Nanoantene - dispozitiv, aplicație, perspective de utilizare

Un dispozitiv alternativ pentru transformarea energiei radiației solare în curent electric este adesea numit nanoantenă astăzi, cu toate acestea, alte aplicații sunt posibile, iar acest lucru va fi discutat și aici. Acest dispozitiv funcționează, la fel ca multe antene, pe principiul rectificării, dar spre deosebire de antenele tradiționale, funcționează în intervalul optic de lungime de undă.

Undele electromagnetice ale gamei optice sunt extrem de scurte, însă în 1972 această idee a fost propusă de Robert Bailey și James Fletcher, care chiar atunci au văzut perspectiva colectării energiei solare în același mod ca și în cazul undelor radio.

Datorită lungimii de undă scurtă a intervalului optic, nanoantena are dimensiuni care nu depășesc sute de microni în lungime (proporțională cu lungimea de undă), iar în lățime - nu mai mult, sau chiar mai puțin, 100 nanometri. De exemplu, nanoantenele sub formă de dipoli din nanotuburi, pentru funcționarea la frecvențe de sute de gigahertz, aparțin unor astfel de antene.

Aproximativ 85% din spectrul solar este compus din unde cu o lungime de 0,4 până la 1,6 microni și au mai multă energie decât infraroșu. În 2002, laboratorul național de la Idaho a efectuat cercetări ample și chiar a construit și testat nanoantenele pentru lungimi de undă cuprinse între 3 și 15 microni, ceea ce corespunde energiilor fotonilor de la 0,08 la 0,4 eV.

În principiu este posibilă absorbția luminii de pe orice lungime de undă folosind nanoantene, cu condiția ca dimensiunea antenei să fie optimizată în consecință. Deci, din 1973 până în ziua de azi, cercetările în dezvoltarea acestei direcții au fost continuu efectuate.

În teorie, totul este simplu. Incidentul luminos pe antenă prin oscilațiile câmpului său electric provoacă oscilații de electroni în antenă cu aceeași frecvență ca frecvența undei. După detectarea curentului cu un redresor, este suficient să îl convertiți și puteți furniza energie pentru a alimenta sarcina.

Teoria antenelor cu microunde spune că dimensiunile fizice ale antenei trebuie să corespundă frecvenței rezonante, dar efectele cuantice fac ajustări, de exemplu, efectul pielii la frecvențe înalte este foarte pronunțat.

La frecvențe de 190-750 terahertz (lungimi de undă de la 0,4 până la 1,6 microni) sunt necesare diode alternative, aproape de diodele de tunelare bazate pe metal-dielectric-metal, cele obișnuite nu vor funcționa, deoarece se vor produce pierderi uriașe din cauza acțiunii condensatorilor vagabonzi. Dacă sunt implementate cu succes, nanoantenele vor depăși în mod semnificativ cele populare în prezent panouri solare în ceea ce privește eficiența, problema detectării rămâne însă principala.

În 2011, un grup de fizicieni de la Universitatea Rice au dezvoltat o nanoantenă pentru a converti radiațiile infraroșii în curent. Probele au fost o multitudine de rezonatori de aur dispuse într-un tablou la o distanță de 250 nm unul de celălalt.

Dimensiunile rezonatorului erau de 50 nm lățime, 30 nm înălțime, iar lungimea variază de la 110 la 158 nm. Șefa echipei de cercetare, Naomi Galas, a explicat într-un articol publicat că diferențele de lungimi corespund diferențelor de frecvențe de operare.

Elementele de aur au fost localizate pe stratul de siliciu, iar punctul de contact era doar bariera Schottky. O gamă de rezonatori a fost închisă într-un strat de dioxid de siliciu, iar contactele au fost formate de un strat de oxid de staniu indiu.

Deci, când lumina a căzut pe rezonanți, plasmonii de suprafață au fost excitați - electronii au oscilat lângă suprafața conductorului, iar când plasmonul s-a descompus, energia transferată a fost apoi transferată electronilor.

Electronii fierbinți au traversat cu ușurință bariera Schottky, creând un fotocurent, adică s-au dovedit ceva similar cu un fotodiod.Înălțimea barierei Schottky a făcut posibilă detectarea unei game care depășește semnificativ capacitățile elementelor de siliciu, dar eficiența obținută a fost de doar 1%.

În 2013, Brian Willis, un om de știință de la Universitatea din Connecticut, SUA, a efectuat un studiu de succes și a stăpânit tehnologia depunerii stratului atomic. De asemenea, el a creat o serie de nanoantene de îndreptare, dar la sfârșitul tăierii electrodului cu un pistol cu ​​fascicul de electroni, omul de știință a acoperit ambii electrozi cu atomi de cupru folosind depunerea stratului atomic pentru a aduce precizie la distanțe de până la 1,5 nm.

Drept urmare, distanța mică a creat o joncțiune tunel, astfel încât electronii să poată aluneca pur și simplu între cei doi electrozi sub influența luminii, creând condițiile pentru generarea suplimentară a curentului. Acest studiu este în desfășurare, iar eficiența preconizată poate ajunge la 70%.

În același 2013, cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Georgia, SUA, au efectuat simulări de nanoantene din Grafenul. Scopul aici a fost să obținem antene pentru schimbul de date și crearea de rețele pentru dispozitive mobile. Punctul cheie este utilizarea undelor electronilor de suprafață pe suprafața grafenului, care apar în anumite condiții.

Propagarea electronilor în grafen are propriile sale caracteristici, astfel încât o antenă mică pe bază de grafen este capabilă să radia și să primească la o frecvență relativ mică, dar la o dimensiune mai mică decât o antenă metalică. Din acest motiv, profesorul Iain Akiildiz urmărește în acest studiu tocmai obiectivul de a crea un nou mod de organizare a comunicațiilor fără fir, mai degrabă decât de a construi celule solare.

Electronii grafenei sub acțiunea unei unde electromagnetice care vin din exterior încep să emită unde care se propagă exclusiv pe suprafața grafenului, acest fenomen este cunoscut sub numele de undă polarizată plasmonică de suprafață (undă SPP) și vă permite să construiți antene pentru intervalul de frecvență cuprins între 0,1 și 10 terahertz.

În combinație cu emițătoarele bazate pe oxid de zinc, unde sunt utilizate proprietățile piezoelectrice ale acestor materiale, se construiește o bază pentru comunicarea fără fir cu un consum redus de energie și se prevede o rată de transfer de date de 100 de ori mai mare decât tehnologiile wireless existente.

La rândul lor, oamenii de știință de la Saint-Petersburg Metamaterials Laboratory au publicat un articol „Nanoantenele optice” în 2013, unde au arătat posibilitatea de a utiliza nanoantenele optice în diverse scopuri, inclusiv transmiterea și procesarea informațiilor la viteze semnificativ mai mari decât cele actuale, deoarece fotonul este mai rapid decât electron, iar aceasta deschide direcții fundamental noi.

Cercetătorul principal al laboratorului, Alexander Krasnok, este sigur că 5 cipuri de milimetru care prelucrează până la terabite de date într-o secundă este doar începutul, iar în secolul 21 ne așteaptă o adevărată revoluție fotonică.

Desigur, oamenii de știință nu neglijează utilizarea nanoantenelor în alte domenii, cum ar fi medicina și energia. O publicație extinsă a autorilor din revista Uspekhi Fizicheskikh Nauk (iunie 2013, volumul 183, nr. 6) oferă o revizuire exhaustivă a nanoantenelor relative.

Efectul economic al introducerii nanoantenelor este enorm. Așadar, de exemplu, în comparație cu fotocelele de siliciu, costul unui metru pătrat de materiale pentru nanoantene este cu două ordine de mărime mai mică (siliciu - 1000 dolari, o alternativă - de la 5 USD la 10 dolari).

Este foarte probabil ca în viitor, nanoantenele să poată alimenta mașini electrice, să încarce telefoane mobile, să furnizeze energie electrică pentru locuințe, iar panourile solare din siliciu folosite astăzi vor deveni o relicvă a trecutului.

Vezi și pe acest subiect:Celule solare multistrat ultra-subțiri bazate pe materiale nanostructurate