[发明专利]具有增强场和电子发射的光学天线

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2010年6月8日的美国临时专利申请序号61/352,697的优先权，该申请通过引用而全文并入于此。

背景技术

传统上，使用带隙能量调整至所要收集的期望光子能量的半导体来收集紫外线(UV)、可见光和红外线电磁能或光能。备选地，光能可通过吸收器转化为热能，而热能继而可由诸如斯特林发动机(sterling engine)、蒸汽机或其他方法之类的传统热能收集器来收集。这些主要的太阳能收集技术可进一步归类如下：1)基于无机半导体的光伏(“PV”)发电，2)基于有机的PV发电，3)纳米技术，其包括碳纳米管和量子点，以及4)太阳热能或太阳能集中器技术。硅(基于半导体)PV技术、太阳热能技术和太阳能集中器技术是目前最广泛使用的商业化成熟技术。

在一些情况下，光伏技术使用由p型掺杂和n型掺杂半导体材料所生成的离散的带隙势来从光中收集能量。典型无机PV效率的范围可从单结电池的10％至三结PV电池的28％左右。PV技术因带隙能量收集限度和半导体电阻而在物理上限于33％的能量收集效率。

此外，基于半导体的PV具有与所使用的材料和制造工艺相关联的高成本。材料成本包括生产纯晶片和使用稀有昂贵材料的高成本。制造成本包括建造半导体工厂、控制所使用的有毒材料以及用以在制造过程中避免任何杂质掺入产品的洁净度要求的巨额资金成本。这些成本对于集成电路(IC)电子器件而言可能是适当的，这是因为允许IC发挥功能所需要的大多数(如果不是全部)特征可位于较小的面积内，并且许多器件生产于单一的晶片上。

与IC电子器件的需求相反，太阳能收集技术需要较大的表面面积来收集光。所述大面积需求由于产生基于PV的太阳能的表面积成本而对使用昂贵工艺的器件造成固有局限。因此，对许多能源市场而言，无机PV的使用存在成本制约。

当前PV技术的另一主要缺点是在PV器件的加工过程中和在最终PV产品中对有毒材料的使用。当前PV器件的寿命结束后，包含在此类器件中的对环境有毒或有害的材料会造成环境处理问题。

可用于收集光子能量的另一类技术包括使用电压增强型场发射的传感器。此类器件利用光电效应，使用高电压来检测通常为低强度的光子。此类器件具有净能量损失，并且使用外部电源来放大信号。这些器件与其所产生的功率相比消耗更多的功率，而且不可用作能量收集器。

另一类技术基于最近发现已有检测器上的电场增强可改善光检测器性能。这种增强方法使用表面结构来增强期望位置上的电场。根据此类技术创造的增强电场允许在器件中更大的电子迁移率。

虽然常规天线从天线结构到远场或从远场到天线结构转换电流，但光学天线也可用于近场应用，比如通过接触传感器成像和触摸屏显示器。可使用刚性或柔性衬底、金属层和介电层来设计天线结构以赋予更多的集成灵活性，以及利用光学天线阵列在宏观尺度上的几何形状来支持电磁场操纵。单位晶胞水平上的微几何结构和阵列水平上的宏观几何特征的此类组合在限定阵列的有效介电常数和磁导率的有效值方面提供了更多的自由度。例如，使用具有光谱内的色散性质的超材料结构内层来提高光学天线效率，以及支持对空气与内部界面处的电磁吸收和折射的操纵。此外，光学天线可通过或不通过1)热转换，2)使用金属的等离子体激元频率，或3)利用构建此类结构所用的材料的量子性质，来执行此类转换。

这些新技术前景广阔，但大多数局限于使用离散的量子能带来收集光，这造成了与半导体PV技术相同的固有效率局限性。增加结或阱的数目会增加带隙的数目并且增加可用的能量，从而提高跨可见光谱的效率。像无机半导体的情况一样，这种方法存在缺点，这是因为每个新的阱或结会产生可对其下面的阱或结造成干扰(遮掩)的层，并同时增加光和自由电荷二者的径程长度，从而增大因吸收和电阻而造成的损失。此外，纳米技术和量子点仍具有毒性、制造能力和效率方面的问题。

可以更经济地并以高产率制造这些光学天线的底层结构，从而允许将这些小而简单的结构使用在与尺寸、成本、效率或精度相关的各种应用中。

发明内容

本文所公开的系统和方法涉及光学天线，所述光学天线使用场集中方法从入射电磁波中产生能量，以便从不良场源创造电子发射。此类光学天线基于使用导电层和电介质层形成的纳米结构来捕捉光并使用电流或电压将其转化成能量，或从施加的电流(电压)或严重不良的电磁场发光。