Nanoantennas - peranti, aplikasi, prospek untuk digunakan

Peranti alternatif untuk menukarkan tenaga sinaran suria ke arus elektrik sering dipanggil nanoantenna hari ini, bagaimanapun, aplikasi lain adalah mungkin, dan ini juga akan dibincangkan di sini. Peranti ini berfungsi, seperti banyak antena, mengikut prinsip pembetulan, tetapi tidak seperti antena tradisional, ia berfungsi dalam julat panjang gelombang optik.

Gelombang elektromagnetik rangkaian optik sangat pendek, tetapi pada tahun 1972 idea ini dicadangkan oleh Robert Bailey dan James Fletcher, yang kemudiannya melihat prospek mengumpul tenaga suria dengan cara yang sama seperti gelombang radio.

Oleh kerana panjang gelombang pendek jarak optik, nanoantenna mempunyai dimensi yang tidak melebihi ratusan mikron panjang (berkadaran dengan panjang gelombang), dan lebar - tidak lebih, atau kurang, 100 nanometer. Sebagai contoh, nanoantennas dalam bentuk dipoles dari nanotube, untuk operasi pada frekuensi ratusan gigahertz, tergolong dalam antena tersebut.

Sekitar 85% spektrum solar terdiri daripada gelombang dengan panjang 0.4 hingga 1.6 mikron, dan mereka mempunyai tenaga lebih daripada inframerah. Pada tahun 2002, Makmal Kebangsaan Idaho menjalankan penyelidikan yang luas, dan juga membina dan menguji nanoantennas untuk panjang gelombang antara 3 hingga 15 mikron, yang sepadan dengan tenaga foton sebanyak 0.08 hingga 0.4 eV.

Pada dasarnya mungkin untuk menyerap cahaya dari mana-mana panjang gelombang menggunakan nanoantennas, dengan syarat saiz antena dioptimumkan dengan sewajarnya. Oleh itu, sejak 1973 hingga hari ini, penyelidikan dalam pembangunan arah ini telah dijalankan secara berterusan.

Secara teori, semuanya adalah mudah. Insiden cahaya pada antena dengan ayunan medan elektrik menyebabkan osilasi elektron di antena dengan kekerapan yang sama dengan kekerapan gelombang. Selepas mengesan semasa dengan penyearah, cukup untuk menukarnya, dan anda boleh membekalkan tenaga untuk menguatkan beban.

Teori antena gelombang mikro mengatakan bahawa dimensi fizikal antena harus sesuai dengan frekuensi resonansi, tetapi kesan kuantum membuat penyesuaian, contohnya, kesan kulit pada frekuensi tinggi sangat jelas.

Pada kekerapan 190-750 terahertz (panjang gelombang dari 0.4 kepada 1.6 mikron), diod alternatif diperlukan yang hampir diod terowong berdasarkan metal-dielektrik-logam, yang biasa tidak akan berfungsi, kerana kerugian yang besar akan berlaku disebabkan oleh tindakan kapasitor yang sesat. Sekiranya berjaya dilaksanakan, nanoantennas akan mengatasi yang popular sekarang panel solar dari segi kecekapan, tetapi masalah dengan pengesanan tetap menjadi yang utama.

Pada tahun 2011, sekumpulan ahli fizik dari Universiti Rice telah membangun sebuah nanoantenna untuk menukarkan radiasi inframerah berhampiran ke semasa. Sampel tersebut adalah pluraliti resonator emas yang diatur dalam tatasusunan pada jarak 250 nm dari satu sama lain.

Dimensi resonator adalah 50 nm lebar, tinggi 30 nm, dan panjangnya berkisar antara 110 hingga 158 nm. Kepala tim penyelidikan, Naomi Galas, menjelaskan dalam sebuah artikel yang diterbitkan bahwa perbedaan panjang sesuai dengan perbedaan frekuensi operasi.

Unsur-unsur emas terletak pada lapisan silikon, dan titik hubungannya hanyalah penghalang Schottky. Pelbagai resonator dilampirkan dalam lapisan silikon dioksida, dan hubungannya dibentuk oleh lapisan indium tin oksida.

Oleh itu, apabila insiden cahaya pada resonator, plasmon permukaan teruja - elektron berayun di dekat permukaan konduktor, dan apabila plasmon merosot, maka tenaga dipindahkan, yang kemudian dipindahkan ke elektron.

Elektron panas mudah melepasi halangan Schottky, mencipta suatu fotostat, iaitu, ternyata sesuatu yang serupa dengan fotodiod.Ketinggian halangan Schottky memungkinkan untuk mengesan jarak yang jauh melebihi kemampuan elemen silikon, tetapi kecekapan yang dicapai hanya 1%.

Pada tahun 2013, Brian Willis, seorang saintis dari University of Connecticut, Amerika Syarikat, melakukan penyelidikan yang berjaya dan menguasai teknologi pemendapan lapisan atom. Dia juga mencipta pelbagai nanoantennas lurus, tetapi pada akhir pemotongan elektrod dengan senapang pancaran elektron, saintis itu menyalut kedua-dua elektrod dengan atom tembaga menggunakan pemendapan lapisan atom untuk membawa ketepatan pada jarak sehingga 1.5 nm.

Akibatnya, jarak pendek mencipta simpang terowong supaya elektron dapat meleleh di antara dua elektrod di bawah pengaruh cahaya, mewujudkan keadaan untuk generasi semasa yang lebih lanjut. Kajian ini berterusan, dan kecekapan yang diharapkan dapat mencapai 70%.

Pada tahun 2013 yang sama, penyelidik dari Georgia Institute of Technology, USA, menjalankan simulasi nanoantennas dari graphene. Matlamat di sini adalah untuk mendapatkan antena untuk bertukar-tukar data dan mewujudkan rangkaian untuk peranti mudah alih. Titik utama adalah penggunaan gelombang elektron permukaan pada permukaan graphene, yang berlaku di bawah keadaan tertentu.

Penyebaran elektron di graphene mempunyai ciri-ciri tersendiri, jadi antena berasaskan graphene kecil dapat memancarkan dan menerima pada frekuensi yang relatif rendah, tetapi pada ukuran yang lebih kecil daripada antena logam. Atas sebab ini, Profesor Iain Akiildiz mengejar dalam kajian ini dengan tepat matlamat untuk mewujudkan cara baru untuk mengatur komunikasi tanpa wayar, daripada membina sel suria.

Elektron graphene di bawah tindakan gelombang elektromagnet yang datang dari luar mula memancarkan gelombang yang menyebarkan secara eksklusif pada permukaan graphene, fenomena ini dikenali sebagai gelombang terpolarisasi plasmon permukaan (gelombang SPP), dan membolehkan anda membina antena untuk julat frekuensi dari 0.1 hingga 10 terahertz.

Dalam kombinasi dengan pemancar berdasarkan zink oksida, di mana sifat piezoelektrik bahan-bahan ini digunakan, asas untuk komunikasi tanpa wayar dengan penggunaan tenaga yang rendah dibina, dan kadar pemindahan data sebanyak 100 kali lebih tinggi daripada teknologi tanpa wayar yang sedia ada diramalkan.

Sebaliknya, para saintis dari Saint-Petersburg Metamaterials Laboratory menerbitkan artikel "nanoantennas optik" pada tahun 2013, di mana mereka menunjukkan kemungkinan menggunakan nanoantennas optik untuk pelbagai tujuan, termasuk transmisi dan pemprosesan maklumat pada kelajuan yang jauh lebih tinggi daripada yang sekarang, memandangkan foton lebih cepat daripada elektron, dan ini membuka hala tuju baru.

Penyelidik kanan di makmal itu, Alexander Krasnok, yakin bahawa 5 milimeter cip yang memproses data terabit dalam satu saat hanya permulaan, dan pada abad ke-21 sebuah revolusi foton yang nyata menanti kita.

Sudah tentu, saintis tidak mengabaikan penggunaan nanoantennas di kawasan lain, seperti perubatan dan tenaga. Penerbitan yang luas oleh para penulis dalam jurnal Uspekhi Fizicheskikh Nauk (Jun 2013, Volume 183, No. 6) menyediakan ulasan lengkap tentang nanoantennas relatif.

Kesan ekonomi pengenalan nanoantennas sangat besar. Jadi, sebagai contoh, berbanding dengan photocell silikon, kos satu meter persegi bahan untuk nanoantennas adalah dua pesanan magnitud yang lebih rendah (silikon - $ 1000, alternatif - dari $ 5 hingga $ 10).

Sangat mungkin pada masa depan, nanoantennas akan dapat kuasa kereta elektrik, mengecas telefon bimbit, menyediakan elektrik ke rumah, dan panel solar silikon yang digunakan hari ini akan menjadi peninggalan masa lalu.

Lihat juga topik ini:Sel solar multilayer ultra-nipis berdasarkan bahan nanostructured