Nanoantennas - ierīce, lietojums, lietošanas iespējas

Alternatīva ierīce saules starojuma enerģijas pārvēršanai elektriskā strāvā mūsdienās bieži tiek saukta par nanoantennu, tomēr ir iespējami arī citi pielietojumi, un tas arī tiks apspriests šeit. Šī ierīce, tāpat kā daudzas antenas, darbojas pēc korekcijas principa, taču atšķirībā no tradicionālajām antenām tā darbojas optiskā viļņa garuma diapazonā.

Optiskā diapazona elektromagnētiskie viļņi ir ārkārtīgi īsi, taču jau 1972. gadā šo ideju ierosināja Roberts Beilijs un Džeimss Flečers, kuri pat tad redzēja iespēju savākt saules enerģiju tāpat kā ar radioviļņiem.

Sakarā ar optiskā diapazona īso viļņu garumu nanoantennas izmēri nepārsniedz simtiem mikronu (proporcionāli viļņa garumam), bet platumā - ne vairāk vai pat mazāku par 100 nanometriem. Piemēram, nanoantennas dipolu formā no nanocaurulēm, kas darbojas simtiem gigahercu frekvencēs, pieder pie šādām antenām.

Apmēram 85% Saules spektra veido viļņi ar garumu no 0,4 līdz 1,6 mikroniem, un tiem ir vairāk enerģijas nekā infrasarkanajiem. 2002. gadā Aidaho Nacionālā laboratorija veica plašus pētījumus un pat uzbūvēja un pārbaudīja nanoantennas viļņu garumam no 3 līdz 15 mikroniem, kas atbilst fotonu enerģijai no 0,08 līdz 0,4 eV.

Izmantojot nanoantennas, principā ir iespējams absorbēt gaismu no jebkura viļņa garuma, ja vien attiecīgi tiek optimizēts antenas izmērs. Tātad kopš 1973. gada līdz šai dienai ir nepārtraukti veikti pētījumi šī virziena attīstībā.

Teorētiski viss ir vienkārši. Gaismas avots uz antenas ar tā elektriskā lauka svārstībām izraisa antenā esošo elektronu svārstības ar tādu pašu frekvenci kā viļņa frekvence. Pēc strāvas noteikšanas ar taisngriezi ir pietiekami, lai to pārveidotu, un jūs varat piegādāt enerģiju kravas barošanai.

Mikroviļņu antenu teorija saka, ka antenas fiziskajiem izmēriem jāatbilst rezonanses frekvencei, bet kvantu efekti veic pielāgojumus, piemēram, ādas efekts augstās frekvencēs ir ļoti izteikts.

Ar frekvencēm 190-750 teraherci (viļņu garums no 0,4 līdz 1,6 mikroniem) ir vajadzīgas alternatīvas diodes, kas atrodas tuvu tuneļu diodēm, kuru pamatā ir metāla-dielektriskais metāls, parastās nedarbosies, jo parastās nedarbosies, jo klaiņojošu kondensatoru darbības dēļ radīsies milzīgi zaudējumi. Ja nanoantennas tiks veiksmīgi ieviestas, tās ievērojami apsteigs šobrīd populārās saules paneļi tomēr efektivitātes ziņā galvenā problēma joprojām ir atklāšana.

Rīsu universitātes fiziķu grupa 2011. gadā izstrādāja nanoantennu, lai netālu infrasarkano starojumu pārveidotu par strāvu. Paraugi bija daudz zelta rezonatoru, kas izvietoti masīvā 250 nm attālumā viens no otra.

Rezonatora izmēri bija 50 nm plati, 30 nm augsti, un garums svārstījās no 110 līdz 158 nm. Pētījuma grupas vadītāja Naomi Galas publicētajā rakstā paskaidroja, ka garuma atšķirības atbilst atšķirībām darbības frekvencēs.

Zelta elementi atradās uz silīcija slāņa, un saskares punkts bija tikai Šotkas barjera. Silikona dioksīda slānī tika ievietots rezonatoru klāsts, un kontaktus veidoja indija alvas oksīda slānis.

Tātad, kad gaismas rezonansē uz rezonatoriem, virsmas plazmoni tika satraukti - elektroni svārstījās netālu no vadītāja virsmas, un, kad plazmons sabojājās, tad tika nodota enerģija, kas pēc tam tika nodota elektroniem.

Karstie elektroni viegli šķērsoja Šotkas barjeru, veidojot fotovadījumu, tas ir, izrādījās kaut kas līdzīgs fotodiodei.Šotkas barjeras augstums ļāva noteikt diapazonu, kas ievērojami pārsniedz silīcija elementu iespējas, taču sasniegtā efektivitāte bija tikai 1%.

2013. gadā Brian Willis, zinātnieks no Konektikutas universitātes, ASV, veica veiksmīgu pētījumu un apguva atomu slāņu nogulsnēšanās tehnoloģiju. Viņš arī izveidoja nanoantennu rektifikācijas masīvu, bet, kad elektrodi tika pabeigti griešanai ar elektronu staru pistoli, zinātnieks abus elektrodus pārklāja ar vara atomiem, izmantojot atomu slāņa nogulsnēšanos, lai panāktu precizitāti attālumos līdz 1,5 nm.

Tā rezultātā neliels attālums izveidoja tuneļa krustojumu, lai elektroni gaismas ietekmē varētu vienkārši slīdēt starp diviem elektrodiem, radot apstākļus turpmākai strāvas ģenerēšanai. Šis pētījums turpinās, un paredzamā efektivitāte var sasniegt 70%.

Tajā pašā 2013. gadā pētnieki no Džordžijas Tehnoloģiju institūta ASV veica nanoantennu simulācijas no grafēns. Mērķis šeit bija iegūt antenas datu apmaiņai un mobilo ierīču tīklu izveidošanai. Galvenais ir virsmas elektronu viļņu izmantošana uz grafēna virsmas, kas notiek noteiktos apstākļos.

Elektronu izplatībai grafēnā ir savas īpašības, tāpēc maza antena uz grafēna bāzes spēj izstarot un uztvert relatīvi zemā frekvencē, bet mazākā izmērā nekā metāla antena. Šī iemesla dēļ profesors Iains Akiildizs šajā pētījumā precīzi tiecas sasniegt mērķi radīt jaunu veidu, kā organizēt bezvadu sakarus, nevis veidot saules baterijas.

Grafēna elektroni, kas darbojas no ārpuses ienākoša elektromagnētiskā viļņa ietekmē, sāk izstarot viļņus, kas izplatās tikai uz grafēna virsmas, šī parādība ir pazīstama kā virsmas plazmona polarizētais vilnis (SPP vilnis), un tas ļauj jums izveidot antenas frekvences diapazonā no 0,1 līdz 10 teraherciem.

Kombinācijā ar raidītājiem, kuru pamatā ir cinka oksīds, kur tiek izmantotas šo materiālu pjezoelektriskās īpašības, tiek izveidots pamats bezvadu sakariem ar mazu enerģijas patēriņu un tiek prognozēts 100 reizes lielāks datu pārsūtīšanas ātrums nekā esošajām bezvadu tehnoloģijām.

Savukārt zinātnieki no Sanktpēterburgas metamateriālu laboratorijas 2013. gadā publicēja rakstu “Optical nanoantennas”, kur viņi parādīja iespēju izmantot optiskos nanoantennas dažādiem mērķiem, ieskaitot informācijas pārraidīšanu un apstrādi ar ātrumu, kas ir ievērojami lielāks nekā pašreizējie, jo fotons ir ātrāks nekā elektronu, un tas paver principiāli jaunus virzienus.

Laboratorijas vecākais pētnieks Aleksandrs Krasnoks ir pārliecināts, ka 5 milimetru mikroshēmas, kas vienā sekundē apstrādā līdz pat terabaita datiem, ir tikai sākums, un 21. gadsimtā mūs sagaida īsta fotonu revolūcija.

Protams, zinātnieki nenovārtā atstāj nanoantennu izmantošanu citās jomās, piemēram, medicīnā un enerģētikā. Plašā autoru publikācija žurnālā Uspekhi Fizicheskikh Nauk (2013. gada jūnijs, 183. sējums, 6. nr.) Sniedz izsmeļošu relatīvo nanoantennu pārskatu.

Nanoantennu ieviešanas ekonomiskais efekts ir milzīgs. Tātad, piemēram, salīdzinot ar silīcija fotoelementiem, materiālu izmaksas par kvadrātmetru nanoantennām ir par divām pakāpēm zemākas (silīcijs - USD 1000, alternatīva - no USD 5 līdz USD 10).

Ļoti iespējams, ka nākotnē nanoantennas spēs barot elektriskās automašīnas, uzlādēt mobilos tālruņus, piegādāt mājām elektrību, un šodien izmantotie silīcija saules paneļi kļūs par pagātnes relikviju.

Skatīt arī par šo tēmu:Īpaši plānas daudzslāņu saules baterijas, kuru pamatā ir nanostrukturēti materiāli