Преобразователь электромагнитного излучения в электричество

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Преобразователь электромагнитного излучения в электричество, содержащий опорную структуру с первой опорной поверхностью и сформированными на ней первым и вторым электродами, соединенными каждый с соответствующим проводящим резонатором,углубление, сформированное в опорной структуре, боковые стенки которого представляют собой вторую и четвертую опорные поверхности, а дно - третью опорную поверхность,на которой на заданном нанорасстоянии от второго электрода, обеспечивающем детектирование возникшего в резонаторах тока, сформирован наноэмиттер, представляющий собой острие первого электрода, электропроводная структура которого нанесена на первую,вторую и третью опорные поверхности, отличающийся тем, что на первой опорной поверхности под первым электродом и соединенным с ним проводящим резонатором и под электропроводящей структурой первого электрода на второй и третьей опорных поверхностях расположен теплоизолирующий слой, а на первой опорной поверхности под вторым электродом и соединенным с ним проводящим резонатором - теплопроводящий слой,причем проводящие резонаторы выполнены из электрически связанных микрорезонаторов, расположенных друг от друга на расстоянии, существенно меньшем длин волн среднего инфракрасного излучения. 101542014.06.30 2. Преобразователь электромагнитного излучения в электричество по п. 1, отличающийся тем, что размеры микрорезонаторов соответствуют длинам волн ближнего инфракрасного излучения. Полезная модель относится к области гелиоэнергетики и может быть использована при разработке высокоэффективных интегральных преобразователей электромагнитного излучения ближнего и среднего инфракрасных диапазонов в электричество. Известен преобразователь электромагнитного излучения в электричество 1, содержащий опорную структуру с первой опорной поверхностью и сформированными на ней первым и вторым электродами, соединенными каждый с соответствующим проводящим резонатором для преобразования падающего излучения рабочей длины волныв электрический ток, при этом преобразователь электромагнитного излучения в электричество также содержит металлические наночастицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего излучения, обеспечивающие концентрацию падающего излучения в ближней зоне около наночастиц. Устройство имеет низкую эффективность преобразования электромагнитного излучения, так как генерация электрического тока осуществляется в узком диапазоне длин волн. Наиболее близким по технической сущности является преобразователь электромагнитного излучения в электричество 2, содержащий опорную структуру с первой опорной поверхностью и сформированными на ней первым и вторым электродами, соединенными каждый с соответствующим проводящим резонатором для преобразования падающего излучения рабочей длины волныв электрический ток, в опорной структуре сформировано углубление, боковые стенки которого представляют собой вторую и четвертую опорные поверхности, а дно - третью опорную поверхность, на которой на заданном нанорасстоянии от второго электрода, обеспечивающем детектирование возникшего в резонаторах тока,сформирован наноэмиттер, представляющий собой острие первого электрода, электропроводная структура которого нанесена на первую, вторую и третью опорные поверхности. Данное устройство имеет недостаточно высокую эффективность преобразования электромагнитного излучения в электричество, так как работает только в одном спектральном диапазоне длин волн. Техническая задача - повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения в электричество. Поставленная техническая задача решается тем, что преобразователь электромагнитного излучения в электричество содержит опорную структуру с первой опорной поверхностью и сформированными на ней первым и вторым электродами, соединенными каждый с соответствующим проводящим резонатором, углубление, сформированное в опорной структуре, боковые стенки которого представляют собой вторую и четвертую опорные поверхности, а дно - третью опорную поверхность, на которой на заданном нанорасстоянии от второго электрода, обеспечивающем детектирование возникшего в резонаторах тока, сформирован наноэмиттер, представляющий собой острие первого электрода, электропроводная структура которого нанесена на первую, вторую и третью опорные поверхности на первой опорной поверхности под первым электродом и соединенным с ним проводящим резонатором и под электропроводящей структурой первого электрода на второй и третьей опорных поверхностях расположен теплоизолирующий слой, а на первой опорной поверхности под вторым электродом и соединенным с ним проводящим резона 2 101542014.06.30 тором - теплопроводящий слой, причем проводящие резонаторы выполнены из электрически связанных микрорезонаторов, расположенных друг от друга на расстоянии, существенно меньшем длин волн среднего инфракрасного излучения. Для эффективного решения поставленной технической задачи размеры микрорезонаторов соответствуют длинам волн ближнего инфракрасного излучения. Совокупность указанных признаков позволяет решить поставленную техническую задачу за счет расширения преобразуемого спектрального диапазона длин волн в электричество. Сущность полезной модели поясняется фигурой. В преобразователе электромагнитного излучения в электричество на опорной структуре 1 с первой опорной поверхностью 2 сформировано углубление 10, боковые стенки которого представляют собой вторую 3 и четвертую 5 опорные поверхности, а дно - третью опорную поверхность 4. По обе стороны углубления 10 на первой опорной поверхности 2 сформированы соответственно первый электрод 6, электропроводная структура которого нанесена на первую 2, вторую 3, третью 4 опорные поверхности, и второй электрод 7, каждый из них электрически соединен с соответствующим проводящим резонатором 9. На третьей опорной поверхности 4 сформирован наноэмиттер 8, представляющий собой острие первого электрода 6. На первой опорной поверхности 2 под первым электродом 6 и соединенным с ним проводящим резонатором 9 расположен теплоизолирующий слой 12, а на первой опорной поверхности 2 под вторым электродом 7 и соединенным с ним проводящим резонатором 9 - теплопроводящий слой 13. Проводящие резонаторы 9 выполнены в виде электрически взаимосвязанных микрорезонаторов 11. Микрорезонаторы 11 расположены друг от друга на расстоянии, существенно меньшем длин волн среднего инфракрасного излучения, принимаемого проводящими резонаторами 9. В конкретном исполнении первая опорная поверхность 2 - это горизонтальная часть внешней стороны опорной структуры 1, представляющей собой подложку кремния, покрытую слоем двуокиси кремния. В опорной структуре 1 методами фотолитографии и травления выполнено углубление 10. С одной стороны от углубления 10 выполнен теплопроводящий слой 13 из карбида кремния путем восстановления двуокиси кремния углеродом в графитовых тиглях и атмосфере инертного газа при температуре 1800. С другой стороны от углубления 10 выполнен теплоизолирующий слой 12 из пористого окисленного кремния, полученного травлением опорной структуры 1 и последующим нагреванием в атмосфере кислорода. Первый электрод 6 - это выполненный методами вакуумного напыления проводник толщиной 150 нм из хрома. При выполнении этого напыления под углом к опорной поверхности 2 конец первого электрода 6, расположенный на третьей опорной поверхности 4, получается заостренным для эффективной эмиссии электронов и представляет собой наноэмиттер 8. Второй электрод 7 - это выполненный методами вакуумного напыления проводник из никеля толщиной 250 нм. Проводящие резонаторы 9 выполнены в виде микрорезонаторов 11 методами фотолитографии и вакуумного напыления соответствующей толщины из никеля и хрома, связанных по переменному току. Преобразователь электромагнитного излучения в электричество работает следующим образом. Электромагнитное излучение ближнего и среднего инфракрасных диапазонов поступает на опорную поверхность 2 опорной структуры 1, вторую опорную поверхность 3,третью опорную поверхность 4, проводящие резонаторы 9 - микрорезонаторы 11. Проводящие резонаторы 9 поглощают электромагнитное излучение среднего инфракрасного диапазона и преобразуют его в соответствующие переменные электрические токи, а микрорезонаторы 11 - ближнего инфракрасного диапазона и преобразуют его в электрические токи соответствующих частот. Выпрямление указанных токов осуществляется одновременно в нанозазоре между внутренними концами первого 6 и второго 7 электродов, так как, с одной стороны, работа выхода электронов из проводящих материалов первого 6 и второго 7 электродов разная, а с другой - эти электроды имеют разную геометрическую 3 101542014.06.30 форму и толщину. Поэтому вольт-амперная характеристика такого нанодиода, образованного в зазоре наноэмиттер 8 - второй электрод 7, является нелинейной. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения между первым 6 и вторым 7 электродами используется для получения выходной электрической энергии. Протекающий электрический ток по первому 6 и второму 7 электродам нагревает первый электрод 6, расположенный на теплоизолирующем слое 12, а второй электрод 7, расположенный на теплопроводящем слое 13, остается при температуре окружающей среды. Полученный таким образом градиент температур создает термо-ЭДС, которая суммируется с выходным напряжением устройства. В предлагаемой полезной модели повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения в электричество достигается как за счет расширения спектрального диапазона длин волн, так и за счет использования тепловой энергии, выделяемой устройством. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4