Nanoantennas - appareil, application, perspectives d'utilisation

Un dispositif alternatif pour convertir l'énergie du rayonnement solaire en courant électrique est souvent appelé nanoantenne aujourd'hui, cependant, d'autres applications sont possibles, et cela sera également discuté ici. Cet appareil fonctionne, comme de nombreuses antennes, sur le principe de la rectification, mais contrairement aux antennes traditionnelles, il fonctionne dans la gamme de longueurs d'onde optiques.

Les ondes électromagnétiques de la plage optique sont extrêmement courtes, mais en 1972, cette idée a été proposée par Robert Bailey et James Fletcher, qui voyaient même alors la perspective de collecter l'énergie solaire de la même manière qu'avec les ondes radio.

En raison de la courte longueur d'onde de la plage optique, la nanoantenne a des dimensions ne dépassant pas des centaines de microns de longueur (proportionnelle à la longueur d'onde) et de largeur - pas plus, ni même moins, 100 nanomètres. Par exemple, des nanoantennes sous forme de dipôles de nanotubes, pour fonctionner à des fréquences de centaines de gigahertz, appartiennent à de telles antennes.

Environ 85% du spectre solaire est composé d'ondes d'une longueur de 0,4 à 1,6 microns, et elles ont plus d'énergie que l'infrarouge. En 2002, le laboratoire national de l'Idaho a mené des recherches approfondies, et même construit et testé des nanoantennes pour des longueurs d'onde allant de 3 à 15 microns, ce qui correspond à des énergies de photons de 0,08 à 0,4 eV.

Il est en principe possible d'absorber la lumière de n'importe quelle longueur d'onde à l'aide de nanoantennes, à condition que la taille de l'antenne soit optimisée en conséquence. Ainsi, depuis 1973 à ce jour, des recherches dans le développement de cette direction ont été continuellement menées.

En théorie, tout est simple. La lumière incidente sur l'antenne par les oscillations de son champ électrique provoque des oscillations d'électrons dans l'antenne avec la même fréquence que la fréquence de l'onde. Après avoir détecté le courant avec un redresseur, il suffit de le convertir et vous pouvez fournir de l'énergie pour alimenter la charge.

La théorie des antennes hyperfréquences dit que les dimensions physiques de l'antenne devraient correspondre à la fréquence de résonance, mais les effets quantiques font des ajustements, par exemple, l'effet de peau aux hautes fréquences est très prononcé.

À des fréquences de 190 à 750 térahertz (longueurs d'onde de 0,4 à 1,6 microns), des diodes alternatives sont nécessaires, à proximité des diodes tunnel à base de métal-diélectrique-métal, les diodes ordinaires ne fonctionneront pas, car d'énormes pertes se produiront en raison de l'action des condensateurs parasites. S'ils sont mis en œuvre avec succès, les nanoantennas dépasseront de manière significative le panneaux solaires en termes d'efficacité, mais le problème de détection reste le principal.

En 2011, un groupe de physiciens de l'Université Rice a développé une nanoantenne pour convertir le rayonnement infrarouge proche en courant. Les échantillons étaient une pluralité de résonateurs en or disposés en réseau à une distance de 250 nm les uns des autres.

Les dimensions du résonateur étaient de 50 nm de large, 30 nm de haut, et la longueur variait de 110 à 158 nm. Le chef de l'équipe de recherche, Naomi Galas, a expliqué dans un article publié que les différences de longueurs correspondent aux différences de fréquences de fonctionnement.

Des éléments en or étaient situés sur la couche de silicium, et le point de contact n'était que la barrière Schottky. Un réseau de résonateurs était enfermé dans une couche de dioxyde de silicium, et les contacts étaient formés par une couche d'oxyde d'indium et d'étain.

Ainsi, lorsque la lumière incidente sur les résonateurs, les plasmons de surface étaient excités - les électrons oscillaient près de la surface du conducteur, et lorsque le plasmon se désintégrait, alors de l'énergie était transférée, qui était ensuite transférée aux électrons.

Les électrons chauds ont facilement traversé la barrière Schottky, créant un photocourant, c'est-à-dire qu'il s'est avéré quelque chose de similaire à une photodiode.La hauteur de la barrière Schottky a permis de détecter une plage dépassant considérablement les capacités des éléments en silicium, mais l'efficacité obtenue n'était que de 1%.

En 2013, Brian Willis, un scientifique de l'Université du Connecticut, aux États-Unis, a mené une recherche réussie et maîtrisé la technologie du dépôt de couche atomique. Il a également créé une gamme de nanoantennas de rectification, mais lorsque les électrodes ont fini de couper avec un canon à faisceau d'électrons, le scientifique a revêtu les deux électrodes d'atomes de cuivre en utilisant le dépôt de couche atomique pour apporter une précision à des distances allant jusqu'à 1,5 nm.

En conséquence, la courte distance a créé une jonction tunnel afin que les électrons puissent simplement glisser entre les deux électrodes sous l'influence de la lumière, créant des conditions pour une nouvelle génération de courant. Cette étude est en cours et l'efficacité attendue peut atteindre 70%.

Au cours de la même année 2013, des chercheurs du Georgia Institute of Technology, USA, ont mené des simulations de nanoantennas graphène. Le but ici était d'obtenir des antennes pour échanger des données et créer des réseaux pour les appareils mobiles. Le point clé est l'utilisation d'ondes électroniques de surface à la surface du graphène, qui se produisent dans certaines conditions.

La propagation des électrons dans le graphène a ses propres caractéristiques, donc une petite antenne à base de graphène est capable de rayonner et de recevoir à une fréquence relativement basse, mais à une taille plus petite qu'une antenne métallique. Pour cette raison, le professeur Iain Akiildiz poursuit précisément dans cette étude l'objectif de créer une nouvelle façon d'organiser les communications sans fil, plutôt que de construire des cellules solaires.

Les électrons de graphène sous l'action d'une onde électromagnétique venant de l'extérieur commencent à émettre des ondes qui se propagent exclusivement à la surface du graphène, ce phénomène est connu comme une onde polarisée de plasmon de surface (onde SPP), et vous permet de construire des antennes pour la gamme de fréquence de 0,1 à 10 térahertz.

En combinaison avec des émetteurs à base d'oxyde de zinc, où les propriétés piézoélectriques de ces matériaux sont utilisées, une base de communication sans fil à faible consommation d'énergie est établie et un taux de transfert de données 100 fois plus élevé que les technologies sans fil existantes est prévu.

À leur tour, les scientifiques du laboratoire de métamatériaux de Saint-Pétersbourg ont publié un article «Optical nanoantennas» en 2013, où ils ont montré la possibilité d'utiliser des nanoantennas optiques à des fins diverses, y compris la transmission et le traitement d'informations à des vitesses nettement supérieures à celles actuelles, car le photon est plus rapide que électron, ce qui ouvre des directions fondamentalement nouvelles.

Le chercheur principal du laboratoire, Alexander Krasnok, est sûr que des puces de 5 millimètres qui traitent des données térabits en une seconde ne sont qu'un début, et au 21e siècle, une véritable révolution des photons nous attend.

Bien sûr, les scientifiques ne négligent pas l'utilisation de nanoantennas dans d'autres domaines, tels que la médecine et l'énergie. Une importante publication des auteurs dans la revue Uspekhi Fizicheskikh Nauk (juin 2013, volume 183, n ° 6) fournit une revue exhaustive des nanoantennas relatives.

L'effet économique de l'introduction des nanoantennes est énorme. Ainsi, par exemple, par rapport aux photocellules au silicium, le coût d'un mètre carré de matériaux pour les nanoantennes est inférieur de deux ordres de grandeur (silicium - 1000 $, une alternative - de 5 $ à 10 $).

Il est fort probable qu'à l'avenir, les nanoantennas pourront alimenter des voitures électriques, recharger des téléphones portables, fournir de l'électricité aux maisons, et les panneaux solaires en silicium utilisés aujourd'hui deviendront une relique du passé.

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