Nanoantennit - laite, sovellus, käyttömahdollisuudet

Vaihtoehtoista laitetta aurinkosäteilyn energian muuntamiseksi sähkövirraksi kutsutaan nykyään usein nanoantenniksi, mutta muut sovellukset ovat mahdollisia, ja tästä keskustellaan myös tässä. Tämä laite toimii, kuten monet antennit, tasasuuntausperiaatteen mukaisesti, mutta toisin kuin perinteiset antennit, se toimii optisella aallonpituusalueella.

Optisen alueen sähkömagneettiset aallot ovat erittäin lyhyitä, mutta Robert 1974 ja James Fletcher ehdottivat tätä ajatusta jo vuonna 1972. He näkivät silloin myös mahdollisuuden kerätä aurinkoenergiaa samalla tavalla kuin radioaaltojen kanssa.

Optisen alueen lyhyen aallonpituuden takia nanoantennin mitat eivät ylitä satoja mikroneja (verrannollisesti aallonpituuteen) ja leveyttä - enintään 100 tai jopa vähemmän, 100 nanometriä. Esimerkiksi nanoputkien dipolien muodossa olevat nanoantennit, jotka toimivat satojen gigahertsien taajuuksilla, kuuluvat tällaisiin antenneihin.

Noin 85% aurinkospektristä koostuu aalloista, joiden pituus on 0,4 - 1,6 mikronia, ja niissä on enemmän energiaa kuin infrapunassa. Vuonna 2002 Idaho National Laboratory teki laajan tutkimuksen ja jopa rakensi ja testasi nanoantenneja 3–15 mikronin aallonpituuksille, mikä vastaa 0,08–0,4 eV: n fotonienergiaa.

Periaatteessa on mahdollista absorboida valoa mistä tahansa aallonpituudesta nanoantenneilla, jos antennin koko on optimoitu vastaavasti. Joten vuodesta 1973 tähän päivään saakka on tutkittu jatkuvasti tämän suunnan kehittämistä.

Teoriassa kaikki on yksinkertaista. Antennissa olevan valon mahdollisuus sen sähkökentän värähtelyillä aiheuttaa antennissa olevien elektronien värähtelyjä samalla taajuudella kuin aallon taajuus. Sen jälkeen kun virta on havaittu tasasuuntaajalla, se riittää muuntamaan sen, ja voit syöttää energiaa kuorman syöttämiseen.

Mikroaaltoantennien teoria sanoo, että antennin fyysisten mittojen tulisi vastata resonanssitaajuutta, mutta kvanttiefektit tekevät säätöjä, esimerkiksi ihovaikutus korkeilla taajuuksilla on erittäin selvä.

Taajuuksilla 190–750 terahertsiä (aallonpituudet 0,4–1,6 mikronia) tarvitaan vaihtoehtoisia diodeja, lähellä metalli-dielektriseen metalliin perustuvia tunnelidiodeja, tavalliset eivät toimi, koska hajakondensaattorien toiminnasta aiheutuu suuria häviöitä. Jos nanoantennit toteutetaan onnistuneesti, se ohittaa merkittävästi nykyään suositun aurinkopaneelit tehokkuuden kannalta havaitseminen on kuitenkin edelleen pääongelma.

Vuonna 2011 ryhmä fyysikoita Rice-yliopistossa kehitti nanoantennin muuntamaan lähellä oleva infrapunasäteily virtaksi. Näytteet olivat joukko kultaresonaattoreita, jotka oli järjestetty ryhmään 250 nm etäisyydellä toisistaan.

Resonaattorin mitat olivat 50 nm leveitä, 30 nm korkeita ja pituus vaihteli välillä 110-158 nm. Tutkimusryhmän päällikkö Naomi Galas selitti julkaistussa artikkelissa, että pituuserot vastaavat toimintataajuuksien eroja.

Kultaelementit sijaitsivat piikerroksessa ja kosketuspiste oli vain Schottky-este. Resonaattoreiden ryhmä suljettiin piidioksidikerrokseen ja kontaktit muodostettiin indiumtinaoksidikerroksesta.

Joten kun valoa tapahtui resonaattoreissa, pintaplasmonit kiihtyivät - elektronit heilahtivat lähellä johtimen pintaa ja kun plasmoni rappeutui, sitten energia siirtyi, joka siirrettiin sitten elektroneihin.

Kuumat elektronit ylittivät helposti Schottky-esteen muodostaen valovirran, ts. Se osoittautui jotain fotodiodin kaltaista.Schottky-esteen korkeus antoi mahdolliseksi havaita alue, joka ylitti merkittävästi piielementtien ominaisuudet, mutta saavutettu hyötysuhde oli vain 1%.

Vuonna 2013 USA: n Connecticutin yliopiston tutkija Brian Willis suoritti onnistuneen tutkimuksen ja hallitsi atomikerrosten laskeutumisen tekniikan. Hän loi myös joukon tasasuuntaavia nanoantenneja, mutta kun elektrodit valmistuivat leikkaamiseksi elektronisäteen pistoolilla, tutkija päällysti molemmat elektrodit kupariatomeilla käyttämällä atomikerrospinnoitusta, jotta tarkkuus saavutettaisiin etäisyyksiin jopa 1,5 nm.

Seurauksena pieni etäisyys loi tunneliliitoksen niin, että elektronit voivat yksinkertaisesti liukua kahden elektrodin välillä valon vaikutuksesta, luomalla olosuhteet virran uudelle generoimiselle. Tämä tutkimus on käynnissä, ja odotettu hyötysuhde voi nousta 70%: iin.

Samaan 2013 Yhdysvaltain Georgian teknillisen instituutin tutkijat suorittivat nanoantennien simulaatioita grafeeni. Tavoitteena oli saada antennit tiedonvaihtoon ja verkkojen luomiseen mobiililaitteille. Keskeistä on pintaelektroniaaltojen käyttö grafeenin pinnalla, joita esiintyy tietyissä olosuhteissa.

Elektroneiden etenemisellä grafeenissa on omat ominaisuutensa, joten pieni grafeenipohjainen antenni pystyy säteilemään ja vastaanottamaan suhteellisen matalalla taajuudella, mutta pienemmässä koossa kuin metalli-antenni. Tästä syystä professori Iain Akiildiz pyrkii tässä tutkimuksessa luomaan uuden tavan langattoman viestinnän organisoimiseksi aurinkokennojen rakentamisen sijasta.

Grafeenielektronit, jotka toimivat ulkopuolelta tulevan sähkömagneettisen aallon vaikutuksesta, alkavat emittoida aaltoja, jotka leviävät yksinomaan grafeenin pinnalla. Tätä ilmiötä kutsutaan pintaplasmoniseksi polarisoiduksi aaltoksi (SPP-aalto), ja se antaa sinun rakentaa antenneja taajuusalueelle 0,1-10 terahertsiä.

Yhdessä sinkkioksidipohjaisten lähettimien kanssa, joissa käytetään näiden materiaalien pietsosähköisiä ominaisuuksia, rakennetaan perusta langattomalle viestinnälle, jolla on alhainen energiankulutus, ja tiedonsiirtonopeuden ennustetaan olevan 100 kertaa suurempi kuin nykyiset langattomat tekniikat.

Pietarin metamateriaallaboratorion tutkijat puolestaan ​​julkaisivat vuonna 2013 artikkelin ”Optical nanoantennas”, jossa he osoittivat mahdollisuuden käyttää optisia nanotunnelmia erilaisiin tarkoituksiin, mukaan lukien tiedon siirtäminen ja käsitteleminen nykyisistä huomattavasti suuremmalla nopeudella, koska fotoni on nopeampi kuin elektroni, ja tämä avaa perusteellisesti uusia suunnia.

Laboratorion vanhempi tutkija Alexander Krasnok on varma, että viiden millimetrin sirut, jotka käsittelevät jopa terabittiä tietoa sekunnissa, ovat vasta alkua, ja 2000-luvulla meitä odottaa todellinen fotonivallankumous.

Tietenkin, tutkijat eivät jätä laiminlyömään nanoantennien käyttöä muilla aloilla, kuten lääketieteessä ja energiassa. Kirjailijoiden Uspekhi Fizicheskikh Nauk -lehden laaja julkaisu (kesäkuu 2013, osa 183, nro 6) antaa tyhjentävän kuvan suhteellisista nanoantenneista.

Nanoantennien käyttöönoton taloudelliset vaikutukset ovat valtavat. Joten esimerkiksi verrattuna pii-valokennoihin nanoantennien yhden neliömetrin materiaalikustannukset ovat kaksi suuruusluokkaa pienemmät (pii - 1000 dollaria, vaihtoehto - 5 dollarista 10 dollariin).

On erittäin todennäköistä, että tulevaisuudessa nanoantennit kykenevät syöttämään sähköautoja, lataamaan matkapuhelimia, toimittamaan sähköä koteihin, ja nykyisin käytetyistä piin aurinkopaneeleista tulee menneisyyden jäänne.

Katso myös tästä aiheesta:Nanorakenteisiin materiaaleihin perustuvat erittäin ohuet monikerroksiset aurinkokennot