Nanoantennas - zařízení, aplikace, vyhlídky na použití

Alternativní zařízení pro přeměnu energie slunečního záření na elektrický proud se dnes často nazývá nanoantenna, jsou však možné i jiné aplikace, o nichž se zde také bude diskutovat. Toto zařízení pracuje stejně jako mnoho antén podle principu rektifikace, ale na rozdíl od tradičních antén funguje v rozsahu optické vlnové délky.

Elektromagnetické vlny optického dosahu jsou extrémně krátké, ale v roce 1972 přišli Robert Bailey a James Fletcher s touto myšlenkou, která již viděla možnost shromažďování sluneční energie stejným způsobem jako s rádiovými vlnami.

V důsledku krátké vlnové délky optického rozsahu má nanoantenna rozměry nepřesahující stovky mikronů na délku (úměrné vlnové délce) a na šířku - ne více, nebo dokonce méně, 100 nanometrů. Například k těmto anténám patří například nanoantennas ve formě dipólů z nanotrubic pro provoz při frekvencích stovek gigahertzů.

Asi 85% slunečního spektra je složeno z vln o délce 0,4 až 1,6 mikronů a mají více energie než infračervené záření. V roce 2002 provedla Národní laboratoř Idaho rozsáhlý výzkum a dokonce postavila a otestovala nanoantenody na vlnových délkách od 3 do 15 mikronů, což odpovídá fotonové energii 0,08 až 0,4 eV.

V zásadě je možné absorbovat světlo z jakékoli vlnové délky pomocí nanoantennas za předpokladu, že velikost antény bude odpovídajícím způsobem optimalizována. Od roku 1973 do dneška se tedy neustále vyvíjí výzkum vývoje tohoto směru.

Teoreticky je vše jednoduché. Světelný dopad na anténu kmitáním jeho elektrického pole způsobuje oscilace elektronů v anténě se stejnou frekvencí jako frekvence vlny. Po zjištění proudu pomocí usměrňovače stačí jej převést a vy můžete dodávat energii k napájení zátěže.

Teorie mikrovlnných antén říká, že fyzické rozměry antény by měly odpovídat rezonanční frekvenci, ale kvantové efekty provádějí úpravy, například kožní efekt při vysokých frekvencích je velmi výrazný.

Při frekvencích 190-750 terahertzů (vlnové délky od 0,4 do 1,6 mikronů) jsou zapotřebí alternativní diody, které jsou blízké tunelujícím diodám založeným na metalicko-dielektrickém kovu, obyčejné nebudou fungovat, protože v důsledku působení bloudivých kondenzátorů dojde k velkým ztrátám. Pokud budou úspěšně implementovány, nanoantennas významně předčí aktuálně populární solární panely problém s detekcí však zůstává hlavním problémem.

V roce 2011 vyvinula skupina fyziků na Rice University nanoantennu, která převádí blízké infračervené záření na proud. Vzorky byly množstvím zlatých rezonátorů uspořádaných do pole ve vzdálenosti 250 nm od sebe.

Rozměry rezonátoru byly 50 nm široké, 30 nm vysoké a délka se pohybovala od 110 do 158 nm. Vedoucí výzkumného týmu Naomi Galas v publikovaném článku vysvětlil, že rozdíly v délkách odpovídají rozdílům v provozních frekvencích.

Na křemíkové vrstvě byly umístěny zlaté prvky a kontaktní bod byl jen Schottkyho bariérou. Ve vrstvě oxidu křemičitého byla uzavřena řada rezonátorů a kontakty byly tvořeny vrstvou oxidu india a cínu.

Takže při světelném dopadu na rezonátory byly excitovány povrchové plazmony - elektrony oscilovaly poblíž povrchu dirigenta a když se plazmon rozpadl, přenesla se energie, která se poté přenesla na elektrony.

Horké elektrony snadno překročily Schottkyho bariéru a vytvořily fotoproud, to znamená, že se ukázalo něco podobného fotodiodě.Výška Schottkyho bariéry umožnila detekovat rozsah výrazně přesahující schopnosti křemíkových prvků, ale dosažená účinnost byla pouze 1%.

V roce 2013 provedl Brian Willis, vědec z University of Connecticut, USA, úspěšný výzkum a zvládl technologii depozice atomové vrstvy. Vytvořil také řadu rektifikačních nanoantennas, ale když byly elektrody dokončeny řezáním elektronovou paprskovou pistolí, vědec povlečil obě elektrody atomy mědi pomocí depozice atomové vrstvy, aby přinesl přesnost na vzdálenosti až 1,5 nm.

V důsledku toho krátká vzdálenost vytvořila tunelové spojení, takže elektrony mohly jednoduše proklouznout mezi oběma elektrodami pod vlivem světla, čímž se vytvořily podmínky pro další generování proudu. Tato studie probíhá a očekávaná účinnost může dosáhnout 70%.

Ve stejném roce 2013 provedli vědci z Gruzínského technologického institutu v USA simulace nanoantennas z USA grafen. Cílem zde bylo získat antény pro výměnu dat a vytváření sítí pro mobilní zařízení. Klíčovým bodem je použití povrchových elektronových vln na povrchu grafenu, ke kterým dochází za určitých podmínek.

Šíření elektronů v grafenu má své vlastní vlastnosti, takže malá grafenová anténa je schopna vyzařovat a přijímat při relativně nízké frekvenci, ale v menší velikosti než kovová anténa. Z tohoto důvodu se profesor Iain Akiildiz v této studii věnuje přesně cíli vytvoření nového způsobu organizace bezdrátových komunikací, spíše než vytváření solárních článků.

Grafenové elektrony působením elektromagnetické vlny přicházející z vnějšku začnou emitovat vlny, které se šíří výhradně na povrchu grafenu, tento jev je známý jako polarizovaná vlna povrchového plazmonu (SPP vlna) a umožňuje vám vytvářet antény pro frekvenční rozsah od 0,1 do 10 terahertzů.

V kombinaci s vysílači založenými na oxidu zinečnatém, kde se používají piezoelektrické vlastnosti těchto materiálů, se vytvoří základ pro bezdrátovou komunikaci s nízkou spotřebou energie a předpovídá se rychlost přenosu dat 100krát vyšší než u stávajících bezdrátových technologií.

Vědci z Petrohradské laboratoře metamateriálů zase v roce 2013 publikovali článek „Optické nanoantennas“, kde ukázali možnost využití optických nanoantennas pro různé účely, včetně přenosu a zpracování informací rychlostí výrazně vyšší než u současných, protože foton je rychlejší než elektron, a to otevírá zásadně nové směry.

Vedoucí výzkumník v laboratoři, Alexander Krasnok, si je jistý, že 5 milimetrových čipů, které zpracovávají až terabitová data za sekundu, je teprve začátek, a v 21. století na nás čeká skutečná fotonová revoluce.

Vědci samozřejmě nezanedbávají používání nanoantennas v jiných oblastech, jako je medicína a energie. Rozsáhlá publikace autorů v časopise Uspekhi Fizicheskikh Nauk (červen 2013, svazek 183, č. 6) poskytuje vyčerpávající přehled relativních nanoantennas.

Ekonomický účinek zavedení nanoantennas je obrovský. Například ve srovnání s křemíkovými fotobuňkami jsou náklady na jeden metr čtvereční materiálu pro nanoantennas o dvě řády nižší (křemík - 1 000 $, alternativa - od 5 do 10 $).

Je vysoce pravděpodobné, že v budoucnu budou nanoantenny schopny pohánět elektrické automobily, nabíjet mobilní telefony, dodávat elektřinu do domácností a křemíkové solární panely, které se dnes používají, se stanou pozůstatky minulosti.

Viz také toto téma:Ultratenké vícevrstvé solární články na bázi nanostrukturovaných materiálů