Nanoanteny - urządzenie, aplikacja, perspektywy użytkowania

Alternatywne urządzenie do przekształcania energii promieniowania słonecznego w prąd elektryczny jest dziś często nazywane nanoantenną, jednak możliwe są inne zastosowania, które również zostaną tutaj omówione. To urządzenie działa, podobnie jak wiele anten, na zasadzie rektyfikacji, ale w przeciwieństwie do tradycyjnych anten działa w zakresie długości fal optycznych.

Fale elektromagnetyczne o zasięgu optycznym są bardzo krótkie, ale już w 1972 roku pomysł ten został zaproponowany przez Roberta Baileya i Jamesa Fletchera, którzy nawet wtedy dostrzegli perspektywę gromadzenia energii słonecznej w taki sam sposób, jak w przypadku fal radiowych.

Ze względu na krótką długość fali w zakresie optycznym nanoantena ma wymiary nieprzekraczające setek mikronów długości (proporcjonalnie do długości fali) i szerokości - nie więcej, a nawet mniej niż 100 nanometrów. Na przykład do takich anten należą nanoanteny w postaci dipoli z nanorurek, do pracy na częstotliwościach setek gigaherców.

Około 85% widma słonecznego składa się z fal o długości od 0,4 do 1,6 mikrona, i mają one więcej energii niż podczerwień. W 2002 roku Narodowe Laboratorium Idaho przeprowadziło szeroko zakrojone badania, a nawet zbudowało i przetestowało nanoanteny dla długości fal od 3 do 15 mikronów, co odpowiada energii fotonów od 0,08 do 0,4 eV.

Zasadniczo możliwe jest pochłanianie światła z dowolnej długości fali za pomocą nanoanten, pod warunkiem, że rozmiar anteny jest odpowiednio zoptymalizowany. Tak więc od 1973 r. Do dziś trwają badania nad rozwojem tego kierunku.

Teoretycznie wszystko jest proste. Światło padające na antenę w wyniku oscylacji jej pola elektrycznego powoduje oscylacje elektronów w antenie o tej samej częstotliwości co częstotliwość fali. Po wykryciu prądu za pomocą prostownika wystarczy go przekonwertować i można dostarczyć energię do zasilania obciążenia.

Teoria anten mikrofalowych mówi, że fizyczne wymiary anteny powinny odpowiadać częstotliwości rezonansowej, ale efekty kwantowe wprowadzają korekty, na przykład efekt skóry przy wysokich częstotliwościach jest bardzo wyraźny.

Przy częstotliwościach 190–750 teraherców (długości fali od 0,4 do 1,6 mikrona) potrzebne są alternatywne diody zbliżone do diod tunelujących opartych na metal-dielektryk-metal, zwykłe nie będą działać, ponieważ wystąpią ogromne straty z powodu działania zbłąkanych kondensatorów. Po pomyślnym wdrożeniu nanoanteny znacznie wyprzedzą obecnie popularne panele słoneczne jednak pod względem wydajności problem z wykrywaniem pozostaje najważniejszy.

W 2011 r. Grupa fizyków z Rice University opracowała nanoantenę do przekształcania promieniowania bliskiej podczerwieni w prąd. Próbki stanowiły wiele złotych rezonatorów rozmieszczonych w szeregu w odległości 250 nm od siebie.

Wymiary rezonatora miały szerokość 50 nm, wysokość 30 nm, a długość wahała się od 110 do 158 nm. Szef zespołu badawczego Naomi Galas wyjaśnił w opublikowanym artykule, że różnice długości odpowiadają różnicom częstotliwości roboczych.

Złote elementy znajdowały się na warstwie krzemu, a punktem kontaktowym była właśnie bariera Schottky'ego. Szereg rezonatorów zamknięto w warstwie dwutlenku krzemu, a styki utworzono warstwą tlenku indowo-cynowego.

Kiedy więc światło padło na rezonatory, plazony powierzchniowe zostały wzbudzone - elektrony oscylowały w pobliżu powierzchni przewodnika, a kiedy plazmon rozpadł się, wówczas energia została przekazana, która następnie została przekazana elektronom.

Gorące elektrony z łatwością przekroczyły barierę Schottky'ego, tworząc fotoprąd, czyli okazało się, że jest coś podobnego do fotodiody.Wysokość bariery Schottky'ego umożliwiła wykrycie zakresu znacznie przekraczającego możliwości pierwiastków krzemowych, ale osiągnięta wydajność wyniosła tylko 1%.

W 2013 r. Brian Willis, naukowiec z University of Connecticut, USA, przeprowadził udane badania i opanował technologię osadzania warstw atomowych. Stworzył również szereg nanoanten rektyfikacyjnych, ale kiedy elektrody zostały zakończone cięciem za pomocą pistoletu z wiązką elektronów, naukowiec pokrył obie elektrody atomami miedzi za pomocą osadzania warstw atomowych, aby zapewnić dokładność na odległości do 1,5 nm.

W rezultacie niewielka odległość utworzyła złącze tunelowe, tak że elektrony mogły po prostu ślizgać się między dwiema elektrodami pod wpływem światła, tworząc warunki do dalszego wytwarzania prądu. Badanie jest w toku, a oczekiwana wydajność może osiągnąć 70%.

W tym samym 2013 r. Naukowcy z Georgia Institute of Technology, USA, przeprowadzili symulacje nanoanten z grafen. Celem było zdobycie anten do wymiany danych i tworzenia sieci dla urządzeń mobilnych. Kluczowym punktem jest wykorzystanie powierzchniowych fal elektronowych na powierzchni grafenu, które występują w określonych warunkach.

Propagacja elektronów w grafenie ma swoją własną charakterystykę, więc mała antena na bazie grafenu jest w stanie promieniować i odbierać przy stosunkowo niskiej częstotliwości, ale o mniejszych rozmiarach niż antena metalowa. Z tego powodu profesor Iain Akiildiz dąży w tym badaniu właśnie do stworzenia nowego sposobu organizacji komunikacji bezprzewodowej zamiast budowania ogniw słonecznych.

Elektrony grafenowe pod działaniem fali elektromagnetycznej pochodzącej z zewnątrz zaczynają emitować fale, które propagują się wyłącznie na powierzchni grafenu, zjawisko to znane jest jako powierzchniowa fala spolaryzowana plazmonowa (fala SPP) i pozwala budować anteny o zakresie częstotliwości od 0,1 do 10 teraherców.

W połączeniu z nadajnikami opartymi na tlenku cynku, w których stosowane są właściwości piezoelektryczne tych materiałów, budowana jest podstawa komunikacji bezprzewodowej o niskim zużyciu energii oraz przewidywana szybkość przesyłania danych 100 razy wyższa niż istniejące technologie bezprzewodowe.

Z kolei naukowcy z Saint-Petersburg Metamaterials Laboratory opublikowali artykuł „Optyczne nanoanteny” w 2013 r., W którym wykazali możliwość wykorzystania optycznych nanoanten do różnych celów, w tym do przesyłania i przetwarzania informacji z prędkościami znacznie wyższymi niż obecne, ponieważ foton jest szybszy niż elektron, a to otwiera zupełnie nowe kierunki.

Starszy badacz w laboratorium, Alexander Krasnok, jest pewien, że 5-milimetrowe układy przetwarzające dane terabitowe w ciągu jednej sekundy to dopiero początek, a w XXI wieku czeka nas prawdziwa rewolucja fotonowa.

Oczywiście naukowcy nie zaniedbują zastosowania nanoanten w innych obszarach, takich jak medycyna i energia. Obszerna publikacja autorów w czasopiśmie Uspekhi Fizicheskikh Nauk (czerwiec 2013 r., Tom 183, nr 6) zawiera wyczerpujący przegląd względnych nanoanten.

Ekonomiczny efekt wprowadzenia nanoanten jest ogromny. Na przykład, w porównaniu z fotokomórkami krzemowymi, koszt jednego metra kwadratowego materiałów na nanoanteny jest o dwa rzędy wielkości niższy (krzem - 1000 USD, alternatywa - od 5 do 10 USD).

Jest wysoce prawdopodobne, że w przyszłości nanoanteny będą mogły zasilać samochody elektryczne, ładować telefony komórkowe, dostarczać energię elektryczną do domów, a krzemowe panele słoneczne używane dziś staną się reliktem przeszłości.

Zobacz także na ten temat:Ultracienkie wielowarstwowe ogniwa słoneczne na bazie nanostrukturalnych materiałów