KR20140095553A - 전자기 에너지 수집 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

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저스틴 할라스
필립 레이턴
마이클 펜넬
숀 미드
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퍼시픽 인테그레이티드 에너지, 인크.
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Abstract

전자기 에너지를 수집하기 위한 장치가 제공된다. 이 시스템은 하나 이상의 전자기 에너지 수집 장치를 포함할 수 있다. 개개 장치는 반도체층에 인접한 제1 전기 도전층을 포함한다. 제1 전기 도전층은 제1 전기 도전층과 반도체층 사이의 계면에서 전하 흐름에 대한 쇼트키 배리어를 형성한다. 제2 전기 도전층이 반도체층에 인접하게 제1 전기 도전층과는 떨어져 배치된다. 제2 전기 도전층은 반도체층과 쇼트키 컨택트를 형성한다. 장치가 전자기 에너지에 노출되면, 제1 전기 도전층은 제2 전기 도전층과 공진적으로 상호작용하는 국소 표면 플라즈몬 공진을 생성하여 거의 완벽하게 광을 흡수한다. 광흡수는 제1층에서 쇼트키 배리어를 넘는 핫전자를 생성하여 외부 부하를 구동시킨다.

Description

전자기 에너지 수집 장치, 시스템 및 방법{DEVICES, SYSTEMS AND METHODS FOR ELECTROMAGNETIC ENERGY COLLECTION}
<상호참조>
본 출원은 2011년 11월 14일에 출원한 미국 가출원 번호 제61/559,583호에 대해 우선권을 주장하며, 이 우선권 출원은 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
<배경>
태양광발전(PV, Photovoltaics)은 광전 효과(photovoltaic effect)를 발휘하는 반도체를 이용하여 태양광 방사를 직류로 변환함으로써 전력을 발생시키는 방법이다. 태양광 발전은 광전 재료를 포함하는 다수의 태양 전지로 이루어진 태양 전지 패널을 채용할 수 있다.
전통적인 무기 태양광발전(PV)은 전력을 발생시키기 위해 반도체 p-n 접합을 이용해서, 광을 흡수하고 자유 캐리어를 생성하여 그 캐리어를 이동시킨다. 광을 전기 에너지로 변환하는 다른 방법은 쇼트키 배리어를 넘은 핫(hot) 전자의 내부 광전자 방출에 의한 것이다. 이에 대해서는 예컨대 E. W. McFarland 및 J. Tang의 "A photovoltaic device structure based on internal electron emission,"[Nature, vol. 421, no. 6923, pp. 616-8, Feb. 2003]를 참조할 수 있으며, 이 문헌은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
현재 광을 전기(또는 전기적) 에너지를 변환하는데 사용할 수 있는 장치에는 다양한 제한이 있다고 인식되고 있다. 예를 들어, 이산화티타늄 상에 얇은 금 층으로 이루어진 쇼트키 다이오드를 구비한 장치가 내부 광전자 방출로 광을 전기 에너지로 변환할 수 있지만, 이 장치는 금속으로부터 색(dye)으로의 전하 이동, 색 형광체, 포논(phonon)에의 결합에 의한 비방사 탈여기(de-excitation) 등의 다양한 경쟁 프로세스에 의해 제한될 수 있다. 일부 장치가 금속성 나노구조를 포함할 수 있지만, 금속성 나노구조는 강한 흡수 및 산란으로 초래되는 전자의 집단 진동(플라즈몬이라고 알려져 있음) 때문에 강한 광학적 공진을 나타낼 수 있다. 내부 광전자 방출에 의해 작동하는 장치는 쇼트키 배리어를 넘은 금속 나노구조로부터의 핫 전자 흐름을 색 대신에 이용하여 광을 수집하고 감지할 수 있지만, 이 장치는 입사하는 에너지의 적은 부분만 핫 전자로 변환할 뿐이며, 플라즈몬 에너지의 상당 부분이 방사되어 소실된다.
본원은 예컨대 발전 또는 광검출에 이용될 수 있는 핫 전자를 생성하기 위해 내부 광전자 방출에 의해 효과적으로 광을 결합하는 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 일부 실시형태에 있어서, 제1 스테이지에서, 거의 완벽하게 흡수가 가능한 조합형 전자기적 공진에 의해 도전성 구조에 핫 전자가 생성된다. 제2 스테이지에서, 핫 전자가 내부 광전자 방출이나 아니면 직접 터널링을 통해 쇼트키 배리어를 넘어 이동한다. 강한 흡수를 제공하는 것과 함께, 이 방법은 또한 장치의 기하학적 구조 및 재료 조성에 의해 결정되는 넓은 스펙트럼 대역폭에서 또는 좁은 파장대에서 포톤 캡처를 가능하게 한다. 좁은 파장 흡수체(absorber)는 단일 또는 다수의 흡수 대역을 갖도록 조정될 수 있다. 이 원리에 기초한 장치는 흡수가 입사 편광 및 각도에 독립적이게 설계될 수 있다. 이러한 설계는 실질적으로 얇은 폼팩터에 적합하며, 유연하고 등각적인 센서 및 에너지 수확기(energy harvester)로 용이하게 확장될 수 있다.
본원의 양태는 전자기 에너지를 수집하는 장치를 제공한다. 이 장치는 전기 도전성 나노구조를 포함하는 제1층을 포함한다. 제1층은 전자기 에너지에의 노출시에 핫 전자를 생성하도록 구성되어 있다. 본 장치는 제1층에 인접한 제2층을 포함한다. 제2층은 반도체 재료를 포함한다. 제1층과 제2층 사이의 계면은 장치가 전자기 에너지에 노출되면 전하 흐름에 대한 쇼트키 배리어를 포함한다. 본 장치는 제2층에 인접한 제3층을 포함한다. 제3층은 전기 도전성 재료를 포함한다. 장치가 전자기 에너지에 노출되면, 제1층 내의 나노구조는 제3층과 공진적으로 상호작용하는 국소 표면 플라즈몬 공진을 생성한다.
실시형태에 있어서, 장치가 전자기 에너지에 노출되면, 제1층과 제3층의 조합 응답이 제1층의 방향으로부터의 작용하는 전자기 에너지에 대해 전기적 공진 응답이 된다. 다른 실시형태에 있어서, 제3층이 제2층과 쇼트키 컨택트를 형성한다. 다른 실시형태에 있어서, 제3층이 제2층과 오믹 컨택트를 형성한다. 다른 실시형태에 있어서, 장치는 제2층 및 제3층과 인접한 전극을 더 포함한다. 전극은 제2층에 가로방향으로 인접할 수 있고, 전극은 제2층과 오믹 컨택트를 형성할 수 있다.
실시형태에 있어서, 제3층이 제2층과 오믹 컨택트를 형성한다. 다른 실시형태에 있어서, 장치는 제3층과 인접한 제4층을 더 포함한다. 제4층은 제1층과 전기적 및 자기적 공진을 형성할 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, 제1층의 전기 도전성 나노구조 및/또는 제3층의 도전 재료는 알루미늄, 은, 금, 구리, 백금, 니켈, 구리, 철, 텅스텐, 산화이트륨, 산화팔라듐, 흑연 및 그래핀으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료를 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 반도체 재료는 산화티타늄, 산화주석, 산화아연, 실리콘, 다이아몬드, 게르마늄, 탄화실리콘, 질화갈륨, 텔루륨화카드뮴으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료를 포함한다.
실시형태에 있어서, 제1층의 전기 도전성 나노구조는 복수의 긴 행으로 포함된다. 다른 실시형태에 있어서, 제1층의 전기 도전성 나노구조는 하나 이상의 3차원 기둥으로 포함된다. 하나 이상의 3차원 기둥의 개개 기둥은 1보다 큰 높이 대 폭 비를 가질 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 개개 기둥은 개개 기둥의 베이스에 대해 약 50도와 90도 사이의 테이퍼 각도를 갖는다. 다른 실시형태에 있어서, 개개 기둥은 적어도 약 2:1의 종횡비를 갖는다. 다른 실시형태에 있어서, 개개 기둥은 적어도 약 10:1의 종횡비를 갖는다.
실시형태에 있어서, 제1층은 광학적으로 투명하다. 다른 실시형태에 있어서, 장치는 제1층과 인접한 제4층을 더 포함한다. 제4층은 반도체 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에에 있어서, 제1층은 제1층의 노츨면 상에서 흡착되는 하나 이상의 프로브 분자를 포함한다. 하나 이상의 프로브 분자는 (i) 제1층과 접촉하는 용액 내의 검체와 상호작용하고 (ii) 장치 내에서 생성된 전력 및/또는 장치를 통과한 전류 흐름을 변조하도록 구성될 수 있다. 실시형태에 있어서, 제1층은 나노입자의 매트릭스를 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 제1층의 개개 나노입자는 입자 사이즈가 약 1 나노미터(nm) 내지 100 nm이다. 일 실시형태에 있어서, 나노입자는 알루미늄, 은, 금, 구리, 백금, 니켈, 구리, 철, 텅스텐, 산화이트륨, 산화팔라듐으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료를 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 매트릭스는 산화티타늄, 산화주석, 산화아연, 실리콘, 다이아몬드, 게르마늄, 탄화실리콘, 질화갈륨, 텔루륨화카드뮴으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료를 포함한다.
실시형태에 있어서, 제2층은 두께가 약 1 나노미터(nm) 내지 500 nm이다. 다른 실시형태에 있어서, 전기 도전성 나노구조는 제1층에 패턴 어레이로 배치되어 있다.
다른 실시형태에 있어서, 제1층은 제1층을 통해 연장되는 하나 이상의 개구를 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 제2층의 부분은 제1층의 하나 이상의 개구를 통해 노출된다. 다른 실시형태에 있어서, 제3층은 제1층과 절연되어 있다.
본원의 다른 양태는 전자기 에너지를 수집하기 위한 시스템을 제공한다. 이 시스템은 하나 이상의 전자기 에너지 수집 장치를 포함한다. 개개 전자기 에너지 수집 장치는, 반도체층에 인접한 제1 전기 도전층을 포함한다. 제1 전기 도전층은 제1 전기 도전층과 반도체층 사이의 계면에서 전하 흐름에 대한 쇼트키 배리어를 형성한다. 장치는, 반도체층에 인접하고 제1 전기 도전층과는 떨어져 배치되는 제2 전기 도전층을 포함한다. 제2 전기 도전층은 (i) 반도체층과는 오믹 컨택트를, 또는 (ii) 제2 전기 도전층과 반도체층 사이의 계면에서 전하 흐름에 대한 쇼트키 배리어를 형성한다. 장치가 전자기 에너지에 노출되면, 제1 전기 도전층은 제2 전기 도전층과 공진적으로 상호작용하는 국소 표면 플라즈몬 공진을 생성하여 전력을 발생시킨다.
실시형태에 있어서, 반도체층은 두께가 약 1 나노미터(nm) 내지 500 nm이다. 다른 실시형태에 있어서, 반도체층은 두께가 약 1 나노미터(nm) 내지 100 nm이다.
실시형태에 있어서, 제2 전기 도전층은 제2 전기 도전층과 반도체층 사이의 계면에서 전하 흐름에 대한 쇼트키 배리어를 형성한다. 다른 실시형태에 있어서, 본 시스템은 하나 이상의 전자기 에너지 수집 장치를 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 전자기 에너지 수집 장치는 서로 직렬로 전기적으로 연결된다. 다른 실시형태에 있어서, 장치가 전자기 에너지에 노출되면, 제1 전기 도전층과 제2 전기 도전층의 조합 응답은 제1 전기 도전층의 방향으로부터의 작용하는 전자기 에너지에 대해 전기적 공진 응답이 된다. 다른 실시형태에 있어서, 장치는 반도체층 및 제2 전기 도전층에 인접한 컨택트를 더 포함한다. 컨택트는 반도체층에 대해 가로방향으로 배치될 수 있다. 컨택트는 반도체층과의 오믹 컨택트를 형성할 수 있다.
실시형태에 있어서, 제1 전기 도전층은 전기 도전성 나노구조를 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 전기 도전성 나노구조 및/또는 제2 전기 도전층은 알루미늄, 은, 금, 구리, 백금, 니켈, 구리, 철, 텅스텐, 산화이트륨, 산화팔라듐, 흑연 및 그래핀으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료를 포함한다.
실시형태에 있어서, 전기 도전성 나노구조는 복수의 긴 행으로 포함된다. 다른 실시형태에 있어서, 전기 도전성 나노구조는 하나 이상의 3차원 기둥으로 포함된다. 하나 이상의 3차원 기둥의 개개 기둥은 1보다 큰 높이 대 폭 비를 가질 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 개개 기둥은 개개 기둥의 베이스에 대해 약 50도와 90도 사이의 테이퍼 각도를 갖는다. 다른 실시형태에 있어서, 개개 기둥은 적어도 약 2:1의 종횡비를 갖는다. 다른 실시형태에 있어서, 개개 기둥은 적어도 약 10:1의 종횡비를 갖는다. 다른 실시형태에 있어서, 전기 도전성 나노구조의 개개 나노구조는 입자 사이즈가 약 1 나노미터(nm) 내지 100 nm이다.
본원의 추가 양태 및 장점은 이어지는 상세한 설명으로부터 당업자에게 용이하게 명백해질 것이며, 이하의 상세한 설명은 본원의 예시적인 실시형태만 개시하고 설명한다. 실감하겠지만, 본원은 다르고 상이한 실시형태들이 가능하며, 몇몇 상세내용은 다양하고 명백한 측면에 있어서 변형될 수 있으며, 이 모두는 본원에서 벗어나지 않는다. 따라서, 도면 및 설명은 본래 예시적인 것이며 제한적이 아닌 것으로 간주되어야 한다.
<참조문헌 포함>
본 명세서에서 언급하는 모든 간행물, 특허, 및 특허 출원은 각각의 개별 간행물, 특허, 또는 특허 출원이 참조로 포함되는 것으로 특정적으로 그리고 개별적으로 표시된 것처럼 동일한 정도로 참조로 본 명세서에 포함된다.
본 발명의 신규한 특징은 첨부하는 특허청구범위에서 구체적으로 설명한다. 본 발명의 특징 및 장점에 대한 더 나은 이해는 본 발명의 원리가 사용되는 예시적인 실시형태에 대해 설명하는 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 얻을 수 있으며, 첨부 도면은 다음과 같다.
도 1은 본원의 장치의 에너지 대역 도면을 나타낸다.
도 2a는 협대역 센서 구성의 장치를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 2b는 도 2a의 장치의 기둥의 클로즈업을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 장치의 광학적 흡수, 반사 및 투과의 컴퓨터 시뮬레이션 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 크로스바 구성을 갖는 장치를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5는 금속 나노입자 집단을 포함하는 상부층을 갖는 장치를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 6은 고 종횡비의 광대역폭 에너지 컬렉터를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 7은 도 6의 장치의 광학적 흡수, 반사 및 투과의 컴퓨터 시뮬레이션 예를 나타내는 도면이다.
도 8a은 상부 오믹층을 갖는 고 종횡비의 광대역폭 에너지 컬렉터를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 8b는 도 8a의 장치의 기둥의 클로즈업을 도시하는 도면이다.
도 9는 바이오센서 또는 화학적 센서로서 이용될 수 장치를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 10은 전자기 에너지 수집 장치를 형성하는 공정 흐름을 나타내는 도면이다.
여기에 본 발명의 다양한 실시형태를 개시하고 설명하지만, 당업자들에게는 이들 실시형태가 예에 불과할 뿐임이 명백할 것이다. 다양한 변형예, 변경 및 대체가 본 발명으로부터 벗어나는 일 없이 당업자에게 이루어질 수 있다. 여기에서 설명하는 본 발명의 실시형태에 대한 다양한 대안이 채용될 수 있다고 생각한다.
본 명세서에서 사용되는 "핫 전자(hot electron)"란 용어는 일반적으로 반도체 내의 비평형 전자(또는 정공)을 지칭한다. 이 용어는 페르미 함수(Fermi function)가 기술하는 전자 분포를 의미할 수 있지만, 유효 온도가 고온이다. 핫 전자는, 정공과 재조합되거나 반도체 재료를 통해 컬렉터로 전도되는 것이 아니라 반도체 재료로부터 기계적으로 통과한 양일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "전자기 에너지(electromagnetic energy)"란 용어는 일반적으로 에너지를 가진 파(wave)의 형태 및 입자류의 거동인 전자기 방사(본 명세서에서는 "광"이라고도 함)를 지칭한다. 전자기 방사는 고주파, 마이크로파, 적외 방사, 가시광, 자외 방사, X선 및 감마선을 포함한다. 전자기 방사는 전자기 상호작용의 양이자 광의 기본인 포톤을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "피치(pitch)"란 용어는 일반적으로 예컨대 특징부(feature) 등의 특징부들 간의 중심간 거리를 지칭한다. 일례로, 피치는 재료층의 기둥(pillar) 또는 개구 사이의 중심간 거리이다.
본 명세서에서 사용되는 "인접하다(adjacent to)"란 용어는 일반적으로 접촉하다 또는 근접하다 등의 "옆에 있다(next to)" 또는 "접해 있다(adjoining)"를 지칭한다. 다른 층, 장치 또는 구조에 인접한 층, 장치 또는 구조는 그 다른 층, 장치 또는 구조 옆에 있거나 접해 있다. 일례로, 제2층에 인접한 제1층은 제2층 바로 옆에 있다. 다른 예로, 제2층에 인접한 제1층은 제3층(중간층)을 사이에 두고 제2층과 떨어져 있다. 본 명세서에서 설명하는 임의의 장치의 인접한 구성요소는 예컨대 본 명세서에서 설명하는 사용을 위해 그 장치가 기능하도록 서로 접촉하거나 근접해 있다. 일부 경우에 있어서, 서로 근접해 있는 인접한 구성요소들은 서로 20 마이크로미터("미크론)" 내에, 서로 10 미크론 내에, 서로 5 미크론 내에, 서로 1 미크론 내에, 서로 500 나노미터("nm") 내에, 서로 400 nm 내에, 서로 300 nm 내에, 서로 250 nm 내에, 서로 200 nm 내에, 서로 150 nm 내에, 서로 100 nm 내에, 서로 90 nm 내에, 서로 80 nm 내에, 서로 75 nm 내에, 서로 70 nm 내에, 서로 60 nm 내에, 서로 50 nm 내에, 서로 40 nm 내에, 서로 30 nm 내에, 서로 25 nm 내에, 서로 20 nm 내에, 서로 15 nm 내에, 서로 10 nm 내에, 서로 5 nm 내에, 등등에 있다. 일부 경우에, 서로 근접해 있는 인접한 구성요소들은 진공, 대기, 가스, 유체, 또는 고체(예컨대, 기판, 도전체, 반도체 등)가 그 사이에 있다.
본 명세서에서 사용되는 "오믹(ohmic)"이란 용어는 일반적으로 오믹 법칙, 즉 V = I*R에 따라 거동하는 재료를 지칭하며, 'V'는 전위를 나타내고, 'I'는 전류를 나타내며, 'R'은 저항을 나타낸다.
본원은 전자기 에너지를 수집하는데 이용될 수 있는 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 일부 예에서, 본원의 시스템 및 장치는 내부의 광전자방출(internal-photoemission)에 기초해 전자기 에너지를 수집하는 다른 장치에 비해 총 외부 효율이 상승하는 전자기 에너지를 수집할 수 있다.
전자기 에너지 수집 장치 및 시스템
본원의 양태는 전자기 에너지를 수집 또는 수확하기 위한 장치를 제공한다. 이 장치는 전기 도전성 나노구조를 포함하는 제1층을 포함한다. 제1층은 제1층이 전자기 에너지에 노출되면 핫 전자를 생성하도록 구성되어 있다. 제1층은 제1층을 통해 연장되는 하나 이상의 개구를 포함할 수 있다. 하나 이상의 개구는 다양한 형상을 가지며 다양한 패턴으로 분포될 수 있다. 일부 경우에 있어서, 하나 이상의 개구는 단면이 원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형 또는 이들의 부분 또는 조합 형상이다. 하나 이상의 개구는 서로 평행한 긴 행을 따라, 또는 서로 평행한 제1 행 세트 및 그 제1 행 세트에 직교하는 제2 행 세트를 따라 분포될 수 있는 다수의 개구를 포함할 수 있다.
본 장치는 제1층에 인접한 제2층을 더 포함할 수 있다. 제2층은 반도체 재료를 포함할 수 있다. 일부 경우에 있어서, 제2층의 부분은 제1층의 하나 이상의 개구를 통해 노출된다. 제1층과 제2층 사이의 계면은 장치가 전자기 에너지에 노출되면 전하 흐름에 대한 쇼트키 배리어를 포함할 수 있다.
본 장치는 제2층에 인접한 제3층을 더 포함할 수 있다. 제3층은 전기 도전성 재료를 포함한다. 일부 경우에 있어서, 장치가 전자기 에너지에 노출되면, 제1층 내의 나노구조는 제3층과 공진적으로 상호작용하는 국소 표면 플라즈몬 공진을 생성하여 전력을 발생시킨다.
제1층은 제3층과 절연될 수 있다. 일례로, 제3층은 제1층과 부분 절연되어 있다. 다른 예로, 제1층은 제1층과 절연되어 있다. 일부 경우에 있어서, 제1층 및 제3층은 제2층을 통해 서로 전기적으로 접촉한다.
도 1은 에너지 수집 장치를 개략적으로 도시하고 있다. 도 1의 장치는 태양광(본 명세서에서는 "태양 방사"이라고도 함) 등의 광으로부터 전자기 에너지를 수집하는데 이용될 수 있다. 도 1의 장치는 외부 부하를 구동하기 위한 에너지를 수집하기 위해 또는 에너지 저장 시스템(예, 배터리)에 연결된 도 1의 장치를 포함하는 센서 또는 시스템에서와 같이 이용될 수 있다.
도 1의 장치는 제1층(203)과 제2층(205) 사이에 반도체층(209)을 포함한다. 반도체층(209)은 n타입의 반도체를 포함할 수 있다. 제1층(203)은 패터닝된 나노/마이크로 금속성 나노구조(예컨대, 나노도트, 나노로드, 나노와이어, 나노입자 복합체)를 포함할 수 있고, 제2층(205)은 연속적인 금속막을 포함할 수 있다. 반도체층(209)은 그 반도체층(209)과의 오믹 컨택트(202)를 형성하는 전기 도전체(204)와 전기 접촉한다. 제1층(203)과 전기 도전체(204)는 반도체층(209)에 전기 접촉을 제공한다. 제1층(203)과 전기 도전체(204)는 부하(예컨대, 전력 그리드, 전자 장치, 에너지 저장 시스템)에 연결될 수 있다. 제1층(203)과 제2층(205)이 반도체층(209)과 쇼트키 컨택트를 형성할 수 있다(예컨대, 쇼트키 배리어를 제공하기 위하여). 일부 예에 있어서, 제1층(203)과 제2층(205) 각각의 재료는 제1층(203)과 반도체층(209) 간의 계면 및 제2층(205)과 반도체층(209) 간의 계면에 쇼트키 컨택트를 제공하도록 선택된다. 다른 예에 있어서, 제1층(203)의 재료는 반도체층(209)과의 쇼트키 컨택트를 제공하고, 제2층(205)은 반도체층(209)과의 오믹 컨택트를 갖는다.
외부 부하는 제1층(203)과 제2층(204)에 전기적으로 연결될 수 있다. 일례로, 외부 부하의 제1 단자(예컨대, 포지티브 단자)는 제1층(203)과의 전기 접촉으로 제1 전극에 연결되고, 외부 부하의 제2 단자는 제2층(204)과의 전기 접촉으로 제2 단자에 연결된다.
도 1의 장치의 동작중에, 적어도 부분적으로 전기적(플라즈몬) 및 자기적 공진의 여기로 인해 입사광[나노구조(203)의 왼쪽에 있는 물결선]이 제1층(203)의 나노구조와 제2층(205)의 연속적인 금속막에 의해 흡수될 수 있다. 일부 상황에 있어서, 입사광의 적어도 약 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% 또는 99%가 제1층(203)과 제2층(205)에 의해 흡수된다. 제1층(203)과 반도체(209) 사이의 컨택트가 쇼트키 배리어일 수 있는 쇼트키 컨택트(201)를 제공할 수 있다.
일례로, 도 1의 장치의 동작중에, 흡수된 광은 플라즈몬 감쇠시에 핫 전자를 생성하고("Hot e-"), 이들 전자는 (쇼트키 배리어를 포함하는)쇼트키 컨택트(201)를 통과하여 넘어간 다음에, 반도체(209)에서 열성화하여 반도체(209)의 도전대를 형성한다. 핫 전자의 생성은 정공("h+")의 생성에 수반된다. 이들 열성화된 전자는 전기 도전체(204)에 의해 수집될 때 부하를 구동시킬 수 있다. 쇼트키 배리어의 높이(φ)보다 높은 에너지(hυ)를 가진 광의 주파수가 전기 에너지로 변환되어 전력을 발생시킬 수 있다. 쇼트키 배리어의 두께가 비교적 작은 구성에 있어서, 핫 전자는 쇼트키 배리어를 직접 통과하고 도 1의 장치에 전기적으로 연결된 부하를 구동시킬 수 있다. 일부 예에 있어서, 도 1의 장치는 약 0.1 eV 내지 30 eV, 또는 0.1 eV 내지 20 eV, 또는 0.1 eV 내지 10 eV의 쇼트키 배리어 높이(φ)를 가질 수 있다.
반도체(209)는 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다. 일부 경우에서는 반도체(209)가 n타입 또는 p타입으로 도핑되고, 다른 경우에서는 반도체(209)가 진성이다. 일부 경우에 있어서, 반도체(209)는 질소 또는 인의 도움으로 n타입으로, 그리고 붕소 또는 알루미늄의 도움으로 p타입으로 도핑된다. 반도체(209)는 그 반도체(209)의 원자가와 도전대 사이에 페르미 준위(210)를 갖는다. 반도체(209)의 원자가와 도전대는 밴드갭(211)("Eg")에 의해 분리된다. 일부 예에 있어서, 밴드갭은 약 0.1 eV부터 10 eV까지, 또는 0.1 eV부터 3.5 eV까지, 또는 0.2 eV부터 1.0 eV까지이다. 일부 예에 있어서, 반도체(209)는 TiOx를 포함하고, 밴드갭은 약 3 eV이다.
본원은 전자기 방사의 수집, 및 수집된 전자기 방사의 전자기 에너지로의 변환을 위한 방법을 제공한다. 일부 실시형태에 있어서, 에너지 수집 장치는 입사광의 흡수를 최대화하도록 맞춰진 기하학 구조를 갖는 패터식 도전성 상부 접촉층을 포함한다.
도 2a와 도 2b는 에너지 수집 장치의 예를 나타내고 있다. 도시하는 예에서는, 에너지 수집 장치가 센서일 수 있다. 센서 구성에서, 광검출을 향상시키기 위해 외부 바이어스가 인가될 수 있다. 도 2b는 도 2a에 도시된 장치의 클로즈업이다. 도 2a와 도 2b의 장치는 상부 도전체층(101)과, 바닥부 도전체층(102)과, 상부 도전체층(101)과 바닥부 도전체층(102) 사이에 배치된 반도체층(103)과, 측면 오믹 컨택트(104)를 포함한다. 측면 오믹 컨택트(104)는 장치의 전극일 수 있다. 반도체층(103)은 상부 도전체층(101)과의 쇼트키 컨택트를 형성할 수 있다.
상부 도전체층(101)과 바닥부 도전체층(102)의 조합 응답은 상부 도전체층(101)의 방향으로부터의 작용하는 광에 대해 전기적 공진 응답이 될 수 있다. 전기적 공진도 자기적 공진을 형성하는 전류 루프를 여기한다. 이에 대해서는 예컨대 J. Hao, J. Wang, X. Liu, W. J. Padilla, L. Zhou, 및 M. Qiu의 "High performance optical absorber based on a plasmonic metamaterial,"[Applied Physics Letters, vol. 96, no. 25, p. 251104, 2010]를 참조할 수 있으며, 이 문헌은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 도 3은 도 2a와 도 2b의 장치 주변의 컴퓨터 시뮬레이션으로서, 광의 가시 파장에 최적화된 한 구성의 흡수, 반사 및 투과를 나타내고 있다.
도 2a와 도 2b를 참조하면, 전기적 및 자기적 공진이 여기되면, 상부 도전체층(101)에 입사된 광의 거의 전부가 흡수될 수 있다. 상부 도전체층(101)은 기둥(pillar)을 포함한다. 상부 도전체층(101)에서의 플라즈몬 여기(도 2b 참조)는, 핫 전자가 상부 도전체층(101)에서 열성화되어 열로 변환되기 전에, 내부 광전자방출을 통해 반도체층(103)으로 이동할 수 있는 핫 전자(105)로 감쇠될 수 있다. 반도체층(103)의 두께[즉, 상부 도전체층(101)으로부터 바닥부 도전체층(102)으로 향한 벡터를 따른 거리]는 반도체층(103)의 적어도 굴절률과 전기 저항의 함수일 수 있다. 반도체층(103)은 두께(107)가 약 1 나노미터(nm) 내지 2000 nm, 1 nm 내지 1000 nm, 1 nm 내지 500 nm, 1 nm 내지 400 nm, 1 nm 내지 300 nm, 1 nm 내지 200 nm, 1 nm 내지 100 nm, 1 nm 내지 50 nm, 또는 1 nm 내지 10 nm일 수 있다. 일부 예에 있어서, 가시광 이용의 경우, 반도체층(103)은 두께(107)가 약 1 nm 내지 100 nm, 또는 1 nm 내지 50 nm이다. 다른 예에 있어서, 반도체층(103)은 두께(107)가 약 20 nm 내지 500 nm, 또는 20 nm 내지 150 nm이다. 적외선(IR) 광 및 장파장의 광의 경우, 반도체층(103)은 두께(107)가 약 50 nm 내지 800 nm, 또는 100 nm 내지 400 nm일 수 있다. 반도체층(103)의 두께는 사용 재료 및 원하는 수집 파장에 종속될 수 있다.
상부 접촉층(101)의 기하학적 구조는, 유효 동작을 위해 쇼트키 컨택트의 1 평균 자유 경로 내에서 핫 캐리어가 생성되도록 선택되거나 다른 식으로 제공될 수 있다. 일부 경우에 있어서, 상부 접촉층(101)은 단면이 원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형 또는 이들의 부분 또는 조합 형상이다.
파장 감도는 (1) 인접한 상부 접촉층들 사이의 평균 거리(도 2a 참조)일 수 있는 장치의 피치(110), (2) 상부 도전체층(101)의 기둥들의 폭(106)과 두께(107) 간의 비, (3) 반도체층(103)의 두께(108) 중 하나 이상에 종속될 수 있다. 일례로, 가시광의 경우, 폭(106)과 두께(107)는 약 1 nm 내지 1000 nm, 또는 20 nm 내지 500 nm이며, 피치(110) 대 폭(106)의 비는 약 1 내지 10 또는 1.5 내지 5에 이른다. 일부 상황에 있어서, 폭과 두께 간의 비가 높을수록, 완벽하거나 거의 완벽한 입사광 흡수를 위한 파장이 길어진다. 예컨대 IR 검지 등을 위한 장파장의 흡수의 경우, 가시광 검지와 비교해 전체 치수가 더 커질 수 있다.
바닥부 도전체층(102)은 (a) 반도체층(103)과의 오믹 컨택트를 형성하거나, 아니면 측면 오믹 컨택트(104)가 이용되는 경우라면 반도체층(103)과의 쇼트키 배리어를 형성할 수 있다. 일부 예에 있어서, 바닥부 도전체층(102)은 흡수를 증가시키기 위하여 상부 도전체층(101)과 공진을 형성하도록 선택되거나 다른 식으로 구성된다. 반도체층(103)과의 오믹 컨택트를 형성하는 도전체를 선택하는 효과는, 반도체층(103)을 통과하는 거리를 단축시킴으로써 열 손실을 최소화한다는 것이다.
오믹 컨택트는 반도체로부터 금속으로의 전자의 흐름에 있어서 배리어가 소극적이거나 없을 경우에 얻을 수 있다. 바닥부 도전체층(102)의 두께는 반도체(103)와의 오믹 컨택트가 제공될 정도일 수 있다. 바닥부 도전체층(102)는 일부 경우에 대상으로 하는 광의 주파수에서 공진을 형성할 수 없을 정도로 얇다. 일부 경우에 있어서, 반도체층과의 오믹 컨택트를 생성하기 위해 바닥부 도전체층(102) 위에 제3 도전체층이 제공될 수 있다. 바닥부 도전체층(102)의 재료 특성은 측면 컨택트(104)에 이용되는 재료와 유사할 수 있다. 제3 도전체층은 예컨대 재료층 간의 결정 구조와 매칭하는 것과 같이 경계 조건을 매칭하도록 제공될 수 있다. 그러한 경우의 바닥부 도전체층(102)의 두께는 상부 도전체층(101)에 광이 입사할 때 제3 도전체층이 공진을 형성하지 않도록 선택될 수 있다.
측면 오믹 컨택트(104)가 제공되는 경우에[상기 옵션 (b)], 도 2a와 도 2b의 장치의 광 흡수는 중간 도전층 없이 맞춰질 수 있다. 반도체층(102)은 반도체층(103)과 쇼트키 배리어를 형성할 수 있다.
상부 도전체층(101)은 Au, Ag, Al, Cu, Pt, Pd, Ti, 산화인듐주석(ITO), Ru, Rh, 또는 그래핀 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상부 도전체층(101)은 복합 매트릭스 내에 임베딩(embedded)될 수 있는, 예컨대 Au, Al, Ag, Cu, Pt, Pd, Ti, Pt, 또는 이들의 조합의 나노입자 등의 나노입자를 포함할 수 있다. 반도체층(103)은 n타입 또는 p타입 반도체로 형성될 수 있고, 상부 도전체층(101)과 쇼트키 배리어를 형성할 수 있다. 반도체층(103)은 II-VI족 재료, III-V족 재료, 및 IV족 재료 등의 하나 이상의 반도체 또는 절연 재료를 포함할 수 있다. 일부 예에 있어서, 반도체층(103)은 TiOx(예컨대, TiO2), SnOx (예컨대, SnO2), ZnO, 실리콘, 탄소(예컨대, 다이아몬드), 게르마늄, SiC 및 GaN 중 하나 이상을 포함한다. 이들은 플라즈몬 여기시 핫 전자의 에너지에 종속하여 쇼트키 배리어를 형성하는데 이용될 수 있다. 바닥부 도전체층(102)은 Au, Ag, Al, Cu, Pt, Pd, Ti, ITO, Ru, Rh, 및 그래핀 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 예에 있어서, 바닥부 도전체층(102)은 가시광을 이용할 경우 TI로 형성된다. 측면 오믹 컨택트(104)는 Au, Ag, Al, Cu, Pt, Pd, Ti, ITO, Ru, Rh, Mn, Mg, C 및 그래핀 또는 조합(예컨대, 이들의 합금)으로 형성될 수 있다.
도 2a와 도 2b의 상부 도전체층(101)은 다양한 형상 및 구성을 가질 수 있다. 일부 경우에 있어서, 예컨대 상부 도전체층(101)은 크로스바 구성으로 제공될 수 있다. 상부 도전체층(101)은 그 상부 도전체층(101)을 통해 연장되는 하나 이상의 개구와 반도체층(103)의 노출부를 포함할 수 있다. 도 2a에 도시하는 예에 있어서, 상부 도전체층(101)은 반도체층(103)으로 연장되는 개구를 규정하는 공간만큼 서로 떨어져 있는 행(row)을 포함한다. 그 공간(또는 개구)는 진공 상태 또는 비활성 가스(예컨대, He, Ar) 등의 가스로 충전된 상태일 수 있다. 일부 경우에 있어서, 공간은 유전체 재료 등의 전기 절연성 재료로 충전될 수 있다.
상부 도전체층(101) 내의 개구는 다양한 형상 및 구성을 가질 수 있다. 그 개구는 단면이 원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형 또는 이들의 부분 또는 조합 형상일 수 있다. 개구는 상부 도전체층(101)의 적어도 일부를 통해 연장될 수 있다. 일부 경우에 있어서, 개구는 그 상부 도전체층(101)의 일부만 통해 연장되지만, 다른 경우에는 개구가 실질적으로 상부 반도체층(101)을 통해 연장되고 반도체층(103)의 일부를 노출시킨다.
개구는 피치가 약 1 nm 내지 5000 nm, 10 nm 내지 5000 nm, 100 nm 내지 5000 nm, 200 nm 내지 5000 nm, 또는 400 nm 내지 2500 nm일 수 있다. 개구는 폭[예컨대, 상부 도전체층(101)의 인접 특징부들 간의 거리]이 약 1 nm 내지 2000 nm, 10 nm 내지 2000 nm, 100 nm 내지 2000 nm, 또는 100 nm 내지 300 nm일 수 있다.
도 4는 크로스바 구성을 갖는 집광 장치를 개략적으로 도시하고 있다. 도 4의 장치는 상부 도전체층(501)과, 바닥부 도전체층(502)과, 상부 도전체층(501)과 바닥부 도전체층(502) 사이에 배치된 반도체층(503)과, 반도체층(503) 및 바닥부 도전체층(502)과 접촉하는 측면 도전체(504)를 포함한다. 측면 도전체층(504)은 반도체층(503)과의 오믹 컨택트를 형성할 수 있다. 도 4의 장치는 상부 도전체층(501)에 개구(또는 구멍)을 포함할 수 있다. 이들 개구는 플라즈몬 공진 상태의 파장을 결정하여 그 파장에서의 광 흡수를 결정할 수 있다. 개구의 기하학적 구조는 흡수되는 광의 파장을 결정할 수 있다. 개구는 도전체층(503)의 표면의 일부를 노출시킬 수 있다. 개구는 상부 도전체층(501)의 특징부에 의해 규정될 수 있다. 도시하는 예에서는, 개구 각각이, 상부 반도체층(501)의 특징부(예컨대, 크로스바)에 의해 모든 면이 접하는 정사각형 또는 직사각형 단면이다.
일부 실시형태에 있어서, 상부 도전체층(501)은 Al, Ag, Au, Cu, Ni, Pt 및 Pd에서 선택된 하나 이상의 도전성 재료를 포함한다. 상부 도전체층(501)은 ITO, 은, 그래핀, 플루오르 도핑된 산화주석(FTO), 도핑된 산화아연, 유기 매체 내의 탄소 나노튜브 또는 기타 도전성 투명 또는 거의 투명한 재료 중 하나 이상으로 형성될 수 있는 투명 전극(도시 생략)으로 피복될 수 있다. 투명 전극은 연속 시트 또는 하나 이상의 나노구조(예컨대, 나노와이어)로서 제공될 수 있다. 이들 구성은 또한 대칭성을 나타내기 때문에 양쪽이 각도 독립적 및 편광 독립적 응답을 가능하게 할 수 있다.
대안적 구성에 있어서, 상부층은 전혀 나노패터닝되지 않을 수도 있고, 이 경우에 구성은 상부 금속층과 바닥부 금속층 사이에 파브리페롯(Fabry-perot) 응답을 지원할 수 있다. 이 경우의 파장 감도는 반도체층(503)의 두께 또는 굴절률을 변경함으로써 얻을 수 있다. 이 구성의 파브리페롯 응답은 상부 도전체층(501)에 핫 전자를 생성할 수 있다.
일부 예에 있어서, 전기 광학, 음향 광학 또는 액정을 통해 주변 매체의 굴절률을 변조함으로써, 파장 함수로서 광학 응답을 변경하여, 예컨대 검출기 또는 기타 센서 등의 조정 가능한 전자기 에너지 컬렉터를 생성할 수 있다. 이 구성에 있어서, 변조는 동적으로 제어 가능한 컬렉터를 가능하게 하는 음향, 광학, 및/또는 전기 신호로부터 시변하는 입력 신호에 의해 제어될 수 있다. 일부 예에 있어서, 파장 조정 가능한 검출은 전기/광학-기계적 움직임 변환 메커니즘을 이용하여 상부 도전체층(501)과 바닥부 도전체층(502)을 신장 또는 압축함으로써 달성될 수 있다.
대안의 복수의 센서는 각 센서가 그것의 위치 및 그 위치에서의 입사광 세기 및 파장에 따른 고유 신호를 생성할 수 있도록 어레이로 구성될 수 있다. 일부 예에 있어서, 도 2의 바닥부 도전체층(102)은 어레이 내의 다른 센서들과 절연된다. 추가의 얇은 절연성 터널링 절연체에 이어지는 감지 게이트는 바닥부 도전체(102) 상에서 반도체(103)와는 떨어져서 제공될 수 있다. 일부 경우에 있어서, 터널링 절연체는 금속 또는 반도체 산화물(예컨대, SiO2 또는 TiO2) 등의 산화물이다. 게이트는 바닥부 도전체 상의 전하를 계측할 수 있고 그 도전체(102)로 하여금 센서가 판독될 때에 방전하게 할 수 있게 한다. 이 구성에서, 센서는 파장에 따른 어레이 센서를 생성하게 된다.
도 5는 대안의 전자기 방사 컬렉터를 도시하고 있다. 도 5의 구성에 있어서, 상부 도전체층(701)은 그 상부 도전체층(701)에 임베딩된 절연된 도전성 나노/마이크로 입자(706)를 포함하는 복합층이다. 도 5의 컬렉터는 본 명세서 내의 다른 장치나 컬렉터들과 함께 이용되거나 이들에 의해 변형될 수 있다. 일부 예에 있어서, 입자(706)는 입자 크기(예컨대, 폭, 직경)가 약 0.1 nm 내지 약 1000 nm 오더인 나노입자이다. 일부 경우에 있어서, 나노입자는 입자 크기가 약 1 nm 내지 1000 nm, 1 nm 내지 500 nm, 1 nm 내지 100 nm, 또는 1 nm 내지 50 nm일 수 있다. 다른 예에 있어서, 입자(706)는 입자 크기가 약 1 마이크로미터("미크론) 내지 1000 미크론 오더인 마이크로입자이다. 다른 예에 있어서, 입자(706)는 나노 및 마이크로입자 둘다이다. 상부 도전체층(701)은 투명할 수 있다. 도전성 입자(706)는 국소 표면 플라즈몬 공진을 생성하여 바닥부 도전층(703)과 공진적으로 상호작용할 수 있다. 일례로, 상부 도전체층(701)은 도전체 또는 반도체 매트릭스 내에 임베딩된 금속성 나노입자로 구성된다. 매트릭스는 복합 매트릭스일 수 있다. 매트릭스는 도전성 매트릭스일 수 있다. 입자(706)는 Al, Pd, Ag, Au, Cu, Pt, Ni, Cu, Fe, W, 산화이트륨, 산화팔라듐, 흑연 및 그래핀 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상부 도전체층(701)은 두께가 약 1 nm 내지 1000 nm, 또는 20 nm 내지 500 nm일 수 있다. 반도체 매트릭스에 이용될 수 있는 재료는 n 또는 p타입 반도체일 수 있다. 매트릭스는 TiOx (예컨대, TiO2), SnOx (예컨대, SnO2), ZnO, 기타 반도체 산화물, Si, 다이아몬드, Ge, SiC, GaN, ZnO, III-V족, II-VI족 및 V족 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 입자(706)는 상부 도전체층(701)을 형성하는 매트릭스 내에 임베딩될 수 있다. 반도체층(702)에 이용될 수 있는 재료는 n 또는 p타입 반도체 재료일 수 있다. 반도체층(702)은 상부 도전체층(701)과 쇼트키 배리어를 형성할 수 있다. 반도체층(702)은 TiOx(예컨대, TiO2), SnOx(예컨대, SnO2), ZnO, Si, 다이아몬드, Ge, SiC, GaN, ZnO, III-V족, II-VI족 또는 V족 재료, 또는 기타 금속 산화물 또는 반도체 산화물 중 하나 이상으로 형성될 수 있다. 일례로, 상부 도전체층(701)은 Au/ TiOx을 포함하는 나노복합재료를 포함하며 두께가 약 40 nm 미만이다. 나노복합재료 내의 금속 입자는 쇼트키 배리어를, 반도체층(702)과, 그리고 아마도 플라즈몬 나노입자와 나노복합재료층 자체를 위한 매트릭스 재료 사이에 생성할 수 있다. 반도체층(702)과의 계면에서 상부 금속층(701) 내의 금속 나노입자의 충전률(또는 농도)이 상승하면, SiOx 또는 산화알루미늄(AlOx) 등의 절연체는 매트릭스에 이용될 수 있으면서, 여전히 반도체층(702)과 쇼트키 배리어를 형성할 수 있다. 반도체층(702)은 바닥부 도전성 컨택트(703)와 오믹 접촉한다. 이 구성은 넓은 스펙트럼 범위의 흡수를 가능하게 할 수 있다. 이에 대해서는, 예컨대 M. K. Hedayati, M. Javaherirahim, B. Mozooni, R. Abdelaziz, A. Tavassolizadeh, V. S. K. Chakravadhanula, V. Zaporojtchenko, T. Strunkus, F. Faupel, 및 M. Elbahri의 "Design of a perfect black absorber at visible frequencies using plasmonic metamaterials.,"[Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.), vol. 23, no. 45, pp. 5410-4, Dec. 2011]를 참조할 수 있으며, 이 문헌 전체는 참조로 본 명세서에 포함된다.
도 6은 광대역 흡수 장치 구조를 도시하고 있다. 도 6의 장치는 상부 도전체층(301)과, 반도체 코팅층(302)과, 반도체층(303)과, 바닥부 도전체층(304), 측면 오믹 컨택트(305), 컨택트 와이어(306, 307)를 포함한다. 도 6의 장치는 높은 종횡비(즉, 높이 대 폭) 나노구조 또는 기둥을 형성하기 위해 상부 도전체층(301)의 높이가 연장되는 점을 제외하고는 도 2의 장치와 적어도 일부 측면에서 유사하다. 기둥은 3차원 기둥일 수 있다. 이 구성은 넓은 흡수 스펙트럼을 위해 "기둥들" 사이에 하이브리드 캐비티 표면 플라즈몬 공진을 생성할 수 있다. 이러한 구조는 흡수 스펙트럼을 넓게 할 수 있다. 이에 대해서는, 예컨대 C.-hung Lin, R.-lin Chern, 및 H.-yan Lin의 "Nearly perfect absorbers in the visible regime,"[Optics Express, vol. 19, no. 2, pp. 686-688, 2011]를 참조할 수 있으며, 이 문헌 전체는 참조로 본 명세서에 포함된다.
이 고 종횡비의 기둥은 페르비페롯 공진을 통해 바닥부 금속막과 또한 상호작용하는 캐비티 공진을 생성한다. 광대역 흡수체의 성능은 도 6에 도시하는 기둥의 종횡비 또는 테이퍼 각도(308)를 조정함으로써 변경 및 최적화될 수 있다. 상부 도전체층(301)의 크기는 수집될 전자기 스펙트럼에 맞쳐질 수 있다. 일부 예에 있어서, 가시광 수확의 경우, 기둥의 높이(309)는 약 100 nm 내지 2000 nm, 또는 300 nm 내지 1000 nm의 범위이며, 기둥의 폭(313)은 약 100 nm 내지 2000 nm, 또는 100 nm 내지 300 nm의 범위이고, 피치(310)는 약 200 nm 내지 5000 nm, 또는 400 nm 내지 2500 nm의 범위이다. 일부 예에 있어서, 기둥은 종횡비(즉, 높이 대 폭)이 적어도 약 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1, 9:1, 10:1, 11:1, 12:1, 13:1, 14:1, 15:1, 16:1, 17:1, 18:1, 19:1, 또는 20:1이다. 도 6에 도시하는 실시형태에 있어서, 핫 전자가 생성되는 영역과 쇼트키 배리어 사이의 거리를 최소화하기 위해 반도체(302)의 등각 코팅이 기둥의 상부 및 면에 배치된다. 그 거리는 유효 동작을 위해 금속 내 핫 전자의 평균 자유 경로 미만이어야 한다. 가시광 수집의 경우, 반도체층(302)은 두께(311)가 약 1 nm 내지 800 nm, 1 nm 내지 500 nm, 1 nm 내지 400 nm, 1 nm 내지 300 nm, 1 nm 내지 200 nm, 1 nm 내지 100 nm, 또는 1 nm 내지 50 nm의 범위일 수 있으나, 두께층이 이용될 수도 있다. 두께에 있어서 약 5 nm 이하의 얇은 층은 재료 마이그레이션으로부터 시간에 따라 쇼트를 생성할 수 있는 반도체 내의 결함을 방지하기 위해 매끄러운 표면을 필요로 할 수 있다. 반도체층(303)은 상부 도전체층(301)과 바닥부 반도체층(304) 사이에 위치한다. 반도체층(302, 303)에 이용될 수 있는 재료는 n타입 또는 p타입일 수 있고, 각 반도체층(302, 303)의 재료는 상부 도전체층(301)과 쇼트키 배리어를 형성하도록 선택될 수 있다. 반도체층(302, 303)은 TiOx(예컨대, TiO2), SnOx(예컨대, SnO2), ZnO, Si, 다이아몬드, Ge, SiC, GaN, ZnO, III-V족, II-VI족 또는 V족 재료, 또는 기타 금속 산화물 또는 반도체 산화물 중 하나 이상으로 형성될 수 있다. 테이퍼 각도(308)는 약 10도, 20도, 30도, 40도, 45도, 50도, 55도, 60도, 65 도, 70도, 75도, 80도 또는 85도보다 클 수 있다. 일부 경우에 있어서, 테이퍼 각도(308)는 50도와 90도, 또는 70도와 90도 사이일 수 있다. 도 6의 장치는 추가 편광 및 각도 독립성을 제공할 수 있는 도 4에 도시한 것과 유사한 구성(단면을 해치로 표시)을 가질 수 있다,
도전체층(303)은 두께(312)가 약 1 나노미터(nm) 내지 1000 nm, 1 nm 내지 100 nm, 또는 1 nm 내지 50 nm일 수 있다. 일부 예에 있어서, 반도체층(303)은 두께(312)가 약 20 nm 내지 500 nm, 또는 20 nm 내지 150 nm이다. 일부 예에 있어서, 광 흡수의 경우 두께(312)가 100 nm 미만이다.
도 7은 가시 파장에 적합할 수 있는 도 6의 장치의 광학적 흡수, 반사 및 투를 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션이다. 장치는 광의 광대역 및 편광(횡전기 및 횡자기) 독립적 흡수를 나타내고 있다.
도 8a와 도 8b는 다른 전자기 방사 컬렉터를 도시하고 있다. 도 8b는 도 8a의 기둥에 대한 클로즈업이다. 도 8a와 도 8b의 장치는 상부 도전체층(401)과, 제1 반도체층(402)과, 제2 반도체층(403)과, 바닥부 도전체층(404), 투명 도전체층(405), 제1 (전기적) 컨택트 테스트 포인트(406)와 제2 컨택트 테스트 포인트(407)를 포함한다. 투명 도전체층(405)은 제1 반도체층(402)과의 오믹 컨택트를 형성한다. 도 8b에 핫 전자 경로(408)를 나타내고 있는데, 핫 전자 경로(408)는 상부 도전체층(401)으로부터 제1 반도체층(402)을 통해 투명 도전체층(405)까지이다. 투명 도전체층(405)은 광의 파장을 선택하기 위해 투명한 어느 재료라도 포함할 수 있다. 가시 및 근접 IR의 경우, 투명 도전체층(405)은 ITO, 은 나노와이어, 도핑된 ZnO, 그래핀 또는 기타 적절한 재료를 포함할 수 있지만, 이들에 한정되지는 않는다. 투명 도전체층(405)은 두께가 약 10 nm 내지 500 nm, 또는 50 nm 내지 150 nm일 수 있다. 그 두께는 도 8a와 도 8b의 장치가 광에 노출될 때에 전력을 발생시킬 수 있으면서 입사광에 대해 투명하도록 선택될 수 있다. 바닥부 도전체층(404)은 감지 또는 제어 적용을 위한 다른 전기 컨택트 포인트에 대해 부유 상태일 수도 있고, 또는 대안적으로 전기적으로 연결될 수도 있다. 일례로, 상부 도전체층(401)과 바닥부 도전체층(404)은 Au, Ag, Al, Cu, Sn, Ni, Pt, Pd, Ti, ITO, Ru, Rh, 및 그래핀 중 하나 이상을 다른 재료와의 조합으로 포함할 수 있다. 일부 예에 있어서, 상부 도전체층(401) 또는 바닥부 도전체층(404)는 SnNi 합금 또는 Ag/Al를 포함한다. 제2 도전체층(403)의 재료 및/또는 두께는 제2 도전체층(403)를 통한 전자 경로를 단축시키도록 선택될 수 있다. 투명 상부 도전체층(405)은 제2 컨택트 테스트 포인트(407)에 접속될 수 있고, 상부 도전체층(401)은 제1 컨택트 테스트 포인트(406)에 접속될 수 있다. 제1 및 제2 컨택트 테스트 포인트(406, 407)는 본 명세서의 다른 부분에 기술한 바와 같이 전기 도전체로 형성될 수 있다.
일부 경우에 있어서, 상부 투명 도전체층(405)은 전자기 스펙트럼의 원하는 부분에 대해 불투명하여, 광의 원하는 주파수를 효과적으로 여과하면서 광의 다른 주파수는 컬렉터를 통과할 수 있게 한다. 이 구성에 있어서, 장치는 원하는 전자기 스펙트럼에 맞춰진 넓은 스펙트럼 센서 및 에너지 컬렉터로서 동작할 수 있다. 이것은 자가충전(self-powering) 센서 또는 원치 않는 광 필터링을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 상부 투명 도전체층(405)의 재료 특성은 입사광의 일부가 상부 도전체층(401)과 접촉하여 전자를 생성하도록 선택될 수 있으며, 이 전자는 장치에 전력을 공급하여 감지 능력을 제공하는데 이용된다.
본원은 생물학 및/또는 화학적 센서로서 이용될 수 있는 장치를 제공한다. 도 9를 참조하면, 생체분자 감지의 실시간, 무표지 검출(label-free detection)용 장치가 도시된다. 도 9의 장치는, 제한 없이 올리고뉴클레오티드 등의 기증 생체분자(complimentary biomolecule)와, 항체/항원 사이의 결합 사상을, 예컨대 장치 상에서의 발전 또는 전류 흐름에서의 변화 등에 의해 검지, 검출 또는 모니터링하는데 이용될 수 있다.
도 9의 장치는 상부 도전체층(601)과, 바닥부 도전체층(602)과, 상부 도전체층(601)과 바닥부 도전체층(602) 사이의 반도체층(603)과, 측면 컨택트(604)(예컨대, 오믹 컨택트)을 포함한다. 상부 도전체층(601)은 본 명세서의 다른 부분에 기술한 바와 같이 나노구조의 상부 금속층일 수 있다. 상부 도전체층(601)과 바닥부 반도체층(604) 사이에 부하가 연결된다. 장치는 상부 도전체(601)와 반도체층(603)에 광을 공급하는 광원(608)을 포함한다. 광은 주파수(또는 파장) 및 세기가 알려져 있을 수 있다.
도 9의 장치는 하나 이상의 검체(analyte)를 포함하는 용액과 접촉하도록 되어 있다. 장치는 상부 도전체(601)에 용액을 공급하기 위한 플로우 셀(flow cell)을 포함할 수 있다.
일례로, 도 9의 장치의 동작중에, 기증 반응(complimentary reaction)이 일어날 것을 감안하다면, 신호 전달은 용액 내 타깃 분자(606)가 장치의 상부 도전체(601)의 표면에 인접한 프로브 분자(607)에 밀접해 있는(또는 접촉할) 경우에 일어날 수 있다. 프로브 분자의 표면에 기증 타깃 분자가 조성됨으로써, 나노구조의 상부 금속층(601)의 주변 매체의 굴절율에 변화가 생겨, 기지의 파장 및 세기의 광원(608)에 의해 구동되는 장치에 생성된 전력 및/또는 그 장치를 통과하는 전류 흐름의 양을 변조할 수 있다. 당업자에게는 친숙한 적절한 경험에 바탕한 제어 및 절차가 적용될 때에, 복합 용액계 샘플 내의 타깃 생체분자의 검출이 가능하다.
도 9의 장치는 가스 및 기체용 화학적 센서로서 구성될 수 있다. 일례로, 가스/기체가 나조구조의 상부 금속 도전체(601)의 주변 매체에 존재하거나 나노구조의 상부 금속 도전체(601), 반도체(603) 또는 바닥부 도전체(602)에 흡수될 경우에, 굴절률 및/또는 기하학적 구조가 변경될 수 있다. 이에, 광원(608)으로부터의 기지의 파장 및 세기의 광에 의해 구동되는 장치에서 생성된 전력 및/또는 그 장치를 통과하는 전류 흐름을 변조할 수 있다. 일례로, 장치는 금(Au)과 반응하는 수은(Hg)을 검출하는데 이용될 수 있다.
전자기 수집 에너지 시스템은 앞에서 또는 본 명세서의 다른 부분에서 기술한 하나 이상의 전자기 에너지 수집 장치를 포함할 수 있다. 시스템이 복수의 전자기 에너지 수집 장치를 포함하는 경우에, 개개의 장치들은 직렬로 또는 병렬로 서로 연결될 수 있다. 일례로, 개개의 전자기 에너지 수집 장치는 제1 전자기 에너지 수집 장치의 바닥부 도전체층을 제2 전자기 에너지 수집 장치의 상부 도전체층에 전기적으로 접속하고, 제2 전자기 에너지 수집 장치의 바닥부 도전체를 외부 부하에 또는 제3 전자기 에너지 수집 장치의 상부 도전체에 전기적으로 접속함으로써 직렬로 연결된다. 제1 전자기 에너지 수집 장치의 상부 도전체는 제4 전자기 에너지 수집 장치의 바닥부 도전체에 또는 외부 부하에 전기적으로 연결될 수 있다.
장치 형성 방법
본원의 다른 양태는 전자기 방사(또는 에너지)를 수집하도록 구성된 장치를 형성하는 방법을 제공한다. 본 방법은 제1 금속층의 표면에 인접한 반도체층을 형성하는 단계와, 반도체층 및 제1 금속층에 인접한 측면 컨택트를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 그런 다음, 반도체층에 인접하여 제2 금속층이 형성될 수 있다.
일부 예에 있어서, 장치는 기체상 공급 방법에 의해 형성된다. 일부 예에 있어서, 장치는 스퍼터링에 의해 제조된다. 이 경우, 반도체 및 금속 둘다 하나의 챔버를 이용해서 퇴적될 수 있어 제조 시간을 단축할 수 있다. 다른 방법으로서, 개별 챔버가 이용될 수도 있다. 일부 경우에 있어서, 전자기 방사 수집 장치가 하나 이상의 기체상 공급 기술을 이용해 진공 챔버 또는 비활성 환경(예컨대, Ar 또는 He 분위기)에서 형성될 수 있다. 다른 예에 있어서, 장치는 기체상 공급 방법을 통해 형성될 수 있다. 다른 예에 있어서, 장치는 기체상 및 용액 공급의 조합 방법을 통해 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 제1 공정(1001)에 있어서, 제1 금속성 재료의 제1층이 제공된다. 제1 금속성 재료는 기판 홀더 또는 서셉터 상에 제공될 수 있다. 일부 예에 있어서, 제1층은 본원의 장치를 형성하기 위한 다양한 전구체를 수용하는 반응 공간을 갖는 반응 챔버(또는 리액터) 내의 기판으로서 제공된다. 제1층은 금 등의 제1 금속성 재료의 연속 시트일 수 있다. 제1 금속성 재료는 본 명세서의 다른 부분에 기술한 바와 같이 반도체 재료와의 쇼트키 컨택트를 형성하도록 선택될 수 있다. 제1층은 산성 용액 및/또는 산화제의 도움 등으로 세정될 수 있다. 일례로, 제1층은 H2SO4 및 H2O2의 도움으로 세정된다.
다음으로, 제2 공정(1002)에 있어서, 제1층에 인접하여 반도체층이 형성된다. 일부 예에 있어서, 반도체층은 제1층에 직접 형성된다. 반도체층은 기상 증착 기술 등을 이용해 제1층에 반도체층을 퇴적함으로써 형성될 수 있다. 기상 증착 기술의 예로는, 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD), 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD), 또는 물리적 기상 증착(physical vapor deposition, PVD), 또는 이들의 변형으로서, 예컨대 플라즈마 강화 ALD 또는 플라즈마 강화 CVD를 포함한다. 일례로, 반도체층은 제1층을 Si2H6과 약 500℃ 내지 900℃의 온도(제1층의 온도)에서 접촉시킴으로써 퇴적될 수 있는 실리콘을 포함한다.
다음으로, 제3 공정(1003)에 있어서, 반도체층이 n 또는 p타입으로 화학적으로 도핑된다. 일례로, 반도체층은 n타입 화학적 도펀트의 전구체의 도움으로 n 타입으로 도핑된다. 전구체는 NH3 또는 PH3를 포함할 수 있다. 반도체층을 p타입으로 도핑하기로 하였다면, p타입 화학적 도펀트의 전구체, 예컨대 B2H6 등이 이용될 수 있다.
반도체층이 제1층 상에 퇴적되는 동안에 또는 반도체층이 제1층에 인접하여 형성된 후에, 반도체층은 제1층을 n타입 또는 p타입 화학적 도펀트의 전구체에 노출시킴으로써 도핑될 수 있다. 일부 경우에 있어서, 반도체층이 형성된 후에 도핑이 행해지면, 반도체층은 n타입 또는 p타입 화학적 도펀트의 전구체에 노출될 수 있고, n타입 또는 p타입 화학적 도펀트를 반도체층에 주입하도록 동시에 또는 후속하여 어닐링된다.
다른 방법으로서, 반도체층이 제1층에 인접하여 형성된 다음에 반도체층은 n타입 또는 p타입으로 도핑될 수 있다. 일례로, 반도체층은 이온 주입에 의해 n타입 또는 p타입으로 도핑될 수 있다.
다음으로, 제4 공정(1004)에 있어서, 반도체층 및 제1층에 인접하여 측면 컨택트가 형성된다. 측면 컨택트는 반도체층과의 오믹 컨택트를 형성하는 재료를 포함할 수 있다. 일례로, 측면 컨택트는 포토리소그래피 등의 도움으로 반도체층의 일부를 제거함으로써 형성된다. 예컨대, 반도체층은 포토레지스트[예, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(메틸 글루타리마이드), 페놀 포름알데히드 수지]로 코팅될 수 있고, 반도체층의 엣지부는 노광되어 현상된 다음에 마스크를 제공하기 위해 제거된다(예컨대, 린스/워시를 통해). 다음으로, 제1층에 대해 반도체층을 에칭하여 제1층의 측면부를 노출하기 위해 이방성 에칭(예컨대, KOH)이 이용될 수 있다. 다음으로, 예컨대 기상 증착 기술(예컨대, PVD) 등의 도움으로 제1층 및 반도체층에 인접하여 측면 컨택트가 퇴적될 수 있다. 일례로, 제1층 및 반도체층에 인접한 실리사이드를 형성하기 위해 제1층을 실리콘 전구체(예, Si2H6) 및 탄소 전구체(예, CH4)에 노출시킴으로써 형성되는 실리사이드가 제1 측면 컨택트이다. 측면 컨택트는 약 500℃ 내지 900℃의 온도에서 형성될 수 있다.
측면 컨택트의 형성에 이어, 반도체층에 인접한 마스크를, 예컨대 마스크를 등방성 화학적 에칭제(예, HF, HNO3, H2SO4)에 노출시키거나 화학적 기계 연마(CMP)를 이용하거나 해서 제거할 수 있다. 신생 장치(nascent device)는 이제 제1층과, 그 제1층에 인접한 반도체층 및 측면 컨택트를 포함할 수 있다.
다음으로, 제5 공정(1005)에 있어서, 반도체층에 인접하여 제2층이 형성된다. 제2층은 반도체층과 쇼트키 컨택트를 형성하는 제2 금속성 재료로 형성될 수 있다. 제2층은 반도체층과 측면 컨택트 위에 포토레지스트를 제공하고, 측면 컨택트를 덮는 마스크를 제공하기 위해 포토레지스트를 통해 반도체층을 노출시킴으로써 형성될 수 있다. 그런 다음, 반도체층에 인접하여 제2층을 제공하기 위해 제2 금속성 재료가 반도체층 위에 퇴적될 수 있다. 제2 금속층은 PVD(예, 스퍼터 퇴적) 등의 기상 증착 기술을 이용해 제공될 수 있다. 그런 다음, 마스크가 제거되어 반도체층에 인접한 제2층을 갖고 측면 컨택트가 노출된 장치를 제공할 수 있다.
제2 금속성 재료가 긴 특징부(예컨대 도 2a와 도 2b 참조)로서 제공되는 경우에, 제5 공정에서의 마스크는 반도체층의 일부를 노출시키는데 제공될 수 있다. 예컨대, 마스크는 측면 컨택트를 덮고 반도체층의 일부(그러나 전체는 아님)를 덮을 수 있고, 제2 금속성 재료가 퇴적될 수 있다. 반도체층의 노출된 부분에 제2 금속성 재료가 퇴적될 수 있다.
제2층이 도 6 또는 도 8a와 도 8b의 구성을 갖는 경우에, 제2층의 퇴적은 원하는 또는 다른 방식으로 미리 정해진 종횡비를 갖는 제2층의 재료를 제공하도록 맞춰질 수 있다. 에컨대, 다수개의 마스크 도포 / 퇴적 / 마스크 제거 공정이 채용되어 고 종횡비 특징부를 갖는 제2층을 제공할 수 있다.
본원의 전자기 방사 수집 장치의 성장을 제어 및 조정하기 위해 컨트롤러 및 시스템이 이용될 수 있다. 일례로, 예컨대 기판 및/또는 기판 홀더(또는 서셉터) 온도, 리액터 압력, 반응 공간 압력, 반응 챔버 압력, 플라즈마 생성기 압력, 플라즈마 생성기에의 가스(예, Si2H6)의 유속, 반응 공간에의 가스의 유속, 한 반응 공간에서 다른 공간으로 기판이 이동하는 속도, 박막 형성시에 기판의 회전 속도, 플라즈마 생성기에의 전력(예, 직류 또는 고주파 전력), 및 반응 챔버와 유체 연결된 진공 시스템 등의 다양한 프로세스 파라미터를 제어하기 위해 제어 시스템이 제공된다. 반응 챔버의 압력은 진공 시스템의 도움으로 조정될 수 있다. 진공 시스템은, 반응 챔버에 진공을 제공하도록 구성된 예컨대 터보분자("터보") 펌프, 크라이오펌프, 이온 펌프, 및 확산 펌프 중 하나 이상의 펌프 등의 다양한 펌프를, 기계적 펌프 등의 백킹 펌프와 함께, 포함할 수 있다.
본원의 장치, 시스템 및 방법은, 예컨대 E. W. McFarland 및 J. Tang의 "A photovoltaic device structure based on internal electron emission,"[Nature, vol. 421, no. 6923, pp. 616-8, Feb. 2003], U. Kreibig 및 M. Vollme의 Optical Properties of Metal Clusters[Springer, 1995], R. Kostecki, S. Mao의 "Surface Plasmon-Enhanced Photovoltaic Device,"[미국 특허 공개 번호 2010/0175745 A1], M. W. Knight, H. Sobhani, P. Nordlander, 및 N. J. Halas의 "Photodetection with active optical antennas,"[Science (New York, N.Y.), vol. 332, no. 6030, pp. 702-4, May, 2011], Y. Lee, C. Jung, J. Park, H. Seo, 및 G. Somorjai의 "Surface Plasmon-Driven Hot Electron Flow Probed with Metal-Semiconductor Nanodiodes,"[Nano Letters, vol. 11, no. 10, pp. 4251-5, Oct. 2011], J. Hao, J. Wang, X. Liu, W. J. Padilla, L. Zhou, 및 M. Qiu의 "High performance optical absorber based on a plasmonic metamaterial,"[Applied Physics Letters, vol. 96, no. 25, p. 251104, 2010], M. K. Hedayati, M. Javaherirahim, B. Mozooni, R. Abdelaziz, A. Tavassolizadeh, V. S. K. Chakravadhanula, V. Zaporojtchenko, T. Strunkus, F. Faupel, 및 M. Elbahri의 "Design of a perfect black absorber at visible frequencies using plasmonic metamaterials."[Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.), vol. 23, no. 45, pp. 5410-4, Dec. 2011], 및 C.-hung Lin, R.-lin Chern, 및 H.-yan Lin의 "Nearly perfect absorbers in the visible regime,"[Optics Express, vol. 19, no. 2, pp. 686-688, 2011]에 기술되어 있는 다른 장치, 시스템 및 방법과 조합되거나 또는 이들에 의해 변형될 수 있으며, 이들 문헌은 각각 참조로 본 명세서에 그 전체가 포함된다.
특정 구현을 도시하고 설명하였지만 전술한 내용으로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며 여기에서 기대된다고 생각한다. 또한, 본 발명은 명세서 내에 제시한 특정 예에 의해 한정되는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명은 이상의 상세한 설명을 참조하여 기술되었지만, 본 명세서에서의 바람직한 실시형태의 설명 및 예시는 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다. 더욱이, 본 발명의 모든 양태는 각종의 조건 및 변수에 종속되는 여기에 설명한 특정 묘사, 구성 또는 상대적인 비율에 제한되어서는 안된다. 본 발명의 실시예의 형태 및 상세에 있어서의 다양한 변형이 당업자에게는 명백할 것이다. 이에, 본 발명은 이러한 임의의 변형, 변화 및 동류도 포함하는 것으로 고찰된다. 이하의 특허청구범위는 본 발명의 범주를 규정하고, 이에 이들 특허청구범위 및 그 동류의 범주 내의 방법 및 구조가 포함되는 것이다.

Claims (44)

  1. 전자기 에너지를 수집하기 위한 장치에 있어서,
    (a) 전기 도전성 나노구조를 포함하고, 전자기 에너지에의 노출시에 핫(hot) 전자를 생성하도록 구성되어 있는 제1층과,
    (b) 상기 제1층과 인접하며, 반도체 재료를 포함하는 제2층으로서, 상기 제1층과 제2층 사이의 계면은 상기 장치가 전자기 에너지에 노출되면 전하 흐름에 대한 쇼트키 배리어를 포함하는 것인 상기 제2층과,
    (c) 상기 제2층에 인접하며, 전기 도전성 재료를 포함하는 제3층
    을 포함하고,
    상기 장치가 전자기 에너지에 노출되면, 상기 제1층 내의 상기 나노구조는 상기 제3층과 공진적으로 상호작용하는 국소 표면 플라즈몬 공진을 생성하여 전력을 발생시키는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 장치가 전자기 에너지에 노출되면, 상기 제1층과 상기 제3층의 조합 응답은 상기 제1층의 방향으로부터의 작용하는 전자기 에너지에 대해 전기적 및 자기적 공진 응답이 되는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제3층은 상기 제2층과 쇼트키 컨택트를 형성하는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2층과 제3층에 인접한 전극을 더 포함하고, 상기 전극은 상기 제2층에 가로방향으로 인접하며, 상기 전극은 상기 제2층과 오믹 컨택트를 형성하는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제3층은 상기 제2층과 오믹 컨택트를 형성하는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제3층에 인접한 제4층을 더 포함하고, 상기 제4층은 상기 제1층과 전기적 및 자기적 공진을 형성하는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1층의 상기 전기 도전성 나노구조 및/또는 상기 제3층의 상기 전기 도전성 재료는 알루미늄, 은, 금, 구리, 백금, 니켈, 구리, 철, 텅스텐, 산화이트륨, 산화팔라듐, 흑연 및 그래핀으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료를 포함하는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반도체 재료는 산화티타늄, 산화주석, 산화아연, 실리콘, 다이아몬드, 게르마늄, 탄화실리콘, 질화갈륨, 텔루륨화카드뮴으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료를 포함하는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1층의 상기 전기 도전성 나노구조는 복수의 긴 행으로 포함되는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1층의 상기 전기 도전성 나노구조는 하나 이상의 3차원 기둥으로 포함되고, 상기 하나 이상의 3차원 기둥의 개개 기둥은 높이 대 폭 비가 1보다 큰 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 개개 기둥은 상기 개개 기둥의 베이스에 대해 약 50도와 90도 사이의 테이퍼 각도를 갖는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 개개 기둥은 적어도 약 2:1의 종횡비를 갖는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 개개 기둥은 적어도 약 10:1의 종횡비를 갖는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1층은 광학적으로 투명한 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1층에 인접한 제4층을 더 포함하고, 상기 제4층은 반도체 제료를 포함하는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1층은 상기 제1층의 노출면 상에 흡착되는 하나 이상의 프로브 분자를 포함하고, 상기 하나 이상의 프로브 분자는 (i) 상기 제1층과 접촉하는 용액 내의 검체와 상호작용하고 (ii) 장치 내에서 생성된 전력 및/또는 장치를 통과한 전류 흐름을 변조하도록 구성되는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 전기 도전성 나노구조의 개개 나노구조는 입자 사이즈가 약 1 나노미터(nm) 내지 100 nm인 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제1층은 매트릭스를 포함하고, 상기 전기 도전성 나노구조는 상기 매트릭스 내에 임베딩(embedded)되는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 매트릭스는 산화티타늄, 산화주석, 산화아연, 실리콘, 다이아몬드, 게르마늄, 탄화실리콘, 질화갈륨, 텔루륨화카드뮴으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료를 포함하는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 제2층은 두께가 약 1 나노미터(nm) 내지 500 nm인 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 전기 도전성 나노구조는 상기 제1층에 패턴 어레이로 배치되는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 제1층은 상기 제1층을 통해 연장되는 하나 이상의 개구를 포함하는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제2층의 부분은 상기 제1층의 상기 하나 이상의 개구를 통해 노출되는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  24. 제1항에 있어서, 상기 제3층은 상기 제1층과 절연되는 것인 전자기 에너지 수집 장치.
  25. 하나 이상의 전자기 에너지 수집 장치를 포함하는 전자기 에너지를 수집하기 위한 시스템에 있어서, 개개 장치는,
    반도체층에 인접한 제1 전기 도전층으로서, 상기 제1 전기 도전층과 상기 반도체층 사이의 계면에서 전하 흐름에 대한 쇼트키 배리어를 형성하는 상기 제1 전기 도전층과,
    상기 반도체층에 인접하고 상기 제1 전기 도전층으로부터는 떨어져 배치되는 제2 전기 도전층으로서, (i) 상기 반도체층과는 오믹 컨택트를, 또는 (ii) 상기 제2 전기 도전층과 상기 반도체층 사이의 계면에서 전하 흐름에 대한 쇼트키 배리어를 형성하는 상기 제2 전기 도전층과,
    상기 장치가 전자기 에너지에 노출되면, 상기 제1 전기 도전층은 상기 제2 전기 도전층과 공진적으로 상호작용하는 국소 표면 플라즈몬 공진을 생성하여 전력을 발생시키는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 반도체층은 두께가 약 1 나노미터(nm) 내지 500 nm인 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 상기 반도체층은 두께가 약 1 nm 내지 100 nm인 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  28. 제25항에 있어서, 상기 제2 전기 도전층은 상기 제2 전기 도전층과 상기 반도체층 사이의 상기 계면에서 전하 흐름에 대한 쇼트키 배리어를 형성하는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  29. 제25항에 있어서, 상기 제2 전기 도전층은 상기 반도체층과의 오믹 컨택트를 형성하는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  30. 제25항에 있어서, 상기 시스템은 복수의 전자기 에너지 수집 장치를 포함하는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  31. 제30항에 있어서, 상기 전자기 에너지 수집 장치는 서로 직렬로 전기적으로 연결되는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  32. 제25항에 있어서, 상기 시스템이 전자기 에너지에 노출되면, 상기 제1 전기 도전층과 상기 제2 전기 도전층의 조합 응답은 상기 제1 전기 도전층의 방향으로부터의 작용하는 전자기 에너지에 대해 전기적 공진 응답이 되는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  33. 제25항에 있어서, 상기 반도체층과 상기 제2 전기 도전층에 인접한 컨택트를 더 포함하고, 상기 컨택트는 상기 반도체층에 대해 가로방향으로 배치되며, 상기 컨택트는 상기 반도체층과의 오믹 컨택트를 형성하는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  34. 제25항에 있어서, 상기 제1 전기 도전층은 전기 도전성 나노구조를 포함하는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 상기 전기 도전성 나노구조 및/또는 상기 제2 전기 도전층은 알루미늄, 은, 금, 구리, 백금, 니켈, 구리, 철, 텅스텐, 산화이트륨, 산화팔라듐, 흑연 및 그래핀으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료를 포함하는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  36. 제34항에 있어서, 상기 전기 도전성 나노구조는 복수의 긴 행으로 포함되는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  37. 제34항에 있어서, 상기 전기 도전성 나노구조는 하나 이상의 3차원 기둥으로 포함되고, 상기 하나 이상의 3차원 기둥의 개개 기둥은 높이 대 폭 비가 1보다 큰 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  38. 제37항에 있어서, 상기 개개 기둥은 상기 개개 기둥의 베이스에 대해 약 50도와 90도 사이의 테이퍼 각도를 갖는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  39. 제37항에 있어서, 상기 개개 기둥은 적어도 약 2:1의 종횡비를 갖는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  40. 제37항에 있어서, 상기 개개 기둥은 적어도 약 10:1의 종횡비를 갖는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  41. 제25항에 있어서, 상기 제1 전기 도전층은 복합 매트릭스와, 상기 복합 매트릭스 내의 나노구조를 포함하는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  42. 제41항에 있어서, 상기 나노구조는 입자 크기가 약 1 나노미터(nm) 내지 100 nm인 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  43. 제41항에 있어서, 상기 복합 매트릭스는 산화티타늄, 산화주석, 산화아연, 실리콘, 다이아몬드, 게르마늄, 탄화실리콘, 질화갈륨, 텔루륨화카드뮴으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료를 포함하는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
  44. 제25항에 있어서, 상기 반도체층은 산화티타늄, 산화주석, 산화아연, 실리콘, 다이아몬드, 게르마늄, 탄화실리콘, 질화갈륨, 텔루륨화카드뮴으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료를 포함하는 것인 전자기 에너지 수집 시스템.
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