Nanoantennas - อุปกรณ์แอปพลิเคชันโอกาสในการใช้

อุปกรณ์ทางเลือกสำหรับการแปลงพลังงานของการแผ่รังสีแสงอาทิตย์เป็นกระแสไฟฟ้ามักจะเรียกว่า nanoantenna ในวันนี้อย่างไรก็ตามสามารถใช้งานอื่นได้ อุปกรณ์นี้ใช้งานได้เช่นเดียวกับเสาอากาศจำนวนมากบนหลักการของการแก้ไข แต่ไม่เหมือนกับเสาอากาศแบบดั้งเดิมมันทำงานในช่วงความยาวคลื่นแสง

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของช่วงแสงนั้นสั้นมาก แต่ย้อนกลับไปในปี 1972 ความคิดนี้ถูกเสนอโดย Robert Bailey และ James Fletcher ผู้ซึ่งเห็นโอกาสของการรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ในลักษณะเดียวกับคลื่นวิทยุ

เนื่องจากความยาวคลื่นสั้นของช่วงแสงนาโนจึงมีขนาดไม่เกินร้อยไมครอน (ตามสัดส่วนของความยาวคลื่น) และความกว้าง - ไม่มากหรือน้อยกว่า 100 นาโนเมตร ยกตัวอย่างเช่น nanoantennas ในรูปของไดโพลจาก nanotubes สำหรับการทำงานที่ความถี่หลายร้อยกิกะเฮิร์ตซ์เป็นเสาอากาศดังกล่าว

ประมาณ 85% ของสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์ประกอบด้วยคลื่นที่มีความยาว 0.4 ถึง 1.6 ไมครอนและมีพลังงานมากกว่าอินฟราเรด ในปี 2002 Idaho National Laboratory ดำเนินการวิจัยอย่างกว้างขวางและแม้แต่สร้างและทดสอบ nanoantennas สำหรับความยาวคลื่นตั้งแต่ 3 ถึง 15 ไมครอนซึ่งสอดคล้องกับพลังงานโฟตอน 0.08 ถึง 0.4 eV

โดยหลักการแล้วเป็นไปได้ที่จะดูดซับแสงจากความยาวคลื่นใด ๆ โดยใช้ nanoantennas โดยที่ขนาดของเสาอากาศนั้นเหมาะสมที่สุด ดังนั้นตั้งแต่ปี 1973 จนถึงทุกวันนี้การวิจัยในการพัฒนาทิศทางนี้จึงได้ดำเนินการอย่างต่อเนื่อง

ในทางทฤษฎีทุกอย่างง่าย แสงตกกระทบบนเสาอากาศโดยการสั่นของสนามไฟฟ้าทำให้เกิดการสั่นของอิเล็กตรอนในเสาอากาศที่มีความถี่เช่นเดียวกับความถี่ของคลื่น หลังจากตรวจจับกระแสด้วยตัวเรียงกระแสก็เพียงพอที่จะแปลงและคุณสามารถจ่ายพลังงานเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโหลด

ทฤษฎีเสาอากาศไมโครเวฟบอกว่าขนาดของเสาอากาศควรสอดคล้องกับความถี่เรโซแนนซ์ แต่ผลควอนตัมทำการปรับตัวอย่างเช่นผลกระทบของผิวที่ความถี่สูงนั้นเด่นชัดมาก

ที่ความถี่ 190-750 terahertz (ความยาวคลื่นจาก 0.4 ถึง 1.6 ไมครอน) จำเป็นต้องมีไดโอดทางเลือกที่อยู่ใกล้กับไดโอดแบบอุโมงค์โดยอาศัยโลหะ - ไดอิเล็กทริก - โลหะธรรมดาจะไม่ทำงานเนื่องจากการสูญเสียครั้งใหญ่จะเกิดขึ้น หากดำเนินการเรียบร้อยแล้วนาโนนาโนเทนจะประสบความสำเร็จอย่างมากในปัจจุบัน แผงเซลล์แสงอาทิตย์ ในแง่ของประสิทธิภาพอย่างไรก็ตามปัญหาในการตรวจจับยังคงเป็นปัญหาหลัก

ในปี 2554 นักฟิสิกส์กลุ่มหนึ่งของ Rice University ได้พัฒนา nanoantenna เพื่อแปลงรังสีอินฟราเรดใกล้เป็นปัจจุบัน ตัวอย่างเป็นส่วนใหญ่ของ resonators ทองจัดเรียงในอาร์เรย์ที่ระยะทาง 250 nm จากกัน

ขนาดของ resonator มีความกว้าง 50 nm, สูง 30 nm และความยาวอยู่ระหว่าง 110 ถึง 158 nm หัวหน้าทีมวิจัย Naomi Galas อธิบายในบทความที่ตีพิมพ์ว่าความยาวต่างกันตรงกับความแตกต่างของความถี่ในการใช้งาน

องค์ประกอบทองคำตั้งอยู่บนชั้นซิลิคอนและจุดสัมผัสเป็นเพียงสิ่งกีดขวางชอตกี้ อาร์เรย์ของเรโซเนเตอร์มีอยู่ในชั้นซิลิคอนไดออกไซด์และหน้าสัมผัสเกิดขึ้นจากชั้นของอินเดียมทินออกไซด์

ดังนั้นเมื่อแสงตกกระทบกับตัวสะท้อนแสงพลาสโมสันผิวจึงตื่นเต้น - อิเล็กตรอนจะแกว่งไปมาใกล้พื้นผิวของตัวนำและเมื่อพลาสโมนสลายตัวพลังงานจะถูกปล่อยออกมาซึ่งจะถูกส่งไปยังอิเล็กตรอน

อิเล็กตรอนร้อนข้ามกำแพง Schottky ได้อย่างง่ายดายสร้าง photocurrent กล่าวคือมันกลายเป็นบางสิ่งที่คล้ายกับโฟโตไดโอดความสูงของสิ่งกีดขวางชอตกี้ทำให้สามารถตรวจจับระยะไกลเกินความสามารถขององค์ประกอบซิลิกอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ประสิทธิภาพที่ทำได้นั้นเพียง 1% เท่านั้น

ในปี 2556 ไบรอันวิลลิสนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยคอนเนตทิคัตสหรัฐอเมริกาได้ทำการวิจัยที่ประสบความสำเร็จและเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีการสะสมชั้นอะตอม นอกจากนี้เขายังสร้างอาร์เรย์ของการแก้ไข nanoantennas แต่เมื่ออิเล็กโทรดเสร็จสิ้นการตัดด้วยปืนลำแสงอิเล็กตรอนนักวิทยาศาสตร์เคลือบทั้งอิเล็กโทรดกับอะตอมทองแดงโดยใช้การสะสมของอะตอมมิคเพื่อให้ความแม่นยำในระยะทางสูงสุดถึง 1.5 นาโนเมตร

เป็นผลให้ระยะทางสั้น ๆ สร้างทางแยกอุโมงค์เพื่อให้อิเล็กตรอนสามารถเลื่อนระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองภายใต้อิทธิพลของแสงสร้างเงื่อนไขสำหรับการสร้างกระแสต่อไป การศึกษานี้ยังดำเนินต่อไปและประสิทธิภาพที่คาดหวังสามารถทำได้ถึง 70%

ในปี 2556 นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งจอร์เจียสหรัฐอเมริกาได้ทำการจำลองของนาโนนาโนเทน กราฟีน. เป้าหมายที่นี่คือรับเสาอากาศสำหรับแลกเปลี่ยนข้อมูลและสร้างเครือข่ายสำหรับอุปกรณ์มือถือ จุดสำคัญคือการใช้คลื่นอิเลคตรอนพื้นผิวบนพื้นผิวของกราฟีนซึ่งเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการ

การขยายพันธุ์อิเล็กตรอนในกราฟีนมีลักษณะเป็นของตัวเองดังนั้นเสาอากาศขนาดเล็กที่ใช้กราฟีนจึงสามารถแผ่และรับที่ความถี่ค่อนข้างต่ำ แต่มีขนาดเล็กกว่าเสาอากาศโลหะ ด้วยเหตุนี้ศาสตราจารย์เอียนอาคิลดิซจึงดำเนินการในการศึกษาครั้งนี้อย่างแม่นยำเพื่อสร้างวิธีการใหม่ในการจัดระเบียบการสื่อสารไร้สายแทนที่จะสร้างโซล่าเซลล์

กราฟีนอิเล็กตรอนภายใต้การกระทำของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มาจากภายนอกเริ่มที่จะปล่อยคลื่นที่แพร่กระจายเฉพาะบนพื้นผิวของกราฟีนปรากฏการณ์นี้เป็นที่รู้จักกันในนามคลื่นพื้นผิวโพลาสโพลาส (คลื่น SPP) และช่วยให้คุณสร้างเสาอากาศ

เมื่อรวมกับเครื่องส่งสัญญาณที่ใช้ซิงค์ออกไซด์ซึ่งมีการใช้คุณสมบัติ piezoelectric ของวัสดุเหล่านี้จะมีการสร้างพื้นฐานการสื่อสารไร้สายที่ใช้พลังงานต่ำและอัตราการถ่ายโอนข้อมูลสูงกว่าเทคโนโลยีไร้สายที่มีอยู่ 100 เท่า

ในทางกลับกันนักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการ Metamaterials ของ Saint-Petersburg ได้ตีพิมพ์บทความ“ Optical nanoantennas” ในปี 2013 ซึ่งพวกเขาแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการใช้ optical nanoantennas สำหรับวัตถุประสงค์ต่าง ๆ รวมถึงการส่งและประมวลผลข้อมูลด้วยความเร็วสูงกว่าปัจจุบัน อิเล็กตรอนและนี่จะเปิดทิศทางใหม่โดยพื้นฐาน

Alexander Krasnok นักวิจัยอาวุโสที่ห้องปฏิบัติการแน่ใจว่าชิปขนาด 5 มิลลิเมตรที่ประมวลผลข้อมูลเทราบิตในหนึ่งวินาทีนั้นเป็นเพียงการเริ่มต้นเท่านั้นและในศตวรรษที่ 21 การปฏิวัติโฟตอนที่แท้จริงกำลังรอเราอยู่

แน่นอนว่านักวิทยาศาสตร์จะไม่ละเลยการใช้ nanoantennas ในด้านอื่น ๆ เช่นยาและพลังงาน สิ่งพิมพ์ที่กว้างขวางโดยผู้เขียนในวารสาร Uspekhi Fizicheskikh Nauk (มิถุนายน 2013, เล่มที่ 183, ฉบับที่ 6) ให้การตรวจสอบอย่างละเอียดของ nanoantennas ญาติ

ผลกระทบทางเศรษฐกิจจากการเปิดตัวของนาโนนาโนนั้นมีมหาศาล ตัวอย่างเช่นเมื่อเปรียบเทียบกับโฟโตเซลล์ซิลิคอนค่าใช้จ่ายของวัสดุหนึ่งตารางเมตรสำหรับนาโนนาโนนั้นมีสองคำสั่งที่มีขนาดต่ำกว่า (ซิลิคอน - $ 1,000 ทางเลือก - จาก $ 5 ถึง $ 10)

มีความเป็นไปได้สูงว่าในอนาคตนาโนนาโนจะสามารถผลิตรถยนต์ไฟฟ้าชาร์จโทรศัพท์มือถือจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับบ้านและแผงโซลาร์เซลล์ซิลิคอนที่ใช้ในปัจจุบันจะกลายเป็นอดีตที่ผ่านมา

ดูเพิ่มเติมที่หัวข้อนี้:เซลล์สุริยะหลายชั้นบางเฉียบที่ใช้วัสดุนาโนโครงสร้าง