在全电子电池(AEB)中，嵌入到电容器的两电极之间的有源区内的夹杂物提供增加的能量存储。电子可去往/来自夹杂物和/或在夹杂物之间隧穿，由此相比传统电容器增加了电荷存储密度。一个或多个电池层存在于AEB中以阻止DC电流流过该设备。AEB效应可通过使用多层有源区予以提高，该多层有源区具有带夹杂物的多个夹杂物层，所述多个夹杂物层由不具有夹杂物的间隔层分隔。平面几何形状的电极和/或势垒层的圆柱几何形状或其周围的包裹的使用能提高基础AEB效应。可伴随AEB效应一起采用的其它物理效应是激发态能量存储以及玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的形成。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及能量存储。
技术介绍
能量存储对于大量和多种的电子设备，特别是对于移动设备和电动车辆或混合动力车辆而言是至关重要的组成部分。能量存储器件是基于多种物理效应的。例如，可利用电场来在电容器中存储能量，以及可利用化学反应(包括离子运动)来在电池中存储能量。然而，电容器中的能量存储可能受到器件几何形状的限制(例如，2-D电容器板具有有限面积)，并且电池可能由于电化学反应中固有的离子运动而具有缓慢的响应时间。电池供电的设备(诸如混合动力车辆或电动车辆)经常在性能方面受制于电池单位重量所存储的较低能量。电池由于电化学反应产生的低电压以及存储在电池中的离子的较大尺寸和重量而具有低的存储密度。电池中缓慢的离子迁移也导致缓慢的充电和放电性能。进一步，现有电池对离子迁移的依赖性导致电池较高的退化率。因此，业内的一大进步是提供具有能量密度比电容器更高、充电/放电比电池更快和/或寿命比电池长得多的能量存储。
技术实现思路
通过单独或组合地利用若干种物理效应而提供改进的能量存储器。第一种效应可称为全电子电池(AEB)效应，且涉及使用嵌入到电容器两个电极之间的有源区内的夹杂物。电子可去往/来自夹杂物和/或在夹杂物之间隧穿，由此相比传统电容器增加了电荷存储密度。一个或多个电池层出现在AEB中以阻挡DC电流流过该设备。AEB效应可通过使用多层有源区予以提高，该多层有源区具有带夹杂物的多个夹杂物层，所述多个夹杂物层由不具有夹杂物的间隔层分隔。将圆柱几何形状或四周包裹的电极和/或势垒层使用在平面几何形状中使用能提高基础AEB效应。可伴随AEB效应一起采用的其它物理效应是受激态能量存储以及玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的形成。在受激态能量存储中，夹杂物具有比其基态更高能量的受激状态，并能通过使电荷转变至受激状态而存储能量。这种效应可增加能量存储能力。尽管电子由于是费米子而无法形成BEC，然而已知为能够形成在半导体中的激子的受约束的电子-空穴对是玻色子，并因此能形成BEC。所有电子势垒可被配置成利于激子形成并因此利于BEC形成。BEC形成预期会增加场致发射隧穿的阻抗，增加介电常数并降低基态能量，其结果是在不稳定发生前在受激态下能存储更多能量。应用包括电网能量存储器、电动车辆能量存储器(EV或PHEV电池)、便携式电子器件(膝上型电脑、蜂窝电话等)以及部队装备/武器，其优势包括高能量密度存储(可大于250Whr/kg)、高功率密度存储ri08W/kg)、快速的充电/放电速率和因为没有化学反应而具有低的随时间老化。进一步的优势包括没有移动的原子/离子，没有灾难性、不安全的故障的风险。本专利技术涉及具有非常高的存储密度的电容器和电子电池。由于本方法依靠作为电子而不是离子存储的电能，所以提供具有高存储容量的小而轻的器件。进一步，电子迁移容许快速的充电与放电。相对于现有的能量存储器件，本固态器件还可具有延长的寿命。在这种方法中，不同于表面电荷(如传统的电容器)或离子(如电池)，能量存储是经由大量电子完成的。附图说明图la-d示出本专利技术的若干实施例。图2a_c示出具有多层有源区的本专利技术实施例。 图3示出与本专利技术的实施例有关的参数范围。图4不出若干种材料的介电常数和击穿电压。图5a示出涉及本专利技术原理的用于实验的控制结构。图5b示出图5a的控制结构的I_V数据。图6a示出与本专利技术原理有关的测试结构。图6b_f示出来自图6a的测试结构的实验数据。图7示出来自具有相对较大的电极面积的样本的实验结果。图8a_j示出本专利技术一个实施例的示例性制造过程。图9a_b示出具有四周包裹的几何形状的本专利技术的实施例。图IOa-C示出夹杂物几何形状的一些替代的可能性。图IOd示出提供垂直对准的量子点的方法。图11示出具有圆柱几何形状的本专利技术的实施例。图12a_b示出根据本专利技术实施例的不同尺寸的夹杂物的使用的示例。图13示出适于用在本专利技术实施例中的若干种夹杂物。图14a_b示出能在受激态下存储电荷的本专利技术的充电实施例。图15a_b示出能在受激态下存储电荷的本专利技术的放电实施例。图16示出能在充电状态下形成激子的本专利技术的实施例。图17a_c示出本专利技术实施例中用于提供激子的若干种替代性方法。图18a-d示出电荷存储可如何受到激子的玻色_爱因斯坦凝聚成形的影响。具体实施例方式图la-d示出本专利技术的若干实施例。概括地说，本专利技术的实施例是包括第一电极、第二电极、一个或多个有源层(或有源区)以及一个或多个势垒层的能量存储器件。有源层和势垒层被夹设在电极之间。有源层具有设置在有源层基质中的夹杂物，以使电子能通过有源层基质的隧穿流至夹杂物或从夹杂物流出。势垒层基本防止电子跨势垒层隧穿(并也基本上阻挡所有其它DC电流流过)。这类器件能通过用夹杂物建立电荷间距来存储能量，并能通过将该电荷间距用作能源来提供能量。在图Ia的示例中，势垒层102和有源层104被夹设在电极108、110之间。有源层104的夹杂物中的一个被标示为106。图Ib示出两个势垒层102a、b包夹一有源层104的示例。图Ic示出两个有源层104a、b包夹一势垒层102的示例。图Id示出有源层104a、b和势垒层102a、b、c的一种替代性配置。将这些器件称为全电子电池(AEB)是适宜的。一种理解AEB的方法是将其与传统电容器比较，所述传统电容器可从图Ia的结构通过去除有源层104并将势垒层104扩展成填充两电极之间的间隙而获得。在图Ia的AEB中，可部分地通过用夹杂物建立电荷间距来提供能量存 储。例如，电荷间距可来源于夹杂物上的净负电荷和相反电极110上的净正电荷。该能量存储基于(即在夹杂物上的)体积电荷存储。相反，传统电容器的电荷间距是排他地由电极上的表面电荷确定的，并且体积电荷存储是不可能的。随着有源层添加，用于能量存储的体积电荷间距的可能性增加。例如，在图Ic的配置中，势垒层102的相反侧上的夹杂物可具有相反的净电荷。AEB允许相对于传统介电电容器的电荷存储的另一种可能性。电容器中的能量存储与电介质的介电常数有关，该介电常数依赖于当跨电介质施加给定电场时产生的偶极子的量。通过使有源层中的夹杂物之间的电荷极化，AEB允许更大偶极子的产生(相隔更长距离的更多电荷)，这允许更多的能量存储。例如，在图Ia的结构中，与更靠近电极108的夹杂物相比，更靠近势垒层102的夹杂物可携带相对负的电荷。另外，可组合这两种效果，由此在图Ic的结构中，有源层104a的所有夹杂物相对于有源层104b中的夹杂物带负电荷，同时更靠近电极108的层104a中的夹杂物相比更靠近势垒层102的层104a中的夹杂物带负电荷。应当理解相对电荷的所有组合和置换是可能的，前面的情况是示例性的。本器件的值得关注的特征在于它相比诸如晶体管之类的微电子开关器件而言往往更大。在一些实施例中，器件尺寸可与传统电池(例如Im的数量级)相当或比传统电池更大。这样的尺寸是根据其存储能量的目的而得出的。优选地，这些电极各自具有Iym2或更大的几何面积，并更优选地，电极面积为Imm2或更大。本专利技术实施例的另一个典型特征是在相对高的电压下操作。优选地，通过夹杂物的电荷间距是通过在电极之间施加5V或更大的电压而建立的。本专利技术一些实施例的另一个值得注意的特征为AEB优选地是二端子器件本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：T·P·霍姆，F·B·普林兹，P·B·范斯多科姆，
申请(专利权)人：小利兰·斯坦福大学托管委员会，
类型：
国别省市：
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