[发明专利]用于光频整流器的方法和设备

说明书

本专利申请是国际申请日为2011年11月22日、国家申请号为201180054072.9、发明名称为“用于光频整流器的方法和设备”的专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年1月4日提交的美国临时专利申请No.61/335，201的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用完全地并入本文。

公开图片

图1A。

技术领域

本发明涉及一种用于进行光频整流(opticalfrequencyrectification)以便更加有效地采收从红外到可见光的辐射的技术。更具体地，本发明涉及一种基于天线末端的或诸如贴片天线上的其它成形边缘的几何非对称性的光频整流技术。

背景技术

在微波区域中的用于功率传输和检测的整流天线(rectenna)的使用具有很长的历史。应用已经包括：长距离功率集束、信号检测、以及无线控制系统。用于微波功率的有效接收和整流的第一种接收装置开发于二十世纪六十年代早期。

点接触装置(即，触须型二极管)已经被用于上至可见光频谱的绿光部分的绝对频率的测量，该装置展示出飞秒数量级的响应时间，该响应时间比传统的MIM二极管快几个数量级大小。除了用于触须型天线的纳米线几何结构之外，贴片天线(例如，微带天线)的使用可以具有扩展的实心和空心的几何结构(例如，正方形、矩形、环形或其它形状)，这在实际的装置中提供了更健壮的稳定性。

另外，贴片天线可以导致增强的天线性质和输出(参见K.R.Carver和J.W.Mink，IEEETrans.AntennasandProp，AP-29，1，2(1981))。此外，在爱达荷国家实验室，已经在柔性衬底上制备了这样的黄金天线阵列。平面结构将需要更简单的制备。近来，Gupta和Willis使用原子层沉积(ALD)克服了生产纳米缝隙结阵列的技术难点。使用传统的光刻技术，随后通过ALD生成约1nm的隧道结，在硅晶片上产生铜(Cu)-真空-铜隧道结的平面阵列。

最近，对使用银(Ag)、金(Au)以及铜(Cu)末端的经光学照射的MVM隧道结进行的三维量子力学计算机模拟，预测了由于在这些材料中在约3eV(对应于可见光频谱的高能量的绿光部分)处的表面等离激元(surfaceplasmonicresonance)谐振所引起的增强的整流和电流输出。将由诸如钨、钼或铝这些金属形成的薄层沉积在下层天线结构上将产生相同的结果。

不同于传统的平面MIM二极管，在所提出的装置中，整流处理可以仅仅(和/或主要地)由尖锐的纳米线/mCNT末端的几何非对称性引起。在微带天线或其它形式的贴片天线上所产生的刀片状边缘也可以提供整流处理所需要的固有的几何非对称性。

有效地采收频谱的光频部分中的能量的主要挑战之一是开发将从频谱中的红外(IR)至可见光部分(约10¹⁵Hz)(包括了太阳能频谱中的绝大部分)进行整流的宽波带装置。当前，硅基能量转换装置(光伏器件)是窄波带装置，其限制为对电磁频谱的较低能量部分的收集。

这种用于光频整流的技术具有如下应用，包括但不限于：光伏器件(光子能量到电能的转换)、将太阳能转换为电能(参见于2010年9月21日颁发给PaulH.Cutler的名为APPARATUSANDSYSTEMFORASINGLEELEMENTSOLARCELL的美国专利No.7,799,998(在下文中被称为Cutler)；该美国专利的全部内容通过引用并入本文)、热能或化学能的太阳能电池、纳米光子器件、近场光学器件、包括医学和化学传感器在内的IR传感和成像(参见Opticalantennasfornano-photonicapplications，J.Alda，J.Rico-García，J.López-Alonso以及G.Boreman，Nanotechnology，vol.16，pp.S230-4，2005；和OpticalAntennas，PalashBharadwaj，BradDeutsch以及LukasNovotny，Adv.Opt.Photon.1，438-483)。另外的应用是信息的光频传输和接收，以及能量转换。这是有意义的，因为以更高的频率所传输的信息的密度更大；实际上，密度根据频率的平方而变化。对于穿过大气的传输，损耗随着频率的增加而降低。