工程師們在設計應用于外太空和人體中的設備時面臨著一個共同的挑戰：如何保證其安全性、可靠性和高效性？這是因為在水中、極端溫度、高壓及其他極端環境中使用的設備很難得到高效穩定的電力供應。近期，科研人員在提升設備能量使用效率的探索中發現，對于在外太空衛星和醫療器械等特殊環境中使用的設備，電子發射技術有望成為一項極具潛力的發電方式。

當對金屬表面或電極施加靜電場、加熱或光照時，電子會從金屬中逸出，通常進入真空環境，這種現象就是電子發射，而逸出的電子可以被收集起來作為可用的電能。意大利技術研究所（Italian Institute of Technology, 簡稱 IIT）和歐洲航天局（European Space Agency，簡稱 ESA）正在合作開發基于電子發射技術的太陽能收集系統，用于為外太空的衛星供電。IIT 的研究人員還將類似的概念用于為納米天線供電，以研究人腦中的電信號。他們使用數值仿真來研究放射電子的運動，并對相關設備進行了優化，以期擁有最佳的功能和最高的效率。

更高效的太陽能供電系統將被應用于衛星

光伏系統可以將太陽光轉換成電能，地面或近地軌道的太陽能電池板可以有效地使用這一系統實現能量轉換，但由于高溫會嚴重影響光電轉換的效率，這種系統并不適用于外太空的近日探索。美國斯坦福大學（Stanford University）于 2010 年最先研發了光子增強熱電子發射（photon-enhanced thermionic emission，簡稱 PETE）太陽能電池，它將光電效應與熱電子發射（電子從受熱半導體中逸出而形成的熱導電子流）相結合來提高發電功效，并有望成為現有供電系統的替代產品。

PETE 電池（見圖 1）是一個三明冶結構，中間為真空室，其上下分別被砷化鎵一類的半導體正極和負極所包覆。負極價帶中的電子受入射光子激發進入導帶，其中一部分逸出到真空間隙；而另一部分電子則遷移到半導體的真空能級附近，可以通過熱電子發射使其輕松地逸出。對負極加熱會使更多電子“沸騰”，進入真空間隙。自由電子到達另一端的正極并在此形成電荷堆積，從而產生電能。

圖 1. PETE 電池示意圖。電子由于光（照射在半導體上）和熱（由電負荷產生）的作用從負極逸出。電子在到達正極的過程中相互排斥而被“困”在真空間隙產生空間電荷的堆積。圖注：Light - 光；Load - 負荷；Heat - 熱；Concentrated Space Charge Region - 集中空間電荷區；Vacuum - 真空；Cathode (emitter) - 負極（發射極）；Anode (collector) - 正極（集電極）

“增強熱電子發射技術利用負極的半導體結構和正負極之間的溫差將熱能轉換為電能，”IIT 的博士后研究員 Pierfrancesco Zilio 解釋道，“與標準光電效應不同，電子發射發生能量轉換時會同時利用太陽光譜的紫外—可見區域和紅外區域，前者激發電子到達半導體的導帶，后者激發電子逸出到真空間隙”。

但是，射出的電子會相互排斥，使部分電子回到負極或被“困”在真空間隙中。“困”在真空間隙中的電子會形成空間電荷（space charge）云，進而干擾電子通過，致使設備效率明顯降低。

仿真提供強力的技術支持

Zilio 和他的合作伙伴 Waseem Raja（在讀博士生）、Remo Proietti（高級研究員）與 ESA 合作研究了多個不同的 PETE 系統，力圖使正極的電荷堆積最大化，并據此為外太空衛星提供可靠的設計。他們使用 COMSOL Multiphysics? 軟件對各種可能的 PETE 電池設計進行建模分析，借此確定其中最實用、最有效的設計。

他的團隊對正負極之間的電子流動軌跡進行了追蹤，并研究了空間電荷云的形成。他們先創建了一個模型，對由光子的沖擊、吸收而在負極形成的電場進行計算，接著分析了電場對電子掙脫負極表面能力的影響。

“這樣我們就能預測空間電荷云會對正極上的電子堆積產生怎樣的影響，進而得到最終的電流輸出數據。”Zilio 介紹道，“我們計算了電子在到達正極前需要克服的各種阻力，這些阻力包括電子掙脫負極束縛的能量以及電子在遷移過程中空間電荷云對其施加的減速作用力。”

他們使用數值仿真能夠對電極的不同布局進行測試，通過改變兩個電極的排布以確定可使輸出電流和效率最大化的設計（見圖 2）。

圖 2. COMSOL? 軟件的仿真結果，顯示正極和負極之間距離不同、工作電壓不同時計算得到的正極電流密度（左圖）和功率轉換效率（右圖）。

“COMSOL 軟件使我們能將空間電荷的運動與負極的光吸收和載流子輸送等其他相關物理效應耦合在一起。”

為分析真空室中的電子的發射和傳播，他們將粒子追蹤模型與電、熱分析相耦合。“我們根據電子軌跡和電勢來確定正極的電流密度，”Zilio繼續說道，“從而對我們選定的 PETE 電池設計進行計算，并得到其凈電流輸出值和功率轉換效率。”

為盡可能減少空間電荷云的影響，他們還測試了多種不同的方案。其中一種是使負極表面形成納米錐陣列結構，其原理為錐形尖頭會形成更強的電場，從而射出更多電子。Zilio 對納米錐的電場和電子軌跡進行了模擬（見圖 3），并計算了在正極產生的電流密度。

圖 3. 納米錐結構在 COMSOL 中的仿真結果。圖中顯示了粒子軌跡和速度大小，以及整個錐面的電場模。

盡管納米錐設計可以增加負極逸出的電子數量，但無法克服空間電荷云的阻力，從而無法提高輸出電流。鑒于這個原因，Zilio 的團隊考慮采用新的策略。“我們在真空間隙中放置了一個帶正電荷的網狀柵極，可以在電子逸出后吸引它們快速通過，”他說，“這個設計大幅提高了電子的提取能力，并顯著減少了正極和負極之間的空間電荷云。”

“接下來，我們必須對柵極的孔徑以及向柵極輸入的電能進行優化，以此在總體效率、電子收集量以及減少被困在柵極中的電子數量間實現最佳的平衡。”

他們測試了不同的孔間距（相鄰孔中心之間的距離），以尋找可以使正極產生最大輸出電流的柵極結構。他們還考慮了向柵極輸入的電能，因為該能量會影響總體轉換效率。圖 4 和圖 5 顯示了柵極采用不同結構、施加不同電壓以及孔間距不同時電子的收集量以及總體轉換效率。

圖 4. 正極上電子加速度的 COMSOL 仿真結果，左圖中加了柵極，右圖中未加柵極。

圖 5. 左圖中的仿真結果顯示了對柵極施加不同電壓且正負極距離為 20μm 時的功率轉換效率。右圖顯示了柵極電壓和孔間距均不同時正極堆積的電流密度。

為提高設計的總體效率，該團隊根據仿真結果針對柵極電壓、孔間距和正負極之間的距離進行了選擇。在完成 PETE 電池的研究后，他們使用相似的技術對應用于生物醫學和神經學設備中的納米天線進行了表面等離激元的仿真。

回歸人腦研究

Zilio 還利用 COMSOL 提供的分析功能研究了當納米天線浸入與人腦相似的水相環境時電子的光電發射。這種天線由鍍金或鍍銀的介電納米管制成（見圖 6），可被用于光刺激神經元、神經元之間電信號的研究，以及醫學治療和診斷。

圖 6. 由二次電子曝光技術制備的金納米管天線的放大圖。這種天線能在可見光譜范圍和近紅外光譜范圍內產生強烈的等離子熱點。

天線浸入液體環境后電子的逸出功會減少，即電子從金屬逸出所需的能量減少了。“這使電子更容易逸出，然而如果天線周圍的電子密度持續增大并超過一定數值后，水分子的電離作用會呈指數增長，天線將無法繼續工作。”Zilio 解釋道。對天線施加飛秒激光脈沖會引起表面等離激元共振，使金屬表面的電場增強，從而提高電子發射后的加速度。

Zilio 的團隊對天線的光響應進行了仿真，將其與電子發射和運動軌跡模型相耦合，還在局部增強的電場與放射電子的分布間建立了聯系。接著，他的團隊還研究了“電熱點”，即電子密度最高的區域，并分析了水分子與放射電子發生碰撞產生的催化反應。“COMSOL 提供的碰撞模擬功能滿足了我們的所有需求，”他評論道，“我能夠同時模擬電子激發、水分子的電離作用以及它們之間的彈性碰撞”。

仿真結果（見圖 7）揭示了天線和“電熱點”周圍的電場水平，并預測了電子在逸出過程中的密度和運動軌跡。通過研究天線隨長度和激光功率變化而引起的不同光響應，團隊確定了天線的工作范圍。在該范圍內電離作用會受到最大程度的抑制，并可將天線失效風險降至最低。

圖 7. 電子從金屬逸出時的粒子軌跡。

展望新技術

在對外太空衛星設備及納米天線的性能進行優化的過程中，多物理場分析為 IIT 研究團隊的工作提供了極為寶貴的幫助。“我們的工作需要對多個物理場進行模擬，例如將粒子追蹤與其他現象相耦合以及相關的強非線性物理現象，COMSOL 軟件為我們提供了極大的支持。”Zilio 評論道。從對外太空無止境的探索到有朝一日嘗試刺激單個神經元，IIT 的工程師們計劃繼續將仿真應用于極端環境下的技術開發中。