel through a two-sided potential barrier, an additional condition must be met, namely: the potential barrier transparency ϋ (ε) must be sufficient to provide electron tunneling. The transparency of the bilateral potential barrier ϋ (ε) depends on the electron energy ε _χ , which is equal to the sum of the potential energy and part of the kinetic energy of the electron, determined by the projection of the electron quasi-momentum perpendicular to the surface of the potential barrier. Thus, the number of electrons tunneling through a two-sided potential barrier depends not only on their total energy ε, the value of which should be located in the range of values determined by the transparency window, but also on ε _χ energy, which significantly depends on the nature of electrons moving in layers adjacent to the bilateral potential barrier and determines the magnitude of the transparency of the potential barrier for electrons incident on the bilateral potential barrier from the layer of the AGE layer ^ f), that k and the amount of transparency ^Β ε (ε) incident on the bilateral potential barrier from the layer B.

-Ж-J

Приведем доказательства того, что энергия электронов, налетающий на двусторонний потенциальный барьер- слой С (поз. 4) со стороны слоя А1 (поз. 1), и величина энергии А электронов, налетающий на двусторонний потенциальный барьер - слой С (поз. 4) со стороны слоя В (поз. 2), различны и, следовательно, различны прозрачности Э^А1ф) и ϋ^Β(ε) двустороннего потенциального барьера - слоя С (поз. 4), для электронов, налетающего со стороны слоя А1 и со стороны слоя В соответственно.Let us give evidence that the energy of electrons incident on a bilateral potential barrier-layer C (pos. 4) from the A1 layer (pos. 1), and the energy A of electrons incident on a bilateral potential barrier - layer C (pos 4) on the side of the B layer (pos. 2), there are different and, therefore, different transparencies E ^А1 ф) and ϋ ^Β (ε) of the bilateral potential barrier - the С layer (pos. 4), for electrons incident on the side of the A1 and layer B respectively.

Слой А1 (поз.1) - трехмерный проводящий материал 3Ώ, его толщина Н^А1 значительно превышает величину длины волны де Бройля то есть Н^А1>>Хав.Layer A1 (pos. 1) - a three-dimensional conductive material 3, its thickness H ^A1 significantly exceeds the value of the de Broglie wavelength, that is, H ^A1 >> Chav.

Движение электронов в слое А1 (поз.1) подчиняется законам классической механики.The movement of electrons in the A1 layer (1) obeys the laws of classical mechanics.

Кинетическая энергия электронов в слое А1 (поз.1) распределяется между направлениями по всем трем осям координат одинаково, электроны двигаются в слое А1 хаотически во всех направлениях. Электроны налетают на двусторонний потенциальный барьер слой С (поз. 4) под разными углами так,The kinetic energy of electrons in layer A1 (position 1) is distributed between the directions along all three axes of coordinates in the same way; electrons move in layer A1 randomly in all directions. Electrons fly on the bilateral potential barrier layer C (pos. 4) at different angles, so that

- 7 029915- 7 029915

чтоwhat

4141

.41.41

где 4 - полная энергия электрона, падающего на двусторонний потенциальный барьер слой С (поз.4) со стороны слоя А1 (поз.1), равная сумме потенциальной энергии и части кинетической энергии электрона, определяемой проекцией квазиимпульса электрона на направление, перпендикулярное (нормальное) к поверхности двустороннего потенциального барьера;where 4 is the total energy of an electron falling on a two-sided potential barrier layer C (pos.4) from the side of the A1 layer (pos.1) equal to the sum of the potential energy and part of the kinetic energy of the electron, determined by the projection of the electron quasi-momentum on the direction perpendicular (normal) to the surface of a bilateral potential barrier;

ε - полная энергия электрона (сумма потенциальной и кинетической энергии электрона); γ - угол падения электрона на двусторонний потенциальный барьер слой С (поз.4).ε is the total energy of an electron (the sum of the potential and kinetic energy of an electron); γ is the angle of electron incidence on the bilateral potential barrier layer C (pos.4).

Поскольку большинство электронов, налетающих со стороны слоя А1 на двусторонний потенциальный барьер слой С, падают на него под разными углами γ, то энергия электронов % у большинства электронов, туннелирующих из слоя А1 в слой В, близка к полной энергии электронов ε. Поскольку полная энергия электронов е расположена в окне прозрачности, то и у большинства электронов, налетающихSince the majority of electrons incident from the side of the A1 layer on the bilateral potential barrier layer C, fall at it from different angles γ, the electron energy% of most electrons tunneling from the A1 layer to the layer B is close to the total electron energy ε. Since the total electron energy e is located in the transparency window, then the majority of electrons incident

на двусторонний потенциальный барьер - слой С (поз.4) со стороны слоя А1, энергия электронов также лежит в окне прозрачности, то естьon a two-sided potential barrier - C layer (pos.4) from the A1 layer side, the electron energy also lies in the transparency window, that is,

.41.41

]·] ·

Б^П°^Р БB ^P ° ^R B

^ύαακ>^{ύ ύ} αακ> ^ύ

+ Б^П°^Р Р ^{т й}верх+ B ^P ° ^P P ^{t th} top

'1 ί^Ρ'1 ί ^ Ρ

Слой В (поз.2) - проводящий материал толщины Н^в, окруженный с двух сторон двусторонними потенциальными барьерами, образованными с одной стороны слоем С (поз.4), и, с другой стороны слоем Э (поз.5). Поскольку толщина слоя В (поз.2) Н^в<Х_бБ, то слой В (поз.2)- квантовая потенциальная яма размерности 2Ώ.Layer B (pos. 2) is a conductive material of thickness H ⁱⁿ , surrounded on both sides by two-sided potential barriers, formed on one side with layer C (pos. 4), and, on the other hand, layer E (pos. 5). Since the thickness of layer B (position 2) H ⁱⁿ <X _bB , then layer B (position 2) is a quantum potential well of dimension 2Ώ.

Движение электронов в квантовой потенциальной яме (двухмерный (2Ώ) слой В (поз.2)) подчиняется законам квантовой механики и существенно отличается от характера движения электронов в трехмерном (3Ώ) слое А1 (поз.1).The movement of electrons in a quantum potential well (two-dimensional (2Ώ) layer B (position 2)) obeys the laws of quantum mechanics and differs significantly from the nature of the motion of electrons in the three-dimensional (3Ώ) layer A1 (position 1).

Множество электронов в слое В (поз.2) распадается на энергетические подзоны (фиг. 3"б"). В слое В (поз.2) все электроны одной энергетической подзоны налетают на двусторонний потенциальный барьер слой С (поз.4) с одинаковой кинетической энергией, определяемой энергией уровня размерного квантования.The set of electrons in layer B (POS.2) is divided into energy subzones (Fig. 3 “b”). In layer B (position 2), all electrons of the same energy subband fly into a two-sided potential barrier layer C (position 4) with the same kinetic energy determined by the energy of the size quantization level.

Учитывая эту особенность движения электронов в слое В (поз.2) требуется при расчете многослойной разноразмерной структуры посредством выбора материала слоя В (поз.2) и его толщины Н^в обеспечить выполнение следующих условий:Considering this feature of the movement of electrons in layer B (position 2), it is required when calculating a multilayer structure of different sizes by selecting the material of layer B (position 2) and its thickness H ^{in to} ensure that the following conditions are met:

окно прозрачности в предпочтительном варианте реализации изобретения должно быть расположено в первой энергетической подзоне (фиг. 3"б"), для которой характерен наименьший энергетическийThe transparency window in the preferred embodiment of the invention should be located in the first energy subzone (FIG. 3 b), which is characterized by the smallest energy

уровень размерного квантования электронов;size quantization of electrons;

.в.at

энергия электронов, падающих на двусторонний потенциальный барьер слой С (поз.4) со стороны слоя В (поз.2), определяемая суммой потенциальной энергии и части кинетической энергии, равной энергии уровня размерного квантования электронов первой энергетической подзоны, в предпочтительном варианте реализации изобретения должна удовлетворять неравенству:the energy of electrons incident on a bilateral potential barrier layer C (pos. 4) from the side of layer B (pos. 2), determined by the sum of the potential energy and part of the kinetic energy equal to the energy of the size quantization level of electrons of the first energy subband, in the preferred embodiment of the invention should satisfy inequality:

ε^Β< ε,-ε^ηορ .ε ^Β <ε, -ε ^ηορ .

X Ь нижX b lower

Соблюдение этих условий обеспечивает выполнение неравенстваCompliance with these conditions ensures that inequality

„Л1. „В„L1. "AT

Ранее в материалах настоящей заявки было показано, что прозрачность двустороннего потенциального барьера зависит от энергии электронов ε_±, налетающих на него, причем, чем больше энергия электронов ε_±, налетающих на барьер, тем выше прозрачность двустороннего потенциального барьера. КакEarlier in the materials of the present application, it was shown that the transparency of a bilateral potential barrier depends on the electron energy ε _± incident on it, and, the higher the electron energy ε _± incident on the barrier, the higher the transparency of the two-sided potential barrier. how

б^ах b ^ah

было показано выше, энергия электронов > , налетающих на двусторонний потенциальный барьер р^в It was shown above, the energy of electrons> incident on the bilateral potential barrier p ⁱⁿ

(слой С (поз.4)) со стороны слоя А1 (поз.1), больше чем энергия электронов *±, налетающих на двусторонний потенциальный барьер (слой С (поз.4)) со стороны слоя В (поз.2). Поэтому прозрачность двустороннего потенциального барьера слоя С (поз.4) для электронов, налетающих на него со стороны слоя А1 больше прозрачности этого барьера для электронов, налетающих на него со стороны слоя В (поз.2). Это обеспечивает создание дополнительного преимущественно однонаправленного переноса электронов из слоя А1 (поз.1) в слой В (поз.2), не прибегая к какому-либо внешнему воздействию на многослойную твердотельную разноразмерную структуру.(layer C (pos.4)) from the side of the A1 layer (pos.1), greater than the electron energy * ±, incident on the bilateral potential barrier (layer C (pos.4)) from the side of the B layer (pos.2). Therefore, the transparency of the bilateral potential barrier of the C layer (pos.4) for electrons incident on it from the A1 layer is greater than the transparency of this barrier for electrons incident on it from the B layer (pos.2). This ensures the creation of an additional, predominantly unidirectional transfer of electrons from the A1 layer (pos.1) to the B layer (pos.2), without resorting to any external influence on the multi-layer solid-state multidimensional structure.

Заявляемый преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию работает следующим образом.The inventive converter of thermal energy of the environment into electrical energy works as follows.

В базовой многослойной твердотельной разноразмерной структуре двусторонний потенциальной барьер - слой С (поз.4) организован таким образом, что туннельный перенос электронов между слоями А1 (поз.1) и В (поз.2) является определяющим, а надбарьерный перенос пренебрежимо мал. Поэтому, в силу того, что прозрачность двустороннего потенциального барьера слоя С (поз.4) для электронов, налетающих на него со стороны слоя А1, больше прозрачности этого барьера для электронов, налетающих наIn the basic multilayer solid-state structure of different sizes, a two-sided potential barrier - layer C (position 4) is organized in such a way that the tunneling transfer of electrons between layers A1 (position 1) and B (position 2) is decisive, and the above-barrier transfer is negligible. Therefore, due to the fact that the transparency of the bilateral potential barrier of the C layer (pos.4) for electrons incident on it from the A1 layer, is more transparent for this barrier for electrons incident on

- 8 029915- 8 029915

него со стороны слоя В (поз.2), будет наблюдаться преимущественно однонаправленный туннельный перенос электронов из слоя А1 (поз.1) в слой В (поз.2). В результате туннельного переноса в слое В (поз.2) будут накапливаться электроны, это приводит к появлению дополнительного тормозящего поля для электронов, туннелирующих из слоя из слоя А1 (поз.1) в слой В (поз.2), и между слоями А1 (поз.1) и В (поз.2). Возникает дополнительная разность потенциалов.from the side of layer B (position 2), mainly unidirectional tunneling of electrons from layer A1 (position 1) to layer B (position 2) will be observed. As a result of tunneling transfer, electrons will accumulate in layer B (pos.2), this leads to the appearance of an additional decelerating field for electrons tunneling from the layer from layer A1 (position 1) to layer B (position 2), and between layers A1 (position 1) and (position 2). There is an additional potential difference.

При разомкнутой внешней электрической цепи 7 возникновение указанного дополнительного тормозящего поля приведет к уменьшению потока электронов, туннелирующих из слоя А1 (поз.1) в слой В (поз.2), в результате чего в базовой многослойной твердотельной разноразмерной структуре установятся равновесный режим и разность потенциалов между слоями А1 (поз.1) и В (поз.2), при которых потоки туннелирующих электронов из слоя А1 (поз.1) в слой В (поз.2) и обратно из слоя В (поз. 2) в слой А1 (поз. 1) будут равны.When the external electric circuit 7 is open, the occurrence of the specified additional retarding field will lead to a decrease in the flow of electrons tunneling from layer A1 (position 1) to layer B (position 2), resulting in an equilibrium mode and potential difference in the basic multi-layer solid-state structure of different sizes between layers A1 (position 1) and B (position 2), in which the flows of tunneling electrons from layer A1 (position 1) to layer B (position 2) and back from layer B (position 2) to layer A1 (pos. 1) will be equal.

Слои В (поз. 2) и А2 (поз.3) также как и слои А1 (поз.1) и В (поз.2) являются разноразмерными. Это может привести к тому, что из слоя А2 (поз.3) в слой В (поз.2) может возникнуть преимущественно однонаправленный туннельный перенос электронов. Это может привести к возникновению встречной разности потенциалов, что нежелательно для эффективного функционирования заявляемого устройства. Поэтому двусторонний потенциальный барьер - слой Ό (поз.5), который разделяет слои В (поз.2) и А2 (поз.3) организован так, что перенос электронов между слоями В (поз.2) и А2 (поз.3) определяется надбарьерным переносом, а туннельный перенос электронов через барьер Ό (поз.5) пренебрежимо мал по сравнению с надбарьерным. По этой причине особенности явления туннельного переноса электронов между контактирующими разноразмерными слоями В (поз.2) и А2 (поз.3) не проявляются, преимущественно однонаправленного переноса электронов из слоя А2 (поз.3) в слой В (поз.2) не возникает и разность потенциалов между слоями В (поз.2) и А2 (поз.3) отсутствует.Layers B (position 2) and A2 (position 3) as well as layers A1 (position 1) and B (position 2) are of different sizes. This can lead to the fact that from the A2 layer (pos.3) into the B layer (pos.2), predominantly unidirectional tunneling of electrons can occur. This can lead to a counter potential difference, which is undesirable for the effective functioning of the claimed device. Therefore, a two-sided potential barrier - layer Ό (position 5), which separates layers B (position 2) and A2 (position 3) is organized so that the transfer of electrons between layers B (position 2) and A2 (position 3) is determined by the above-barrier transfer, and the tunnel transfer of electrons through the barrier Ό (pos.5) is negligible compared to the above-barrier transfer. For this reason, the peculiarities of the phenomenon of tunnel electron transfer between the contacting multi-sized layers B (position 2) and A2 (position 3) do not show up, mostly unidirectional transfer of electrons from the A2 layer (position 3) to layer B (position 2) does not occur and the potential difference between layers B (POS.2) and A2 (POS.3) is absent.

В результате между А1 (поз.1) и А2 (поз.3) в равновесном состоянии при разомкнутой внешней электрической цепи 7 установится разность потенциалов, величина которой определяется сдвигом уровней Ферми между слоями А1 (поз. 1) и В (поз.2).As a result, between A1 (position 1) and A2 (position 3) in the equilibrium state when the external electric circuit 7 is open, a potential difference is established, the magnitude of which is determined by the shift of the Fermi levels between layers A1 (position 1) and B (position 2) .

При замыкании внешней электрической цепи 7 происходит стекание зарядов, расположенных в слое В (поз.2) через внешнюю электрическую цепь 7, которое сопровождается уменьшением разности потенциалов между слоями А1 (поз.1) и В (поз.2). Это приводит к уменьшению тормозящего поля для электронов, туннелирующих из слоя А1 (поз.1) и В (поз.2). В результате происходит восстановление преимущественно однонаправленного переноса (туннелирования) электронов из слоями А1 (поз.1) в слой В (поз.2). Поскольку электроны туннелируют из слоя А1 (поз.1) в слой В (поз.2) в уменьшившемся тормозящем поле, то их энергия уменьшается и "электронный газ" (совокупность электронов) охлаждается. Потери энергии электронов, которые протуннелировали из слоя А1 (поз.1) в слой В (поз.2) в уменьшившемся тормозящем поле, восполняются за счет столкновительных процессов с атомами кристаллической решетки материалов многослойной структуры, что вызовет охлаждение многослойной структуры относительно окружающей среды. Остывание многослойной структуры по отношению к окружающей среде приведет в соответствие со вторым законом термодинамики к передаче тепловой энергии от окружающей среды к многослойной структуре.When the external electric circuit 7 is closed, the charges located in layer B (pos.2) flow through external electric circuit 7, which is accompanied by a decrease in the potential difference between layers A1 (pos.1) and B (pos.2). This leads to a decrease in the decelerating field for electrons tunneling from layer A1 (pos. 1) and B (pos. 2). As a result, a predominantly unidirectional transfer (tunneling) of electrons from the A1 layers (pos. 1) to the B layer (pos. 2) occurs. Since electrons tunnel from layer A1 (pos. 1) into layer B (pos. 2) in a decreasing retarding field, their energy decreases and the "electron gas" (electrons combination) is cooled. The energy losses of electrons that have tunnelled out of layer A1 (pos. 1) into layer B (pos. 2) in a diminishing decelerating field are compensated for by collision processes with the atoms of the crystal lattice of multilayer structure materials, which will cause the multilayer structure to cool relative to the environment. The cooling of a multilayer structure with respect to the environment will, in accordance with the second law of thermodynamics, lead to the transfer of thermal energy from the environment to a multilayer structure.

Таким образом, тепловая энергия окружающей среды преобразуется в заявляемой многослойной твердотельной разноразмерной структуре в электрическую энергию, не прибегая к какому-либо внешнему воздействию.Thus, the thermal energy of the environment is converted into electrical energy in the inventive multi-layer solid-state multi-dimensional structure, without resorting to any external influence.

Для увеличения разности потенциалов, образующейся на концах заявляемой многослойной твердотельной разноразмерной структуры, достаточно организовать многослойную структуру, состоящую из последовательного соединения нескольких базовых многослойных твердотельных разноразмерных структур. Пример такой возможной многослойной структуры приведен на фиг. 4"а". Если свойства материалов, из которых изготовлены слои А1 и А2 идентичны и их геометрические размеры (толщины Н^А1, Н^А2) близки, то другим возможным вариантом конструктивного исполнения многослойной структуры, является вариант, приведенный на фиг. 4"б". Соответствующее распределение потенциальной энергии в области двусторонних потенциальных барьеров в многослойной структуре, приведенной на фиг. 4"б", изображено на фиг. 4"в".To increase the potential difference formed at the ends of the claimed multi-layer solid-state structure of different sizes, it is sufficient to organize a multi-layer structure consisting of the serial connection of several basic multi-layer solid-state structures of different sizes. An example of such a possible multilayer structure is shown in FIG. 4 "a". If the properties of the materials from which the A1 and A2 layers are made are identical and their geometrical dimensions (thickness H ^A1 , H ^A2 ) are close, then another possible design variant of the multilayer structure is the variant shown in FIG. 4 b. The corresponding distribution of potential energy in the area of bilateral potential barriers in the multilayer structure shown in FIG. 4 b, is shown in FIG. 4 "in".

Заявляемый преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию, представляющий собой многослойную твердотельную разноразмерную структуру, может быть реализован с использованием метода молекулярно-лучевой (пучковой) эпитаксии, известного из уровня техники, например, описанного в книге Гусева А.И. "Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии", М.: Физматлит, 2005 г., стр. 379.The inventive converter of thermal energy of the environment into electrical energy, which is a multi-layer solid-state structure of different sizes, can be implemented using the method of molecular beam (beam) epitaxy, known from the prior art, for example, described in the book Guseva A. "Nanomaterials, nanostructures, nanotechnologies", M .: Fizmatlit, 2005, p. 379.

На фиг. 5 приведено схематичное изображение установки для выращивания слоев заявляемой базовой многослойной твердотельной разноразмерной структуры преобразователя тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию с помощью технологии молекулярно-лучевой (пучковой) эпитаксии.FIG. 5 shows a schematic depiction of an installation for growing layers of the inventive basic multi-layer solid-state multi-dimensional structure of the converter of thermal energy of the environment into electrical energy using molecular beam (beam) epitaxy technology.

С помощью нагревательных элементов 8, представляющих собой тигель с материалом выращиваемого слоя, на подложку 9 последовательно наносятся слои базовой многослойной структуры: А1 (поз.1), С (поз.4), В (поз.2), Ό (поз.5), А2 (поз.3). Испаряемое вещество с относительно высокой скоростью пере- 9 029915With the help of heating elements 8, representing a crucible with the material of the growing layer, layers of basic multilayer structure are sequentially applied onto the substrate 9: A1 (pos. 1), C (pos.4), B (pos.2), (pos.5 ), A2 (pos.3). Evaporated substance with a relatively high speed of 9 029915

носится на подложку 9 или поверхность уже сформированного слоя в условиях высокого вакуума. При работе нескольких нагревательных элементов 8 одновременно можно формировать слои со сложным химическим составом.worn on the substrate 9 or the surface of an already formed layer under high vacuum conditions. By operating several heating elements 8, layers with a complex chemical composition can be formed at the same time.

Управление процессом наращивания слоев в многослойной твердотельной разноразмерной структуре преобразователя тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию осуществляется с помощью механических затворов 10, расположенных между нагревательным элементом 8 и поверхностью формируемого слоя. Использование механических затворов 10 позволяет резко прерывать и возобновлять поступление любого материала из нагревательных элементов 8, регулируя таким образом состав материала слоя и его толщину.The process of building up the layers in a multi-layer solid-state multi-dimensional structure of the converter of thermal energy of the environment into electrical energy is controlled by mechanical shutters 10 located between the heating element 8 and the surface of the formed layer. The use of mechanical valves 10 allows you to abruptly interrupt and resume the flow of any material from the heating elements 8, thus regulating the composition of the layer material and its thickness.

При изготовлении базовой многослойной твердотельной разноразмерной структуры методом молекулярно-лучевой (пучковой) эпитаксии материалы всех контактирующих слоев А1, С, В, Ό, А2 имеют близкие по величине постоянные кристаллической решетки.In the manufacture of basic multi-layer solid-state structures of different sizes by the method of molecular beam (beam) epitaxy, the materials of all the contacting layers A1, C, B,, A2 have similar lattice constants.

Claims (1)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию, содержащий по меньшей мере одну базовую многослойную твердотельную разноразмерную структуру, включающую слой А1, выполненный из проводящего материала, толщина Н^А1 которого больше величины длины1. The Converter of thermal energy of the environment into electrical energy, containing at least one basic multi-layer solid-state structure of various sizes, including layer A1, made of conductive material, the thickness H ^{A1 of} which is greater than the length волны де Бройля, то естьde Broglie waves that is н^л‘»/_АБ,n ^l '/ _AB , где Н^А1 - толщина слоя А1, Х_0Б - величина длины волны де Бройля, а уровень Ферми расположен в зоне проводимости,where H ^A1 is the thickness of the A1 layer, X _0B is the de Broglie wavelength value, and the Fermi level is located in the conduction band, слой В, контактирующий с одной стороны со слоем А1 через слой С, а с другой стороны со слоем А2 через слой Ό, при этомlayer B, in contact with one side with layer A1 through layer C, and on the other side with layer A2 through layer Ό, while слой В выполнен из проводящего материала в виде донорно легированного полупроводника или полуметалла, толщина Н^в которого должна быть меньше величины длины волны де Бройля Х_0Б, то естьlayer B is made of conductive material in the form of donor-doped semiconductor or semimetal, the thickness H ⁱⁿ which must be less than the de Broglie wavelength X _0B , i.e. где Н^в- толщина слоя В, Х_0Б - величина длины волны де Бройля, а уровень Ферми расположен в зоне проводимости,where H ⁱⁿ - the thickness of the layer, X _0B - the value of the de Broglie wavelength, and the Fermi level is located in the conduction band, слой С представляет собой нанопленку из проводящего материала или диэлектрика, толщина Н^с которого и состав материала позволяют организовать туннелирование электронов из слоя А1 в слой В и обратно из слоя В в слой А1 и обеспечить возможность существенного преобладания туннельного тока над током надбарьерного переноса электронов, когда ток надбарьерного переноса электронов пренебрежимо мал по сравнению с туннельным током, то естьlayer C is a nanofilm of a conductive material or dielectric, the thickness H ^from which and the composition of the material allow us to organize the tunneling of electrons from the A1 layer to the B layer and back from the B layer to the A1 layer and to ensure that the tunneling current is significantly predominant over the above-barrier electron transfer current when the current above the barrier electron transfer is negligible compared to the tunneling current, i.e. где - туннельный ток через слой С, представляющий собой двусторонний потенциальный барьер,where is the tunneling current through the C layer, which is a two-sided potential barrier, ток надбарьерного переноса электронов между слоями А1 и В,current above the barrier electron transfer between layers A1 and B, слой А2 выполнен из проводящего материала, толщина Н^А ны де Бройля, то есть:the A2 layer is made of a conductive material, the thickness of the N ^And de Broglie, that is: которого больше величины длины волΗ^Α2»λwhich is greater than the length of the wave ^Η2 "λ дБ)dB) где Н^А2 - толщина слоя А2, Х_0Б - величина длины волны де Бройля,where H ^A2 is the thickness of the A2 layer, X _0B is the value of the de Broglie wavelength, слой Ό представляет собой нанопленку из проводящего материала или диэлектрика, толщина Н^в которого и состав материала позволяют организовать надбарьерный перенос электронов из слоя А2 в слой В и обратно из слоя В в слой А2 и обеспечить возможность существенного преобладания тока надбарьерного переноса электронов над туннельным током, когда туннельный ток пренебрежимо мал по сравнению с током надбарьерного переноса электронов, то есть:layer Ό is a nanofilm of a conductive material or dielectric, the thickness H ⁱⁿ which and the composition of the material make it possible to organize the over-barrier transfer of electrons from the A2 layer to the B layer and back from the B layer to the A2 layer and to ensure that the above-barrier electron transfer current over the tunnel current, when the tunneling current is negligible compared to the current above the barrier electron transfer, that is: где т - туннельный ток через слой Ό, представляющий собой двусторонний потенциальный барьер,where t is the tunneling current through the layer Ό, which is a two-sided potential barrier, нб- ток надбарьерного переноса электронов между слоями А2 и В.nb-current above-barrier electron transfer between layers A2 and B. 2. Преобразователь по п.1, в котором при изготовлении базовой многослойной твердотельной разноразмерной структуры методом молекулярно-лучевой (пучковой) эпитаксии материалы всех контактирующих слоев А1, С, В, Ό, А2 имеют близкие по величине постоянные кристаллической решетки.2. The converter according to claim 1, in which the materials of all the contacting layers A1, C, B, Ό, A2 have crystal lattice constants which are of the same size as the contacting layers A1, C, B, Ό, A2 when producing a basic multi-layer solid-state multidimensional structure. - 10 029915- 10 029915 С(нанопленка)C (nanofilm) А Эмиттер BUT Emitter т t В Коллектор AT Collector \ \ Нб Nb X X X X