Технология и производство низкоразмерного материала, поддерживающего как самотермализацию, так и самолокализацию

Заявленное изобретение относится к низкоразмерным материалам, в частности к низкоразмерным материалам, которые поддерживают квантовую самотермализацию и квантовую самолокализацию, а также квантовый фазовый переход между упомянутыми квантовыми фазами посредством управляемой вариации квантового перепутывания углеродоподобных искусственных ядер в четырехвалентных искусственных атомах, которые самособираются. В новом термодинамическом цикле используется квантовый фазовый переход между квантовой термализацией и квантовой локализацией. Предпочтительные приборы включают в себя фоноэлектрический элемент, выпрямитель и проводник, предназначенный для использования в интегральной схеме. Технический результат заключается в расширении арсенала фоноэлектрических столбов. 19 з.п. ф-лы, 104 ил.

 

ПРИТЯЗАНИЕ НА ПРИОРИТЕТ

[001] По этой заявке испрашивается приоритет Международной заявки № PCT/US16/63933 на патент под названием «Composition and method for making picocrystalline artificial borane atoms», поданной 29 ноября 2016 года, предварительной заявки № 62/471815 на патент США под названием «Composition, manufacture and method for converting ambient heat into electrical energy», поданной 15 марта 2017 года, и предварительной заявки № 62/591848 на патент США под названием «Process and manufacture of low-dimensional materials supporting both self-thermalization and self-localization», поданной 29 ноября 2017 года, раскрытия которых включены в эту заявку по ссылке.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[002] Это изобретение относится к низкоразмерным материалам, а в частности, к низкоразмерным материалам, которые поддерживают квантовую самотермализацию и квантовую самолокализацию, а также квантовый фазовый переход между упомянутыми квантовыми фазами посредством управляемой вариации квантового перепутывания углеродоподобных искусственных ядер в четырехвалентных искусственных атомах, которые самособираются.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[003] Промышленная революция, которая началась в 18 веке, обязана паровому двигателю. Чтобы установить возможный предел парового двигателя, Карно в 1824 году сформулировал идею термодинамического цикла, позволившую описать реверсивный термомеханический тепловой двигатель, работающий между двумя тепловыми резервуарами, находящимися при различных температурах. Этот термодинамический цикл известен как цикл Карно. Любая система, в которой осуществляется цикл Карно, называется тепловым двигателем Карно. В результате многочисленных исследований законы термодинамики получили продолжение в виде цикла Карно. При разработке названного в честь его цикла Карно использовал теорию теплоты. Первоначальное формальное рассмотрение цикла Карно на основе механической теории теплоты было выполнено Рудольфом Клаузиусом в статье «On the moving force of heat and the laws regarding the nature of heat itself which are deducible therefrom», Phil. Mag., Ser. 4, pp. 102-119 (1851).

[004] Эта статья в дальнейшем будет называться статьей Клаузиуса (1851). Цикл Карно, представленный в статье Клаузиуса (1851), показан на фиг. 1 в несколько ином символическом представлении. Цикл Карно на фиг. 1 содержит четыре бесконечно малые вариации рабочего вещества: (1) изотермическое расширение А→В, (2) адиабатическое расширение В→С, (3) изотермическое сжатие C→D и (4) адиабатическое сжатие D→A. Во время изотермического расширения А→В рабочее вещество расширяется при постоянной температуре Т благодаря извлечению скрытой теплоты из высокотемпературного (Т) теплового резервуара. Во время адиабатического расширения В→С рабочее вещество адиабатически охлаждается от Т до T-dT без внешнего теплообмена.

[005] Во время изотермического сжатия C→D рабочее вещество сжимается при постоянной температуре T-dT благодаря отводу скрытой теплоты в низкотемпературный (T-dT) тепловой резервуар. Во время адиабатического сжатия D→A рабочее вещество адиабатически нагревается от T-dT до Т без всякого внешнего теплообмена. Тепловой двигатель Карно, работающий в соответствии с циклом Карно с фиг. 1, образует термомеханический двигатель, в котором разность между большим количеством скрытой теплоты , извлекаемой из высокотемпературного (Т) теплового резервуара, и меньшим количеством скрытой теплоты , после этого отводимой в низкотемпературный (T-dT) тепловой резервуар, преобразуется в механическую работу. При циклическом термодинамическом процессе изменение ΔS энтропии в общем случае имеет вид:

(1)

[006] Цикл Карно является обратимым, так что тепловой двигатель Карно может работать либо как двигатель, либо как холодильник. При таких условиях в уравнении (1) сохраняется равенство, так что по этой причине энтропия сохраняется в цикле Карно. Кроме того, цикл Карно с фиг. 1 может быть представлен способом, показанным на фиг. 2, где интенсивной термодинамической переменной по оси ординат является температура Т и экстенсивной термодинамической переменной по оси абсцисс является энтропия S. Сохранение энтропии в цикле Карно вводит в заблуждение в том аспекте, что для возможности выполнения работы по требованию необходима спонтанность вследствие необратимого процесса. В случае теплового двигателя Карно, работающего как двигатель, требуемая спонтанность связана с образованием высокотемпературного теплового резервуара. В течение промышленной революции горение было принято как некая данность в цикле Карно.

[007] Горение представляет собой химическую реакцию в термодинамическом равновесии с окружающей средой, которая протекает в направлении снижения свободной энергии ΔG<0 Гиббса, которая, в свою очередь, возрастает в направлении снижения энтальпии ΔН<0 и/или возрастания энтропии ΔS>0 согласно следующей реакции:

ΔG=ΔH-TΔS<0. (2)

[008] Для химических реакций в идеальном термодинамическом равновесии с окружающей средой второй закон термодинамики может быть выражен как:

(3)

[009] Второй закон термодинамики ясно показывает возрастание энтропии при любом преобразовании энергии, протекающем самопроизвольно. Спонтанность большей части топлив обусловлено снижением энтальпии, так что более точное уравнение (3) имеет вид:

(4)

[010] Полная энтропия -ΔG/T как рабочего вещества, так и окружающей среды возрастает вследствие снижения свободной энергии ΔG<0 Гиббса в результате образования связывающих молекулы орбиталей с более значительной энергией связи. Это ясно показывает выход энтальпии ΔН<0 в окружение рабочего вещества, так что спонтанность преобразования полезной энергии горения связана с возрастанием энтропии -ΔН/Т>0 в окружающей среде, а не с возрастанием энтропии ΔS>0 в рабочем веществе. Основанная на топливе мировая экономика приводит к возрастанию энтропии биосферы, истощению запасов природного топлива и выпуску вредных отходов в биосферу вследствие зависимости от высокоэнтальпийного топлива.

[011] Чтобы исключить зависимость от высокоэнтальпийного топлива, необходимо заменить цикл Карно новым термодинамическим циклом, в котором спонтанность обусловлена равновесием собственной энтропии. Эта возможность была в принципе предвосхищена Джозайя Уиллардом Гиббсом в эпохальной статье «A method of geometrical representation of the thermodynamic properties of substances by means of surfaces», Transactions of the Connecticut Academy, II, pp. 382-404, December 1873. В дальнейшем все ссылки на Гиббса (1873) относятся к этой статье. На фиг. 3 некоторое произвольное неравновесное состояние А может быть приведено в равновесие вдоль поверхности MN рассеиваемой энергии одним из двух способов. Бесспорно, одно равновесие было описано Гиббсом (1873). «Таким образом, проблема может быть устранена нахождением количества энергии тела, которое может быть снижено без повышения его объема или уменьшения его энтропии. Это количество следует представлять геометрически расстоянием точки А, обозначающей исходное состояние, от поверхности рассеиваемой энергии, измеряемым параллельно оси [Е]».

[012] Этот процесс может быть дополнен равновесием другого вида, представленным Гиббсом (1873), о котором на многие годы забыли в уровне техники. Гиббс (1873) изложил следующее. «Давайте рассмотрим другую проблему. Как и раньше, задается определенное исходное состояние тела. Не допускается работа относительно внешних тел или внешними телами. Прохождение теплоты к ним и от них допускается только при условии, что алгебраическая сумма всей теплоты, которая таким образом проходит, будет равна 0. На основании этих условий могут быть исключены любые тела, которые будут оставаться по окончании этих процессов в исходном состоянии. Кроме того, не допускается увеличение объема тела».

[013] С учетом этого Гиббс (1873) сделал следующее предположение. «Необходимо находить наибольшую величину, при которой в соответствии с этими условиями можно снижать энтропию внешней системы. Очевидно, это должна быть величина, на которую энтропия тела может быть повышена без изменения энергии тела или повышения его объема, и эта величина может быть представлена геометрически расстоянием точки, обозначающей исходное состояние, от поверхности рассеиваемой энергии, измеряемой параллельно оси [S]. Она может быть названа [свободной энтропией Гиббса]».

[014] Упомянутое выше равновесие энтропии никогда не может быть достигнуто посредством цикла Карно. Любой термодинамический цикл, в течение которого поддерживается существенное повышение энтропии, должен включать тепловое излучение. Исследование теплового излучения берет начало в статье Густава Кирхгофа под названием «On the relation between the emissive and the absorptive powers of bodies for heat and light» в The Laws of Radiation and Absorption, перевод и редакция D.B. Brace, 1901, American Book Company, pp. 73-97. Эта статья в дальнейшем называется статьей Кирхгофа (1860).

[015] Кирхгоф (1860) сформулировал свой закон излучения в следующем виде. «Соотношение между мощностью излучения и мощностью поглощения является одинаковым для всех тел при одной и той же температуре». Закон излучения Кирхгофа может быть выражен через спектральное излучение K(ν, T):

(5)

[016] Поскольку универсальная функция K(ν,T) Кирхгофа является более простой, чем само вещество, немецкие физики в течение многих десятилетий интенсивно исследовали излучение черного тела, чтобы понять физическую основу вещества.

[017] Как очень хорошо известно из уровня техники, исследования излучения твердого тела в конечном счете привели к открытию квантовой механики. При этом физическая основа универсальной функции K(ν,T) Кирхгофа все еще неизвестна, так что квантовая термодинамика теплового излучения остается неполной. По этой причине цикл Карно никогда не заменялся более предпочтительным квантовым термодинамическим циклом, при котором можно исключить зависимость от топлива. Целесообразно изучить уровень квантовой термодинамики путем тщательного рассмотрения получения Планком названного его именем закона излучения черного тела, раскрытого в статье 1901 года под названием «On the law of distribution of energy in the normal spectrum», Annalen der Physic, vol. 4, 1901, p. 553. Планк (1901) предположил, что существуют N идентичных резонаторов, каждый из которых обладает колебательной энергией U, так что:

U_N=NU. (6)

[018] Как будет подтверждено ниже, фактически существуют резонаторы самых различных видов, которые содержат гибридный резонатор Планка. Согласно Планку (1901) полная энтропия S_N соответствует средней энтропии S одного резонатора:

S_N=NS. (7)

[019] Следует подчеркнуть, что под S понимается средняя энтропия отдельного резонатора Планка. Тем самым Планк (1901) в своей статье прибегнул к вероятностной интерпретации резонатора Планка. «Теперь мы зададим энтропию S_N системы пропорциональной логарифму ее вероятности W с произвольной дополнительной постоянной, чтобы N резонаторов совместно имели энергию E_N»:

S_N=k log W+постоянная. (8)

[020] Далее Планк (1901) изложил следующее. «Теперь дело в нахождении такой вероятности W, при которой N резонаторов совместно сохраняют колебательную энергию U_N. Кроме того, необходимо интерпретировать U_N не как непрерывную бесконечно делимую без остатка величину, а как дискретную величину, состоящую из целого числа конечных частей. Назовем каждую такую часть энергетическим элементом ε; следовательно, мы должны записать:

U_N=Pε. (9)

[021] Планк (1901) определил энтропию S каждого резонатора Планка в виде:

(10)

[022] Применение закона спектрального смещения Вина к средней энтропии S резонатора показало, что дискретная энергия ε для Р дискретных энергетических элементов связано с частотой ν резонатора посредством постоянной h Планка:

ε=hν. (11)

[023] Подстановка уравнения (11) в уравнение (10) приводит к выражению, описывающему энтропию S отдельного резонатора Планка на статистической основе:

. (12)

[024] Планк (1901) связал среднюю колебательную энергию U резонатора и среднюю энтропию S резонатора с помощью следующего соотношения для температуры:

. (13)

[025] Поэтому средняя колебательная энергия U резонатора Планка представляет собой:

(14)

[026] Планк (1901) установил, что плотность u(ν,T)dν энергии излучения в каждом спектральном частотном интервале от ν до ν+dν удовлетворяет следующему уравнению:

(15)

[027] Подстановка уравнения (14) в уравнение (15) дает закон излучения черного тела Планка в зависимости от плотности u(ν,T)dν энергии излучения, который будет обсуждаться:

. (16)

[028] Хотя Планк статистически получил энтропию S резонатора и энергию U резонатора, только спектральная плотность u(ν,T) энергии Планка может быть экспериментально измерена. Излучение черного тела, введенное в обращение Кирхгофом (1860), было экспериментально оценено по излучению из узкого отверстия полости внутри полого резонатора, образованного в тепловом равновесии со стенками некоторой изолирующей оболочки. Тепловое излучение в полости может достигать радиационного равновесия, так что интенсивности излучения, испускаемого и поглощаемого стенками полости, являются одинаковыми на всех частотах. Излучение полости экспериментально отбиралось через небольшое отверстие. При любой температуре Т излучателя преобладает однозначное излучение, а связанная с ним спектральная плотность излучения охватывает частотный спектр ν в широком диапазоне.

[029] Благодаря измерению спектральной плотности излучения из полости во всем широком диапазоне температур закон излучения черного тела Планка согласно уравнению (16) был обоснован экспериментально. Однако проведение экспериментов, охватывающих излучение полости черного тела, не смогло дать никакого физического представления о строении резонатора Планка. Статистический вывод Планка также не обеспечил такого физического представления.

[030] Излучение черного тела образует спектральную форму теплового излучения, которое удовлетворяет уравнению (16), так что излучательная способность тем самым связана с универсальной функцией K(ν,T) Кирхгофа, что дает в результате однозначный спектр излучения при заданной температуре излучателя. Инфракрасная часть спектра черного тела удовлетворяет закону излучения черного тела Рэлея-Джинса согласно уравнению (17) при hν<<kT, полученному на основании закона излучения черного тела Планка. Закон излучения черного тела Рэлея-Джинса определяет волнообразное электромагнитное излучение в соответствии с обычной формой уравнения Максвелла:

(17)

[031] Закон излучения черного тела Релея-Джинса приводит к ультрафиолетовой катастрофе, в результате чего плотность u(ν,T) энергии излучения может стать бесконечной в высокочастотной части спектра излучения черного тела. Эта катастрофа предотвращается при доминировании закона излучения черного тела Вина в ультрафиолетовой части спектра излучения черного тела. Закон излучения черного тела Вина может быть получен для случая hν>>kT на основании закона излучения черного тела Планка из уравнения (16):

(18)

[032] В статье, приведшей к получению нобелевской премии по физике, Эйнштейн доказал, что излучение, удовлетворяющее закону излучения черного тела Вина, образует подобные частицам электромагнитные волны, которые нельзя выявить на основании уравнений Максвелла. Невозможность увязывания излучения черного тела Вина и электромагнитного излучения Максвелла привела к неразрешимому корпускулярно-волновому дуализму света, который, в свою очередь, вызвал кризис в излучении, который привел к признанию квантовой теории неопределенной.

[033] Чтобы устранить такой недостаток, прежде всего важно рассмотреть формулу Эйнштейна для теплоемкости твердого тела, представленную в 1907 году в статье под названием «Planck's theory of radiation and theory of specific heat». Эйнштейн предположил, что средняя энергия U каждого колеблющегося атома является такой, что резонатор Планка удовлетворяет уравнению (14). В результате молярная энергия дается следующим соотношением:

. (19)

[034] Можно без труда подтвердить, что приведенная выше молярная энергия сводится к 3RT при hν<<kT. Молярная теплоемкость Эйнштейна получена на основании этого соотношения:

. (20)

[035] Невозможность определения из уровня техники физического строения резонатора Планка препятствует физическому пониманию вещества в конденсированном состоянии. Особым свойством, которое позволяет отличить квантовую механику от классической механики является квантовое перепутывание, при котором конечные группы многих тел частиц не могут быть описаны независимо. Кроме того, квантовое перепутывание позволяет отличить квантовую термодинамику от классической термодинамики. В данной области техники требуется твердое вещество, образованное искусственными атомами с искусственными ядрами, которые образуют резонаторы Планка, в которых можно химически управлять квантовым перепутыванием. Кроме того, в данной области техники необходим квантовый термодинамический цикл, способный заменить цикл Карно управляемым изменением энтропии перепутывания благодаря атомной энергетике. Изменение климата, обусловленное сжиганием топлива, может быть приостановлено только заменой тепловых двигателей, подчиняющихся циклу Карно.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[036] Различные изделия и приборы могут быть изготовлены с достижением преимущества, которое, как можно полагать, обеспечивается новым термодинамическим циклом, в котором спонтанность обусловлена собственным равновесием энтропии. В новом термодинамическом цикле используется квантовый фазовый переход между квантовой термализацией и квантовой локализацией.

[037] Согласно первому аспекту может быть изготовлен фоноэлектрический элемент, который генерирует поток электрического заряда в ответ на приложенную электрическую нагрузку. Фоноэлектричекий элемент содержит пару проводников, предпочтительно металлических электродов, с твердофазным полупроводящим материалом между ними, который имеет две смежные зоны с различными коэффициентами Зеебека. Можно полагать, что поток электрического заряда вызывает снижение энтропии окружающей среды вследствие некомпенсированного возрастания энтропии фоноэлектрического элемента в ответ на приложенную электрическую нагрузку. Предпочтительно, чтобы при тепловом равновесии фоноэлектрический элемент извлекал скрытую теплоту из окружающей среды и преобразовывал ее непосредственно в электродвижущую силу без использования какой-либо внешней силы, любых движущихся частей, любого истощаемого рабочего вещества или любого падающего излучения. Электродвижущая сила образуется благодаря дополняющему эффекту Зеебека, обусловленному некомпенсированным возрастанием энтропии квантового перехода при постоянной температуре, фазовым переходом между квантовой локализацией и квантовой термализацией искусственных ядер, которые ведут себя как подвижные резонаторы Планка. Предпочтительно, чтобы первая зона содержала химические элементы, такие как бор и водород, и предпочтительно, чтобы вторая зона содержала химические элементы, такие как бор, водород и кислород.

[038] Согласно предпочтительному варианту осуществления в фоноэлектрическом элементе первая зона является слоем бора, содержащим икосаэдрический бор и водород и имеющим более высокую относительную атомную концентрацию бора, чем любого другого атома, и вторая зона является слоем бора, содержащим икосаэдрический бор, водород и кислород и имеющим более высокую относительную атомную концентрацию бора, чем любого другого атома. Предпочтительно, чтобы первая и вторая зоны также содержали кремний. Кроме того, предпочтительно, чтобы каждая зона имела толщину 4 нм или менее. В особенно предпочтительном варианте осуществления первая зона представляет собой силаборан, предпочтительно имеющий формулу (B₁₂H_w)_xSi_y, где 3≤w≤5, 2≤x≤4 и 3≤y≤5, и вторая зона представляет собой оксисилаборан, имеющий формулу (B₁₂H_w)_xSi_yO_z, где 3≤w≤5, 2≤x≤4, 3≤y≤5 и 0<z≤3. Предпочтительно располагать последовательно по месту многочисленные p-изотипные выпрямители, чтобы образовывать фоноэлектрический столб, представляющий собой фоноэлектрический столб со вторым проводником первого фоноэлектрического элемента, образующим первый проводник для следующего смежного фоноэлектрического элемента.

[039] Согласно второму аспекту изготовлен такой p-изотипный выпрямитель, что электрическая проводимость является асимметричной относительно полярности электродвижущей силы, прикладываемой между контактными электродами анода и катода. Выпрямитель изготовлен из твердофазного полупроводникового материала, имеющего две смежные зоны, при этом каждая такая зона находится в контакте с отдельным проводником. Две смежные зоны имеют различные концентрации подвижных зарядов, так что электрическая проводимость является асимметричной относительно полярности электродвижущей силы, прилагаемой между контактными электродами смежных зон. Асимметричная электропроводность считается создающей значительно больший поток тока в случае, когда один электрод имеет отрицательное смещение относительно другого, по сравнению со случаем, когда электрод имеет положительное смещение относительно другого.

[040] Согласно предпочтительному варианту осуществления p-изотипного выпрямителя первая (анодная) зона представляет собой слой бора, содержащий икосаэдрический бор и водород и имеющий более высокую относительную атомную концентрацию бора, чем любого другого атома, и вторая (катодная) зона представляет собой слой бора, содержащий икосаэдрический бор, кислород и водород и имеющий более высокую относительную атомную концентрацию бора, чем любого другого атома. Предпочтительно, чтобы первая и вторая зоны также содержали кремний. Кроме того, предпочтительно, чтобы каждая зона имела толщину 4 нм или менее. В особенно предпочтительном варианте осуществления первая зона представляет собой силаборан, предпочтительно имеющий формулу (B₁₂H_w)_xSi_y, где 3≤w≤5, 2≤x≤4 и 3≤y≤5, и вторая зона представляет собой оксисилаборан, имеющий формулу (B₁₂H_w)_xSi_yO_z, где 3≤w≤5, 2≤x≤4, 3≤y≤5 и 0<z≤3.

[041] Согласно третьему аспекту может быть образован проводник, используемый в интегральной схеме, при этом эффективное сопротивление проводника ниже, чем эффективное сопротивление медного проводника, имеющего такие же размеры. Можно полагать, что в отсутствие электрического поля проводник смещает электрическую энергию без фактического смещения электрического заряда. Это осуществляется благодаря использованию твердофазного полупроводникового материала, электрические свойства которого модифицированы путем использования следового количества металла, а в частности монетного металла, для модификации свойств электрической проводимости проводника. В настоящее время считается, что это приводит к эффекту микроволнового дрожания Ааронова-Бома, при котором по существу генерируется периодическая движущая сила в твердофазном полупроводниковом материале, которая способна смещать плотность мощности электромагнитной энергии на протяжении пространства без содействия внешней силы. В настоящее время можно считать, что в результате действия этой естественной движущей силы проводник согласно предпочтительным вариантам осуществления может идеально вести себя как работающий при комнатной температуре сверхпроводник, если только эффективная плотность тока не выше некоторого максимума. Эту максимальную плотность тока в настоящее время можно считать сравнимой с максимальной плотностью тока графена.

[042] Согласно предпочтительному варианту осуществления проводник может соединять схемные элементы, например резисторы, конденсаторы, диоды, источники питания, катушки индуктивности, трансформаторы, провода или проводники в интегральной схеме. В особенно предпочтительном варианте осуществления проводник может использоваться в соединениях на заднем конце технологической линии (ЗКТЛ), в том числе при размерах менее 50 нм. Проводник содержит икосаэдрический бор, водород и необязательно кислород и имеет более высокую относительную атомную концентрацию бора, чем любого другого атома. Кроме того, проводник включает в себя следовое количество металла, такого как золото, медь и серебро. Следовое количество представляет собой количество, которое является достаточным для изменения электрической проводимости проводника, которое, как полагают, происходит при частичном или полном смещении ядерного электрического квадрупольного момента естественных атомов бора, но не является достаточным для оказания влияния на основное стехиометрическое соотношение проводника. Предпочтительно, чтобы монетным металлом было золото, и предпочтительно, чтобы оно было включено в проводник при атомной концентрации примерно 10¹⁸ см^-3. Предпочтительно, чтобы проводник также содержал кремний. В особенно предпочтительном варианте осуществления проводник является силабораном, предпочтительно имеющим формулу (B₁₂H_w)_xSi_y, где 3≤w≤5, 2≤x≤4 и 3≤y≤5, или, что в меньшей степени предпочтительно, оксисилабораном, имеющим формулу (B₁₂H_w)_xSi_yO_z, где 3≤w≤5, 2≤x≤4, 3≤y≤5 и 0<z≤3.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[043] Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения иллюстрируются сопровождающими чертежами, на которых:

фиг. 1 - иллюстрация цикла Карно;

фиг. 2 - другая иллюстрация цикла Карно;

фиг. 3 - иллюстрация равновесия Гиббса неравновесного состояния;

фиг. 4 - изображение правильного икосаэдра, вписанного в куб способом, использованным Лонгет-Хиггинсом и Робертсом;

фиг. 5 - изображение предложенной почти симметричной ядерной конфигурации икосаэдра бора, в которой трехцентровые связи представлены посредством 24 делокализованных тангенциальных атомных орбиталей ψ_i(p_{111});

фиг. 6 - энергетическая диаграмма, иллюстрирующая предложенные энергетические уровни кластерных ядер правильного икосаэдра бора, показанного на фиг. 5;

фиг. 7 - энергетическая диаграмма, иллюстрирующая предложенные энергетические уровни кластерных валентных электронов правильного икосаэдра бора, показанного на фиг. 5;

фиг. 8 - иллюстрация правильного икосаэдра бора в симметричной ядерной конфигурации, показанной с четырьмя атомами водорода, связанными силой Дебая;

фиг. 9 - иллюстрация элементарной ячейки монокристаллического кремния;

фиг. 10 - иллюстрация алмазоподобной пикокристаллической элементарной ячейки;

фиг. 11 - диаграмма энергетических уровней, иллюстрирующая занятые энергетические уровни первых восьми валентных электронов, подчиняющиеся релятивистскому волновому уравнению Дирака;

фиг. 12 - диаграмма энергетических уровней, иллюстрирующая занятые энергетические уровни первых двенадцати валентных электронов, подчиняющиеся релятивистскому волновому уравнению Дирака;

фиг. 13 - диаграмма энергетических уровней, иллюстрирующая занятые энергетические уровни первых двадцати четырех валентных электронов, подчиняющиеся релятивистскому волновому уравнению Дирака;

фиг. 14 - диаграмма энергетических уровней, иллюстрирующая занятые энергетические уровни первых тридцати двух валентных электронов, подчиняющиеся релятивистскому волновому уравнению Дирака;

фиг. 15 - диаграмма энергетических уровней, иллюстрирующая занятые энергетические уровни первых тридцати шести валентных электронов, подчиняющиеся релятивистскому волновому уравнению Дирака;

фиг. 16 - диаграмма энергетических уровней, иллюстрирующая предложенное первое распутывание энергетического уровня |-3sp_1/2〉 в энергетические уровни |-3s_1/2〉 и |-3p_1/2〉, так что пара электронов сходит с энергетического уровня |+3sp_1/2〉;

фиг. 17 - диаграмма энергетических уровней, иллюстрирующая предложенное первое распутывание энергетического уровня |-3pd_3/2〉 в энергетические уровни |-3p_3/2〉 и |-3d_3/2〉, так что пара электронов сходит с энергетического уровня |+3pd_1/2〉;

фиг. 18A-B - энергетические диаграммы, отражающие занятые валентными электронами энергетические уровни в отрицательно ионизированных и положительно ионизированных искусственных атомах 101 пикокристаллического борана и , являющиеся следствием диспропорционирования пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si;

фиг. 19 - иллюстрация алмазоподобной пикокристаллической элементарной ячейки с включенными естественными атомами кислорода;

фиг. 20 - диаграмма энергетических уровней, иллюстрирующая предложенное распутывание энергетического уровня |-2sp_1/2) в энергетические уровни |-2s_1/2) и |-2p_1/2), при котором пара электронов отдается в качестве донора атомом кислорода;

фиг. 21 - структура фоноэлектрического элемента 400, содержащего многочисленные пары смежных областей пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ и областей пикокристаллического оксисилаборана расположенные между металлическими электродами;

фиг. 22 - еще одна иллюстрация цикла Карно;

фиг. 23 - иллюстрация предложенного квантового термодинамического цикла;

фиг. 24A-D - энергетические диаграммы, иллюстрирующие предложенные занятые электронные энергетические уровни искусственных ядер первого и второго ближайших искусственных атомов 101 пикокристаллического борана из пары смежных областей 401 и 402 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ и пикокристаллического оксисилаборана

фиг. 25A-D - иллюстрация предложенной спонтанной диффузии подвижного заряда;

фиг. 26-D - дальнейшая иллюстрация предложенной диффузии подвижного заряда;

фиг. 27A-D - еще одна иллюстрация предложенной диффузии подвижного заряда;

фиг. 28A-D - иллюстрация предложенной спектральной индукции валентных электронов из интраикосаэдрических связывающих суборбиталей в интраикосаэдрические антисвязывающие суборбитали в области пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅;

фиг. 29A-D - иллюстрация предложенной самотермализации валентных электронов в области пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅, обусловленной ядерным электрическим квадрупольным моментом естественных атомов бора;

фиг. 30 - иллюстрация предложенного диспропорционирования в области пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅;

фиг. 31 - иллюстрация предложенного квантового термодинамического цикла;

фиг. 32 - иллюстрация энергетического бюджета Земли;

фиг. 33 - иллюстрация спектрального излучения черного тела;

фиг. 34 - микрофотография, полученная с помощью высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии (ВРПЭМ), пикокристаллического твердофазного борана, осажденного на монокристаллический кремний;

фиг. 35 - изображение подложки из монокристаллического кремния, полученное с помощью высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии, после выполнения быстрого преобразования Фурье (БПФ);

фиг. 36 - изображение твердофазного пикокристаллического борана после выполнения быстрого преобразования Фурье;

фиг. 37 - график полученной с помощью высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии дифракционной интенсивности монокристаллической подложки в зависимости от межплоскостных d-расстояний решетки;

фиг. 38 - график полученной с помощью высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии дифракционной интенсивности твердофазного пикокристаллического борана в зависимости от межплоскостных d-расстояний решетки;

фиг. 39 - обычная картина рентгеновской ω-2θ дифракции (РД) на самособранном твердофазном пикокристаллическом боране;

фиг. 40 - сканограмма самособранного твердофазного пикокристаллического борана с фиг. 39, полученная при рентгеновской дифракции со скользящим падением (РДСП);

фиг. 41 - вторая сканограмма самособранного твердофазного пикокристаллического борана с фиг. 39, полученная при рентгеновской дифракции со скользящим падением (РДСП);

фиг. 42 - иллюстрация пленки силаборида, осажденной на легированную донорной примесью область монокристаллической подложки;

фиг. 43 - графическое изображение сканограммы твердофазного пикокристаллического силаборида из примера 1, полученной при рентгеновской дифракции со скользящим падением;

фиг. 44 - иллюстрация пленки оксисилаборана, осажденной поверх легированной донорной примесью области кремния, согласно примеру 2;

фиг. 45 - обычная картина рентгеновской ω-2θ дифракции (РД) на тонком твердофазном оксисилаборане из примера 2;

фиг. 46 - графическое изображение сканограммы твердофазного оксисилаборана из примера 2, полученной при рентгеновской дифракции со скользящим падением;

фиг. 47 - иллюстрация пленки силаборана, осажденной на подложку из кремния n-типа, согласно примеру 3;

фиг. 48 - профиль по глубине осажденной пленки силаборана из примера 3, полученный с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС);

фиг. 49 - профиль по глубине осажденной пленки силаборана из примера 3, полученный с помощью электронной спектроскопии Оже (ЭСО);

фиг. 50 - иллюстрация пленки силаборана, осажденной на подложку из кремния p-типа, согласно примеру 4;

фиг. 51 - профиль по глубине осажденной пленки силаборана из примера 4, полученный с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС);

фиг. 52 - линейный график вольтамперных характеристик осажденной пленки силаборана из примера 3, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных ртутным зондом;

фиг. 53 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик осажденной пленки силаборана из примера 4, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных ртутным зондом;

фиг. 54 - иллюстрация пленки оксисилаборана, осажденной на подложку из кремния p-типа, согласно примеру 5;

фиг. 55 - профиль по глубине осажденной пленки оксисилаборана из примера 5, полученный с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС);

фиг. 56 - линейный график вольтамперных характеристик осажденной пленки оксисилаборана из примера 5, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных ртутным зондом;

фиг. 57 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик осажденной пленки оксисилаборана из примера 5, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных ртутным зондом;

фиг. 58 - профиль по глубине осажденной пленки оксисилаборана согласно другому варианту осуществления из примера 6, полученный с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС);

фиг. 59 - линейный график вольтамперных характеристик пленки оксисилаборана из примера 6, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных ртутным зондом;

фиг. 60 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик пленки оксисилаборана из примера 6, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных ртутным зондом;

фиг. 61 - профиль по глубине осажденной пленки оксисилаборана согласно еще одному варианту осуществления из примера 7, полученный с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС);

фиг. 62 - линейный график вольтамперных характеристик пленки оксисилаборана из примера 7, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных ртутным зондом;

фиг. 63 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик пленки оксисилаборана из примера 7, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных ртутным зондом;

фиг. 64 - профиль по глубине осажденной пленки оксисилаборана согласно еще одному варианту осуществления из примера 8, полученный с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС);

фиг. 65 - линейный график вольтамперных характеристик пленки оксисилаборана из примера 8, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных ртутным зондом;

фиг. 66 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик пленки оксисилаборана из примера 8, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных ртутным зондом;

фиг. 67 - профиль по глубине осажденной пленки оксисилаборана согласно еще одному варианту осуществления из примера 9, полученный с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС);

фиг. 68 - линейный график вольтамперных характеристик пленки оксисилаборана из примера 9, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных ртутным зондом;

фиг. 69 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик пленки оксисилаборана из примера 9, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных ртутным зондом;

фиг. 70 - иллюстрация p-изотипного электрохимического выпрямителя, содержащего пленку оксисилаборана, полученную в соответствии с примером 10;

фиг. 71 - линейный график вольтамперных характеристик p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 10, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 72 - линейный график другого диапазона вольтамперных характеристик p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 10, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 73 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик при прямом смещении p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 10, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 74 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик при обратном смещении p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 10, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 75 - линейный график вольтамперных характеристик p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 11, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 76 - линейный график другого диапазона вольтамперных характеристик p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 11, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 77 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик при прямом смещении p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 11, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 78 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик при обратном смещении p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 11, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 79 - линейный график первого диапазона вольтамперных характеристик p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 12, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 80 - линейный график второго диапазона вольтамперных характеристик p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 12, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 81 - линейный график третьего диапазона вольтамперных характеристик p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 12, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 82 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик при прямом смещении p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 12, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 83 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик при обратном смещении p-изотипного электрохимического выпрямителя из примера 12, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 84 - иллюстрация электрохимического прибора, содержащего пленку силаборана, изготовленного в соответствии с примером 13;

фиг. 85 - линейный график вольтамперных характеристик электрохимического прибора из примера 13, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 86 - линейный график других вольтамперных характеристик электрохимического прибора из примера 13, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 87 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик при прямом смещении электрохимического прибора из примера 13, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 88 - график с логарифмическим масштабом по обеим осям вольтамперных характеристик при обратном смещении электрохимического прибора из примера 13, измеренных анализатором параметров НР-4145 с использованием сигналов качающейся частоты, полученных микрозондами;

фиг. 89 - иллюстрация пленки оксисилаборана, осажденной на подложку из кремния p-типа в соответствии с примером 14;

фиг. 90 - профиль по глубине осажденной пленки оксисилаборана из примера 14, полученный с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС);

фиг. 91 - иллюстрация термической обработки осажденной пленки оксисилаборана из примера 14;

фиг. 92 - геометрическое представление равновесия энергии, предложенное Джозайя Уиллардом Гиббсом;

фиг. 93 - геометрическое представление равновесия энтропии, предложенное Джозайя Уиллардом Гиббсом;

фиг. 94А-В - приведенные для сравнения иллюстрации фоноэлектрического элемента и фотоэлектрического элемента в темноте;

фиг. 95А-В - приведенные для сравнения иллюстрации фоноэлектрического элемента и фотоэлектрического элемента, в которых подвижные электронно-дырочные пары наведены излучением;

фиг. 96А-В - приведенные для сравнения иллюстрации фоноэлектрического элемента и фотоэлектрического элемента, в которых наведенные подвижные электронно-дырочные пары разделены;

фиг. 97А-В - приведенные для сравнения иллюстрации фоноэлектрического элемента и фотоэлектрического элемента, к которым приложена электрическая нагрузка;

фиг. 98А-В - результаты анализа прогнозируемых затрат на изготовление фоноэлектрического элемента;

фиг. 99А-В - приведенные для сравнения иллюстрации фоноэлектрического элемента, фотоэлектрического элемента и термоионного преобразователя;

фиг. 100 - иллюстрация прибора, содержащего пленку оксисилаборана и золото, изготовленного в соответствии с примером 15;

фиг. 101 - профиль по глубине осажденной пленки оксисилаборана из примера 15, полученный с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС);

фиг. 102 - результаты масс-спектроскопии на вторичных ионах (МСВИ), выполненной для определения следовой концентрации примеси золота в пленке оксисилаборана из примера 15;

фиг. 103 - иллюстрации металлических электродов 536 и 537, напыленных поверх пленки золота, входящих в состав прибора из примера 15; и

фиг. 104 - линейный график вольтамперных характеристик пленки оксисилаборана из примера 15.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[044] Теперь с обращением к чертежам будут описаны различные формы и варианты осуществления изобретения. Изобретение не ограничено никакими принципами или вариантами осуществления, описанными в этой заявке, а только объемом прилагаемой формулы изобретения.

[045] Для понимания квантового перепутывания искусственных ядер согласно этому изобретению правильный икосаэдр вписан в куб на фиг. 4, так что координаты икосаэдрических вершин описываются уравнением (21) в членах следующих координат положения: (±φ,±1,0), (0,±φ,±1) и (±1,0,±φ):

φ-1=φ^-1=2 sin 72°≈0,618. (21)

[046] Согласно обычному кристаллографическому правилу любую ориентацию вдоль или параллельно любому ребру кубического кристалла обычно обозначают 〈100〉. Любая конкретная ориентация 〈100〉, например ориентация [010] вдоль положительной оси y, должна обозначаться особым образом. Грань кубического кристалла или плоскость, параллельную грани кубического кристалла, обычно обозначают как {100}. Конкретную плоскость {100}, например, xz-плоскость, нормальную к направлению [010], обозначают как (010). Конкретная ориентация 〈100〉, например ориентация [010], всегда нормальна к соответствующей плоскости {100}, то есть к плоскости (010) в этом случае. В соответствии с дальнейшим правилом любую ориентацию вдоль или параллельно диагонали кубического тела обозначают как 〈111〉. Имеются два класса икосаэдрических граней: 8 икосаэдрических граней, образованных плоскостями {111}, нормальными к диагонали 〈111〉 кубического тела, и 12 икосаэдрических граней, образованных плоскостями {φφ^-10}, пересекающимися парами вдоль ориентации 〈100〉. Трехцентровые связи существуют вдоль кромок плоскостей {111}.

[047] Применительно к изобретению, описанному в этой заявке, анализ молекулярных орбиталей, который описывает трехцентровые связи бора в результате обобщения методологии Лонгуета-Хиггинса и Робертса, представленный в [0020]-[0063] предварительной заявки № 62/591848 на патент США, включен в эту заявку по ссылке. Этот обобщенный анализ молекулярных орбиталей описывает правильный икосаэдр 104 бора, содержащий 12 ядер 102 бора в почти симметричной ядерной конфигурации, которая образована 24 делокализованными атомными орбиталями ψ_i(p_{111}) в почти сферическом сфероиде, при этом смещение идеально ограничивается 8 волновыми векторами k_〈111〉. Икосаэдр 104 бора на фиг. 5 представлен как искусственное ядро 104.

[048] Используемый в этой заявке ближний периодический трансляционный порядок означает регулярное повторение положений атомов в пределах пространства, ограниченного по существу только первым и вторым ближайшими соседними атомами. Искусственное ядро 104, представленное на фиг. 5, имеет ближний периодический трансляционный порядок, в соответствии с которым 12 ядер 102 бора остаются неподвижными на 12 икосаэдрических вершинах, так что все икосаэдрические смещения идеально ограничиваются только периодическими колебаниями вдоль 8 волновых векторов k_〈111〉. В результате искусственное ядро 104 с фиг. 5 образует квантовую подсистему многих тел Флоке, которая ведет себя подобно ядру естественного атома углерода. Используемая в этой заявке квантовая система многих тел Флоке представляет собой зависимую от времени систему многих тел, которая является периодической во времени благодаря собственным динамическим характеристикам. Чтобы понять предпочтительные варианты осуществления этого изобретения, целесообразно определить квантовое перепутывание атомных орбиталей ψ_i(p_{111}), образующих квантовую подсистему многих тел Флоке соответствующего искусственного ядра 104.

[049] Анализ искусственного ядра 104 с фиг. 5 был выполнен с использованием группового анализа правильного икосаэдра. Икосаэдрическая группа I_h симметрии является уникальной среди всех других групп симметрии, поскольку для нее имеется наибольшее количество (120) операций симметрии по сравнению с любой другой группой, имеющейся в природе. Наибольшее количество операций симметрии, которое допускается в любой кристаллографической точечной группе, составляет 48, так что икосаэдрическая группа I_h симметрии не является кристаллографической точечной группой, которая может содержать пространственные кристаллы, которые имеют ближний периодический трансляционный порядок. Неспособность икосаэдрической группы I_h симметрии поддерживать ближний периодический трансляционный порядок делает возможным естественное спонтанное нарушение переходной во времени симметрии.

[050] Это является причиной того, что упомянутый выше анализ симметрии дает повышение прямолинейных колебаний вдоль волновых векторов k_〈111〉 искусственного ядра 104 на фиг. 5. Доверительные энергетические уровни 12 ядер 102 бора, образующих искусственное ядро 104, показаны на фиг. 6. Энергетические уровни 36 валентных электронов искусственного ядра 104 показаны на фиг. 7. Ядерные энергетические уровни на фиг. 6 и электронные энергетические уровни на фиг. 7 удовлетворяют собственным значениям энергии из релятивистского волнового уравнения Дирака. Можно полагать, что искусственное ядро 104, показанное на фиг. 5, образует квантовую систему многих тел Флоке, аналогичную системе естественного ядра углерода По этой причине 12 ядер 102 бора из искусственного ядра 104 занимают на фиг. 6 энергетические уровни, которые имеют такую же симметрию, какую имеют энергетические уровни нуклонов в углероде Можно полагать, что энергетические уровни валентных электронов на фиг. 7 подобны энергетическим уровням кварков в углероде

[051] Искусственное ядро 104 на фиг. 5 образует квантовую фермионную систему многих тел Флоке с максимально возможной в природе степенью симметрии. Используемый в этой заявке фермион является субатомной частицей, на которую распространяется принцип исключения Паули и которая описывается статистикой Ферми-Дирака, а также любой сложной частицей, состоящей из нечетного числа субатомных частиц. В соответствии с определением квантовая система многих тел Флоке, содержащая фермионы на вершинах правильного икосаэдра, в дальнейшем будет называться икосаэдрической системой Флоке многих фермионов. В соответствии с этим определением 12 ядер 102 бора из искусственного ядра 104 исходно предполагаются ядрами бора , содержащими нечетное число как протонов, так и нейтронов. Ниже будет рассмотрено включение другого изотопа естественного бора.

[052] Икосаэдрическая система многих фермионов Флоке соответствующего конкретного искусственного ядра 104 с фиг. 5 имеет наивысшую степень свободы симметрии в природе по сравнению с икосаэдрическими вершинами, на которых находятся 12 ядер 102 бора. Эта симметрия демонстрируется 12 нуклонами углерода Существуют только два вида смещения точек, то есть перемещение вдоль прямолинейной оси и поворот вокруг прямолинейной оси. Перемещение и поворот проявляются в противоположных смещениях точек, таких как двенадцать икосаэдрических вершин икосаэдрической системы многих фермионов Флоке. Все точки вдоль прямолинейной оси перемещения, и только эти точки, смещаются под действием заданного поступательного перемещения; В противоположность этому, все точки, не находящиеся вдоль прямолинейной оси вращения, и только эти точки, смещаются под действием любого заданного поворота. Поворот усложняет анализ квантовой системы со многими телами.

[053] Кроме того, в соответствии с описанием в [0020]-[0063] предварительной заявки № 62/591848 на патент США, включенным в эту заявку по ссылке, 3 одновременно поворачивающиеся прямоугольные координатные оси (x,y,z) лучше всего представлять в индексах Миллера. С помощью одновременно поворачивающихся прямоугольных координатных осей (x,y,z) невозможно описать смещение 12 икосаэдрических вершин в лабораторной системе отсчета. Анализом симметрии было установлено, что икосаэдрические вершины искусственного ядра 104 на фиг. 5 являются неподвижными и что полное икосаэдрическое смещение ограничено прямолинейным поступательным перемещением вдоль четырех пар обращенных волновых векторов k_〈111〉:

, (22а)

, (22b)

, (22c)

. (22d)

[054] Из анализа следует, что 12 ядер 102 бора ограничены неподвижными икосаэдрическими вершинами искусственного ядра 104, которое поэтому ведет себя как почти сферический сфероид, который предрасположен к смещению согласно хорошо определенным сферическим гармоническим функциям. Кроме того, в соответствии с описанием в [0170]-[0207] предварительной заявки № 62/591848 на патент США, включенным в эту заявку по ссылке, любой почти сферический сфероид разделяется на зоны сферическими гармоническими функциями. Дипольные сферические гармонические функции, связанные с оболочками n=±1, на фиг. 6 разделяют почти сферический сфероид на пары полусфер с помощью экваториальной большой окружности. Центр масс (или центроид), связанный с дипольными сферическими гармоническими функциями, не является подвижным. Квадрупольные сферические гармонические функции, связанные с оболочками n=±2, на фиг. 6 разделяют почти сферический сфероид на пары больших окружностей.

[055] Большие окружности, связанные с квадрупольными сферическими гармоническими функциями, содержат волновые векторы k_〈111〉 искусственного ядра 104 с фиг. 5. Это согласуется со смещением икосаэдрической системы многих фермионов Флоке в уравнениях (22a-d). Анализ симметрии искусственного ядра 104 с фиг. 5 носит общий характер без всякой связи с физическим размером икосаэдрической системы многих фермионов Флоке. Расстояние между противоположными икосаэдрическими гранями искусственного ядра 104 в идеальном случае составляет 269 пм, так что оно особенно относится икосаэдрическому пикокристаллу Флоке со многими фермионами. Расстояние между противоположными икосаэдрическими гранями естественного ядра углерода может быть измерено в фемтометрах, вследствие чего естественное ядро углерода будет образовывать икосаэдрический фемтокристалл Флоке со многими фермионами. Можно полагать, что искусственное ядро 104 имеет такую же симметрию, какую имеет естественное ядро углерода

[056] В икосаэдрическом пикокристалле (фемтокристалле) Флоке со многими фермионами устранены интраикосаэдрические электронные (кварковые) орбитальные вырождения за счет спин-орбитальной связи, так что искажение Яна-Теллера исключается. В основополагающей статье ʺStability of polyatomic molecules in degenerate electronic states. I. Orbital degeneracyʺ, Proceedings of the Royal Society A, 161, 1937, pp. 220-235, H.A Jahn и E. Teller на основании теории групп установили, что все нелинейные ядерные конфигурации не соответствуют орбитально вырожденному электронному состоянию. Эффект Яна-Теллера приводит к нарушению симметрии, так что электронные орбитальные вырождения возрастают при обычных смещениях 12 ядер 102 бора, и он известен как активный режим Яна-Теллера, при котором искажаются многоатомные ионы и молекулы в отсутствие спин-орбитальной связи.

[057] В своем анализе Ян и Теллер умышленно игнорировали спиновые эффекты. Спин-орбитальная связь является важной для предохранения от интраикосаэдрического связывания икосаэдрического пикокристалла Флоке со многими фермионами, основанного на искусственном ядре 104, для примера на фиг. 7 представлены интраикосаэдрическое связывание и антисвязывающие орбитали. Такой другой способ, способ квантового перепутывания электронных собственных состояния, показанный на фиг. 7, не может существовать при наличии любого искажения Яна-Теллера. Благодаря устранению электронных орбитальных вырождений посредством спин-орбитальной связи вместо искажения Яна-Теллера квантовое перепутывание создает икосаэдрический пикокристалл Флоке со многими фермионами, содержащий искусственное ядро 104, физически ведущий себя как резонатор Планка, который может быть химически модифицирован новыми и удобными способами путем управляемого изменения квантового перепутывания энергетических уровней.

[058] Для применения на практике предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения полезно учесть некоторые элементы икосаэдрического пикокристалла Флоке со многими фермионами, содержащего искусственное ядро 104, показанное на фиг. 5. Предпочтительные варианты осуществления представляют собой новые и полезные варианты осуществления, относящиеся к квантовой термодинамике, способные поддерживать квантовый термодинамический цикл, который является самотермализуемым для исключения зависимости теплового двигателя от топлива. Новые и полезные варианты осуществления этого изобретения не могут быть описаны с помощью классической термодинамики вследствие большого значения квантового перепутывания. Чтобы описать предпочтительные варианты осуществления этого изобретения, необходимо опираться на прогнозы из волнового уравнения Дирака. Основные принципы раскрыты в предварительной заявке № 62/591848 на патент США и включены в эту заявку по ссылке.

[059] Значительные усилия были затрачены при обращении к операциям симметрии икосаэдрического пикокристалла Флоке со многими фермионами соответствующего искусственного ядра 104. Это обусловлено тем, что симметрия искусственного ядра 104 обеспечивает новые и полезные свойства, которые являются уникальными для квантовой системы многих тел этого вида. В соответствии со спектральной теорией относительности формула E=mc² Эйнштейна определяет потерю инерции равномерно перемещающегося тела. На основании этой формулы Эйнштейн установил, что в действительности энергия Е и масса m представляют собой две «фазы» одной и той же величины. Эйнштейн пришел к этому заключению при рассмотрении релятивистского трансляционного доплеровского сдвига излучающего тела. При расширении своей специальной теории относительности Эйнштейн не смог определить релятивистский доплеровский сдвиг вращения, чтобы включить вращение в общую теорию относительности.

[060] Поскольку вращающийся фермион обязательно излучает, то вращающийся фермион можно стабилизировать только как элемент квантовой системы многих тел, в которой пары дополняющих доплеровских сдвигов вращения стабилизируют квантовую систему многих тел. Икосаэдрический кристалл Флоке со многими фермионами соответствующего искусственного ядра 104 образует стабилизированную квантовую систему многих тел из фермионов, которые могут быть описаны релятивистским волновым уравнением Дирака. Собственные значения энергии Дирака для системы Дирака многих тел из фермионов, полученные в [0086]-[0167] предварительной заявки № 62/591848 на патент США, включены в эту заявку по ссылке.

[061] Положительные собственные значения энергии антисвязывающих суборбиталей в уравнении (23а) и отрицательные собственные значения энергии связывающих суборбиталей в уравнении (23b) искусственного ядра 104, показанного на фиг. 5, сведены в таблицу, приведенную ниже.

[062] Спин-орбитальная связь преобразует орбитали с орбитально вырожденной энергией в полуцелые квантованные антисвязывающие суборбитали с положительно определенной энергией в таблице 1. Спин-орбитальная связь преобразует орбитали с орбитально вырожденной энергией в полуцелые связывающие суборбитали с отрицательно определенной энергией в таблице 2. Антисвязывающие и связывающие суборбитали для оболочек n=±2 и n=±3 искусственного ядра 104, на которое распространяются уравнения (23a-b), показаны на фиг. 7. Оболочки n=±1 не показаны, поскольку они содержат внутренние электроны, не имеющие отношения к синтезу искусственного ядра 104. Имеются несколько важных аспектов связывающих и антисвязывающих суборбиталей искусственного ядра 104, показанного на фиг. 7. Спин-орбитальная связь устраняет орбитальные вырождения, например, под оболочкой n=±2.

[063] Орбиталь +2p подвергается воздействию как доплеровского красного сдвига (κ=-2) с превращением в суборбиталь +2p_3/3, так и доплеровского голубого сдвига (κ=+1) с превращением в суборбиталь +2p_1/2. Орбиталь +2s подвергается воздействию доплеровского красного сдвига (κ=-1) и превращается в суборбиталь +2s_1/2, которая, в свою очередь, перепутывается с подорбиталью +2p_1/2, что приводит в результате к суборбитали +2sp_1/2 (κ=±1). Эти поворотные доплеровские сдвиги не объясняются уравнением E=mc². Эйнштейн представил уравнение E=mc² в докладе на семинаре, в котором впервые была выдвинута специальная теория относительности: ʺOn the Electrodynamics of Moving Bodiesʺ, 1905, опубликованном в The Principle of Relativity, Dover, 1952, pp. 37-65.

[064] В этой заявке слияние обычно относится к любому процессу, в котором фермионы связываются друг с другом при преобразовании некоторого количества вещества m в энергию. Предполагается, что уравнение E=mc² Эйнштейна является определяющим для ядерного синтеза, при котором ядра связываются друг с другом благодаря преобразованию небольшого количества вещества m в энергию Е, обнаруживаемой в виде фотонов. В соответствии с обобщением уравнения E=mc² Эйнштейна применительно к полю во вращающейся системе координат прежде неизвестное химическое слияние можно осуществлять с помощью атомов, химически связывающихся друг с другом благодаря преобразованию небольшого количества вещества m в некоторое количество энергии Е квазичастиц Дирака. Вследствие динамического взаимодействия между фермионами, которые перепутывают отдельные энергетические уровни, для поставленной задачи квазичастица Дирака является квантовой системой многих фермионов Флоке.

[065] Вследствие химического слияния квантовое перепутывание искусственного ядра 104 на фиг. 5 связано с перепутанными собственными функциями ψ_i(p_{111}). Не было попытки обобщить уравнение E=mc² Эйнштейна для поддержания химического слияния. Представленный предмет рассмотрения основан на реальном применении химического слияния. В соответствии с этой задачей уравнения (23a-b) преобразуют, чтобы образовать обобщение уравнения E=mc² Эйнштейна. Этими соотношениями точно определяются собственные значения энергии квазичастицы Дирака в запрещенной энергетической области Дирака, mc²>E>-mc², относительно собственных состояний положительной энергии (Е>0) и отрицательной энергии (Е<0) при перепутывании, которые содержат антисвязывающие и связывающие суборбитали:

[066] Когда уравнение E=mc² Эйнштейна должно удовлетворяться в поле во вращающейся системе координат, то связанные с энергией члены в правой части уравнений (25a-b) должны обращаться в нуль, поскольку собственные значения энергии в уравнении (25b) являются отрицательно определенными (Е<0). Первый член в правой части уравнения (25а) содержит собственные значения энергии, удовлетворяющие волновому уравнению Шредингера. Для настоящей задачи достаточно, чтобы наивысшие собственные состояния связанной энергии, удовлетворяющие волновому уравнению Шредингера, существовали в оболочке n=+1. Поэтому последовательные оболочки высокого порядка содержат низкие собственные состояния связанной энергии. Орбитальный угловой момент остается вырожденным в собственных состояниях, удовлетворяющих уравнению Шредингера. Это вырождение исключается в соответствии с уравнением Дирака.

[067] Второй член связанной энергии в правой части уравнения (25а) обусловлен тонкой структурой вращающегося фермиона. Характерные свойства тонкой структуры фермиона описываются доказательно для лучшего понимания реальных устройств, содержащих предпочтительные варианты осуществления этого изобретения. Для этой конкретной задачи собственные значения энергии квазичастицы Дирака согласно уравнениям (25a-b) перегруппированы для оболочек n=±2 и n=±3 квантовой системы многих тел:

[068] В то время как количество вещества реагентов и продуктов является постоянным в классической химии, вследствие слияния в квантовой химии имеется небольшое изменение количества вещества химических реагентов и продуктов. Значение квантовой химии в этом изобретении будет дополнительно рассмотрено ниже.

[069] Поскольку ни энергия Е, ни масса m фактически не сохраняются, то должен существовать другой физический объект, который полностью содержит энергию Е и массу m. Электрический заряд е является в природе точно сохраняемым. Хотя это неизвестно из уровня техники, строгое сохранение электрического заряда подразумевает наличие до настоящего времени неизвестного физического объекта Ξ=ес², который полностью соответствует уравнению E=mc² Эйнштейна:

(27)

[070] Новый объект Ξ=ес² назван апейроном, и он является транслитерацией греческого слова , означающего несвязанный. Первоначально концепция апейрона была предложена Анаксимандром из Милета ориентировочно в 585 году до нашей эры. Возможность использования электрического заряда е в квантовом термодинамическом цикле, способном заменить цикл Карно, можно получить только тогда, когда электрический заряд е снабжен механическим базисом. Механический базис электрического заряда е в основном определен в [0794]-[0846] предварительной заявки № 62/591848 на патент США и включен в эту заявку по ссылке.

(28)

[071] Эквивалент кулона С в системе МКС (метр, килограмм, секунда) вытекает из приведенного выше соотношения:

1С=1,09778×10^-24 кг⋅м. (29)

[072] Ниже представлено соотношение для описания резонатора икосаэдрического пикокристалла Флоке со многими фермионами соответствующего искусственного ядра 104, а также икосаэдрического фемтокристалла Флоке со многими фермионами соответствующего ядра углерода Апейрон Ξ=ес² и универсальная функция K(ν, T) Кирхгофа могут быть связаны:

(30)

[073] Вильгельм Вин фактически представил свой закон черного тела для резонатора в двух очень важных статьях. В 1893 году Вин представил закон спектрального смещения, на котором непосредственно основаны некоторые предпочтительные варианты этого настоящего изобретения. Вывод закона спектрального смещения Вина осуществлен в современной формулировке в [0931]-[0996] предварительной заявки № 62/591848 на патент США и включен в эту заявку по ссылке. Вин вывел свой закон спектрального смещения с учетом механической работы, действующей на электромагнитное излучение, действие которой проявляется двумя способами: (1) энергия излучения спектрально смещается от низкочастотного интервала (ν,ν+dν) в высокочастотный интервал (ν',ν'+dν') и (2) работа также вносит энергию в высокочастотный интервал (ν',ν'+dν'). Полная энергия |E×H|_indAdt, поступающая в высокочастотный интервал, выражается следующим соотношением:

(31)

[074] Фактически в выведенном в [0931]-[0996] предварительной заявки № 62/591848 на патент США и включенном в эту заявку по ссылке законе спектрального смещения Вина содержится обоснование приведенного ниже спектрального смещения (то есть сдвиг частоты) при постоянном излучении |E×H|, которое соответствует характеристике излучения черного тела. Спектральное смещение способно квантово-механически поддерживать тепловой двигатель.

(32)

[075] В уравнении (32) является фазовой скоростью электромагнитного излучения. В случае положительной фазовой скорости при электромагнитном излучении выполняется работа, вызывающая спектральное смещение из некоторого низкочастотного интервала (ν,ν+dν) в высокочастотный интервал (ν',ν'+dν'). Такое спектральное смещение приводит к повышению энергии излучения при постоянном излучении |Е×Н|, и это является важным по той причине, что при тепловом равновесии излучение черного тела становится однозначно соответствующим температуре излучателя. Такая возможность включена в закон излучения черного тела Вина способом, который неизвестен из уровня техники. Форма закона излучения черного тела Вина была приведена выше в уравнении (18):

(18)

[076] Закон излучения черного тела Вина удовлетворяет следующему соотношению:

(33)

[077] В пределах полного пространственного угла универсальная функция K(ν,T) Кирхгофа имеет вид:

(34)

[078] Вблизи экстремума hν>>kT ультрафиолетового излучения черного тела универсальная функция K(ν,T) Кирхгофа зависит от электрического заряда е, так что имеется зависимость от апейрона Ξ=ес² в соответствии с нижеследующим соотношением, которое может быть применено к искусственному ядру 104. Ядра 102 бора соответствующего искусственного ядра 104 упакованы достаточно близко друг к другу, так что ядра 102 бора радиационно связаны и образуют самособранную пикокристаллическую полость излучения.

(35)

[079] Универсальная функция K(ν,T) Кирхгофа при инфракрасном спектральном экстремуме hν<<kT находится под влиянием непрерывной тепловой энергии kT резонатора, тогда как совершенно иначе универсальная функция K(ν,T) Кирхгофа вблизи ультрафиолетового спектрального экстремума hν>>kT находится под влиянием дискретной колебательной энергии :

[080] Важно выразить энтропию S резонатора Планка из уравнения (12) через дискретные элементы энергии, удовлетворяющие релятивистскому волновому уравнению Дирака:

[081] Важно определить квантовую температуру Θ_Т в соответствии с соотношением Планка из уравнения (13) с учетом квантования из уравнения (36b):

(38)

[082] Молярная теплоемкость Эйнштейна из уравнения (20) может быть упрощена следующим образом для низкой частоты резонатора Планка так, что соблюдается hν<<kТ:

(39)

[083] Теплоемкость, связанная с микроволновым резонатором Планка индивидуального атома в твердом теле, удовлетворяющая релятивистскому волновому уравнения Дирака, описывается нижеследующим соотношением, полученным на основании молярной теплоемкости Эйнштейна:

(40)

[084] Как показано на фиг. 8, пикокристаллический искусственный атом 101 борана содержит (1) искусственное ядро 104, образованное икосаэдром бора, содержащим 12 естественных ядер 102 бора с почти симметричной ядерной конфигурацией, и (2) 4 искусственных валентных электрона, образованных 4 естественными атомами водорода, при этом ядра 103 водорода связаны с икосаэдром бора так, что 4 валентных электрона водорода выровнены вдоль волнового вектора k_〈111〉. Искусственный атом 101 пикокристаллического борана содержит икосаэдр бора с 36 валентными электронами бора, занимающими интраикосаэдрические молекулярные орбитали, так что интраикосаэдрические химические связи образуются с помощью валентных электронов водорода. Электрический квадрупольный момент вдоль векторов k_〈111〉 создает электрический дипольный момент в атомах водорода, так что ядра 103 водорода связаны силой Дебая с искусственным ядром 104.

[085] Химическое связывание искусственных атомов 101 пикокристаллического борана поясняется самоселективным замещением атомов в элементарной ячейке 200 монокристаллического кремния, показанной на фиг. 9, которая состоит из 8 вершинных атомов 201 кремния, 6 гранецентрированных атомов 202 кремния, а также 4 основных атомов 203 кремния. 4 основных атома 203 расположены вдоль диагонали 〈111〉 кубического тела в тетраэдрической конфигурации. Элементарную ячейку 200 монокристаллического кремния периодически поступательно перемещают на протяжении пространства для образования решетки монокристаллического кремния, в которой вершинные атомы 201 кремния и гранецентрированные атомы 202 кремния ковалентно связаны с, и только с, четырьмя основными атомами 203 кремния вдоль кристаллической ориентации 〈111〉. Получающаяся в результате решетка монокристаллического кремния имеет дальний периодический трансляционный порядок применительно к кубическим элементарным ячейкам, составляющий ~0,5432 нм, без каких-либо химических связей 〈100〉.

[086] Как показано на фиг. 10, алмазоподобная элементарная ячейка 300 пикокристаллического силаборана образована заменой каждого вершинного атома 201 кремния в элементарной ячейке 200 монокристаллического кремния молекулой 101 борана. 8 молекул борана 101 в вершинах элементарной ячейки 300 силаборана на фиг. 10 распределены по 8 элементарным ячейкам 300 пикокристаллического силаборана в расширенной твердотельной решетке (непоказанной). В результате периодического перемещения элементарной ячейки 300 пикокристаллического силаборана по пространству образуется решетка твердотельного пикокристаллического силаборана (B₁₂H₄)Si₇, которая эффективно действует как самособранная алмазоподобная пикокристаллическая решетка, аналогичная по структуре решетке монокристаллического кремния. Искусственные атомы 101 пикокристаллического борана с почти симметричной ядерной конфигурацией с фиг. 8 заменяют 8 вершинных атомов 202 кремния с фиг. 10 в решетке пикокристаллического силаборана (B₁₂H₄)Si₇.

[087] Пикокристаллические оксисилабораны согласно этому изобретению образуют почти прозрачные твердые тела, которые считаются образованными непрерывной случайной сеткой многоатомных элементарных ячеек, удовлетворяющих модифицированным правилам, раскрытым Захариазеном в статье «The atomic arrangement in glass», Journal of the American Chemical Society, vol. 54, 1932, pp. 3841-3854. Все дальнейшие ссылки на Захариезена считаются ссылками на эту статью. Захариезен обращает основное внимание на оксидные стекла, а более конкретно, на аморфный SiO₂ и аморфный В₂О₃. Захариезен показывает, что аморфный SiO₂ образован непрерывной случайной сеткой тетраэдров SiO₄. Аналогично этому, пикокристаллический оксисилаборан считается образованным непрерывной случайной сеткой полиэдров с почти симметричными икосаэдром в каждом из восьми углов полиэдра.

[088] Поскольку обычные оксидные стекла образованы непрерывной случайной сеткой тетраэдров кислорода или треугольников кислорода, пикокристаллические оксисилорабораны образуют твердые вещества в виде непрерывной случайной сетки гексаэдров борана, которые по определению образованы гексаэдрами с искусственными атомами 101 пикокристаллического борана в углах гексаэдров. Поскольку показанная на фиг. 9 элементарная ячейка 200 монокристаллического кремния представляет собой правильный гексаэдр (куб), алмазоподобная элементарная ячейка 300 поликристаллического силаборана, с целью описания показанная на фиг. 10 в виде куба, в действительности является неправильным гексаэдром. При том, что атомная конфигурация Захариезена оксидного стекла представлена непрерывной случайной сеткой тетраэдров или треугольников полиморфного кислорода, атомная конфигурация в твердофазном боране описывается случайной сеткой неправильных гексаэдров.

[089] Восемь углов гексаэдра 300 борана на фиг. 10 состоят из искусственных атомов 101 пикокристаллического борана. Каждый угловой искусственный атом 101 пикокристаллического борана в идеальном случае связан с четырьмя четырехвалентными естественными атомами 303, которые окружены восемью угловыми искусственными атомами 101 пикокристаллического борана. Предпочтительными четырехвалентными естественными атомами 303 являются естественные атомы кремния. Каждый из четырехвалентных естественных атомов 303 связан с одним или более гранецентрированными атомами 302 в гексаэдре 300 борана, показанном на фиг. 10. Каждый гранецентрированный атом 302 может быть, но без ограничения, четырехвалентным естественным атомом, таким как кремний, шестивалентным естественным атомом, таким как кислород, или может быть четырехвалентным искусственным атомом 101 пикокристаллического борана. Атомную конфигурацию твердофазного борана можно понять с помощью неправильного гексаэдра 300 борана, показанного на фиг. 10.

[090] Во-первых, четыре четырехвалентных естественных 303 атома окружены 8 угловыми искусственными атомами 101 пикокристаллического борана в решетке твердотельного борана. Во-вторых, соединенные неправильные гексаэдры 300 борана распределены по угловым искусственным атомам 101 пикокристаллического борана в непрерывной случайной сетке. В идеальном случае центроид угловых искусственных атомов 101 пикокристаллического борана является инвариантным к перемещению. В-третьих, каждый угловой искусственный атом 101 поликристаллического борана ковалентно связан с четырьмя четырехвалентными естественными атомами 303 вдоль кристаллической ориентации 〈111〉. Следует отметить, что четырехвалентные естественные атомы 303 находятся на местах основных атомов 203 кремния (показанных на фиг. 9 в элементарной ячейке монокристаллического кремния), которые претерпевают пространственное смещение для сохранения размера элементарной ячейки.

[091] Описанную выше структуру можно понять при рассмотрении предполагаемой структуры экстремума, (B₁₂H₄)₄Si₄, новых видов подлежащих определению пикокристаллических оксисилаборанов. В случае (B₁₂H₄)₄Si₄ каждый неправильный гексаэдр 300 борана, образующий твердотельную решетку, в идеальном случае образован 8 угловыми искусственными атомами 101 пикокристаллического борана, 6 гранецентрированными искусственными атомами 101 пикокристаллического борана и 4 естественными атомами 303 кремния. Вследствие распределения по 8 углам гексаэдра и распределения по 2 граням гексаэдра перемещение неправильного гексаэдра 300 борана на протяжении пространства приводит к образованию пикокристаллического силаборана (B₁₂H₄)₄Si₄. Таким образом, пикокристаллический силаборан (B₁₂H₄)₄Si₄ образует пикокристаллический полиморф, аналогичный монокристаллическому кремнию, состоящий их четырехвалентных естественных атомов 303 кремния и четырехвалентных искусственных атомов 101 пикокристаллического борана. При использовании структуры этого вида спин-орбитальная связь становится физически важной.

[092] Предпочтительные варианты осуществления этого изобретения включают в себя вид порядка, неизвестный из уровня техники. Дальний периодический трансляционный порядок определяется в этой заявке как регулярное повторение некоторой инвариантной конфигурации атомов, известной как элементарная ячейка, на протяжении пространства для образования инвариантного относительно перемещения наклона в регулярной решетке естественных атомов помимо первого и второго ближайших соседних естественных атомов. Монокристаллические и поликристаллические материалы имеют дальний периодический трансляционный порядок на всем протяжении пространства. Периодическое повторение положений атомов сохраняется на всем протяжении всего пространства монокристаллического материала. В поликристаллическом материале периодическое повторение положений атомов сохраняется в пределах ограниченного конечного пространства в зернах, которые сами могут быть ориентированы произвольно в пространстве. Нанокристаллический материал в этой заявке представляет собой любой поликристаллический материал, в котором размеры зерен находятся в пределах от 300 пм до 300 нм.

[093] В дальнейшем ближний периодический трансляционный порядок определяется как повторение положений естественных атомов в пределах пространства, ограниченного по существу только первым и вторым ближайшими соседними естественными атомами. Радиусы изолированных нейтральных атомов находятся в пределах от 30 до 300 пм. В результате и как определяется в этой заявке, любой пикокристаллический материал представляет собой материал, имеющий ближний периодический трансляционный порядок, ограниченный повторением положений атомов в конечных группах первого и второго ближайших соседних естественных атомов. Как определено в этой заявке, аморфный материал представляет собой материал, лишенный регулярно повторяющихся конфигураций атомов и поэтому неспособный поддерживать конструктивную интерференцию рентгеновских лучей. Ближний периодический трансляционный порядок является преобладающим в пикокристаллическом силаборане (B₁₂H₄)₄Si₄.

[094] Может показаться, что эти определения кристаллических материалов различного вида полностью описывают возможный порядок повторения положений атомов в пространстве. Но эти определения все же остаются ограниченными в том смысле, что они основаны строго на повторении положений индивидуальных атомов в пределах пространства. Они не могут применяться к материалам, которые включают в себя плотно упакованные кластеры атомов, расположенные в пространстве так, что кластеры сами могут связываться с одиночными естественными атомами, которые не объединены в кластер. Эти определения должны быть расширены для охвата квантовых точек, которые для задач этой заявки определяются как кластер естественных атомов, в котором существует дискретное квантование энергетических уровней. Порядок размера квантовых точек в уровне техники оценивается в 10 нм. Кроме того, упомянутые выше определения кристаллических твердых веществ различных видов зависят от квантования энергии.

[095] Это приводит к необходимости нового определения, которое включает в себя как пространственное расположение атомов, так и наличие дискретного квантования энергетических уровней. Поэтому «пикокристаллический искусственный атом» в этой заявке представляет собой кластер, размер которого меньше чем 300 пм, из естественных атомов, которые взаимно связаны для поддержания ближнего периодического трансляционного порядка и внутреннего дискретного квантования энергетических уровней. Как также описано ниже, пикокристаллические искусственные атомы отдельных видов могут быть связаны с другими естественными атомами для образования расширенной решетки естественных атомов и пикокристаллических искусственных атомов. В этой заявке естественным атомом является любой изотоп стабильного химического элемента, содержащегося в периодической системе элементов. Пикокристаллический искусственный атом особого вида содержит икосаэдр бора с почти симметричной ядерной конфигурацией.

[096] Единственным материалом, наиболее подходящим для осуществления переворота в области твердотельной электроники, на протяжении последних шести десятилетий является монокристаллический кремний. Поскольку размеры монолитных интегральных схем приближаются к молекулярному уровню, перенос электрического заряда в расширенных энергетических зонах на протяжении пространства все больше и больше нарушается вследствие несоблюдения основных квантовых условий. Соответственно, нарушение переноса электрического заряда в расширенных энергетических зонах низкоразмерных металлических соединений также ухудшает характеристики монолитных интегральных схем. В последние годы проведены обширные исследования по включению однослойного графена в монолитные интегральные схемы в попытке устранения основных ограничений при пропорциональном уменьшении размеров. Включение однослойного графена в монолитные интегральные схемы представляет собой сложную задачу вследствие отсутствия ширины запрещенной зоны и несовместимости процесса осаждения с интегральными схемами.

[097] В предпочтительных вариантах осуществления этого изобретения ограничения на пропорциональное уменьшение размеров монолитных интегральных схемы исключены путем амальгамации монокристаллического кремния и графена, которые обеспечивают перенос электрического действия на протяжении пространства. Обратившись теперь к фиг. 10 можно видеть, что искусственные атомы 101 пикокристаллического борана заменили вершинные атомы 201 кремния с фиг. 9. В конкретном случае поликристаллического силаборана (B₁₂H₄)₄Si₄ шестью гранецентрированными атомами 302 (хотя не показанными на фиг. 10) являются искусственные атомы 101 пикокристаллического борана. Вследствие сохранения ближней икосаэдрической симметрии в каждом искусственном атоме 101 пикокристаллического борана пикокристаллический силаборан (B₁₂H₄)₄Si₄ не обладает никаким дальним периодическим трансляционным порядком, характерным для монокристаллического кремния.

[098] Вследствие отсутствия дальнего периодического трансляционного порядка пикокристаллический силаборан (B₁₂H₄)₄Si₄ не может физически поддерживать в пределах пространства повышенную электрическую проводимость и валентные энергетические зоны. Кроме того, наличие сил Ван-дер-Ваальса (а более конкретно, сил Дебая) между искусственными атомами 101 пикокристаллического борана исключает повышенную электрическую проводимость и валентные энергетические зоны в пределах пространства в пикокристаллическом силаборане (B₁₂H₄)₄Si₄. Однако икосаэдрическая симметрия искусственных атомов 101 пикокристаллического борана обуславливает перенос электрического действия нового вида, который неизвестен из уровня техники. Для более полного понимания абсолютной новизны и полезности предпочтительных вариантов осуществления этого изобретения необходимо принять во внимание низкочастотные экстремумы из уравнений (36а-b):

[099] Резонатор Планка образует гибридизацию двух резонаторов, (1) теплового резонатора с колебательной энергией U=kT и (2) квантового резонатора с колебательной энергией . В частности, квантовая температура Θ_Т дискретного квантового резонатора с определяется из уравнения (38) в виде:

(42)

[100] В таблицах 1-2 микроволновая частот а = 10,9 ГГц, квантовая температура Θ_Т=0,77 K искусственного ядра 104 также ниже абсолютной температуры 2,72 K, связанной с космическим микроволновым фоновым излучением:

(43)

[101] В противоположность этому, квантовая температура Θ_Т непрерывно действующего теплового резонатора с U=kT намного выше, чем температура Т окружающей среды. Поскольку искусственные ядра 104, формирующие пикокристаллический силаборан (B₁₂H₄)₄Si₄, образуют открытые икосаэдрические пикокристаллы Флоке со многими фермионами, то квантовая температура Θ_Т любого искусственного ядра 104 фиксируется около температуры Т окружающей среды. Чтобы лучше понять термическое уравновешивание пикокристаллического силаборана (B₁₂H₄)₄Si₄, полезно рассмотреть упорядоченное заполнение интраикосаэдрических антисвязывающих и связывающих собственных состояний электронами в соответствии с уравнениями (23a-b) и таблицами 1-2. Антисвязывающие и связывающие энергетические уровни в оболочках n=±2 и n=±3 являются сильно преувеличенными относительно запрещенной энергетической области.

[102] На фиг. 11 четыре электрона исходно занимают антисвязывающую суборбиталь и четыре электрона исходно занимают связывающую суборбиталь квазичастицы Дирака. Две последовательности с фиг. 11 позволяют отличить квазичастицы Дирака от фермионов, удовлетворяющих нерелятивистскому волновому уравнению Шредингера. Во-первых, имеется сопряженная с зарядом симметрия между электронами с положительной энергией в антисвязывающих суборбиталях и электронами с отрицательной энергией в связывающих суборбиталях квазичастицы Дирака. Не существует связанной с зарядом симметрии в фермионе, описываемом нерелятивистским уравнением Шредингера, для которого все энергетические уровни предполагаются положительно определенными. Согласно уравнению Шредингера зарядовая проводимость в валентной энергетической зоне, образованной связывающими орбиталями, получается вследствие движения дырок, возникающих в результате электронных вакансий. Физическая связь между электроном с отрицательной энергией и дыркой с положительной энергией (электронной вакансией) будет представлена ниже.

[103] Во-вторых, на фиг. 11 суборбитали с более высоким угловым моментом заполнены электронами, тогда как примечательно, что на фиг. 11 суборбитали с меньшим угловым моментом свободны от электронов. Как представлено уравнениями (24а-b), спин-орбитальная связь создает дублет полуцелых квантованных суборбиталей из целой квантованной орбитали. С помощью еще неизвестного природного явления (называемого в дальнейшем спектральной индукцией) будет показано, что суборбитали с большим угловым моментом из любого дублета, обусловленного спин-орбитальной связью, исходно заняты до суборбитали с меньшим угловым моментом в квазичастице Дирака. Хотя спектральная индукция неизвестна из уровня техники, она использовалась при успешной разработке предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

[104] Связанные энергетические собственные состояния квазичастицы Дирака включены в химическое слияние икосаэдра бора согласно предпочтительным вариантам осуществления этого изобретения. Внутренние электроны, занимающие оболочки n=±1, не включены в химическую связь икосаэдра бора. Как будет показано в этой заявке ниже, спектральное квантовое число κ электронной тонкой структуры является поляризованным за исключением наивысшего связанного энергетического собственного состояния в ячейке. Примечательно, что в уравнении (23а) спектральное квантовое число κ является отрицательно определенным в и только в наивысшем связанном энергетическом собственном состоянии в оболочках n=+2 и n=+3 антисвязывающих суборбиталей с положительной энергией квазичастицы Дирака. Кроме того, примечательно, что в соответствии с уравнением (23b) спектральное квантовое число κ является положительно определенным в и только в оболочках n=-2 и n=-3 связывающих суборбиталей с отрицательной энергией квазичастицы Дирака.

[105] Согласно фиг. 11 спин-орбитальная связь разделяет целые квантовые орбитали на дублеты полуцелых квантованных суборбиталей (n>0) с положительной энергией. Согласно фиг. 11 спин-орбитальная связь дополнительно разделяет целые квантованные орбитали на пары полуцелых квантованных суборбиталей (n<0) с отрицательной энергией. Полуцелые квантованные суборбитали на фиг. 11 соответствуют собственным значениям энергии квазичастицы Дирака в уравнениях (23a-b). Результатом квантового перепутывания полуцелых квантованных суборбиталей квазичастицы Дирака является наивысший уровень энергии в каждой оболочке, обладающей наивысшей связанной энергией. Это кажущееся странным явление (которое также рассмотрено в этой заявке ниже) будет описано в зависимости от относительных изменений свободной энергии Гиббса.

[106] Вследствие снижения свободной энергии Гиббса согласно уравнениям (44a-b) собственные состояния и оболочек n=±2 на фиг. 11 заполнены четырьмя электронами:

[107] На фиг. 11 занятость собственных значений наряду с вакансией обусловлена тем, что свободная энергия Гиббса свободных состояний ниже, чем свободная энергия Гиббса свободных состояний . Принципиальная характерная черта искусственного ядра 104, содержащего пикокристаллические оксисилабораны согласно этому изобретению, заключается в существовании возбужденных собственных состояний с более низкой свободной энергией по сравнению с той же энергией основного собственного состояния в каждой оболочке.

[108] На фиг. 11 стабильное незаполненное состояние оболочки обусловлено спонтанным возбуждением валентных электронов в суборбитали с большим угловым моментом дублета, образованного спин-орбитальной связью. Согласно уравнениям (44a-b) это спонтанное возбуждение электронов обусловлено снижением свободной энергии Гиббса в собственных состояниях с большим угловым моментом по сравнению с собственными состояниями с низким угловым моментом. На фиг. 12 оболочки n=±2 полностью замкнуты, когда валентные электроны заполняют собственные состояния . В оболочках n=+3 снижение свободной энергии Гиббса электронов в свободных состояниях и относительно свободного состояния свободного состояния является позитивным, так что электроны поднимаются спин-орбитальной связью:

[109] В оболочке n=-3 снижение свободной энергии Гиббса электронов в собственных состояниях и по сравнению с собственным состоянием является положительно определенным, так что валентные электроны опускаются спин-орбитальной связью:

[110] Изменение свободной энергии Гиббса в уравнении (45а) побуждает электроны занимать собственное состояние , тогда как изменение свободной энергии Гиббса в уравнении (46а) побуждает электроны занимать собственное состояние .

[111] Как показано на фиг. 13, изменения = +17,9 мкэВ свободной энергии Гиббса, подчиняющиеся уравнению (45а), и = +17,9 мкэВ, подчиняющиеся уравнению (46а), поддерживают частичную занятость оболочек n=±3 квазичастицы Дирака. Как представлено на фиг. 14, даже при меньшем снижении = +13,4 мкэВ свободной энергии Гиббса, подчиняющемся уравнению (45b), и = +13,4 мкэВ, подчиняющемся уравнению (46b), обеспечивается занятость оболочек n=±3 квазичастицы Гиббса. Наконец, как показано на фиг. 15, оболочки n=±3 квазичастицы Дирака замкнуты, когда собственные состояния полностью заполнены. Упорядоченная занятость оболочек n=±2 и n=±3, показанная на фиг. 11-15, неизвестна из уровня техники.

[112] Квазичастица Дирака, физически образованная икосаэдром бора с почти симметричной ядерной конфигурацией, представляет собой квантовую систему многих тел, которая идеально замкнута своим окружением благодаря перепутанным интраикосаэдрическим антисвязывающим и связывающим орбиталям, занятым валентными электронами способом, показанным на фиг. 15. Икосаэдр бора с почти симметричной ядерной конфигурацией может быть преобразован в полуоткрытую квантовую систему многих тел, способную взаимодействовать с окружением благодаря ядрам бора. Имеются два естественных стабильных изотопа бора, и , со сферически деформированными ядрами. Сжатые сфероидные ядра имеют отрицательный электрический квадрупольный момент и наоборот, удлиненные сфероидные ядра имеют положительный электрический квадрупольный момент. Из числа стабильных нуклидов бор представляет собой стабильный нуклид, имеющий наибольший ядерный электрический квадрупольный момент на один нуклон благодаря деформированному ядру.

[113] Бор имеет ядерный угловой момент и большой положительный ядерный электрический квадрупольный момент +0,085×10^-28 э⋅м², тогда как бор имеет ядерный угловой момент и к тому же ядерный электрический квадрупольный момент +0,041×10^-28 э⋅м². Энергия, связанная с ядерным электрическим квадрупольным моментом ядер бора, выражена ниже с использованием теоремы Гаусса:

(47)

[114] Энергия, относящаяся к ядерному электрическому квадрупольному моменту Q(B), связана с концентрацией n(B) бора в пикокристаллическом силаборане. В предположении, что главные изотопы и бора находятся в естественном соотношении, ядерный электрический квадрупольный момент бора равен:

(48)

[115] Применение этого значения в уравнении (47) дает квадрупольную энергию E_Q(B):

= 31,3 мкэВ (49)

[116] Эта энергия связана с распутыванием собственного состояния с фиг. 15 в два распутанных собственных состояния и на фиг. 16 и также с распутыванием собственного состояния с фиг. 15 в два распутанных собственных состояния и на фиг. 17. Полная энергия E_Q(B)=17,9 мкэВ+13,4 мкэВ=31,3 мкэВ, высвобождаемая при распутывании связывающих собственных состояний и , обусловленная ядерным электрическим квадрупольным моментом бора, была представлена в этой заявке выше столбцом в таблице 2.

[117] Полная энергия E_Q(B)=17,9 мкэВ+13,4 мкэВ=31,3 мкэВ, высвобождаемая при распутывании связывающих собственных состояний и , приводит к самотермализации относительно небольшого числа искусственных атомов 101 матрицы пикокристаллического борана в пикокристаллическом силаборане (B₁₂H₄)₄Si₄. Поскольку квантовая температура Θ_Т фиксируется около температуры Т₀ окружающей среды, искусственные атомы 101 матрицы пикокристаллического борана самотермализуются в небольшой концентрации 2р₀:

(50)

[118] Поскольку концентрация искусственных атомов 101 пикокристаллического борана в пикокристаллическом силаборане (B₁₂H₄)₄Si₄ составляет ~10²² см^-3, следовая концентрация ионизированных искусственных атомов 101 пикокристаллического борана при температуре Т₀ составляет:

p ₀≈2×10¹⁸ см^-3 при Т₀=300 K. (51)

[119] Самотермализация искусственных атомов 101 пикокристаллического борана согласно фиг. 17 является причиной того, что пикокристаллический силаборан (B₁₂H₄)₄Si₄ ведет себя как полупроводник p-типа. Это обусловлено тем, что локальное распутывание собственных состояний и на фиг. 17 побуждает искусственные атомы 101 пикокристаллического борана взаимодействовать с окружением, так что имеется выраженная тенденция к распутыванию оставшихся перепутанными энергетических собственных состояний путем захватывания электронной пары. В отсутствие возможности захвата электронной пары из внешнего источника пикокристаллический силаборан (B₁₂H₄)₄Si₄ испытывает диспропорционирование, которое вызывает ионизацию частично распутанных искусственных атомов 101 пикокристаллического борана с образованием пар дианионов и дикатионов;

(52)

[120] Основываясь на фактических экспериментальных данных, пикокристаллический силаборан p-типа лучше всего представлять химически как p-(B₁₂H₄)₃Si₅. В уравнении (52) α² является квадратом постоянной тонкой структуры, что дает приближенную величину следового диспропорционирования пар дианион-дикатион в пикокристаллическом силаборане p-типа, p-(B₁₂H₄)₃Si₅. Поэтому из этого следует, что пикокристаллический силаборан p-(B₁₂H₄)₃Si₅ p-типа является полуоткрытой смешанной квантовой системой многих тел, содержащей ~10¹⁸ см^-3 ионизированных искусственных атомов 101 пикопристаллического борана и , распределенных среди искусственных атомов 101 пикокристаллического борана В₁₂Н₄ с концентрацией ~10²² см^-3, которые принимают твердое вещество пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ p-типа. Ионизация искусственных ядер 104 неподвижных атомов 101 пикокристаллического борана обеспечивает смещение заряда с помощью свободного заряда, захватываемого в различных искусственных ядрах 104.

[121] Согласно фиг. 18А-В под действием взаимной ионизации диспропорционирования пара валентных электронов прыжком переходит из распутанного собственного состояния искусственного ядра 104 в некоторое соседнее искусственное ядро 104, чтобы только распутать оставшееся спутанным связывающее состояние . Диспропорционирование приводит к повышению следовой концентрации противоположно ионизированных пар искусственных атомов 101 пикокристаллического борана и . Полная концентрация нейтральных искусственных атомов 101 пикокристаллического борана В₁₂Н₄ равна ~10²² см^-3, тогда как намного меньшая следовая концентрация ионизированных искусственных атомов 101 пикокристаллического борана и равна ~10¹⁸ см^-3. Следует понимать, что ионизация двух нейтральных искусственных атомов 101 борана В₁₂Н₄ происходит благодаря ионизации соответствующих искусственных ядер 104 и .

[122] Концентрация ~10¹⁸ см^-3 для следовых дианионов и дикатионов существенно превышается значением ~10²² см^-3 для нейтральных искусственных атомов 101 пикокристаллического борана В₁₂Н₄, и это приводит к термализации пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅. При тепловом равновесии с температурой Т₀ окружающей среды средняя колебательная энергия U(T₀) резонаторов Планка из искусственных атомов 101 поликристаллического борана составляет:

(53)

[123] При тепловом равновесии с окружением колебательная энергия в уравнении (53) является одной и той же для нейтральных и ионизированных искусственных атомов 101 пикокристаллического борана в пикокристаллическом силаборане p-(B₁₂H₄)₃Si₅. Концентрация ~10¹⁸ см^-3 ионизированных искусственных атомов 101 пикокристаллического борана намного меньше, чем концентрация нейтральных искусственных атомов 101 пикокристаллического борана в силаборане p-(B₁₂H₄)₃Si₅.

[124] Электрический заряд может самозахватываться в наведенной потенциальной яме с тем, чтобы смещаться как квазичастица на протяжении пространства вместе с самозахваченной потенциальной ямой. Квазичастица этого вида называется поляроном. Возможен самозахват пары зарядов, которая известна как биполярон. Например, см. Emin, Polarons, Cambridge University Press, 2013. В общем случае пара захваченных зарядов в биполяроне может быть либо электронной парой, либо дырочной парой. Твердые вещества с высоким содержанием бора особенно хорошо пригодны для образования биполярона вследствие сильного стремления икосаэдра бора к ионизации, для достижения электронной стабильности путем заполнения незанятых икосаэдрических связывающих орбиталей. Смещение подвижного заряда в пикокристаллических оксисилаборанах существенно отличается, что лучше описать применительно к биполярону особого вида.

[125] В уровне техники в икосаэдрических твердых веществах с высоким содержанием бора были идентифицированы биполяроны двух различных видов. Вырождения электронных орбиталей могут устраняться при нарушении симметрии смещений атомов, вследствие чего дырочная пара с противоположными спинами может самозахватываться в синглетном биполяроне Яна-Теллера. Совершенно иным образом пара дырок с противоположными спинами может самозахватываться в смягчающем синглетном биполяроне при нарушении симметрии колебаний в конкретном вибронном (то есть колебательном и электронном собственном состоянии. Синглетные биполяроны этих двух видов имеют различные физические свойства. В то время как самозахваченная дырочная пара в синглетном биполяроне Яна-Теллера может быть возбуждена из основного собственного состояния путем фотопоглощения, самозахваченная дырочная пара в синглетном смягчающем биполяроне не может быть возбуждена подобным образом. Дырочные пары остаются самозахваченными в синглетных смягчающих поляронах, при этом стабилизация происходит при снижении свободной энергии атомных колебаний решетки.

[126] Хотя известно, что аномально высокий коэффициент Зеебека случается в карбиде бора B_12+xC_3-x в пределах диапазона 0,15≤x≤1,7 состава, физическая основа коэффициента Зеебека и механизм проводимости карбида бора являются предметом спора в литературе. Как установлено Эмином в «Unusual properties of icosahedral boron-rich solids», Journal of Solid-state Chemistry, vol. 179, 2006, pp. 2791-2798, низкая термоактивированная подвижность Холла, соответствующая прыжковому механизму биполяронных дырок, наблюдается в горячепрессованном карбиде бора. Несмотря на высокую концентрацию биполяронных дырок, составляющую ~10²¹ см^-3, низкая спиновая плотность ~10¹⁹ см^-3 в карбиде бора подтверждается измерением магнитной восприимчивости. Это несоответствие приписывают самозахвату пар дырок с противоположными спинами.

[127] Поскольку наведенная носителями зона фотопоглощения не наблюдается в карбиде кремния, Эмин и другие исследователи предположили, что кажущееся снижение плотности спинов в горячепрессованном карбиде бора обусловлено нарушением симметрии колебаний, приводящим к образованию синглетных смягчающих биполяронных дырочных пар. Наведенное носителями образование синглетных размягчающих биполяронов вносит вклад в повышение коэффициента Зеебека вследствие смягчения нарушения симметрии колебаний решетки. Еще одно повышение коэффициента Зеебека для карбида бора B_12+xC_3-x в пределах диапазона 0,15≤x≤1,7 состава может быть связано с изменением энтропии вследствие прыжка смягчающих биполяронных дырок. Вклады в коэффициент Зеебека наведенного носителями смягчения колебания решетки и прыжка синглетных смягчающих биполяронных дырочных пар большей частью не чувствительны к изменениям состава. Существует изменение коэффициента Зеебека в пределах состава карбида бора B_12+xC_3-x вследствие, отчасти, диспропорционирования.

[128] Диспропорционирование в карбиде бора очень отличается от диспропорционирования в пикокристаллическом силаборане p-(B₁₂H₄)₃Si₅ вследствие искажения Яна-Теллера икосаэдра бора в карбиде бора. Электронные орбитальные вырождения устраняются в пикокристаллическом силаборане p-(B₁₂H₄)₃Si₅ путем образования спин-орбитальной связи, так что сохраняется симметричная ядерная конфигурация, в которой отсутствует искажение Яна-Теллера. В статье Ян и Теллер игнорируют спиновые эффекты. На фиг. 5 трехцентровые химические связи, поддерживающие икосаэдр бора в симметричной ядерной конфигурации, приводят к колебаниям вдоль волновых векторов , нормальных к трехцентровым связям согласно уравнениями (22a-d), вследствие скручивающих вращательных и колебательных степеней свободы.

[129] Скручивающие вращательные и колебательные степени свободы, в которых изменение вращательных степеней свободы обязательно соответствует изменению колебательных степеней свободы, и наоборот, в дальнейшем называются колебательно-вращательными. В данном случае наблюдается, что свойства пикокристаллических силаборанов (B₁₂H₄)_xSi_yO_z согласно настоящему изобретению отклоняются от традиционной химии. На странице 113 книги под названием Symmetry and Spectroscopy, Oxford Univ. Press, 1978, Харрис и Бертолуччи изложили, что «поскольку ни θ, ни ϕ не зависят от формы V(r), вращательные волновые функции будут одними и теми же независимо от модели, выбранной для колебания молекулы». Вследствие скручивающих колебательно-вращательных степеней свободы, которые влияют на диспропорционирование в пикокристаллическом силаборане p-(B₁₂H₄)₃Si₅, это не относится к случаю икосаэдра бора с симметричной ядерной конфигурацией.

[130] Диспропорционирование представляет собой необратимый нециклический процесс, при котором энтропия смешения становится максимальной согласно первому закону термодинамики. Для количественного определения диспропорционирования долю ионизированных молекул борана, которые ионизированы в дикатионы борана, обозначают с. Энтропия смешения, связанная с подвижными ионами, в общем случае может быть описана следующим соотношением:

S_mix=-Nk[c ln c+(1-c)ln (1-c]. (54)

[131] Согласно уравнению (52) диспропорционирование в пикокристаллическом силаборане p-(B₁₂H₄)₃Si₅ влечет за собой максимизацию наведенной зарядами энтропии смешения, так что поддерживается одинаковое число дианионов и дикатионов (с=0,5):

(55)

[132] Абсолютную новизну и полезность самотермализации и диспропорционирования пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ можно понять при рассмотрении противоположного экстремума , нового вида подлежащих уточнению пикокристаллических оксисилаборанов. На практике, ионизированные собственные состояния смещаются между искусственными ядрами 104 неподвижных искусственных атомов 101 пикокристаллического борана при атомном перепутывании под действием управляемых изменений при квантовом перепутывании. Для этого требуется содержащие кислород виды пикокристаллического оксисилаборана, при этом является предпочтительным, содержащим кислород видом. На фиг. 19 естественные атомы 304 кислорода занимают шесть гранецентрированных атомов в элементарной ячейке.

[133] Что касается электроотрицательности, то в своей книге The Nature of the Chemical Bond, Cornell University Press, Third Edition, 1960, pp. 64-108, Линус Паулинг определил электроотрицательность как степень ионности ковалентной связи. В концепции электроотрицательности Паулинга предполагаются двуцентровые химические связи, которые не могут быть непосредственно применены к пикокристаллическим оксисилаборанам этого изобретения. Искусственные атомы 101 пикокристаллического борана ковалентно связаны с другими естественными атомами с помощью валентных электронов водорода. Полезность пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ основана на сильной аффинности при захвате электронной пары для распутывания собственного состояния , которое, иначе, является только перепутанной интраикосаэдрической связывающей суборбиталью. Когда захват электронной пары реализуется, нейтральный искусственный атом 101 пикокристаллического борана В₁₂Н₄ преобразуется в ионизированный искусственный атом 101 пикокристаллического борана так что электронная конфигурация с фиг. 17 становится электронной конфигурацией, представленной на фиг. 20.

[134] Таким образом, пикокристаллический силаборан p-(B₁₂H₄)₃Si₅ обладает высокой квантовой электроотрицательностью. И наоборот, пикокристаллический оксисилаборан обладает низкой квантовой электроотрицательностью вследствие полностью распутанных интраикосаэдрических связывающих собственных состояний с отрицательной энергией. Фоноэлектрический элемент 400 с фиг. 21 образован многочисленными соединенными парами областей 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ и тонкими областями 402 пикокристаллического оксисилаборана с расположенными между ними металлическими электродами 403. Следует понимать, что в общем случае фоноэлектрический элемент 400 может быть образован любым количеством таких пар соединенных областей 401 и 402 с расположенными между ними металлическими электродами 403.

[135] Любые две соединенные области пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ и пикокристаллического оксисилаборана образуют, соответственно, область 401 анода и область 402 катода p-изотипного выпрямителя 404. Фоноэлектрический элемент 400 состоит из некоторого количества p-изотипных выпрямителей 404 с расположенными между ними металлическими электродами 403, при этом алюминий является предпочтительным металлом. В то время как область 402 пикокристаллического оксисилаборана практически свободна от подвижных дырок, присоединенная анодная область 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ при комнатной температуре содержит подвижные дырки в следовой концентрации ~10¹⁸ см^-3. Поэтому подвижные дырки диффундируют из анодной области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ в катодную область 402 пикокристаллического оксисилаборана каждого p-изотипного выпрямителя 404 для максимизации энтропии смешения между областями 401 и 402 в соответствии с:

-đG_mix=TđS_mix>0. (56)

[136] В идеальных условиях отсутствует всякий вклад, обусловленный изменением энтальпии. В результате этого вклад в коэффициент Зеебека обусловлен наведенным носителями изменением энтропии смешивающих обнулений в p-(B₁₂H₄)₃Si₅:

(55)

[137] В полную противоположность пикокристаллическому силаборану p-(B₁₂H₄)₃Si₅ пикокристаллический оксисилаборан имеет бесконечный коэффициент смешения Зеебека, обусловленный отсутствием биполяронных дырочных пар в идеальных условиях:

(57)

[138] Следует подчеркнуть, что приведенные выше условия смешения являются идеальными. Занятые энергетические уровни икосаэдра бора, который содержит пикокристаллический силаборан p-(B₁₂H₄)₃Si₅, для идеального случая представлены на фиг. 18А-В. Аналогично этому, занятые энергетические уровни икосаэдра бора, который содержит пикокристаллический оксисилаборан , также для идеального случая представлены на фиг. 20. Соединенные области 401 и 402 фоноэлектрического элемента 400 поддерживают диффузию биполяронных дырочных пар из каждой области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ в присоединенную область 402 пикокристаллического оксисилаборана . Биполяронные дырочные пары сами диффундируют из собственного состояния области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ в собственное состояние присоединенной области 402 пикокристаллического оксисилаборана . Смешение подвижных дырок между анодной и катодной областями 401 и 402 каждого p-изотипного выпрямителя 404 обусловлено соединенными областями с различными составами.

[139] Смешение подвижных дырок между анодной областью 401 и катодной областью 402 представляет собой необратимый процесс, который протекает сам по себе до максимизации энтропии S_mix смешения. Этот процесс может непрерывно поддерживаться в фоноэлектрическом элементе 400, показанном на фиг. 21, если и только если электрический заряд, подходящий к электрической нагрузке, основательно пополнен за счет самотермализации и диспропорционирования подвижных электронно-дырочных пар в анодной области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ каждого p-изотипного выпрямителя 404. Это можно лучше пояснить на примере квантового термодинамического цикла, который является обобщением цикла Карно. В соответствии с этой задачей целесообразно разработать квантовый термодинамический цикл, управляющий фоноэлектрическим элементом 400 способом, сравнимым со способом, соответствующим циклу Карно на фиг. 2. Чтобы сравнить эти два термодинамических цикла, состояния Клазиуса (1851) на фиг. 2 повторно обозначены на фиг. 22.

[140] Рабочий такт цикла Карно на фиг. 22 представляет собой адиабатическое расширение А→В идеального газообразного рабочего вещества при спонтанном охлаждении. На фиг. 22 во время адиабатического расширения А→В идеальное газообразное рабочее вещество спонтанно охлаждается от повышенной температуры T₀+dT до более низкой температуры Т₀ окружающей среды. Термомеханическая работа выполняется рабочим веществом во время адиабатического расширения А→В. Для сравнения рабочий такт квантового термодинамического цикла на фиг. 23 представляет собой адиабатическое смешение А→В подвижного дырочного рабочего вещества при спонтанном охлаждении. Во время адиабатического смешения А→В согласно фиг. 23 существует изменение коэффициента Зеебека (энтропии на единицу заряда), обусловленное изменением энтропии смешения.

[141] Коэффициент α_mix Зеебека вследствие изменения энтропии S_mix находится в пределах от нуля для В₁₃С₂ до 105 мкВ/K для В_12,15С_2,85 в пределах диапазона 0,15≤x≤1,7 состава однофазного карбида бора B_12+xC_3-x. Хотя генерация электродвижущей силы фоноэлектрическим элементом 400, показанным на фиг. 21, обусловлена различием коэффициентов Зеебека для соединенных областей, ее невозможно реализовать с помощью соединенных композиций карбида бора. Это вызвано тем, что нарушение икосаэдрической симметрии в карбиде бора согласно теореме Яна-Теллера исключает возможность поддержания различия энтропии смешения между соединенными областями карбида бора при непрерывной подаче электрической энергии по требованию к приложенной нагрузке. Как теперь будет пояснено, это можно исправить с помощью соединенных областей 401 силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ и областей 402 оксисилаборана в фоноэлектрическом элементе, показанном на фиг. 21.

[142] В исходном состоянии на фиг. 23 каждая смягчающая биполяронная дырочная пара в анодной области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ содержит электрический заряд 2е⁺ и колебательную энергию U(T₀)=3kT₀ (поскольку ). В исходном состоянии А каждая смягчающая биполяронная электронная пара в анодной области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ содержит электрический заряд 2е^- и колебательную энергию U(T₀)=3kT₀ (поскольку ). Во время адиабатического смешения А→В биполяронные дырочные пары сами диффундируют из анодной области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ в присоединенную катодную область 402 пикокристаллического оксисилаборана в соответствии с низкоуровневой инжекцией, вследствие чего концентрация диффундировавших биполяронных дырочных пар намного ниже концентрации p₀.

[143] Биполяронные дырочные пары 2е⁺, инжектированные в процессе адиабатического смешения А→В в область 402 пикокристаллического оксисилаборана , диффундируют к присоединенному металлическому электроду 403, где они собираются. В то же самое время биполяронные электронные пары 2е^- сами диффундируют из анодной области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ в присоединенный металлической электрод 403, где они собираются. Таким образом, в фоноэлектрическом элементе 400, показанном на фиг. 21, во время адиабатического смешения А→В переходный ток протекает в положительном направлении от анодного электрода 403 к катодному электроду 403. При низкоуровневой эжекции концентрация биполяронных электронных пар в анодной области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ в состоянии В остается p₀, тогда как температура понижается во время адиабатического смешения А→В от Т₀ в состоянии А до T₀-dT в состоянии В на фиг. 23.

[144] Любое такое снижение температуры во время адиабатического смешения А→В может поддерживаться только, если необратимое повышение энтропии S_mix смешения во время адиабатического смешения А→В дополняется необратимым повышением энтропии некоторого другого вида в необратимом квантовом термодинамическом цикле с фиг. 23. Тем самым основные ограничения цикла Карно на фиг. 22 могут быть исключены. Рудольф Клаузиус ввел в физику понятие энтропии в 1865 году, см «On different forms of the fundamental equations of the mechanical theory of heat and their convenience for application» в The Second Law of Thermodynamics, под редакцией J. Kestin, Dowden, Hutchinson and Ross, 1976, p. 162. На эту статью будет делаться ссылка как на статью Клаузиуса (1865). Клаузиус (1865) ввел слово «энтропия» как транслитерацию греческого слова ε'ντροπη´, которое означает «поворот».

[145] Хотя это явным образом не использовалось Клаузиусом (1865), независящая от пути точная бесконечно малая вариация в этой заявке обозначается d, тогда как любая зависящая от пути неточная бесконечно малая вариация обозначается в этой заявке đ. Различие между этими двумя бесконечно малыми вариациями основано на формулировке общего характера второго закона термодинамики. Уравнение (2) Клаузиуса (1865) выражается как:

(1)

[146] Следует подчеркнуть, что Клаузиус (1865) обозначал числитель подынтегрального выражения как dQ, хотя он осознавал, что подынтегральное выражение является зависящим от пути. Направление неравенства в уравнении (1) является следствием того, что величина đQ определена как зависящая от пути бесконечно малая теплота, извлекаемая рабочим веществом. Неравенство обращается, если đQ определить в зависимости от теплоты, излучаемой рабочим веществом. Как определил Клаузиус (1865), неравенство означает необратимость: «В данном случае знак равенства должен использоваться, когда все изменения, составляющие циклический процесс, являются обратимыми. Если изменения являются необратимыми, знак неравенства превалирует». Клаузиус (1865) оговорил для необратимого цикла: «Если теперь тело претерпевает изменение или ряд изменений, которые не образуют циклического процесса, но, в котором достигается конечное состояние, которое отличается от исходного состояния, мы можем выполнить циклический процесс без этого ряда изменений, если мы внесем дополнительные изменения такого характера, что они позволят телу пройти от конечного состояния обратно в исходное состояние». Как будет описано, квантовый термодинамический цикл фоноэлектрического элемента 400 с фиг. 23 является необратимым циклом, подчиняющимся уравнению:

(58)

[147] Энергетические состояния интроикосаэдрических электронов в присоединенной анодной области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ в фоноэлектрическом элементе 400 в исходном состоянии А с фиг. 23 показаны на фиг. 24А-В. Биполяронная дырочная пара 2е⁺ в ионизированном искусственном ядре 104 является следствием недостающей электронной пары в собственном состоянии , показанном на фиг. 24В. Следствием отсутствия этих валентных электронов, перепрыгнувших в соседнее искусственное ядро 104, является биполяронная электронная пара 2е^- в распутанном собственном состоянии , показанном на фиг. 24А. Существование биполяронных электронных пар 2е^- в собственном состоянии на фиг. 24А и дополняющей биполяронной дырочной пары 2е⁺ в собственном состоянии на фиг. 24В является следствием ионного диспропорционирования.

[148] Как описывалось в этой заявке выше, диспропорционирование приводит к следовой концентрации ~10¹⁸ см^-3 биполяронных электронно-дырочных пар, распределенных среди ~10²² см^-3 нейтральных искусственных ядер 104, содержащих анодную область 104 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ каждого p-изотипного выпрямителя 404 фоноэлектрического элемента 400. Как показано на фиг. 24C-D, в идеальном случае биполяронные дырки не существуют в катодной области 402 пикокристаллического оксисилаборана в фоноэлектрическом элементе 400 в исходном состоянии А с фиг. 23. Нейтральность заряда существует как в анодной области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ согласно фиг. 24А-В, так и в катодной области 402 пикокристаллического оксисилаборана , показанного на фиг. 24C-D. Во время адиабатического смешения А→В биполяронные дырочные пары диффундируют из анодных областей 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ в катодные области 402 пикокристаллического оксисилаборана согласно фиг. 25В-С.

[149] Согласно фиг. 26C-D, биполяронные дырочные пары, инжектированные в катодную область 402 пикокристаллического оксисилаборана , прыжком перемещаются к металлическому электроду 403, контактирующему с катодной областью 402. В заключение адиабатического смешения А→В подвижные биполяронные дырочные пары 2е⁺, перепрыгивающие в катодную область 402 пикокристаллического оксисилаборана , затем собираются металлическим электродом 403, контактирующим с катодной областью 402. Кроме того, в заключение адиабатического смешения А→В на фиг. 23 подвижные биполяронные электронные пары 2е^-, перепрыгивающие в анодные области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅, собираются металлическими электродами 403, контактирующими с анодными областями 401. Завершение адиабатического смешения А→В на фиг. 23 отчасти представлено электронными энергетическими уровнями фоноэлектрического элемента 400, показанными на фиг. 27A-D.

[150] Должно быть понятно, что на фиг. 27A-D биполяронные электронно-дырочные пары только в относительно небольшом количестве собираются анодным и катодным электродами 403 каждого p-изотипного выпрямителя. Хотя это явным образом не показано на фиг. 27А-В, остается ~10¹⁸ см^-3 биполяронных электронно-дырочных пар в анодных областях 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅. Концентрация биполяронных электронно-дырочных пар представляет собой экстенсивную термодинамическую переменную, которая зависит от количества вещества. Поскольку предполагается низкоуровневая эжекция, концентрация p₀ биполяронных электронно-дырочных пар является практически неизменной при адиабатическом смешении А→В. Этого нельзя сказать о температуре. Поскольку температура является интенсивной термодинамической переменной, температура понижается на бесконечно малую величину dT в результате адиабатического смешения А→В в фоноэлектрическом элементе 400 на фиг. 21.

[151] Смещенные при адиабатическом смешении А→В биполяронные электронно-дырочные пары являются ионизированными подвижными резонаторами Планка, содержащими пары зарядов 2е^- или 2е⁺ и колебательную энергию 3kT₀ (поскольку ). Таким образом, согласно теореме равномерного распределения энергия каждого подвижного заряда, собираемого электродами 403, составляет 3/2kT₀. На фиг. 23 потери тепловой энергии во время адиабатического смешения А→В вызывают понижение температуры от Т₀ в состоянии А до T₀-dT в состоянии В. Это понижение температуры изменяет примесную концентрацию ионизированных искусственных ядер 104 в анодных областях 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ p-изотипных выпрямителей 404, содержащих фоноэлектрический элемент 400. Поскольку ядерные электрические квадрупольные моменты неподвижных естественных ядер 102 бора остаются неизменными, левая часть уравнения (50) остается инвариантной. В результате снижение температуры вследствие адиабатического смешения А→В служит доказательством локализации биполяронных дырочных пар.

[152] Примесная концентрация p>p₀ повышается в анодной области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅во время изотермического перехода В→С:

(59)

[153] При изотермическом фазовом переходе В→С примесная дырочная концентрация p>p₀ биполяронных дырочных пар повышается в анодной области 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅. Это обеспечивает квантовый фазовый переход между квантовой термализацией и квантовой локализацией, вследствие чего энтропия S_trans перехода снижается. Энтропия может повышаться, если и только если снижение энтропии точно компенсируется повышением энтропии в другом месте.

[154] Снижение энтропии S_trans перехода при изотермическом фазовом переходе В→С на фиг. 23 включает в себя обмен скрытой теплотой. В классическом случае цикла Карно согласно фиг. 22 скрытая теплота -đG_B→C выходит в окружающую среду во время изотермического сжатия В→С. В фоноэлектрическом элементе 400 выход скрытой теплоты отсутствует во время изотермического фазового перехода В→С. В данном случае квантовая термодинамика существенно отличается от классической термодинамики. Как рассматривалось ранее, благодаря перепутыванию квантовая механика существенно отличается от классической механики. Как также рассматривалось в этой заявке выше, операциями икосаэдрической симметрии делается максимальным перепутывание атомных орбиталей ψ_i(p_{111}), что приводит к интраикосаэдрическим антисвязывающим и связывающим электронным уровням энергии, удовлетворяющим релятивистским собственным значениям энергии Дирака в уравнениях (23а-b).

[155] Обусловленные перепутыванием электронные орбитальные вырождения искусственных ядер 104 устраняются путем спин-орбитальной связи вместо искажения Яна-Теллера. Это означает, что пикокристаллические оксисилабораны согласно настоящему изобретению отличаются от всех других икосаэдрических твердых веществ с высоким содержанием бора. То есть икосаэдрическая симметрия нарушается искажением Яна-Теллера во всех известных икосаэдрических твердых веществах с высоким содержанием бора из уровня техники. Для решения настоящих задач достаточно, чтобы любое понижение температуры пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ приводило к повышению энтропии S_ent перепутывания с тем, чтобы электроны возбуждались из состояния на фиг. 27В в состояние, показанное на фиг. 28В, при извлечении скрытой теплоты. Повышение энтропии S_ent перепутывания точно компенсирует снижение энтропии S_trans перехода.

[156] На фиг. 28В скрытая теплота, извлекаемая при изотермическом фазовом переходе В→С, физически преобразуется в сохраняемую электрическую энергию путем возбуждения валентных электронов. Физическое средство, посредством которого это осуществляется, будет описано в этой заявке ниже. Для решения настоящих задач достаточно, чтобы в отличие от цикла Карно скрытая теплота не выходила в окружающее пространство во время изотермического фазового перехода В→С. Квантовая локализация является преобладающим явлением вследствие физического характера квантового перепутывания. Примесная концентрация p>p₀ биполяронных электронно-дырочных пар возрастает в анодных областях 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ вследствие повышенной квантовой локализации при изотермическом фазовом переходе В→С. Когда биполяронные электронно-дырочные пары достаточно локализованы, ядерные электрические квадрупольные моменты ядер 102 бора являются причиной самотермализации C→D локализованных биполяронных электронно-дырочных пар.

[157] Самотермализация показана на фиг. 29В. Когда электроны попадают из перепутанных интраикосаэдрических антисвязывающих суборбиталей в распутанные связующие суборбитали, высвобождаемая энергия повышает температуру локализованных нейтральных искусственных атомов 104 с фиг. 29В. Эта повышенная вследствие самотермализации C→D температура фиксируется около температуры Т₀ окружающей среды. При самотермализации C→D самотермализованные нейтральные искусственные ядра 104 подвергаются воздействию ионизованного диспропорционирования способом, представленным на фиг. 30А-В. Получающаяся в результате концентрация p>p₀ биполяронных дырочных пар остается локализованной во время адиабатической самотермализации C→D согласно фиг. 23. После этого квантовый фазовый переход наводится ядерными электрическими квадрупольными моментами ядер 102 бора.

[158] В результате изотермический фазовый переход D→A является причиной снижения концентрации p биполяронных дырочных пар в анодных областях 401 пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ в фоноэлектрическом элементе 400 в соответствии с:

(60)

[159] Согласно фиг. 24А-В изотермический фазовый переход D→A на фиг. 23 связан с некомпенсированным возрастанием энтропии S_trans перехода из локализованного состояния при D в исходное термализованное состояние при А на фиг. 23. Изотермический фазовый переход D→A создает некомпенсируемое возрастание энтропии S_trans перехода, поскольку энтропия S_ent перепутывания искусственных ядер 104 сама никогда не может снизиться. Снижение энтропии S_ent перепутывания, связанное с распутыванием интраикосаэдрических энергетических уровней, обусловлено ядерными электрическими квадрупольными моментами ядер 102 бора во время адиабатической самотермализации C→D, представленной на фиг. 23.

[160] При изотермическом фазовом переходе D→A скрытая теплота T₀đS_trans необязательно извлекается из окружающей среды. Извлечением скрытой теплоты T₀đS_trans во время изотермического фазового перехода D→A фоноэлектрического элемента 400 создается равновесие энтропий, первоначально предположенное Гиббсом (1873), но никогда не реализуемое физически. В результате равновесия энтропий во время изотермического фазового перехода D→A скрытая теплота T₀đS_trans, извлекаемая из окружающей среды, непосредственно преобразуется в снижение свободной энергии -đG_mix Гиббса во время А→В:

T ₀ đS_trans=-dTđS_mix=-đG_mix. (61)

[161] Поскольку коэффициент Зеебека представляет энтропию на единицу электрического заряда, приведенное выше соотношение может быть выражено через коэффициент Зеебека:

T ₀ đS_trans=-edTđα_mix=-đG_mix=eV_out. (62)

[162] Этим соотношением обосновывается дополняющий эффект Зеебека, описываемый как:

V_out=T₀đα_trans. (63)

[163] Квантовый термодинамический цикл с фиг. 23 представлен модифицированным на фиг. 31 для описания фоноэлектрического элемента 400 с фиг. 21. В то время как на этапе обратимого цикла Карно с фиг. 22 чистая потребляемая скрытая теплота преобразуется đQ_D→A-đQ_B→C в термомеханическую работу -dW, связанную с адиабатическим расширением А→В идеального газообразного рабочего вещества, на этапе необратимого квантового термодинамического цикла согласно фиг. 31 извлекаемая скрытая теплота eT₀đα_trans преобразуется в электродвижущую силу eV_out, связанную с адиабатическим смешением А→В уникального рабочего вещества, обладающего электрическим зарядом. Чрезвычайно важно то, что выходное напряжение V_out фоноэлектрического элемента 400 на фиг. 21 обусловлено изотермическим извлечением скрытой теплоты eT₀đα_trans из окружающей среды без необходимости во втором тепловом резервуаре.

[164] В то время как двигатель Карно представляет собой реверсируемый термомеханический двигатель, который работает между двумя тепловыми резервуарами с различными температурами, фоноэлектрический элемент 400 с фиг. 21 представляет собой нереверсивный термоэлектрический двигатель, работающий в тепловом равновесии с окружающим тепловым резервуаром без необходимости во втором тепловом резервуаре с другой температурой. Фоноэлектрический элемент 400 с фиг. 21 защищен от фундаментальных ограничений, присущих всем тепловым двигателям из уровня техники.

[165] Прежде всего, для фоноэлектрического элемента 400 исключена необходимость в высокотемпературном тепловом резервуаре на основе горения или любого другого процесса с использованием невозобновляемого источника энергии. Источник энергии фоноэлектрического элемента 400 с фиг. 21 представляет собой скрытую энтропию в биосфере. Двигатель, выполняющий работу по требованию, обязательно повышает энтропию биосферы благодаря этой работе. Термоэлектрическая работа eV_out, представляемая фоноэлектрическим элементом 400 к электрической нагрузке, непосредственно преобразуется из снижения энтропии окружающей среды, что первоначально было сформулировано Гиббсом (1873), так что результирующая энтропия в биосфере не изменяется в биосфере при выполнении работы по требованию. То есть, снижение энтропии биосферы, обусловленное работой фоноэлектрического элемента 400, компенсируется повышением энтропии биосферы, связанным с работой, выполняемой по требованию приложенной электрической нагрузкой.

[166] Основательная новизна и полезность вариантов осуществления настоящего изобретения может быть выражена через энергетический бюджет Земли, приведенный на фиг. 32, который был подготовлен национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства на основании реальных данных, усредненных по десяти годам. Солнечное излучение, попадающее в атмосферу Земли, излучается из фотосферы Солнца, и оно имеет эффективную температуру 5777 K, которая соответствует частоте излучения 120 ТГц. Инфракрасное излучение, испускаемое Землей при 300 K, происходит на частоте 6,2 ТГц. Обратное излучение из атмосферы на фиг. 32 составляет 340 Вт/м² (или также 34 мВт/см²). Энергетический бюджет Земли может быть выражен с помощью закона излучения черного тела Планка из уравнения (16):

(16)

[167] Закон излучения черного тела Планка из уравнения (16) полностью описывает спектральное излучение, испускаемое абсолютно черным телом, находящемся в тепловом равновесии при заданной температуре. График различных кривых спектральной энергетической яркости, подчиняющейся закону черного тела Планка, для различных температур излучателя представлен на фиг. 33. Интеграл каждой кривой спектральной энергетической яркости по всем длинам волн и всему пространственному углу дает в результате плотность |Е×Н| потока энергии, известную как энергетическая освещенность. Энергетическая освещенность, обеспечиваемая излучением черного тела, является функцией только температуры излучателя. В приближении первого порядка поверхность Земли может трактоваться как черное тело в тепловом равновесии с атмосферой при температуре Т₀=300 K и энергетической освещенности |Е×Н|=34 мВт/см². Закон спектрального смещения Вина поддерживает соотношение в уравнении (32), которое можно применять к поверхности Земли при Т₀=300 K:

=34 мВт/см² (64)

[168] Закон спектрального смещения Вина распространяется на работу, выполняемую относительно или с помощью излучения при постоянной энергетической освещенности |Е×Н|=34 мВт/см², которая соответствует температуре излучателя. Частота излучения фотосферы Солнца при Т=5777 K составляет ν'=120 ТГц. Для сравнения частота инфракрасного земного излучения, испускаемого поверхностью Земли при Т₀=300 K, составляет ν=6,2 ТГц. В предположении, что поверхность Земли находится в тепловом равновесии с атмосферой при Т₀=300 K, земное излучение 6,2 ТГц, испускаемое поверхностью Земли, происходит при постоянной энергетической освещенности |Е×Н|=34 мВт/см² согласно уравнению (64). Энергия фотона при 120 ТГц составляет 0,50 эВ, тогда как энергия фотона при 6,2 ТГц составляет 25,9 мэВ.

[169] Энергетический бюджет биосферы Земли можно рассматривать как разность между приходящим солнечным излучением и исходящим земным излучением при постоянной энергетической освещенности |Е×Н|=34 мВт/см². Хотя этот энергетический бюджет биосферы Земли является поверхностным, он является полезным при описании новизны и полезности предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения. Эффективность работы, выполняемой по требованию термомеханическими двигателями, обязательно ограничена циклом Карно, выпусками скрытой теплоты в биосферу, так что в результате возрастает энтропия биосферы. Это вытекает из того, что тепловой двигатель Карно представляет собой всего лишь реверсивный термомеханический двигатель, который работает между двумя тепловыми резервуарами, находящимися при различных температурах. Все другие термомеханические двигатели представляют собой нереверсивные тепловые двигателя с более низкой эффективностью, чем тепловой двигатель Карно.

[170] Тепловой двигатель Карно извлекает скрытую теплоту из высокотемпературного теплового резервуара и выпускает несколько меньше скрытой теплоты в низкотемпературный тепловой резервуар, связанный с биосферой. Вследствие возможности реверсирования теплового двигателя Карно энтропия, связанная с выпускаемой скрытой теплотой, является такой же, как энтропия, связанная с извлекаемой скрытой теплотой. Способность теплового двигателя Карно выполнять термомеханическую работу по требованию обусловлена спонтанностью необратимой экзотермической химической реакции (обычно горения), при которой создается высокотемпературный тепловой резервуар. Горение возмущает биосферу выпуском тепловой энергии в атмосферу и, кроме того, выбросом химических побочных продуктов, опасно загрязняющих атмосферу. При работе термомеханических двигателей повышается энтропия биосферы.

[171] Точка выключения неестественного некомпенсированного повышения энтропии в биосфере, обусловленного термомеханическими двигателями, связанная с изменением климата, в настоящее время является спорной. Однако бесспорно, что широкое распространение термомеханических двигателей вредно влияет на биосферу вследствие все возрастающей энтропии. Единственным средством от вредного повышения энтропии биосферы при выполнении работы по требованию является использование сохранения равновесия энтропии, предложенного Гиббсом (1873). «Необходимо установить наибольшую величину, при которой в этих условиях возможно уменьшить энтропию внешней системы. Очевидно, это будет величина, при которой энтропия тела может быть повышена без изменения энергии тела или повышения объема его». Это является свободной энтропией Гиббса.

[172] В уровне техники нет никакого известного способа повышения энтропии тела без изменения энергии тела или повышения объема его. Это отсутствие компенсируется в предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения путем использования черного тела Кирхгофа способом, неизвестным из уровня техники. Хотя описание излучения, испускаемого черным телом Кирхгофа, точно представляется законом Планка для излучения черного тела, физическая основа резонатора Планка, который испускает упомянутое излучение, неизвестна из уровня техники. Из уровня техники известно, что излучение может создавать электродвижущую силу в фотоэлектрическом элементе, которая свободна от ограничений, накладываемых циклом Карно. Радиационная генерация подвижных электронно-дырочных пар ограничена солнечным излучением, так что плотность мощности фотоэлектрического элемента является очень небольшой при непосредственном преобразовании энергии.

[173] Проблема низкой плотности возобновляемой энергии всех видов, известных из уровня техники, решается являющимся новым и полезным использованием колебательной энергии резонаторов Планка из искусственных ядер 104 в фоноэлектрическом элементе 400 с фиг. 21. Как предсказал Гиббс (1873), некомпенсированное повышение энтропии S_ent перепутывания во время изотермического фазового перехода В→С в фоноэлектрическом элементе 400 является ответственным за снижение энтропии окружающей среды. Единственный способ выполнить работу по требованию в гармонии с энергетическим бюджетом Земли на фиг. 31 заключается в осуществлении снижения энтропии биосферы, компенсируемого повышением энтропии, связанным с работой, выполняемой по требованию. Как будет рассмотрено ниже, уникальность фоноэлектрического элемента 400 на фиг. 21 заключается в выполнении работы по требованию при наведенном снижении энтропии биосферы.

[174] Изобретение включает в себя новый вид состава твердого вещества, получаемого нагревом бора и гидридов кремния в присутствии водорода и необязательно окисляющего химического агента. В соответствии с диапазоном состава материалы, в дальнейшем называемые «пикокристаллическими оксисилаборанами» и представляемые формулой «(B₁₂H₄)_xSi_yO_z», содержат (B₁₂H₄)₄Si₄ и , соответственно, в пределе, при этом x, y и z являются числами в соответствующих пределах: 2≤x≤4, 3≤y≤5 и 0≤z≤2. Пикокристаллический оксисилаборан (B₁₂H₄)_xSi_yO_z включает в себя твердофазные материалы с широким диапазоном состава, в дальнейшем называемые «оксисилаборанами» и представляемые формулой «(B₁₂H_w)_xSi_yO_z», при этом w, x, y и z являются числами в соответствующих пределах: 3≤w≤5, 2≤x≤4, 3≤y≤5 и 0≤z≤3. Эти новые составы можно описывать как бораны вследствие содержащегося в них водорода.

[175] На фиг. 34 показана микрофотография, полученная с помощью высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии (ВРПЭМ), пикокристаллического оксисилаборана 502, осажденного на подложку 501 из монокристаллического (001) кремния. Как будет пояснено в этой заявке ниже, промежуточный слой 503 является следствием специфических условий осаждения. Полученное с помощью высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии изображение подложки 501 из монокристаллического кремния, подвергнутое действию быстрого преобразования Фурье (БПФ), показано на фиг. 35. Изображение пленки 502 пикокристаллического оксисилаборана после быстрого преобразования Фурье показано на фиг. 36. В то время как на фиг. 35 изображение кремниевой подложки 501 после быстрого преобразования Фурье является типичным для монокристаллической решетки с дальним периодическим трансляционным порядком, на фиг. 36 изображение пленки 502 пикокристаллического оксисилаборана после быстрого преобразования Фурье имеет ближний порядок, который не является характеристикой монокристаллической решетки или аморфного стекла, эти соображения повлияли на варианты осуществления этого изобретения.

[176] Для лучшего понимания ближнего порядка пикокристаллического оксисилаборана 502 дифракционная интенсивность при высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии в случае получения изображения подложки 501 из монокристаллического кремния показана графически на фиг. 37 в зависимости от межплоскостных d-расстояний решетки между параллельными плоскостями Брэгга атомов, поддерживающих конструктивную интерференцию электронных волн. Пик с наивысшей интенсивностью, показанный на фиг. 37, связан с межплоскостными d-расстояниями 3,135 Å решетки между параллельными плоскостями {111} атомов в подложке 501 из монокристаллического кремния. Другой высокоинтенсивный пик на фиг. 37 связан с межплоскостными d-расстояниями 1,920 Å между параллельными плоскостями {220} атомов в подложке 501 из монокристаллического кремния. В показанной на фиг. 38 дифракционной картине после быстрого преобразования Фурье изображения пленки 502 поликристаллического оксисилаборана, которое было получено с помощью высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии, отсутствует единственный высокоинтенсивный пик.

[177] На фиг. 36 размытое кольцо на изображении пленки 502 пикокристаллического борана после быстрого преобразования Фурье соответствует размытым межплоскостным расстояниям решетки между d=2,64 Å и d=2,74 Å на фиг. 38. Для более полного понимания значения этого размытого кольца полезно рассмотреть обычную рентгеновскую дифракционную (РД) картину ω-2θ тонкой пленки пикокристаллического борана, показанную на фиг. 39. В обычной рентгеновской дифракционной картине ω-2θ как угол ω падения рентгеновского пучка, так и угол 2θ дифрагированного рентгеновского пучка являются относительно постоянными и совместно изменяются одновременно на протяжении угла 2θ рентгеновской дифракции. При этом набор регулярно разнесенных плоскостей решетки приводит к острому дифракционному пику. Кроме того, тонкая пленка пикокристаллического борана, сканированная для фиг. 39, была осаждена на подложку из монокристаллического (001) кремния. Высокоинтенсивные пики на фиг. 39 связаны с рентгеновской дифракцией благодаря регулярно разнесенным плоскостям решетки кремния.

[178] Существуют два размытых дифракционных пика, центрированных вблизи 2θ=13,83° и 2θ=34,16° на фиг. 39. Эти два размытых дифракционных низкоинтенсивных пика связаны с тонкой пленкой пикокристаллического борана. Для отделения дифракционных пиков, связанных с тонкой пленкой из числа пленок, связанных с подложкой, использовалась рентгеновская дифракционная спектроскопия со скользящим падением (РДССП). Спектроскопия этого вида также называется рентгеновской дифракцией с углом скольжения. Оба этих термина будут использоваться попеременно. Сканограмма рентгеновской дифракции со скользящим падением той же самой пленки пикокристаллического борана, как представленная на фиг. 39, показана на фиг. 40. При любом небольшом угле ω скольжения дифракционные пики рентгеновской дифракции со скользящим падением обусловлены регулярно разнесенными плоскостями решетки атомов в тонкой пленке пикокристаллического борана, но не в кремниевой подложке.

[179] На фиг. 40 пленка пикокристаллического борана представлена как аморфная пленка за исключением, возможно, ближнего порядка вследствие размытых дифракционных пиков вблизи угла 2θ=52,07°. При получении сканограммы пленки пикокристаллического борана с помощью рентгеновской дифракции со скользящим падением, показанной на фиг. 41, фиксированный угол падения рентгеновского пучка составлял ω=6,53°, а детектор рентгеновского излучения перемещался в пределах углов дифракции от 2θ=7,0° до 2θ=80°. На фиг. 41 острый низкоинтенсивный пик рентгеновского излучения существует при 2θ=13,07°. Этот рентгеновский пик соответствует межплоскостному d-расстоянию решетки d=6,36 Å, которое присуще широкому диапазону низкоинтенсивных рентгеновских пиков вблизи 2θ=13,83° на фиг. 39. Этот рентгеновский дифракционный пик связан условием Брэгга с фиксированным углом ω=6,53° падения рентгеновского излучения. Если фиксированный угол ω падения изменяется, другой пик Брэгга получается соответственно новому углу ω падения рентгеновского излучения на некоторой другой сканограмме рентгеновской дифракции со скользящим падением. Этот режим подавляют, поскольку существование области низкоинтенсивных рентгеновских пиков, связанных с углом ω падения рентгеновского излучения, в сканограммах рентгеновской дифракции со скользящим падением делает пленку пикокристаллического борана не аморфной.

[180] Однако анализ также делает очевидным, что пленка пикокристаллического борана не является поликристаллической. Поликристаллическая пленка состоит из большого количества кристаллических зерен, которые упорядочены случайно, так что все наборы регулярных межплоскостных расстояний решетки приводятся к условию Брэгга в любой сканограмме рентгеновской дифракции со скользящим падением вследствие случайного упорядочения поликристаллических зерен. Это не является случаем на фиг. 40-41. Теперь будет представлено возможное объяснение структуры пленки пикокристаллического борана путем увязывания экспериментальных данных дифракции с теоретическим анализом симметрии, приведенным в этой заявке выше.

[181] Операции икосаэдрической симметрии 20С₃ оставляют любой правильный икосаэдр неизменным при повороте на 120° вокруг оси, соединяющей средние точки десяти пар параллельных (пусть даже и обращенных) треугольных граней. В случае правильного икосаэдра бора с ребром 1,77 Å межплоскостное расстояние решетки параллельных треугольных граней составляет d=2,69 Å. Это расстояние интраикосаэдрической решетки соответствует углу 2θ=33,27° дифракции для рентгеновского излучения 1,54 Å (которое представляет собой рентгеновское излучение, использованное для всех сканограмм рентгеновской дифракции на фигурах, упомянутых в этой заявке выше). Этот угол дифракции содержится в расширенных низкоинтенсивных дифракционных пиках при 2θ=34,16° в сканограмме ω-2θ рентгеновской дифракции на фиг. 39, которые, в свою очередь, связаны с размытым кольцом электронной дифракции на фиг. 36. Следующая задача заключается в предоставлении возможного объяснения расширения пиков и колец рентгеновской и электронной дифракции.

[182] В симметричной ядерной конфигурации икосаэдра бора предполагается, что все ядра бора в 12 икосаэдрических вершинах являются одинаковыми. В действительности это не имеет места. Существуют два естественных стабильных изотопа и бора со сферически деформированными ядрами. Сплющенное сфероидальное ядро имеет положительный электрический квадрупольный момент. Состоящий из 267 стабильных нуклидов бор является стабильным нуклидом с наибольшим ядерным электрическим квадрупольным моментом для каждого нуклона, который стремится дестабилизировать ядра бора. Бор имеет ядерный угловой момент , а также большой позитивный ядерный электрический квадрупольный момент +0,111×10^-24 е⋅см². Бор имеет ядерный угловой момент , а также положительный ядерный электрический квадрупольный момент +0,0355×10^-24 е⋅см².

[183] Естественными изотопами бора являются ~20% и ~80% . Для решения настоящих задач предположим, что ядра бора, содержащие икосаэдры бора пикокристаллических оксисилаборанов согласно этому изобретению, распределены в соответствии с естественным изотопных отношением, центр тяжести ядер бора сдвинут от геометрического центра икосаэдрических граней. Это действует в направлении деформирования симметричной ядерной конфигурации икосаэдров бора. Это деформирование может быть связано с изотопным обогащением, рассмотренным в Nishizava, ʺIsotopic enrichment of tritium by using guest-host chemistryʺ, Journal of Nuclear Materials, vol. 130, 1985, p. 465. Нисизава использовал термохимию гость-хозяин для исключения радиоактивного трития из сточной воды на ядерной установке крон-эфира и аммониевого комплекса. Аммоний NH₃, слабо захватываемый крон-эфиром, имеется в симметричном треугольнике с тремя ядрами водорода в углах треугольника и центром тяжести в геометрическом центре. Расстояние между ядрами водорода вдоль треугольных граней составляет 1,62 Å. Если один атом водорода заменяется атомом трития, центр тяжести сдвигается на 0,28 Å к атому трития.

[184] Сдвиг центра тяжести от треугольного геометрического центра в меченом тритием аммонии связан со снижением свободной энергии Гиббса вследствие повышения энтропии. Из изложенного обязательно следует то, что изотопное обогащение меченого тритием аммония (слабо захватываемого крон-эфиром) представляет собой спонтанную термохимическую реакцию, при которой снижается свободная энергия Гиббса в результате положительного возрастания энтропии, которое превышает положительное возрастание энтальпии. Подобное состояние может устанавливаться в пикокристаллических оксисилоборанах.

[185] Геометрическое искажение, обусловленное смесью изотопов и бора в икосаэдрах бора, содержащих пикокристаллические оксисилабораны, вызывает расширение пиков Брэгга, связанных с интраикосаэдрическими конструктивными рентгеновскими дифракционными картинами, обусловленными десятью наборами почти параллельных плоских граней конституентных икосаэдров бора. Однако можно полагать, что это изотопное искажение аналогичным образом сохраняется в большей части икосаэдров бора, так что пики Брэгга связаны с интерикосаэдрическими конструктивными рентгеновскими дифракционными картинами между параллельными плоскостями, образованными икосаэдрами бора в углах непрерывной случайной полиэдрической сетки. Расстояние между пространственными центрами углов икосаэдров бора изменяется случайным образом, так что острые пики Брэгга возникают между параллельными икосаэдрическими гранями при каждом угле падения рентгеновских лучей в диапазоне вблизи 2θ=13,83°.

[186] Нанокристаллическим твердым веществом обычно считают поликристаллическое твердое вещество с небольшими зернами, с зернами размером меньше чем 300 нм. Поскольку размер зерен является низким, то периодический трансляционный порядок является ближним и рентгеновские дифракционные пики расширяются. В то время как для любого типичного нанокристаллического материала отсутствует какой-либо дальний порядок, для пикокристаллических оксисилаборанов согласно этому изобретению имеется ближний периодический трансляционный порядок наряду с дальним ориентационным порядком связи, который считается обусловленным самовыравниванием икосаэдров бора в почти симметричную ядерную конфигурацию. В соответствии с определением, принятым в этой заявке, твердое вещество в виде поликристаллического борана является твердым веществом, состоящим из по меньшей мере бора и водорода, которое имеет дальний ориентационный порядок связи вследствие острых рентгеновских дифракционных пиков при рентгеновской дифракции со скользящим падением (РДСП).

[187] Чтобы понять дальний ориентационный порядок связи, который характеризует пикокристаллические оксисилабораны, важно обратить внимание на искусственные ядра 104. Искусственные ядра 104, которые образуют пикокристаллические оксисилобораны, представляют собой икосаэдры бора с почти симметричной ядерной конфигурацией, так что поддерживается ближний периодический трансляционный порядок. Десять пар параллельных граней искусственных ядер 102 в идеальном случае отстоят на d=269 пм, что обеспечивает широкий интраикосаэдрический рентгеновский дифракционный пик при 2θ=33,27°. Как рассматривалось в этой заявке выше, интраикосаэдрические рентгеновские дифракционные пики в искусственных ядрах 104 являются расширенными благодаря смеси двух изотопов и бора. Важно более точно определить, что означают «широкие» и «острые» рентгеновские дифракционные пики в предпочтительных вариантах осуществления этого изобретения.

[188] Любой острый рентгеновский дифракционный пик характеризуется шириной пика на уровне половины интенсивности, которая по меньшей мере в десять раз меньше, чем высота пика. И наоборот, широкий рентгеновский дифракционный пик характеризуется шириной пика на уровне половины интенсивности, которая больше, чем половина высоты пика. Рентгеновский дифракционный пик при 2θ=52,07° на фиг. 40 представляет собой широкий рентгеновский дифракционный пик, который является характеристикой небольших зерен. Рентгеновский дифракционный пик при 2θ=34,16° на сканограмме ω-2θ рентгеновской дифракции с фиг. 39 представляет собой широкий рентгеновский дифракционный пик вследствие конструктивной интраикосаэдрической рентгеновской дифракции на искусственных ядрах 104. В предпочтительных вариантах осуществления этого изобретения представлены искусственные ядра 104, обеспечивающие широкий рентгеновский дифракционный пик вблизи 2θ=33,27°. Расширенная трехмерная сетка пикокристаллических оксисилаборанов образована путем параллельного переноса на протяжении пространства неправильного гексаэдра.

[189] Пятикратная симметрия правильного икосаэдра несовместима с четырехкратной симметрией правильного гексаэдра (куба), так что невозможно периодически параллельно переносить правильную гексаэдрическую элементарную ячейку с икосаэдрическими квантовыми точками на вершинах на протяжении пространства инвариантным к параллельному переносу способом. Нарушение симметрии должно происходить в неправильных гексаэдрах 300, показанных на фиг. 10. В большей части твердых веществ с большим содержанием бора из уровня техники пятикратная икосаэдрическая симметрия нарушается искажением Яна-Теллера, так что интерикосаэдрические связи стремятся быть сильнее интраикосаэдрических связей. Это является причиной того, что твердые вещества с большим содержанием бора из уровня техники называют обращенными молекулами. При исключении пятикратной икосаэдрической симметрии путем нарушения икосаэдрической симметрии понижается ароматичность, связанная с делокализацией связей в икосаэдрах бора.

[190] Пятикратная вращательная симметрия икосаэдрических искусственных ядер 104 сохраняется, так что поэтому четырехкратная симметрия неправильных гексаэдров 300 борана нарушается. Каждый неправильный гексаэдр 300 борана образован искусственными ядрами 104 в гексаэдрических углах. Следует понимать, что искусственное ядро 104 образовано икосаэдром бора с почти симметричной ядерной конфигурацией, которая сохраняет пятикратную вращательную симметрию. Хотя пятикратная вращательная симметрия не может наблюдаться при дифракции рентгеновских лучей или электронов, могут наблюдаться новые электронные и колебательные свойства, обусловленные пятикратной вращательной симметрией искусственных ядер 104. Искусственные ядра 104 образуются в результате правильного расположения первого и второго наиболее близких естественных атомов 102 бора, которые поддерживают ближний трансляционный порядок.

[191] Аналогично естественным атомам для искусственных атомов 101 пикокристаллических оксисилаборанов ограничено дискретное квантование энергетических уровней в области пространства, которая меньше чем 300 пм. Однако дискретные энергетические уровни искусственных ядер 104 существенно отличаются от дискретных энергетических уровней естественных атомов. Речь идет о спектроскопических принципах обычной химии. Спектроскопические принципы выражены в книге Harris and Bertolucci, Symmetry and Spectroscopy, Oxford Univ. Press. 1978. На страницах 1-2 книги Харрис и Бертолуччи отмечают, что «в общем случае свет инфракрасного спектра частот может переводить молекулы с одного колебательного энергетического уровня на другой. Поэтому мы называем инфракрасную спектроскопию колебательной спектроскопией. Видимый и ультрафиолетовый свет являются намного более сильнодействующими и могут вызывать перераспределение электронов в молекуле, вследствие чего потенциальная энергия электронов молекулы изменяется. Поэтому мы называем спектроскопию в видимой и ультрафиолетовой областях электронной спектроскопией».

[192] В искусственных ядрах 104 пикокристаллических оксисилаборанов вращательные, колебательные и электронные степени свободы являются полностью скрученными в колебательно-вращательные энергетические уровни, которые поддерживают перераспределение электронов в ответ на микроволновое излучение. Перераспределение электронов между микроволновыми энергетическими уровнями вызвано внутренним квантованием энергетических уровней, возникающим вследствие пятикратной вращательной симметрии почти симметричного икосаэдра, способной поддерживать расширенный дифракционный пик при угле 2θ=33,27° дифракции, который соответствует идеальному расстоянию d=269 пм между противоположными парами икосаэдрических граней. В отличие от естественных ядер искусственные ядра 104 имеют обнаруживаемую инфраструктуру.

[193] Поскольку углы неправильных гексаэдров 300 борана пикокристаллических оксисилаборанов заняты искусственными ядрами 104, интерикосаэдрические рентгеновские дифракционные пики связаны с ближайшими соседними искусственными ядрами 104. Что касается фиг. 10, то соответствующие икосаэдрические грани искусственных ядер 104 идеально самосовмещены в пикокристаллическом оксисилаборане (B₁₂H₄)_xSi_yO_z в пределах предпочтительного диапазона состава, при этом 2≤x≤4, 3≤y≤5 и 0≤z≤2. Вследствие нарушения симметрии неправильных гексаэдров 300 борана самосовмещение икосаэдрических граней искусственных ядер 104 поддерживается при наличии случайного расстояния между икосаэдрическими пространственными центрами искусственных ядер 104. Совмещение естественных атомов в молекулы обычно описывается через угол связи валентных электронов атомов. Это свойство связано с тем, что естественный атом свободен от всякой видимой с внешней стороны ядерной инфраструктуры.

[194] Искусственные ядра 104 в пикокристаллических оксисилоборанах имеют инфраструктуру, связанную согласно фиг. 5 с почти симметричным икосаэдром, имеющим ядро 102 бора на каждой икосаэдрической вершине. Для поддержания почти симметричной ядерной конфигурации ядра 102 бора из искусственного ядра 104 химически образованы с помощью трехцентровых связей, так что согласно фиг. 5 в идеальном случае пиковая плотность электронов существует вблизи центра восьми икосаэдрических граней, нормальных к четырем волновым векторам k_〈111〉. Существенно то, что искусственное ядро 104 содержит заключенный в клетку икосаэдр бора без радиальных валентных электронов бора. Искусственные атомы 101 связаны с естественными атомами в пикокристаллических оксисилаборанах посредством атомов водорода, которые, в свою очередь, связаны силой Дебая.

[195] Самосовмещение искусственных атомов 101 в неправильных гексаэдрах 300 борана приводит к выравниванию валентных электронов ядер 103 водорода вдоль волновых векторов k_〈111〉. Поскольку четыре валентных электрона четырехвалентных атомов 303 неправильных гексаэдров 300 борана выровнены вдоль волновых векторов k_〈111〉, то искусственные атомы 101 ковалентно связаны с четырехвалентными атомами 303 вдоль волновых векторов k_〈111〉 посредством атомов водорода. Угол связи между искусственными атомами 101 и естественными четырехвалентными атомами 303 выровнен вдоль волновых векторов k_〈111〉, если 20 икосаэдрических граней искусственных атомов 101 самосовмещены и икосаэдрические пространственные центры изменяются случайно в пределах конечного диапазона.

[196] Самосовмещение икосаэдрических граней и случайные пространственные вариации икосаэдрических пространственных центров искусственных ядер 104 можно оценить с помощью рентгеновской дифракционной спектроскопии. Это обусловлено тем, что в отличие от естественных атомов искусственные ядра 104 имеют инфраструктуру, в которой периодически повторяются первый и второй ближайшие соседние атомы бора. Ближний периодический трансляционный порядок искусственных ядер 104 обнаруживается по интраикосаэдрическим дифракционным пикам, связанным с межплоскостными расстояниями d=269 пм между параллельными икосаэдрическими гранями. Ближний периодический трансляционный порядок пикокристаллических оксисилаборанов характеризуется широким рентгеновским дифракционным пиком при обычной рентгеновской дифракции ω-2θ, который имеется по меньшей мере частично в диапазоне углов 32°<2θ<36° дифракции. Ближний периодический трансляционный порядок искусственных ядер 104 поддерживает обнаружение углов неправильных гексаэдров 300 борана, образующих пикокристаллические оксисилабораны в пределах предпочтительного диапазона состава.

[197] Вследствие параллельных граней в ближайших соседних искусственных ядрах 104 интерикосаэдрические рентгеновские дифракционные пики совместно приводят к широкому рентгеновскому дифракционному пику при обычной рентгеновской дифракции, который попадает в диапазон 12°<2θ<16° дифракции. При обычной рентгеновской дифракции ω-2θ угол ω падения рентгеновских лучей и угол 2θ дифракции поддерживают относительно постоянными, а затем их совместно изменяют в пределах очень широкого диапазона углов дифракции. Сама по себе обычная рентгеновская дифракция ω-2θ не позволяет определять самосовмещение искусственных ядер 104 пикокристаллических оксисилаборанов. Этот недостаток может быть исключен при добавлении к обычной рентгеновской дифракции ω-2θ рентгеновской дифракции со скользящим падением (РДСП). Хотя некоторое количество условий Брэгга может быть обнаружено при обычной рентгеновской дифракции ω-2θ, только одно специфическое условие Брэгга существует при рентгеновской дифракции со скользящим падением для каждого фиксированного угла ω падения рентгеновских лучей.

[198] Вследствие интерикосаэдрической конструктивной интерференции рентгеновских лучей между параллельными гранями угла искусственного ядра 104 при любом заданном угле ω падения рентгеновских лучей в пределах 6°<ω<8° в пикокристаллическом оксисилаборане существует острый пик рентгеновской дифракции. Икосаэдрические пространственные центры ближайших соседних угловых искусственных ядер 104 случайным образом разделены ограниченными конечными промежутками ~640 пм. Случайное разделение угловых искусственных ядер 104 в неправильных гексаэдрах 300 борана из пикокристаллических оксисилаборанов приводит к получению ряда острых рентгеновских дифракционных пиков. Существование острого рентгеновского дифракционного пика при любом фиксированном угле ω падения является характеристикой дальнего ориентационного порядка связи. Предпочтительные пикокристаллические оксисилабораны будут описаны с помощью конкретных примеров.

[199] Для получения пленок оксисилаборана согласно настоящему изобретению используется метод химического осаждения из паровой фазы, в процессе которого пленка твердого вещества осаждается при прохождении газообразных паров, содержащих бор, водород, кремний и кислород, над нагретой подложкой в герметичной камере, в которой поддерживается давление ниже атмосферного. Предпочтительными парами являются оксид азота N₂O и гидриды бора и кремния низкого порядка, при этом диборан В₂Н₆ и моносилан SiH₄ являются наиболее предпочтительными. Оба гидрида могут быть разбавлены водородсодержащим газом. При прохождении разбавленных водородом диборана и моносилана и необязательно оксида азота над образцом, нагретым выше ~200°С при давлении ~1-30 торр (~133-4000 Па) твердофазная пленка оксисилаборана самособирается на подложке, предпочтительно пикокристаллического оксисилаборана.

[200] Нагрев может быть реализован оборудованием, хорошо известным специалистам в области технологии полупроводниковых приборов. Например, молибденовое основание может образовывать твердофазный держатель подложки, который можно подвергать воздействию резистивного или индуктивного нагрева. Подложку можно нагревать без использования основания в резистивно-нагреваемой кварцевой трубке. Во всех этих способах имеются нагреваемые поверхности (помимо предназначенной для осаждения подложки), на которые осаждают пленку оксисилаборана. Подложку можно нагревать без использования основания в реакторе с охлаждаемыми стенками путем радиационного нагрева галогенными лампами при быстром термохимическом осаждении пара в условиях низкого давления, при этом минимизируется выделение газа из реактора с нагретых поверхностей, покрытых ранее осажденными слоями. Предпочтительный способ получения пикокристаллических оксисилаборанов согласно настоящему изобретению будет описан в различных примерах после рассмотрения технологии.

[201] Когда температура осаждения превышает ~350°С, эффекты гидрирования могут быть по существу исключены. И наоборот, при снижении температуры осаждения ниже ~350°С тонкое пикокристаллическое твердофазное вещество может становиться существенно гидрированным, так что водород может активно включаться в химические связи. Относительная атомная концентрация водорода в твердофазном пикокристаллическом оксисилаборане, осажденном при температуре ниже ~350°С, в зависимости от степени включения кислорода обычно находится в пределах 10-25%. Когда водород активно не включен в химические связи твердофазного пикокристаллического оксисилаборана, его более точно называют твердофазным оксисилаборидом. Твердофазный оксисилаборан практически без кислорода более точно называют твердофазным силабораном.

[202] Кислород может быть включен в твердофазный пикокристаллический оксисилаборан в виде отдельных атомов кислорода или как часть молекул воды. Любой твердофазный пикокристаллический оксисилаборан, содержащий молекулы воды, называется водным, тогда как твердофазный пикокристаллический оксисилаборан, образованный индивидуальными атомами водорода и кислорода, с относительно малым количеством воды называется безводным. Было обнаружено, что для водного твердофазного пикокристаллического оксисилаборана характерна тенденция изменения с течением времени цвета и стехиометрии, очевидно, изменения в захваченной воде. Если явно не утверждается иное, под твердофазным пикокристаллическим оксисилабораном согласно вариантам осуществления, описанным в этой заявке ниже, понимается водный твердофазный пикокристаллический оксисилаборан. Чтобы минимизировать гидратацию, реактор для осаждения оснащают загрузочной шлюзовой камерой, изолирующей реакционную камеру от непосредственного воздействия влаги окружающей среды. Однако во время загрузки образца трудно полностью исключить поглощение влаги.

[203] В дополнение к изменениям цвета гидратация может изменять отношение количества бора к количеству кремния. В одной предпочтительной реализации оксисилаборана отношение количества бора к количеству кремния в идеальном случае равно шести. Включение атомного кислорода без гидратации в оксисилаборан снижает отношение количества бора к количеству кремния, тогда как включение молекул воды в водный оксисилаборан приводит к повышению отношения количества бора к количеству кремния. Оба эти эффекта могут существовать одновременно. Предпочтительно вводить кислород в неводный оксисилаборан с помощью оксида азота. Относительная атомная концентрация бора в оксисилаборане среди бора, кремния и атомов кислорода в идеальном случае составляет ~83%. В отсутствие всех эффектов гидратации относительная атомная концентрация бора из числа бора, кремния и атомов кислорода незначительно превышает ~89%. Отчасти, восприимчивость к гидратации зависит от относительной атомной концентрации кислорода в пленке оксисилаборана и способа ввода кислорода.

[204] Самособранный пикокристаллический оксисилаборан имеет характеристики, которые подходят для электронных интегральных схем с использованием ковалентных полупроводников, таких как монокристаллический кремний. Электронные свойства твердофазных оксисилаборанов можно модифицировать управляемым способом в соответствии с условиями проведения процесса во время осаждения на подложку. Пикокристаллический оксисилаборан имеет дальний ориентационный порядок связи. Рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (РФС) энергия связи электрона 1s бора в пикокристаллическом силаборане определена как ~188 эВ и она является характеристикой химических связей в икосаэдрической молекуле бора. Энергия связи электрона 1s кислорода составляет ~532 эВ и она схожа с энергией связи электрона 1s кислорода в оксиде металла и отличается от энергии связи электрона 1s кислорода в твердом веществе.

[205] Энергия связи электрона 2p кремния в твердофазных оксисилаборанах согласно этому изобретению имеет острый пик ~99,6 эВ энергии в пределах диапазона состава. Это является важным по нескольким причинам. Во-первых, отсутствие двух пиков энергии в оксисилаборане означает, что связи Si-Si и Si-B имеют одну и ту же энергию связи. Во-вторых, измеренная энергия связи электрона 2p кремния в оксисилаборане является практически такой же, как в монокристаллическом кремнии, образованном тетраэдрическими химическими связями в решетке алмаза. Энергия связи электрона 2p кремния в диоксиде кремния составляет ~103,2 эВ. Когда оксисилаборан осаждают на аморфный диоксид кремния, имеются ясно выраженные различия в энергии связи электрона 2p кремния в двух составах. Энергия связи электрона 2p кремния в оксисилаборане такая же как в монокристаллическом кремнии в решетке алмаза, несмотря на осаждение поверх аморфного оксида, что является следствием самосборки пикокристаллических оксисилаборанов.

[206] При соответствующем регулировании условий проведения процесса химического осаждения из паровой фазы пикокристаллический оксисилаборан (B₁₂H₄)_xSi_yO_z самособирается в предпочтительном диапазоне состава (2≤x≤4, 3≤y≤5, 0≤z≤2), связанным с пикокристаллическим силабораном (B₁₂H₄)₄Si₄ при одном экстремальном значении состава и пикокристаллическим оксисилабораном при другом экстремальном значении состава. Самосборка пикокристаллического оксисилаборана (B₁₂H₄)_xSi_yO_z в предпочтительном диапазоне состава происходит по причинам, которые будут изложены в этой заявке ниже. Для лучшего понимания предпочтительных условий проведения процесса будет представлена обработка неприоритетных видов оксисилаборана (B₁₂)_xSi_yO_zH_w в более широком диапазоне (0≤w≤5, 2≤x≤4, 3≤y≤5, 0≤z≤3) на ограниченном числе примеров твердофазного пикокристаллического бора.

[207] Теперь посредством примеров будут описаны различные реализации составов оксисилаборана согласно изобретению, но объем изобретения не ограничен ими. Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, это изобретение может быть реализовано в других формах без отступления от сущности или существенных характеристик. Раскрытие и описания, приведенные в этой заявке ниже, предполагаются иллюстративными, а не ограничивающими объем изобретения. В первых нескольких примерах показана и пояснена предпочтительная обработка пикокристаллического силаборана (B₁₂H₄)₄Si₄, в двух примерах показана и пояснена обработка силаборида и оксисилаборана в более широком диапазоне (0≤w≤5, 2≤x≤4, 3≤y≤5, 0≤z≤3) состава (B₁₂)_xSi_yO_zH_w.

Пример 1

[208] Диффузию фосфора проводили в подложку 504 диаметром 100 мм из монокристаллического (001) кремния p-типа с удельным сопротивлением 15 Ом⋅см с тем, чтобы получить сопротивление 8,7 Ом на квадрат, измеряемое четырехзондовой измерительной установкой. Оксид удаляли с образца подложки деглазированием фтористоводородной кислотой. Образец вводили в камеру быстрого термохимического осаждения из паровой фазы (БТХОПФ) типа описанной Gyurcsik и соавторами в «A model for rapid thermal processing», IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, vol. 4, № 1, 1991, p. 9. После загрузки образца подложки на кварцевое кольцо камеру быстрого термохимического осаждения из паровой фазы закрывали и проводили механическую откачку до давления 10 мторр (1,33 Па). 3-процентную по объему смесь диборана в водороде В₂Р₆ (3%)/Н₂ (97%) при расходе 364 см³/мин и 7-процентную по объему смесь моносилана в водороде SiH₄ (7%)/H₂ (93%) при расходе 390 см³/мин вводили в откачанную камеру быстрого термохимического осаждения из паровой фазы.

[209] Расход газообразного реагента стабилизировался при давлении 3,29 торр (438 Па), после чего на 30 с включали вольфрамовые галогенные лампы, которые регулировали так, чтобы температура образца подложки поддерживалась на уровне 605°С. Как показано на фиг. 42, тонкий твердофазный силаборид 506 осажден поверх легированной донорной примесью области 505. Состав твердофазного силаборида 509 исследовали с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС). Измеренная энергия связи электрона 1s бора составила 187,7 эВ и она соответствовала икосаэдральному бору. Измеренная энергия связи электрона 2p кремния составила 99,46 эВ и она была характеристикой монокристаллического 〈001〉 кремния n-типа. Профили по глубине твердофазного силаборида 506, измеренные с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, относительно атомных концентраций бора и кремния в твердофазном силабориде 506 составили 86% и 14%, соответственно. Измеренные с помощью спектроскопии обратного рассеяния Резерфорда (СОРР) относительные атомные концентрации бора и кремния в тонком твердофазном бориде составили 83,5% и 16,5%, соответственно.

[210] Относительную концентрацию водорода в тонком твердофазном силабориде 506 измеряли при прямом рассеянии водорода (ПРВ), при котором атомы водорода упруго рассеивались падающими высокоэнергетическими атомами гелия. Прямое рассеяние водорода (ПРВ) не является столь количественно оценивающим, как спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда (СОРР), вследствие косого угла падения атомов гелия, которые вызывают вариацию накопления заряда в различных образцах. Хотя число отсчетов водорода в пространственном угле является постоянным, сам пространственный угол может изменяться между различными образцами. Водород не был обнаружен. Любое твердое вещество, состоящее из бора и кремния, в отсутствие водорода относится к силаборидной композиции.

[211] Анализом с использованием масс-спектроскопии на вторичных ионах (МСВИ) количественное отношение в твердофазном силабориде 506 определили как естественное отношение 4,03. Отсутствие любого водорода или изотопного обогащения в твердофазном силабориде 506 из этого примера обусловлено температурой осаждения. Гидрирование силаборана может быть реализовано в случае, когда температура осаждения ниже ~350°С или когда введен кислород, как это будет рассмотрено в примерах, приведенных в этой заявке ниже. Твердофазный силаборид 505 из этого примера был удостоверен с помощью рентгеновской дифракции как твердофазный пикокристаллический бор. Сканограмма рентгеновской дифракции со скользящим падением твердофазного пикокристаллического силаборида 506 из этого примера показана на фиг. 43. Дифракционный пик при 2θ=14,50° соответствует условию Брэгга, связанному с углом ω=7,25° падения рентгеновских лучей из сканограммы рентгеновской дифракции со скользящим падением.

Пример 2

[212] Процедура, описанная выше в примере 1, была выполнена с двумя отклонениями, которые заключаются в том, что неразбавленный оксид азота N₂O вводили при расходе 704 см³/мин, а расходы двух газообразных гидридов удваивали. Вводили 3-процентную по объему смесь диборана в водороде В₂Н₆ (3%)/Н₂ (97%) при расходе 728 см³/мин, 7-процентную по объему смесь моносилана в водороде SiH₄ (7%)/H₂ (93%) при расходе 780 см³/мин и неразбавленный оксид азота N₂O при расходе 704 см³/мин. Расход пара стабилизировали при давлении 9,54 торр (1272 Па), после чего на 30 с включали вольфрамовые галогенные лампы и осуществляли регулирование, чтобы поддерживать температуру образца 504 подложки на уровне 605°С. Как показано на фиг. 44, твердофазный оксисилаборан 507 осажден на легированную донорной примесью область 505. Состав тонкого твердофазного оксисилаборана 507 оценивали с помощью рентгеновской дифракционной спектроскопии.

[213] Обычная сканограмма рентгеновской дифракции ω-2θ тонкого твердофазного оксисилаборана 507 показана на фиг. 45. Смазанные дифракционные пики вблизи 2θ=13,78° и 2θ=33,07° являются характеристиками твердофазного пикокристаллического бора. Это также подтверждается сканограммой рентгеновской дифракции со скользящим падением на фиг. 46, на которой дифракционный пик при 2θ=13,43° соответствует условию Брэгга, связанному с углом ω=6,70° падения рентгеновских лучей. Состав твердофазного оксисилаборана 507 определяли с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Энергия связи электрона 1s бора составляет 187,7 эВ и энергия связи электрона 2p кремния составляет 99,46 эВ, и они являются такими же, как в примере 1. Энергия связи электрона 1s кислорода составляет 524 эВ. Измеренные с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии относительные объемные атомные концентрации бора, кремния и кислорода составляют 81%, 12% и 7%.

[214] Как с помощью спектроскопии обратного рассеяния Резерфорда (СОРР), так и прямого рассеяния водорода (ПРВ) были определены относительные объемные атомные концентрации бора, водорода, кремния и кислорода в пленке 507 оксисилаборана из этого примера, составившие 72%, 5,6%, 13,4% и 9,0%, соответственно. Пикокристаллический твердофазный бор 507 из настоящего примера не является твердофазным бораном и намного лучше описывается как состав (B₁₂)₂Si_3,5O_2,5H с большим содержанием кислорода, в котором наиболее вероятно, что атомы водорода связаны с атомами кислорода. Масс-спектроскопией на вторичных ионах (МСВИ) изотопное отношение определено как естественное количественное отношение двух изотопов бора в пределах экспериментальной погрешности. Как будет вскоре определено, наличие естественного изотопного отношения указывает на отсутствие скрученных вращательно-колебательных энергетических уровней, которые способствуют перераспределению электронов в ответ на микроволновое излучение.

Пример 3

[215] Пиролиз бора и гидридов кремния выполняли методом химического осаждения из паровой фазы при низком давлении (ХОПФНД) в горизонтальном реакторе с резистивным нагревом, содержащем кварцевую трубу для осаждения диаметром 5 дюймов (12,7 см), которая была закреплена на столе. Элемент резистивного нагрева был установлен на снабженном двигателем транспортере, так что 75-миллиметровые кремниевые подложки можно было загружать при комнатной температуре на кварцевый держатель перед трубой. Водяной пар, адсорбированный на кварцевых стенках во время загрузки образцов, представлял собой источник водяного пара для последующей химической реакции. Подложку 508 диаметром 75 мм из монокристаллического (001) кремния с удельным сопротивлением 20 Ом⋅см загружали на кварцевый держатель в кварцевой трубе, которую герметизировали и механически откачивали до базового давление 30 мторр (4 Па).

[216] Как показано на фиг. 47, пленка 509 с большим содержанием бора была осаждена на подложку 508 из кремния (001) n-типа после ввода 3-процентной по объему смеси диборана в водороде В₂Н₆ (3%)/Н₂ (97%) при расходе 180 см³/мин и 10-процентной по объему смеси моносилана в водороде SiH₄ (10%)/H₂ (90%) при расходе 120 см³/мин. Расход газа стабилизировали при давлении осаждения 360 мторр (47,88 Па). Снабженный двигателем нагревательный элемент перемещали над образцом. Вследствие тепловой массы кварцевой трубы и кварцевого держателя образца температура осаждения стабилизировалась на уровне 230°С после изменения в течение ~20 мин. Пиролиз поддерживали в течение 8 мин при 230°С, после чего снабженный двигателем нагревательный элемент возвращали на место и подачу химически активных газов прекращали. Относительные атомные концентрации бора и кремния в пленке 509 силаборана измеряли с помощью спектроскопии различных видов.

[217] Была выполнена рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФС) профиля по глубине пленки 509 силаборана. Кислород в пленке 509 силаборана обусловлен удалением водяного пара с кварцевых стенок. На фиг. 48 показаны относительные атомные концентрации бора, кремния и кислорода в твердофазном 509 силаборане, соответственно составляющие 85%, 14% и 1%. Энергия связи электрона 1s бора была 187 эВ и она является характеристикой связей икосаэдрических молекул бора. Энергия связи электрона 2p кремния по данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии была 99,6 эВ и она является характеристикой электрона 2p кремния в монокристаллическом (001) кремнии. Измеренная с помощью рентгеновской электронной спектроскопии энергия связи электрона 1s кислорода была 532 эВ. Анализом глубины твердого вещества 509 спектроскопией обратного рассеяния Резерфорда (СОРР) были выявлены относительные объемные атомные концентрации бора и кремния 82,6% и 17,4%, соответственно.

[218] На фиг. 49 показан полученный с помощью электронной спектроскопией Оже (ЭСО) профиль по глубине относительных атомных концентраций бора, кремния и кислорода в твердофазном силаборане 509, соответственно составляющий 73,9%, 26,1% и 0,1%. Толщина твердого вещества 509 была определена с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, электронной спектроскопии Оже и спектроскопии обратного рассеяния Резерфорда как 998 Å, 826 Å и 380 Å, соответственно. Относительные объемные атомные концентрации бора, водорода и кремния были определены по профилям по глубине, установленным с помощью спектроскопии обратного рассеяния Резерфорда и метода прямого рассеяния водорода, как 66,5%, 19,5% и 14,0%. Была выполнена масс-спектрометрия на вторичных ионах (МСВИ) профиля по глубине, чтобы установить наличие какого-либо изотопного обогащения. Изотопное обогащение бора относительно бора было доказано масс-спектроскопией на вторичных ионах профиля по глубине. В то время как естественное отношение составляет 4,03, измеренное с помощью масс-спектроскопии на вторичных ионах отношение в твердофазном силаборане 509 составило 3,81.

[219] Пленка из примера 3 названа твердофазным силабораном 509, поскольку считается, что должен иметься кислород в относительно небольшой относительной атомной концентрации в виде воды. В результате эту пленку лучше назвать водным твердофазным силабораном 509. Как картина обычной рентгеновской дифракции ω-2θ с фиг. 39, так и картина рентгеновской дифракции со скользящим падением с фиг. 41 были получены для водного твердофазного силаборана 509 из примера 3. В результате этого по определению, приведенному в этой заявке выше, водный твердофазный силаборан 509 представляет собой пикокристаллический твердофазный боран. Хотя картина обычной рентгеновской дифракции ω-2θ для водного твердофазного силаборана 509 на фиг. 39 практически такая же, как для твердофазного оксисилаборана 507 на фиг. 45, существенное различие твердофазных пикокристаллических боров заключается в разных изотопных обогащениях бора и бора . Это различие оказывает влияние на предпочтительные варианты осуществления этого изобретения.

[220] Одна задача настоящего изобретения заключается в создании самосборных пикокристаллических оксисилаборанов нового вида, способствующих перераспределению электронов между вращательно-колебательными энергетическими уровнями в ответ на микроволновое излучение вследствие некомпенсированного повышения энтропии, характеризующегося изотопным обогащением бора относительно бора . Новизна и полезность такого перераспределения электронов под действием микроволнового излучения могут быть поняты в дальнейшем при рассмотрении других примеров.

Пример 4

[221] Обратимся к фиг. 50, на которой показана подложка 510 диаметром 100 мм из монокристаллического (001) кремния p-типа с удельным сопротивлением 30 Ом⋅см, вводившаяся в молибденовый держатель с резистивным нагревом в реакторе для химического осаждения из паров металлоорганического соединения типа EMCORE D-125 через загрузочную шлюзовую систему, которая изолировала камеру для осаждения от окружающей среды. Камеру откачивали до давления ниже 50 мторр (6,65 Па), после чего в камеру вводили 3-процентную по объему смесь диборана в водороде В₂Н₆ (3%)/Н₂ (97%) при расходе 360 см³/мин и 2-процентную по объему смесь моносилана в водороде SiH₄ (2%)/H₂ (98%) при расходе 1300 см³/мин; после этого для смешения впускали газообразные реагенты. После стабилизации расхода газов давление в камере было отрегулировано до уровня 9 торр (2000 Па), а молибденовый держатель приведен во вращение со скоростью 1100 об/мин.

[222] Температуру подложки повышали до 280°С при вращении держателя с резистивным нагревом. После стабилизации температуры осаждения на уровне 280°С химическая реакция протекала в течение 5 мин, после этого нагрев держателя выключали и образец охлаждали до температуры ниже 80°С перед удалением его из камеры для осаждения. Как показано на фиг. 50, тонкая пленка 511 вместе с полимерной полупрозрачной краской была осаждена на подложку 510. Толщина твердофазного силаборана 511 была измерена с помощью спектроскопической эллипсометрии переменных углов и составила 166 нм. Твердофазный силаборан 511 был гладким без признаков зернистой структуры. Влияние гидратации не было заметно на твердофазном силаборане 511. На фиг. 51 показан измеренный с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии профиль по глубине относительных атомных концентраций бора и кремния в объемном твердом веществе 551, составивших 89% и 10%, соответственно.

[223] Определенные с помощью спектроскопии обратного рассеяния Резерфорда и метода прямого рассеяния водорода относительные атомные концентрации бора, водорода и кремния составляют 66%, 22% и 11%. Твердофазный силаборан 511 из этого примера очень похож на твердофазный силаборан 509 из примера 3 за исключением того, что в твердофазном силаборане 511 из этого примера не проявляются заметные эффекты гидратации. Электрические характеристики твердофазного силаборана 511 были измерены с помощью анализатора параметров НР-4145, при этом использовались сигналы с качающейся частотой, получаемые ртутным зондом. Графики с линейным и логарифмическим масштабами по обеим осям вольтамперных характеристик твердофазного силаборана 511 показаны на фиг. 52-53. Нелинейные вольтамперные характеристики твердофазного силаборана 511 являются следствием ограниченного пространственным зарядом тока проводимости, который согласно фиг. 53 отклоняется от закона Ома после наступления релаксации.

[224] Идея ограниченного пространственным зарядом тока проводимости в любом твердом веществе был выдвинута Мотом и Гурнеем в Electronic Processes in Ionic Crystals, Oxford University Press, second edition, 1948, pp. 268-173. По аналогии с законом Чайлда для электровакуумных приборов Мот и Гурней обнаружили, что ограниченная пространственным зарядом плотность J тока между электродами, разделенными твердым диэлектриком, изменяется по квадратичному закону в зависимости от приложенной электродвижущей силы V, где d - разнос электродов, μ - подвижность заряда и ε - диэлектрическая постоянная твердотельного диэлектрика или полупроводника. Закон Мота-Гурнея удовлетворяется, когда униполярный избыточный подвижный заряд существует благодаря неисчезающей расходимости электрического поля в соответствии с законом Гаусса. Как обнаружено, ограниченный пространственным зарядом ток проводимости в пикокристаллических оксисилаборанах, обусловленный механизмом зарядной проводимости, до настоящего времени неизвестен из уровня техники:

(65)

[225] Когда плотность результирующего заряда сводится к нулю в любом твердом теле, так что сохраняется нейтральность заряда, плотность J тока проводимости линейно изменяется в зависимости от V согласно закону Ома в соответствии с соотношением, приведенным ниже, в котором n является концентрацией подвижного заряда. Разграничение между механизмами проводимости связано с временем τ релаксации:

(66)

[226] Плотность тока проводимости в твердом теле обычным образом ограничена законом Ома, уравнение (66), и законом Мота-Гурнея, уравнение (65). Если закон Ома удовлетворяется, время t пролета подвижного заряда обязательно больше, чем время τ релаксации, так что нейтральность заряда сохраняется. Если время пролета меньше, чем время релаксации, ток проводимости становится ограниченным пространственным зарядом в соответствии с законом Мота-Гурнея. Условие для ограниченного пространственным зарядом тока имеет вид:

(67)

[227] Обнаружение ограниченной пространственным зарядом проводимости твердого тела Мотом и Гурнеем было сосредоточено на диэлектриках вследствие низкой плотности подвижного заряда, которая характерна для диэлектриков. Однако диэлектрики обычно имеют большую плотность ловушек, которая противодействует наличию подвижных пространственных зарядов. Как установлено Лэмпертом в ʺSimplified theory of space-charge-limited currents in an insulator with trapsʺ, Physical Review, vol. 103, № 6, 1956, p. 1648, вольтамперная характеристика полупроводника с одним видом носителей обычно ограничена тремя кривыми, имеющими отношение к закону Ома, закону Мота-Гурнея, и кривой предела заполненных ловушек. Квадратичная зависимость ток-напряжение расширяется до кубической зависимости для зарядной проводимости при носителях двух видов.

Пример 5

[228] Процедура, описанная в примере 4, была выполнена с одним исключением, заключающемся в том, что оксид азота вводили при расходе 40 см³/мин. Как показано на фиг. 54, тонкая пленка 512 оксисилаборана вместе с полимерной полупрозрачной краской была осаждена поверх подложки 510 из монокристаллического (001) кремния p-типа. Толщина пленки оксисилаборана была измерена с помощью спектроскопической эллипсометрии с переменным углом и составила 159 нм. На основании профиля по глубине с фиг. 55, найденного с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, относительные атомные концентрации бора, кремния и кислорода определены в объемном твердофазном оксисилаборане 512 как 88,0%, 10,4% и 1,6%, соответственно. Включение кислорода привело к превращению твердофазного силаборана 511 на фиг. 50 из примера 4 в твердофазный оксисилаборан 512 на фиг. 52 из этого примера. Включение кислорода изменило твердофазный оксисилаборан 512 из этого примера относительно твердофазного силаборана 511 из примера 4.

[229] Электрический импеданс пленки 512 оксисилаборана из настоящего примера был измерен с помощью анализатора параметров НР-4145, при этом использовались сигналы с качающейся частотой, получаемые ртутным зондом. Графики с линейным и логарифмическим масштабами по обеим осям характеристик импеданса твердофазного оксисилаборана 512 из этого примера соответственно показаны на фиг. 56-57. Импеданс твердофазного оксисилаборана 512 из настоящего примера повышен относительно импеданса твердофазного силаборана 511 из примера 4. Поскольку ограниченный пространственным зарядом ток в твердофазном силаборане 511 насыщен на вольтамперной характеристике четвертого порядка, ограниченный пространственным зарядом ток в твердофазном оксисилаборане 512 из настоящего примера насыщен на вольтамперной характеристике четвертого порядка, показанной на фиг. 57. Ток пространственного заряда ограничен дрейфом подвижного заряда.

Пример 6

[230] Процедура, описанная в примере 5, была выполнена с одним исключением, заключающемся в том, что расход оксида азота был повышен с 40 см³/мин до 80 см³/мин. Толщина твердофазного оксисилаборана 512 из этого примера была измерена с помощью спектроскопической эллипсометрии с переменным углом и составила 147 нм. Из профиля по глубине, полученного с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, показанного на фиг. 58, относительные атомные концентрации бора, кремния и кислорода в объемном твердофазном оксисилаборане 512 определены соответственно как 88,1%, 9,5% и 2,5%. Относительная атомная концентрация бора в твердофазном оксисилаборане 512 из этого примера такая же, как в твердофазном оксисилаборане 512 из примера 5. Атомная концентрация кремния в твердофазном оксисилаборане 512 из этого примера понижена относительно атомной концентрации кремния в твердофазном оксисилаборане 512 из примера 5. Объемная атомная концентрация кислорода в твердофазном оксисилаборане 512 из этого примера повышена относительно объемной атомной концентрации кислорода в твердофазном пикокристаллическом оксисилаборане 512 из примера 5.

[231] Измеренные с помощью спектроскопии обратного рассеяния Резерфорда и прямого рассеяния водорода объемные относительные атомные концентрации бора, водорода, кремния и кислорода составили 63%, 23%, 11% и 3%. Относительная атомная концентрация кислорода близка к пределу обнаружения спектроскопии обратного рассеяния Резерфорда и поэтому является неточной. Импеданс пленки оксисилаборана 512 из этого примера был измерен с помощью анализатора параметров НР-4145, при этом использовались сигналы с качающейся частотой, получаемые ртутным зондом. Графики с линейным и логарифмическим масштабами по обеим осям характеристик импеданса твердофазного оксисилаборана 512 соответственно показаны на фиг. 59-60. На характеристиках импеданса твердофазного оксисилаборана 512 из этого примера наблюдается ненамного больший импеданс, чем на характеристиках импеданса твердофазного оксисилаборана 512 из примера 5.

Пример 7

[232] Процедура, описанная в примере 6, была выполнена с одним исключением, заключающемся в том, что расход оксида азота был повышен с 80 см³/мин до 100 см³/мин. Толщина твердофазного оксисилаборана 512 из этого примера была измерена с помощью спектроскопической эллипсометрии с переменным углом и составила 140 нм. Из профиля по глубине, полученного с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, показанного на фиг. 61, относительные атомные концентрации бора, кремния и кислорода в объемном твердофазном оксисилаборане 512 определены соответственно как 85,9%, 10,7% и 3,4%. Импеданс твердофазного оксисилаборана 512 из этого примера был измерен с помощью анализатора параметров НР-4145, при этом использовались сигналы с качающейся частотой, получаемые ртутным зондом. Графики с линейным и логарифмическим масштабами по обеим осям вольтамперных характеристик твердофазного оксисилаборана 512 из этого примера показаны на фиг. 62-63. Твердофазный оксисилаборан 512 из этого примера имеет несколько более высокий импеданс, чем твердофазный оксисилаборан из примера 6.

Пример 8

[233] Процедура, описанная в примере 7, была выполнена с одним исключением, заключающемся в том, что расход оксида азота был повышен с 100 см³/мин до 300 см³/мин. Толщина твердофазного оксисилаборана 512 из этого примера была измерена с помощью спектроскопической эллипсометрии с переменным углом и составила 126 нм. Из профиля по глубине, полученного с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, показанного на фиг. 64, относительные атомные концентрации бора, кремния и кислорода в объемном твердофазном оксисилаборане 512 из этого примера определены как 83,4%, 10,5% и 6,2%. Импеданс твердофазного оксисилаборана 512 был измерен с помощью анализатора параметров НР-4145. Графики с линейным и логарифмическим масштабами по обеим осям характеристик импеданса твердофазного оксисилаборана 512 из этого примера показаны на фиг. 65-66.

Пример 9

[234] Процедура из примера 8 была выполнена с одним исключением, заключающемся в том, что расход оксида азота был повышен с 300 см³/мин до 500 см³/мин. Толщина твердофазного оксисилаборана 512 из этого примера была измерена с помощью спектроскопической эллипсометрии с переменным углом и составила 107 нм. Из профиля по глубине, полученного с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, показанного на фиг. 67, относительные атомные концентрации бора, кремния и кислорода в объемном твердофазном оксисилаборане 512 из этого примера определены как 82,4%, 10,0% и 7,6%. Анализом с помощью спектроскопии обратного рассеяния Резерфорда и прямого рассеяния водорода определены объемные относительные атомные концентрации бора, водорода, кремния и кислорода, составившие 66%, 20%, 9% и 5%. Относительная атомная концентрация кислорода находится вблизи предела обнаружения спектроскопии обратного рассеяния Резерфорда. Импеданс твердофазного оксисилаборана 512 из этого примера был измерен с помощью анализатора параметров НР-4145, при этом использовали сигналы с качающейся частотой, получаемые ртутным зондом. Графики с линейным и логарифмическим масштабами по обеим осям характеристик импеданса твердофазного оксисилаборана 512 из этого примера представлены на фиг. 68-69.

[235] Твердофазный оксисилаборан 512 из этого примера имеет большое содержание кислорода, так что он не находится в предпочтительном диапазоне (2≤x≤4, 3≤y≤5 0≤z≤2) состава пикокристаллического оксисилаборана (B₁₂H₄)_xSi_yO_z, а находится в более широком диапазоне (0≤w≤5, 2≤x≤4, 3≤y≤5 0≤z≤3) состава оксисилаборана (B₁₂)_xSi_yO_xH_w. Существенно то, что в пикокристаллическом оксисилаборане отщеплен поверхностный уровень Ферми монокристаллического кремния, чтобы осуществлялась модуляция поверхностного электрохимического потенциала монокристаллического кремния и в то же самое время проводился электрический ток. Чтобы более полно понять это свойство, полезно рассмотреть примеры, в которых электрохимический выпрямитель образован с использованием монокристаллического кремния.

[236] Вследствие нежелательного контактного потенциала, связанного с диффузией подвижного заряда между областью монокристаллического кремния и присоединенным материалом с другой работой выхода, в уровне техники считается невозможными изменение электрохимического потенциала области монокристаллического кремния на всем протяжении запрещенной энергетической зоны и в то же время проводящий электрический заряд. В рассматриваемых ниже конкретных примерах этот недостаток устраняется с помощью самособранного пикокристаллического оксисилаборана.

Пример 10

[237] Монокристаллический кремний был осажден эпитаксией на подложку 521 диаметром 100 мм и толщиной 525 мкм, выполненную из монокристалла (001) p-типа, легированного бором. Удельное сопротивление вырожденного монокристаллического кремния подложки 521 было 0,02 Ом⋅см, и оно соответствовало концентрации ~4×10¹⁸ см^-3. Слой 522 невырожденного монокристаллического кремния p-типа был осажден на кремниевую подложку 521. Эпитаксиальный слой 522 кремния имел толщину 15 мкм и удельное сопротивлением 2 Ом⋅см, и оно соответствовало концентрации акцепторной примеси ~7×10¹⁵ см^-3. Весь оксид был удален деглазированием фтористоводородной кислотой. После кислотного деглазирования кремниевую подложку 521 вставляли в держатель с резистивным нагревом в реакторе EMCORE для химического осаждения из паров металлорганического соединения через загрузочную шлюзовую систему, которая изолировала камеру для осаждения от окружающей среды. Камера была откачена до давления ниже 50 мторр (6,65 Па), после чего 3-процентную по объему смесь диборана в водороде В₂Н₆ (3%)/Н₂(97%) при расходе 120 см³/мин и 2-процентную смесь по объему моносилана в водороде SiH₄ (2%)/H₂ (98%) при расходе 300 см³/мин вводили в камеру для осаждения. Оксид азота N₂O вводили при расходе 100 см³/мин.

[238] Для осуществления перемешивания газы предварительно впускали в камеру для осаждения. После стабилизации газов-реагентов давление в камере регулировали до 1,5 торр (200 Па), при этом держатель вращали со скоростью 1100 об/мин. Температуру подложки повышали до 230°С в течение 2 мин. Температуру держателя повышали до 260°С, после чего ее стабилизировали и химическая реакция протекала в течение 12 мин. Нагрев держателя выключали и образец охлаждали до температуры ниже 80°С в газах-реагентах перед удалением из камеры для осаждения. Пленка 523 оксисилаборана была осаждена. Измеренная с помощью спектроскопической эллипсометрии с переменным углом толщина составила 12,8 нм. Вследствие такой толщины пленка 523 не казалась окрашенной.

[239] Алюминий напыляли поверх всей задней стороны подложки 521 в колокольной установке для напыления, после чего аналогичный слой алюминия напыляли на пленку 523 оксисилаборана через теневую маску в колокольной установке для напыления. Как показано на фиг. 70, алюминий на передней поверхности образовал электрод 524 катода и алюминий на задней поверхности образовал электрод 525 анода. Электрические характеристики p-изотипного электрохимического выпрямителя 520 из этого примера измеряли с помощью анализатора параметров НР-4145, при этом сигналы с качающейся частотой получали с электродов 525 и 524 анода и катода посредством микрозондов. Линейные вольтамперные характеристики p-изотипного электрохимического выпрямителя 520 из этого примера показаны в двух различных диапазонах ток-напряжение на фиг. 71-72. Ассиметричная электрическая проводимость электрохимического выпрямителя 520 получается без содействия p-n-перехода за счет изменения поверхностного электрохимического потенциала.

[240] Как показано на фиг. 71, значительно больший ток протекает при отрицательном смещении (прямом смещении) электрода 524 катода относительно электрода 525 анода. При положительном смещении (обратном смещении) электрода 524 катода относительно электрода 525 анода ток намного слабее возрастает при повышенном обратном смещении сверх ~1 В. Можно полагать, что повышенный ток при обратном смещении обусловлен нежелательными эффектами на поверхности раздела вследствие неидеальных условий проведения процесса. Графики вольтамперных характеристик при прямом смещении и обратном смещении представлены в логарифмическом масштабе на фиг. 73-74. Асимметричная электропроводность вызвана встроенным электрическим полем.

Пример 11

[241] Процедура, описанная в примере 10, была выполнена с одним исключением, заключающемся в том, что расход оксида азота N₂O был повышен с 20 см³/мин до 65 см³/мин. Толщина пленки 523 оксисилаборана из этого примера была измерена с помощью спектроскопической эллипсометрии с переменным углом и составила 12,4 нм. Электрические характеристики p-изотипного электрохимического выпрямителя 520 из этого примера были измерены с помощью анализатора параметров НР-4145, при этом использовали сигналы с качающейся частотой, получаемые с электродов 525 и 524 анода и катода посредством микрозондов. Линейные вольтамперные характеристики p-изотипного электрохимического выпрямителя 520 из этого представленного примера показаны для двух различных диапазонов на фиг. 75-76. Графики вольтамперных характеристик при прямом смещении и обратном смещении показаны в логарифмическом масштабе на фиг. 77-78. Хотя объемный состав пленки 523 оксисилаборана из этого примера практически такой же, как объемный состав относящегося к прототипу оксисилаборана , выпрямление не оказывается идеальным по причинам, которые будут рассмотрены в этой заявке ниже.

Пример 12

[242] Процедура, описанная выше в примере 11, была выполнена с одним исключением, заключающемся в том, что время реакции при 260°С было снижено от 12 мин до 6 мин. Толщина пленки 523 оксисилаборана из этого представленного примера была измерена с помощью спектроскопической эллипсометрии с переменным углом и составила 7,8 нм. Электрические характеристики p-изотипного электрохимического выпрямителя 520 из этого примера были измерены с помощью анализатора параметров НР-4145, при этом использовали сигналы с качающейся частотой, получаемые с электродов 525 и 524 анода и катода двумя микрозондами. Линейные вольтамперные характеристики p-изотипного электрохимического выпрямителя 520 из представленного примера показаны для трех различных диапазонов на фиг. 79-81. Графики вольтамперных характеристик при прямом смещении и обратном смещении показаны на фиг. 82-83. Характеристики выпрямления из этого примера являются улучшенными по сравнению с характеристиками выпрямления из примеров 10-11 вследствие в значительной степени более тонкой пленки 523.

Пример 13

[243] Процедура из примера 12 была выполнена с одним исключением, заключающемся в том, что оксид азота N₂O не вводился. Толщина пленки 526 оксисилаборана, представленная фиг. 84, была измерена с помощью спектроскопической эллипсометрии с переменным углом и составила 11,4 нм. Электрические характеристики прибора 520 были измерены с помощью анализатора параметров НР-4145, при этом использовали сигналы с качающейся частотой, получаемые с электродов 525 и 524 анода и катода посредством микрозондов. Линейные вольтамперные характеристики прибора 520 показаны на фиг. 85-86. Графики вольтамперных характеристик при прямом смещении и обратном смещении показаны на фиг. 87-88.

[244] Основное различие между пикокристаллическим оксисилабораном и пикокристаллическим силабораном p-(B₁₂H₄)₃Si₅ иллюстрируется основным различием при осуществлении выпрямления электрохимическими приборами 520 из примера 11 и примера 13 вследствие решающей роли кислорода. Различие приборов 520 из этих примеров заключается в разной концентрации кислорода в пикокристаллических пленках 523 и 526. Теперь обратимся к фиг. 75, в соответствии с которой электрический ток в p-изотипном электрохимическом выпрямителе 520 из примера 11 значительно возрастает, когда электрод 524 катода сильно смещается в прямом направлении (то есть смещается отрицательно) относительно электрода 525 анода. Как показано на фиг. 77, ток прямого смещения в p-изотипном электрохимическом выпрямителе 520 из примера 11 возрастает линейно в зависимости от напряжения смещения при небольшом токе и возрастает в четвертой степени в зависимости от напряжения выше напряжения релаксации. Вольтамперная характеристика при прямом смещении выпрямителя 520 из примера 11 ограничена пространственным зарядом, когда напряжение на пленке 523 оксисилаборана выше напряжения релаксации, вследствие чего напряжение пролета выше, чем напряжение релаксации.

[245] Другая ситуация возникает, когда электрохимический выпрямитель 520 находится при обратном смещении. Что касается фиг. 75, то ток p-изотипного электрохимического выпрямителя 520 из примера 11 возрастает с пониженной скоростью, когда электрод 524 катода смещается в обратном направлении (то есть смещается положительно) относительно электрода 525 анода. Можно считать это следствием того, что пленка 523 оксисилаборана из примера 11 представляет собой почти пикокристаллический оксисилаборан , который является твердой фазой вещества, имеющей конфигурацию электронов с замкнутыми оболочками. Ток проводимости, представленный на графике в логарифмическом масштабе по обеим осях на фиг. 77, отражает характеристику инжектированной зарядовой плазмы.

[246] Когда зарядовая плазма инжектируется в полупроводник или диэлектрик, плотность электрического тока и напряжение изменяются линейно до тех пор, пока достаточно высокий уровень инжекции заряда не приводит к ограниченной пространственным зарядом плотности тока вследствие нарушения нейтральности заряда. Для сильной инжекции зарядов в полупроводник характерна тенденция приводить к квадратичной зависимости ограниченной пространственным зарядом плотности тока от напряжения, тогда как для сильной инжекции зарядов в диэлектрик характерна тенденция приводить к кубической зависимости ограниченной пространственным зарядом плотности тока от напряжения. Принципиальное различие между полупроводником и диэлектриком заключается в том, что первый характеризуется большой концентрацией подвижных зарядов отрицательной или положительной полярности, тогда как второй характеризуется пренебрежимо малой концентрацией подвижных зарядов.

[247] В принципе, вольтамперная характеристика выпрямителя 520 в логарифмических координатах по обеим осям, показанная на фиг. 77, должна быть характеристикой зарядовой плазмы, инжектированной в диэлектрик, поскольку пленка 523 оксисилаборана из примера 11 имеет объемный состав пикокристаллического оксисилаборана , имеющего конфигурацию электронов с идеально замкнутыми оболочками. Как установлено Лэмпертом и Марком в книге под названием Current Injection in Solids, Academic Press, 1970, pp. 250-275, диффузия подвижных зарядов является определяющей для инжектированной плазмой вольтамперной характеристике любого диэлектрика в пределах диффузионной длины любого контакта, так что плотность тока изменяется экспоненциально в зависимости от напряжения. Если длина диэлектрика намного больше, чем диффузионная длина, дрейф подвижных зарядов является определяющим для вольтамперных характеристик, так что ток изменяется линейно в зависимости от напряжения до напряжения V_τ релаксации, после чего он становится ограниченным пространственным зарядом и изменяется по кубическому закону.

[248] Например, согласно упомянутому выше источнику Лэмперта и Марка кремниевый p-i-n-диод с длиной 4 мм кремниевой области с собственной проводимостью имеет ограниченную пространственным зарядом вольтамперную характеристику с кубической зависимостью плотности тока от приложенного напряжения выше напряжения релаксации 10 В. При уменьшении длины кремниевой области с собственной проводимостью p-i-n-диода примерно до 1 мм плотность тока изменяется экспоненциально в зависимости от приложенного напряжения вследствие преобладания диффузии подвижных зарядов. Что касается опять фиг. 77, то в электрохимическом выпрямителе 520 из примера 11 тонкая пленка 523 оксисилаборана, толщиной всего 12,4 нм, которая имеет практически такой же объемный состав, который имеет пикокристаллический оксисилаборан , обладает ограниченной пространственным зарядом (в дрейфовом пространстве) вольтамперной характеристикой.

[249] Это возможно только в том случае, когда примесная концентрация подвижных зарядов является достаточно большой, чтобы длина Дебая пленки 523 оксисилаборана была меньше чем примерно 4 нм. Примесная концентрация подвижных зарядов самособранного пикокристаллического оксисилаборана (B₁₂H₄)_xSi_yO_z в пределах предпочтительного диапазона состава (2≤x≤4, 3≤y≤5, 0≤z≤2) в идеальном случае является постоянной вблизи p₀≈10¹⁸ см^-3 вследствие ядерного электрического квадрупольного момента икосаэдров бора с идеально симметричной ядерной конфигурацией. Примесная концентрация p₀ соответствует концентрации легирующей примеси в монокристаллическом кремнии, приписываемой возникновению сужения запрещенной зоны. Поликристаллический оксисилаборан (B₁₂H₄)_xSi_yO_z представляет собой новый состав, который имеет конфигурацию электронов с замкнутыми оболочками и также примесную концентрацию вблизи сужения запрещенной зоны в кремнии.

[250] Ключевым моментом зарядовой проводимости в пикокристаллическом оксисилаборане (B₁₂H₄)_xSi_yO_z в пределах предпочтительного диапазона состава (2≤x≤4, 3≤y≤5, 0≤z≤2) является инвариантная примесная концентрация p₀ зарядов, проистекающая из ядерного электрического квадрупольного момента икосаэдров бора и вследствие этого не находящаяся под влиянием обычного примесного легирования полупроводника. На примесную концентрацию p₀ зарядов не влияет включение кислорода в пленку оксисилаборана. Для понимания этого уравнения (66)-(67) объединены и получено нижеследующее соотношение:

(68)

[251] Поскольку время τ релаксации зависит как от подвижности μ зарядов, так и от примесной концентрации p₀ зарядов, напряжение V_τ релаксации зависит от последней, которая является инвариантной в пикокристаллическом оксисилаборане (B₁₂H₄)_xSi_yO_z в пределах предпочтительного диапазона состава (2≤x≤4, 3≤y≤5, 0≤z≤2). В результате этого пленки оксисилаборана одинаковой толщины имеют одинаковое напряжение V_τ релаксации. На фиг. 87-88 твердофазный пикокристаллический силаборан 526, p-(B₁₂H₄)₃Si₅, осажденный согласно примеру 13, имеет толщину 11,4 нм и напряжение релаксации V_τ≈0,2 В. На фиг. 77-78 твердофазный пикокристаллический оксисилаборан 523, , согласно примеру 11 имеет толщину 12,4 нм и напряжение релаксации V_τ≈0,2 В. Хотя твердофазный пикокристаллический силаборан 526, p-(B₁₂H₄)₃Si₅, осажденный согласно примеру 13, и твердофазный пикокристаллический оксисилаборан 523, , согласно примеру 11 имеют одинаковое напряжение релаксации V_τ≈0,2 В, они имеют различные электропроводности σ вследствие разных подвижностей μ зарядов. В результате этого энтальпия является практически постоянной, так что диффузия зарядов обусловлена преимущественно энтропией смешения.

[252] Биполяронные дырочные пары диффундируют в катодную область 402 пикокристаллического оксисилаборана в фоноэлектрическом элементе 400 примерно на две длины Дебая. В области пространственного заряда около металлургического перехода областей 401 и 402 электрическое поле Е в режиме холостого хода выходит из дикатионов оксисилаборана в области 402 и прекращает действовать на дианионах силаборана в области 401 фоноэлектрического элемента 400 на фиг. 21. Поскольку линии поля связаны с парами зарядов и поскольку распространение поля в область 402 происходит примерно на две длины L_D Дебая, электрическое поле Е в режиме холостого хода между соединенными областями 401 и 402 фоноэлектрического элемента 400 в первом приближении имеет вид:

(69)

[253] Поскольку резонатор Планка, образующийся при квантовой термализации, имеет идеальную теплоемкость 3k, то электрическое поле из уравнения (69) принимает вид:

(70)

[254] При комнатной температуре электрическое поле Е согласно уравнению (70) составляет ~5×10⁴ В/см при длине L_D Дебая ~4 нм. Только в случае, если толщина области 402 катода фоноэлектрического элемента 400 с фиг. 21 меньше, чем диффузионная длина, электрическое поле в режиме холостого хода из уравнения (70) будет отчасти проявляться как электродвижущая сила V в режиме холостого хода между соединенными областями 401 и 402 анода и катода. При комнатной температуре электрическая энергия, заключенная в электрическом поле, составляет ~39 мэВ. Электрическое поле из уравнения (70) может обнаруживаться на внешних электродах, если и только если ограниченная пространственным зарядом плотность тока по меньшей мере частично ограничена диффузией.

[255] Несмотря на то, что самая тонкая пленка пикокристаллического оксисилаборана из приведенных выше примеров имеет толщину всего 7,8 нм в примере 12, толщина пленки является недостаточно малой, чтобы плотность тока, ограниченного пространственным зарядом, была по меньшей мере частично следствием диффузии подвижных зарядов. Для образования напряжения V_out в режиме холостого хода между внешним электродом 403 катода и внешним электродом 403 анода в фоноэлектрическом элементе 400 толщина областей 401 анода из пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ и областей 402 катода из пикокристаллического оксисилаборана должна быть меньше чем ~4 нм. Как описано в примерах, приведенных ниже, это представляет собой проблему.

Пример 14

[256] Что касается фиг. 89, то подложка 527 диаметром 100 мм из монокристаллического (001) кремния p-типа с удельным сопротивлением 5 Ом⋅см была загружена на молибденовый держатель с резистивным нагревом в реактор EMCORE D-125 для химического осаждения из паров металлорганического соединения через загрузочную шлюзовую систему, которая изолирует камеру для осаждения. Камеру для осаждения откачивали до давления 50 мторр (6,65 Па), после чего в камеру для осаждения вводили 3-процентную по объему смесь диборана в водороде В₂Н₆ (3%)/Н₂ (97%) при расходе 150 см³/мин вместе с 2-процентной по объему смесью моносилана в водороде SiH₄ (2%)/H₂ (98%) при расходе 300 см³/мин. В то же самое время неразбавленный оксид азота N₂O вводили при расходе 20 см³/мин. Для перемешивания газы-реагенты предварительно впускали в камеру для осаждения. После стабилизации газов-реагентов давление в камере для осаждения регулировали до 1,2 торр (160 Па) при вращении держателя со скоростью 1100 об/мин. Резистивным нагревом держателя температуру подложки повышали до 230°С перед дальнейшим повышением температуры.

[257] По прошествии 2 мин температуру держателя повышали до 260°С, после чего ее стабилизировали, и химическая реакция протекала в течение 12 мин. Нагрев держателя выключали и образец охлаждали до температуры ниже 80 °С в газах-реагентах до того, как его удаляли из камеры для осаждения. Как показано на фиг. 89, тонкая пленка 528 оксисилаборана осаждена на кремниевую подложку 527. Толщина пленки 528 оксисилаборана из этого примера, определенная с помощью спектроскопической эллипсометрии с переменным углом, составила 8.2 нм. Малая толщина способствует образованию отрицательных аномалий в пленке 528 оксисилаборана.

[258] Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопии (РФС) пленки 528 оксисилаборана из этого примера была затруднена вследствие небольшой толщины. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия представляет собой метод анализа поверхности, который можно использовать для определения профилей по глубине путем распыления аргона на образец между некоторым количеством повторяющихся измерений поверхности. Фотоэлектроны не ограничены реальной поверхностью, а точнее, могут испускаться из области ниже поверхности с глубины более 5,0 нм. Чтобы повысить разрешение профиля по глубине, угол отвода был снижен до 20°, так что глубина выхода фотоэлектронов была порядка 2,5 нм. Поскольку толщина пленки 528 оксисилаборана из этого примера была 8,2 нм, то в каждое значение объемного измерения встраивались эффекты на границе раздела фаз. Наилучшая точка данных находилась только на расстоянии 4,1 нм от каждой границы раздела. В соответствии с таким пониманием атомные концентрации бора, кремния и кислорода, определенные на основании профиля по глубине пленки 528 оксисилаборана из этого примера, полученного с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и показанного на фиг. 90, составляют 83,4%, 11,1% и 5,5%.

[259] При пиковой концентрации бора состав находится в соответствии с отнесенным к прототипу пикокристаллическим оксисилабораном . Отрицательные вариации состава (как реальные аномалии, так и аномалии измерения) наблюдаются вблизи границ разделов. Отклонения состава отнесенного к прототипу пикокристаллического оксисилаборана , определенные в этом примере с помощью профиля по глубине, полученного с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, связаны с изменениями энергии связи внутренних фотоэлектронов, особенно энергии связи электрона 2p кремния. Энергия связи электрона 1s кислорода была измерена как 532,5 эВ на поверхности, 532,4 эВ вблизи середины пленки 528 оксисилаборана из этого примера и 530,8 эВ вблизи кремниевой подложки 527. Энергия связи электрона 1s бора в этом примере была измерена с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии как 187,2 эВ на поверхности, 187,6 эВ в середине пленки 528 оксисилаборана из этого примера и 187,6 эВ вблизи кремниевой подложки 527. Приведенные выше энергии связи являются почти идеальными.

[260] Эти энергии связи согласуются с энергией связи бора, измеренной с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в предшествующих примерах, приведенных в этой заявке выше. Однако совершенно другое отличие от всех других примеров заключается в существовании двойного энергетического пика в энергии связи электрона 2p кремния вблизи поверхности, при этом нижний пик находится на уровне 99,7 эВ. Энергия связи электрона 2p кремния составляет 99,3 эВ в середине пленки 528 оксисилаборана и вблизи кремниевой подложки 527. Энергия этого одного энергетического пика находится в соответствии с одним энергетическим пиком из предшествующих примеров, раскрытых в этой заявке выше. Термический профиль твердофазного пикокристаллического оксисилаборана, такого, как в этом примере, представлен на фиг. 91. Температура представлена по оси ординат, а истекшее время в секундах по оси абсцисс.

[261] На фиг. 91 заметно, что время охлаждения составляет 12 мин (от 840 до 1680-той секунды). Целостность пленки можно повысить путем более быстрого охлаждения. Известно, что нежелательное окисление пленки 528 оксисилаборана из этого примера происходит во время охлаждения образца. Это вредное окисление должно быть исключено в фоноэлектрическом элементе 400, показанном на фиг. 21. Кроме того, известно, что избыточные кислород и кремний включаются в пленку 528 оксисилаборана вблизи кремниевой подложки 527 вследствие наличия естественного оксида и других адсорбированных загрязняющих примесей, вводимых во время изменения температуры до предпочтительной температуры. Как показано на высокоразрешающей микрофотографии, полученной с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), представленной на фиг. 34, нежелательный промежуточный слой 503 имеет толщину ~2 нм. Промежуточный слой препятствует успешной работе фоноэлектрического элемента 400, показанного на фиг. 21.

[262] Чтобы исключить нежелательные вариации составов пикокристаллических областей 401 анода и областей 402 катода, технологический процесс получения фоноэлектрического элемента 400 с фиг. 21 следует проводить непосредственно в установке при инвариантной температуре. Металлические электроды 403 фоноэлектрического элемента 400 осаждали непосредственно в установке методом химического осаждения из паров металлорганического соединения, используя подходящий предшественник алюминия. Одним таким предшественником является триметиламиналан (ТМАА) H₃AlN(CH₃)₃. Осаждение нанопроводников методом химического осаждения из паров металлорганического соединения подробно рассмотрели Бенсон и соавторы в статье ʺChemical vapor deposition of aluminum nanowires on metal substrates for electrical energy storage applicationsʺ, ACS Nano 6 (1), pp. 118-125 (2012). Например, согласно примеру 14 подходящая подложка, такая как кремниевая подложка, может быть введена в реактор EMCORE D-125 для химического осаждения из паров металлорганического соединения, который затем откачивают до давления ниже 50 мторр (6,65 Па).

[263] Триметиламиналан (ТМАА) H₃AlN(CH₃)₃ вводили в камеру для осаждения с помощью несущего водород газа при расходе 50 см³/мин. Давление в камере для осаждения регулировали до уровня 2-4 торр (266-532 Па), при этом подложку нагревали до ~230°С. Затем осаждали алюминий толщиной примерно 10 нм, после чего поток триметиламиналана блокировали и 3-процентную по объему смесь диборана в водороде В₂Н₆ (3%)/Н₂ (97%) при расходе 150 см³/мин вместе с 2-процентной по объему смесью моносилана в водороде SiH₄ (2%)/H₂ (98%) при расходе 300 см³/мин вводили в камеру для осаждения. Температуру подложки поддерживали на уровне ~230°С и позволяли реакции протекать в течение нескольких минут до осаждения тонкого слоя пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ толщиной ~1-3 нм, при этом неразбавленный оксид азота N₂O при расходе 20 см³/мин быстро вводили в камеру для осаждения и в то же время сохраняли протекание гидридных газов.

[264] Температуру подложки поддерживали на уровне ~230°С и позволяли реакции протекать в течение нескольких минут до осаждения тонкого слоя пикокристаллического оксисилаборана толщиной ~1-3 нм, после чего поток гидридов и оксида азота приостанавливали и несущий водород газ, триметиламиналан, повторно вводили в камеру для осаждения при расходе 50 см³/мин. Реакции позволяли протекать до осаждения алюминия толщиной примерно 10 нм. К этому моменту времени в установке образовывался p-изотипный выпрямитель 104. Должно быть понятно, что давление и температуру при осаждении можно регулировать, чтобы минимизировать осаждение углерода во время осаждения алюминия и чтобы оптимизировать скорость выращивания тонкой области 401 анода и области 402 катода.

[265] Время осаждения области 401 анода из пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ и области 402 катода из пикокристаллического оксисилаборана можно регулировать, чтобы минимизировать толщину областей. Осаждение p-изотипного выпрямителя 404, описанное выше, можно повторять для образования фоноэлектрического элемента 400, показанного на фиг. 21, в установке для химического осаждения из паров металлорганического соединения с получением большого количества p-изотипных выпрямителей 404, так называемого фоноэлектрического столба. Полученный в установке фоноэлектрический элемент 400 представляет собой фоноэлектрический столб с 20-50 p-изотипными выпрямителями 404. После удаления из камеры для химического осаждения из паров металлорганического соединения отдельные фоноэлектрические элементы 400 образуют плазменным травлением фоноэлектрического столба p-изотипных выпрямителей 404 при использовании обычной литографии.

[266] Как рассматривалось в этой заявке выше, электрическое поле Е в режиме холостого хода на металлургическом переходе области 401 анода из пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ и присоединенной области 402 катода из пикокристаллического оксисилаборана p-изотипного выпрямителя 404 распространяется в каждую такую область на расстояние, равное примерно двум длинам L_D Дебая. Величина электрического поля Е в режиме холостого хода p-изотипного выпрямителя 404 точно дается уравнением (70). Когда толщина области 401 анода из пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ и области 402 катода из пикокристаллического оксисилаборана меньше, чем длина Дебая (то есть меньше чем ~4 нм), работа, выполняемая при сжатии линий поля в режиме холостого хода, проявляется как напряжение холостого хода каждого p-изотипного выпрямителя 404. Напряжение холостого хода каждого p-изотипного выпрямителя 404 может быть оптимизировано на уровне ~26 мВ. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения учитывается напряжение холостого хода.

[267] Можно полагать, что логическое объяснение нового режима работы фоноэлектрического элемента 400 согласно изобретению может быть дано с учетом свободной энергии Гиббса и свободной энтропии Гиббса. Эти два понятия будут определены способом, близким к изложенному Гиббсом (1873) в ʺA method of geometrical representation of the thermodynamic properties of substances by means of surfacesʺ, Transactions of the Connecticut Academy, II, pp. 382-404, December 1873. Используемая в этой заявке свободная энергия Гиббса представляет собой энергию, с помощью которой тело или система многих тел может быть ослаблена без увеличения объема или уменьшения энтропии. Согласно Гиббсу (1873) свободная энергия Гиббса «геометрически представляется расстоянием точки А, обозначающей исходное состояние, от поверхности рассеиваемой энергии, измеряемой параллельно оси [Е]» на фиг. 92.

[268] Используемая в этой заявке свободная энтропия Гиббса представляет собой энтропию, с помощью которой тело или система многих тел может быть усилена без изменения энергии или увеличения объема. Согласно исходному указанию Гиббса (1873) свободная энтропия Гиббса «геометрически представляется расстоянием точки, обозначающей исходное состояние, от поверхности рассеиваемой энергии, измеряемой параллельно оси [S]» на фиг. 93. Свободная энтропия Гиббса широко используется в уровне техники при уравновешивании неравновесного состояния. В предпочтительных вариантах осуществления этого изобретения свободная энтропия Гиббса используется новым и полезным способом. Свободная энергия Гиббса и свободная энтропия Гиббса включаются в квантовый термодинамический цикл, показанный на фиг. 23, который отображает работу фоноэлектрического элемента 400 с фиг. 21. На фиг. 23 показана свободная энтропия Гиббса во время изотермического фазового перехода В→С.

[269] Объем искусственных ядер 104, содержащих пикокристаллические оксисилабораны, остается инвариантным при работе фоноэлектрического элемента 400. Как энергия, так и температура области 401 анода из пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ являются инвариантными во время изотермического фазового перехода В→С. Снижение энтропии S_trans фазового перехода обусловлено свободной энтропией Гиббса искусственных ядер 104 в области 401 анода из пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅. Во время изотермического фазового перехода В→С свободная энтропия Гиббса (в виде энтропии S_ent интраикосаэдрического перепутывания) претерпевает некомпенсированное возрастание, так что наблюдается квантовая локализация искусственных ядер 104, которая сопровождается снижением энтропии S_trans фазового перехода, как это предсказал Гиббс (1873) при разработке концепции свободной энтропии Гиббса.

[270] Новая способность искусственных ядер 104 претерпевать спонтанное возрастание свободной энтропии Гиббса, связанной с энтропией S_ent перепутывания, представляет собой новое и полезное свойство, учтенное в предпочтительных вариантах осуществления этого настоящего изобретения, которое не проявляется ни в каком другом известном икосаэдрическом твердом веществе с большим содержанием бора из уровня техники. Возможность использования свободной энтропии Гиббса в фоноэлектрическом элементе 400 является следствием сохранения икосаэдрической симметрии искусственных ядер 104 благодаря устранению многоатомных электронных орбитальных вырождений с помощью спин-орбитальной связи вместо устранения многоатомных электронных орбитальных вырождений с помощью искажения Яна-Теллера из уровня техники во всех других икосаэдрических твердых веществах с большим содержанием бора. В свою очередь, это обусловлено новым и полезным использованием силы Лоренца, первоначально осмысленной Максвеллом в 1861 году, которая стала навсегда утерянной в уровне техники вскоре после этого.

[271] Возможность смещения электрического воздействия на протяжении пространства без фактического смещения электрического заряда была сформулирована Джеймсом Клерком Максвеллом в первой работе по электромагнетизму. В основополагающей статье 1865 года под названием ʺA dynamic theory of the electromagnetic fieldʺ, опубликованной в The Scientific Papers of James Clerk Maxwell, vol. I, Dover, 2003, p. 526, Максвелл формально представил общие уравнения электромагнитного поля, изложенные ниже в современной форме.

[272] Уравнения (71a-f) содержат 6 векторных уравнений, которые Максвелл представил в виде 18 уравнений, включающих 18 составляющих в прямоугольной системе координат. Скалярное уравнение (71g) является выражение закона Гаусса, тогда как скалярное уравнение (71h) представляет собой уравнение непрерывности. В 1865 году Максвелл выразил общие уравнения электромагнитного поля в виде 20 уравнений с использованием 20 переменных. Это является очень важной концепцией, выдвинутой Максвеллом, которая с годами была утрачена в уровне техники. Вследствие значительного влияния этой утраченной концепции на современные интегральные схемы будет представлено обоснованное рассмотрение утраченной концепции Максвелла.

[273] Максвелл всегда выражал свои уравнения электромагнитного поля через векторный потенциал А и скалярный потенциал ψ. В настоящее время общепринято выражать общие уравнения электромагнитного поля в виде уравнений поля без включения потенциалов А и ψ Максвелла. Чтобы лучше понять важную утраченную концепцию в электромагнетизме Максвелла, которая затрагивает современные интегральные съемы, важно точно определить уравнения (71a-h) как уравнения поля, которые связаны с современной формой уравнений Максвелла. Для этого рассмотрим следующую систему уравнений электромагнитного поля:

[274] В уравнениях (72a-d) правило точек Ньютона использовано таким образом, что точка наверху обозначает полную производную по времени любой переменной. Это важно, поскольку изменение времени может происходить явно или неявно. Как рассмотрено Джексоном в Classical Electrodynamics, Second Edition, John Wiley & Sons, 1975, p. 212, полная производная по времени может быть расширена с помощью конвективной производной с включением скорости v, так что конвективная производная в уравнениях (72b-c) приводит в результате к следующим соотношениям, в которых расходимость из уравнения (73b) обращается в нуль согласно уравнению (73d):

[275] В общем случае мгновенная скорость v может быть разложена на две отдельные скорости, что было осознано Максвеллом в 1861-1865 годах. Любое бесконечно малое электромагнитное возмущение может быть точно определено в зависимости от скорости , обусловленной перемещением нерастяжимого электромагнитного возмущения на протяжении пространства, и также от фазовой скорости , обусловленной периодической осцилляцией электромагнитного возмущения. Обобщение Максвеллом закона индукции Фарадея позволило получить магнитную составляющую v×B силы Лоренца, хотя и не общепринятую силу Лоренца. Рассмотрение выводов Максвелла ясно показывает, что мгновенная скорость v является фазовой скоростью, так что уравнения (73a-d) становятся:

[276] Член является плотностью J тока проводимости, связанной со смещением нерастяжимых электромагнитных возмущений на протяжении пространства, так что уравнения (74a-d) могут быть точно определены в более привычной форме. Следует отметить, что полярности и различаются вследствие антикоммутативных множимых внешнего произведения. Аналогичное условие также существует для и :

[277] Два члена в уравнениях (75a-d) неизвестны из уровня техники: спектральная индукция и плотность тока спектрального смещения. Эти два члена относятся к форме силы Лоренца, была введена в физику Максвеллом в 1861 году в другой статье ʺOn physical lines oh forceʺ, The Scientific Papers of James Clerk Maxwell, vol. I, Dover, 2003, p. 526. В этой статье Максвелл выразил цель теоремы XI как: «обнаружение электродвижущих сил в подвижном теле». В теореме XI Максвелл выразил уравнение (69) в современных членах:

(76)

[278] Член в квадратных скобках включает в себя бесконечно малую вариацию координаты x расширяемого электромагнитного возмущения. Тем самым согласно уравнению (76) пренебрежение такой вариацией координаты будет вызывать уменьшение составляющей x в законе индукции Фарадея. При математическом оформлении вывода из теоремы XI Максвелл в 1861 году получил следующее соотношение (приводимое в современной формулировке):

(77)

[279] Электрическое поле Е Максвелла в уравнении (77) из теоремы XI выражается как:

(78)

[280] В этом соотношении для поля содержится сила Лоренца нового вида, установленная Максвеллом в 1861 году, когда Хендрику Лоренцу было только семь лет. Для понимания глубокого физического значения спектральной индукции (не члена Максвелла) в уравнении (77) вывод представлен в [0682]-[0703] предварительной заявки № 62/591848 на патент США, включенной в эту заявку по ссылке.

[281] Искусственное ядро 104 образовано химическим слиянием двенадцати естественных атомов бора в икосаэдр с почти симметричной ядерной конфигурацией, в которой все 36 валентных электрона бора занимают интраикосаэдральную связь и анисвязывающие орбитали. Как ранее раскрывалось в этой заявке, слияние обязательно включает в себя преобразование количества вещества в энергию. В искусственном ядре 104 на фиг. 5 небольшое количество вещества преобразовано в «дрожательное движение» (дрожание) квазичастицы Дирака. Как установлено в предварительной заявке № 62/591848 на патент США, которая включена в эту заявку по ссылке, «дрожательное движение» (дрожание) квазичастицы приводит к:

[282] Шредингер в 1930 году первый обнаружил и дал наименование дрожанию (дрожательному движению) квазичастицы Дирака. Однако Шредингер установил только частоту 2mc²/ħ дрожания Комптона из уравнения (79а). Хотя это и не известно из уровня техники, но микроволновая частота , определенная в уравнении (79b), играет важную роль в предпочтительных вариантах осуществления этого изобретения. Используемый в этой заявке фонон является совместным колебанием атомов или молекул с одинаковой частотой, обусловленным периодической упругой конфигурацией. Два колебательных члена энергии связи в правой части уравнений (26a-b) наводят дрожание в соответствии со снижением массы:

[283] Первое дрожание энергии связи в квадратных скобках в правой части уравнений (26a-b) снижает массу электрона на ~α²/8π, что приводит к различию энергий ~1,08 эВ, которой поддерживаются интраикосаэдрические антисвязывающие и связывающие орбитали. Хотя соответствующая частота дрожания является слишком высокой для вклада в перенос электрического воздействия, она способствует спектральному индуцированию валентных электронов из интраикосаэдрических связывающих орбиталей в интраикосаэдрические антисвязывающие орбитали вследствие некомпенсированного возрастания интраикосаэдрической энтропии S_ent перепутывания. Энтропия S_ent перепутывания представляет собой свободную энтропию Гиббса, которой в фоноэлектрическом элементе 400 поддерживается генерация подвижных электронно-дырочных пар посредством спектрального индуцирования.

[284] Это можно лучше понять при сравнении p-изотипного выпрямителя 404 фоноэлектрического элемента 400 с p-n-анизотипным выпрямителем 414 кремниевого фотоэлектрического элемента. Для этого p-n-анизотипный выпрямитель 414 в темноте показан на фиг. 94А, а p-изотипный выпрямитель 404 показан на фиг. 94В. Различные размеры сильно преувеличены для облегчения представления новых концепции на этих и других фигурах. На фиг. 94А p-n-анизотипный выпрямитель 414 образован областью 411 анода из легированного акцепторной примесью монокристаллического кремния p-типа и присоединенной областью 412 катода из легированного донорной примесью монокристаллического кремния n-типа. Области электрически контактируют с двумя алюминиевыми электродами 413. Тепловое равновесие устанавливается в p-n-анизотипном выпрямителе 414 диффузией подвижных дырок и подвижных электронов между соединенными областями 411 и 412, так что электрическое поле в режиме холостого хода существует между неподвижными ионами донорной примеси и ионами акцепторной примеси.

[285] Линии электрического поля в режиме холостого хода между неподвижными ионами донорной примеси и ионами акцепторной примеси в p-n-анизотипном выпрямителе 414 находятся в обедненной области пространственного заряда, в которой концентрация неподвижных зарядов значительно превышает концентрацию подвижных зарядов. В результате восстанавливающая кристалл сила в p-n-анизотипном выпрямителе 414 возникает при рекомбинации подвижных зарядов. В противоположность этому, электрическое поле в режиме холостого хода в p-изотипном выпрямителе 404 на фиг. 94В существует между подвижными дикатионами и дианионами. Подвижные дикатионы и дианионы в p-изотипном выпрямителе 404 обусловлены диффузией зарядов через металлургический переход области 401 анода из пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅ и области 402 катода из пикокристаллического оксисилаборана в режиме холостого хода.

[286] Линии электрического поля в режиме холостого хода между подвижными дикатионами и дианионами в p-изотипном выпрямителе 404 находятся в области накопленного пространственного заряда, в которой концентрация подвижных зарядов значительно превышает концентрацию неподвижных зарядов. В результате восстанавливающая кристалл сила в p-изотипном выпрямителе 404 возникает при генерации подвижных зарядов. Поскольку как толщина области 401 анода из пикокристаллического силаборана p-(B₁₂H₄)₃Si₅, так и толщина области 402 катода из пикокристаллического оксисилаборана меньше, чем длина Дебая, потенциал анода плавает ниже потенциала катода, так что ток короткого замыкания в p-изотипном выпрямителе 404 с фиг. 94В блокируется. В темноте напряжение холостого хода не генерируется в p-n-анизотипном выпрямителе 414 вследствие отсутствия подвижных электронно-дырочных пар, пригодных для проводимости. Это возмещается радиационной генерацией подвижных электронно-дырочных пар, показанных на фиг. 95 в ответ на падающее излучение hν.

[287] Электрическое поле в режиме холостого хода между неподвижными ионами акцепторной примеси и ионами донорной примеси в p-n-анизотипном выпрямителе 414 разделяет подвижные электронно-дырочные пары, которые случайным образом диффундируют в обедненную область пространственного заряда. Это разделение зарядов вынуждает подвижные дырки диффундировать к электроду 413 анода, а подвижные электроны диффундировать к электроду 413 катода. Поскольку в режиме холостого хода отсутствует протекание тока, то согласно фиг. 96А потенциал анода плавает выше потенциала катода. Электрический ток протекает в случае, когда электрическая нагрузка приложена между электродами анода и катода p-n-анизотипного выпрямителя 414 фотоэлектрического элемента на фиг. 97А и p-изотипного выпрямителя 404 фоноэлектрического элемента на фиг. 97В. В то время как напряжение холостого хода p-n-анизотипного выпрямителя 414 составляет ~0,6 В, напряжение холостого хода p-изотипного выпрямителя 404 составляет ~26 мВ.

[288] Выходное напряжение p-изотипного выпрямителя 404 фоноэлектрического элемента 404 на порядки величины ниже, чем выходное напряжение p-n-анизотипного выпрямителя 414 фотоэлектрического элемента. Это несоответствие является очень дезориентирующим, поскольку величина удельной мощности твердотельного прибора обычно изменяется на многие порядки вследствие изменения плотности тока. В связи с этим разность напряжений противоположных полярностей между p-n-анизотипным выпрямителем 414 и p-изотипным выпрямителем 404 является значительной. Когда анодное напряжение плавает выше катодного, ток при обратном смещении выводится на приложенную электрическую нагрузку p-n-анизотипным выпрямителем 414 фотоэлектрического элемента на фиг. 97А. И наоборот, когда анодное напряжение плавает ниже катодного, ток при прямом смещении выводится на приложенную электрическую нагрузку p-изотипным выпрямителем 404 фоноэлектрического элемента 400 на фиг. 97В. Это различие является очень существенным.

[289] Величина плотности тока при прямом смещении выпрямителя обычно на порядки больше, чем величина плотности тока при обратном смещении. Это ограничение величины плотности тока при обратном смещении, выводимого на электрическую нагрузку p-n-анизотипным выпрямителем 414 фотоэлектрического элемента полностью согласуется с ограничением, связанным с освещенностью, создаваемой солнечным излучением. Максимальная плотность мощности кремниевого фотоэлектрического элемента ограничивается освещенностью, создаваемой солнечным излучением, на уровне ниже чем 34 мВт/см². Эффективность фотоэлектрического элемента существенно ограничена тем, что восстанавливающая сила кристалла p-n-анизотипного выпрямителя 414 возникает при рекомбинации подвижных зарядов, и она является противоположной предпочтительной восстанавливающей силе кристалла при генерации зарядов. В свою очередь, это обусловлено недостатком контактной технологии монокристаллического полупроводника, которая способствует получению повышенной проводимости и расширенных по пространству валентных энергетических зон.

[290] Практическое значение использования способности решетки монокристаллического кремния поддерживать широкие изменения собственного состояния в отсутствие всякой механической работы существенно ограничено структурой решетки. Во-первых, поверх подложек из монокристаллического кремния можно выполнять эпитаксиальное осаждение только монокристаллического кремния. Во-вторых, формирование контактов решетки монокристаллического кремния для электрического контакта с нею приводит к возникновению состояний Тамма-Шокли, которые закрепляют электрохимический потенциал в запрещенной энергетической зоне между низом зоны проводимости и верхом валентной зоны. Это закрепление электрохимического потенциала приводит к тому, что выпрямляющий контакт не зависит от работы выхода металла электродов. См., например, Bardeen, ʺSurface states at a metal semi-conductor contactʺ, Phys. Rev. 10, № 11, 1947, p. 471. Плотность состояний Тамма-Шокли на поверхности раздела следует уменьшать.

[291] Хорошо известными методами технологической обработки значительное снижение плотности состояний Тамма-Шокли на поверхности раздела может быть реализовано при формировании контактов областей кристаллического кремния с использованием пленок из аморфного диоксида кремния, вследствие чего электрохимический потенциал поверхности может быть снижен при работе прибора на всем протяжении запрещенной энергетической зоны. В полевом транзисторе используется возможность снижения электрической удельной проводимости поверхности монокристаллического кремния с помощью электродов с емкостной связью через тонкую пленку диоксида кремния. Однако любой диоксид кремния следует удалять из контактных областей полупроводника вследствие очень высокого удельного сопротивления диоксида кремния, составляющего ~10¹⁶ Ом⋅см. Чтобы существенно снизить количество состояний Тамма-Шокли в контактных областях полупроводника, поверхность полупроводника легируют до состояния вырождения, чтобы образовать изотипный гомопереход, так что электрохимический потенциал поверхности полупроводника закрепляется в зоне проводимости или валентной энергетической зоне.

[292] Метал или силицид может быть вплавлен в поверхность вырожденного полупроводника, чтобы подвижные заряды могли туннелировать через потенциальный барьер в изотипный гомопереход. При низкоуровневой инжекции изотипный гомопереход действует как омический контакт с высокоомной областью полупроводника. Однако омический контакт этого вида не позволяет использовать монокристаллический полупроводник в электрохимическом выпрямителе, в котором электрохимический потенциал изменяется между внешними электродами. Этот недостаток может быть устранен заменой естественных атомов кремния искусственными атомами 101 пикокристаллического борана для образования самособранного пикокристаллического оксисилаборана, который имеет ориентационный порядок связи, сравнимый с ориентационным порядком связи монокристаллического кремния, рассмотренным в этой заявке выше.

[293] Вызванная подвижными зарядами проводимость в p-изотипном выпрямителе 104 осуществляется посредством прыжкового механизма между искусственными ядрами 104 искусственных атомов 101 пикокристаллического борана с подвижностью ~0,01 см²/В⋅с. Хотя из фоноэлектрического элемента 400 ток выводится на электрическую нагрузку в состояниях прямого смещения, плотность тока снижается вследствие прыжковой проводимости. Однако негативный побочный эффект приводит к намного большей благоприятной плотности мощности по сравнению с плотностью мощности фотоэлектрического элемента. Для более полного оценивания этого преимущества прогнозируемый анализ затрат на изготовление фоноэлектрического элемента 400 представлен на фиг. 98. Как определено, фоноэлектрический столб p-изотипных выпрямителей 404 из фоноэлектрического элемента 400 осаждают непосредственно в реакторе для химического осаждения из паров металлорганического соединения под компьютерным управлением. Эффективные затраты на проведение технологического процесса положены в основу затрат на изготовление фоноэлектрического столба фоноэлектрического элемента 400.

[294] Удельное сопротивление, обусловленное прыжковой подвижностью, предполагается равным 100 мкОм⋅см². Можно полагать, что это удельное сопротивление может быть снижено при дальнейшем совершенствовании конструкции. Плотность мощности, составляющая 6,76 Вт/см², более чем в 200 раз больше плотности мощности p-n-анизотипного выпрямителя 404 фотоэлектрического элемента. В отличие от фотоэлектрического элемента p-изотипный выпрямитель 404 фоноэлектрического элемента 400 может быть осажден в установке под компьютерным управлением непосредственно в фоноэлектрический столб. Для сравнения фоноэлектрический столб на фиг. 98 предполагается содержащим 36 p-изотипных выпрямителей 404. Величина плотности мощности, составляющая 243 Вт/см², соответствует плотности мощности термоионного преобразователя с фиг. 99А и на четыре порядка больше плотности мощности солнечного элемента, работающего при нормальной освещенности. Стоимость выработки электроэнергии, составляющая 2,25 доллара на киловатт, намного ниже стоимости выработки электроэнергии любым известным источником возобновляемой энергии и выдерживает конкуренцию с источниками горения.

[295] Патент США № 307031 является первым патентом, когда-либо выданным на любое электронное устройство. Изобретатель, Томас Эдисон раскрыл новое явление. «Я открыл новое явление, такое, что если проводящее вещество поместить где-нибудь в пустом пространстве в колбе электрической лампы накаливания и проводящее вещество соединить за пределами лампы с одним выводом, предпочтительно с положительным выводом, накального проводника, то когда лампа работает, часть тока будет проходить через шунтирующую цепь, образованную таким образом, и этот шунт включает в себя часть пустого пространства в лампе». Упомянутое выше явление позднее стало известно как эффект Эдисона. Используемый в этой заявке эффект Эдисона представляет собой явление протекания электрического заряда между парой металлических электродов в откачанной области, когда один такой металлический электрод (называемый электродом катода) нагревается выше другого такого металлического электрода (называемого электродом анода) при достаточно большой разности температур.

[296] Как показано на фиг. 99А, когда электрод катода нагрет больше, чем электрод анода, то при достаточно большой разности температур происходит термоионное излучение свободных электронов с электрода катода в откачанную область, после чего свободные электроны диффундируют к низкотемпературному электроду анода. Поскольку ток холостого хода отсутствует, потенциал катода плавает ниже потенциала анода, так что любой ток холостого хода предотвращается. Хотя в термоионном преобразователе исключены ограничения, связанные с энергетической освещенностью, создаваемой солнечным излучением, эффективность Карно ограничена. Необходимо, чтобы эффект Эдисона в твердом теле не ограничивался энергетической освещенностью, создаваемой солнечным излучением, или эффективностью Карно.

[297] Использованный в этой заявке эффект твердого состояния Эдисона представляет собой явление переноса электрического заряда между двумя металлическими электродами, находящимися при температуре окружающей среды, которые расположены между твердофазным полупроводниковым материалом, имеющим две смежные зоны с различными коэффициентами Зеебека, и которые вызывают снижение энтропии окружающей среды при переносе электрического заряда к любой приложенной пассивной электрической нагрузке, непосредственно или косвенно, между металлическими электродами. Хотя переходный поток электрических зарядов может существовать между смежными областями материала с различными коэффициентами Зеебека, но этот поток электрических зарядов будет непрерывно поддерживаться, если и только если возрастание энтропии смешения между областями обусловлено, по меньшей мере косвенным образом, спектральным индуцированием валентных электронов на высокоэнергетические антисвязывающие энергетические уровни вследствие инфракрасного дрожательного резонанса.

[298] Хотя Максвелл предложил концепцию спектральной индукции (хотя и не наименование) в оригинальной статье ʺOn physical lines of forceʺ, фактическое использование спектральной индукции не встречалось в уровне техники. До настоящего времени это было обусловлено неспособностью адекватно использовать дрожание в практических материалах и приборах. В фоноэлектрическом элементе 400 новым и полезным способом резонанс дрожания в ближней инфракрасной области используется для перемещения электрического заряда на протяжении пространства. В других предпочтительных вариантах осуществления этого изобретения микроволновое дрожание из уравнения (79b) используется для смещения электрического воздействия, но не электрического заряда, на протяжении пространства, которое Максвелл ввел в употребление как смещение тока. В то время как электрическое воздействие Максвелла смещается на протяжении пространства под действием приложенной извне, зависящей от времени периодической движущей силы, в этой заявке электрическое воздействие смещается под действием собственного дрожания.

[299] В части III статьи ʺOn physical lines of forceʺ Максвелл сформулировал: «В таком случае мы здесь имеем два независимых свойства тел, одно, в соответствии с которым они делают возможным прохождение электричества, и другое, в соответствии с которым они делают возможным передачу электрического воздействия без всякого прохождения…. Поскольку электродвижущая сила действует на проводник, в нем создается ток, который при встрече с сопротивлением вызывает непрерывное преобразование электрической энергии в теплоту, которая неспособна возвращаться в состояние электрической энергии при любом обращении процесса…. В диэлектрике, находящемся под действием индукции, мы можем представить, что электричество в каждой молекуле смещается таким образом, что одна сторона оказывается положительной, а другая отрицательной, но электричество остается полностью связанным с молекулой, и не проходит от одной молекулы к другой».

[300] Ток смещения Максвелла не является фактическим током, связанным с движением электрических зарядов на протяжении пространства, а точнее, вследствие временной зависимости электрического поля является смещаемым электрическим воздействием. Смещение электрического заряда в проводнике обусловлено временной зависимостью электрического поля. В общем случае электрическое поле Е является силой на единицу заряда, так что при смещении заряда в проводнике в ответ на электрическое поле Е образуется работа, сопровождаемая нагревом теплотой Джоуля. Максвелл особо отметил, что монопольное смещение заряда в проводнике всегда сопровождается преобразованием электрической энергии в тепловую энергию. Смещение электричества включает в себя электродвижущую силу, которая никогда не сочетается гармонично с обычной механической силой. В данной области техники имеется необходимость в свободном от влияния поля материале, в котором электричество смещается электродвижущей силой.

[301] В то время как действие фоноэлектрического элемента 400 согласно этому изобретению включает в себя смещение электрического заряда в пределах пространства прыжком между искусственными ядрами 104, в другие предпочтительные варианты осуществления включено ранее неизвестное смещение электрического воздействия на протяжении пространства со всеми валентными электронами, остающимися в молекулярных связях. Чтобы удовлетворить такому условию, необходимо исключить физическое влияние ядерных электрических квадрупольных моментов атомов 102 естественного бора. Для этого следовые металлические примеси могут быть введены при той же самой концентрации примесей, как концентрация примесей, обусловленная ядерными электрическими квадрупольными моментами естественных атомов 102 бора, и это теперь будет пояснено примером.

Пример 15

[302] Что касается фиг. 100, то пленка 532 диоксида кремния была осаждена поверх подложки 531 из арсенида галлия. Пленка 533 титана и пленка 534 золота были осаждены поверх пленки 532 диоксида кремния. Подложка 531 была загружена на держатель с резистивным нагревом в камеру D-125 для химического осаждения из паров металлорганического соединения из примера 14. Камеру механически откачивали до давления ниже 50 мторр (6,65 Па), после чего в камеру для осаждения вводили 3-процентную по объему смесь диборана в водороде В₂Н₆ (3%)/Н₂ (97%) при расходе 360 см³/мин и 2-процентную по объему смесь моносилана в водороде SiH₄ (2%)/H₂ (98%) при расходе 1300 см³/мин. В то же самое время неразбавленный оксид азота N₂O вводили при расходе 150 см³/мин. Газы-реагенты выпускали для смешения и стабилизации до ввода в камеру для осаждения. После стабилизации расхода газов давление в камере регулировали до давления 20 мторр (2,66 Па) и молибденовый держатель вращали со скоростью 1100 об/мин.

[303] Температуру подложки повышали до 240°С при вращении держателя с резистивным нагревом. После стабилизации температуры осаждения на уровне 240°С делали возможным протекание химической реакции в течение 20 мин, после чего нагрев держателя выключали и перед удалением из камеры позволяли образцу охлаждаться до температуры ниже 80 °С. Как представлено на фиг. 100, пленка 535 оксисилаборана была осаждена поверх пленки 534 золота. Толщина пленки, измеренная с помощью спектроскопической эллипсометрии с переменным углом, составляет 91,8 нм. На основании определенного с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии профиля по глубине, показанного на фиг. 101, установлено, что соответствующие атомные концентрации бора, кремния и кислорода в пленке 535 оксисилаборана составляют 85,2%, 10,0% и 3,8%. Масс-спектроскопия на вторичных ионах (МСВИ) была выполнена для измерения следовой концентрации примеси золота в пленке 535 оксисилаборана.

[304] Как показано на фиг. 102, определенная на основании профиля по глубине, найденного с помощью масс-спектроскопии на вторичных ионах, атомная концентрация золота равна ~10¹⁸ см^-3. Анализом с использованием спектроскопии обратного рассеяния Резерфорда и прямого рассеяния водорода определены относительные атомные концентрации бора, водорода, кремния и кислорода, соответственно составляющие 70%, 17%, 10% и 3%. Согласно фиг. 103 металлические электроды 536 и 537 были осаждены поверх пленки золота путем осаждения алюминия через теневую маску в испарителе колокольного типа. Вольтамперные характеристики пленки 535 оксисилаборана были измерены анализатором параметров НР-4145, при этом два сигнала качающейся частоты были получены с помощью микрозондов, расположенных на металлических электродах 536 и 537. График вольтамперных характеристик пленки 535 оксисилаборана показан на фиг. 104. На вольтамперных характеристиках имеется омическая проводимость с сопротивлением 2,9 Ом, возникшая в результате измерений микрозондовым измерительным устройством.

[305] Включение золота в качестве следовой примеси существенно изменяет свойства электрической проводимости пленки 535 оксисилаборана. Полагают, что логическое объяснение изменению проводимости вследствие включения следа монетного металла, такого как золото, может дать электромагнитная теория Максвелла. Новая формулировка уравнений Максвелла подробно рассмотрена в [0682]-[0703] предварительной заявки № 62/591848 на патент США и включена в эту заявку по ссылке. Уравнения поля Максвелла в новой формулировке могут быть выражены как:

[306] Унификация электричества и магнетизма Максвеллом привела к обобщению схемного закона Ампера в уравнении (80с) путем включения плотности ∂D/∂t тока смещения. Ток смещения Максвелла поддерживает смещение электромагнитной энергии на протяжении пространства без фактического смещения электрического заряда. Плотность потока мощности излучения, распространяющегося через пространство с помощью тока смещения Максвелла, выражается через вектор Е×Н Пойнтинга. В случае электромагнитного излучения благодаря току смещения Максвелла мощность излучения, распространяющегося через пространство, должна создаваться внешней периодической движущей силой некоторого вида. Уравнения поля Максвелла в новой формулировке еще более обобщены до уравнений (75a-d) включением спектральной индукции и плотности тока спектрального смещения, которые неизвестны из уровня техники.

[307] Кроме того, как описано в [0757]-[0780] предварительной заявки № 62/591848 на патент США и включено в эту заявку по ссылке, интегральная форма спектральной индукции скрыта в релятивистском волновом уравнении Дирака, так что:

(81)

[308] Следующее соотношение получено в [0757]-[0780] предварительной заявки № 62/591848 на патент США и включено в эту заявку по ссылке:

(82)

[309] Приведенное выше соотношение является следствием амальгамирования уравнений Клейна-Гордона и Шредингера на основе уравнения Дирака. Приведенное выше соотношение преобразуются в уравнение Гордона-Клейна, когда эти два доселе неизвестных члена приравниваются:

(83)

[310] Член в правой части уравнения (83) относится к микроволновому дрожанию, представленному в уравнении (79b). Как рассматривалось в этой заявке выше, микроволновое дрожание неизвестно из уровня техники. Приведенное выше в уравнении (83) соотношение описывает новое и полезное явление, называемое в этой заявке эффектом микроволнового дрожания Ааронова-Бома. Можно считать, что наличие эффекта микроволнового дрожания Ааронова-Бома приводит к образованию периодической движущей силы в пикокристаллических оксисилаборанах, которая способна смещать плотность Е×Н мощности электромагнитной энергии на протяжении пространства без любого стороннего содействия.

[311] Когда физические размеры монолитных интегральных схем масштабируют к молекулярным размерам, расширенные энергетические зоны существующей парадигмы масштабирования нарушаются по основополагающим причинам вследствие квантовых условий Гейзенберга. Парадигма масштабирования интегральных схем из уровня техники включает в себя планарное масштабирование ковалентно связанных полупроводниковых областей, в которых электрические зарядовые монополи смещены в расширенных энергетических зонах, в которых средняя длина свободного пробега электрических зарядовых монополей обычно на много порядков величины больше, чем межатомные расстояния атомов матрицы решетки полупроводника. Смещение электрических зарядовых монополей этого вида существует на заднем конце технологической линии, а также на переднем конце технологической линии изготовления интегральной схемы.

[312] В уровне техники для ослабления вредных резистивных эффектов соединения активных элементов с подложкой выполняли из меди вместо алюминия. Однако средняя длина свободного пробега электронов в меди составляет 39 нм, так что удельное сопротивление сильно возрастает, когда ширина медных линий масштабируется ниже 50 нм. Аналогичным образом, паразитный ток утечки возникает, когда топологические размеры кремниевого транзистора масштабируют ниже примерно 28 нм, вследствие элементарной невозможности принудить подвижные электрические зарядовые монополи находиться в расширенных энергетических зонах на протяжении промежутка. Несколько других вредных эффектов масштабирования возникают в ответ на попытки принудить подвижные электрические зарядовые монополи находиться в расширенных энергетических зонах в наноразмерных интегральных схемах. Необходимо иметь смещение всего электричества нового вида, которое не включает в себя фактического смещения электрических зарядовых монополей на протяжении пространства. Отсюда вытекает, что эффект микроволнового дрожания Ааронова-Бома является полезным.

[313] Плотность Е×Н мощности электромагнитной энергии, смещаемой на протяжении пространства с помощью эффекта микроволнового дрожания Ааронова-Бома, считается поддерживающей плотность тока спектрального смещения без появления какого-либо сопротивления, связанного с фактическим смещением электрического заряда. В результате предпочтительные варианты осуществления этого изобретения можно считать идеально действующими при комнатной температуре полупроводника при условии, что эффективная плотность тока не превышает определенной максимальной плотности тока. Кроме того, можно считать, что упомянутая максимальная плотность тока сравнима с максимальной плотностью тока графена. Пикокристаллические оксисилабораны согласно этому изобретению являются очень полезными в качестве соединений на заднем конце технологической линии, поскольку в отличие от графена осаждение пикокристаллических оксисилаборанов представляет собой низкотемпературное конформное осаждение из паровой фазы. Можно считать, что легированный золотом пикокристаллический силаборан без всякого кислорода является наиболее полезным для соединений на заднем конце технологической линии.

[314] Включение примеси со следовой концентрацией атомов золота ~10¹⁸ см^-3 в пикокристаллический силаборан может быть реализовано путем включения предшественника золота в формир-газ при осаждении пикокристаллического силаборана. Предпочтительными предшественниками золота являются комплексы летучего металлорганического диметилового золота (III), при этом ацетат (CH₃)₂Au(OAc) диметилового золота (III) является предпочтительным предшественником золота. Предшественник золота может быть введен в формир-газ с помощью несущего водород газа в реакторе для химического осаждения из паров металлорганического соединения. Благодаря введению примеси золота электропроводность как пикокристаллического силаборана, так и пикокристаллического оксисилаборана может быть значительно повышена управляемым способом.

1. Фоноэлектрический элемент, используемый как часть фоноэлектрического столба из одного или более смежных фоноэлектрических элементов, содержащий:

первый слой проводника;

первый слой бора в контакте с первым слоем проводника, при этом первый слой бора содержит икосаэдрический бор и водород и имеет более высокую относительную атомную концентрацию бора, чем любого другого атома;

второй слой бора в контакте с первым слоем бора, при этом второй слой бора содержит икосаэдрический бор, водород и кислород и имеет более высокую относительную атомную концентрацию бора, чем любого другого атома;

второй слой проводника в контакте со вторым слоем бора; и

причем электрический потенциал генерируется между первым слоем проводника и вторым слоем проводника.

2. Фоноэлектрический элемент по п. 1, причем первый слой бора дополнительно содержит кремний.

3. Фоноэлектрический элемент по п. 2, причем первый слой бора представляет собой силаборан.

4. Фоноэлектрический элемент по п. 3, причем первый слой бора представляет собой пикокристаллический силаборан.

5. Фоноэлектрический элемент по п. 3, причем слой силаборана представляет собой силаборан, имеющий формулу (B₁₂H_w)_xSi_y, где 3≤w≤5, 2≤x≤4 и 3≤y≤5.

6. Фоноэлектрический элемент по п. 5, причем слой силаборана представляет собой пикокристаллический силаборан, имеющий формулу (B₁₂H₄)_xSi_y, где 2≤x≤4 и 3≤y≤5.

7. Фоноэлектрический элемент по п. 6, причем слой силаборана представляет собой пикокристаллический силаборан, имеющий формулу (B₁₂H₄)₃Si₅.

8. Фоноэлектрический элемент по п. 1, причем второй слой бора дополнительно содержит кремний.

9. Фоноэлектрический элемент по п. 8, причем второй слой бора представляет собой оксисилаборан.

10. Фоноэлектрический элемент по п. 9, причем второй слой бора представляет собой пикокристаллический оксисилаборан или

слой оксисилаборана представляет собой оксисилаборан, имеющий формулу (B₁₂H_w)_xSi_yO_z, где 3≤w≤5, 2≤x≤4, 3≤y≤5 и 0<z≤3.

11. Фоноэлектрический элемент по п. 10, причем слой оксисилаборана представляет собой пикокристаллический оксисилаборан, имеющий формулу (B₁₂H₄)_xSi_yO_z, где 2≤x≤4, 3≤y≤5 и 0<z≤3.

12. Фоноэлектрический элемент по п. 11, причем слой оксисилаборана представляет собой пикокристаллический оксисилаборан, имеющий формулу (B₁₂H₄)₂Si₄O₂.

13. Фоноэлектрический элемент по п. 1, причем каждый из первого и второго слоя проводника является металлическим электродом, предпочтительно металлический электрод представляет собой алюминий, или

икосаэдрическая симметрия первого и второго слоев бора является практически свободной от искажения Яна-Теллера.

14. Фоноэлектрический элемент по п. 2, причем второй слой бора дополнительно содержит кремний.

15. Фоноэлектрический элемент по п. 3, причем второй слой бора представляет собой оксисилаборан.

16. Фоноэлектрический элемент по п. 4, причем второй слой бора представляет собой пикокристаллический оксисилаборан.

17. Фоноэлектрический элемент по п. 5, причем второй слой бора представляет собой оксисилаборан, имеющий формулу (B₁₂H_w)_xSi_yO_z, где 3≤w≤5, 2≤x≤4, 3≤y≤5 и 0<z≤3.

18. Фоноэлектрический элемент по п. 6, причем второй слой бора представляет собой пикокристаллический оксисилаборан, имеющий формулу (B₁₂H₄)_xSi_yO_z, где 2≤x≤4, 3≤y≤5 и 0<z≤3.

19. Фоноэлектрический элемент по п. 7, причем второй слой бора представляет собой пикокристаллический оксисилаборан, имеющий формулу (B₁₂H₄)₂Si₄O₂.

20. Фоноэлектрический элемент по п. 1, причем относительная атомная концентрации бора в первом слое бора и втором слое бора по меньшей мере на 50% больше, чем любого другого атома, или

первый слой бора имеет толщину меньшую или равную примерно 4 нм и второй слой бора имеет толщину меньшую или равную примерно 4 нм, или

фоноэлектрический столб образован из по меньшей мере двух фоноэлектрических элементов, при этом второй проводник первого фоноэлектрического элемента образует первый проводник второго фоноэлектрического элемента.