一方面，本发明提供了一种方法，该方法采用化学反应物在 反应体积或区域产生振动受激气体分子，取得大量的能量，例如作 为在传导面上的热电子，并将能量如热电子转换成能量的有用形 式。
该方法包括采用化学反应以产生振动受激分子，如高量子数 振动受激气体分子。当受激分子接触导体时，在振动受激分子中的 振动能量被转换成热电子。提供如具有几个分子碰撞平均自由行程 尺寸并通过传导面部分反弹的气体反应区域的几何形状，从而使 受激分子可以在发射振动能有用部分之前通过、扩散或漂移于导体 中。选择性地，产生和转换过程可至少部分地进行热分离。短寿命 的热电子在半导体中被转换成较长寿命的个体，如载流子和势能， 从而可将能量转换成有用的形式。
另一方面，本发明提供了一种产生能量的装置，该装置包括 一个反应区，在反应区中，反应物如燃料和氧化剂进行化学反应， 该反应可产生高振动受激分子。使在反应中产生的废物排出系统。 反应区可足够紧密地靠近收集表面，以使受激产物在到达收集表 面之前不会发射掉其大量的能量。收集表面可包括一个表面如导体， 在接近导体处或在其上，受激产物将能量转换成热电子或载流子 (电子或空穴)。转换区可与收集表面接触，在此，热电子或载流子 被转换成有用的形式，如由分离的载流子支持于半导体中的势能。 该转换区可至少部分地至少以热的形式与反应区隔离。
另一方面，所述方法可包括转换反应产物激发，如振动态的 偶极活化态的多量子能量变化，这是一种类型的受激化学产物的 激发。
以下，结合附图详细描述本发明的其它特点和优点以及本发 明各实施方案的结构与操作。在附图中，同样的参考标号指示相同 或功能类似的元件。

参考附图，仅通过举例的方式描述本发明的实施方案，其中：
图1显示了装置的截面示意图，其中，分离的反应区产生赋能 分子，收集区收集来自赋能分子的能量；
图2显示了装置的能量转换器部分的截面示意图，采用p-n结 选择由赋能分子的能量产生有用的电势；
图3显示了装置的能量转换器部分的截面示意图，采用肖特 基结选择由赋能分子的能量产生有用的电势；
图4显示了截面示意图，其中，反应区产生赋能分子，收集区 收集来自赋能分子的能量，采用肖特基结产生电；
图5显示了贮存由受激分子产生的激发的装置的截面示意图；
图6显示了将受激分子产生的激发转换为粒子数反转的装置 的截面示意图；
图7具有分离燃料和氧化剂通道，分开的反应和收集区及热 隔离的装置的截面示意图；和
图8显示了说明热障和分离的反应和收集区的装置的截面示 意图。

一方面，本发明的方法和装置能够增强峰值功率和能量转换 率，并进一步可增强来自传导面的废物和污染产物的解吸。所述方 法包括选择对废物具有相对低亲合性的催化剂。这种催化剂包括 铂、钯，相关的催化剂显示出对于氢与醇燃烧的该种性质。
另一方面，所述方法包括使燃料与氧化剂进入反应区，使废 产物离开反应区。废产物可移出和扩散出去。使废产物称出和扩散 出去的方法包括使气体反应物流过反应表面，并让废产物离开表 面进入气流中。另一方面，本发明的装置可设计成产生简单的一次 性脉冲动力，在此情形下，废产物无需离开反应区。
本发明的方法可包括采用通过气体反应体积移动至传导面的 受激分子。当受激分子与传导面相互作用时，将大部分的化学振动 能以赋能、弹道电子的形式送交至传导面。形成的传导面非常薄， 允许弹道电子直接移动和扩散进入半导体衬底中。半导体将电子转 换成可贮存的有用形式，与弹道电子的寿命(例如0.01微微秒)相比， 具有更长的寿命(例如微微秒或更长)。通常，半导体形成为二极管， 而能量的有用形式为二极管中作为的正向偏压产生的电。
传导面可包括催化剂和/或催化剂金属，从而使催化剂上的反 应连续除去吸附物并提供清洁的金属，振动受激气体物质可与其 相互作用。与燃料和/或氧化剂一起供给的添加剂可补充催化剂。 氧化反应公知可有效地除去吸附的未反应的物质。几乎所有的燃料 空气反应为富氧反应，趋向于支持或允许支持这种用于表面自洁 的氧化反应。
即使单层的反应性吸附物居于传导面上时，传导面仍可认为 能进行传导。这种吸附物包括氧和燃料分子。通常，部分单层氧化 物可在催化剂传导面上形成。
一方面，本发明的装置可采用燃料和氧化剂以在传导面的附 近产生受激分子。此外，通过燃料与氧化剂如空气的反应，也可在 传导面的附近产生高振动受激物质，所述燃料例如为甲醇、氢或部 分氧化和复合烃。可选择来自任一种还原材料或电子供体的燃料， 包括但不限于：氢，烃，复合烃，醇如甲醇、乙醇和丙醇，碳水化 合物，部分氧化的烃，柴油燃料，煤油，有机物质的汽化产物，燃 料转换炉的产物如氢气和一氧化碳，以及包括氨在内的易燃气体。 氧化剂可包括任一种电子受体，氧气，空气，过氧化氢和卤素。另 一方面，也可采用那些不论其是否被认为是燃料和氧化剂的反应 物。因此，任何产生可移动至收集区的振动受激物质的反应均可用 作能量源。
其它例举性反应物包括碱金属与水的组合，而废产物将包括 碱氧化物与氢。反应物的其它实例包括化学反应物，其中燃料和氧 化剂是相同的不稳定的分子。这种化学反应物的实例包括单组分推 进剂如MMH，单甲基肼。
一方面，振动受激物质可通过任一种公知的方法产生。振动受 激的物质可包括部分反应的化学物质，如包括包含羟基基团OH， CO和HCO的反应中间体。这些中间体可包含其它非反应性物质， 如废物，和空气分子如氮气或氧气。这些中间体可从反应物和其副 产物获得振动能。共振转移仅仅是使中间体受激的方式之一。
为通过Eley-Rideal法形成振动受激物质，可允许化学反应性 自由基如原子氢和氧撞击在催化剂或导体表面上吸附的氧或燃料。 反应物也可形成于金属表面上，并例如经Langmuir Hinshelwood 法反应。  
一方面，可通过使燃料与空气借助于催化剂和刺激剂进行反 应，并通过采用在任何位置形成振动受激气体分子的反应几何学 来产生受激分子，在所述位置处，它们可易于在发射大量激发之前 移动并扩散至传导面。
在操作过程中，可采用公知的刺激装置如催化剂，反应刺激 器方法和添加剂以在反应物进入反应区后产生振动受激物质。刺激 器方法包括采用一种或多种催化剂，于反应表面上的催化剂，放电， 滑行放电，光学和光解方法，光学装置和注入催化剂，催化或自动 催化剂材料。刺激装置可产生作为刺激剂的自由基，例如，采用电 或光能。
由于最稳定的化学反应被活化(具有保持反应物公开的势能 障)，刺激装置可提供采用电装置的活化能量。所提供的装置可恢 复一部分所述能量。
燃料和氧化剂混合物在气体化学反应中产生气体产物，其初 始状态是，能量基本以振动模式集中。气体的振动模式通常具有 10′s至10,000′s气体动力学碰撞的寿命(对于非共振作用)，并且对 于典型的烃-空气反应产物来说，预平衡平均自由行程在气体中为 50-200纳米数量级。这意味着，利用该平均自由行程的反应通道将 具有大至以下数量级的尺寸：至少10′s至100′s的平均自由行程(由 (3×振动寿命/碰撞间时间)的平方根给出)，因而将具有至多 20,000纳米数量级的尺寸(.02mm，1英寸的千分之0.8)。具有1或 更大平均自由行程尺寸的该通道是实际上可制造的。
即使当振动模式寿命将低至十分之一的平均自由行程，它们 的金属壁表面特征或通道的尺寸为1/2微米数量级。这些尺寸的特 征为易于构造。因而，这些通道或表面特征可构造以使气体分子在 平衡退化了能量之前进行作用。因此，在振动分子达到与其它模式 如旋转和转移的平衡之前及在从能量收集和转换表面除去的距离 处，振动分子可被制造成与金属壁进行碰撞。
所提供的方法包括采用用于进行化学反应的体积或区域。采 用所述体积或区域可允许反应速度和相应输出功率高于采用表面 时的相应值。在体积或区域中可发生比在表面上更多的反应。形成 的体积反应速度通常高于与催化剂转换数相关的速度。由于反应可 在体积区域中刺激，同时能量收集可在表面区域中实现，与表面反 应的方式相比，该方法保持了高的输出功率。通常，与宏观反应体 积的情形相比，表面与体积比为1/2微米的情况是很高的。因此，与 仅采用依赖于表面催化的表面反应相比，采用体积可导致能量数 值的增加。
从能量转换区中分离高反应速度，更高温度体积区时，表面 是一个特征，可允许完全电能系统，单位质量的功率和单位体积性 能的功率接近10-500瓦特/cc的气体动力学限制，如在火箭引擎和 喷气引擎中的那些。具体而言，采用本发明的方法和装置由化学能 转换成电能不需要机械式发电机(发电机)，这种机械式发电机需要 喷气引擎和涡轮机系统，这样使系统增加了相当的重量。
另一方面，所提供的方法包括产生热量的至少部分地采用热 方式分离或隔离的反应区，和在低温下更有效地运行的能量转换 区。废热也可从反应区直接传导并对流传热至排气装置。
这种隔离允许能量转换器保持在低于反应区的温度之下。与 传导面相连的半导体中热电子的转换作为降低温度的函数在指数 上变得更为有效。
该热隔离也允许反应体积保持在高于能量转换区的温度下。化 学反应速度通常作为温度的函数在指数上加速。这种较高的反应速 度允许以与能够泵送反应物进入反应区相一致的速度供应反应物。
另一方面，反应区的不同部分可在升高的温度下运行，例如 在600℃下，以刺激催化反应并加速或维持反应速度。
所提供的方法和装置可采用在传导面附近产生高振动受激物 质的几何学。这里的“附近”是指对于高振动受激气体物质来说低 于气体扩散距离几倍的距离。
术语“紧密靠近传导面”是指其中电荷弹道式地穿过空间的 情形，也可指其中与化学物质相关的电和磁场逐渐消失且不会传 播波形的情形，两种情况下的尺寸通常均低于1000纳米。
扩散距离与特征距离相关，在发射大量能量之前，振动受激 通过特征距离移动，所述扩散距离在本文中称之为振动扩散长度。 振动扩散长度大约为通过其物质将移动的三维钟形曲线几率分布 的1-σ距离。这种扩散模式规定，振动扩散长度是碰撞平均自由行 程与以下值平方根的乘积：3乘以振动寿命和碰撞间时间之比。 S.T.P.空气的扩散长度通常远低于20微米，通常超过几百纳米。
另一方面，本发明的方法可将短寿命的弹道载荷子(如通常寿 命为0.010微微秒的热电子)转换成在半导体中长寿命的载流子， 其寿命通常超过几个微微秒。
另一方面，能量转换器如半导体或量子势阱直接与衬底接触， 将短寿命的衬底热载流子转换成长寿命的载流子或在半导体或量 子势阱中激发。
另一方面，本发明的方法可注入或转换由表面与受激分子相 互作用而形成的载荷子进入半导体二极管以产生过量的二极管中 的受激载流子。这种过量的受激载流子也可产生穿过二极管的电 势。
另一方面，本发明提供的装置可包括p-n面结型二极管。在传 导面中产生的热电子会穿过表面和中间材料而进入p-型半导体衬 底中。导体的费米水平欧姆性接触或近欧姆性接触半导体的价带 (下带)。因此，能量高于带间隙的热电子其能量也会高于传导带(上 带)，并成为在传导带中的少量载流子。然后，传导带电子迁移至 p-n结处，并因内部电势被吸引在该处，因而施以正向偏压至二极 管而产生电。可有意选择半导体的极性和能带隙，以使当热载流子 在半导体中时，热载流子变成少数载流子。
例如，在p-n结中，可使用长寿命的少数载流子并转换成其它 有用的形式。例如，载流子可转换成电。可允许载流子重组合成辐 射能或辐射能的相干光束。进而，载流子可扩散至装置的其它位置， 并为进一步的表面反应提供受激载流子。载流子可用于在毫微米级 机械系统中引起机械作用，和/或在半导体中提供由电源提供的载 流子。因而，化学能量可被转换成任一种其它有用的形式。
因此，一方面，本发明的方法包括形成p-n面结型二极管。这 种二极管可为具有一个或二个大量掺杂或退化掺杂的极性的二极 管。本发明的方法可包括形成掺杂梯度，其可宽于或窄于结区。本 领域的技术人员都知道，通过采用脉冲化学反应施以高峰值功率 于采用低能带隙半导体的p-n结可增加效率，允许采用大约为 0.05-0.1eV的小带隙值。
可以理解，现有技术构造p-n面结型二极管的描述包括多种不 同的方法。这些方法包括金属、半导体、氧化物和二极管绝缘体外 层的各种区域和组合。某些区域的作用是形成与二极管的欧姆性接 触或近欧姆性接触。其它功能包括点阵匹配。二极管可用掺杂组合 的多种方案形成。所有这些变化方案在功能上可能均是相同的一种 p-n面结型二极管。
本发明的方法和装置可包括采用其能带隙可通过选择合金组 成而制做的半导体化合物。所述制做可施在靠近传导面和半导体转 换器附近或传导面处，例如，产生电势以将载流子从传导面扫入半 导体中。这些半导体包括InGaAsSb族半导体，其中，能带隙的范 围大约为0.1eV至高于1.5eV，这取决于In与Ga的比例和As与 Sb的比例。
本发明的方法和装置也可包括采用间接能带隙半导体，如硅 和锗和它们的合金。这种材料通常显示出比直接能带隙半导体更长 的载流子寿命。这会增加p-n结的效率，发电机具体方案的效率和 贮藏载流子具体方案的效率。
本发明的方法和装置也可包括运行具有偏压的二极管以增强 共振隧道效应。一种方式是，当电子转移占优势时用偏压运行二极 管，从而半导体的传导带与传导面上的吸附物能级匹配。当空穴转 移占优势时，价带的匹配是适应的。也可采用直接能带隙半导体如 来自InGaAsSb族的半导体。直接能带隙半导体允许这样配置，其 可通过辐射和通过辐射的受激发射取得能量。
一方面，传导面可形成于肖特基二极管的金属接点上。然后， 热电子将通过金属移动。具有足够能量的热电子可超越肖特基势垒， 并进入二极管的n型半导体中。在半导体中热电子通过与点阵进行 碰撞而释放能量后，热电子被捕集于半导体侧，变成多数载流子， 向二极管施以正向偏压，产生电。当载流子进入二极管的比例足够 时，有用的发电就出现了。这种能量流量相应于大于约1瓦特/cm2 的表面功率密度。
因而，本发明提供的方法和装置可包括形成肖特基面结型二 极管。一方面，这些接点可高至足以允许有用的正向偏压的势垒电 势，势垒通常超过0.05伏特。肖特基接点的能带隙可为任何有用 的数值，包括超过5伏特，其通常大于热电子的能量。改变半导体 的能带隙(通过组成梯度)和掺杂水平允许减少势垒的厚度，并且， 也允许改变与二极管的金属侧距离的相对费米水平。
所述的肖特基二极管可包括金属，钉住水平(pinned-level)的， 低掺杂半导体，高掺杂半导体，并可制做以显示在金属低掺杂接点 处所需的势垒电势和在低掺杂高掺杂接点处的所需势垒。薄势垒允 许电子隧道效应，其反过来当掺杂接近退化掺杂时，允许形成近欧 姆性接点。
采用可变化的能带隙和可变化的掺杂而形成肖特基二极管提 供了一种在半导体侧形成势垒电势而不会干扰金属接触侧的阻塞 或其它性质。可变化的能带隙可通过改变半导体合金的组成作为距 金属表面距离的函数来实现。该方法允许二极管构造成所需的和所 制做的势垒和费米水平性质。采用高峰值功率运行低势垒装置可增 加其效率，这是本领域技术人员公知的，允许该低肖特基势垒大约 为0.05至0.1eV。
一方面，可选择厚度为0.1至20纳米厚度的氧化物层以形成 肖特基势垒并允许更好地控制势垒。改变氧化物的厚度可控制通过 氧化物的势垒隧道效应，因而改变接点的所需的性质。氧化物可在 受激产物与半导体间的任何位置放置。
类似地，赋能载荷子可转移或注入半导体中或进入量子势阱 系统中。该系统可依次或者转换载流子成电，或者发射辐射或可将 载流子转移至转换的其它位置而成为有用的形式或用于化学过程 中。
另一方面，形成的电能可有效地收集并转换成半导体或量子 势阱中激发的反转粒子数，其激发可转换成其它有用的能量形式。
另一方面，本发明的方法和装置产生了在传导面上的条件， 在此，受激分子相互作用，表面强烈地有益于产生热载流子或激发， 而不是受激衬底振动，也称之为声子。这种有利的条件是通过制做 费米表面的量子状态产生的，使用量子势阱以匹配受激分子状态， 例如，通过使用一至数十金属的原子金属单层以形成传导面。
可以选择不会获得吸附物从而有用于赋能电子转移的表面材 料如金属，例如贵金属金和银。从反应表面几何学来讲，可选择采 用有利于激发的增强反应位置处浓度的几何学构造，如分子或原 子表面梯级(step)和边缘。进而，可选择传导面的材料以具有声子 带，其能量远低于多量子振动张弛。由重原子如钯或铂构成的传导 面可显示出该能带。几乎所有的结晶材料具有所需的声子能带频 率。
反应表面几何学构造例如可包括梯级和/或边缘位置，其可增 强反应或可包括可抑制反应的单层表面。一方面，可以选择具有德 拜频率至可来自所需激发频率的材料。
在传导面附近产生的反应产物的赋能释放也可包括其能量进 入衬底能级的共振隧道效应。这些能量包括非常宽的带的可利用的 无粒子的在金属或半导体传导带中的电子激发态。当由于赋能产物 激发转移为空穴时，这些能级可包括空穴态的类似带。
通过受激分子与传导面的相互作用而进行的电子或热载流子 的发射可采用公知的反向方法，如由电子跃迁的解吸(DIET)或多 电子跃迁的解吸(DIMET)。
一方面，传导面形成得足够薄，从而由该方式产生的受激载 流子将转移其能量至能量转换器衬底，只有很小的能量损失。传导 面的厚度可为1至数千个单层材料，其厚度为取决于电子能量、点 阵温度和材料的工程参数，按照现有技术的描述可以构造。
一方面，传导面可形成得薄至使得热载流子(电子或空穴)在释 放非常多的能量之前，穿过能量转换器，即半导体。与这种弹道传 输相关的尺寸大约为在导体或衬底中热载流子能量扩散长度的很 小的倍数。所谓“很小的倍数”是指厚度足够薄使得热载流子或激 发不会释放如此多的能量，以至剩余能量为不切实际的低值。典型 地，能量随特征尺寸“能量扩散长度”的平方以指数减小。“3” 能量扩散长度的距离是指低于5％的载流子具有大约与它们开始时 相同的能量。
在室温下，能量扩散长度尺寸通常为在贵金属组如金和银中 10至约1000传导面金属单层，其等价于大约3至300纳米。在室 温下，对于能量低于1eV的电子来说，能量扩散长度在金中可过 量115纳米，并且，其在银中对leV的电子来说计算过量大约150 纳米。
可选择通过导体表面在反应物与半导体衬底间材料的尺寸低 于与能量的辐射转移相关的表皮深度。这种具体方案采用了“渐消 失波”，在此，电磁场转移了能量。在该具体方案中，取代电子发 射和再吸附，赋能反应产物的内部能量通过中间材料如传导面和 基础衬底共振地转移至半导体或量子势阱的载流子。这种类型的转 移可为共振转移。
能量转换器捕集由赋能产物发射的载荷子或电磁能量于传导 面或其附近，并将它们转换成有用的形式。一方面，半导体二极管 接点如p-n接点或肖特基接点用作能量转换器。或者，可采用其它 公知的能量转换器。这种公知的能量转换器可包括任何公知设计用 于捕集由赋能产物在反应表面或附近发出的载荷子或电磁能量的 装置，如用于光电能量转换器的装置，金属-绝缘体-金属装置，金 属-氧化物-金属装置，量子势阱和半导体装置。例如参见Tiusan，C. 等，Applied Physics Letters，79卷，25期，2001年12月17日，“在 无半导体的金属-绝缘体结构中量子一致转移对类二极管效应 (Quantum coherent transport versus diode-like effect in semiconductor-free metal-insulator structure)”，例如参见，Elena A. Guliants等，Applied Physics Letters，2002年2月25日，80卷，Issue 8，1474-1476页，“整流率为1E6的0.5微米厚度的多晶硅肖特基 二极管”(“A 0.5-μm-thick polycrystalline silicon Schottky diode with rectification ratio of 1E6.”) 。
如前所述，在体积内进行的化学反应产生了可转移至表面或 能量转换器的内部能量。化学能的有用部分被转换成某种其它有用 形式。一方面，化学反应物用于以有用的比率有效地产生能量分 子。有用形式的实例包括热电子、热空穴、电磁辐射、赋能声子模 式、赋能化学形式和赋能压电体。
图1显示了装置的横截面图，其中，反应区生成赋能分子，分 开的收集区收集来自赋能分子的能量。反应区116使燃料112与氧 化剂113反应，从而产生赋能分子101。赋能分子101扩散通过反 应区115，并移动至收集区114，该区包括转换元件，在此，赋能分 子与选择性的催化剂102和收集区114的传导面103接触，在收集 区中进行能量转换。转换器元件可包括非必要的催化剂102、导体 103、界面导体110、界面半导体111、p-型半导体104、半导体结 105和n-型半导体106、负电极107和正电极108。
反应区115和116包括其相关的元件，例如刺激器117、118 和119，反应区用于生成赋能分子101，包括其相关的转换器元件 的收集区114收集来自赋能分子101的能量。反应区115，116和刺 激器117，118，119使燃料112与氧化剂113反应，从而产生赋能分 子101，其迅速扩散至并与靠近收集区114的传导面102，103接触。 由化学物质向热电子的能量转换发生于非必要的催化剂102，传导 面103上和/或半导体结构104，105，106中。热电子的另一个能量 转换也发生于从传导面103至界面导体110和界面半导体111并进 入半导体二极管，例如p-型半导体104，结105和n型半导体106， 与它们进行接触。另一类型的能量转换例如辐射，近场，渐消失波 辐射，可出现于受激态化学产物101与半导体二极管之间。反应区 116中的刺激器117，118，119可在反应刺激过程中消耗电。
一方面，催化剂102，118可以多种不同的构型中的任一种形 成，每种构型具有具体的特性。催化剂可以任何方式形成，包括但 不限于：块、单层、簇、脊、梯级边缘、量子点、量子势阱和量子 场。采用边缘和脊的构型促进吸附和反应的活化位点。采用单层的 构型可显示下面的优点：制做和引起在靠近费米表面电子状态的 密度的共振和峰值，增强在这些能量处能量的转换。簇可增强弹道 电子寿命并使表面声子态去偶化，增加效率。
如图1所示，收集区可为二极管104，105和106。赋能分子 101通过扩散区115中的气体迅速扩散至收集区114，在此，它们 被转换成有用的形式，如电。去能分子109从收集区扩散出去，也 可称其为废气。
另一方面，反应区116，115可位于由收集区114分开的区域， 但在相同的结构上，例如，在相同的衬底上所述收集区114包含传 导面102，103。显示的平面可代表用于此实施方案的常规衬底。在 该构型中，包含催化剂和/或反应刺激器117，118，119的反应区115， 116可位于衬底的一部分处，而包括转换器元件的收集区114在另 一部分上。分离的区域也将参看图7进行描述。
反应区115，116可设计成使得在该区产生的赋能分子所预期 的部分扩散，移动或被传送至收集区114。本领域的技术人员可以 理解，即使大部分所希望的部分接近一致，所预期的部分将是工程 设计的结果。例如，这种设计可选择相对较小的反应区，在相对较 大的收集区中或部分包围于相对较大的收集区中。
另一方面，反应区115，116可包括不同种类的反应区，每一个 以不同的方式处理燃料112和氧化剂113，最终产生在收集区114 中的赋能分子，以及离开该区域的废气。另一方面，可使用挥发 性或气体燃料和氧化剂反应物，使反应区115，116产生赋能分子。
在反应区116与收集区114间的距离设计成足够短以基本保 持赋能分子的振动激发。赋能分子通过气体扩散在两个区域间穿 行。与其它气体分子间的相互作用最终将抢夺激发能量，产生热 量。所述距离通常设计为低于振动能扩散长度的4倍。该扩散长度 公知通常长于碰撞平衡自由行程再乘以3至100(振动扩散长度＝碰 撞平衡自由行程×(以碰撞间时间为单位的3倍振动寿命的平方根)， 振动寿命通常为10至10,000)。例如，对于空气分子来说，碰撞平 均自由行程大约为100纳米。这意味着，在反应区和收集区间的距 离可长于100纳米的3～100倍。因此，形成反应区以使得由赋能分 子至收集区的距离低于分子振动能量模式的扩散长度的大约4倍。
另一方面，本发明的方法包括形成与半导体区接触的传导面。 术语“接触”包括各种构型，在此，另一个传导面，催化剂，材料， 氧化剂或金属置于赋能分子与传导面或基础半导体间，并用作能 量转换的通道。这包括放置传导面接近反应区。在一种实施方案中， “接近”是指在以下距离内：电子激发可通过，以至于超过5％的 激发保持超过15％的能量，或者其中共振隧道效应可传输能量足 够快使得不超过85％的能量损失掉。本发明的方法也包括将传导面 设置于反应表面上，邻近或在其下面。这包括诸如深V通道和台面 结构。
另一方面，材料的路径可形成以用于在传导面中弹道载菏子 传输。这种路径限于长度低于约载荷子能量扩散长度的4倍。另一 方面，部分路径可由包括金属、半导体或绝缘体中任一种的材料形 成，材料的能量扩散长度超过1原子层。
本发明的方法提供了一种自面对反应物的表面至半导体的短 路径。该路径的长度优选低于由赋能产物生产的热电子或热空穴能 量扩散长度的4倍。作为一种选择，该路径也可由催化剂金属制成。 当该路径由优良的导体金属如铜、铝、银和金制成时，适宜的能量 扩散长度厚度可基本上大于在催化剂中，如铂、钯、铱、铑、钌、 氧化钒、二氧化钛、氧化铝、氧化钌、氧化物和其它化合物。形成 电极的材料的厚度通常可为0.3～300纳米，相当于大约1～1000单 层。形成催化剂的材料的厚度通常可为0.3～50纳米。
一方面，本发明的装置可包括衬底102，103，110，其包括氧化 物、绝缘体和混合催化剂，包括但不限于：铂、钯、铱、铑、钌、 氧化钒、氧化钌、氧化物和其它化合物，而不论这些化合物是否为 催化剂，绝缘体或导体。例如，衬底可包括氧化钌，其同时为氧化 物和导体。
一方面，当热载流子是电子时，选择半导体为p-型。p-型半导 体104与传导面(110和/或111)物理联接，从而在它们之间的任何 势垒非常小或不存在。例如，传导面110可置于薄电极金属111上， 电极材料111粘结至p-型半导体104上。在金属-金属联系接触110， 111中的电垒几乎总是可以忽略的。另一方面，在110和111间的 材料间断可置一所需的势垒以相对于声子传输，因此相对于热传 输。
高度掺杂半导体104，包括称为退化掺杂的高掺杂限制，以及 由公知与形成电接触至半导体相容的电材料110或111减少在电极 与半导体间的肖特基势垒。电极材料111也可为另一个半导体，这 是日常采用于半导体装置生产技术中采用的方法。结果是，传导面 费米水平和p-型半导体价带的费米水平(低带的顶边缘)是相等的。 热载流子能量的测量相对于传导面费米水平的能量。结果是，某些 接近半导体的热载流子具有高于传导面费米水平的能量，从而具 有大约高于p-型半导体费米水平的相同的能量。
然后，热载流子试图进入具有过量能量的半导体104，其能量 值高于导体表面102，103和/或110和半导体104价带。通过该设 计，事实上在对于电子激发的半导体能带隙内部不存在能级。仅有 的能够用于在半导体104中热电子的能级是在上带即传导带中。
一方面，选择该上带的位置稍小于电子的主能量，从而电子 可易于进入半导体104。通过构造半导体104的能带隙小于该热电 子光谱所选能量，或者通过选择半导体具有所要求的能带隙，可达 到所述要求。这意味着，热电子的所需部分进入在其传导带中的 p-型半导体。这使p-型半导体104的传导带具有能量。因此，电子 转换成少数载流子而非弹道载流子。少数载流子通常其寿命长于弹 道载流子的寿命。
另一方面，当热载流子是空穴时，选择半导体为n-型。参看 p-型半导体所述的方法，产生相同的结果，即短寿命载流子被转换 成长寿命的载流子。有利地，具有间接和直接能带隙的半导体材料 可利用具有能量从最低值约0.05eV至高于大多数反应物的带能量， 超过3eV。
半导体中少数载流子的寿命一般至少比弹道载流子的寿命长 100倍。这种较长的寿命给热的少数载流子提供机会以迁移、扩散 或被半导体内场吸引到相反类型的半导体，即n-型半导体内区域。 p-n结形成穿透它的强电场并吸引接近它的少数载流子。
在半导体连接中，半导体中的少数载流子遇到其在光电二极 管中所遇的完全相同的情况。在光电二极管中，p-n结的电场清除 穿过此连接的热载流子，使此二极管产生正向偏压并产生有用的 电势。
一方面，选择p-型半导体104二极管层厚度小于传送能量的 少数载流子的能量扩散长度。这种平均自由行程经常指扩散长度。 所述载流子最终在长于扩散长度的距离内重新结合并产生热。这种 扩散长度一般数量级为200nm或更大。
一方面，二极管104、105、106可以类似于光电二极管，但存 在关键的、非显著的差别。已知的光电二极管必须由接近大至足以 收集通过它的光连接点的区域形成。它通常大于数百纳米。为了增 大光收集距离，此半导体连接必须包含至少一种较少的掺杂区域。 这种限制迫使光电二极管的n或p区的掺杂大大小于所考虑的大量 掺杂或退化掺杂。这种较低的掺杂水平减少了二极管的电阻区产物 并因此降低其效率。
与已知的光电二极管不同的是，二极管104、105、106不需要 收集这种光子且不需要大光子收集区域。因此装置中的二极管 104、105、106不需要一个或其它多个半导体区被低度掺杂。因此 二极管104、105、106可以使用高度掺杂或退化掺杂的半导体作为 工程设计的自由参数。这种掺杂使电阻区产物最大化，因而使二极 管效率最大。因此，二极管104、105、106可以同时具有高度或退 化掺杂的n106和p104区。与光电二极管不同的是，高度掺杂增 加二极管的能量收集效率。高度掺杂还增大电场，从而趁于清除穿 过结105的注入的少数载流子。
因此，半导体104可以被退化掺杂至浅薄的深度，如0.1-0.5 微米(100-500纳米)。高度掺杂和退化掺杂的半导体可以用于使导 体110、111到产生热载流子的二极管104表面和到产生正向偏压 的p-n结105的距离最小化。因此，高度掺杂和小p-n结尺寸成为 一种有用的方法。高度掺杂还允许使用较薄的半导体，如厚度小于 1微米的半导体。它还允许方便的掺杂实例。
所提供的方法和装置产生实际上有用的效率(大于20％)，并可 以获得低至数量级10瓦每平方厘米的赋能分子能量密度。二极管 效率随能量而迅速增大，从而使用大于10瓦每平方厘米可以导致 大于10瓦的更高效率，如非线性优点。
图2显示本发明的一个实施方案的装置的能量转换器部分的 一个横截面。在此实施方案中，气相赋能分子101产生移动至p-n 结半导体二极管104、105和106的热赋能电子，使其正向偏压化 并产生电流。如所示的，赋能分子101流动到传导面102和103。 去能分子109，还指排出产物，离开传导面102和103区域。气体 表面相互作用导致产生热电子，它使由p型半导体104、p-n结105 和n型半导体106形成的半导体二极管正向偏压化。
传导面包括非必要的催化剂102、传导材料103、非必要的界 面传导电极110和非必要的界面111，如p型半导体。传导材料103 形成衬底，用于和赋能的分子101相互作用。非必要地，可以在此 传导材料103上形成非必要的催化剂结构102。
非必要的界面传导电极110和非必要的界面p型半导体111 表明材料的限制可能导致被迫需要不同类型的材料。例如，可能需 要一种类型传导材料103用于最优化与赋能分子101的相互作用。 可能需要另一种类型传导材料110用于形成半导体111的欧姆性 或近欧姆性连接。可能需要这种阻性连接用于二极管半导体104 的欧姆性连接。当材料相容时，材料102、103和110可以由相同 的材料的材料如导体形成。二极管材料111和104也可以相同。
例如，当半导体111极大地掺杂(还称为退化掺杂)时，催化剂 102或金属103或110可以与半导体111形成欧姆性连接或近欧姆 性连接。在这种情况下，催化剂102或导体103可以用作衬底110， 以将传导面连接至半导体二极管。
在传导面102和103中产生的热电子是导体中的弹道多数载 流子。这些具有足以进入半导体传导带的能量的电子移动至p-型 半导体104，其中电子被转换为少数载流子。通过将低能量孔迁移 到传导面102和103的p-型半导体104而发生电平衡。少数载流 子通过扩散以及结105的内电场而移动到二极管的p-n结105。该 内电场导致载流子变成二极管的n-型半导体106的多数载流子，导 致二极管被正向偏压化。通过二极管产生的正向偏压产生电流。取 此电流作为正电极108和负电极107之间的正向电流。
另一方面，参照图2，接近101、109和接近102、103的反应 区可以包括收集区102、103的表面。102中包含的催化剂和/或同 时位于传导面102、103上的102所包含的反应刺激机构用于产生 燃料和氧化101，且对于109，包括在表面102、103上和接近109 的体积区内，或在表面102、103的直接相邻处的传导面102、103 上形成赋能分子109。术语“接近”意指在产物流109内的能量激 发产物的若干扩散尺寸内，如本说明书中所述。
图3显示装置的能量转换器部分的横截面，在这种情况下，赋 能分子产生移动至肖特基结半导体二极管，使其正向偏压化并产 生电流的热的赋能电子。气相赋能分子101流动到传导面102和/ 或103上。去能分子109，还指排出产物，离开传导面区域。这种 相互作用的结果产生热电子。具有高于肖特基势垒的能量的热电子 移动至半导体二极管110、111和104，并将其正向偏压化。通过 连接传导面110和n型半导体111和104形成二极管110、111和 104。
另一方面，传导面可以包括非必要的催化剂102、传导材料 103、非必要的界面传导电极110和非必要的界面n型半导体111。 非必要的界面传导电极110和非必要的界面n型半导体111表明材 料的限制可能被迫需要面对赋能分子101的一种类型传导材料103 和面对半导体111和104的另一种类型的传导材料110。传导材 料103形成用于与赋能分子发生优选相互作用的衬底。还可以在传 导材料103上形成非必要的催化剂结构。可以是另一种类型的传导 材料110用于形成半导体111的肖特基结。在某些设计中半导体 111和半导体104可以相同。当材料相容时，催化剂102、衬底103 和电极110的材料可以由相同的材料如导体形成。例如，催化剂或 金属可以形成半导体的肖特基结。在此实施方案中，催化剂102或 导体103或110可以用作电极110以将传导面连接到半导体二极 管。
在传导面102、103和110上产生的热电子是导体内的弹道多 数载流子并移动到n-型半导体111和104，其中这些电子也是多数 载流子。在此过程中，电子释放能量为大约等于它们的高于肖特基 势垒的最初能量和n型半导体的费米水平之间的差值的热量。
半导体内的晶格和电子的碰撞将过度的能量降低到基本上小 于垫垒的值。这种能量损失的结果是减少以相反方向移动的电子的 数量。这允许在二极管上产生正向偏压。
通过来自传导面110上的空穴的迁移发生电荷平衡。这些电 子导致二极管110、111和104被正向偏压化。通过穿过二极管110、 111和104产生的正向偏压而产生电流，并利用它作为在正电极 108和负电极107之间的正向偏压。
衬底110可以是选择用于形成在金属-半导体连接处的肖特基 势垒的导体。因此衬底110还可以形成二极管的电连接，此电连接 还称为二极管电极。
图4显示在功能上类似于参照图1所述装置的装置的横截面。差 别在于图4中所示的半导体二极管是肖特基结而不是图1的p-n结。
在图1和图4的装置中，可以容易地推定和观察到反应区116 的物理位置可以为以下任何一种位置：1)与收集区114相同；2)与 相同衬底102、103和110上的收集区114相邻；3)在接近收集区 114的纳米结构或微米结构上的收集区114附近；4)完全独立于收 集区；或5)包括在不同位置的多种不同种型的反应刺激物。
另一方面，图1和图4所示的装置显示了反应区和收集区的物 理分离如何可以有利于热方面的考虑。也就是说，反应区可以由于 物理分离而保持大大高于收集区的温度。
图1和图4中所示的反应区116可以是薄圆柱，例如它形状类 似金属丝，被形状为更大尺寸的圆柱或盒的收集区同轴环绕。反应 区116可以是与收集区相同尺寸的平面表面，例如作为盒结构的反 面或通道结构的反面或壁。反应区116可以是一组独立于并位于片 状收集区114表面上的金属丝状区域。收集区114可以形成被金属 丝状反应区装置，点状反应区环绕的坪区或柱。这些结构仅表示为 分离反应和收集区的方法实施例。图1和图4的结构表示分离区的 一般概念。
在另一实施方案中，参照图1和图4，反应区115、116可以设 计成在比收集区114较高的温度下工作。反应区115、116可以包 括反应刺激物117、118、119，如电、光或化学注射刺激物，它可 能要求热分离、电分离、光波导和化学注射器。反应区115、116 可以包括在图中没有显示的吸热设备，该设备与收集区114的吸热 设备分离。还可以由通过反应区115、116的气流109的对流作用 除去热。
反应区116包括刺激物或催化剂。这些物质可以包括结构119、 电刺激物、光刺激物、一般显示为117的催化剂、一般显示为118 的热金属丝或结构，和注射的化学刺激物如自动催化剂和自由基发 生器或反应刺激物。附加的自动催化剂和自由基发生器的实例包括 使用添加剂如过氧化氢和甲醇。
图5显示储存由激发的分子产生的刺激的装置的横截面。此 装置可以与参照图2说明的装置类似。在图5所示的装置中，可以 不同于产生电流的另一种方式使用热电极。源自赋能分子的热电子 形成p型半导体104中的电子和n型半导体106中的空穴，它们扩 散到半导体的其它区域131，包括沿着结130。在那里热载流子可 以用于其它目的。在图5中，收集区、反应物101、排出物109、 非必要的催化剂102、传导面103、界面导体110、界面半导体111、 p-型半导体104、结105和n-型半导体106的元件可以与图2的元 件功能相似。
表示为n-型的半导体区106实际上可以是具有低于p-型区 104的掺杂的p型，或者区域106可以为本体(未掺杂)。在区域106 和p-型区104之间施加电信号可以用于控制载流子的运动和储 存。
一方面，半导体结构可以设计用于储存由热电子产生的电荷 载流子。这些半导体可以收集一个区域内的电子，并允许所得的较 长存在的载体扩散至其它区域。本发明可以将此长时间存在的载流 子分布到反应表面的其它位置。然后这些传送的载流子可以离开半 导体，并在传导面或反应表面转换回弹道载流子，并进行有用的工 作。这些工作包括刺激反应和能量纳米化学装置或分子能量。这些 纳米化学装置的实例包括纳米螺旋桨、C60晶体管和生物材料驱动 蛋白(kinesin)。
在其它区域的载流子可以导致半导体内的电子和空穴的粒子 数反转，或者可以导致将载流子传送到另一表面以注射至该表面， 或者可以导致将载流子传送至完成某些其它有用目的的区域。
其它目的的实例包括将载流子注射到半导体以控制电流，如 晶体管中的电流；将载流子从半导体131的表面再注射到与其连接 的被吸附物表面以导致化学反应或赋予被吸附物能量以使其变得 更具有反应性或被能量激发；导致化学反应；控制化学反应；刺激 反应；赋予表面吸附物能量使其进入激发状态；赋予表面等离振子 能量；将载流子注射到压力-电或电致伸缩元件以导致至机械运动 的转换；导致粒子数反应以导致光发射；注射至量子势阱结构以导 致电磁发射；赋予半导体电路能量；和/或转换为其它形式，包括 声子。
图6显示功能上等同于参照图5所述装置的装置的横截面。 在图6所示的装置中，半导体p-n结105中的载流子的使用是一种 反转的粒子数。在此模式中，以类似于激光二极管或光发射二极管 的方式从二极管中取得能量111，其中元件112代表光学元件。这 种激光二极管和光发射二极管的操作对于本领域技术人员来说通 常是已知的，因而本文不再进行解释。
图7显示具有分离反应和收集区的装置。反应区713，包括催 化剂703和/或反应刺激物701、702，可以位于衬底710的一部分， 而包括传导面704及其相关的半导体转换器元件(包括传导面704、 界面导体705、电极706、p-型半导体707、结708、n-型半导体709、 衬底710)的收集区714位于该衬底的另一部分。
如在图7中所示，反应区713可以设计为比收集区714较小。 反应区713还可以排列在较大的收集区714内或被较大的收集区 714部分地围绕。反应区713的催化剂703还可以从收集区714分 离，该收集区部分围绕反应区713。
参照图7，可以形成与空气或氧化剂流716分离的燃料通道 715。这种分离可以采用多种形式。例如，可以形成穿透进入液体 燃料715基本来源的具有空穴712的收集区714。因此燃料分子113 使吸附的种类在催化剂703或收集区714上占优势。催化剂-燃料 组配可以是收集表面704的部分或反应表面703的部分，或这二者 的部分。
燃料和/或燃料蒸发热可以用于冷却半导体能量转换器，该转 换器可以包括传导面704、界面导体705、电极706、p-型半导体 707、结708、n-型半导体709、衬底710。这是一种新的同时冷却 半导体和提高热载流子再利用率而不转换为电流的方法。例如，参 照图7，包括催化剂或传导面704的燃料113可以吸收不进入能量 转换器半导体708的热电子。在吸收时，燃料可以随后分离成活性 基团并成为化学反应的部分。燃料或其分离产物可以在借助或不借 助热电子的情况下解吸，并与反应区713中的基团混合。燃料还可 以简单地从与半导体708、709物理连接的区域712中蒸发，并通 入反应区713，冷却半导体708、709。因此高浓度的汽化燃料113 可以将燃料/氧化剂混合物偏压化，有利于最佳混合。
参照图8，可以在反应811和收集812区域之间形成热屏障 810，从而使反应区811可以在高于收集区812的温度下工作。这 些热屏障可以包括柱810、具有减少量的物理材料的真空或通道。 可以将热源连接到反应区811而将吸热设备连接到收集区812以使 这些区域保持在它们理想的工作范围内。反应区811可以由升高的 结构如杆、高台和柱810形成。可以将结构设计为热绝缘。
参照图8，电绝缘屏障810可以在两个区域811、812之间形 成，从而使电刺激信号可以发送至反应区而不干扰收集区。其它屏 障和结构可以位于这些区域之间，例如用于分离或过滤辐射，或过 滤化学副产物，或分离具有多种性能如平移、旋转或组合性能分 子。
使用肖特基结作为能量转换器可以简化装置。可以使用带间 隙范围为数量级1伏特的半导体，如硅。一方面，可以使用较高带 间隙半导体，因而允许这些装置在高于室温，如高于100摄氏度的 温度下工作。可工业利用的高温半导体如GaN和SiC是这种较高 带间隙材料的实例。这扩展了可以使用的金属和半导体的范围，并 导致增加每块区域内可利用的功率。
一方面，赋能的分子可以用于产生载流子而不是用于给外部 装置赋能的应用电压。因此赋能分子可以用于功率器件，否则该器 件须通过电流源提供能量。例如，化学反应还可以用于给芯片组供 能。使用化学反应给芯片组供能允许体积结构、三维计算系统，其 中给它们提供能量的能源是燃料-氧化剂混合物流而不是电连接。 这允许系统无物理互联和无任何结构互联，例如在卵石床反应器 系统中。电能源的微存储栈可以由燃料-氧化剂混合物赋能，其中 这种微存储栈是物理分离的“卵石”的部分。这进而允许自我组配 的体积系统，并大大降低它们的成本和增加它们的性能。
另一方面，使用量子势阱并将其赋能为能量转换器。该装置的 能量转换器将短命载流子转换成长命载流子，从而使所得的载流 子可以被进一步使用。包括隧穿屏障、金属或半导体和另一种隧穿 屏障的量子势阱衬底可以用于形成能量转换器。这种能量转换器还 可以形成与衬底半导体直接接触。另一种可以取得能量的方法是可 以通过产生电势。但另一种方法可以是与本发明直接相关的电纳米 装置。根据本技术的状况，外部电流用于给量子势阱和形成接近理 想的4级激光的圆点赋予能量。在所提供的装置中，相同类型的阱 和圆点可以由注射的载流子的能量直接赋能。
量子势阱还提供产生捕获赋能分子激发的共振的可能。由量 子势阱形成的共振水平可以设计为与化学激发产品中的多量子转 换匹配。这种匹配提供了一种将能量从激发产品转移到量子势阱的 长命激发。例如，所提供的方法可以取得来自量子势阱的通过刺激 辐射发射产生的能量。
与半导体或金属量子势阱结构相关的现有技术的状况允许尺 寸小于或等于所涉及的弹道载流子的能量扩散长度的数量级的层， 有利于制造和使制造成为可能。
一方面，所述的传导面可以包括许多材料。可以在半导体结构 上形成充分薄的表面，例如厚度比热电子的能量扩散长度小10倍， 从而使热电子可以在释放基本部分，例如不大于90％的能量之前 进入半导体。
传导面和其下的半导体可以包括催化剂和其它反应刺激系统， 以导致赋能分子的化学反应或导致能量从赋能分子转移走或转移 到赋能分子。也就是说，传导面还可以是通过施加能量，如电流而 赋能的反应-刺激表面的部分。
传导面和其下的半导体可以包括催化剂和其它反应刺激系 统。这些可以用于防止被吸附物，如燃料、氧化剂、排出物、反应 副产物或其它材料堵塞、积聚或干扰传导面工作，所述情况已知在 形成非导体并在传导面上聚集时发生。这些催化剂和其它反应刺激 系统还可以加速反应，并可以导致优选的反应发生。
虽然已根据本发明的实施方案具体显示和描述了本发明，但 本领域技术人员将理解，可以在不背离本发明的精神和保护范围 的情况下完成上述实施方案和其它形式和细节上的改变。