[發明專利]具有納米結構二極管的整流天線設備

有效

• 申請號: 200980138397.8
• 申請日: 2009-07-23
• 公開（公告）號: CN102203949A
• 公開（公告）日: 2011-09-28
• 發明（設計）人: Y·哈內因;A·博亞格;J·朔伊爾;I·弗里德勒
• 申請（專利權）人: 特拉維夫大學拉莫特有限公司
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/0352;H01L29/06;H01L51/05;H01L29/86;H01L27/28;H01Q1/24;H01Q9/28;H01L51/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 杜娟娟;高為

本發明的領域和背景

本發明在其一些實施例中涉及整流天線設備，并且更具體地但非唯一地，涉及一種在紅外(IR)光和可見光中工作的整流天線設備。

存在許多應用，在該應用中，將能量從能量產生位置輻射到將使用能量的目的地是有用的。“照射的”能量一般是微波或射頻。然而，很多能量應用需要直流(DC)電電力。

進行整流的天線，也稱為“整流天線(rectenna)”是促進微波和射頻交流電(AC)輻射轉化成DC電力的電氣設備。這種轉化通過結合在天線中的整流二極管發生。在操作中，天線以與其尺寸和形狀一致的頻率聚集電磁能，并且該二極管將該能量整流成DC電壓。

天線可用作電力傳輸系統的接收終端。在該配置中，終端可以將DC電力輸送到物理傳輸線路不可行的負載。電力輸送可以通過自由空間。整流天線在DC電力需要被分布到大量在空間上分布的負載元件的應用中也可以是有用的。

傳統地，整流天線使用半導體二極管或大的真空管以達到毫米波段的頻率將電磁波整流至直流電。同樣已知的是使用用于整流直流電的第一場發射二極管的整流天線(例如見美國專利No.5,043,739)。

近來，多壁碳納米管(MWCNT)的周期及隨機陣列已經合成在多種基底上。該陣列中的每個納米管是直徑大約為10-100nm且長度為200-1000nm的導電棒。因此，可以將具有電磁輻射的這些陣列的相互作用認作是偶極天線的陣列的相互作用。已經對MWCNT陣列進行了研究，以確定似天線(antenna-like)的相互作用，因為最有效的天線相互作用出現在天線的長度與進入的輻射的波長的數量級相當時。

美國公開專利No.20070240757公開了一種太陽能電池，其包括具有位于半導體層下方的導體層的平面基板和碳納米管陣列，其中碳納米管在第一端與半導體層接合，并且在第二端包括光學天線。整流材料層沉積在納米管上。

另外的背景技術包括Weiss等人的“用作天線和用于太陽能向光能的轉化的整流器的新穎納米線/納米管設備(A?Novel?Nanowire/Nanotube?Device?Acting?as?Both?Antenna?and?Rectifier?for?Solar?Energy?Conversion?up?to?the?Optical)”，見2008年的電子材料會議的會議摘要；Kempa等人的“作為光學天線的碳納米管(Carbon?Nanotubes?as?Optical?Antennae)”，Adv.Mater.2007，19，421-426；美國專利No.7,132,994，美國公開申請No.20070240757，Abrams等人的“用于創建大規模碳納米管網絡的完整方案(A?Complete?Scheme?for?Creating?Large?Scale?Networks?of?Carbon?Nanotubes)”，見Nano?Letters，7(2007)2666-2671；美國申請No.12/155,089；Slepyan等人的“通過非手性碳納米管及其作為光學納米天線的潛能實現光學散射理論( Theory?of?optical?scattering?by?achiral?carbon?nanotubes?and?their?potential?as?optical?nanoantenn

發明內容

本發明的發明人發現，由于半導體二極管的固有限制，使用半導體二極管的整流天線具有頻率上限和強度上限。這些限制包括設備容量和高速半導體設備的易碎性。使用大的真空管的整流天線也具有頻率上限，并且組建昂貴。例如，使用傳統真空管的大的整流天線陣列對組建而言貴得讓人不敢問津，并且不能以緊湊的形式制造。

本發明的發明人還發現，使用半導體二極管的整流天線不能在高光學頻率和準光學頻率處工作。結果，高頻輻射范圍內的傳統能量高產設備(例如，太陽能電池)不依賴進行整流的天線的原理，而是使用低效率的固態光伏電池。光伏電池不僅受限于低的轉化效率，而且還不得不根據輻射頻率具體地設計。這是因為在固態光伏電池中，材料屬性(能隙(bang-gap)能量等)決定了設備的光譜靈敏度。因此，光伏電池被限制在特定的頻率窗口。

本發明的實施例包括具有納米結構的二極管設備的整流天線設備。納米結構優選具有足夠小的尺寸和足夠高的移動性，使得納米結構二極管設備具有高的截止頻率。在本發明的多種示例性實施例中，納米結構的尺寸有幾納米的數量級并且移動性有10m²/Vs的數量級，這產生了處于THz范圍的截止頻率。