Nanoantennas - enhet, applikation, möjligheter att använda

En alternativ enhet för att omvandla solstrålningens energi till elektrisk ström kallas ofta en nanoantenna idag, men andra tillämpningar är möjliga, och detta kommer också att diskuteras här. Den här enheten fungerar, liksom många antenner, enligt principen om rättelse, men till skillnad från traditionella antenner fungerar den inom det optiska våglängdsområdet.

De elektromagnetiska vågorna i det optiska området är extremt korta, men redan 1972 föreslogs denna idé av Robert Bailey och James Fletcher, som även då såg utsikterna att samla solenergi på samma sätt som med radiovågor.

På grund av den korta våglängden i det optiska området har nanoantenna dimensioner som inte överstiger hundratals mikron i längd (proportionell mot våglängden) och i bredd - inte mer, eller till och med mindre, 100 nanometer. Till exempel tillhör sådana antenner nanoantenn i form av dipoler från nanorör, för drift vid frekvenser av hundratals gigahertz.

Cirka 85% av solspektrumet består av vågor med en längd av 0,4 till 1,6 mikron, och de har mer energi än infraröd. År 2002 genomförde Idaho National Laboratory omfattande forskning och byggde och testade till och med nanoantennor för våglängder från 3 till 15 mikron, vilket motsvarar fotonenergier på 0,08 till 0,4 eV.

Det är i princip möjligt att absorbera ljus från vilken våglängd som helst med hjälp av nanoantennor, förutsatt att antennstorleken optimeras i enlighet därmed. Så sedan 1973 fram till idag har forskning kontinuerligt bedrivits i utvecklingen av denna riktning.

I teorin är allt enkelt. Ljus som inträffar på antennen genom svängningar i dess elektriska fält orsakar svängningar av elektroner i antennen med samma frekvens som vågens frekvens. När du har upptäckt strömmen med en likriktare räcker det att konvertera den, och du kan tillföra energi för att driva lasten.

Teorin för mikrovågsantenner säger att antennens fysiska dimensioner borde motsvara resonansfrekvensen, men kvanteffekter gör justeringar, till exempel är hudeffekten vid höga frekvenser mycket uttalad.

Vid frekvenser av 190-750 terahertz (våglängder från 0,4 till 1,6 mikron) behövs alternativa dioder som ligger nära tunneldioder baserade på metall-dielektrisk metall, vanliga kommer inte att fungera, eftersom stora förluster kommer att uppstå på grund av inverkan av strömkondensatorer. Om de framgångsrikt implementeras kommer nanoantennorna att förbättra det för närvarande populära solpaneler vad gäller effektivitet, men problemet med upptäckt är fortfarande det viktigaste.

2011 utvecklade en grupp fysiker vid Rice University en nanoantenna för att omvandla nära infraröd strålning till ström. Proven var ett flertal guldresonatorer arrangerade i en matris på ett avstånd av 250 nm från varandra.

Resonatorns dimensioner var 50 nm breda, 30 nm höga och längden sträckte sig från 110 till 158 nm. Chef för forskargruppen, Naomi Galas, förklarade i en publicerad artikel att skillnader i längder motsvarar skillnader i driftsfrekvenser.

Guldelement var belägna på kiselskiktet och kontaktpunkten var bara Schottky-barriären. En uppsättning resonatorer inneslutes i ett kiseldioxidskikt, och kontakterna bildades av ett skikt indium-tennoxid.

Så när ljuset inträffade på resonatorerna upphetsade ytplasmoner - elektronerna svängde nära ledarens yta, och när plasmonen förfallit överfördes sedan energi, som sedan överfördes till elektronerna.

Heta elektroner korsade enkelt Schottky-barriären och skapade en lysström, det vill säga, det visade sig vara något som liknar en fotodiod.Höjden på Schottky-barriären gjorde det möjligt att upptäcka ett intervall som betydligt överskred kapaciteten hos kiselelement, men den uppnådda effektiviteten var bara 1%.

2013 genomförde Brian Willis, en forskare från University of Connecticut, USA, en framgångsrik forskning och behärskade tekniken för deponering av atomlager. Han skapade också en rad rektifierande nanoantennor, men när elektroderna var klippta med en elektronstrålepistol, belagde forskaren båda elektroderna med kopparatomer med användning av atomlager för att få noggrannhet på avstånd på upp till 1,5 nm.

Som ett resultat skapade det korta avståndet en tunnelkorsning så att elektronerna helt enkelt kunde glida mellan de två elektroderna under påverkan av ljus, vilket skapade förutsättningar för ytterligare strömgenerering. Denna studie pågår och den förväntade effektiviteten kan nå 70%.

Samma år 2013 genomförde forskare från Georgia Institute of Technology, USA, simuleringar av nanoantennor från grafen. Målet här var att få antenner för att utbyta data och skapa nätverk för mobila enheter. Nyckelpunkten är användningen av ytelektronvågor på ytan av grafen, som förekommer under vissa förhållanden.

Elektronutbredning i grafen har sina egna egenskaper, så en liten grafenbaserad antenn kan stråla och ta emot med en relativt låg frekvens, men i en mindre storlek än en metallantenn. Av denna anledning strävar professor Iain Akiildiz i denna studie just efter målet att skapa ett nytt sätt att organisera trådlös kommunikation, snarare än att bygga solceller.

Grafenelektroner under inverkan av en elektromagnetisk våg som kommer från utsidan börjar avge vågor som utbreder sig exklusivt på ytan av grafen, detta fenomen är känt som en ytplasmons polariserad våg (SPP-våg), och låter dig bygga antenner för frekvensområdet från 0,1 till 10 terahertz.

I kombination med sändare baserade på zinkoxid, där de piezoelektriska egenskaperna hos dessa material används, byggs en grund för trådlös kommunikation med låg energiförbrukning och en dataöverföringshastighet på 100 gånger högre än befintlig trådlös teknik förutsägs.

I sin tur publicerade forskare från Saint-Petersburg Metamaterials Laboratory 2013 en artikel “Optical nanoantennas”, där de visade möjligheten att använda optiska nanoantennas för olika ändamål, inklusive överföring och bearbetning av information i hastigheter som är betydligt högre än nuvarande, eftersom foton är snabbare än elektron, och detta öppnar i grunden nya riktningar.

Seniorforskaren vid laboratoriet, Alexander Krasnok, är säker på att 5 millimeter chips som bearbetar upp till terabitdata på en sekund bara är början, och under 2000-talet väntar en riktig fotonrevolution på oss.

Naturligtvis försummar forskare inte användningen av nanoantennor på andra områden, såsom medicin och energi. En omfattande publikation av författarna i tidskriften Uspekhi Fizicheskikh Nauk (juni 2013, bind 183, nr 6) ger en uttömmande recension av de relativa nanoantennorna.

Den ekonomiska effekten av införandet av nanoantennor är enorm. Så, till exempel, i jämförelse med kiselfotoceller, är kostnaden för en kvadratmeter material för nanoantennas två storleksordningar lägre (kisel - $ 1000, ett alternativ - från $ 5 till $ 10).

Det är mycket troligt att nanoantennas i framtiden kommer att kunna driva elbilar, ladda mobiltelefoner, tillhandahålla elektricitet till hem och att silikonsolpaneler som används idag kommer att bli en relik för det förflutna.

Se också om detta ämne:Ultratunna flerskiktade solceller baserade på nanostrukturerade material