Nanoantene - uređaj, aplikacija, izgled za uporabu

Alternativni uređaj za pretvaranje energije sunčevog zračenja u električnu struju danas se često naziva nanoantenna, no moguće su i druge primjene, a o tome će se i ovdje govoriti. Ovaj uređaj djeluje, poput mnogih antena, prema principu ispravljanja, ali za razliku od tradicionalnih antena, djeluje u optičkom rasponu valne duljine.

Elektromagnetski valovi optičkog raspona izuzetno su kratki, ali još davne 1972. godine tu su ideju predložili Robert Bailey i James Fletcher koji su i tada vidjeli mogućnost prikupljanja solarne energije na isti način kao i radio valovi.

Zbog kratke valne duljine optičkog raspona, nanoantenna ima dimenzije koje ne prelaze stotine mikrona (proporcionalne valnoj duljini), a u širini - ne više, ili čak manje, 100 nanometara. Na primjer, nanoantenne u obliku dipola iz nanocjevčica, za rad na frekvencijama od stotine gigaherca, pripadaju takvim antenama.

Oko 85% solarnog spektra sastoji se od valova duljine 0,4 do 1,6 mikrona, a oni imaju više energije nego infracrveni. 2002. godine Nacionalni laboratorij u Idahu proveo je opsežno istraživanje, čak je izgradio i testirao nanoatentene za valnu duljinu u rasponu od 3 do 15 mikrona, što odgovara energiji fotona od 0,08 do 0,4 eV.

U principu je moguće apsorbirati svjetlost s bilo koje valne duljine pomoću nanoantena, pod uvjetom da je veličina antene na odgovarajući način optimizirana. Dakle, od 1973. do danas kontinuirano se provode istraživanja u razvoju ovog smjera.

U teoriji, sve je jednostavno. Pad svjetlosti na anteni oscilacijama njenog električnog polja uzrokuje oscilacije elektrona u anteni jednakom frekvencijom kao i frekvencija vala. Nakon što detektirate struju ispravljačem, dovoljno je pretvoriti je, a možete napajati energiju kako biste napajali opterećenje.

Teorija mikrotalasnih antena kaže da fizičke dimenzije antene trebaju odgovarati rezonantnoj frekvenciji, ali kvantni efekti prilagođavaju se, na primjer, učinak kože na visokim frekvencijama vrlo je izražen.

Na frekvencijama od 190-750 teraherca (valne duljine od 0,4 do 1,6 mikrona) potrebne su alternativne diode, u neposrednoj blizini diode za tuneliranje temeljene na metal-dielektričnom metalu, obične neće raditi, jer će nastati ogromni gubici zbog djelovanja zalutalih kondenzatora. Ako se uspješno implementira, nanoantenne će značajno nadvladati trenutno popularne solarni paneli u pogledu učinkovitosti, međutim, problem s otkrivanjem ostaje glavni.

Godine 2011., grupa fizičara sa Sveučilišta Rice razvila je nanoantenu za pretvaranje blizu infracrvenog zračenja u struju. Uzorci su bili više zlatnih rezonatora raspoređenih u nizu na udaljenosti od 250 nm jedan od drugog.

Dimenzije rezonatora bile su širine 50 nm, visine 30 nm, a duljina je bila od 110 do 158 nm. Voditeljica istraživačkog tima Naomi Galas objasnila je u objavljenom članku da razlike u duljinama odgovaraju razlikama u radnim frekvencijama.

Zlatni elementi bili su smješteni na sloju silicija, a točka kontakta bila je upravo Schottkyjeva barijera. Niz rezonatora zatvoren je u sloj silicijumskog dioksida, a kontakti su formirani slojem indijinog oksida.

Dakle, kada je svjetlost pala na rezonatore, površni plazmoni su bili uzbuđeni - elektroni su oscilirali u blizini površine vodiča, a kada plazmon propada, tada se prenosi energija, koja se zatim prenosi u elektrone.

Vrući elektroni lako su prešli Schottkyjevu barijeru stvorivši foto struju, to jest, ispostavilo se da je nešto slično fotodiodi.Visina Schottky-ove barijere omogućila je otkrivanje raspona koji znatno premašuje mogućnosti silikonskih elemenata, ali postignuta učinkovitost bila je samo 1%.

U 2013. godini, Brian Willis, znanstvenik sa Sveučilišta u Connecticutu, proveo je uspješno istraživanje i savladao tehnologiju taloženja atomskog sloja. Stvorio je i niz ispravljajućih nanoantena, ali kad su elektrode dovršile rezanje pištoljem s elektronskim snopom, znanstvenik je obložio obje elektrode bakarnim atomima koristeći taloženje atomskog sloja kako bi donio točnost na udaljenosti do 1,5 nm.

Kao rezultat toga, kratka udaljenost stvorila je tunelski spoj tako da bi elektroni pod utjecajem svjetlosti jednostavno mogli kliznuti između dvije elektrode, stvarajući uvjete za daljnju generiranje struje. Ovo je istraživanje u tijeku, a očekivana učinkovitost može doseći 70%.

Iste 2013. godine, istraživači s Georgia Institute of Technology, SAD, proveli su simulacije nanoatenzija iz grafen, Cilj je ovdje bio dobiti antene za razmjenu podataka i stvaranje mreža za mobilne uređaje. Ključna je točka upotreba površinskih valova elektrona na površini grafena, koji se javljaju u određenim uvjetima.

Razmnožavanje elektrona u grafenu ima svoje karakteristike, tako da mala antena koja se temelji na grafenu može zračiti i primati na relativno niskoj frekvenciji, ali u manjoj veličini od metalne antene. Zbog toga profesor Iain Akiildiz u ovoj studiji provodi upravo cilj stvaranja novog načina organiziranja bežične komunikacije, a ne izgradnje solarnih ćelija.

Grafenski elektroni pod djelovanjem elektromagnetskog vala koji dolazi izvana počinju emitirati valove koji se šire isključivo na površini grafena, ovaj je fenomen poznat kao površinski plazmirani val plazmona (SPP val) i omogućuje vam izgradnju antena za frekvencijski raspon od 0,1 do 10 teraherca.

U kombinaciji s odašiljačima na bazi cinkovog oksida, gdje se koriste piezoelektrična svojstva ovih materijala, izgrađena je baza za bežičnu komunikaciju s niskom potrošnjom energije, a predviđa se stopa prijenosa podataka 100 puta veća od postojećih bežičnih tehnologija.

Zauzvrat, znanstvenici iz Sankt-Peterburškog laboratorija za metamaterijal objavili su članak „Optičke nanoantenne“ u 2013. godini u kojem su pokazali mogućnost korištenja optičkih nanoantena u različite svrhe, uključujući prijenos i obradu informacija brzinama znatno većim od sadašnjih, jer je foton brži od elektron, i to otvara fundamentalno nove smjerove.

Viši istraživač u laboratoriju, Alexander Krasnok, siguran je da je 5 milimetarski čip koji u jednoj sekundi obrađuje do terabita podataka tek početak, a u 21. stoljeću nas očekuje prava revolucija fotona.

Naravno, znanstvenici ne zanemaruju uporabu nanoantena u drugim područjima, poput medicine i energetike. Opsežna publikacija autora u časopisu Uspekhi Fizicheskikh Nauk (lipanj 2013., svezak 183, br. 6) daje iscrpan pregled relativnih nanoatencija.

Ekonomski učinak uvođenja nanoatencija je ogroman. Tako, na primjer, u usporedbi sa fotoćelijama silikona, cijena jednog kvadratnog metra materijala za nanotentense je za dva reda manja (silicij - 1000 dolara, alternativa - od 5 do 10 dolara).

Velika je vjerojatnost da će u budućnosti nanoantene moći napajati električne automobile, napuniti mobilne telefone, opskrbljivati ​​kućama električnom energijom, a silicijski solarni paneli koji se danas koriste postaju relikvija prošlosti.

Pogledajte i ovu temu:Ultra tanke višeslojne solarne ćelije koje se temelje na nanostrukturnim materijalima