Nanoantennen - Gerät, Anwendung, Nutzungsaussichten

Eine alternative Vorrichtung zur Umwandlung der Energie von Sonnenstrahlung in elektrischen Strom wird heutzutage oft als Nanoantenne bezeichnet. Andere Anwendungen sind jedoch möglich, und dies wird auch hier diskutiert. Dieses Gerät arbeitet wie viele Antennen nach dem Prinzip der Gleichrichtung, arbeitet jedoch im Gegensatz zu herkömmlichen Antennen im optischen Wellenlängenbereich.

Die elektromagnetischen Wellen des optischen Bereichs sind extrem kurz, aber bereits 1972 wurde diese Idee von Robert Bailey und James Fletcher vorgeschlagen, die schon damals die Aussicht sahen, Sonnenenergie auf die gleiche Weise wie bei Radiowellen zu sammeln.

Aufgrund der kurzen Wellenlänge des optischen Bereichs hat die Nanoantenne Abmessungen von nicht mehr als Hunderten von Mikrometern Länge (proportional zur Wellenlänge) und Breite - nicht mehr oder sogar weniger als 100 Nanometer. Zu solchen Antennen gehören beispielsweise Nanoantennen in Form von Dipolen aus Nanoröhren für den Betrieb bei Frequenzen von Hunderten von Gigahertz.

Etwa 85% des Sonnenspektrums bestehen aus Wellen mit einer Länge von 0,4 bis 1,6 Mikrometern und sie haben mehr Energie als Infrarot. Im Jahr 2002 führte das Idaho National Laboratory umfangreiche Forschungen durch und baute und testete sogar Nanoantennen für Wellenlängen im Bereich von 3 bis 15 Mikrometern, was Photonenenergien von 0,08 bis 0,4 eV entspricht.

Es ist grundsätzlich möglich, Licht von jeder Wellenlänge mit Nanoantennen zu absorbieren, sofern die Antennengröße entsprechend optimiert wird. Daher wurde seit 1973 bis heute kontinuierlich an der Entwicklung dieser Richtung geforscht.

Theoretisch ist alles einfach. Licht, das durch Schwingungen seines elektrischen Feldes auf die Antenne einfällt, verursacht Schwingungen von Elektronen in der Antenne mit der gleichen Frequenz wie die Frequenz der Welle. Nachdem Sie den Strom mit einem Gleichrichter erfasst haben, reicht es aus, ihn umzuwandeln, und Sie können Energie zur Stromversorgung der Last bereitstellen.

Die Theorie der Mikrowellenantennen besagt, dass die physikalischen Abmessungen der Antenne der Resonanzfrequenz entsprechen sollten, aber Quanteneffekte nehmen Anpassungen vor, zum Beispiel ist der Hauteffekt bei hohen Frequenzen sehr ausgeprägt.

Bei Frequenzen von 190 bis 750 Terahertz (Wellenlängen von 0,4 bis 1,6 Mikrometer) werden alternative Dioden in der Nähe von Tunneldioden auf der Basis von Metall-Dielektrikum-Metall benötigt, gewöhnliche funktionieren nicht, da aufgrund der Wirkung von Streukondensatoren große Verluste auftreten. Bei erfolgreicher Implementierung werden die Nanoantennen die derzeit beliebten deutlich überholen Sonnenkollektoren In Bezug auf die Effizienz bleibt jedoch das Problem der Erkennung das Hauptproblem.

Im Jahr 2011 entwickelte eine Gruppe von Physikern an der Rice University eine Nanoantenne, um Strahlung im nahen Infrarot in Strom umzuwandeln. Die Proben waren mehrere Goldresonatoren, die in einem Array in einem Abstand von 250 nm voneinander angeordnet waren.

Die Abmessungen des Resonators waren 50 nm breit, 30 nm hoch und die Länge lag im Bereich von 110 bis 158 nm. Die Leiterin des Forschungsteams, Naomi Galas, erklärte in einem veröffentlichten Artikel, dass Längenunterschiede Unterschieden in den Betriebsfrequenzen entsprechen.

Goldelemente befanden sich auf der Siliziumschicht, und der Kontaktpunkt war nur die Schottky-Barriere. Eine Anordnung von Resonatoren war in einer Siliziumdioxidschicht eingeschlossen, und die Kontakte wurden durch eine Schicht aus Indiumzinnoxid gebildet.

Wenn also Licht auf die Resonatoren einfiel, wurden Oberflächenplasmonen angeregt - die Elektronen schwangen nahe der Oberfläche des Leiters, und wenn das Plasmon zerfiel, wurde Energie freigesetzt, die dann auf die Elektronen übertragen wurde.

Heiße Elektronen überquerten leicht die Schottky-Barriere und erzeugten einen Fotostrom, das heißt, es stellte sich heraus, dass es sich um eine Fotodiode handelte.Die Höhe der Schottky-Barriere ermöglichte es, einen Bereich zu erfassen, der die Fähigkeiten von Siliziumelementen deutlich überstieg, der erzielte Wirkungsgrad betrug jedoch nur 1%.

Im Jahr 2013 führte Brian Willis, ein Wissenschaftler der University of Connecticut, USA, eine erfolgreiche Forschung durch und beherrschte die Technologie der Atomlagenabscheidung. Er schuf auch eine Reihe von gleichrichtenden Nanoantennen, aber als die Elektroden mit einer Elektronenstrahlkanone fertig geschnitten waren, beschichtete der Wissenschaftler beide Elektroden mit Kupferatomen unter Verwendung einer Atomlagenabscheidung, um Entfernungen von bis zu 1,5 nm zu erreichen.

Infolgedessen erzeugte die kurze Entfernung einen Tunnelübergang, so dass die Elektronen unter dem Einfluss von Licht einfach zwischen den beiden Elektroden gleiten konnten, wodurch Bedingungen für die weitere Stromerzeugung geschaffen wurden. Diese Studie ist noch nicht abgeschlossen und die erwartete Effizienz kann 70% erreichen.

Im selben Jahr 2013 führten Forscher des Georgia Institute of Technology, USA, Simulationen von Nanoantennen aus Graphen. Ziel war es, Antennen für den Datenaustausch und die Schaffung von Netzwerken für mobile Geräte zu erhalten. Der entscheidende Punkt ist die Verwendung von Oberflächenelektronenwellen auf der Oberfläche von Graphen, die unter bestimmten Bedingungen auftreten.

Die Elektronenausbreitung in Graphen hat ihre eigenen Eigenschaften, sodass eine kleine Antenne auf Graphenbasis mit einer relativ niedrigen Frequenz, jedoch mit einer geringeren Größe als eine Metallantenne, strahlen und empfangen kann. Aus diesem Grund verfolgt Professor Iain Akiildiz in dieser Studie genau das Ziel, eine neue Art der Organisation der drahtlosen Kommunikation zu schaffen, anstatt Solarzellen zu bauen.

Graphenelektronen unter der Einwirkung einer von außen kommenden elektromagnetischen Welle beginnen Wellen zu emittieren, die sich ausschließlich auf der Oberfläche von Graphen ausbreiten. Dieses Phänomen ist als oberflächenplasmonpolarisierte Welle (SPP-Welle) bekannt und ermöglicht den Bau von Antennen für den Frequenzbereich von 0,1 bis 10 Terahertz.

In Kombination mit Sendern auf Zinkoxidbasis, bei denen die piezoelektrischen Eigenschaften dieser Materialien genutzt werden, wird eine Basis für die drahtlose Kommunikation mit geringem Energieverbrauch aufgebaut und eine 100-mal höhere Datenübertragungsrate als bei vorhandenen drahtlosen Technologien vorhergesagt.

Wissenschaftler des Sankt-Petersburger Metamaterialienlabors veröffentlichten 2013 einen Artikel „Optische Nanoantennen“, in dem sie die Möglichkeit zeigten, optische Nanoantennen für verschiedene Zwecke zu verwenden, einschließlich der Übertragung und Verarbeitung von Informationen mit Geschwindigkeiten, die deutlich höher sind als die aktuellen, da das Photon schneller ist als Elektron, und dies eröffnet grundlegend neue Richtungen.

Der leitende Forscher im Labor, Alexander Krasnok, ist sich sicher, dass 5-Millimeter-Chips, die in einer Sekunde bis zu Terabit-Daten verarbeiten, nur der Anfang sind, und im 21. Jahrhundert erwartet uns eine echte Photonenrevolution.

Natürlich vernachlässigen Wissenschaftler den Einsatz von Nanoantennen in anderen Bereichen wie Medizin und Energie nicht. Eine umfangreiche Veröffentlichung der Autoren in der Zeitschrift Uspekhi Fizicheskikh Nauk (Juni 2013, Band 183, Nr. 6) bietet einen umfassenden Überblick über die relativen Nanoantennen.

Die wirtschaftlichen Auswirkungen der Einführung von Nanoantennen sind enorm. So sind beispielsweise im Vergleich zu Silizium-Fotozellen die Kosten für einen Quadratmeter Material für Nanoantennen um zwei Größenordnungen niedriger (Silizium - 1000 USD, eine Alternative - von 5 bis 10 USD).

Es ist sehr wahrscheinlich, dass Nanoantennen in Zukunft Elektroautos antreiben, Mobiltelefone aufladen und Haushalte mit Strom versorgen können, und die heute verwendeten Silizium-Solarmodule werden ein Relikt der Vergangenheit sein.

Siehe auch zu diesem Thema:Ultradünne mehrschichtige Solarzellen auf Basis nanostrukturierter Materialien