Nanoantennes - apparaat, applicatie, vooruitzichten voor gebruik

Een alternatief apparaat voor het omzetten van de energie van zonnestraling in elektrische stroom wordt tegenwoordig vaak een nanoantenna genoemd, maar andere toepassingen zijn mogelijk en dit zal hier ook worden besproken. Dit apparaat werkt, zoals vele antennes, volgens het principe van rectificatie, maar in tegenstelling tot traditionele antennes, werkt het in het optische golflengtebereik.

De elektromagnetische golven van het optische bereik zijn extreem kort, maar in 1972 werd dit idee voorgesteld door Robert Bailey en James Fletcher, die toen al het vooruitzicht zagen om zonne-energie op dezelfde manier te verzamelen als bij radiogolven.

Vanwege de korte golflengte van het optische bereik heeft de nanoantenna afmetingen van niet meer dan honderden microns lang (evenredig met de golflengte) en in de breedte - niet meer, of zelfs minder, 100 nanometer. Nanoantennes in de vorm van dipolen uit nanobuisjes, voor gebruik bij frequenties van honderden gigahertz, behoren bijvoorbeeld tot dergelijke antennes.

Ongeveer 85% van het zonnespectrum bestaat uit golven met een lengte van 0,4 tot 1,6 micron en ze hebben meer energie dan infrarood. In 2002 voerde het Idaho National Laboratory uitgebreid onderzoek uit en bouwde en testte zelfs nanoantennes voor golflengten variërend van 3 tot 15 micron, wat overeenkomt met fotonenergieën van 0,08 tot 0,4 eV.

Het is in principe mogelijk om licht uit elke golflengte te absorberen met behulp van nanoantennes, op voorwaarde dat de antennegrootte dienovereenkomstig wordt geoptimaliseerd. Dus, sinds 1973 tot op de dag van vandaag is er continu onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van deze richting.

In theorie is alles eenvoudig. Licht dat op de antenne invalt door oscillaties van zijn elektrisch veld veroorzaakt oscillaties van elektronen in de antenne met dezelfde frequentie als de frequentie van de golf. Nadat de stroom met een gelijkrichter is gedetecteerd, is het voldoende om deze om te zetten en kunt u energie leveren om de belasting te voeden.

De theorie van microgolfantennes zegt dat de fysieke afmetingen van de antenne moeten overeenkomen met de resonantiefrequentie, maar kwantumeffecten maken aanpassingen, bijvoorbeeld het huideffect bij hoge frequenties is zeer uitgesproken.

Bij frequenties van 190 - 750 terahertz (golflengtes van 0,4 tot 1,6 micron) zijn alternatieve diodes nodig, in de buurt van tunneldiodes op basis van metaal-diëlektrisch metaal, gewone zullen niet werken, omdat enorme verliezen zullen optreden als gevolg van de werking van verdwaalde condensatoren. Indien met succes geïmplementeerd, zullen de nanoantennes de momenteel populaire aanzienlijk inhalen zonnepanelen Op het vlak van efficiëntie blijft het probleem met detectie echter het belangrijkste.

In 2011 ontwikkelde een groep natuurkundigen van de Rice University een nanoantenna om bijna-infraroodstraling om te zetten in stroom. De monsters waren meerdere gouden resonatoren die in een reeks op een afstand van 250 nm van elkaar waren gerangschikt.

De afmetingen van de resonator waren 50 nm breed, 30 nm hoog en de lengte varieerde van 110 tot 158 ​​nm. Het hoofd van het onderzoeksteam, Naomi Galas, legde in een gepubliceerd artikel uit dat verschillen in lengtes overeenkomen met verschillen in werkfrequenties.

Gouden elementen bevonden zich op de siliciumlaag en het contactpunt was slechts de Schottky-barrière. Een reeks resonatoren werd ingesloten in een laag van siliciumdioxide en de contacten werden gevormd door een laag indiumtinoxide.

Dus toen licht inviel op de resonatoren, werden oppervlakte-plasmonen geëxciteerd - de elektronen oscilleerden nabij het oppervlak van de geleider, en toen het plasmon verviel, werd energie overgedragen, die vervolgens werd overgedragen op de elektronen.

Hete elektronen passeerden gemakkelijk de Schottky-barrière, waardoor een fotostroom ontstond, dat wil zeggen iets dat op een fotodiode leek.De hoogte van de Schottky-barrière maakte het mogelijk om een ​​bereik te detecteren dat de mogelijkheden van siliciumelementen aanzienlijk overschreed, maar de bereikte efficiëntie was slechts 1%.

In 2013 heeft Brian Willis, een wetenschapper van de Universiteit van Connecticut, VS, een succesvolle studie uitgevoerd en de technologie van depositie van atomaire lagen beheerst. Hij creëerde ook een reeks rectificerende nanoantennes, maar toen de elektroden klaar waren met snijden met een elektronenstraalkanon, bekleedde de wetenschapper beide elektroden met koperatomen met behulp van atomaire laagafzetting om nauwkeurigheid te brengen tot afstanden tot 1,5 nm.

Als gevolg hiervan creëerde de kleine afstand een tunnelovergang zodat de elektronen onder invloed van licht eenvoudig tussen de twee elektroden konden glijden, waardoor de voorwaarden voor verdere stroomopwekking werden gecreëerd. Deze studie is aan de gang en de verwachte efficiëntie kan 70% bereiken.

In dezelfde 2013 voerden onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, VS, simulaties uit van nanoantennes van grafeen. Het doel hier was om antennes te krijgen voor het uitwisselen van gegevens en het creëren van netwerken voor mobiele apparaten. Het belangrijkste punt is het gebruik van oppervlakte-elektronengolven op het oppervlak van grafeen, die zich onder bepaalde omstandigheden voordoen.

Elektronenvoortplanting in grafeen heeft zijn eigen kenmerken, dus een kleine op grafeen gebaseerde antenne kan met een relatief lage frequentie uitstralen en ontvangen, maar met een kleinere afmeting dan een metalen antenne. Om deze reden streeft professor Iain Akiildiz in deze studie juist het doel na van het creëren van een nieuwe manier om draadloze communicatie te organiseren, in plaats van zonnecellen te bouwen.

Grafeenelektronen onder invloed van een elektromagnetische golf die van buitenaf komen, beginnen golven uit te zenden die zich uitsluitend op het oppervlak van grafeen verspreiden, dit fenomeen staat bekend als een oppervlakte-plasmon gepolariseerde golf (SPP-golf) en stelt u in staat antennes te bouwen voor het frequentiebereik van 0,1 tot 10 terahertz.

In combinatie met zenders op basis van zinkoxide, waar de piëzo-elektrische eigenschappen van deze materialen worden gebruikt, wordt een basis voor draadloze communicatie met een laag energieverbruik gebouwd en wordt een gegevensoverdrachtsnelheid van 100 keer hoger dan bestaande draadloze technologieën voorspeld.

Op hun beurt publiceerden wetenschappers van het Sint-Petersburg Metamaterials Laboratory een artikel 'Optische nanoantennes' in 2013, waarin ze de mogelijkheid lieten zien om optische nanoantennes te gebruiken voor verschillende doeleinden, waaronder de overdracht en verwerking van informatie met snelheden die aanzienlijk hoger zijn dan de huidige, aangezien het foton sneller is dan elektron, en dit opent fundamenteel nieuwe richtingen.

De senior onderzoeker van het laboratorium, Alexander Krasnok, is ervan overtuigd dat 5 millimeter chips die in een seconde tot terabits aan gegevens verwerken slechts het begin zijn, en in de 21ste eeuw wacht ons een echte fotonrevolutie.

Natuurlijk negeren wetenschappers het gebruik van nanoantennes op andere gebieden, zoals medicijnen en energie, niet. Een uitgebreide publicatie door de auteurs in het tijdschrift Uspekhi Fizicheskikh Nauk (juni 2013, volume 183, nr. 6) geeft een volledig overzicht van de relatieve nanoantennes.

Het economische effect van de introductie van nanoantennes is enorm. Dus in vergelijking met siliciumfotocellen zijn de kosten van één vierkante meter materiaal voor nanoantennes bijvoorbeeld twee ordes van grootte lager (silicium - $ 1000, een alternatief - van $ 5 tot $ 10).

Het is zeer waarschijnlijk dat nanoantennes in de toekomst in staat zullen zijn elektrische auto's van stroom te voorzien, mobiele telefoons op te laden, elektriciteit aan huizen te leveren, en de vandaag gebruikte silicium zonnepanelen zullen een overblijfsel van het verleden worden.

Zie ook over dit onderwerp:Ultradunne meerlagige zonnecellen op basis van nanogestructureerde materialen