Nanoantennas - الجهاز والتطبيق وآفاق للاستخدام

غالبًا ما يطلق على جهاز بديل لتحويل طاقة الإشعاع الشمسي إلى تيار كهربائي اسم nanoantenna اليوم ، ومع ذلك ، هناك تطبيقات أخرى ممكنة ، وسيتم مناقشتها هنا أيضًا. يعمل هذا الجهاز ، مثل العديد من الهوائيات ، وفقًا لمبدأ التصحيح ، ولكن على عكس الهوائيات التقليدية ، يعمل في نطاق الطول الموجي البصري.

إن الموجات الكهرومغناطيسية للنطاق البصري قصيرة للغاية ، لكن في عام 1972 اقترح هذه الفكرة روبرت بيلي وجيمس فليتشر ، اللذان رآا بعد ذلك إمكانية جمع الطاقة الشمسية بالطريقة نفسها مع الموجات الراديوية.

نظرًا للطول الموجي القصير للمدى البصري ، فإن أبعاد nanoantenna لها أبعاد لا تتجاوز مئات المايكرونات (متناسبة مع الطول الموجي) ، وعرضها - ليس أكثر ، أو حتى أقل ، 100 نانومتر. على سبيل المثال ، تنتمي nanoantennas في شكل ثنائيات أقطاب من الأنابيب النانوية ، لتشغيلها على ترددات مئات غيغا هرتز ، إلى هذه الهوائيات.

حوالي 85 ٪ من الطيف الشمسي يتكون من موجات بطول يتراوح من 0.4 إلى 1.6 ميكرون ، ولديهم طاقة أكثر من الأشعة تحت الحمراء. في عام 2002 ، أجرى مختبر ايداهو الوطني بحثًا مكثفًا ، وحتى بنى واختبرت نانو نانتانا في أطوال موجات تتراوح من 3 إلى 15 ميكرون ، وهو ما يتوافق مع طاقات الفوتون من 0.08 إلى 0.4 فولت.

من الممكن من حيث المبدأ امتصاص الضوء من أي طول موجي باستخدام nanoantennas ، شريطة أن يكون حجم الهوائي مُحسّنًا وفقًا لذلك. لذلك ، منذ عام 1973 حتى يومنا هذا ، تم إجراء بحث مستمر في تطوير هذا الاتجاه.

من الناحية النظرية ، كل شيء بسيط. يتسبب الضوء الساقط على الهوائي بواسطة تذبذبات مجاله الكهربائي في حدوث تذبذبات للإلكترونات في الهوائي بنفس تردد تردد الموجة. بعد اكتشاف التيار باستخدام مقوم ، يكفي تحويله ، ويمكنك توفير الطاقة لتشغيل الحمل.

تقول نظرية هوائيات الموجات الصغرية أن الأبعاد المادية للهوائي يجب أن تتوافق مع تردد الرنين ، لكن التأثيرات الكمومية تقوم بتعديلات ، على سبيل المثال ، تأثير الجلد عند الترددات العالية واضح للغاية.

على ترددات 190-750 تيراهيرتز (أطوال موجية من 0.4 إلى 1.6 ميكرون) ، هناك حاجة إلى الثنائيات البديلة القريبة من الثنائيات النفقية القائمة على المعادن العازلة المعدنية ، لن تعمل تلك العادية ، لأن خسائر فادحة ستحدث بسبب عمل المكثفات الضالة. إذا تم تنفيذه بنجاح ، فإن nanoantennas سيتفوق بشكل كبير على الشعبية الحالية الألواح الشمسية فيما يتعلق بالكفاءة ، تظل مشكلة الاكتشاف هي المشكلة الرئيسية.

في عام 2011 ، قامت مجموعة من علماء الفيزياء في جامعة رايس بتطوير nanoantenna لتحويل الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى تيار. كانت العينات مجموعة من مرنانات الذهب مرتبة في صفيف على مسافة 250 نانومتر من بعضها البعض.

كانت أبعاد مرنان بعرض 50 نانومتر ، وارتفاع 30 نانومتر ، وتراوح الطول من 110 إلى 158 نانومتر. أوضح رئيس فريق البحث ، نعومي غالاس ، في مقال منشور أن الاختلافات في الأطوال تتوافق مع الاختلافات في ترددات التشغيل.

كانت العناصر الذهبية موجودة على طبقة السيليكون ، وكانت نقطة الاتصال مجرد حاجز شوتكي. تم وضع مجموعة من الرنانات في طبقة ثاني أكسيد السيليكون ، وتم تشكيل جهات الاتصال بواسطة طبقة من أكسيد القصدير الإنديوم.

لذلك ، عندما وقع حادث مرنان على الرنانات ، تحمست البلازمونات السطحية - تذبذبت الإلكترونات بالقرب من سطح الموصل ، وعندما تلاشى البلازمون ، تم نقل الطاقة ، ثم نقلت إلى الإلكترونات.

عبرت الإلكترونات الساخنة بسهولة حاجز Schottky ، مما أدى إلى توليد ضوئي ، أي أنه تحول إلى شيء مشابه للثنائي الضوئي.سمح ارتفاع حاجز Schottky بالكشف عن مدى يتجاوز بشكل كبير قدرات عناصر السيليكون ، لكن الكفاءة المحققة كانت 1٪ فقط.

في عام 2013 ، أجرى برايان ويليس ، وهو عالم من جامعة كونيتيكت بالولايات المتحدة الأمريكية ، دراسة ناجحة واتقن تقنية ترسيب الطبقة الذرية. ابتكر أيضًا مجموعة من النانو نانتينا ، ولكن عندما تم الانتهاء من قطع الأقطاب باستخدام مسدس شعاع إلكتروني ، قام العالم بطلاء كلا القطبين بذرات نحاسية باستخدام ترسب الطبقة الذرية لجلب الدقة إلى مسافات تصل إلى 1.5 نانومتر.

نتيجة لذلك ، خلقت المسافة الصغيرة تقاطع نفق بحيث يمكن للإلكترونات الانزلاق بسهولة بين القطبين تحت تأثير الضوء ، مما يخلق الظروف لجيل إضافي من التيار. هذه الدراسة مستمرة ، والكفاءة المتوقعة يمكن أن تصل إلى 70 ٪.

في عام 2013 نفسه ، أجرى باحثون من معهد جورجيا للتكنولوجيا بالولايات المتحدة الأمريكية محاكاة لنانانتينا من الجرافين. كان الهدف هنا هو الحصول على هوائيات لتبادل البيانات وإنشاء شبكات للأجهزة المحمولة. النقطة الأساسية هي استخدام موجات الإلكترون السطحية على سطح الجرافين ، والتي تحدث في ظل ظروف معينة.

يتميز انتشار الإلكترون في الجرافين بخصائصه الخاصة ، لذلك يمكن للهوائي الصغير القائم على الجرافين الإشعاع والاستقبال بتردد منخفض نسبيًا ، ولكن بحجم أصغر من الهوائي المعدني. لهذا السبب ، يتابع البروفيسور إيان أكيلديز في هذه الدراسة على وجه التحديد الهدف المتمثل في إيجاد طريقة جديدة لتنظيم الاتصالات اللاسلكية ، بدلاً من بناء الخلايا الشمسية.

تبدأ إلكترونات الجرافين الموجودة تحت تأثير موجة كهرمغنطيسية تأتي من الخارج في إطلاق الموجات التي تنتشر حصريًا على سطح الجرافين ، وتعرف هذه الظاهرة باسم موجة الاستقطاب البلازميوني السطحي (موجة SPP) ، وتتيح لك إنشاء هوائيات لمدى التردد من 0.1 إلى 10 تيراهيرتز.

بالاقتران مع أجهزة الإرسال القائمة على أكسيد الزنك ، حيث يتم استخدام خصائص كهرضغطية لهذه المواد ، يتم بناء أساس للاتصالات اللاسلكية مع انخفاض استهلاك الطاقة ، ويتوقع معدل نقل بيانات أعلى 100 مرة من التقنيات اللاسلكية الحالية.

في المقابل ، نشر علماء من مختبر سان بطرسبرغ للمادة Metamaterials مقالًا بعنوان "nanantennas الضوئية" في عام 2013 ، والذي أظهر إمكانية استخدام nanoantennas الضوئية لأغراض مختلفة ، بما في ذلك نقل ومعالجة المعلومات بسرعات أعلى بكثير من الحالية ، لأن الفوتون أسرع من الإلكترون ، وهذا يفتح اتجاهات جديدة في الأساس.

من المؤكد أن كبير الباحثين في المختبر ، ألكساندر كراسنوك ، متأكد من أن 5 مليمترات من الرقائق التي تعالج ما يصل إلى تيرابايت من البيانات في ثانية واحدة ليست سوى البداية ، وفي القرن الحادي والعشرين تنتظرنا ثورة حقيقية في الفوتون.

بالطبع ، لا يهمل العلماء استخدام nanoantennas في مجالات أخرى ، مثل الطب والطاقة. يقدم منشور واسع النطاق للمؤلفين في مجلة Uspekhi Fizicheskikh Nauk (يونيو 2013 ، المجلد 183 ، العدد 6) مراجعة شاملة لل nanoantennas.

الأثر الاقتصادي لإدخال nanoantennas هائلة. لذلك ، على سبيل المثال ، بالمقارنة مع الخلايا الكهروضوئية للسيليكون ، فإن تكلفة المتر المربع الواحد من مواد النانانتينا هي أمران أقل حجمًا (السيليكون - 1000 دولار ، بديل - من 5 دولارات إلى 10 دولارات).

من المحتمل جدًا أن تكون nanoantennas في المستقبل قادرة على تشغيل السيارات الكهربائية وشحن الهواتف المحمولة وتوفير الكهرباء للمنازل ، وستصبح ألواح السيليكون الشمسية المستخدمة اليوم من بقايا الماضي.

انظر أيضا في هذا الموضوع:خلايا شمسية متعددة الطبقات رفيعة جدًا تعتمد على مواد متناهية الصغر