Nanoantennas - устройство, приложение, перспективи за употреба

Алтернативно устройство за преобразуване на енергията на слънчевата радиация в електрически ток днес често се нарича наноантена, но други приложения са възможни и това също ще бъде разгледано тук. Това устройство работи, подобно на много антени, според принципа на коригиране, но за разлика от традиционните антени, той работи в обхвата на оптичната дължина на вълната.

Електромагнитните вълни от оптичния диапазон са изключително къси, но още през 1972 г. тази идея е предложена от Робърт Бейли и Джеймс Флетчър, които дори тогава виждат перспективата за събиране на слънчева енергия по същия начин, както при радиовълните.

Поради късата дължина на вълната на оптичния диапазон, наноантената има размери, които не надвишават стотици микрони (пропорционални на дължината на вълната), а на ширина - не повече или дори по-малко 100 нанометра. Например, на тези антени принадлежат наноантените под формата на диполи от нанотръби, за работа на честоти от стотици гигагерци.

Около 85% от слънчевия спектър е съставен от вълни с дължина от 0,4 до 1,6 микрона и те имат повече енергия от инфрачервената. През 2002 г. Националната лаборатория в Айдахо проведе обширни изследвания и дори изгради и изпробва наноантени за дължини на вълните от 3 до 15 микрона, което съответства на енергии на фотоните от 0,08 до 0,4 eV.

По принцип е възможно да се абсорбира светлина от всяка дължина на вълната, като се използват наноантени, при условие че размерът на антената е оптимизиран съответно. И така, от 1973 г. до днес непрекъснато се провеждат изследвания в развитието на тази посока.

На теория всичко е просто. Светлината, падаща върху антената чрез колебания на нейното електрическо поле, предизвиква трептения на електроните в антената със същата честота като честотата на вълната. След като откриете тока с токоизправител, достатъчно е да го преобразувате и можете да доставите енергия за захранване на товара.

Теорията на микровълновите антени казва, че физическите размери на антената трябва да съответстват на резонансната честота, но квантовите ефекти правят корекции, например, кожният ефект при високи честоти е много силно изразен.

При честоти 190-750 терахерца (дължини на вълната от 0,4 до 1,6 микрона) са необходими алтернативни диоди, които са близки до тунелните диоди на базата на метал-диелектрик-метал, обикновените няма да работят, защото ще възникнат огромни загуби поради действието на бездомните кондензатори. Ако бъдат успешно приложени, nanoantennas значително ще изпревари популярната в момента слънчеви панели по отношение на ефективността обаче проблемът с откриването остава основният.

През 2011 г. група физици от Университета Райс разработиха наноантена за превръщане на близко инфрачервено лъчение в ток. Пробите са множество златни резонатори, подредени в масив на разстояние 250 nm един от друг.

Размерите на резонатора бяха широки 50 nm, високи 30 nm, а дължината варираше от 110 до 158 nm. Ръководителят на изследователския екип Наоми Галас обясни в публикувана статия, че разликите в дължините съответстват на разликите в работните честоти.

Златните елементи бяха разположени върху силициевия слой, а контактната точка беше само бариерата на Шотки. Масив от резонатори беше затворен в слой от силициев диоксид и контактите бяха оформени от слой калаен оксид на индий.

И така, когато светлината падала върху резонаторите, повърхностните плазмони са били възбудени - електроните се колебаят близо до повърхността на проводника, а когато плазмонът се разпада, тогава се прехвърля енергия, която след това се прехвърля към електроните.

Горещите електрони лесно преминават през бариерата на Шотки, създавайки фотострум, тоест се оказа нещо подобно на фотодиод.Височината на бариерата на Шотки направи възможно откриването на обхват, значително надвишаващ възможностите на силициевите елементи, но постигнатата ефективност беше само 1%.

През 2013 г. Брайън Уилис, учен от Университета в Кънектикът, САЩ, проведе успешно проучване и усвои технологията на отлагане на атомния слой. Той също така създаде масив от коригиращи наноантени, но когато електродите завършиха с рязане с пистолет с електронен лъч, ученият покрива двата електрода с медни атоми, използвайки отлагане на атомен слой, за да доведе до точност до разстояния до 1,5 nm.

В резултат на това късото разстояние създаде тунелно съединение, така че електроните да могат просто да се плъзгат между двата електрода под въздействието на светлината, създавайки условия за по-нататъшно генериране на ток. Това проучване продължава и очакваната ефективност може да достигне 70%.

През същата 2013 г. изследователи от Института за технологии в Джорджия, САЩ, проведоха симулации на наноантени от графен, Целта тук беше да се получат антени за обмен на данни и създаване на мрежи за мобилни устройства. Ключовият момент е използването на повърхностни електронни вълни на повърхността на графен, които възникват при определени условия.

Разпространението на електрон в графена има свои собствени характеристики, така че малка антена на базата на графен е в състояние да излъчва и приема с относително ниска честота, но с по-малък размер от металната антена. Поради тази причина професор Йейн Акилдис преследва именно в това изследване целта да създаде нов начин за организиране на безжични комуникации, а не да изгражда слънчеви клетки.

Графеновите електрони под действието на електромагнитна вълна, идваща отвън, започват да излъчват вълни, които се разпространяват изключително по повърхността на графен, това явление е известно като повърхностна плазмена поляризирана вълна (SPP вълна) и ви позволява да изграждате антени за честотен диапазон от 0,1 до 10 терагерца.

В комбинация с предаватели на базата на цинков оксид, където се използват пиезоелектрическите свойства на тези материали, се изгражда основа за безжична комуникация с ниска консумация на енергия и се прогнозира скорост на пренос на данни, 100 пъти по-висока от съществуващите безжични технологии.

От своя страна, учени от лабораторията по метаматериали в Санкт Петербург публикуваха статия „Оптични наноантени“ през 2013 г., където показаха възможността за използване на оптични наноантени за различни цели, включително за предаване и обработка на информация със скорости, значително по-високи от настоящите, тъй като фотонът е по-бърз от електрон и това отваря принципно нови посоки.

Старшият изследовател в лабораторията Александър Краснок е сигурен, че 5 милиметрови чипове, които обработват до терабитни данни за една секунда, са само началото, а през 21 век ни очаква истинска фотонна революция.

Разбира се, учените не пренебрегват използването на наноантените в други области, като медицината и енергетиката. Обширна публикация на авторите в списанието Uspekhi Fizicheskikh Nauk (юни 2013 г., том 183, № 6) предоставя изчерпателен преглед на относителните наноантени.

Икономическият ефект от въвеждането на наноантените е огромен. Така например, в сравнение със силициевите фотоклетки, цената на един квадратен метър материали за наноантени е с два порядъка по-ниска (силиций - 1000 долара, алтернатива - от 5 до 10 долара).

Много е вероятно в бъдеще наноантените да могат да захранват електрически автомобили, да зареждат мобилни телефони, да доставят електричество за домовете, а силиконовите слънчеви панели, използвани днес, ще се превърнат в реликва от миналото.

Вижте също по тази тема:Ултратънки многослойни слънчеви клетки, базирани на наноструктурирани материали