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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-04-21
(54)【発明の名称】ナノスケールエネルギー変換装置
(51)【国際特許分類】
H01J 45/00 20060101AFI20220414BHJP
H02N 3/00 20060101ALI20220414BHJP
B82Y 30/00 20110101ALI20220414BHJP
B82Y 40/00 20110101ALI20220414BHJP
【ＦＩ】
H01J45/00
H02N3/00 A
B82Y30/00
B82Y40/00
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021572260
(86)(22)【出願日】2020-02-21
(85)【翻訳文提出日】2021-10-11
(86)【国際出願番号】 US2020019230
(87)【国際公開番号】W WO2020176344
(87)【国際公開日】2020-09-03
(31)【優先権主張番号】16/284,979
(32)【優先日】2019-02-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/284,987
(32)【優先日】2019-02-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/284,967
(32)【優先日】2019-02-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521375106
【氏名又は名称】バーミンガム テクノロジーズ，インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｂｉｒｍｉｎｇｈａｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．
(74)【代理人】
【識別番号】110001302
【氏名又は名称】特許業務法人北青山インターナショナル
(72)【発明者】
【氏名】バーミンガム，ジョセフ
(57)【要約】
実施形態は、ナノスケールのエネルギー変換器および発電機の装置、ならびに関連する方法に関する。この装置は、間に空洞が形成された２つの電極を含む。第１の電極は、第１の仕事関数値を有する第１のベース材料を含むエミッタ電極である。第２の材料は第１のベース材料上に堆積されて、第１の仕事関数値を第２の仕事関数値へと変更する。第２の電極は、第３の仕事関数値を有する第２のベース材料を含むコレクタ電極である。第４の材料は第２のベース材料上に堆積されて、第３の仕事関数値を第４の仕事関数値へと変更する。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の電極であって、少なくとも第１の材料を有する第１の基板であって、前記第１の材料は第１の仕事関数値を有し、前記第１の材料はタングステン（Ｗ）を含む、第１の基板と、
前記第１の材料とは異なる少なくとも１つの第２の材料であって、前記第１の材料の少なくとも第１の部分上に堆積され、前記第１の電極は前記第１の仕事関数値よりも小さい第２の仕事関数値を有し、前記第２の材料は酸化セシウム（Ｃｓ２Ｏ）を含む、第２の材料と、
を含む第１の電極と、
前記第１の電極から離れて配置された第２の電極であって、
前記第１の材料および前記第２の材料とは異なる少なくとも１つの第３の材料を含む第２の基板であって、前記第３の材料は第３の仕事関数値を有し、前記第３の材料は金（Ａｕ）を含む、第２の基板と、
前記第１の材料および前記第３の材料とは異なる少なくとも１つの第４の材料であって、前記少なくとも１つの第３の材料の少なくとも第２の部分上に堆積され、前記第２の電極は前記第３の仕事関数値よりも小さい第４の仕事関数値を有し、前記第４の材料はＣｓ２Ｏを含む、第４の材料と、
を含む第２の電極とを含むことを特徴とする装置。
【請求項2】
請求項１に記載の装置において、前記第２の材料は、前記第１の基板の第１の表面の５０％超に延在し、
前記第４の材料は、前記第２の基板の第２の表面の５０％超に延在することを特徴とする装置。
【請求項3】
請求項１または２に記載の装置において、前記第２の材料は、前記第１の基板の第１の表面の６０％以上に延在することを特徴とする装置。
【請求項4】
請求項１乃至３のいずれかに記載の装置において、前記第４の材料は、前記第２の基板の第２の表面の６０％以上に延在することを特徴とする装置。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれかに記載の装置において、前記第１および第２の部分のそれぞれの上に、Ｃｓ２Ｏの単分散液滴のエレクトロスプレー堆積物をさらに含むことを特徴とする装置。
【請求項6】
請求項１乃至５のいずれかに記載の装置において、少なくとも１つの第２の層および少なくとも１つの第４の層はそれぞれ、それぞれ前記第１および第２の部分の上にＣｓ２Ｏで形成された少なくとも２つの層を含むことを特徴とする装置。
【請求項7】
請求項１乃至６のいずれかに記載の装置において、前記第１の部分および前記第２の部分のうちの少なくとも１つに形成された複数の双極子をさらに含み、前記双極子がナノアンテナを規定することを特徴とする装置。
【請求項8】
請求項７に記載の装置において、近接双極子モーメントを変更するためのナノアンテナをさらに含むことを特徴とする装置。
【請求項9】
請求項１乃至８のいずれかに記載の装置において、前記所定の距離が１ナノメートルから１０ナノメートル未満の範囲を含むことを特徴とする装置。
【請求項10】
請求項１乃至９のいずれかに記載の装置において、前記所定の距離が１０ナノメートル未満であることを特徴とする装置。
【請求項11】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の装置において、前記第１および第２の電極の分離を維持して、前記第１の電極と第２の電極との間に空洞を規定するための複数の絶縁体ポストをさらに含むことを特徴とする装置。
【請求項12】
請求項１１に記載の装置において、前記空洞内に維持される間質性ナノ流体をさらに含むことを特徴とする装置。
【請求項13】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の装置において、前記第１の基板が第１のナノ金属膜を含み、前記第２の基板が第２のナノ金属膜を含むことを特徴とする装置。
【請求項14】
装置の製造方法において、第１の電極を製造するステップであって、
少なくとも第１の材料を含む第１の電極基板を提供し、ここで前記第１の材料は第１の仕事関数値を有し、前記第１の材料はタングステン（Ｗ）を含み、
前記第１の材料の少なくとも一部の上に、前記第１の材料とは異なる少なくとも１つの第２の材料を堆積し、ここで前記少なくとも１つの第２の材料の堆積は、前記第１の電極に第２の仕事関数値をもたらし、前記第２の仕事関数値は前記第１の仕事関数値より小さく、前記第２の材料は酸化セシウム（Ｃｓ２Ｏ）を含む、ステップと、
第２の電極を製造するステップであって、
前記第１および第２の材料とは異なる少なくとも１つの第３の材料を含む第２の電極基板を提供し、ここで前記第３の材料は第３の仕事関数値を有し、前記第３の材料は金（Ａｕ）を含み、
前記少なくとも１つの第３の材料の少なくとも一部の上に、前記第１および第３の材料とは異なる少なくとも１つの第４の材料を堆積し、ここで前記少なくとも１つの第４の材料の堆積は、前記第２の電極に第４の仕事関数値をもたらし、当該第４の仕事関数値は前記第３の仕事関数値よりも小さく、前記第４の材料はＣｓ２Ｏを含む、ステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項15】
請求項１４に記載の方法において、さらに、前記前記第２の材料を第１の基板の第１の表面の５０％超に延在させるステップと、
前記第４の材料を前記第２の基板の第２の表面の５０％超に延在させるステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項16】
請求項１４または１５に記載の方法において、さらに、前記第２の材料を前記第１の基板の第１の表面の少なくとも６０％に延在させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項17】
請求項１４乃至１６のいずれかに記載の方法において、さらに、前記第４の材料を前記第２の基板の第２の表面の少なくとも６０％に延在させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項18】
請求項１４乃至１７のいずれかに記載の方法において、前記第１および第２の部分のそれぞれの上にＣｓ２Ｏの単分散液滴をエレクトロスプレーするステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項19】
請求項１４乃至１８のいずれかに記載の方法において、前記少なくとも１つの第２の層および前記少なくとも１つの第４の層はそれぞれ、それぞれ前記第１および第２の部分の上にＣｓ２Ｏで形成された少なくとも２つの層を含むことを特徴とする方法。
【請求項20】
請求項１４乃至１９のいずれかに記載の方法において、前記第１の部分および前記第２の部分のうちの少なくとも１つに複数の双極子を形成するステップをさらに含み、前記双極子がナノアンテナを規定することを特徴とする方法。
【請求項21】
請求項２０に記載の方法において、前記ナノアンテナは、近接双極子モーメントを変更することを特徴とする方法。
【請求項22】
請求項１４乃至２１のいずれかに記載の方法において、さらに、前記第２の電極を前記第１の電極から離して配置し、その距離が前記第１の電極と第２の電極との間に空洞を少なくとも部分的に規定する、ステップと、
前記空洞にナノ流体を加え、前記ナノ流体は複数のナノ粒子を含む、ステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項23】
請求項２２に記載の方法において、前記距離が１ナノメートルから１０ナノメートル未満の範囲を含むことを特徴とする方法。
【請求項24】
請求項２２または２３に記載の方法において、前記距離が１０ナノメートル未満であることを特徴とする方法。
【請求項25】
請求項１４乃至２４のいずれかに記載の方法において、前記第１の基板が第１のナノ金属膜を含み、前記第２の基板が第２のナノ金属膜を含むことを特徴とする方法。
【請求項26】
電力を生成するための方法において、第１の電極であって、
少なくとも第１の材料を有する第１の基板であって、前記第１の材料は第１の仕事関数値を有し、前記第１の材料がタングステン（Ｗ）を含む、第１の基板と、
前記第１の材料とは異なる少なくとも１つの第２の材料であって、前記第１の材料の少なくとも第１の部分上に堆積され、前記第１の電極は前記第１の仕事関数値よりも小さい第２の仕事関数値を有し、前記第２の材料は酸化セシウム（Ｃｓ２Ｏ）を含む、第２の材料と、
を含む第１の電極を提供するステップと、
前記第１の電極から所定の距離に配置された第２の電極であって、
前記第１の材料および前記第２の材料とは異なる少なくとも１つの第３の材料を含む第２の基板であって、前記第３の材料は第３の仕事関数値を有し、前記第３の材料は金（Ａｕ）を含む、第２の基板と、
前記第１および第３の材料とは異なる少なくとも１つの第４の材料であって、前記少なくとも１つの第３の材料の少なくとも第２の部分上に堆積され、前記第２の電極は前記第３の仕事関数値よりも小さい第４の仕事関数値を有し、前記第４の材料はＣｓ２Ｏを含む、第４の材料と
を含む第２の電極を提供するステップと、
前記第１の電極と第２の電極との間に接触電位差を確立するステップと、
前記第１の電極と第２の電極との間に接触電位差を確立するステップと、
前記距離の配置によって規定される空洞内に複数のナノ粒子を提供するステップと、
前記第１の電極から複数の電子を放出させるステップと、
前記ナノ粒子のブラウン運動を介して、放出された複数の電子を前記第２の電極に移動させるステップと、を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［０００１］本実施形態は、電力の生成、変換、および転送に関するものであり、より具体的には、本明細書に開示される実施形態は、熱電エネルギー変換および熱電エネルギー変換を介して電力を生成するナノスケールエネルギー変換装置、ならびにそれらを製造および使用する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
［０００２］ポータブル発電装置は、電力網からの電力供給が困難な装置（例えば、ショッピングセンター内の携帯電話やタブレット、地球周回軌道上の衛星など）に電力を供給するためによく用いられる。このような装置は、グリッドへのアクセスが不可能な場合にも用いられる（例えば、グリッドが断続的となるか利用できない遠隔地の施設）。さらに、このような装置は、グリッドイベント（停電や電圧低下など）時に重要な機器の動作を継続させるためのバックアップ電源として使用される。
【0003】
［０００３］一般的なポータブル発電装置には、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンがある。しかしながら、これらの装置は、動作中は、装置の動作を維持するために必要な給油が実行されていることを確認するために頻繁に監視する必要がある。太陽電池などの光電デバイスは、十分な光が利用できる場合にのみ有効である。市販の蓄電装置としては、例えば、電気化学電池および全固体電池などがある。しかしながら、電気化学電池や全固体電池の充電量は限られているため、頻繁に交換および／または再充電が必要である。さらに、電気化学電池および全固体電池は、産業施設の非常用およびバックアップ電源に使用される場合、比較的大きな設置面積を必要とする。同様に、マイクロエレクトロニクスデバイスが、電気化学電池や全固体電池の使用と常に適合するとも限らない。コンパクトで長寿命、低電流の電力装置を必要とする可能性のあるマイクロエレクトロニクスデバイスの一例は、アクセスできない場所で長期間無人運転で設置される低電力電子センサがある。コンパクトで長寿命、低消費電力が要求されるマイクロエレクトロニクスデバイスの別の例として、小型コンピューティングデバイスの不揮発性メモリ回路がある。
【0004】
［０００４］他のポータブル発電装置としては、燃料電池や原子力電池がある。燃料電池は一定期間で水素の交換が必要であり、電気化学電池や全固体電池と同様に、産業施設で非常用およびバックアップ電源として使用される場合、比較的大きな設置面積を必要とする。原子力電池は、原子核の核分裂、核融合、放射性崩壊などのプロセスを利用する。これらのプロセスは比較的効率が悪く、核プロセスの自然な副産物である電離放射線の放出を減らすためにシールドが必要である。
【発明の概要】
【0005】
［０００５］電力を生成するための装置および方法が提供される。
【0006】
［０００６］一態様では、この装置は、第１および第２の電極を具える。第１の電極は、第１の仕事関数値を有する少なくとも１つの第１の材料を含む第１の基板を具え、第１の材料はタングステン（Ｗ）を含む。また、第１の電極は、第１の材料とは異なる少なくとも１つの第２の材料を含み、第２の材料は、第１の電極が第１の仕事関数値よりも小さい第２の仕事関数値を有するように、第１の材料の少なくとも一部の上に堆積される。第２の材料は酸化セシウム（Ｃｓ２Ｏ）を含む。第２の電極は、第１の電極から距離を隔てている。第２の電極は、少なくとも１つの第３の材料を有する第２の基板を含み、第３の材料は、第１および第２の材料とは異なる。第３の材料は金（Ａｕ）を含み、第３の仕事関数値を有する。また、第２の電極は、第１および第３の材料とは異なる少なくとも１つの第４の材料を含む。第４の材料は酸化セシウム（Ｃｓ２Ｏ）を含み、第２の電極が第３の仕事関数値よりも小さい第４の仕事関数値を有するように、第３の材料の少なくとも一部の上に堆積される。
【0007】
［０００７］別の態様では、本装置を製造する方法は、第１の電極および第２の電極を製造するステップを含む。第１の電極について、少なくとも第１の材料を含む第１の電極基板が提供され、第１の材料は第１の仕事関数値を有し、第１の材料はタングステン（Ｗ）を含む。第１の材料とは異なる少なくとも１つの第２の材料が、第１の材料の少なくとも一部の上に堆積され、少なくとも１つの第２の材料の堆積は、第１の電極に第２の仕事関数値をもたらし、第２の仕事関数値は、第１の仕事関数値よりも小さく、第２の材料は酸化セシウム（Ｃｓ２Ｏ）を含む。第１および第２の材料とは異なる少なくとも１つの第３の材料を含む第２の電極基板が提供され、ここで、第３の材料は第３の仕事関数値を有し、第３の材料は金（Ａｕ）を含む。第１および第３の材料とは異なる少なくとも１つの第４の材料が、少なくとも１つの第３の材料の少なくとも一部の上に堆積され、少なくとも１つの第４の材料の堆積は、第２の電極に第４の仕事関数値をもたらす。第４の仕事関数値は、第３の仕事関数値よりも小さく、第４の材料はＣｓ２Ｏを含む。
【0008】
［０００８］以上および他の特徴および利点が、添付の図面と併せて、現在の例示的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0009】
［０００９］本明細書で参照される図面は、本明細書の一部を形成し、本明細書に組み込まれる。図示されている特徴は、特に明記しない限り、一部の実施形態のみを例示するものであり、すべての実施形態を例示するものではない。
【発明を実施するための形態】
【0010】
［００２６］本明細書に一般的に記載され図示されているように、本実施形態の構成要素は、多種多様な異なる構成で配置および設計され得ることが容易に理解されよう。したがって、図面に示すような、本実施形態の装置、システム、および方法の実施形態の以下の詳細な説明は、クレームにある実施形態の範囲の限定を意図するものではなく、単に選択された実施形態を代表するものである。
【0011】
［００２７］本明細書全体を通して「選択された実施形態」、「一実施形態」、または「一実施例」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な場所での「選択された実施形態」、「一実施形態において」、または「一実施例において」という表現は、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らない。様々な実施形態を互いに組み合わせることができる。
【0012】
［００２８］図示された実施形態は、図面を参照することによって最もよく理解され、同じ部品は全体を通して同じ数字で示される。以下の説明は、例示のみを意図したものであり、クレームにある実施形態と一致する装置、システム、およびプロセスの特定の選択された実施形態を単に示すものである。
【0013】
［００２９］熱電子電力変換（thermionic power conversion）は、熱を電気エネルギーに変換する方法を提供する。熱電子電力変換発電機は、加熱されたエミッタ電極（すなわち、カソード）から電子が放出されることによって熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。電子は、エミッタ電極から電極間ギャップを超えて、外部負荷を通ってコレクタ電極（すなわち、アノード）に流れ、エミッタ電極に戻ることで熱を電気エネルギーに変換する。熱電子電力変換器の最近の改良には、電極の仕事関数が低い材料の選択や、電極間のギャップを埋めるための流体の使用が含まれる。電子移動密度は、電極の材料と電極間ギャップ内の流体の材料（つまり、関連する仕事関数）によって制限される。
【0014】
［００３０］ナノスケールエネルギー変換装置の構成
［００３１］本開示の選択された実施形態の理解を深めるための追加の詳細を提供するために、図１を参照すると、電力を生成するように構成されたナノスケールエネルギー変換装置（１００）の一実施形態の断面図が示されている。ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、セルまたは層と呼ばれることもある。所望の電圧、電流、および出力で電力を生成するために、複数の装置（１００）を、直列または並列の複数のセルまたは複数の層、あるいは両方の組み合わせとして編成することができる。ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、エミッタ電極（カソード）（１０２）およびコレクタ電極（アノード）（１０４）を含む。エミッタ電極（１０２）およびコレクタ電極（１０４）は、まとめてナノスケールエネルギー変換装置（１００）の電極（１０６）と総称される。複数の絶縁体ポスト（本明細書ではカラム、スタンドオフ、またはマイクロピラーとも呼ばれる）（１０８）（１つのみ図示）が電極（１０６）間の分離を維持して、電極（１０６）と絶縁体ポスト（１０８）が空洞（１１０）を規定する。一実施形態では、絶縁体ポスト（１０８）は、アルカンチオール、エアロゲルのような特性を有するゾルゲル、コロナドープ、スーパーコロナドープ、シリコン、酸化シリコン、ポリマー、任意の誘電体材料、または前述の１つまたは複数を含む組み合わせなどの誘電材料で製造されるが、これらに限定されない。一実施形態では、空洞（１１０）を分割する１つまたは複数の絶縁体壁（図示せず）が形成される。一実施形態では、空洞（１１０）は、１ナノメートル（ｎｍ）から約１０ｎｍ未満の範囲の距離で、電極（１０６）の間に延在する。間質性ナノ流体（１１２）が、空洞（１１０）内に保持される。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、電極（１０６）の間にナノ流体（１１２）で満たされた空洞（１１０）を有する、絶縁体ポスト（１０８）によって分離された２つの対向する電極（１０６）を含む。
［００３１］本開示の選択された実施形態の理解を深めるための追加の詳細を提供するために、図１を参照すると、電力を生成するように構成されたナノスケールエネルギー変換装置（１００）の一実施形態の断面図が示されている。ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、セルまたは層と呼ばれることもある。所望の電圧、電流、および出力で電力を生成するために、複数の装置（１００）を、直列または並列の複数のセルまたは複数の層、あるいは両方の組み合わせとして編成することができる。ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、エミッタ電極（カソード）（１０２）およびコレクタ電極（アノード）（１０４）を含む。エミッタ電極（１０２）およびコレクタ電極（１０４）は、まとめてナノスケールエネルギー変換装置（１００）の電極（１０６）と総称される。複数の絶縁体ポスト（本明細書ではカラム、スタンドオフ、またはマイクロピラーとも呼ばれる）（１０８）（１つのみ図示）が電極（１０６）間の分離を維持して、電極（１０６）と絶縁体ポスト（１０８）が空洞（１１０）を規定する。一実施形態では、絶縁体ポスト（１０８）は、アルカンチオール、エアロゲルのような特性を有するゾルゲル、コロナドープ、スーパーコロナドープ、シリコン、酸化シリコン、ポリマー、任意の誘電体材料、または前述の１つまたは複数を含む組み合わせなどの誘電材料で製造されるが、これらに限定されない。一実施形態では、空洞（１１０）を分割する１つまたは複数の絶縁体壁（図示せず）が形成される。一実施形態では、空洞（１１０）は、１ナノメートル（ｎｍ）から約１０ｎｍ未満の範囲の距離で、電極（１０６）の間に延在する。間質性ナノ流体（１１２）が、空洞（１１０）内に保持される。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、電極（１０６）の間にナノ流体（１１２）で満たされた空洞（１１０）を有する、絶縁体ポスト（１０８）によって分離された２つの対向する電極（１０６）を含む。
【0015】
［００３２］エミッタ電極（１０２）とコレクタ電極（１０４）はそれぞれ異なる材料で製造され、これらの異なる材料は別個の異なる仕事関数値を有する。本明細書で使用される場合、ある材料（または材料の組み合わせ）の仕事関数は、電子を固体からその材料の固体表面のすぐ外側の真空中の点まで取り出すのに必要な熱力学的な仕事の最小値（すなわち、最小エネルギー）である。仕事関数は材料に依存した特性である。仕事関数値は通常、電子ボルト（ｅＶ）の単位で表される。したがって、材料の仕事関数は、電子が表面から脱出するのに必要な最小エネルギーを決定し、この仕事関数が低いほど、一般に電子の放出が容易になる。
【0016】
［００３３］エミッタ電極（１０２）は、コレクタ電極（１０４）よりも高い仕事関数値を有する。異なる電極材料による電極（１０６）間の仕事関数値の違いにより、エミッタ電極（１０２）からコレクタ電極（１０４）へ空洞（１１０）内のナノ流体（１１２）を介して電子を伝送するために克服しなければならない電極（１０６）間の接触電位差が生じる。両方の電極（１０６）は電子を放出するが、本明細書の他の場所でより詳細に説明されるように、接触電位差が克服されると、エミッタ電極（１０２）はコレクタ電極（１０４）よりも著しく多くの電子を放出する。電子の正味の流れは、エミッタ電極（１０２）からコレクタ電極（１０４）に転送され、正味の電流は、エミッタ電極（１０２）からコレクタ電極（１０４）に流れる。この正味の電流により、エミッタ電極（１０２）は正に帯電し、コレクタ電極（１０４）は負に帯電する。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、エミッタ電極（１０２）からコレクタ電極（１０４）に伝送される電子電流を発生させる。
【0017】
［００３４］ナノ流体（１１２）は、誘電媒体（１１４）と、当該誘電媒体（１１４）に懸濁された複数のナノ粒子クラスタ（１１６）とを含む。ナノ流体（１１２）は、オーム加熱を最小限に抑え、媒体（１１４）内のアーク放電が防止されるように、空洞（１１０）における空間電荷の形成を排除する。いくつかの実施形態では、限定されないが、誘電媒体（１１４）は、水、シリコーンオイル、またはアルコールのうちの１つである。また、少なくとも１つの実施形態では、誘電媒体（１１４）は、エアロゲルのような特性およびそれを通る熱伝達を低減する低い熱伝導率値、例えば、１．０ワット／メートル度ケルビン（Ｗ／（ｍ・Ｋ））未満の熱伝導率値を有するゾルゲルである。少なくとも１つの実施形態では、誘電媒体（１１４）の熱伝導率は、摂氏２０度（℃）での水の熱伝導率０．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）と比較して、０．０１３ワット／メートル度ケルビン（Ｗ／（ｍ・Ｋ））と低い。したがって、ナノ流体（１１２）は、低い熱伝導率値で、空洞（１１０）を通る熱伝達を最小限に抑える。熱伝導性ナノ流体（１１２）の熱輸送は、電極（１０２）と（１０４）の間の温度差に比例する。例えば、熱伝導率の低いナノ流体における熱輸送が小さければ、動作中に２つの電極（１０２、１０４）間の高い温度差を維持することができる。本書の他の場所で説明されているように、ナノ流体（１１２）の電気伝導率は、対応する装置の動作によって変化する。
【0018】
［００３５］ナノ粒子クラスタ（１１６）は、金属および金属合金、セラミック、サーメット、複合材料、および他の材料から製造することができる。いくつかのナノ粒子クラスタ（１１６）は、他のナノ粒子クラスタ（１１６）とは異なる材料を含んでもよい。一実施形態では、限定されないが、ナノ流体（１１２）は、金（Ａｕ）（１１８）および銀（Ａｇ）（１２０）のナノ粒子クラスタ（１１６）を含む。本明細書で使用される場合、「ナノ粒子クラスタ」は、関連する材料、例えば、ＡｕおよびＡｇの６～８個の原子のグループを指し、原子の数は非限定的である。ナノ粒子クラスタ（１１６）は、電極（１０６）の仕事関数値よりも大きな仕事関数値を有する。具体的には、Ａｕナノ粒子クラスタ（１１８）とＡｇナノ粒子クラスタ（１２０）の仕事関数値はそれぞれ４．１ｅＶと３．８ｅＶである。本明細書の他の場所でより詳細に説明されるように、電子ホッピングおよびブラウン運動を介した電荷輸送は、ナノ粒子クラスタの仕事関数値（１１６）が大きいことと、仕事関数値が異なる２以上のタイプのナノ粒子クラスタ（１１６）を使用することによって促進される。ナノ粒子クラスタ（１１６）のブラウン運動は、ナノ粒子クラスタ（１１６）同士の衝突、およびナノ粒子クラスタ（１１６）と２つの電極（１０２）、（１０４）との衝突を含む。
【0019】
［００３６］ナノ粒子クラスタ（１１６）は、アルカンチオールでコーティングされてその上に誘電体バリアを形成し、ここでアルカンチオールの選択は非限定的である。少なくとも１つの実施形態では、ドデカンチオールが使用される。少なくとも１つの他の実施形態では、ドデカンチオールやデカンチオールよりも短い少なくとも１つの他のアルカンが使用される。アルカン鎖の長さは、ある導電性表面から別の導電性表面に電子を移動させるために、ナノ粒子の導電性コアが１ｎｍ以内である必要性によって制限される。アルカンチオールコーティングは、ナノ粒子クラスタ（１１６）の合体を低減する。一実施形態では、ナノ粒子クラスタ（１１６）は、０．５ｎｍ～５ｎｍの直径を有する。少なくとも１つの実施形態では、ナノ粒子クラスタ（１１６）は、１～３ｎｍの直径を有する。一実施形態では、ナノ粒子クラスタ（１１６）は２ｎｍの直径を有する。Ａｕ（１１８）とＡｇ（１２０）のナノ粒子クラスタ（１１６）は、電荷蓄積機能を備えた導電性を有するように調整されている。したがって、ナノ粒子クラスタ（１１６）が懸濁したナノ流体（１１２）は、電子が電荷移動を介してエミッタ電極（１０２）からコレクタ電極（１０４）まで空洞（１１０）を横切って移動するための導電性経路を提供する。
【0020】
［００３７］複数のエミッタ電子（１２２）および複数のコレクタ電子（１２４）が、それぞれのエミッタ電極（１０２）およびコレクタ電極（１０４）内の空洞（１１０）に近接して示されている。電子（１２６）は、エミッタ電極（１０２）を出て、ナノ粒子クラスタ（１１６）を横切ってホッピングし、コレクタ電極（１０４）に入るものとして示されている。図１は、２つの電極（１０６）に接続された外部回路（１２８）を示している。具体的には、第１の導電体（１３０）がコレクタ電極（１０４）と外部回路（１２８）に接続され、第２の導電体（１３２）が外部回路（１２８）とエミッタ電極（１０２）に接続される。ナノスケールエネルギー変換装置（１００）が稼働中の場合、外部回路電流（１３４）が外部回路（１２８）を介して伝送され、外部回路（１３４）を流れるのと同じ量の電子電流がエミッタ電極（１０２）からコレクタ電極（１０４）へ流れる。例えば、図１に示され説明されている構成のような単一のセルまたは層は、それぞれに使用される材料の関数としてエミッタ電極（１０２）とコレクタ電極（１０４）との間に誘導される接触電位差（本明細書でさらに説明される）に応じて、約０．２５ボルト～６．０ボルトの範囲内の電圧を生成することができる。いくつかの実施形態では、装置（１００）は、名目上約０．７５ボルト～５．０ボルトの電圧を生成する。一実施形態では、装置は約０．７５ボルトを生成する。また、例えば図１に示され説明されている構成のような単一のセルまたは層の場合、装置（１００）は、約１ミリアンペア（ｍａ）～約１０ｍａの範囲内の電流を生成することができる。さらに、いくつかの実施形態では、装置（１００）は、約０．７５ミリワット／平方センチメートル（ｍＷ／ｃｍ２）を生成する。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、小さな負荷、例えば、マイクロ回路に電力を供給するのに十分な電流を生成する。
【0021】
［００３８］一実施形態では、エミッタ電極（１０２）は、タングステン（Ｗ）ナノ粒子表面（１３６）と、当該Ｗナノ粒子表面（１３６）を少なくとも部分的に覆う酸化セシウム（Ｃｓ２Ｏ）コーティング（１３８）を有して製造される。コレクタ電極（１０４）は、金（Ａｕ）ナノ粒子表面（１４０）と、当該Ａｕナノ粒子表面（１４０）を少なくとも部分的に覆うＣｓ２Ｏコーティング（１４２）を有して製造される。本明細書でさらに述べるように、電極（１０６）の製造時に、Ｗナノ粒子は、ナノ金属膜、すなわちナノ金属原子の原子スケールの格子を含むポリマーベースの片面にエレクトロスプレーされる。Ｗナノ粒子はナノ金属膜上に表面層を形成する。Ｗナノ粒子表面（１３６）上のＣｓ２Ｏコーティング（１３８）は、テンプレートを介して表面（１３６）上に積層される。ポリマーベースは、アセトンで除去されるアセンブリ用の犠牲成分である（本明細書でさらに説明されている）。同様に、一実施形態では、Ａｕナノ粒子は、ポリマーベース上のナノ金属膜上にエレクトロスプレーされてＡｕナノ粒子表面（１４０）を形成し、Ｃｓ２Ｏコーティング（１４２）は、テンプレートを介してＡｕナノ粒子表面（１４０）上に積層され、ポリマーベースは除去される。特定のエレクトロスプレーおよびナノファブリケーション技術でテンプレートを使用すると、Ｗナノ粒子表面（１３６）およびＡｕナノ粒子表面（１４０）上に１つまたは複数の所定のパターンでＣｓ２Ｏ（１３８）および（１４２）の堆積層が形成される。それぞれのＣｓ２Ｏコーティング層（１３８）および（１４２）による２つの表面（１３６）および（１４０）のそれぞれの被覆率は、少なくとも５０％～７０％であり、少なくとも１つの実施形態では約６０％である。Ｃｓ２Ｏコーティング（１３８）および（１４２）は、電極（１０２）および（１０４）の仕事関数値を、それぞれＷ（典型的には４．５５ｅＶ）およびＡｕ（典型的には５．１ｅＶ）の仕事関数値から減少させる。具体的には、エミッタ電極（１０２）は０．８８電子ボルト（ｅＶ）の仕事関数値を有し、コレクタ電極（１０４）は０．６５ｅＶの仕事関数値を有する。したがって、電極（１０２）および（１０４）の仕事関数値が低いことは、本明細書に記載されるようなナノスケールエネルギー変換装置（１００）の動作に不可欠である。
【0022】
［００３９］例示的な実施形態では、ＷおよびＡｕは、それらの金属特性（例えば、強度や耐食性）の少なくとも一部と、Ｃｓ２Ｏの熱電子放出材料が上に積層されたときの仕事関数の測定された変化とにより、電極（１０６）として選択される。代替材料として、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、およびプラチナ（Ｐｔ）などの貴金属、またはこれらの金属の任意の組み合わせ使用することができるが、これらに限定されるものではない。さらに、限定しないが、アルミニウム（Ａｌ）やモリブデン（Ｍｏ）などの非貴金属も使用することができる。例えば、限定されないが、表面（１３６）を形成するためにＷナノ粒子ではなくＡｌナノ粒子を使用することができ、表面（１４０）を形成するためにＡｕナノ粒子ではなくＰｔナノ粒子を使用することができる。したがって、ナノ粒子表面（１３６）および（１４０）を形成するために使用する材料の選択は、主に電極（１０６）の仕事関数、より具体的には完成されたときの電極（１０６）の仕事関数の違いに基づく。
【0023】
［００４０］ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、熱エネルギー（１４４）を収集して電力を生成する。本明細書でさらに詳述するように、エミッタ電極（１０２）は熱発生源および周囲環境を含むがこれらに限定されないソースから熱エネルギー（１４４）を受け取り、ナノ粒子クラスタ（１１６）を介して空洞（１１０）を横断する電子（１２６）を生成する。電子（１２６）はコレクタ電極（１０４）に到達し、外部回路電流（１３４）は外部回路（１２８）に伝達される。いくつかの実施形態では、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、周囲の室温環境に配置することによって電力を生成する。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、廃熱を含む熱エネルギー（１４４）を収集して、有用な電力を生成する。
【0024】
［００４１］ナノスケールエネルギー変換装置の組み立て
［００４２］図２Ａ、２Ｂを参照すると、ナノスケールエネルギー変換装置の製造プロセスを示すフローチャート（２００）が提供されている。図３を参照すると、部分的に構築されたナノスケールエネルギー変換装置（３００）の実施形態の断面図を示す図（３００）が提供されている（縮尺通りでない）。
［００４２］図２Ａ、２Ｂを参照すると、ナノスケールエネルギー変換装置の製造プロセスを示すフローチャート（２００）が提供されている。図３を参照すると、部分的に構築されたナノスケールエネルギー変換装置（３００）の実施形態の断面図を示す図（３００）が提供されている（縮尺通りでない）。
【0025】
［００４３］エミッタ電極（カソード）の作製
［００４４］図２Ａ、２Ｂ、および３に示され説明されるように、エミッタ電極（３０２）は、ポリマーベース（３３０）などのベース（点線で示す）の片側にナノ金属膜（３２８）を配置（２０４）することによって製造される（２０２）。ポリマーベース（３３０）の厚さは約２ｎｍであり（この値は非限定的と理解されたい）、ナノ金属膜（３２８）の厚さは約３．７オングストロームである。ポリマーベース（３３０）は、犠牲的な組み立て部品として使用される。ナノ金属膜（３２８）は、エレクトロスプレー装置のエレクトロスプレーノズルの近くに配置される（図５、エレクトロスプレーノズル（５１２）を参照）。エミッタ電極ナノ粒子（図示せず）が、ナノ金属膜（３２８）上への堆積（２０８）のために選択される（２０６）。エミッタ電極（３０２）用のナノ粒子材料の選択（２０６）の例示的な実施形態では、ナノ粒子材料と堆積された熱電子放出材料との組み合わせは、（本明細書の他の場所でさらに説明されるように作製された）コレクタ電極（３０６）の仕事関数値よりも大きい組み合わせの仕事関数値を有する。例示的な実施形態では、２つの電極（３０２）および（３０６）の仕事関数値の差（ｅＶで測定される）は、２つの電極（３０２）および（３０６）間の電子移動を最大化するために、所定の値以上である。エミッタ電極（３０２）の適切なナノ粒子材料の部分的なリストは、本明細書の他の場所で提供される。例示的な実施形態では、Ｗナノ粒子（３３８）の少なくとも１つの層が、エレクトロスプレーによってナノ金属膜（３２８）上に堆積（２０８）されて、ナノ金属膜（３２８）上にナノ粒子表面（３０４）を形成する。少なくとも１つの実施形態では、ナノ粒子表面（３０４）を形成するためのナノ粒子の層の厚さは、約２ｎｍ（すなわち、ナノ粒子のおおよその厚さ）であり、ここで２ｎｍの値は非限定的であると見なされるべきである。したがって、ナノ粒子の形態の１つまたは複数の金属材料は、電極（３０２）および（３０６）の仕事関数値を減少させ、電極（３０２）と（３０６）との間の仕事関数値の差を所定の値より上に維持する機能として、少なくとも部分的にエミッタ電極（３０２）のナノ粒子表面（３０４）として選択される。
［００４４］図２Ａ、２Ｂ、および３に示され説明されるように、エミッタ電極（３０２）は、ポリマーベース（３３０）などのベース（点線で示す）の片側にナノ金属膜（３２８）を配置（２０４）することによって製造される（２０２）。ポリマーベース（３３０）の厚さは約２ｎｍであり（この値は非限定的と理解されたい）、ナノ金属膜（３２８）の厚さは約３．７オングストロームである。ポリマーベース（３３０）は、犠牲的な組み立て部品として使用される。ナノ金属膜（３２８）は、エレクトロスプレー装置のエレクトロスプレーノズルの近くに配置される（図５、エレクトロスプレーノズル（５１２）を参照）。エミッタ電極ナノ粒子（図示せず）が、ナノ金属膜（３２８）上への堆積（２０８）のために選択される（２０６）。エミッタ電極（３０２）用のナノ粒子材料の選択（２０６）の例示的な実施形態では、ナノ粒子材料と堆積された熱電子放出材料との組み合わせは、（本明細書の他の場所でさらに説明されるように作製された）コレクタ電極（３０６）の仕事関数値よりも大きい組み合わせの仕事関数値を有する。例示的な実施形態では、２つの電極（３０２）および（３０６）の仕事関数値の差（ｅＶで測定される）は、２つの電極（３０２）および（３０６）間の電子移動を最大化するために、所定の値以上である。エミッタ電極（３０２）の適切なナノ粒子材料の部分的なリストは、本明細書の他の場所で提供される。例示的な実施形態では、Ｗナノ粒子（３３８）の少なくとも１つの層が、エレクトロスプレーによってナノ金属膜（３２８）上に堆積（２０８）されて、ナノ金属膜（３２８）上にナノ粒子表面（３０４）を形成する。少なくとも１つの実施形態では、ナノ粒子表面（３０４）を形成するためのナノ粒子の層の厚さは、約２ｎｍ（すなわち、ナノ粒子のおおよその厚さ）であり、ここで２ｎｍの値は非限定的であると見なされるべきである。したがって、ナノ粒子の形態の１つまたは複数の金属材料は、電極（３０２）および（３０６）の仕事関数値を減少させ、電極（３０２）と（３０６）との間の仕事関数値の差を所定の値より上に維持する機能として、少なくとも部分的にエミッタ電極（３０２）のナノ粒子表面（３０４）として選択される。
【0026】
［００４５］Ｗナノ粒子表面（３０４）が形成されると（２０８）、ポリマーベース（３３０）がアセトン溶液を介して除去され（２１０）、それによってポリマーベース（３３０）が犠牲材料としてレンダリングされる。これにより、ナノ金属膜（３２８）上のＷナノ粒子表面（３０４）は、上に熱電子放出材料を受け入れる準備ができる。
【0027】
［００４６］熱電子放射材料（３０８）の少なくとも１つの層が、Ｗナノ粒子表面（３０４）の少なくとも一部に堆積される（２１２）。一実施形態では、熱電子放射材料（３０８）のナノ層（nanolayer）が、Ｗナノ粒子表面（３０４）の約５０％～約７０％の表面に堆積される（２１２）。別の実施形態では、Ｗナノ粒子表面（３０４）の表面の約６０％が、材料（３０８）のナノ層を受ける。さらに別の実施形態では、Ｗナノ粒子表面（３０４）の約６０％に、熱電子放射材料（３０８）の複数の層が堆積される。堆積された熱電子放射材料（３０８）は、エミッタ電極（３０２）の仕事関数値を、Ｗナノ粒子表面（３０４）に選択された材料の仕事関数値の値よりも低い値に減少させるように選択される。
【0028】
［００４７］図４を参照すると、バルク材料の要素の仕事関数値を示す表（４００）が提供されている。例えば、Ｗの仕事関数値は４．５５ｅＶである。本明細書でさらに説明するように、Ｗナノ粒子表面（３０４）へのＣｓ２Ｏ（３０８）の堆積によって、エミッタ電極（３０２）の仕事関数値が約０．８８ｅＶに減少する。したがって、材料の組み合わせは、所望の仕事関数値を作成するように配置され、材料の組み合わせを変更することで、組み合わせの仕事関数値を変えることができる。
【0029】
［００４８］ナノ粒子表面（３０４）に堆積する熱電子放射材料（３０８）の選択は、電極（３０２）（および電極（３０６））の所望の仕事関数値と、ナノ粒子表面（３０４）および堆積材料（３０８）との化学的適合性に部分的に基づく。堆積材料には、トリウム、アルミニウム、セリウム、およびスカンジウム、ならびにセシウム、バリウム、カルシウム、およびストロンチウムなどのアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物が含まれるが、これらに限定されない。
【0030】
［００４９］図５を参照すると、電極基板、すなわちＷナノ粒子表面（１３６／３０４）およびＡｕナノ粒子表面（１４０／３１０）などのナノ粒子表面上に熱電子放射材料を堆積させるプロセス（５００）の斜視図が提供されている。第１のステップ（５０２）では、テンプレート（５０４）を基板（５０６）の近くに配置する。テンプレート（５０４）は、基板（５０６）上の所望の堆積パターンに対応する開口パターン（５０８）を有する。テンプレート（５０４）は、矢印（５２４）で示すように、基板（５０６）の片側の上に配置される。基板（５０６）は、堆積される堆積材料のパターンを形成するために、基板（５０６）上への液滴の直接堆積が容易となるように接地されている。
【0031】
［００５０］第２のステップ（５１０）において、オーバーレイされたテンプレート（５０４）を有する基板（５０６）を、エレクトロスプレー装置（図示せず）のエレクトロスプレーノズル（５１２）の近くに配置しる。エレクトロスプレーノズル（５１２）からの単分散液滴（５１４）としての熱電子放射材料の放出は、分散相における均一なサイズのナノ粒子を特徴とする。液滴のエレクトロスプレー（５１４）（以下、エレクトロスプレーと称す）は、ナノメートルスケール範囲の熱電子放射材料の堆積をサポートするために単分散粒子を生成する。一実施形態では、エレクトロスプレー（５１４）は、エタノール中の０．１モル（Ｍ）Ｃｓ２Ｏナノ粒子の溶液を含み、ここで液滴直径は１０ミクロンである。また、一実施形態では、パターン（５０８）は、約６０～２００ミクロンの中心間距離を有し、約３０～６０度の角度、好ましくは４５度の角度で互い違いに配置された、直径３０～５０ミクロンの穴を有する。Ｃｓ２Ｏナノ粒子を含むエレクトロスプレー（５１４）はテンプレート（５０４）へと向けられ、テンプレート（５０４）と基板（５０６）が矢印（５２６）で示すようにエレクトロスプレー（５１４）を通過するのに伴って、ナノ層（５１６）を形成する。一実施形態では、１平方センチメートル（ｃｍ２）あたり１０１４個のＣｓ２Ｏ原子が、基質（５０６）の目標濃度である。
【0032】
［００５１］第３のステップ（５１８）において、テンプレート（５０４）を、矢印（５２８）で示すように基板（５０６）から分離して、パターン化された熱電子放射材料（５２０）を電極基板（５０６）上に残してエミッタ電極（５２２）を形成する。図示のように、堆積材料（５２０）と総称される４つの別個の堆積材料のラインが、Ｗ基板（５０６）上に重なっている。このパターンは単なる例示的パターンであり、限定的なものと見なされるべきではない。一実施形態では、熱電子のパターンは、パターンが電極（５２２）の動作を実現する限り変えてもよい。したがって、パターン化された熱電子放射材料（５２０）すなわちＣｓ２Ｏの単層がＷ基板（５０６）上に形成され、少なくとも基板（５０６）の５０％～７０％を超える被覆を達成し、ここで６０％が最適な被覆率である。少なくとも１つの実施形態では、パターン化された熱電子放射材料（５２０）の層の厚さは約２ｎｍであるが、ここで２ｎｍの値は非限定的と見なされるべきである。
【0033】
［００５２］本明細書で論じられる層、フィルム、およびコーティングを形成するための、３次元印刷および４次元印刷（４次元は、特性を調整するために印刷中にナノスケール組成を変化させる）を含む、例示的なエレクトロスプレーおよびナノファブリケーション技術ならびに関連機器は、米国特許出願公開第２０１５／０２５１２１３号に記載されている。
【0034】
［００５３］図６を参照すると、粒子サイズの関数としての仕事関数値のグラフ表示（６００）を示す図が提供されている。グラフ（６００）は、仕事関数値の変化（ΔΦ）を示す垂直軸として本書で表される第１の軸（６０２）を有し、ここで垂直軸は、ｅＶの単位で０．２の増分で０から１．２までの範囲を有する。グラフ（６００）はまた、粒子サイズを示す水平軸として本明細書で表される第２の軸（６０４）を有し、ここで第２の軸（６０４）は１０の増分でナノメートル（ｎｍ）単位で０から６０までの範囲を有する。グラフ（６００）はまた、粒子サイズとそのサイズに関する仕事関数値の変化との関係を表す曲線（６０６）を含む。グラフ（６００）に示されるように、ナノ粒子サイズの選択は、その仕事関数値に影響を与える。例えば、ナノ粒子クラスタが単一原子に近づくと、仕事関数の値は１ｅＶを超えて変化する。逆に、ナノ粒子のサイズが大きくなると、仕事関数値はバルク材料の測定値に近づく。このように、粒子サイズが小さいほど材料の仕事関数値が大きくなる特性を利用して、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）の用途を個別に設定することができる。したがって、エミッタ電極およびコレクタ電極（１０２）／（３０２）および（１０４）／（３０６）上のスプレー堆積（５２０）について特定のナノ粒子サイズをそれぞれ選択すると、電極間の仕事関数の差が大きくなり、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）の動作中に転送される電子の数を増やことができる。
【0035】
［００５４］図７を参照すると、電極ナノ粒子表面／基板（１３６／３０４）／（５０６／７０４）への熱電子放射材料のエレクトロスプレー（５１４）堆積を介して電極（３０２／３０６）のナノ粒子表面（１３６／３０４／５０６／７０４）上に堆積された共有結合双極子（７０２）の俯瞰図（７００）を示す図が提供される。電極ナノ粒子表面（７０４）に堆積されたＣｓ２Ｏのナノ粒子は共有結合を形成し、それによって表面の双極子（７０２）が形成される（図７には１つのみ示す）。双極子（７０２）内では、エレクトロスプレー（５１４）内の帯電したナノ液滴が表面（７０４）と衝突することによって、正電荷（７０６）および反対の負電荷（７０８）が形成される。電荷（７０６）および（７０８）は、電荷（７０６）と（７０８）との間に電界（７１０）を誘導し、その結果、双極子（７０２）は誘導電界（７１０）の機能として近傍の電磁波を誘導することにより、双極子（７０２）近傍における双極子モーメントを変更するナノアンテナとして作用する。したがって、電極ナノ粒子表面（７０４）上に堆積された共有結合した双極子（７０２）は、被覆領域が最適化されると、仕事関数の低い電極を作成する。
【0036】
［００５５］少なくとも１つの実施形態では、電極（例えば、Ｗエミッタ電極（３０２）およびＡｕコレクタ電極（３０６））は、長さ２０～５０ミリメートル（ｍｍ）、幅２０～５０ｍｍ、厚さ４～１００ｎｍの寸法を有する。１００ｎｍの厚さは、エミッタ電極（１０２／３０２）からナノ流体（１１２）へ、およびコレクタ電極（１０４／３０６）から第２の導電体（１３２）への電荷の浸透に基づく。一般に、関連する電極（１０２／３０２）および（１０４／３０６）を通る電荷の浸透を最大にするために、関連する厚さを小さくすることが好ましい。したがって、少なくとも１つの実施形態では、電極（１０２／３０２）および（１０４／３０６）は、約４ｎｍの厚さである。
【0037】
［００５６］コレクタ電極（アノード）の作製
［００５７］再び図２Ａ、２Ｂ、および３を参照すると、コレクタ電極（３０６）は、エミッタ電極（３０２）の場合と実質的に同様の方法で製造される（２１４）。ナノ金属膜（３３２）が、ポリマーベース（３３４）（点線で示す）の片側に配置される（２１６）。ポリマーベース（３３４）は約２ｎｍの厚さであり（この値は非限定的であると考えるべきである）、ナノ金属膜（３３２）は約３．７オングストロームの厚さである。ナノ金属膜（３３２）が、エレクトロスプレー装置のエレクトロスプレーノズルの近くに配置される（図５、エレクトロスプレーノズル（５１２）参照）。コレクタ電極ナノ粒子（図示せず）が、ナノ金属膜（３３２）上に堆積（２２０）するために選択される（２１８）。コレクタ電極（３０６）のナノ粒子材料の選択（２１８）の例示的な実施形態では、ナノ粒子材料と堆積された熱電子放出材料との組み合わせは、（本明細書の他の場所で説明されるように作製される）エミッタ電極（３０２）の仕事関数値よりも小さい組み合わせの仕事関数値を有する。例示的な実施形態では、２つの電極（３０２）および（３０６）の仕事関数値の差（ｅＶで測定される）は、２つの電極（３０２）および（３０６）間の電子移動を最大化するために所定の値以上である。コレクタ電極（３０６）に適切なナノ粒子材料の部分的なリストは、本明細書の他の場所に提供される。例示的な実施形態では、Ａｕナノ粒子（３３６）の少なくとも１つの層を、エレクトロスプレーによってナノ金属膜（３３２）上に堆積（２２０）させ、ナノ金属膜（３３２）上にナノ粒子表面（３１０）を形成する。少なくとも１つの実施形態では、ナノ粒子表面（３３２）を形成するためのナノ粒子の層の厚さは、約２ｎｍ（すなわち、ナノ粒子のおおよその厚さ）であり、ここで２ｎｍの値は非限定的であると見なされるべきである。
［００５７］再び図２Ａ、２Ｂ、および３を参照すると、コレクタ電極（３０６）は、エミッタ電極（３０２）の場合と実質的に同様の方法で製造される（２１４）。ナノ金属膜（３３２）が、ポリマーベース（３３４）（点線で示す）の片側に配置される（２１６）。ポリマーベース（３３４）は約２ｎｍの厚さであり（この値は非限定的であると考えるべきである）、ナノ金属膜（３３２）は約３．７オングストロームの厚さである。ナノ金属膜（３３２）が、エレクトロスプレー装置のエレクトロスプレーノズルの近くに配置される（図５、エレクトロスプレーノズル（５１２）参照）。コレクタ電極ナノ粒子（図示せず）が、ナノ金属膜（３３２）上に堆積（２２０）するために選択される（２１８）。コレクタ電極（３０６）のナノ粒子材料の選択（２１８）の例示的な実施形態では、ナノ粒子材料と堆積された熱電子放出材料との組み合わせは、（本明細書の他の場所で説明されるように作製される）エミッタ電極（３０２）の仕事関数値よりも小さい組み合わせの仕事関数値を有する。例示的な実施形態では、２つの電極（３０２）および（３０６）の仕事関数値の差（ｅＶで測定される）は、２つの電極（３０２）および（３０６）間の電子移動を最大化するために所定の値以上である。コレクタ電極（３０６）に適切なナノ粒子材料の部分的なリストは、本明細書の他の場所に提供される。例示的な実施形態では、Ａｕナノ粒子（３３６）の少なくとも１つの層を、エレクトロスプレーによってナノ金属膜（３３２）上に堆積（２２０）させ、ナノ金属膜（３３２）上にナノ粒子表面（３１０）を形成する。少なくとも１つの実施形態では、ナノ粒子表面（３３２）を形成するためのナノ粒子の層の厚さは、約２ｎｍ（すなわち、ナノ粒子のおおよその厚さ）であり、ここで２ｎｍの値は非限定的であると見なされるべきである。
【0038】
［００５８］Ａｕナノ粒子表面（３１０）が形成されると（２２０）、ポリマーベース（３３４）がアセトン溶液を介して除去され（２２２）、それによってポリマーベース（３３４）が犠牲材料となる。これにより、ナノ金属膜（３３２）上のＡｕナノ粒子表面（３１０）は、その上に熱電子放出材料を受け入れる準備ができる。
【0039】
［００５９］熱電子放射材料（３１２）の少なくとも１つの層が、Ａｕナノ粒子表面（３１０）の少なくとも一部に堆積される（２２４）。一実施形態では、熱電子放射材料（３１２）のナノ層が、Ａｕナノ粒子表面（３１０）の表面の約５０％～約７０％に堆積される。別の一実施形態では、Ａｕナノ粒子表面（３１０）の表面の約６０％が、材料（３１２）のナノ層を受ける。さらに別の実施形態では、熱電子放射材料（３１２）の複数の層が、Ａｕナノ粒子表面（３１０）の約６０％に堆積される。堆積された熱電子放射材料（３１２）は、コレクタ電極（３０６）の仕事関数値を、Ａｕナノ粒子表面（３１０）に選択された材料の仕事関数値の値よりも低い値に減少させるように選択される。図４を参照すると、表（４００）は、Ａｕの仕事関数値が５．１ｅＶであることを示す。Ａｕナノ粒子表面（３１０）へＣｓ２Ｏ（３１２）を堆積させると、コレクタエミッタ電極（３０６）の仕事関数値は０．６５ｅＶに減少する。したがって、エミッタ電極（３０２）と同様に、電極（３０２）および（３０６）の仕事関数値を減少させ、電極（３０２）および（３０６）間の仕事関数値の差を所定の値より上に維持する機能として、ナノ粒子の形態の１つまたは複数の金属材料が、少なくとも部分的にコレクタ電極（３０６）のナノ粒子表面（３１０）として選択される。
【0040】
［００６０］絶縁体ポストの製作
［００６１］電極（３０２）および（３０６）を作製したら、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）／（３００）の組み立て（２００）に続く。具体的には、コレクタ電極（３０６）（図３に示す）またはエミッタ電極（３０２）の一方を、支持のために表面（図示せず）上に配置する。テンプレート（図２には示さず）を使用して、電極（３０２）および（３０６）と絶縁体ポスト（３１４）が空洞（３１６）を規定するように、電極（３０２）および（３０６）間の分離を維持するために、エレクトロスプレー堆積複数の絶縁体ポスト（またはカラム、スタンドオフ、またはマイクロピラー）（３１４）を製作（２２６）する。少なくとも１つの実施形態では、テンプレートはグラファイトテンプレートである。一実施形態では、絶縁体ポスト（３１４）は、アルカンチオール、エアロゲル様特性を有するゾルゲル、コロナドープ、スーパーコロナドープ、シリコン、シリコン酸化物、ポリマー、任意の誘電体材料、または前述の少なくとも１つを含む組み合わせといった誘電材料で製造されるが、これらに限定されない。テンプレートは、熱電子放射材料（３０８）および（３１２）へのオーバースプレーが最小限に抑えられるように、アルカンチオールのエレクトロスプレーを可能にするように構成される。一実施形態では、空洞（３１６）を複数の空洞（３１６）に分割する１つまたは複数の絶縁体壁が形成される。
［００６１］電極（３０２）および（３０６）を作製したら、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）／（３００）の組み立て（２００）に続く。具体的には、コレクタ電極（３０６）（図３に示す）またはエミッタ電極（３０２）の一方を、支持のために表面（図示せず）上に配置する。テンプレート（図２には示さず）を使用して、電極（３０２）および（３０６）と絶縁体ポスト（３１４）が空洞（３１６）を規定するように、電極（３０２）および（３０６）間の分離を維持するために、エレクトロスプレー堆積複数の絶縁体ポスト（またはカラム、スタンドオフ、またはマイクロピラー）（３１４）を製作（２２６）する。少なくとも１つの実施形態では、テンプレートはグラファイトテンプレートである。一実施形態では、絶縁体ポスト（３１４）は、アルカンチオール、エアロゲル様特性を有するゾルゲル、コロナドープ、スーパーコロナドープ、シリコン、シリコン酸化物、ポリマー、任意の誘電体材料、または前述の少なくとも１つを含む組み合わせといった誘電材料で製造されるが、これらに限定されない。テンプレートは、熱電子放射材料（３０８）および（３１２）へのオーバースプレーが最小限に抑えられるように、アルカンチオールのエレクトロスプレーを可能にするように構成される。一実施形態では、空洞（３１６）を複数の空洞（３１６）に分割する１つまたは複数の絶縁体壁が形成される。
【0041】
［００６２］絶縁体ポスト（３１４）の高さ（３１８）は、例えば、１ナノメートル（ｎｍ）から１０ｎｍ未満の範囲であり得る。したがって、空洞（３１６）は、電極（３０２）と（３０６）との間に、１ナノメートル（ｎｍ）から１０ｎｍ未満の範囲の距離にわたって延びる。絶縁体ポスト（３１４）の幅（３２０）は、例えば、１ナノメートル（ｎｍ）から１０ｎｍの範囲であり得る。空洞（３２２）の幅（３２２）は、例えば１ナノメートル（ｎｍ）から１０ｎｍの範囲内であり得る。絶縁体ポスト（３１４）は、立方体または立方体類似構造として示され、空洞（３２２）の形状およびサイズと実質的に類似しているが、この構成は限定的ではない。絶縁体ポスト（３１４）間の距離は、約５～６ｎｍから約１ｃｍによって定義される範囲内である。絶縁体ポスト（３１４）および空洞（３１６）の寸法および構成は、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）／（３００）の使用予定に基づいて決定される。したがって、絶縁体ポスト（３１４）（または壁）は、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）／（３００）内の２つの電極（３０２）と（３０６）の間の所定の距離を維持するために、所定の高さで２つの電極（３０２）および（３０６）の一方に作製される。
【0042】
［００６３］電極と絶縁体ポストの結合
［００６４］電極（３０２）および（３０６）と絶縁体ポスト（３１４）とは一緒に結合されている（２２８）。上記のように、そして図３に示すように、絶縁体ポスト（３１４）は、コレクタ電極（３０６）上に堆積される。図３に示すように、絶縁体ポスト（３１４）が形成されていない電極、エミッタ電極（３０２）は、矢印（３２６）で示すように、絶縁体ポスト（３１４）の上に載るように降下される。接着剤（３２４）が、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）／（３００）の外側端部にスポット堆積されて、電極（３０２）および（３０６）と絶縁体ポスト（３１４）とをユニットとして接着する。一実施形態では、装置（１００）／（３００）が、シリコンまたは二酸化ケイ素のケーシングセグメント、ホットメルト接着剤などのシーラントのいずれかで密封あるいは封入されることによって、または（本書の別の場所で詳述するように）ナノ流体の添加を容易にするために一部を非密封とする以外の装置のすべての側遠部の周りにアルカンチオールフィルムガスケットをエレクトロスプレーすることによって、アセンブリのこの態様が完了する。電極（３０２）および（３０６）と絶縁体ポスト（３１４）の配置によって、それらの間に空洞（３１６）が規定される（２３０）。
［００６４］電極（３０２）および（３０６）と絶縁体ポスト（３１４）とは一緒に結合されている（２２８）。上記のように、そして図３に示すように、絶縁体ポスト（３１４）は、コレクタ電極（３０６）上に堆積される。図３に示すように、絶縁体ポスト（３１４）が形成されていない電極、エミッタ電極（３０２）は、矢印（３２６）で示すように、絶縁体ポスト（３１４）の上に載るように降下される。接着剤（３２４）が、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）／（３００）の外側端部にスポット堆積されて、電極（３０２）および（３０６）と絶縁体ポスト（３１４）とをユニットとして接着する。一実施形態では、装置（１００）／（３００）が、シリコンまたは二酸化ケイ素のケーシングセグメント、ホットメルト接着剤などのシーラントのいずれかで密封あるいは封入されることによって、または（本書の別の場所で詳述するように）ナノ流体の添加を容易にするために一部を非密封とする以外の装置のすべての側遠部の周りにアルカンチオールフィルムガスケットをエレクトロスプレーすることによって、アセンブリのこの態様が完了する。電極（３０２）および（３０６）と絶縁体ポスト（３１４）の配置によって、それらの間に空洞（３１６）が規定される（２３０）。
【0043】
［００６５］ナノ流体の作製と空洞へのナノ流体の添加
［００６６］図２Ａおよび２Ｂを参照すると、ナノ流体（１１２）が作製される（２３２）。図８を参照すると、誘電媒体（８０６）にそれぞれ懸濁された複数のＡｕおよびＡｇナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）を含むナノ流体（８００）の実施形態の断面図が提供されている。いくつかの実施形態では、限定しないが、誘電媒体（８０６）は、水、シリコーン油、またはアルコールのうちのいずれかである。また、少なくとも１つの実施形態では、誘電媒体（８０６）はゾルゲルであり、エアロゲルのような特性と、低い熱伝導率値を有し、例えば、摂氏２０度（℃）での水の熱伝導率０．６Ｗ／ｍ－Ｋと比較して、メートル度ケルビン（Ｗ／ｍ－Ｋ）あたりの熱伝導率値が０．０１３ワットと低く、それを通る熱伝達を低減する。ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）を作製する前に、適切な材料が選択される。ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）は、電極（２３４）の仕事関数値よりも大きい仕事関数値を有する。具体的には、Ａｕナノ粒子クラスタ（８０２）とＡｇナノ粒子クラスタ（８０４）の仕事関数値はそれぞれ４．１ｅＶと３．８ｅＶである。
［００６６］図２Ａおよび２Ｂを参照すると、ナノ流体（１１２）が作製される（２３２）。図８を参照すると、誘電媒体（８０６）にそれぞれ懸濁された複数のＡｕおよびＡｇナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）を含むナノ流体（８００）の実施形態の断面図が提供されている。いくつかの実施形態では、限定しないが、誘電媒体（８０６）は、水、シリコーン油、またはアルコールのうちのいずれかである。また、少なくとも１つの実施形態では、誘電媒体（８０６）はゾルゲルであり、エアロゲルのような特性と、低い熱伝導率値を有し、例えば、摂氏２０度（℃）での水の熱伝導率０．６Ｗ／ｍ－Ｋと比較して、メートル度ケルビン（Ｗ／ｍ－Ｋ）あたりの熱伝導率値が０．０１３ワットと低く、それを通る熱伝達を低減する。ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）を作製する前に、適切な材料が選択される。ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）は、電極（２３４）の仕事関数値よりも大きい仕事関数値を有する。具体的には、Ａｕナノ粒子クラスタ（８０２）とＡｇナノ粒子クラスタ（８０４）の仕事関数値はそれぞれ４．１ｅＶと３．８ｅＶである。
【0044】
［００６７］アルカンチオール材料の単層（８０８）といった誘電体コーティングの１以上の層をナノ粒子（２３６）上に例えばエレクトロスプレーで堆積させ、その上に誘電体バリアを形成する。ステップ（２３６）のアルカンチオール材料は、ドデカンチオールおよびデカンチオールを含むが、これらに限定されない。アルカンチオールなどの誘電体コーティングの堆積により、ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）の合体が減少する。少なくとも１つの実施形態では、ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）は、１ｎｍ～３ｎｍの直径を有する。一実施形態では、ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）は２ｎｍの直径を有する。Ａｕ（８０２）およびＡｇ（８０４）のナノ粒子クラスタは、電荷蓄積機能（つまり、容量性機能）を備えた導電性であり、熱伝導率値が低く空洞（１１０）および（３１６）を介した熱伝達を最小限に抑え、オーミック加熱を最小化し、空洞（１１０）および（３１６）の空間電荷を除去し、アーク放電を防止するように調整されている。複数のＡｕおよびＡｇナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）はそれぞれ誘電媒体（８０６）中に懸濁（２３８）されている。したがって、懸濁されたナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）を含むナノ流体（８００）は、電子が電荷移動を介してエミッタ電極（１０２）および（３０２）から空洞（１１０）および（３１６）を横切ってコレクタ電極（１０４）および（３０６）へと移動するための導電性経路を提供する。
【0045】
［００６８］Ａｕナノ粒子クラスタ（８０２）は、ドデカンチオール官能化された金ナノ粒子であり、粒子サイズは１～３ｎｍ、約２％（重量／体積パーセント）で、トルエンに懸濁されている。Ａｇナノ粒子クラスタ（８０４）は、ドデカンチオール官能化された銀ナノ粒子であり、粒子サイズは１～３ｎｍ、約０．２５％（重量／体積パーセント）で、ヘキサンに懸濁されている。一実施形態では、ＡｕおよびＡｇナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）の両方の粒子サイズは約２ｎｍである。ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）のＡｕおよびＡｇのコアは、電子を貯蔵および移動する能力のために選択される。一実施形態では、ＡｕおよびＡｇナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）の５０％－５０％混合物が使用される。しかしながら、Ａｕ対Ａｇが１～９９％の範囲の混合物を使用することができる。電子移動は、仕事関数が異なるナノ粒子クラスタ（８０２）と（８０４）間で発生しやすい。一実施形態では、ほぼ等しい数の２つの異なるナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）の混合物が、良好な電子移動を提供する。したがって、ナノ粒子クラスタは、粒子サイズ、粒子材料（関連する仕事関数値を有する）、混合比、および電子親和力に基づいて選択される。
【0046】
［００６９］場合によっては、ナノ流体（８００）の導電率は、ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）の濃度を高めることによって増加させることができる。ただし、ナノ流体の導電性にとって最適な濃度は、０．５モル／リットル未満、０．４～０．５モル／リットル、またはさらに低い濃度などの、ナノ粒子の低濃度において見つけることができる。ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）は、ナノ流体（８００）内で約０．１モル／リットルから約２モル／リットルの濃度を有し得る。少なくとも１つの実施形態では、ＡｕおよびＡｇナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）はそれぞれ、少なくとも１モル／リットルの濃度を有する。
【0047】
［００７０］ＡｕおよびＡｇナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）などのコロイド粒子の安定性と反応性は、主に、ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）の表面に吸着または共有結合したアルカンチオールコーティング（８０８）によって形成されるリガンドシェルによって決定される。ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）は、凝集して沈殿する傾向があるが、非凝集ポリマーアルカンチオールコーティング（８０８）のリガンドシェルの存在によって、これらのナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）が浮遊したままとなり、これを防ぐことができる。吸着または共有結合したリガンドは、凝集に対する安定剤として作用し、ナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）に化学的機能を付与するために使用することができる。時間経過とともに、リガンドコーティングの界面活性剤の性質が克服され、凝集したナノ粒子クラスタの低エネルギー状態が形成される。したがって、時間の経過とともに、ナノ粒子クラスタ蓄積の低エネルギー状態による凝集が発生し、界面活性剤の時折の添加が用いられることがある。
【0048】
［００７１］ナノ流体（８０２）は、例えば、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）／（３００）の残りの密封されていない側を介した毛細管および真空プロセスによって、空洞（１１０）および（３１６）に充填される（２４０）。ナノスケールエネルギー変換装置（１００）／（３００）の残りの密封されていない側が、シリコンまたは二酸化シリコンのケーシングセグメント、ホットメルト接着剤などのシーラント、または装置の残りの密封されていない側の周りにアルカンチオールフィルムガスケットを電気スプレーすることによってシール（２４２）されると、アセンブリが完成する。したがって、少なくとも１つの実施形態では、複数のＡｕおよびＡｇナノ粒子クラスタ（８０２）および（８０４）が誘電媒体（８０６）中で一緒に混合されて、ナノ流体（１１２）／（８００）が形成され、このナノ流体（１１２）／（８００）が空洞（１１０）／（３１６）に挿入されると、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）／（３００）が完全に密閉される。
【0049】
［００７２］一実施形態では、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）／（３００）の寸法は、長さ約２０～５０ｍｍ、幅約２０～５０ｍｍ、厚さ約９～１９ｎｍ（各電極（１０２／３０２および１０４／３０６）が約４ｎｍと、それらの間の空洞（１１０／３１６）が約１ｎｍから約１０ｎｍ未満）。装置（１００／３００）の厚さは、内部の所望の電子の流れに基づいて決定され、他の２つの寸法は、装置（１００／３００）の所望の全体出力に基づいて拡張可能である。
【0050】
［００７３］ナノスケールエネルギー変換装置の動作原理
［００７４］再び図９を参照すると、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）を用いて電力を生成するプロセス（９００）を示すフローチャートが提供されている。本明細書に記載されるように、エミッタ電極（１０２）が提供され（９０２）、コレクタ電極（１０４）が提供され（９０４）、ここでコレクタ電極（１０４）の仕事関数値は、エミッタ電極（１０２）の仕事関数値よりも小さい。エミッタ電極（１０２）およびコレクタ電極（１０４）は、互いに所定の距離、すなわち約１ｎｍ～約１０ｎｍ未満に配置される（９０６）。
［００７４］再び図９を参照すると、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）を用いて電力を生成するプロセス（９００）を示すフローチャートが提供されている。本明細書に記載されるように、エミッタ電極（１０２）が提供され（９０２）、コレクタ電極（１０４）が提供され（９０４）、ここでコレクタ電極（１０４）の仕事関数値は、エミッタ電極（１０２）の仕事関数値よりも小さい。エミッタ電極（１０２）およびコレクタ電極（１０４）は、互いに所定の距離、すなわち約１ｎｍ～約１０ｎｍ未満に配置される（９０６）。
【0051】
［００７５］図１０を参照すると、エミッタ電極（１００２）（ＷＦｅ）、コレクタ電極（１００４）（ＷＦｃ）、およびその中のナノ流体（１００６）（ＷＦｎｆ）の仕事関数間の関係を示す、ナノスケールエネルギー変換装置（１０００）の一実施形態の断面図が提供される。図１０はまた、電極（１００２）および（１００４）を分離する一対の絶縁体ポスト（１００８）を示す。ＷＦｅとＷＦｃの差は、２つの電極（１００２）と（１００４）との間の接触電位差（ＣＰＤ）を確立する（９０８）。具体的には、電極（１００２）と（１００４）の異種金属、例えばＷおよびＡｕがそれぞれ、その対向する表面の６０％に両方ともＣｓ２Ｏの少なくとも単層を有することから、ナノ流体（１００６）を横切って電圧差（ＶＣＰＤ）が誘導される。この実施形態では、ＷＦｅの値を０．８８ｅＶ、ＷＦｃの値を０．６５ｅＶとすることで、０．２３ｅＶのＶＣＰＤを誘導する。ＶＣＰＤは、エミッタ電極（１００２）からコレクタ電極（１００４）にナノ流体（１００６）を介して電子を伝送するために克服しなければならない電場（ＥＣＰＤ）を誘導する。したがって、本明細書でさらに説明するように、この誘導されたＣＰＤにより、エミッタ電極（１００２）からコレクタ電極（１００４）への電子の熱電子放出が実現する。
【0052】
［００７６］複数のＡｕナノ粒子クラスタ（１０１０）およびＡｇナノ粒子クラスタ（１０１２）を含むナノ流体（１００６）が提供される（９１０）。この実施形態では、Ａｕナノ粒子クラスタ（１０１０）およびＡｇナノ粒子クラスタ（１０１２）の仕事関数は、それぞれ４．１ｅＶおよび３．８ｅＶである。したがって、集合的な仕事関数ＷＦｎｆは、ＷＦｃより大きなＷＦｅより大きくなる。ＡｕとＡｇナノ粒子クラスタ（１０１０）および（１０１２）の仕事関数値のこの関係は、ブラウン運動および電子ホッピング（本明細書でさらに説明）を介したナノ粒子クラスタ（１０１０）および（１０１２）への電子の移動を最適化する。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置（１０００）内の材料の選択により、エミッタ電極（１００２）からの電子の放出と、ナノ流体（１００６）を横切ってコレクタ電極（１００４）へ放出された電子の伝導を強化することによって、電流の生成およびその中での伝送が最適化される。
【0053】
［００７７］図１１を参照すると、エミッタの仕事関数値がコレクタの仕事関数値よりも大きい場合の効果のグラフ表示（１１００）を示す図が提供されている。エミッタ電極（１１０２）およびコレクタ電極（１１０４）は、ナノ流体（１１０８）が充填された空洞（１１０６）によって分離されている。電極（１１０２）の表面（１１１２）からの距離の関数として、電気化学ポテンシャル（フェルミ準位（μｅ）以上のエミッタ電極（１１０２）内の電子の熱分布関数（１１１０））を示している。エミッタ電極（１１０２）の仕事関数（ＷＦｅ）は、エミッタ電極（１１０２）のフェルミ準位（μｅ）から、エミッタ電極の電位（Ｅｅ）まで延びる。同様に、電極（１１０４）の表面（１１１６）からの距離の関数として、電気化学ポテンシャル（フェルミ準位（μｃ））以上のコレクタ電極（１１０４）の電子の熱分布関数（１１１４）が示されている。コレクタ電極（１１０４）の仕事関数（ＷＦｃ）は、コレクタ電極（１１０４）のフェルミ準位（μｃ）から、コレクタ電極の電位（Ｅｃ）まで延びる。コレクタ電極（１１０４）のフェルミ準位（μｃ）は、電極（１１０２）および（１１０４）に接続された負荷（ｅＶｌｏａｄ）の電位により上方にシフトし、空洞を横切る接触電位差電圧（ＶＣＰＤ）を誘導し（１１０８）、ここでｅＶｌｏａｄとＶＣＰＤは互いに等しい。電位関数（Ｅ）は、エミッタ電極（１１０２）の表面（１１１２）からコレクタ電極（１１０４）の表面（１１１６）まで、つまり矢印（１１１８）で示すように、電子がナノ流体（１１０６）および空洞（１１０８）を横断する際に、ＥｅからＥｃまで直線的に減衰して示されている。エミッタ仕事関数（ＷＦｅ）はコレクタ仕事関数（ＷＦｃ）よりも大きいので、電子はコレクタ電極（１１０４）に向かって加速され、エミッタ電極（１１０２）に向かって加速されない。したがって、エミッタ電極（１１０２）およびコレクタ電極（１１０４）の材料を、関連する仕事関数およびフェルミ準位の値とともに選択することで、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）の動作機能が決定される。例示的な実施形態では、エミッタ電極（１１０２）の仕事関数（ＷＦｅ）は、外部負荷とコレクタ電極（１１０４）の仕事関数（ＷＦｃ）との組み合わせに等しい。
【0054】
［００７８］図１２（および図１と９）を参照すると、複数のナノ粒子クラスタの衝突による電子移動を示す図（１２００）が提供されている。図１２に示すように、ナノ流体（１２０２）は、誘電媒体（１２０６）に懸濁された複数のナノ粒子クラスタ（１２０４）を含む。図示の実施形態では、複数のナノ粒子クラスタ（１２０４）は、Ａｕナノ粒子クラスタ（１２０８）およびＡｇナノ粒子クラスタ（１２１０）を含んでいる。Ａｕナノ粒子クラスタ（１２０８）は約４．１ｅＶの仕事関数値を有し、Ａｇナノ粒子クラスタ（１２１０）は約３．８ｅＶの仕事関数値を有する。ナノ粒子クラスタ（１２０４）のこれらの仕事関数値は、エミッタ電極（１０２）（０．８８ｅＶ）およびコレクター電極（１０４）（０．６５ｅＶ）の仕事関数値よりもはるかに大きくなる。ナノ粒子クラスタ（１２０４）は、ナノ粒子クラスタ（１２０４）の合体を減らすために上に誘電体バリア（１２１２）を形成するように、アルカンチオールでコーティングされる。一実施形態では、ナノ粒子クラスタ（１２０４）は、約２ｎｍの直径を有する。ナノ粒子クラスタ（１２０４）は、それを通る熱伝達を最小限に抑えながら、容量性（すなわち、電荷蓄積）機能を有する導電性であるように調整される。したがって、懸濁したナノ粒子クラスタ（１２０４）は、電子が電荷移動を介してエミッタ電極（１０２）からコレクタ電極（１０４）まで空洞（１１０）を横切って移動するための導電性経路を提供する。
【0055】
［００７９］熱で誘発されたブラウン運動により、ナノ粒子クラスタ（１２０４）は誘電媒体（１２０６）内を移動し、この移動中に、ナノ粒子クラスタが互いに衝突したり、電極（１０２）および（１０４）と衝突したりすることがある。ナノ粒子クラスタ（１２０４）が誘電媒体（１２０６）内で動いて衝突すると、ナノ粒子クラスタ（１２０４）は化学的および物理的に電荷を移動させる。ナノ粒子クラスタ（１２０４）は、電子（１２１４）が電極（１０２）および（１０４）からナノ粒子クラスタ（１２０４）へ、および１つのナノ粒子クラスタ（１２０４）から別のナノ粒子にホップするときに電荷を化学的に転送する。このホップは主に衝突時に発生する。仕事関数値の違いにより、電子（１２１４）はエミッタ電極（１０２）からナノ粒子クラスタ（１２０４）を介してコレクタ電極（１０４）に移動し、逆方向はあまりない。したがって、エミッタ電極（１０２）からナノ粒子クラスタ（１２０４）を介したコレクタ電極（１０４）への正味の電子電流が、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）の主要かつ支配的な電流となる。
【0056】
［００８０］ナノ粒子クラスタ（１２０４）は、電子を受け取ったときのナノ粒子クラスタ（１２０４）のイオン化と、異なる電荷を帯びた電極（１０２）および（１０４）によって生成される電界とによって、物理的に電荷を移動させる（すなわち、一時的な電荷を受ける）。ナノ粒子クラスタ（１２０４）は、電子（１２１４）を得たり失ったりする際の衝突時にイオン化する。ナノ流体（１２０２）内の正負に帯電したナノ粒子クラスタ（１２０４）は、それぞれ負に帯電したコレクタ電極（１０４）および正に帯電したエミッタ電極（１０２）に移動し、電子の流れを提供する。このイオン電流の流れは、電子電流の流れとは逆の方向であるが、電子の流れよりも大きさがはるかに小さい。
【0057】
［００８１］ナノ流体（１２０２）中で一部のイオンの再結合が発生し、電子とイオンの両方の電流が減少する。電極間隔は、イオン形成を最大化し、イオン再結合を最小化する最適な幅を選択することができる。例示的な実施形態では、電極間隔は１０ｎｍよりわずかに小さい。ナノ粒子クラスタ（１２０４）の最大寸法は約２ｎｍであるため、電極間隔は約３～５ナノ粒子クラスタ（１２０４）である。この分離距離は、イオンの再結合を最小限に抑えながら、ナノ粒子クラスタ（１２０４）が動き回って衝突するのに十分なスペースを空洞内に提供する。例えば、一実施形態では、電子はコレクタ電極（１０４）にホッピングする前に、エミッタ電極（１０２）から第１のナノ粒子クラスタ（１２０４）にホッピングし、次に第２、第３、第４、または第５のナノ粒子クラスタ（１２０４）にホッピングすることができる。ホッピング数が減ると、イオン再結合の機会が軽減される。したがって、ナノ流体（１２０２）におけるイオン再結合は、イオン形成を最大化し、イオン再結合を最小化するために最適な幅で選択された電極分離距離を通じて最小化される。
【0058】
［００８２］エミッタ電極（１０２）とコレクタ電極（１０４）が最初に接近するとき、コレクタ電極（１０４）の仕事関数が低いため、コレクタ電極（１０４）の電子はエミッタ電極（１０２）の電子よりも高いフェルミ準位を有する。このフェルミ準位の差は、フェルミ準位が等しくなるまで、すなわち電気化学ポテンシャルがつり合い、熱力学的平衡が達成されるまで、コレクタ電極（１０４）からエミッタ電極（１０２）に電子を転送する正味の電子電流を駆動する。エミッタ電極（１０２）とコレクタ電極（１０４）との間で電子が移動すると、エミッタ電極（１０２）とコレクタ電極（１０４）との間に電荷の差が生じる。この電荷の差により、エミッタ電極（１０２）とコレクタ電極（１０４）の間に接触電位差の電圧（ＶＣＰＤ）と電界が生じ、ここでＶＣＰＤの極性は仕事関数の大きな材料によって決定される。フェルミ準位が等しくなると、エミッタ電極（１０２）とコレクタ電極（１０４）の間に正味の電流は流れなくなる。したがって、外部負荷なしでエミッタ電極（１０２）とコレクタ電極（１０４）を電気的に結合すると、電極（１０２）と（１０４）の間の接触電位差が達成され、２つの電極（１０２）と（１０４）の間の熱力学的平衡の達成により、電極（１０２）と（１０４）の間に正味の電流が流れなくなる。
【0059】
［００８３］ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、追加の熱入力の有無に拘わらず、（例えば、室温で）電力を生成することができる。エミッタ電極（１０２）に加えられた熱は、その温度を上昇させ、その電子のフェルミ準位を上昇させる。エミッタ電極（１０２）のフェルミ準位がコレクタ電極（１０４）のフェルミ準位よりも高い状態では、正味の電子電流が、エミッタ電極（１０２）からナノ流体（１２０２）を通ってコレクタ電極（１０４）に流れる。外部回路（１２８）が接続されている場合、同量の電子電流が外部回路電流（１３４）を通ってコレクタ電極（１０４）からエミッタ電極（１０２）に流れる。エミッタ電極（１０２）に追加された熱エネルギーは、電子（１２１４）によってコレクタ電極（１０４）に運ばれる。追加されたエネルギーの大部分は、有用な仕事に変換するために外部回路（１２８）に転送され、追加されたエネルギーの一部は、衝突時にコレクタ電極（１０４）に転送され、最終的に廃棄エネルギーとして周囲に失われる。エミッタ電極（１０２）へのエネルギー入力が増加すると、最も高いエネルギーの電子が放出されるにつれて電極（１０２）の温度が低下し、エミッタ電極（１０２）からの電子透過率が増加し、それによってより多くの電流が発生する。エミッタ電極（１０２）が電子をナノ粒子クラスタ（１２０４）に放出すると（９１２）、エネルギーはナノスケールエネルギー変換装置（１００）に蓄積される。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、電荷を生成、貯蔵、および伝達し、温度差が存在する場合、熱エネルギーを移動させ、追加の熱エネルギーにより、エミッタ電極（１０２）からナノ流体（１２０２）への電子の生成が増加する。
【0060】
［００８４］ナノ流体（１２０２）は、ナノ粒子クラスタ（１２０４）のブラウン運動（９１４）によって誘発されるナノ粒子クラスタ（１２０４）のエミッタ電極（１０２）との衝突から、エミッタ電極（１０２）から可動のナノ粒子クラスタ（１２０４）の１つに（中間接触電位差を介して）電荷を移すために使用される。それぞれ約４．１ｅＶと約３．８ｅＶという大きな仕事関数を有するＡｕナノ粒子クラスタ（１２０８）およびＡｇナノ粒子クラスタ（１２１０）を含む異種のナノ粒子クラスタ（１２０４）を選択することで、エミッタ電極（１０２）からナノ粒子クラスタ（１２０４）への電子の移動とコレクタ電極（１０４）への電子の移動が最適化される。単一のナノ粒子クラスタは、混合のナノ粒子クラスタよりも速く凝集する。
【0061】
［００８５］電子（１２１４）がナノ粒子クラスタ（１２０４）からナノ粒子クラスタ（１２０４）へとホップすると、電子（１２１４）がすでにナノ粒子クラスタ（１２０４）に存在する場合に別の電子（１２１４）をナノ粒子クラスタ（１２０４）にホップさせるために必要な追加作業を含む単一電子帯電効果が、追加の電子（１２１４）をその特定のナノ粒子クラスタ（１２０４）にホッピングできるかどうかを判断する。具体的には、ナノ粒子クラスタ（１２０４）は、ナノ粒子クラスタ（１２０４）への所定数を超える電子のホッピングを防止する電圧フィードバックメカニズムを含む。これにより、許容数を超える電子が同時にナノ粒子クラスタに存在するのが防がれる。一実施形態では、任意のナノ粒子クラスタ（１２０４）上には、一度に１つの電子（１２１４）のみが許可される。したがって、ナノ流体（１２０２）を介した電流の伝導中に、単一の電子（１２１４）がナノ粒子クラスタ（１２０４）にホップする。電子（１２１４）は、ナノ粒子クラスタ（１２０４）上に無期限に留まるわけではなく、ナノ粒子クラスタ（１２０４）のブラウン運動に起因する衝突を通じて、次のナノ粒子クラスタ（１２０４）またはコレクタ電極（１０４）のいずれかにホップオフする。ただし、電子（１２１４）は、さらなる電子（１２１４）が同時にナノ粒子クラスタ（１２０４）にホップするのを防ぐために必要な電圧フィードバックを提供するのに十分な時間、ナノ粒子クラスタ（１２０４）に留まる。ナノ粒子クラスタ（１２０４）をわたる電子（１２１４）のホッピングでは、媒体中の電流の流れに関連する抵抗加熱が回避される。特に、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、静電力を導入するために外部電源による事前帯電を必要としない。これは、装置（１００）が、ブラウン運動によりナノ粒子クラスタ（１２０４）間の接触時に発生する摩擦電荷で自己帯電するためである。したがって、ナノ流体（１２０２）をわたる電子ホッピングは、ナノ粒子クラスタ（１２０４）上に一度に１つの電子（１２１４）に制限される。
【0062】
［００８６］電流がナノ流体（１２０２）を通って流れ始めると、放出された（１２１４）電子と置換電子との間の正味のエネルギー交換によって、エミッタ電極（１０２）から離れる実質的なエネルギーフラックスが実現する。エミッタ電極（１０２）に接続された第２の導電体（１３２）からの置換電子は、エミッタ電極（１０２）の材料に関連するフェルミエネルギーの平均値に等しいエネルギーの値ではなく、フェルミエネルギーの平均値よりも低いエネルギーで到着する。そのため、置換電子の置換エネルギーがエミッタ電極（１０２）の化学ポテンシャルと等しいのではなく、電子置換プロセスは、エミッタ電極（１０２）のフェルミエネルギーより下の利用可能なエネルギー状態で行われる。電子がフェルミ準位より上で放出され、フェルミエネルギーより下の電子に置換されるプロセスは、逆ノッティンガム効果と呼ばれることもある。したがって、エミッタ電極（１０２）の仕事関数値が約０．８８ｅＶと低いことで、放出された電子をより低いエネルギーレベルの電子で置き換えて、エミッタ電極（１０２）に冷却効果を誘発することができる。
【0063】
［００８７］複数のナノスケールエネルギー変換装置（１００）が、本明細書に記載の熱電エネルギー変換機能を有する少なくとも１つの実施形態によって区別される。一般に、ナノ流体（１２０２）は、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）が複数の温度範囲で動作するように選択される。一実施形態では、関連するナノスケールエネルギー変換装置（１００）の温度範囲は、装置（１００）の電力出力を変調するように制御される。一般に、エミッタ電極（１０２）の温度が上昇すると、そこからの熱電子放出のレートが上昇する。ナノ流体（１２０２）の動作温度範囲は、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）の所望の出力、熱電変換を最適化する温度範囲、および流体特性に基づく。したがって、ナノ流体（１２０２）の異なる実施形態は、装置（１００）の異なるエネルギー出力のために設計される。例えば、ナノ流体（１２０２）について、誘電媒体（１２０６）がシリコーンオイルの場合、２５０°Ｃ以上のシリコーンオイルの粘度の変化によるエネルギー変換の有害な変化を回避するために、ナノ流体（１２０２）の温度を２５０°Ｃ未満に維持する必要がある。一実施形態では、実質的に熱電子放出のためのナノ流体（１２０２）の温度範囲は、室温（すなわち、約２０℃～約２５℃）から約７０～８０℃までであり、熱電子および熱電変換用のナノ流体は７０～８０°Ｃ以上であり、主な制限は材料の温度制限である。熱電変換を含む動作用のナノ流体（１２０２）は、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）内の電力密度を最適化することによって熱電変換を最適化する温度範囲を含み、それによって装置（１００）の出力を最適化することができる。少なくとも１つの実施形態では、ナノ流体（１２０２）の温度を調節するためのメカニズムは、装置（１００）のエネルギー出力の一部をナノ流体（１２０２）に迂回させることを含む。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置（１００）の特定の実施形態の空洞（１１０）は、特定の温度範囲を超える熱電エネルギー変換、またはそれ自体その温度範囲以下の熱電エネルギー変換を得るためのナノ流体（１２０２）で満たされ得る。
【0064】
［００８８］本明細書の他の箇所に記載するように、少なくとも１つの実施形態では、誘電媒体（１２０６）は、約１．０ワット／メートル度ケルビン（Ｗ／（ｍ－Ｋ））未満の熱伝導率値を有する。少なくとも１つの実施形態では、誘電媒体（１２０６）の熱伝導率は、摂氏約２０度（°Ｃ）での水の熱伝導率０．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）と比較して、約０．０１３Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低い。したがって、ナノ流体（１２０２）は、低い熱伝導率値で空洞（１１０）を介した熱伝達を最小限に抑えられる。低熱伝導率のナノ流体（１２０２）は熱輸送を小さくできるので、動作中に２つの電極（１０２）と（１０４）との間の高い温度差を維持することができる。これらの実施形態は、ナノ流体（１２０２）を介した熱伝達が最小であることが望まれる、熱電子放出のみを使用するそれらのナノスケールエネルギー変換装置（１００）のために設計されている。
【0065】
［００８９］ナノスケールエネルギー変換装置（１００）のいくつかの代替実施形態では、ナノ流体（１２０２）を介したより大きな熱伝達が望まれる。ナノスケールエネルギー変換装置（１００）は、約１０ｎｍ未満の空洞（１１０）の寸法を有する。約１ｎｍ～約１０ｎｍ未満のこの所定の距離範囲において、ナノ流体（１２０２）の熱伝導率値および電気伝導率値は、空洞の所定の距離が約１００ｎｍより大きい場合のナノ流体（１２０２）の熱伝導率および電気伝導率値よりも高くなる。ナノ流体（１２０２）の熱伝導率と電気伝導率の値のこの増加は、いくつかの要因による。第１の要因は、ナノ流体（１２０２）内の複数のナノ粒子クラスタ（１２０４）間のフォノンと電子の移動が強化されること、複数のナノ粒子クラスタ（１２０４）と第１の電極（１０２）との間のフォノンと電子の移動が強化されること、および複数のナノ粒子クラスタ（１２０４）と第２の電極（１０４）の間のフォノンと電子の移動が強化されることである。第２の要因は、約１０ｎｍ未満のスケールで見られる、より閉じ込められたボリュームでのナノ粒子クラスタ（１２０４）のブラウン運動の影響の強化である。電極（１０６）間の距離が約１０ｎｍ以下になると、浮遊するナノ粒子クラスタ（１２０４）を有するナノ流体（１２０２）の流体連続体の特性が変化する。例えば、空洞（１１０）の体積に対する粒子サイズの比率が増加すると、希薄な溶液におけるブラウン運動のランダムな対流のような効果が支配的になる。そのため、ナノ粒子クラスタ（１２０４）が他のナノ粒子クラスタ（１２０４）や電極（１０２）および（１０４）の表面と衝突することで、フォノンと電子の移動が促進され、熱伝導率と電気伝導率の値が増加する。第３の要因は、ナノ流体（１２０２）内にナノ粒子クラスタ（１２０４）マトリックスが少なくとも部分的に形成されることである。一実施形態では、マトリックスの形成は、時間の要因および／またはナノ流体（１２０２）中のナノ粒子クラスタ（１２０４）の濃度に基づく。特定の条件下で、ナノ粒子クラスタ（１２０４）は、互いに近接する機能としてナノ流体（１２０２）内にマトリックスを形成し、他のいくつかのナノ粒子クラスタ（１２０６）は当該マトリックスから独立したままとなる。第４の要因は、所定のナノ粒子クラスタ（１２０４）の密度であり、一実施形態では１リットルあたり約１モルである。したがって、空洞（１１０）の寸法が約１０ｎｍ未満と非常に小さいことで、その中のナノ流体（１２０２）の熱伝導率および電気伝導率の値が増加する。
【0066】
［００９０］さらに、ナノ粒子クラスタ（１２０４）は非常に薄く、それらは一次元、すなわちそれらの特徴的な長さのみを有すると考えられている。この極端な薄さは、量子閉じ込めと呼ばれるプロセスで電子と正孔を制限し、電気伝導率を向上させる。異なる量子閉じ込めを持つ粒子が衝突すると、電極（１０２）と（１０４）への電荷の移動が促進される。ナノ粒子クラスタ（１２０４）のサイズが小さいと、その表面の影響が大きくなり、熱伝導率が高くなる傾向がある。ナノスケールエネルギー変換装置（１００）の実施形態は、メートルあたり約１シーメンス（Ｓ／ｍ）を超える高い導電率値を有する。また、熱伝導率が向上した装置（１００）の実施形態は、約１Ｗ／ｍ・Ｋを超える熱伝導率値を有する。
【0067】
［００９１］エミッタ電極（１０２）からの電子（１２１４）の熱電子放出と、ホッピングによるナノ粒子クラスタ（１２０４）からナノ粒子クラスタ（１２０４）へのナノ流体（１２０２）をわたる電子（１２１４）の移動は、両方とも量子力学的効果である。
【0068】
［００９２］本明細書に記載されるような熱電子放出によるエミッタ電極（１０２）からの電子の放出は、エネルギー選択的なメカニズムである。エミッタ電極（１０２）とコレクタ電極（１０４）との間の空洞（１１０）内のクーロンバリアは、ナノ粒子（１２０４）と空洞（１１０）内の電極（１０２）および（１０４）との相互作用によって誘導される。クーロンバリアは、少なくとも部分的に、複数のナノ粒子クラスタ（１２０４）の数と材料組成によって誘導される。ナノ流体（１２０２）を介して誘導されるクーロンバリアは、約１ｅＶの大きさのオーダーのエネルギー選択バリアを提供する。したがって、ナノ流体（１２０２）は、電子の放出および伝達に対してエネルギー選択的なバリアを提供する。
【0069】
［００９３］熱電子バリアを克服し、このバリアを克服するために必要なエネルギーレベル以上の電子（１２１４）をエミッタ電極（１０２）から放出させるために、エミッタ電極（１０２）およびコレクタ電極（１０４）の材料の選択は、仕事関数値とフェルミ準位値に応じて選択される。２つの金属電極（１０２）と（１０４）およびナノ粒子クラスタ（１２０４）のフェルミ準位は、電極（１０２）と（１０４）からナノ粒子クラスタ（１２０４）に電子（１２１４）をトンネリングすることによって整列させようとする。２つの電極（１０２）と（１０４）との間の電位差（本明細書の他の箇所に記載）で熱電子バリアが克服され、エミッタ電極（１０２）からの電子（１２１４）の放出は、熱電子ブロックを克服するのに十分なエネルギーで発生する。特に、冷却目的で、エミッタ電極（１０２）からより高いエネルギーの電子を除去すると、電子（１２１４）の放出により、より低いエネルギーの電子で実現されるよりも多くの熱エネルギーがエミッタ電極（１０２）から取り去られる。したがって、エネルギー選択的バリアは、当該バリアがない場合に発生するよりも高いエネルギーレベルの電子の熱電子放出によって克服される。
【0070】
［００９４］電子（１２１４）が熱電子放出によってエミッタ電極（１０２）から放出されると、バリアは、ナノ流体（１２０２）を介した電子（１２１４）のさらなる伝送に対する障害となり続ける。約１～１０ｎｍのオーダーのより小さなギャップは、空洞（１１０）を横切る短距離の電子ホッピング、すなわち電界放出を容易にする。電子ホッピングに必要なエネルギーは、熱電子放出に必要なエネルギーよりもはるかに低いため、電子ホッピングは装置（１００）のエネルギー生成特性に大きな影響を与える。ナノ流体（１２０２）の設計により、エネルギー選択的なトンネリング（ホッピング）が可能になる。これは特殊な形式のバリア（低エネルギー電子に対してより広いギャップを持つ）によるものであり、フェルミ準位を超える電子が主要なホッピング成分となる。電子ホッピングの方向は、電極（１０２）と（１０４）のさまざまな材料と、それらに関連する仕事関数およびフェルミ準位の値の選択によって決定される。ナノ流体（１２０２）を横切る電子ホッピングは、流体（１２１４）の温度が電子移動中に比較的変化しないように所定の温度勾配を維持しながら、空洞（１１０）を横切って電子（１２１４）と共に熱エネルギーを伝達する。したがって、放出された電子は、ナノ流体（１２０２）の温度を上昇させることなく、エミッタ電極（１０２）から空洞（１１０）を横切ってコレクタ電極（１０４）に熱エネルギーを輸送する。
【0071】
［００９５］ナノスケールエネルギー変換装置の応用例
［００９６］図１３を参照すると、ナノスケールエネルギー変換装置（１３００）の使用の一実施形態を示す図が提供されている。ソースからの熱エネルギー（１３０２）は、エミッタ電極（１３０４）に入る。電子（１３０６）は、エミッタ電極（１３０４）から熱電子的に放出される（１３１８）。電子（１３０６）は、本明細書に記載されるように、ナノ流体（１３１０）で満たされた空洞（１３０８）を横断する。電子（１３０６）は、電子（１３０６）を収集するコレクタ電極（１３１２）に到達し（１３２０）、第１の導電体（１３２２）を通って負荷（１３１６）に伝達されて仕事を行う出力電子流（１３１４）を生成する。負荷（１３１６）は、第２の導電体（１３２４）によってエミッタ（１３０４）に接続されている。矢印（１３２６）で表される電流は、電子の流れ（１３１４）とは逆の方向に流れる。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置（１３００）は、廃熱や周囲熱を含む熱エネルギー（１３０２）を収集して、電力（１３１４）を生成する。
［００９６］図１３を参照すると、ナノスケールエネルギー変換装置（１３００）の使用の一実施形態を示す図が提供されている。ソースからの熱エネルギー（１３０２）は、エミッタ電極（１３０４）に入る。電子（１３０６）は、エミッタ電極（１３０４）から熱電子的に放出される（１３１８）。電子（１３０６）は、本明細書に記載されるように、ナノ流体（１３１０）で満たされた空洞（１３０８）を横断する。電子（１３０６）は、電子（１３０６）を収集するコレクタ電極（１３１２）に到達し（１３２０）、第１の導電体（１３２２）を通って負荷（１３１６）に伝達されて仕事を行う出力電子流（１３１４）を生成する。負荷（１３１６）は、第２の導電体（１３２４）によってエミッタ（１３０４）に接続されている。矢印（１３２６）で表される電流は、電子の流れ（１３１４）とは逆の方向に流れる。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置（１３００）は、廃熱や周囲熱を含む熱エネルギー（１３０２）を収集して、電力（１３１４）を生成する。
【0072】
［００９７］図１４を参照すると、一実施形態では廃熱または廃熱副産物である熱（１４０４）から電力を生成する、積層型またはグループ化されたナノスケールエネルギー変換装置（１４０２）のシステム（１４００）を示す図が提供される。システム（１４００）は、絶縁されたケーシング（１４０６）内に複数のナノスケールエネルギー変換装置（１４０２）を含む。各ナノスケールエネルギー変換装置（１４０２）は少なくとも０．０２４ワット／セルを生成でき、システム（１４００）は約１５５０ワット／リットルの電力密度に達することができ、したがって約６４，５８３個の装置（１４０２）が関与する。３キロワット（ｋＷ）を使用する特定の住宅の場合、一実施形態では、典型的な家庭に電力を供給するシステム（１４００）は、約２リットルのシステムを必要とする。積層されたナノスケールエネルギー変換装置（１４０２）（直列または並列）は、所望の電流および電圧特性の電力システムを得るための電力フラックスを定義する。さらに、追加のデバイス（１４０２）によって熱除去機能が強化されている。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置（１４０２）は、様々な用途の下で電力を提供するように拡張可能かつ構成可能である。
【0073】
［００９８］図１５を参照すると、半導体チップなどの電子チップ（１５０４）に結合され、電子チップ（１５０４）からの廃熱から電気エネルギーを収集するナノスケールエネルギー変換グループ（１５０２）を含む廃熱収集システム（１５００）を示す図が提供されている。このようなシステム（１５００）は、携帯電話や他の携帯用電子機器での使用に適している。電子チップ（１５０４）は、接着剤（１５０６）、例えば、限定されないが、エポキシ接着剤でナノスケールエネルギー変換グループ（１５０２）に取り付けられている。積層型ナノスケールエネルギー変換装置グループ（１５０２）は、例えば、限定されないが、約３５個の積層されたナノスケールエネルギー変換装置を含む。一実施形態では、積層型ナノスケールエネルギー変換装置の数量は、半導体チップのサイズや寸法に応じて変動し得る。例えば、一実施形態では、この数量は最小１から１０００を超える積層型ナノスケールエネルギー変換装置の範囲であり得る。同様に、一実施形態では、複数のナノスケールエネルギー変換装置のスタックは、その層を形成する。ナノスケールのエネルギー変換グループ（１５０２）は、輻射熱伝達（１５０８）と自然対流熱伝達（１５１０）の両方によって冷却される。ナノスケールエネルギー変換グループ（１５０２）は温度差によって駆動され、ここで電子チップ（１５０４）は約１００°Ｃで動作している。収集された電力は、システム（１５００）を冷却するために使用する必要はない。ナノスケールエネルギー変換グループ（１５０２）は、必要に応じて電流および電圧を倍増するための所定数のナノスケールエネルギー変換装置を含む。したがって、ナノスケールのエネルギー変換グループ（１５０２）は、自然対流と放射を組み合わせて冷却することができ、電力を消費する流体移動装置を設置する必要がない。
【0074】
［００９９］図１６を参照すると、太陽電池アレイ（１６０６）からの熱副産物（１６０８）から電気エネルギーを収集する、太陽電池アレイ（１６０６）に結合されたナノスケールエネルギー変換装置（１６０４）のアレイ（１６０２）を含む発電システム（１６００）を示す図が提供される。限定されないウルトラキャパシタなどのエネルギー貯蔵装置（１６１０）が、ナノスケールエネルギー変換装置（１６０４）のアレイ（１６０２）に電気的に接続されている。ナノスケールエネルギー変換装置（１６０４）を発電システム（１６００）に統合することにより、アレイ（１６０２）が、太陽電池アレイ（１６０６）を冷却すると同時に、相乗的に電力を生成して、光起電力の生産を増強することができる。太陽光発電の強化に加えて、ナノスケールエネルギー変換装置（１６０４）の統合により、温水、地熱源、自動車の廃熱源などの他の熱電力源を増強して、電力の生成を強化することができる。したがって、ナノスケールエネルギー変換装置（１６０４）は、複数のエネルギー回収装置と統合され、このような統合なしでは達成できないような高いエネルギー密度の装置を生成することができる。
【0075】
［０１００］本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態では、本開示は一般に、電池などの超長寿命エネルギー源を対象とし、より具体的には、ナノスケールエネルギー変換装置を対象とする。イオン化は、ナノスケールエネルギー変換装置の電子トンネリングと熱電子放出の組み合わせによって提供される。電荷移動は、流体（例えば、ナノ流体）に懸濁された導電性ナノ粒子が熱的に誘発されたブラウン運動によって衝突することによって行われる。この装置の設計により、低温および高温（室温を含む）での周囲エネルギーの抽出が可能になる。このため、電極は互いに非常に接近しており、電子が電極間の距離を移動できるようになっている。幅広い温度範囲で放出されたこれらの電子は、ナノ流体が電子の伝導経路を提供することからギャップを越えて進み、熱伝達を最小限に抑えてナノスケールの熱機関を維持し、アーク放電が防止される。熱電子変換器に関して、これらの装置の電気効率は、エミッタ電極（カソード）およびコレクタ電極（アノード）に堆積した非常に低い仕事関数の材料に依存している。２つの低仕事関数電極の効率は、室温でも電子を十分に熱電子放出できるカソードを開発することによって向上させることができる。これらの仕事関数が低いカソードとアノードは、大量の電子を提供する。同様に、トンネリング装置は、設計されたナノ流体によって分離された２つの低仕事関数電極を備える。電極放出による冷却とは、ナノ流体ギャップを介して冷却対象（カソード）から熱除去電極（アノード）まで高温の電子を移すことを指す。本実施形態では、タングステンと金にそれぞれ酸化セシウムを含む２つの低仕事関数電極をエレクトロスプレーで成膜する技術、エネルギー選択的な電子伝達による熱電子放出と電子の量子ホッピング、装置内の熱伝達を最小限に抑えながら電気を伝導する熱電素子として調整されたナノ流体、装置および外部熱源と熱的に接触しているアノード電気接続からの熱伝達など、複数の技術を結合している。この技術の結合により、実現可能な熱電子発電機が製造される。
【0076】
［０１０１］本明細書に記載の実施形態のナノスケールエネルギー変換装置は、任意のサイズスケールの電気用途のために、長寿命で常時充電可能なバッテリーを介して電気エネルギーの生成を容易にする。本明細書に記載の実施形態の装置は、現在利用可能な単一および二重変換電池よりも優れた変換効率を有する電池を提供する。さらに、本明細書に記載の実施形態の装置は、集積回路の一体型部分として製造され、集積回路に電気エネルギーを提供することができる。本明細書に記載の実施形態の装置は、有用な値の電力出力を備えた比較的動作寿命が長い軽量でコンパクトな多重変換電池である。さらに、調整された仕事関数に加えて、本明細書に記載の実施形態のナノ粒子クラスタは、熱電材料を含む多相ナノ複合材料である。単一の装置内で熱電機能と熱イオン機能を組み合わせることで、本明細書に記載の実施形態のナノスケールエネルギー変換装置の発電能力はさらに強化される。
【0077】
［０１０２］周囲の熱エネルギーを使用可能な電気に変換することで、特に分散した場所にある多数の電子機器を長期間使用する必要がある場合に、電気化学電池などの従来の電源への電子機器の依存を相殺または置換することができる環境発電が可能になる。環境発電は、従来の電池や配線による電源とは異なり、数年単位の卓越した寿命、メンテナンスの少なさ、廃棄や汚染の問題が少ないなどの固有の利点がある。本明細書に記載のナノスケールエネルギー変換装置は、熱エネルギーを効率的に収集するための低コストの新規な発電機である（電子の流れを開始するための初期の温度差や温度勾配を必要としない）。
【0078】
［０１０３］本明細書に記載の実施形態のナノスケールエネルギー変換装置は、多数の発電要件にわたって拡張可能である。これらの装置は、ミリワット（ｍＷ）、ワット（Ｗ）、キロワット（ｋＷ）、およびメガワット（ＭＷ）の範囲の電力を必要とするアプリケーション向けに設計することができる。ｍＷレンジの装置の例には、ＩｏＴ（Internet of Things）に関連する機器（家電製品、車両（通信のみ））、携帯型ポータブル電子機器（携帯電話、医療機器、タブレット）、および組み込みシステム（ＲＦＩＤ、ウェアラブル）が含まれるがこれらに限定されない。ワットレンジの装置の例には、携帯型センサ、ネットワーク、ロボット機器、コードレスツール、ドローン、家電製品、おもちゃ、車両、ユーティリティ照明、エッジコンピューティングが含まれるがこれらに限定されない。ｋＷレンジの装置の例には、住宅用オフグリッド装置（化石燃料のバックアップ発電機ではなく）、レジリエント／サステナブルな住宅、ポータブル発電機、電気式の無音の輸送手段（水上輸送を含む）、および宇宙船が含まれるがこれらに限定されない。ＭＷレンジの装置の例には、産業用／データセンター／施設用のオフグリッド装置（無停電電源装置など）、レジリエント複合施設、都市センター、商業用および軍用機、空飛ぶ車、鉄道／機関車／トラック／船上輸送が含まれるがこれらに限定されない。
【0079】
［０１０４］本実施形態の態様は、実施形態による方法および装置（システム）のフローチャート図および／またはブロック図のうちの１つまたは複数を参照して本明細書に記載されている。実施形態は、例えば、ある実施形態を用いて別の実施形態を変更できるように、互いに組み合わせることができる。
【0080】
［０１０５］本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、実施形態を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに他のことを示さない限り、複数形も含むことを意図している。本明細書で使用される場合、「含む」および／または「備える」という用語は、記載された特徴、数、ステップ、操作、要素、および／またはコンポーネントの存在を指定するが、１つまたは複数の他の機能、数、ステップ、操作、要素、コンポーネント、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではないことがさらに理解される。
【0081】
［０１０６］以下の特許請求の範囲におけるすべてのミーンズまたはステッププラスファンクション要素の対応する構造、材料、行為、および同等物は、具体的に請求された他の請求された要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料、または行為を含むことを意図する。本実施形態の説明は、例示および説明の目的で提示されたが、網羅的であることや、開示された形式の実施形態に限定されることを意図するものではない。実施形態の範囲および精神から逸脱することなく、多くの修正および変形が、当業者には明らかであろう。実施形態は、実施形態の原理および実際の適用を最もよく説明し、当業者が企図された特定の使用に適した様々な変更を伴う様々な実施形態を理解できるようにするために選択および説明された。廃熱エネルギーを使用可能な電気エネルギーに効率的に変換する集熱装置としてのナノスケールエネルギー変換装置の実装は、小型発電機の柔軟な使用を容易にする。したがって、図１～１６に図示し説明したようなナノスケールエネルギー変換装置および関連する実施形態は、周囲温度環境を含むほとんどの既知の環境で熱の変換を通じて電力を供給する。
【0082】
［０１０７］特定の実施形態が本明細書に例示の目的で記載されているが、実施形態の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができることが理解されよう。特に、ナノスケールエネルギー変換装置は、静止状態または比較的静止状態からの廃熱を収集するように構成されているように示されている。あるいは、ナノスケールエネルギー変換装置は、運動中に熱または廃熱を収集するように構成することができる。したがって、実施形態の保護範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物によってのみ制限される。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【国際調査報告】