гибридный термоэлектронный преобразователь энергии и способ

Формула изобретения

1. Твердотельный термоэлектронный преобразователь, содержащий электро- и теплопроводящий эмиттер электронов, электро- и теплопроводящий коллектор электронов для приема электронов с эмиттера, барьер, расположенный между эмиттером и коллектором, для фильтрации электронов высокой энергии, переносимых с эмиттера на коллектор, один или несколько электро- и теплопроводящих частичных поверхностных контактов, выполненных заодно с эмиттером, барьером или коллектором и расположенных между эмиттером и барьером, или барьером и коллектором, или их комбинацией и в тесном контакте с ними, тепло- и электроизоляционный промежуток рядом с частичными поверхностными контактами и эмиттером и барьером, или барьером и коллектором, или их комбинацией.

2. Устройство по п.1, в котором эмиттер содержит металл, металлический сплав, полупроводниковый материал или легированный полупроводниковый материал.

3. Устройство по п.1, в котором эмиттер содержит электро- и теплопроводящий слой на подложке.

4. Устройство по п.1, в котором эмиттер содержит материал, имеющий спектры с высокой фононной энергией.

5. Устройство по п.4, в котором упомянутый материал содержит TiH_x, VH_x, ZrH_x, NbH_x, TaH_x, ScH_x, YH_x, ThH_x, UН_x, гидриды всех редкоземельных металлов или их комбинации.

6. Устройство по п.1, в котором эмиттер содержит подложку из ВН, В₄С, ВN (гексагонального), BN (кубического), алмаза или их комбинации, при этом между подложкой и барьером расположен проводящий или легированный слой.

7. Устройство по п.6, в котором толщина упомянутого проводящего или легированного слоя меньше, чем средняя длина свободного пробега электронов в нем.

8. Устройство по п.1, в котором коллектор содержит металл, металлический сплав, полупроводник или легированный полупроводниковый материал.

9. Устройство по п.1, в котором коллектор содержит электро- и теплопроводящий слой на подложке.

10. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит согласующийся с барьером материал, расположенный между барьером и коллектором, для предотвращения обратной утечки электронов.

11. Устройство по п.1, в котором барьер содержит Si, Ge n- типа, Ge р-типа, GaAs n-типа, InAs n-типа, GaSb n-типа, InSb n-типа, Sb, PbS n-типа, PbSe n-типа, Сu₂O p-типа, Se р-типа, CDs n-типа, DySi₂, IrSi₃, Hg_xCd_x-1, Te, Ge p-типа, аморфный В, LaB₆, YbB₆, Pd₂Si, PbTe n-типа, GaAs p-типа, InP n-типа или их комбинации.

12. Устройство по п.1, в котором барьер является барьером с резонансным туннелированием.

13. Устройство по п.12, в котором упомянутый барьер с резонансным туннелированием содержит два или более барьеров с промежутком между ними, позволяющим электронам образовать стоячую волну.

14. Устройство по п.1, в котором барьер является подвижным барьером.

15. Устройство по п.14, в котором упомянутый подвижный барьер содержит микросферы, микропроволоку или неподвижные столбики.

16. Устройство по п.1, в котором барьер содержит диэлектрик.

17. Устройство по п.16, в котором упомянутый диэлектрик является аморфным Аl₂О₃ или SiO₂.

18. Устройство по п.1, в котором барьер содержит первый проводящий или легированный слой, слой полупроводника n-типа, слой полупроводника р-типа и второй проводящий или легированный слой.

19. Устройство по п.1, в котором барьер содержит первый проводящий или легированный слой, слой полупроводника n-типа и второй проводящий или легированный слой.

20. Устройство по п.1, в котором барьер содержит первый проводящий или легированный слой, слой полупроводника р-типа и второй проводящий или легированный слой.

21. Устройство по п.1, в котором один или несколько частичных поверхностных контактов имеют форму точечных контактов.

22. Устройство по п.1, в котором один или несколько частичных поверхностных контактов являются контактами в форме параболы, эллипса, криволинейными контактами или их комбинацией.

23. Устройство по п.1, в котором один или несколько частичных поверхностных контактов содержат нанотрубки, частицы, дендриты или их комбинации.

24. Устройство по п.1, в котором изоляционный промежуток содержит вакуум или непроводящий газ.

25. Устройство по п.1, в котором эмиттер соединен с тепловой нагрузкой и между эмиттером и коллектором приложен электрический потенциал, а не нагрузка, при этом коллектор дополнительно содержит обратную поверхность, действующую в качестве теплообменника.

26. Устройство по п.1, которое содержит электрическую нагрузку, подключенную к эмиттеру и коллектору.

27. Способ изготовления твердотельного термоэлектронного преобразователя для преобразования теплоты в электричество, заключающийся в том, что используют электро- и теплопроводящий эмиттер электронов, используют электро- и теплопроводящий коллектор электронов для приема электронов с эмиттера, формируют барьер, расположенный между эмиттером и коллектором, для фильтрации электронов высокой энергии, переносимых с эмиттера на коллектор, формируют один или несколько электро- и теплопроводящих частичных поверхностных контактов, выполненных заодно с эмиттером, барьером или коллектором и расположенных между эмиттером и барьером, или барьером и коллектором, или их комбинацией и в тесном контакте с ними, формируют тепло- и электроизоляционный промежуток рядом с частичными поверхностными контактами и эмиттером и барьером, или барьером и коллектором, или их комбинацией.

28. Способ по п.27, при котором эмиттер соединяют с тепловой нагрузкой и между эмиттером и коллектором прикладывают электрический потенциал, а не нагрузку, при этом коллектор дополнительно содержит обратную поверхность, действующую в качестве теплообменника.

29. Способ по п.27, при котором устанавливают электрическую нагрузку, которую подключают к эмиттеру и коллектору.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в электрическую и электрической энергии для охлаждения, в частности к термоэлектронному преобразователю с повышенными кпд и плотностью энергии, в котором уменьшение высоты барьера за счет эффектов поляризационных сил способствует туннелированию электронов и термоэлектронной эмиссии.

Предшествующий уровень техники.

Настоящее изобретение было разработано для создания устройства, которое обеспечило бы эффективное преобразование тепловой энергии в электрическую при относительно низких рабочих температурах и достаточно высокую для промышленного применения. Настоящее изобретение также может работать в обратном режиме для обеспечения эффективного охлаждения.

Термоэлектронное преобразование энергии представляет собой способ преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую энергию в результате термоэлектронной эмиссии. В этом процессе поверхность металла испускает электроны термоэлектронным путем при нагревании металла и придания достаточной энергии части электронов, чтобы они могли преодолеть силы торможения на поверхности металла для выхода. В отличие от большинства других известных способов получения электрической энергии термоэлектронное преобразование не требует для превращения теплоты в электричество ни промежуточной формы энергии, ни какой-либо рабочей среды, кроме электрических зарядов.

Простейший известный термоэлектронный преобразователь энергии состоит из одного электрода, подсоединенного к источнику тепла, второго электрода, подсоединенного к теплоотводу и отделенного от первого электрода промежуточным пространством, проводов, соединяющих электроды с электрической нагрузкой, и корпуса. Пространство в корпусе может быть либо глубоко отвакуумировано, либо заполнено подходящими разреженными парами, например, цезия.

Основной процесс, происходящий в обычном термоэлектронном преобразователе, заключается в следующем. От источника тепло подается с достаточно высокой температурой на один электрод-эмиттер, с которого электроны испаряются термоэлектронным путем в откачанное или заполненное разреженными парами межэлектродное пространство. Электроны перемещаются через это пространство в направлении к другому электроду-коллектору, который имеет низкую температуру, близкую к температуре теплоотвода, здесь электроны конденсируются и возвращаются к горячему электроду по электрическим проводам, и электрическую нагрузку, включенную между эмиттером и коллектором.

Поток электронов через электрическую нагрузку поддерживается разностью температур между электродами. Таким образом, электрическая работа передается на нагрузку.

В основу термоэлектронного преобразования энергии заложена концепция, что катод с низкой работой выхода электронов в контакте с источником тепла будет испускать электроны. Эти электроны поглощаются холодным анодом с высокой работой выхода, и они могут возвращаться обратно к катоду через внешнюю нагрузку, где выполняют полезную работу. Ограничением для реально осуществимых термоэлектронных генераторов является работа выхода доступных металлов или других материалов, используемых для катодов. Другим важным ограничением является эффект пространственного заряда. Присутствие заряженных электронов в промежутке между катодом и анодом создает дополнительный потенциальный барьер, который уменьшает термоэлектронный ток.

Типичные термоэлектронные эмиттеры работают при температуре в интервале от 1400 до 2200 К, а коллекторы - при температуре в интервале от 500 до 1200 К. При оптимальных рабочих условиях общий кпд преобразования энергии составляет от 5 до 40%, плотность электрической энергии - от 1 до 100 Вт/см² и плотность тока - от 5 до 100 А/см². В конструкциях, учитывающих потери на излучение, чем выше температура эмиттера, тем выше кпд, мощность и плотность тока. Напряжение, при котором мощность передается от одного узла типичного преобразователя, составляет 0,3-1,2 В, т.е. почти равно напряжению обычного гальванического элемента. Термоэлектронные системы с высокой номинальной мощностью часто состоят из большого числа последовательно соединенных единичных термоэлектронных преобразователей. Каждый единичный термоэлектронный преобразователь обычно рассчитан на 10-500 Вт.

Высокотемпературные характеристики термоэлектронных преобразователей благоприятны для некоторых применений, однако они являются ограничением для других применений, так как требуемая температура эмиттера обычно выходит за пределы фактических производственных возможностей многих обычных источников тепла. Что же касается типичных термоэлектрических преобразователей, то они работают при температуре источника тепла от 500 до 1500К. Однако даже в оптимальных условиях кпд термоэлектрических преобразователей энергии составляет только от 3 до 10%, плотность электрической энергии обычно меньше нескольких ватт на см², а плотность тока составляет порядка 1-100 А/см².

С точки зрения физики, термоэлектрические устройства подобны термоэлектронным устройствам. В обоих случаях на металле или полупроводнике создается градиент температур и в основе лежит концепция, что движение электронов есть электричество. Однако при движении электронов также происходит перенос энергии. Вынужденный ток переносит энергию как в термоэлектронных, так и в термоэлектрических устройствах. Основное различие между термоэлектрическими и термоэлектронными устройствами состоит в том, является ли поток тока диффузионным (термоэлектрическим) или баллистическим (термоэлектронным). Термоэлектронное устройство имеет относительно высокую эффективность, если электроны баллистически проходят над барьером и через него. В термоэлектронном устройстве вся кинетическая энергия переносится с одного электрода на другой. Движение электронов в термоэлектрическом устройстве является квазиравновесным и диффузионным и может быть описано коэффициентом Зеебека, который является равновесным параметром.

В структурах с узкими барьерами электроны не уходят настолько далеко, чтобы сталкиваться друг с другом при пересечении барьера. В этих условиям теория термоэлектронной эмиссии более точно представляет перенос тока. Плотность j тока определяется как:

где А₀ - постоянная Ричардсона, - высота барьера (работа выхода электронов), е - заряд электрона, k - постоянная Больцмана и Т - температура. Постоянная Ричардсона А₀ определяется как А_о=(emk²Т⁰)/(2 ² *²), где m - эффективная масса электрона; - постоянная Планка.

Диффузионная теория применима для барьеров, у которых толщина (длина) барьера больше, чем средняя длина свободного пробега электрона в одном измерении, а теория термоэлектронной эмиссии применима для барьеров, у которых толщина (длина) барьера меньше, чем средняя длина свободного пробега. Однако, если барьер становится очень узким, перенос тока за счет квантово-механического туннелирования становится более выраженным.

Существует потребность в более удовлетворительном техническом решении, позволяющем преобразовывать тепловую энергию в электрическую при более низких температурных режимах с высоким кпд и высокой плотностью энергии.

Краткое изложение сущности изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача решения ряда проблем, которые существуют в описанном выше известном уровне техники, в частности разработки устройства и способа, которые обеспечивают существенный прогресс в области термоэлектронного преобразования энергии по сравнению с известным уровнем техники.

В основу изобретения поставлена задача получения высокой плотности энергии и высокого кпд обычного термоэлектронного преобразователя в температурных режимах, характерных для обычных термоэлектрических устройств.

Другая задача изобретения состоит в том, чтобы поддерживать тепловое разделение между эмиттером и коллектором.

Еще одна задача изобретения - минимизировать эффекты теплового расширения.

Другие задачи и преимущества изобретения понятны из нижеследующего описания или могут быть обнаружены на практике при осуществлении изобретения.

Поставленная задача решается тем, что устройство согласно изобретению содержит электро- и теплопроводящий эмиттер электронов, электро- и теплопроводящий коллектор электронов для приема электронов с эмиттера, твердотельный барьер, расположенный между эмиттером и коллектором и в тесном контакте с ними, предназначенный для фильтрации электронов высокой энергии, переносимых с эмиттера на коллектор, один или несколько электро- и теплопроводящих частичных поверхностных контактов, расположенных между эмиттером и барьером, или барьером и коллектором, или их комбинацией и в тесном контакте с ними, тепло- и электроизоляционный промежуток рядом с частичными поверхностными контактами, эмиттером и барьером или барьером и коллектором, или их комбинацией, и электрическую нагрузку, подключенную к эмиттеру и коллектору.

В варианте воплощения изобретения, предназначенном для охлаждения, перенос носителей поддерживается приложением потенциала между эмиттером и коллектором, и эмиттер подсоединен к тепловой нагрузке, которая охлаждается тепловым потоком в направлении эмиттера. Теплообменник рассеивает теплоту горячих электронов на коллектор.

Краткое описание чертежей

Для обеспечения более полного понимания того, как реализуются перечисленные выше преимущества и задачи, изобретение будет в дальнейшем описано на примере конкретных вариантов его воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает поперечное сечение термоэлектронного преобразователя согласно изобретению;

фиг.2 изображает поперечное сечение частичного поверхностного контакта с треугольным поперечным сечением согласно изобретению;

фиг.3 изображает общий вид эмиттера с использованием тантал-гидридного порошка с сотовой структурой, содержащей порошок, согласно изобретению;

фиг.4А и 4В изображают поперечное сечение полупроводникового барьера с низкой теплопроводностью, помещенного в вакуум между металлическим эмиттером и металлическим коллектором, согласно изобретению;

фиг.5 изображает диаграмму зависимости плотности термоэлектронного тока по Ричардсону от высоты барьера при разных температурах согласно изобретению;

фиг.6 изображает картину теплового расширения и расположение нанопроволоки для круглой пластины согласно изобретению;

фиг.7 изображает картину теплового расширения и расположение нанопроволоки для прямоугольной пластины согласно изобретению;

фиг.8 изображает разные варианты поперечного сечения нанопроволоки согласно изобретению;

фиг.9 изображает поперечное сечение варианта термоэлектронного преобразователя, в котором частичный поверхностный контакт связан с барьером, согласно изобретению;

фиг.10 изображает поперечное сечение конфигурации барьера, содержащего металлический слой, слой полупроводника n-типа, слой полупроводника р-типа и металлический слой, согласно изобретению;

фиг.11 изображает поперечное сечение конфигурации барьера, содержащего металлический слой, слой полупроводника n-типа и металлический слой, согласно изобретению;

фиг.12 изображает поперечное сечение конфигурации барьера, содержащего металлический слой, слой полупроводника р-типа и металлический слой, согласно изобретению;

фиг.13 изображает поперечное сечение конфигурации барьера, содержащего диод с резонансным туннелированием, согласно изобретению;

фиг.14 изображает диаграмму вероятности пропускания для конкретной гетероструктуры GaAs-Al_xGa₁-_xA_s согласно изобретению;

фиг.15А изображает поперечное сечение неметаллического коллектора с металлическим слоем согласно изобретению;

фиг.15В изображает поперечное сечение неметаллического коллектора с металлическим слоем и согласующимся с поверхностным барьером материалом, расположенным между коллектором и барьером для предотвращения обратной утечки электронов в эмиттер, согласно изобретению;

фиг.16 иллюстрирует вольт-амперную характеристику эмиттера, содержащего ТаН, и барьера, содержащего Аl₂О₃;

фиг.17 изображает вольт-амперную характеристику эмиттера, содержащего ТаН, и барьера, содержащего Аl₂O₃, при разностях температур, отличных от показанных на фиг.16, согласно изобретению;

фиг.18 изображает график зависимости напряжения от температурного градиента для эмиттера, содержащего ТаН, и барьера, содержащего Аl₂О₃, согласно изобретению;

фиг.19 изображает вольт-амперную характеристику эмиттера, содержащего TiH₂, барьера, содержащего РbТе, и коллектора, содержащего Pt, на подложке из Аl согласно изобретению;

фиг.20 изображает поперечное сечение термоэлектронного преобразователя, работающего на охлаждение, согласно изобретению;

фиг.21 изображает поперечное сечение барьера в виде точечных контактов (микросфер) в варианте с охлаждением согласно изобретению;

фиг.22 изображает поперечное сечение барьера в виде микросфер, содержащих теплоизолирующий сердечник из материала, имеющего наружный металлический слой и полупроводниковый слой, согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Термоэлектронный преобразователь 10 (фиг.1) энергии содержит электро- и теплопроводящий электронный эмиттер 12, электро- и теплопроводящий электронный коллектор 16 для приема электронов с эмиттера 12, твердотельный барьер 14, расположенный между эмиттером 12 и коллектором 16 и в тесном контакте с ними, предназначенный для фильтрации электронов высокой энергии, передаваемых с эмиттера 12 на коллектор 16, и электрическую нагрузку, подсоединенную к эмиттеру 12 и коллектору 16.

В устройстве 10 поддерживается тепловое разделение между эмиттером 12 и коллектором 16 с помощью частичного поверхностного контакта 13. Сохранение теплового разделения между эмиттером 12 и коллектором 16 обеспечивает баллистический перенос электронов через барьер 14 и уменьшает перенос фононов и электронов в результате теплопроводности. Таким образом, кпд повышается за счет сбора баллистических электронов и уменьшения электронов теплопроводности, которые не могут собираться. Важно также отметить, что принцип изобретения действует как для электронов, так и для дырочной проводимости. Кроме того, под металлами следует также понимать и сплавы.

Частичный поверхностный контакт 13 образован дробной геометрией поверхности с уменьшением площади поперечного сечения в направлении частичного поверхностного контакта 13. Например, на фиг.1 изображен частичный поверхностный контакт 13, который образован барьером 14, состоящим из сферических частиц, в котором дробная геометрия поверхности имеет сферическую форму. Частичные поверхностные контакты могут составлять одно целое с эмиттером 12, барьером 14 или коллектором 16. Эмиттер 12, барьер 14 или коллектор 16 имеют один или более частичных поверхностных контактов 13, расположенных между эмиттером 12 и барьером 14, или барьером 14 и коллектором 16, или их комбинацией и в тесном контакте с ними.

Частичный поверхностный контакт 13 также обеспечивает квантово-механическое туннелирование, например, по неконтактирующей поверхности частичного контакта 13 и между коллектором 16 на расстоянии 50A или меньше. Это расстояние зависит от используемых материалов и их соответствующих работ выхода. Частичный поверхностный контакт 13 также способствует термоэлектронной эмиссии за счет уменьшения высоты барьера под действием эффектов поляризационных сил, например, по неконтактирующей поверхности частичного контакта 13 и между коллектором 16 на расстоянии 25А или меньше. Это расстояние также зависит от используемых материалов и их соответствующих работ выхода. Об эффекте поляризационных сил см. публикацию Coutts, T.J. Electrical Conduction in Thin Metal Films, "Электропроводность в тонких металлических пленках" N.Y., Elsevier Scientific Publishing Co., 1974, стр. 54-55.

На фиг.2 изображен частичный поверхностный контакт 13, имеющий треугольное поперечное сечение, который действует как точечные эмиттеры или контакты. Другие примеры разных форм поверхностных контактов включают, не ограничиваясь перечисленным, контакты в форме параболы, эллипса, криволинейные контакты, нанотрубки, частицы, дендриты, полученные такими методами, как микролитография и голографическая литография, методом Тонка (с использованием электрической нестабильности на поверхности жидкого металла), ионным травлением или их эквивалентами.

Тепло- и электроизоляционный промежуток 15, содержащий, не ограничиваясь перечисленным, вакуум, ксенон, радон или другой непроводящий газ, находится рядом с частичными поверхностными контактами 13, эмиттером 12 и барьером 14 или барьером 14 и коллектором 16, или их комбинацией. Промежуток 15 уменьшает количество электронов, тепловой перенос которых происходил бы при отсутствии промежутка 15, и способствует сохранению теплового разделения между эмиттером 12 и коллектором 16.

Когда к эмиттеру 12 и коллектору 16 подсоединяется электрическая нагрузка R_L, поток электронов формируется в случае, если работа выхода у эмиттера 12 меньше, чем работа выхода у коллектора 16. При определении сопротивления нагрузки замечено, что максимальная эффективность любого источника электрической мощности нормально имеет место, когда его внутреннее сопротивление равно сопротивлению нагрузки. Поэтому при очень низком внутреннем сопротивлении требуемое сопротивление нагрузки также должно быть очень низким.

Если настроить барьер 14 на отделение горячих электронов, эмиттер 12 будет охлаждаться и электронный ток вызовет увеличение потенциала на коллекторе 16. Для достижения требуемой эффективности преобразователя барьер 14 должен эффективно задерживать электроны с более низкими энергиями. Эмиттер 12 и барьер 14 согласованы таким образом, чтобы концентрация электронов на эмиттере 12 была выше, чем концентрация электронов на коллекторе 16 при заданной энергии, определяемой высотой барьера.

Для обеспечения высокой эффективности целесообразно использовать материалы с низким коэффициентом отражения на стороне эмиттера и высоким коэффициентом отражения на стороне коллектора.

1. Эмиттер

Эмиттер 12 содержит электро- и теплопроводящий материал, такой как металлы, металлические сплавы, полупроводниковые или легированные полупроводниковые материалы. Эмиттер 12 может также содержать электро- и теплопроводящий слой на подложке, например, выполненной из материалов, которые включают, не ограничиваясь перечисленным, SiO₂, стекло, кварц или их эквиваленты, покрытых металлическим слоем или другим тепло- и электропроводящим материалом.

В другом варианте воплощения настоящего изобретения, в котором частичный поверхностный контакт связан с эмиттером, используется материал с высокой фононной энергией в качестве эмиттера 12, предпочтительно со средней энергией по меньшей мере около 3 kT, чтобы нарушить распределение энергии электронов, используя взаимодействие электронов с фононами. Материалы, обладающие такими характеристиками, включают металлические гидриды Ме_x Н_y независимо от стехиометрии, примерами которых являются, не ограничиваясь перечисленным, TiH_x, VH_x, ZrH_x, NbH_x, TaH_x, ScH_x, YH_x, ThH_x, UH_x, гидриды всех редкоземельных металлов или их комбинации. Многие металлы, которые образуют гидриды, можно легировать нормальными металлами даже до высоких концентраций без потери высокоэнергетической составляющей в их фононном спектре, и они могут иметь лучшие свойства окисления, например сплавы ТаСu или TiCu. Эмиттер 12 должен также обеспечивать тепло- и электропроводность.

На фиг.3 изображен примерный вариант эмиттера, содержащего металл-гидридный порошок 17, содержащийся в сотовой структуре 18.

В общем случае все металлические гидриды Ме_xН_х имеют среднюю фононную энергию в своих спектрах выше чем 100 мэВ за исключением Pd и сплавов Pd. Me_xH_x является более предпочтительным, чем Мe_хD_х(или Me_xT_x, так как изотоп ₁H¹ легче и обеспечивает более высокие фононные частоты (энергии). Следует отметить, что фононная частота в основном не зависит от концентрации водорода (см., например, Landolt-Bornstein, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Group III: Crystal and Solid State Physics, 1983, Том. 13b Metals: Phonon States, Electron States and Fermi Surfaces, стр. 333-354).

Другие стабильные материалы с высокими фононными энергиями включают, не ограничиваясь перечисленным, ВН, В₄С, BN {гексагональный), BN (кубический), алмаз или их комбинации. Эмиттер 12 с использованием непроводящей подложки должен также иметь проводящий или легированный слой, например, из серебра толщиной меньше средней длины свободного пробега электронов, чтобы испускать электроны в барьер 14. Альтернативно, этот проводящий или легированный слой может быть помещен на барьер 14, когда эмиттер 12 содержит тепло- и электроизолирующий материал. Проводящий или легированный слой обеспечивает тепло- и электропроводность. Например, если эмиттер 12 содержит микросферы BN, а проводящий или легированный слой содержит Аg (со средней длиной свободного пробега электрона 400), то толщина проводящего или легированного слоя предпочтительно составляет 50-200.

2. Барьер

Большинство полупроводников с малой шириной запрещенной зоны имеют очень низкую теплопроводность - порядка нескольких Вт/(м К) или приблизительно в 100 раз меньше, чем у меди или серебра. Это позволяет выбрать геометрию барьера, соответствующую по меньшей мере нескольким градусам теплового разделения между эмиттером 12 и коллектором 16. Такой вариант проиллюстрирован на фиг.4А и 4В, где полупроводниковый барьер 14 с низкой теплопроводностью (например, неподвижные столбики, микросферы и т.п.) помещен в вакуум между металлическим эмиттером 12 и металлическим коллектором 16. Эмиттер 12 имеет более высокую температуру, чем коллектор 16. Изотермы (разный масштаб в двух материалах) показаны штриховыми линиями 19. Разнос изотерм 19 намного больше в металлах из-за более высокой теплопроводности. Оценки разности теплопроводности 100:1 обеспечивают мостовой линейный размер сечения (например, диаметр) величиной до одного микрона. При этом область А будет испускать электроны, так как она обращена к низкому барьеру на поверхности раздела металл-полупроводник (доля 1 эВ). Область В не будет испускать электронов, так как она обращена к поверхности раздела металл-вакуум с потенциальным барьером в несколько эВ. Отношение области А к области В определяет уменьшение теплопроводности запрещенной зоны (без составляющей излучения). Например, отношение 1:100 обеспечивает тепловое разделение величиной 100К между эмиттером 12 и коллектором 16. Уменьшение площади эмиттера 12 в 100 раз потребует относительно высокой плотности тока. На фиг.5 показан график плотности тока по Ричардсону в зависимости от высоты барьера и температуры. Линия 20 представляет значения при 300К; линия 22 представляет значения при 350К; линия 24 представляет значения при 400К; линия 26 представляет значения при 500К; линия 28 представляет значения при 700К; линия 30 представляет значения при 800К и линия 32 представляет значения при 900К. Например, устройство мощностью 1 Вт с общей площадью 1 см² и температурой 400К на эмиттере 12 потребует ток Ричардсона (термоэлектронный) приблизительно 10³A/cм². Этот ток можно получить при барьере 0,35 эВ, например, РbТе. Практический предел электромиграции для легированных полупроводников с малой шириной запрещенной зоны составляет 10⁴-10⁵/см².

Варианты, проиллюстрированные на фиг.4А и 4В, можно реализовать с помощью известных методов, таких как микролитография или голографическая литография. Однако для некоторых материалов следует учитывать характеристики теплового расширения. Например, конец 1 см² металлической пластины с коэффициентом теплового расширения l0^-5K^-1 переместится на 10⁵ при изменении температуры на 100К, что не согласуется с мостовой длиной размером всего несколькo ангстрем. Поэтому барьер 14 предпочтительно должен быть подвижным (катящимся или скользящим). Подвижный барьер 14 может содержать микросферы или короткие микропроволоки, расположенные между эмиттером 12 и коллектором 16. Микросферы являются более предпочтительными из-за отсутствия проблем теплового расширения и ориентации. Вариант с микросферами показан на фиг.1, где полупроводниковые сферы 14 размером 5-100 нанометров получены методами осаждения, отложения аэрозоли или плазменного распыления. Однако развитие субмикронной литографии позволяет технологически реализовать решение с использованием нанопроволоки. Решение с нанопроволокой требует применения однородных материалов со снятыми остаточными напряжениями как на стороне эмиттера 12, так и на стороне коллектора 16. Простейшая конструкция представляет собой круглую пластину, которая расширяется в радиальном направлении. На фиг.6 показана картина 34 расширения и расположение 36 нанопроволоки для круглой пластины. Следует отметить, что движение пластины по нанопроволоке может привести к ухудшению после нескольких термических циклов и поэтому его следует избегать. На фиг.7 показано, что прямоугольная пластина создает более сложную картину 38 теплового расширения, расположение 40 нанопроволоки относительно сложное и будет эффективно, когда абсолютное изменение размера относительно невелико, чтобы исключить эффекты второго порядка. Пластина предпочтительно должна иметь маленький коэффициент теплового расширения, чтобы уменьшить абсолютное изменение размера при повышенных температурах.

Круглая и прямоугольная геометрии пластин эмиттера 12 и коллектора 16 не являются единственно возможными конфигурациями. Однако каждая конфигурация имеет свою собственную картину теплового расширения, которую необходимо проанализировать математически с соответственно просчитанной ориентацией нанопроволоки. Поперечное сечение нанопроволоки может варьироваться в зависимости от используемых материалов, рабочих температур и температурных градиентов. Примерные поперечные сечения 42 показаны на фиг.8, хотя и не ограничены этими вариантами.

Потенциальный барьер для электронов в данном варианте можно получить только с помощью барьеров Шотки. В приведенной ниже таблице 1 перечислены примеры известных барьеров Шотки для некоторых полупроводников в контакте с металлами. Этот перечень можно расширить на практически любой барьер Шотки или сравнивать работу выхода электронов материала с энергетическим уровнем вакуума (см. Band Structure Engineering in Semiconductor Microstructures, NATO ASI Series. Series B: Physics, Vol.189 (1988), p.24; Lerach, L. and Albrecht, H. Current Transport in Forward Biased Schottky Barriers on Low Doped n-Type InSb, North-Holland Publishing Co., 1978, pp.531-544; Brillson. L. Contacts to Semiconductors, Fundamentals и Technology, Noyes Publications, 1993; Rhoderick, E.H. and Williams R.H. Metal-Semiconductor Contacts, Second Edition, Clarendon Press, 1988). Расположение сфер 14 можно получить методами осаждения из жидкости, диэлектрофореза, вибрации/заряда, маскирования и т.п. Например, в диэлектрофорезе порошок принимает заряд в диэлектрической среде, такой как этиловый спирт. Важно использовать свежий этиловый спирт, так как спирт забирает воду из атмосферы. Это придает среде некоторую проводимость и процесс ухудшается. Заряды движутся, когда прикладывается электрическое поле. Образование покрытия регулируется прикладываемым напряжением и концентрацией порошка в смеси. Порошок диспергируется с помощью ультразвука или встряхивания.

Как отмечалось выше, если эмиттер 12 содержит неметаллический материал, то металлический слой можно поместить либо на эмиттер 12, либо на барьер 14. Например, барьер 14, содержащий микросферы (фиг.1), может иметь наружный металлический слой, а на эмиттере 12 будут размещены металлические контакты.

В таблице 1 указаны разные материалы, имеющие высоту барьера в интервале от 0,1 до 1,0 эВ. Все практические температуры для материалов, указанных в таблице 1, включены в фиг.5. Например, n-GaAs или Pd₂Si (0,7эВ) являются приемлемыми барьерными материалами при рабочих температурах 800К, охвате площади 1:100 и предельном токе 10³A/см² через материал барьера (при удельной мощности преобразователя приблизительно 1 Вт/см²). Полупроводники можно также легировать примесями, обеспечивающими подзонную проводимость. Например, Ge, легированный Те, обеспечивает донорскую подзону, удаленную на 0,3 эВ от нижней части зоны проводимости, что изменяет собственный поверхностный барьер на величину 0,15-0,20 эВ.

Примерный вариант воплощения изобретения, показанный на фиг.1, может содержать полупроводниковые сферы диаметром 100, осажденные на разные подложки с требуемой плотностью на единицу площади такими методами, как лазерная абляция, или их эквивалентами. Шероховатость поверхности полупроводников и диэлектриков предпочтительно составляет несколько ангстрем RMS (среднеквадратичное отклонение), однако поверхность должна быть металлизирована. Металлические покрытия с поверхностью 10 RMS являются типичными для магнетронного распыления. Стандартная оптическая полировка обеспечивает параллелизм 1-3 дуг. мин. Без гибкой пластины c одной стороны отсутствие коротких замыканий можно гарантировать только при расстоянии около 100 микрон. Материалы, имеющие толщину приблизительно 0,1 мм или меньше, такие как стекло, кварц. Si, Ge, слюда или их эквиваленты, будут действовать как локальная пружина и компенсировать параллелизм, если используется теплопроводная прокладка, например, из углеродного волокна или его эквивалентов в качестве промежуточного слоя для сжатия.

Для иллюстрации проблем регулирования теплоты и сжатия на фиг.9 показан вариант выполнения, который содержит сферы 44 диаметром 100 из германия между двумя идеально гладкими пластинами 46 из молибдена или пластинами 48, покрытыми молибденом, в форме квадратов 1 1 см² при разности температур 100К между пластинами 46 и 48 и тепловым потоком 10 Вт на преобразователе. Одна из пластин 46 или 48 довольно тонкая (например, 10-20 микрон), чтобы быть достаточно гибкой для локальной компенсации проблем параллелизма.

Источник тепла (не показан) создает тепловой поток q. Тепловой дифференциал поддерживается между холодной пластиной 46 с температурой Т₂ и горячей пластиной 48 с температурой T₁. В данном случае T₁-Т₂=100К. Пластина 48 выполнена из кремниевой пластины толщиной 10 микрон и металлизирована с обеих сторон молибденом толщиной 2000. Наносферы 44 из Ge нанесены на пластину 46 методом лазерной абляции. Тонкий слой углеродного волокна 50 обеспечивает равномерность нагрузки на пластине 48 и проводит тепло и электрический поток через плоскую прижимную пластину 52. Механическая нагрузка на наносферы 44 регулируется калиброванными пружинами 54. В принципе, пружины 54 могут быть также присоединены к пластине 46 вместо пластины 52. Сила сжатия, обеспечиваемая пружинами 54, определяет деформацию сфер 44 и косвенно задает свойства теплового и электрического контакта на поверхности раздела сферы-пластина. Все устройство помещено в вакуумную камеру и откачано до остаточного давления ниже 5 10^-4 тор. При таком давлении теплопроводность воздуха меньше, чем радиационные потери при комнатной температуре {см. Kaganer, M.G. Thermal Insulation in Cryogenic Engineering. Israel Program for Scientific Translations Ltd. 1969, pp.7-106). В этой работе указано, что тепловое сопротивление на поверхности раздела представляет собой комплексную функцию многих параметров. Для простоты в следующем примере предполагается, что тепловое сопротивление сферы 44 эквивалентно прутку с поперечным сечением 1000. Удельный тепловой поток (q,=k T/ y) через один контакт с теплопроводностью k, равной 40 Вт/(mK) для германия дает значение 4 10^-6 Вт. Чтобы поддерживать градиент температур 100К при общем тепловом потоке 10 Вт, требуется 2,5 10⁶ сфер или расстояние приблизительно 6 микрон между сферами 44, что соответствует параллельности пластин около 3 дуговых минут, стандартной для кремниевых пластин.

Можно допустить, что при сжатии сфера 44 из Ge деформируется, а пластина 46 останется плоской, т.к. модуль упругости Мо (300 ГПа) намного выше, чем у Ge (82 ГПа). Вычисления показывают, что для обеспечения площади контакта 1000 требуется сила приблизительно 10^-7 Н. Общая сила сжатия в этом случае будет 0,25 Н, что относительно мало и позволяет только частично компенсировать параллельность пластин при толщине кремниевой пластины 10 микрон. При использовании более тонких пластин или более гибкого материала для пластин, такого как стекло, можно получить лучшие результаты.

В предыдущем примере также проиллюстрирован принцип оптимизации данного устройства. Если требуемая разность температур увеличивается до 200К, то на устройство необходимо подавать тепловой поток 20 Вт. Если имеется только 10 Вт, то количество наносфер следует уменьшить вдвое и т.д.

Примеры разных материалов для барьера 14 обсуждаются в следующих публикациях, упоминаемых здесь для сведения: Burstein, Е. and Lundqvist, S. Tunneling Phenomena in Solids. N.Y., Plenum Press, 1969, pp.47-78, 127-134, 149-166 and 193-205. Mizuta, H. and Tanoue, Т. Physics and Applications of Resonant Tunneling Diodes. N.Y.Cambridge University Press, 1995, pp.52-87. Duke, C.B. Tunneling in Solids. N.Y., Academic Press 1969, pp.49-158 and 279-290. Conley, J.W. and Tiemann, J.I. Experimental Aspects of Tunneling in Metal-Semiconductor Barriers. Journal of Applied Physics, Vol.38, № 7 (June 1967), pp.2880-2884. Steinrisser, F. and Davis, L.C, Electron and Phonon Tunneling Spectroscopy in Metal-Germanium Contacts. Physical Review, Vol. 176, no.3 (December 15, 1968), pp.912-914; Hicks, L.D. and Dresselhaus, M.S. Effect of Quantum-well Structures on the Thermoelectric Figure of Merit. Physical Review B, Vol.47, no.19 (May 15, 1993), pp.12272-12731. Abram, R.A. and Jaros, M. Band, Structure Engineering in Semiconductor Microstructures. Series B: Physics, Vol. 189, N.Y. Plenum Press 1988, pp.1-6 and 21-31. Ferry et al. Quantum Transport in Ultrasmall Devices. Series B: Physics, Vol. 342, N.Y. Plenum Press 1995. pp.191-200. Shakorui and Bowers, J.E. Heterostructure Integrated Thermionic Coolers. Applied Physics Letters, Vol.71. no.9 (September 1, 1997), pp.1234-1236.

Специалисты в области применения тонких барьерных материалов признают необходимость чистоты и отсутствия загрязнений, таких как бактерии, инородные частицы, пыль и т.п. Важно также обеспечить гладкую поверхность подложки, на которой размещается барьер.

Диэлектрики в чистом виде имеют исключительно высокие барьерные свойства. Например, типичная запрещенная зона диэлектрика составляет 4-6 эВ. Таким уровнем энергии крайне сложно термически возбудить электроны, чтобы получить значимый ток. Примеси и дефекты кристаллической решетки в диэлектриках создают локальные проводящие зоны, которые создают более низкие барьеры.

Поведение дефектов кристаллической решетки и примесей в диэлектриках не было достаточно изучено (см., например, публикацию Hill, R.M. Single Carrier Transport in Thin Dielectric Films. Amsterdam, Elsevier Publishing Co., 1967, pp.39-68). Высоту барьера можно регулировать посредством изменения вида примеси и ее концентрации. Проводимость за счет многоступенчатого туннелирования через дефекты также создает некоторую проводимость при низкой энергии электронов.

Специалистам известно, что существуют разные методы осаждения, которые можно применять для получения ультратонких диэлектрических покрытий, включающие, не ограничиваясь перечисленным, химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ), физическое осаждение из паровой фазы (ФОПФ) в их разных формах, например магнетронное, электронно-лучевое, импульсно-лазерное осаждение или их эквиваленты. Известно, что эти методы осаждения могут обеспечить слои толщиной 10-500 из таких диэлектриков, как Аl₂O₃ и SiO₂.

Для барьера 14, разделяющего электроны по энергии, можно также использовать не диэлектрики, а полупроводники. Так как для требуемого значения высоты барьера можно выбрать барьер на границе раздела металл-полупроводник, потенциальный барьер металл-полупроводник можно более легко регулировать, чем переход металл-диэлектрик-металл. Переход металл-полупроводник обладает свойствами туннелирования для сильно вырожденных полупроводников, например сильно легированных полупроводников, что позволяет получать тонкие потенциальные барьеры.

Можно использовать три типа полупроводниковых барьеров: (1) проводящий или легированный материал 62/ полупроводник n-типа 64/ полупроводник р-типа 66/ проводящий или легированный материал 68 (см. фиг.10; следует также отметить, что слои n-типа и р-типа можно поменять местами); (2) проводящий или легированный материал 70/ полупроводник n-типа 72/ проводящий или легированный материал 74 (см. фиг.11) и (3) проводящий или легированный материал 76 /полупроводник р-типа 78/ проводящий или легированный материал 80 (см. фиг.12). В данном варианте воплощения изобретения электроны, инжектированные в область р-типа, могут ускоряться локальным электрическим полем. Примеры полупроводниковых материалов приводятся в следующих публикациях, упоминаемых здесь для сведения: См. Landolt-Bornstein, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Group III: Crystal and Solid State Physics (1982) Vol. 17b-17i and (1987) Vol.22a Semiconductors. Madelung, О. Data in Science и Technology. Semiconductors Other than Group IV Elements and III-V Compounds. N.Y., Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1992, pp.1-153. Conwell, E.M., Semiconductors I, Bulletin of American Physical Society, Vol.10 (June 14, 1965), р.593. Hall R.N. and Racette J.H. Band Structure Parameters Deduced from Tunneling Experiments, Journal of Applied Physics, Supp. to Vol.32, no.10 (October 1961), pp.2078-2081.

При энергии E_g запрещенной зоны первый барьер будет иметь экспоненциальный множитель Eg и второй экспоненциальный множитель, равный приблизительно Е_g/2 (без барьера Шотки, связанного с поверхностными дефектами и кристаллографией).

Высота барьеров для полупроводников ниже, чем у соответствующих барьеров для диэлектриков. Толщина барьера 14 не является столь важной в случае полупроводника, а высоту барьера можно отрегулировать путем использования соответствующего полупроводникового материала. Например, толщина полупроводника может составлять порядка сотен ангстрем (или больше) по сравнению с десятками ангстрем, требуемых для диэлектриков. Более толстый барьер 14 изготовить гораздо легче, потому что он менее восприимчив к микроотверстиям, пыли и другим загрязнениям. Кроме того, ток экспоненциально зависит от высоты барьера.

Из уравнения Ричардсона с полупроводником, имеющим высоту барьера , равную 150 мэВ, плотность тока при комнатной температуре очень высокая - приблизительно 10⁶A/cм² и ~ 10⁴А/см² при , равной около 300 мэВ. В данном варианте можно использовать полупроводники, имеющие высоту барьера меньше чем 0,6-0,7 эВ, так как они позволяют получить достаточно высокую плотность тока (>1А/см²).

Барьер 81 с резонансным туннелированием (РТ) содержит два или больше барьеров 82 и 86, удаленных друг от друга на расстояние 84, которое достаточно для того, чтобы электроны образовали стоячую волну (фиг.13). Расстояние 84 типично составляет 100 или меньше и требует применения прецизионного метода осаждения, такого как молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) или ее эквиваленты. Физика и технология устройств с РТ описаны в работе Mizuta, H. and Tanoue, T. Physics and Applications of Resonant Tunnelling Diodes. Cambridge University Press, 1995, pp.1-235, упоминаемой здесь для сведения.

Преимущество барьера 81 с резонансным туннелированием состоит в его избирательном пропускании, зависящем от энергии электрона. Пример вероятности пропускания для конкретной гетероструктуры GaAs-Al_xGa_1-xAs показан на фиг.14. Существует несколько пиков пропускания, каждый из которых является кратным основным гармоникам. Основные гармоники РТ можно настроить на первые фононные гармоники материала эмиттера, такого как TiH₂. Высшие гармоники будут согласовываться автоматически, обеспечивая тем самым отделение электронов от конца распределения Ферми-Дирака, что обеспечивает более высокие эффективности. Токи утечки РТ очень малы по сравнению с другими видами барьеров. Например, вероятность того, что электрон с энергией 0,1 эВ проникнет в РТ барьер 81, намного ниже, чем для электрона с энергией 0,25 эВ. Эффективность такого типа разделения обеспечивает высокий кпд преобразователя.

3. Коллектор

Чтобы гарантировать правильную работу преобразователя, материал коллектора 16 должен иметь следующие свойства. Коллектор 16 должен обеспечивать тепло- и электропроводность. На фиг.15А изображен коллектор 16, имеющий подложку 88, которая не проводит электрический ток, покрытую проводящим или легированным слоем 90 для электропроводности. Если коллектор 16 используется в качестве подложки для разделяющего электроны барьера 14, его необходимо отполировать до получения шероховатости поверхности, превосходящей толщину барьера 14. Например, при толщине барьера 14 150-200 шероховатость поверхности на всем коллекторе 16 должна быть лучше чем 50. Металлы, отвечающие требованиям шероховатости <50, известны в металлооптической промышленности. Такие металлы включают, не ограничиваясь перечисленным, Сu, Мо, W, Al, их комбинации или их эквиваленты.

Альтернативное решение состоит в том, чтобы использовать оптически отполированные диэлектрические или полупроводниковые коллекторы 16, которые имеют хорошую теплопроводность и покрыты проводящим или легированным материалом для достижения требуемой электропроводности. Такие материалы включают, не ограничиваясь перечисленным, кремний, арсенид галлия, сапфир, кварц (кварцевое стекло) или их эквиваленты. На этих материалах можно легко обеспечить шероховатость поверхности лучше чем 10. Стекло имеет низкую теплопроводность 1-2 Вт/(м К) и поэтому применимо только в преобразователях с низкой плотностью энергии. Для более требовательных применений можно использовать тугоплавкие монокристаллы и алмаз.

В вариантах изобретения с использованием материала с высокой фононной энергией в качестве эмиттера 12 коллектор 16 не должен иметь высокоэнергетическую составляющую в своем фононном спектре. Более того, материал коллектора 16 должен иметь атомную массу, достаточную, чтобы отсекать спектр ниже kT, так как фононная частота нормально уменьшается с массой атома металла. Перечень металлов, удовлетворяющих данному критерию, приведен в публикациях Landolt-Bornstein, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Group Ill: Crystal and Solid State Physics (1981) Vol.13a. Metals: Phonons and Electron States. Fermi Surfaces, стр. 7-180, и Khotkevich et al. Atlas of Point Contact Spectra of Electron-Phonon Interactions in Metals (1995), упоминаемых здесь для сведения. Примеры таких металлов включают, не ограничиваясь перечисленным, Au, Bi, Hf, Pb, Pt, W, Zr, Та и Sn.

Коэффициент теплового расширения материала коллектора 16 предпочтительно должен быть согласован с коэффициентом теплового расширения материала барьера 14, чтобы предотвратить отслаивание покрытия во время работы преобразователя в условиях циклического воздействия температур. Кроме того, материал коллектора 16 должен иметь достаточную механическую целостность, чтобы выдержать рабочие температуры.

Если материалы барьера 14 и коллектора 16 не выбраны таким образом, чтобы предотвратить обратную утечку электронов через барьер 14, то необходимо поместить электропроводящий, согласующийся с барьером материал 92 между коллектором 16 и барьером 14 (см. фиг.15В). Правило выбора согласующегося с барьером материала 92, имеющего работу выхода электронов _с, для материала эмиттера 12, имеющего работу выхода электронов _е, и материала барьера 14, имеющего работу выхода электронов _b, таково: _с> _b> _е. Фактический зависит от рабочих температур и применения.

Электронная энергия в эмиттере 12, барьере 14 и коллекторе 16 будет располагаться в соответствии с их работой выхода электронов, если измерять энергию электронов относительно энергетического уровня вакуума как контрольного уровня. При слишком низкой работе выхода материала коллектора 16 коллектор 16 действует как дополнительный барьер для испускаемых электронов и поэтому его следует избегать. Очень высокую работу выхода имеют такие металлы, как Pt или Ir, и они являются предпочтительными. Однако они могут не потребоваться, если материал эмиттера имеет низкую работу выхода электронов.

4. Примеры

4(а) Преобразователь с диэлектрическим барьером

Преобразователь был собран с использованием эмиттера, содержащего тантал-гидридный порошок 17, расположенный в сотовой структуре 18 (см. фиг.3). Преобразователь собирали на жесткой стойке микроскопа со столом для микроскопического линейного позиционирования, обеспечивающим регулировку в интервале ±0,5 микрон. Патронный нагревательный элемент (Omega, 100 Вт) запитывался от регулируемого источника постоянного тока, а тепловой контакт с тантал-гидридным порошком был обеспечен с помощью полированного медного стержня. Нагревательный элемент и стержень были заключены в изоляционный материал Масоr и подпружинены к стойке микроскопа. Водоохлаждаемый теплоотвод, выполненный из меди, был установлен на позиционирующем столе с держателем дополнительного зеркала лазера, что позволяло юстировать контактирующие плоскости в трех направлениях. Охлаждающую воду подавали из большого резервуара при комнатной температуре с помощью шлангового насоса со стабильностью ±0,5 С в течение одного часа. Температуру медных стержней измеряли с помощью двух платиновых РТД, присоединенных к мультиметру Keithly 2001 для получения данных (с точностью ±0,02 С). Корпус из нержавеющей стали каждого РТД также использовали в качестве электрических проводов для образования соединительной цепи между эмиттером и коллектором. Напряжение в этой внешней цепи измеряли с помощью нановольт-метра модели Hewlett Packard НР34420А (R_n=10 гигаOм).

Вольт-амперную характеристику (ВАХ) образца измеряли с помощью внешнего источника питания Керсо АВС 25-1DM и прибора Keithly 2001 в качестве амперметра. Магазин сопротивлений (с точностью 1%) был подсоединен параллельно с цепью, что допускало нагрузки до 0,5 ГОм без помех для нановольтметра. Вольт-амперную характеристику определяли посредством измерений напряжения-нагрузки. Эмиттерные порошки 17 включали частицы либо ТаН, либо TiH₂, которые были измельчены на шаровой мельнице от исходного размера 10-20 микрон до получения частиц со средним размером 0,2-0,3 микрон. Эмиттер был изготовлен либо посредством выпуска порошка 17 в сотовую структуру 18 с низкой теплопроводностью, приклеенную к медной пластине, либо посредством сушки суспензии порошка в спирте на медной пластине. Сотовая структура 18, использованная в данном опытном образце, была изготовлена компанией Goodfellow Corporation, Пенсильвания. Сотовая структура имела артикул AR312610 и следующие параметры: толщина 5 мм, стенка ячейки 0,05 мм и размер ячейки 3 мм.

Были испытаны разные подложки коллектора, включая металлизированные, оптически полированный сапфир, оптически полированные ковар и молибден и металлизированное оптическое стекло. Согласующийся с барьером материал 92 толщиной 200-500 осаждали на подложку 90, например, из Та для эмиттера из ТаН. Диэлектрические слои из Аl₂O₃ осаждали методом физического осаждения из паровой фазы, магнетронного распыления (ФОПФ) или химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ). Тщательный контроль концентрации примеси или дефектов на образцах коллектора, осажденных обоими средствами, не производился. Минимальная достигнутая толщина барьера, при которой не возникало коротких замыканий на площади 1 см², была приблизительно 250. В некоторых образцах закорачивание барьера не происходило при комнатной температуре, но возникало при 35-40 С. Максимальное наблюдаемое напряжение было 0,22 В при использовании диэлектрических барьеров с разностью температур 35 С между эмиттером и коллектором. Максимальный наблюдаемый ток был около 2 мкА. Некоторые образцы имели вольтамперную характеристику S-типа, типичную для туннельных диодов (фиг.16). На фиг.16 температура эмиттера была приблизительно 31,96 С, а разность температур между эмиттером и коллектором была приблизительно 11,06 С. S-образная ВАХ 94 не является плавной, что предполагает наличие локализованной зоны проводимости в аморфном диэлектрике. Некоторые образцы имели вольтамперные характеристики 96 и 98, напоминающие начальную часть туннельной S-образной ВАХ (фиг.17). Для ВАХ 96 температура эмиттера была приблизительно 22,5 С, а разность температур между эмиттером и коллектором была приблизительно 3,1 С. Для ВАХ 98 температура эмиттера была приблизительно 24,5 С, а разность температур между эмиттером и коллектором была приблизительно 5,4 С. На фиг.18 линия 100 показывает зависимость напряжения от температурного градиента, которая была в основном линейной для большинства образцов. Линейная линия V(T) 100 указывает на фононный механизм, который должен иметь линейную зависимость от теплового потока через образец. Тепловой поток является линейной функцией разности температур, тогда как распределение электронов является экспоненциальной функцией температуры.

Эти эксперименты послужили исходным контрольно-проверочным испытанием преобразователя с напряжением на выходе до 10-15 мВ/К, что значительно выше, чем у любого известного термоэлектрического устройства. Плотность тока у преобразователя с барьером из Al₂O₂ была низкой, что ожидается при относительно толстых барьерах и отсутствии контроля зоны проводимости. Однако зону проводимости можно подобрать. В литературе есть сообщения о непрерывных слоях Al₂O₃, некоторые из которых имеют величину всего 20, что позволяет получить усиление по току в 10⁶ раз.

4(b). Преобразователь с полупроводниковым барьером

Преобразователь был выполнен с применением покрытий РbТе в качестве полупроводникового барьера, которые осаждались методом магнетронного распыления. Мишенью магнетронного распыления был РbТе р-типа с чистотой 99,99%, легированный Аl до 0,3-0,5 ат.%. РbТе имеет высокую работу выхода электронов (4,8-5,1 эВ), что создает проблемы с образованием барьера, который бы предотвратил обратный поток электронов. Только ограниченное число металлов имеет более высокую работу выхода электронов, такие как Pt и Аu. Отполированная стеклянная подложка была покрыта слоем Та толщиной 3000 для электропроводности, 500 золота для согласования с барьером и 350 РbТе в качестве барьерного материала. Высота барьера Шотки в данном случае была неизвестна.

При температурах ФОПФ 100-200 С РbТе обычно образует кристаллическое покрытие. Температура осаждения образца в данном случае была 30-100 С, поэтому не исключено аморфное покрытие.

Результаты экспериментов показаны в приведенной ниже таблице 2, где использовался эмиттер из порошка ТаН с площадью поперечного сечения 17 мм². Температура эмиттера была 26,9 С, а температура коллектора 22,0 С.

Эти результаты показывают, что ток через барьер, по-видимому, не возникал, так как разброс напряжения был слишком малым, например 5,2 мВ, по сравнению с ожидаемым пределом выше 100 мВ. Это значит, что действительный потенциальный барьер в данном случае был больше 1 эВ или близок к нему. Такая проводимость представляется подобной проводимости, поддерживаемой фононами зоны проводимости примеси в диэлектрике. Тем не менее, при пересчете эффективность данного устройства составила 5,7% идеального цикла Карно без учета теплопроводности воздуха. КПД составляет 6,6% с учетом теплопроводности воздуха при температуре 300К и разности температур 4,9К. Погрешности измерений были незначительными: 10^-3% по напряжению, 1% по сопротивлению (току) и 0,02 С по температуре. Тепловой дрейф во время экспериментов был меньше чем 0,2 С.

4(с). Преобразователь с полупроводниковым барьером

Преобразователь, аналогичный по конструкции преобразователю, описанному в разделе 4(b), был изготовлен из такой же мишени распыления из РbТе (легированной Аl до 0,3-0,5 ат.%). Основное различие между данным преобразователем и тем, который был описан в разделе 4(b), состоит в подложке коллектора, которая была отполирована до шероховатости поверхности алюминия 50 RMS (15 12 3 мм³). Аl был покрыт 3000 Та и 300 Pt. Слой РbТе сверху слоя Pt имел толщину 240. Эмиттер также содержал микросферы TiH.

Эксперимент проводился при температуре эмиттера 31±0,5 С и разности температур между эмиттером и коллектором 7,5±0,5 С. Полученная вольт-амперная характеристика 102 при изменяющейся нагрузке резистора показана на фиг.19.

Разброс напряжения был достаточным, чтобы походить на перенос тока через барьер, в отличие от ВАХ, полученной в разделе 4(b). Оценки эффективности было невозможно выполнить, потому что подложка из А1 имеет высокую теплопроводность. Однако производительность данного преобразователя выше, чем полученная в разделе 4(b).

5. Варианты с охлаждением

Главные элементы термоэлектронного преобразователя 104, работающего на охлаждение (фиг.20), по существу те же самые, что и в термоэлектронном преобразователе 10 для преобразования теплоты в электричество, описанном выше. Существенное различие состоит в том, что переносу носителей способствует внешнее электрическое поле E_ext и эмиттер 12 соединен с тепловой нагрузкой. Эмиттер 12 термически изолирован изоляционным материалом 106. В термоэлектронном преобразователе 104, показанном на фиг.20, вместо нагретого эмиттера 12, как при преобразовании теплоты в электричество, охлаждается тепловая нагрузка тепловым потоком Q_{нагрузка} к эмиттеру 12. Обратная поверхность коллектора 16 действует как теплообменник, а тепловой поток Q_oбмен рассеивает теплоту горячих электронов. Специалистам в области теплообменников известно, что существует множество средств осуществления теплообмена, включая без ограничения воздушное и жидкое охлаждение или их эквиваленты.

В дальнейшем описываются конфигурации барьера, которые обеспечивают большое тепловое разделение между эмиттером 12 и коллектором 16.

Следует отметить, что поддерживаемый фононами перенос электронов менее важен в варианте с охлаждением, чем в вариантах преобразования теплоты в электричество, потому что режим охлаждения зависит в основном от рабочего напряжения. Например, фононы не могут дать усиление больше чем 0,3 эВ при значимых токах. Рабочее напряжение можно получать от внешнего источника напряжения E_ext.

На фиг.21 изображен термоэлектронный преобразователь 108, работающий на охлаждение, в котором использован барьер 14 в форме точечных контактов. Барьер 14 может содержать, например, сферические полупроводниковые частицы подобно варианту на фиг.1.

Барьер 14, показанный на фиг.22, содержит частицы, имеющие тонкий полупроводниковый слой 114, позволяющий осуществлять баллистический перенос носителей, проводящий или легированный слой 112 для согласования электропроводности и работы выхода электронов, и материал 110 сердцевины (фиг.22). Материал 110 сердцевины может быть диэлектриком, проводящим или легированным материалом, полупроводником или пластиком, если он достаточно твердый и имеет подходящую рабочую температуру и коэффициент теплового расширения. В этом варианте одна сторона частицы будет работать как эмиттер, а другая - как коллектор. Также важно отметить, что проводящий или легированный слой 112 должен иметь значение работы выхода электронов, находящееся между показателями эмиттера 12 и коллектора 16.

6. Применение

Так как преобразование энергии составляет основу современной цивилизации, эффективный преобразователь энергии может найти многочисленные применения, например, на существующих электростанциях общего пользования, солнечных электростанциях, в бытовых источниках электроэнергии, бытовых солнечных источниках электроэнергии, автомобильных, морских, солнечных морских, портативных электронных приборах, теплонасосных установках, холодильной технике (для охлаждения, кондиционирования воздуха и т.п.), в космических применениях и так далее.

Электростанции производят огромное количество отходящей теплоты с потенциалом до 300°С. Преобразование отходящей теплоты с эффективностью Карно 20-40% увеличит общую производительность станции на 10-20% с эквивалентной экономией топлива.

Распространение недорогих преобразователей позволит уменьшить капиталовложения в солнечные концентраторы с более высоким кпд, чем в современных: пароэлектрических циклах. Более низкие рабочие температуры также позволят снизить эксплуатационные расходы.

Бытовые источники электроэнергии на основе прямого преобразования теплоты в электрическую энергию идеальны для удаленных мест, куда трудно или неудобно прокладывать линии электропередач. Источником тепла может служить ископаемое топливо или солнечные концентраторы. Солнечные концентраторы могут быть также в форме нагреваемых солнцем бассейнов, использующих разности дневной и ночной температур. Несколько сот кубических метров воды с поверхностью сто квадратных метров и покрытием сможет обеспечить электричеством дом в районах с разностью температур около 10 С.

Термоэлектронный преобразователь в комбинации с обычным двигателем, приводящим в действие электрический генератор и электрический мотор, существенно повысит пробег автомобиля.

Прямое преобразование энергии может найти широкое применение в электрических автомобилях. В одном применении используется термоэлектронное устройство с рабочими температурами до около 150-200 С для повышения общего кпд. Другим применением является автомобиль с электрическим приводом и обычным двигателем, связанным с электрическим генератором, имеющим батарею преобразователей в качестве промежуточного радиатора.

Использование в двигателях и силовых установках также походит для морских применений. Можно также использовать солнечные концентраторы в виде паруса. Комбинация легких и недорогих пластиковых линз Френеля с термоэлектронными преобразователями может быть встроена в современные жесткие паруса в виде крыла, что позволит использовать энергию ветра и солнца для движения судна с солнечной составляющей паруса около 100-200 Вт/м².

Так как преобразователь может использовать очень небольшие градиенты температур в автономном режиме, можно получить температурный градиент между теплоотводами с асимметричным теплообменом на поверхности (например, один теплоотвод может быть теплоизолирован). Также система будет работать, когда что-то выходит из строя, охлаждая атмосферу и вырабатывая электричество. В заключение следует отметить, что предложенные способ и устройство представляют существенное усовершенствование современного состояния техники в области термоэлектронного преобразования энергии.

Изобретение может быть воплощено в других конкретных формах, не выходя за рамки его изобретательского замысла или существенных признаков.