Nanoantennas - συσκευή, εφαρμογή, προοπτικές χρήσης

Μια εναλλακτική συσκευή για τη μετατροπή της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα συχνά αποκαλείται nanoantenna σήμερα, ωστόσο, είναι δυνατές και άλλες εφαρμογές, και αυτό θα συζητηθεί εδώ. Αυτή η συσκευή λειτουργεί, όπως και πολλές κεραίες, σύμφωνα με την αρχή της διόρθωσης, αλλά σε αντίθεση με τις παραδοσιακές κεραίες, λειτουργεί στην περιοχή οπτικού μήκους κύματος.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα της οπτικής σειράς είναι εξαιρετικά σύντομα, αλλά το 1972 αυτή η ιδέα προτάθηκε από τους Robert Bailey και James Fletcher, οι οποίοι έβλεπαν την προοπτική συλλογής ηλιακής ενέργειας με τον ίδιο τρόπο όπως και με τα ραδιοκύματα.

Λόγω του μικρού μήκους κύματος του οπτικού εύρους, το nanoantenna έχει διαστάσεις που δεν υπερβαίνουν τα εκατοντάδες των μικρών σε μήκος (ανάλογα με το μήκος κύματος), και σε πλάτος - όχι περισσότερο, ή ακόμα λιγότερο, 100 νανόμετρα. Για παράδειγμα, οι νανοαντενίνες με τη μορφή διπόλων από νανοσωλήνες, για λειτουργία σε συχνότητες εκατοντάδων gigahertz, ανήκουν σε τέτοιες κεραίες.

Περίπου το 85% του ηλιακού φάσματος αποτελείται από κύματα μήκους 0,4 έως 1,6 μικρά και έχουν περισσότερη ενέργεια από την υπέρυθρη. Το 2002, το Εθνικό Εργαστήριο του Αϊντάχο διεξήγαγε εκτεταμένες έρευνες, ακόμη και κατασκευάστηκε και δοκιμάστηκε νανοαντενέσεις για μήκη κύματος που κυμαίνονται από 3 έως 15 μικρά, που αντιστοιχεί σε ενέργεια φωτονίων από 0,08 έως 0,4 eV.

Είναι κατ 'αρχήν δυνατή η απορρόφηση του φωτός από οποιοδήποτε μήκος κύματος χρησιμοποιώντας νανοανθάνες, υπό την προϋπόθεση ότι το μέγεθος της κεραίας θα βελτιστοποιηθεί αναλόγως. Έτσι, από το 1973 μέχρι σήμερα, διεξάγεται συνεχώς έρευνα για την ανάπτυξη αυτής της κατεύθυνσης.

Θεωρητικά, όλα είναι απλά. Ελαφρύ περιστατικό στην κεραία από ταλαντώσεις του ηλεκτρικού πεδίου προκαλεί ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων στην κεραία με την ίδια συχνότητα όπως η συχνότητα του κύματος. Αφού ανιχνεύσετε το ρεύμα με ανορθωτή, αρκεί να το μετατρέψετε και μπορείτε να τροφοδοτήσετε ενέργεια για να τροφοδοτήσετε το φορτίο.

Η θεωρία των κεραιών μικροκυμάτων λέει ότι οι φυσικές διαστάσεις της κεραίας θα πρέπει να αντιστοιχούν στη συχνότητα συντονισμού, αλλά τα κβαντικά αποτελέσματα κάνουν προσαρμογές, για παράδειγμα, το φαινόμενο του δέρματος σε υψηλές συχνότητες είναι πολύ έντονο.

Στις συχνότητες των 190-750 terahertz (μήκη κύματος από 0,4 έως 1,6 μικρά) χρειάζονται εναλλακτικές δίοδοι, κοντά σε διόδους σήραγγας που βασίζονται σε μέταλλο-διηλεκτρικό μέταλλο, οι συνηθισμένες δεν θα λειτουργήσουν, γιατί θα προκύψουν τεράστιες απώλειες λόγω της δράσης αδέσποτων πυκνωτών. Εάν εφαρμοστεί με επιτυχία, τα νανοαντενίσια θα ξεπεράσουν σημαντικά τα σημερινά δημοφιλή ηλιακών συλλεκτών από την άποψη της αποτελεσματικότητας, ωστόσο, το πρόβλημα με την ανίχνευση παραμένει το κύριο.

Το 2011, μια ομάδα φυσικών στο Πανεπιστήμιο Ράις ανέπτυξε ένα nanoantenna για να μετατρέψει την υπέρυθρη ακτινοβολία σε ρεύμα. Τα δείγματα ήταν μια πλειονότητα χρυσών συντονιστών διατεταγμένων σε συστοιχία σε απόσταση 250 nm μεταξύ τους.

Οι διαστάσεις του αντηχείου ήταν πλάτους 50 nm, ύψους 30 nm και το μήκος κυμαίνεται από 110 έως 158 nm. Ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, Ναόμι Γάλας, εξήγησε σε δημοσιευμένο άρθρο ότι οι διαφορές στα μήκη αντιστοιχούν στις διαφορές στις συχνότητες λειτουργίας.

Τα στοιχεία χρυσού εντοπίστηκαν στο στρώμα πυριτίου και το σημείο επαφής ήταν μόνο το φράγμα Schottky. Μία συστοιχία συντονιστών περιβλήθηκε σε μια στρώση διοξειδίου του πυριτίου και οι επαφές σχηματίστηκαν από ένα στρώμα οξειδίου του ινδίου κασσιτέρου.

Έτσι, όταν το φως έπεσε στους αντηχείς, τα επιφανειακά πλασμόνια διεγέρθηκαν - τα ηλεκτρόνια ταλαντούσαν κοντά στην επιφάνεια του αγωγού, και όταν το πλασμόνη κατέρρευσε, τότε η ενέργεια που μεταφέρθηκε στη συνέχεια μεταφέρθηκε στα ηλεκτρόνια.

Τα καυτά ηλεκτρόνια διέσχισαν εύκολα το φράγμα Schottky, δημιουργώντας ένα φωτοκύτταρο, δηλαδή, αποδείχθηκε κάτι παρόμοιο με μια φωτοδίοδο.Το ύψος του φράγματος Schottky κατέστησε δυνατή την ανίχνευση μιας κλίμακας που υπερβαίνει σημαντικά τις δυνατότητες των στοιχείων πυριτίου, αλλά η επιτευχθείσα απόδοση ήταν μόνο 1%.

Το 2013, ο Brian Willis, επιστήμονας από το Πανεπιστήμιο του Κοννέκτικατ των Η.Π.Α., διεξήγαγε μια επιτυχημένη έρευνα και κατέκτησε την τεχνολογία της εναπόθεσης ατομικών στρωμάτων. Δημιούργησε επίσης μια σειρά από νανοαντενίσματα ισοπέδωσης, αλλά στο τέλος της κοπής ηλεκτροδίων με ένα όπλο δέσμης ηλεκτρονίων, ο επιστήμονας κάλυψε και τα δύο ηλεκτρόδια με άτομα χαλκού χρησιμοποιώντας εναπόθεση ατομικού στρώματος για να φέρει ακρίβεια σε αποστάσεις μέχρι 1,5 nm.

Ως αποτέλεσμα, η μικρή απόσταση δημιούργησε μια διασταύρωση σήραγγας έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να μπορούν απλά να γλιστρήσουν μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων υπό την επίδραση του φωτός, δημιουργώντας συνθήκες για περαιτέρω παραγωγή ρεύματος. Αυτή η μελέτη βρίσκεται σε εξέλιξη και η αναμενόμενη αποτελεσματικότητα μπορεί να φτάσει το 70%.

Την ίδια περίοδο του 2013, ερευνητές από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Γεωργίας, ΗΠΑ, πραγματοποίησαν προσομοιώσεις από nanoantennas graφένιο. Ο στόχος εδώ ήταν να πάρουμε κεραίες για την ανταλλαγή δεδομένων και τη δημιουργία δικτύων για κινητές συσκευές. Το βασικό σημείο είναι η χρήση επιφανειακών κυμάτων ηλεκτρονίων στην επιφάνεια του γραφένιου, που συμβαίνουν υπό ορισμένες συνθήκες.

Η διάδοση ηλεκτρονίων σε γραφένιο έχει τα δικά της χαρακτηριστικά, έτσι μια μικρή κεραία βασισμένη σε γραφένιο είναι σε θέση να ακτινοβολεί και να λαμβάνει σε σχετικά χαμηλή συχνότητα, αλλά σε μικρότερο μέγεθος από μια μεταλλική κεραία. Για το λόγο αυτό, ο καθηγητής Iain Akiildiz επιδιώκει σε αυτή τη μελέτη ακριβώς τον στόχο της δημιουργίας ενός νέου τρόπου οργάνωσης των ασύρματων επικοινωνιών, παρά την κατασκευή ηλιακών κυψελών.

Τα ηλεκτρόνια του γκραφενίου υπό την επίδραση ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος που προέρχεται από το εξωτερικό αρχίζουν να εκπέμπουν κύματα που διαδίδονται αποκλειστικά στην επιφάνεια του γραφένιου, το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως κύμα πολωμένου επιφανειακού πλασμονίου (κύμα SPP) και σας επιτρέπει να χτίσετε κεραίες για την περιοχή συχνοτήτων από 0,1 έως 10 terahertz.

Σε συνδυασμό με πομπούς με βάση το οξείδιο του ψευδαργύρου, όπου χρησιμοποιούνται οι πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες αυτών των υλικών, δημιουργείται βάση για ασύρματη επικοινωνία με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και προβλέπεται ρυθμός μεταφοράς δεδομένων 100 φορές υψηλότερος από τις υπάρχουσες ασύρματες τεχνολογίες.

Με τη σειρά τους, οι επιστήμονες από το εργαστήριο Metamaterials της Αγίας Πετρούπολης δημοσίευσαν ένα άρθρο με τίτλο "Οπτικά νανοανθενά" το 2013, το οποίο έδειξε τη δυνατότητα χρήσης οπτικών nanoantennas για διάφορους σκοπούς, συμπεριλαμβανομένης της μετάδοσης και επεξεργασίας πληροφοριών σε ταχύτητες σημαντικά υψηλότερες από τις τρέχουσες. ηλεκτρόνιο, και αυτό ανοίγει ριζικά νέες κατευθύνσεις.

Ο ανώτερος ερευνητής στο εργαστήριο, Alexander Krasnok, είναι σίγουρος ότι τα τσιπ 5 χιλιοστών που επεξεργάζονται τα δεδομένα terabit σε ένα δευτερόλεπτο είναι μόνο η αρχή και στον 21ο αιώνα μας περιμένει μια πραγματική επανάσταση φωτονίων.

Φυσικά, οι επιστήμονες δεν παραμελούν τη χρήση νανοανθενών σε άλλους τομείς, όπως η ιατρική και η ενέργεια. Μια εκτενή δημοσίευση των συγγραφέων στο περιοδικό Uspekhi Fizicheskikh Nauk (Ιούνιος 2013, Τεύχος 183, αρ. 6) παρέχει μια εξαντλητική ανασκόπηση των σχετικών nanoantennas.

Το οικονομικό αποτέλεσμα της εισαγωγής των νανοαντεννών είναι τεράστιο. Έτσι, για παράδειγμα, σε σύγκριση με τα φωτοκύτταρα πυριτίου, το κόστος ενός τετραγωνικού μέτρου υλικών για νανοαντενίνες είναι δύο τάξεις μεγέθους χαμηλότερα (πυρίτιο - $ 1000, μια εναλλακτική λύση - από $ 5 έως $ 10).

Είναι πολύ πιθανό ότι στο μέλλον οι νανοαντενέσεις θα είναι σε θέση να τροφοδοτούν ηλεκτρικά αυτοκίνητα, να χρεώνουν κινητά τηλέφωνα, να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια σε σπίτια και τα ηλιακά πάνελ πυριτίου που χρησιμοποιούνται σήμερα θα γίνουν ένα λείψανο του παρελθόντος.

Δείτε επίσης σχετικά με αυτό το θέμα:Υπερβολικά λεπτά πολυστρωματικά ηλιακά κύτταρα βασισμένα σε νανοδομημένα υλικά