[RU]

Заявляемое 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 D. 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 иди 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 D 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.

(57) Реферат / Формула:

Заявляемое 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 D. 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 иди 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 D 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.

---

Евразийское (2D 201600600 (13) А1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. H01L 35/00 (2006.01)
2017.08.31 B82Y15/00 (2011.01)
(22) Дата подачи заявки 2016.08.26
(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
(96) (71)
(72)
(74)
2016000070 (RU) 2016.08.26
Заявитель:
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ
"ПРОМИНВЕСТ" (RU)
Изобретатель:
Германович Олег Пантелеймонович, Сясько Алексей Владимирович, Потапов Анатолий Иванович, Гутенев Владимир Владимирович, Сясько Владимир Александрович (RU)
Представитель:
Корчемная Л.М. (RU)
(57) Заявляемое 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 D. 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 иди 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 D 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.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
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.
Преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию представляет собой многослойную структуру, образованную из п 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 (р, а электрическое поле в области контакта создаётся нескомпенсированными ионами кристаллической решетки.
Если все контактирующие слои многослойной структуры находятся в одинаковых внешних условиях, то сумма контактных разностей потенциалов всей многослойной структуры в замкнутой цепи равна нулю.
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.
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.
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.
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.
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.
Упоминание о термоэлектрических преобразователях тепловой энергии и их возможном применении в технике имеется в российском патенте RU 2 546 678, 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 WO/2007/149185, дата публ. 27.12.2007, к международной заявке PCT/US2007/012682.
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.
Другим типом преобразователей тепловой энергии является термоэлектронные преобразователи тепловой энергии.
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.
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 увеличить мощность источника электрической энергии.
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.
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.
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.
Примерами термоэлектронных преобразователей тепловой энергии с использованием термоэлектронной эмиссии, являются, термоэлектронные преобразователи, описанные, например, в патенте US 7,109,408, дата публ. 19.09.2006, в патенте RU 2 233 509, дата приоритета 06.03.2000, и в международной публикации WO 01/6957, дата публ. 20.09.2001 к международной заявке PCT/US01/07046.
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.
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.
Примерами термоэлектронных преобразователей тепловой энергии с использованием автоэлектронной эмиссии может служить патент RU 2 479 886, дата приоритета 02.12.2011, принадлежащий ФГБУ "Национальному исследовательскому центру "Курчатовский институт".
По мнению заявителя, наиболее перспективными термоэлектронными преобразователями тепловой энергии являются преобразователи с использованием автоэлектронной эмиссии.
Таким образом, из описанного выше становится ясно, что принцип работы термоэлектронного преобразователя тепловой энергии отличается от принципа работы термоэлектрического преобразователя тепловой энергии.
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.
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.
В качестве прототипа выбрана патент США - US 3,169,200 (Huffman) "Термотунельный преобразователь тепловой энергии в электрическую энергию", публ. 09 февраль 1965.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Оксидные теплоизолирующие наноплёнки, расположенные между эмиттером и коллектором, позволяют поддерживать перепад (градиент) температур между контактирующими слоями спая.
Таким образом, оксидные теплоизолирующие наноплёнки способствуют организации преимущественно однонаправленного переноса электронов от эмиттера к коллектору, поскольку уменьшают теплопередачу между эмиттером и коллектором в спае.
Резюмируя сказанное выше, подчеркнем, что в устройстве-прототипе Huffman 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 слоёв спая (эмиттер).
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 Huffman 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 устройстве
прототипе многослойная структура должна содержать 10 слоёв, 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.
Дальнейшее развитие базового патента - прототипа получило в более поздней патентной заявке США US 2005/0184603 А1 публ. 25 августа 2005 года, в которой конструктивными средствами пытались устранить недостатки патента US 3,169,200 (Huffman), а именно конструктивно уменьшить теплопроводность между эмиттером и коллектором, что позволяет уменьшить количество слоев в многослойной структуре.
Авторы заявляемого изобретения решили пойти совершенно другим путём.
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.
С этой целью авторы решили рассмотреть особенности явления переноса электронов в многослойной структуре, представляющей собой два контактирубщих слоя разнородных проводящих материалов, разделенных нанопленкой.
Из уровня техники известно, в многослойной структуре нанопленка может образовывать двусторонний потенциальный барьер (книга "Основы физики полупроводников", авторы Ю Питер, Кар дона Мануэль, под редакцией Б. П. Захарчени, перевод с англ. И. И. Решиной. - 3-е изд. -Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2002, стр. 458-459).
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 НБ, при этом слой А представляет собой эмиттер, а слой В - коллектор.
Двухсторонним потенциальным барьером будем называть область пространства, в которой потенциальная энергия электронов имеет локальный максимум (см. Фиг. 1"б").
Поясним, какие явления происходят при падении электрона на двусторонний потенциальный барьер (наноплёнку- слой С) в многослойной структуре, приведенной на Фиг. 1"а".
На Фиг. 1"б" - приведено распределение потенциальной энергии в области двустороннего потенциального барьера, образованного нанопленкой - слоем С, помещенной между слоями разнородных проводящих материалов АиВ многослойной структуры.
На Фиг. 1"б" по оси координат "х" отложена физическая толщина НБ наноплёнки (толщина слоя С), по оси ординат отложена величина энергии Е. Кроме этого, на рисунке приведена высота двустороннего потенциального барьера - Un, и s*- 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.
Перенос электронов из слоя А в слой В и обратно из слоя В в слой А в
многослойной структуре, приведенной на Фиг. 1"а", всегда возможен, если
энергия электронов или sf, налетающих на двухсторонний
потенциальный барьер, больше высоты барьера, то есть s^, > Un. Такой вид переноса электронов называется надбарьерным.
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 или s^_, налетающих на двухсторонний потенциальный барьер, меньше высоты потенциального барьера, то есть ?А, ?(r) < Un.
Величиной, характеризующей вероятность проникновения электронов через двухсторонний потенциальный барьер, является прозрачность потенциального барьера - D(s).
Из квантовой механики известно, что вероятность проникновения (туннелирования) электронов через потенциальный барьер (прозрачность D(^)) зависит не только от толщины НБ И СВОЙСТВ материала, из которого
изготовлен барьер, но также и от энергий и sf, 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).
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 А и В многослойной структуры, что в совокупности позволит
добиться существенных различий в величине энергий ?А слоя Аи ?± слоя В.
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 - DA(s) больше прозрачности электронов, падающих на
потенциальный барьер со стороны слоя В - D (s), то есть если DA(Ј)> DB(s), то возникает преимущественно однонаправленный перенос
электронов из слоя А в слой В без какого-либо внешнего воздействия.
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.
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.
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, а 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.
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.
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.
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.
Заявленное изобретение поясняется следующими чертежами.
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 НБ, при этом слой А представляет собой эмиттер, а слой В - коллектор.
На Фиг.1"б" - приведено распределение потенциальной энергии в области двустороннего потенциального барьера, образованного нанопленкой - слоем С, помещенной между слоями разнородных проводящих материалов АиВ многослойной структуры, приведенной на Фиг.1"а".
На Фиг.2"а" - приведена заявляемая базовая многослойная твердотельная разноразмерная структура преобразователя тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию.
На Фиг. 2"б" - приведено распределение потенциальной энергии в области двухсторонних потенциальных барьеров заявляемой базовой многослойной твердотельной разноразмерной структуры, приведенной на Фиг. 2"а".
На Фиг. 3"а" - приведен график зависимости функции F(s) от полной
энергии электронов s, определяющей окно прозрачности для туннелирующих электронов.
На Фиг. 3"б" - приведен пример расположения окна прозрачности для туннелирующих электронов в первой энергетической подзоне слоя В заявляемой многослойной твердотельной разноразмерной структуры.
На Фиг.4"а" - приведен заявляемый преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию, состоящий из п последовательно соединенных базовых многослойных твердотельных разноразмерных структур.
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 иА2 идентичны и их геометрические размеры (толщины НА], НА2) близки.
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".
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.
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 D - позиция 5. Слой В контактирует с одной стороны со слоем А1 через слой С, а с другой стороны со слоем А2 через слой D.
На концах базовой многослойной структуры преобразователя тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию, выполнены электрические контакты 6, для подключения многослойной структуры во внешнюю электрическую цепь 7.
Слой А1 (поз. 1) выполнен из проводящего материала, например, донорно высоколегированных полупроводников (арсенид галлия GaAs,
арсенид индия InAs, антимонид индия InSb), уровень Ферми которого расположен в зоне проводимости.
Толщина НА] СЛОЯУ47 (ПОЗ. 1) должна значительно превышать величину длины волны де Бройля ХдБ, то есть НЛ1 " ХЗБ (структура 3D), например, толщина слоя А1 может быть равна НЛ] = 50 нм. Типичная толщина слоя А1 (поз. 1) составляет 50-100 нм.
Слой В (поз. 2) может быть выполнен из проводящего материала в виде донорно легированного полупроводника (например, арсенид галлия GaAs, или арсенид индия InAs, или антимонид индия InSb) или полуметалла (например, висмут Bi) с уровнем Ферми, расположенным в зоне проводимости.
Толщина Нв слоя В (поз. 2) должна быть меньше величины длины волны де Бройля ХЗБ, то есть Нв < ХдБ, (структура 2D). Типичная толщина Нв слоя В (поз. 2) имеет величину порядка 4-12 нм. Например, толщина слоя В может быть равна 8 нм.
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 ХЗБ-
Слой С (поз. 4) представляет собой наноплёнку из проводящего материала или диэлектрика, например, алюмината арсенида галлия A^Ga^As или четырехкомпонентного твердого раствора GayIni.yAsxSbi-x,
где х и у- соотношение компонент твердого раствора, составляющее в сумме единицу, или полуметаллов, например, висмута Bi.
Типичная толщина НС слоя С (поз. 4) имеет величину порядка 1-6 нм, предпочтительная толщина слоя С (поз. 4) составляет НС = 3 нм.
Слой С (поз. 4), приведенный на Фиг. 2 "б", представляет собой двухсторонний потенциальный барьер высотой Un.
Толщина Н 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:
где 1^ - туннельный ток через слой С (поз. 4), представляющий собой двусторонний потенциальный барьер,
- ток надбарьерного переноса электронов между слоями А1 (поз. 1) и В (поз. 2).
Реализация этого требования достигается выбором высоты двухстороннего потенциального барьера Un и его толщины Ґf (Фиг. 2 "б" и Фиг. 2"а"). При этом необходимая высота двухстороннего потенциального барьера Un обеспечивается выбором состава материала слоя С (поз. 4), например, подбором процентного соотношения компонент в алюминате арсенида галлия AlxGai-xAs, то есть величины х, или в четырехкомпонентном твердом растворе GayIni.yAsxSbi.x, то есть подбором величин х и у.
Слой А2 (поз. 3) выполнен из проводящего материала, например, донорно высоколегированных полупроводников (арсенид галлия GaAs, арсенид индия InAs, антимонид индия InSb).
Толщина//^ СЛОЯУ42 (ПОЗ. 3) должна значительно превышать величину длины волны де Бройля ХЗБ, ТО есть НА2 " ХдБ (структура 3D), например, толщина слоя А2 может быть равна НА2 = 50 нм. Типичная толщина слоя А2 (поз. 3) составляет 50-100 нм.
В предпочтительном варианте заявляемого изобретения толщина слоя А1 может быть равна толщине слоя А2, например, НА] = НА2= 50 нм.
Слой D (поз. 5) представляет собой наноплёнку из проводящего материала или диэлектрика, например, выполненную из алюмината арсенида
галлия AlxGai-xAs или четырехкомпонентного твердого раствора GayIni-yAsxSbi-x, где х и у соотношение компонент твердого раствора, составляющее в сумме единицу.
Толщина Н° слоя D (поз. 5) имеет величину порядка 3-15 нм, предпочтительная толщина слоя D (поз. 5) составляет HD = 6 нм.
Слой D (поз. 5) представляет собой двусторонний потенциальный барьер высотой Ui, приведенный на Фиг. 2 "б".
Толщина Н° слоя слоя D (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:
ID "ID
LH6 Lm '
где 1° - туннельный ток через слой D(no3. 5), представляющий собой двусторонний потенциальный барьер,
1°б - ток надбарьерного переноса электронов между слоями А2 (поз. 3) и В (поз. 2).
Реализация этого требования достигается выбором высоты двухстороннего потенциального барьера Ui и его толщины Н° (Фиг. 2 "б" и Фиг. 2 "а"). При этом необходимая высота двухстороннего потенциального барьера Ui обеспечивается выбором состава материала слоя D (поз. 5), например, подбором процентного соотношения компонент в алюминате арсенида галлия AlxGai-xAs, то есть величины х, а в четырехкомпонентном твердом растворе GayIni.yAsxSbi.x подбором величин х и у.
В заявляемой базовой многослойной структуре слой В (поз.2) окружен с двух сторон нанопленками - слоями С (поз.4) и D (поз. 5),
представляющими собой двухсторонние потенциальные барьеры, поэтому слой В (поз.2) представляет собой потенциальную яму.
Таким образом, в заявляемой базовой многослойной структуре за счет подбора свойств материалов слоев А1, С, В, D, А2 и их геометрических размеров (толщин' HA1, НЛ2, Нв, Нс, HD) организован туннельный перенос электронов между слоем А1 (поз.1) и слоем В (поз.2) и надбарьерный перенос электронов между слоями В (поз.2) иА2 (поз.З).
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.
Окно прозрачности - это диапазон энергий электронов обычно симметричный относительно энергии, соответствующей энергии уровня Ферми (Фиг.3"а").
Диапазон энергий электронов s в окне прозрачности ограничен пороговыми значениями энергий, для которых вне окна прозрачности количество электронов, туннелирующих через потенциальный барьер, пренебрежимо мало:
где s - полная энергия электрона; ЈF - энергия уровня Ферми;
sҐ - еп°рж - нижнее пороговое значение окна прозрачности;
ЈF + sn°eppx - верхнее пороговое значение окна прозрачности.
Расположение полной энергии электронов s, 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 s расположена в окне прозрачности, могли протуннелировать через двусторонний потенциальный барьер, требуется выполнение дополнительного условия, а именно: величина прозрачности потенциального барьера D(s) должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить туннелирование электронов. Прозрачность двустороннего потенциального барьера D(s) зависит от энергии электронов sL, 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 s, величина которой должна быть расположена в диапазоне значений, определяемом окном прозрачности, но также и от энергии sL, 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 А1-DM(s), так и величину прозрачности DB(Ј"), налетающих на двусторонний потенциальный барьер со стороны слоя В.
Приведем доказательства того, что энергия электронов, налетающий на двусторонний потенциальный барьер- слой С (поз. 4) со стороны слоя А1 (поз. 1), и величина энергии электронов, налетающий на двусторонний потенциальный барьер- слой С (поз. 4) со стороны слоя В (поз. 2), различны и, следовательно, различны прозрачности DM(s) и DB(s)
двустороннего потенциального барьера- слоя С (поз. 4), для электронов, налетающего со стороны слоя А1 и со стороны слоя В соответственно.
Слой А1 (поз.1) - трехмерный проводящий материал 3D, его толщина НА] значительно превышает величину длины волны де Бройля ХЗБ, то есть
НЛ1 " ХдБ-
Движение электронов в слое А1 (поз.1) подчиняется законам классической механики.
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, что
А1 т
ЈL = Б cosY
А1 ч_"
где sL - 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;
s полная энергия электрона (сумма потенциальной и кинетической энергии электрона);
у - угол падения электрона на двусторонний потенциальный барьер слой С (поз.4).
Поскольку большинство электронов, налетающих со стороны слоя А1 на двусторонний потенциальный барьер слой С, падают на него под малыми углами у, то энергия электронов Б^ у большинства электронов,
туннелирующих из слоя А1 в слой В, близко к полной энергии электронов s. Поскольку полная энергия электронов Б расположена в окне прозрачности, то и у большинства электронов, налетающих на двусторонний потенциальный барьер- слой С (поз.4) со стороны слоя А1, энергия
электронов sL также лежит в окне прозрачности, то есть
БМ G \Б -БП°Р Б +БП°Р1
Слой В (поз.2) - проводящий материал толщины Нв, окруженный с двух сторон двусторонними потенциальными барьерами, образованными с
одной стороны слоем С (поз.4), и, с другой стороны слоем D (поз.5). Поскольку толщина слоя В (поз.2) Нв < ХЗБ, ТО СЛОЙ В (поз.2)- квантовая потенциальная яма размерности 2D.
Движение электронов в квантовой потенциальной яме (двухмерный (2D) слой В (поз.2)) подчиняется законам квантовой механики и существенно отличается от характера движения электронов в трехмерном (3D) слое А1 (поз.1).
Множество электронов в слое В (поз.2) распадается на энергетические подзоны (Фиг.З "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.
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 Нв обеспечить выполнение следующих условий:
- окно прозрачности в предпочтительном варианте реализации изобретения должно быть расположено в первой энергетической подзоне (Фиг.З"б"), для которой характерен наименьший энергетический уровень размерного квантования электронов;
- энергия sB 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:
rB < F -Рпор ^ ср с.ниж-
Соблюдение этих условий обеспечивает выполнение неравенства
sM> sB.
Ранее в материалах настоящей заявки было показано, что прозрачность двустороннего потенциального барьера зависит от энергии электронов е±, налетающих на него, причем, чем больше энергия электронов е±, налетающих на барьер, тем выше прозрачность двустороннего потенциального барьера. Как было показано выше, энергия электронов s^, налетающих на двусторонний потенциальный барьер (слой С (поз.4)) со стороны СЛОЯУ47 (ПОЗ.1), больше чем энергия электронов ?В, 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 СЛОЯУ47 (ПОЗ.1) в слой В (поз.2), не прибегая к какому-либо внешнему воздействию на многослойную твердотельную разноразмерную структуру.
Заявляемый преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию работает следующим образом.
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 на 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.
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.
Слои В (поз. 2) и А2 (поз.З) также как и ся <жА1 (поз.1) и В (поз.2) являются разноразмерными. Это может привести к тому, что из слоя А2 (поз.З) 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 D (поз.5), который разделяет слои В (поз.2) и А2 (поз.З) организован так, что перенос электронов между слоями В (поз.2) и А2 (поз.З) определяется надбарьерным переносом, а туннельный перенос электронов через барьер D (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.З) не проявляются, преимущественно однонаправленного переноса электронов из слоя А2 (поз.З) в слой В (поз.2) не возникает и разность потенциалов между слоями В (поз.2) иА2 (поз.З) отсутствует.
В результате между А1 (поз.1) и А2 (поз.З) в равновесном состоянии при разомкнутой внешней электрической цепи 7 установится разность потенциалов, величина которой определяется сдвигом уровней Ферми между слоями А1 (поз.1) ив (поз.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.
Таким образом, тепловая энергия окружающей среды преобразуется в заявляемой многослойной твердотельной разноразмерной структуре в электрическую энергию, не прибегая к какому-либо внешнему воздействию.
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 НА], НА2) 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".
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.
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.
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), D (поз.5), А2 (поз.З). Испаряемое вещество с относительно высокой скоростью переносится 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.
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.
При изготовлении базовой многослойной твердотельной разноразмерной структуры методом молекулярно-лучевой (пучковой) эпитаксии материалы всех контактирующих слоев А1, С, В, D, А2 имеют близкие по величине постоянные кристаллической решетки.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
ii.l. Преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию, содержащий, по меньшей мере, одну базовую многослойную твердотельную разноразмерную структуру, включающую:
слой А/, выполненный из проводящего материала, толщина НА1 которого больше величины длины волны де Бройля, то есть
НА1"кдБ,
где //'' - толщина слоя Л1, koh - величина длины волны де Бройля, а уровень Ферми расположен в зоне проводимости,
слой В, контактирующий с одной стороны со слоем АI через слой С, а с друг ой стороны со слоем А2 через слой Д при этом,
слой В выполнен из проводящего материала в виде донорно легированного полупроводника или полуметалла, толщина if которого должна быть меньше величины длины волны де Бройля л()Д, то есть
где // - толщина слоя В, АО!, - величина длины волны де Бройля, а уровень Ферми расположен в зоне проводимости,
слой С представляет собой наноплёнку из проводящего материала или диэлектрика, толщина // которого и состав материала позволяют организовать ту имел про ванне электронов из слоя А1 в слой В и обратно из слоя В в слой А / 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:
п:" с,
где 1'т - туннельный ток через слой С\ представляющий собой двусторонний потенциальный барьер,
/';t; - ток надбарьерного переноса электронов между слоями А1 и В,
слой Л2 выполнен из проводящего материала, толщина Н"42 которого больше величины длины волны де Бройля, то есть:
НА2"1дБ,
где Нл:- толщина слоя Л2.1М - величина длины волны де Бройля,
слой D представляет собой наноплёнку из проводящего материала пли диэлектрика, толщина Нп 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:
1 нб ^ 1 т '
где - туннельный ток через слой Д представляющий собой двусторонний потенциальный барьер,
1(r)б - ток надбарьерного переноса электронов между слоями А2 и В.
п.2, Преобразователь по п. 1, в котором при изготовлении базовой многослойной твердотельной разноразмерной структуры методом молекулярно-лучевой (пучковой) эпитаксии материалы всех контактирующих слоев ЛУ. (, /> \ D, Л 2 имеют' близкие по величине постоянные кристаллической решетки.
'Эмиттер
Коллектор
Фиг, 1 "а'
Уадбарьерный перенос электронов
Эмиттер
Коллектор
Фиг, 1 "б'
Преобразователь тепловой энергии окружающей среды в •щеклрическую энергию
Базовая мноюслойиая твердотельная разноразмерная структура
В (коллекюр) С'(нанопленка) [ л7н^опленка)
J 4 ]2 15J Г"
LJ^'j^v ^ Электрический
(.'(нанопленка!
/ В(коллектор)
контакт
I уннсльныи перенос электронов
/)(нанопленка)
•т-г;- ,
"Надбарьерным перенос электронов
.4/
Эми пер , --
А 2
Фиг. 2 "б*
/KF(e)
Окно прозрачности
Область туннелирования электронов
Фиг. 3 "а"
Преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию
Преобразовател ь
тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию
"Электрический rt-контакт
i Г 3 1
^ D Г I
tj-jf -i-] 'JjICKipHHCCKMlT
KoHiaKi
.41
A J
1 L
4/2/5
hts.
4'2/5/
-С О
Фиг. 4 "a"
Электрический кгапакт
б/ в
? ! о
1ГГТГ^
:i : i
? Го
! / /. '
; i ! : | л/
Электрический
контакт
! Г D
A J
Фиг. 4 "в"
Преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую
энергию
Нагревательные
элемен]ы
.42
Слои и а твой многослойной твердотельной ра спора ^мерной
структуры
Подложка
Фиг. 5
А. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕДМЕТА ИЗОБРЕТЕНИЯ:
H01L 35/00 (2006.01) ВШ15/00 (2011.01)
Согласно Международной патентной классификации (МПК) или национальной классификации и МПК
Б. ОБЛАСТЬ ПОИСКА:
Минимум просмотренной документации (система классификации и индексы МПК)
H01L 35/00, 31/072, H01J 45/00, H02N 3/00, B82Y 15/00
Дата действительного завершения патентного поиска:
08 ноября 2016 (08.11.2016)
Наименование и адрес Международного поискового органа: Федеральный институт промышленной собственности
РФ, 125993,Москва, Г-59, ГСП-3, Бережковская наб., д. 30-ГФакс: (499) 243-3337, телетайп: 114818 ПОДАЧА
О. В. Кишкович
Телефон № (499) 240-25-91