Наноантенне - уређај, апликација, изгледи за употребу

Алтернативни уређај за претварање енергије сунчевог зрачења у електричну струју данас се често назива наноатентеном, међутим могуће су и друге примене, а о овоме ће такође бити речи. Овај уређај функционише, као и многе антене, на принципу исправљања, али за разлику од традиционалних антена, делује у оптичком опсегу таласних дужина.

Електромагнетни таласи оптичког распона су изузетно кратки, али још 1972. године ту су идеју предложили Роберт Баилеи и Јамес Флетцхер, који су чак и тада видели перспективу прикупљања соларне енергије на исти начин као и радио таласи.

Због кратке таласне дужине оптичког распона, наноантенна има димензије које не прелазе стотине микрона (пропорционалне таласној дужини), а у ширину - не више, или чак мање, 100 нанометара. На пример, таквим антенама припадају наноатенције у облику дипола из наноцеви, за рад на фреквенцијама од стотине гигахерца.

Око 85% соларног спектра сачињавају таласи дужине 0,4 до 1,6 микрона и они имају више енергије него инфрацрвени. 2002. године, Национална лабораторија у Идаху спровела је опсежно истраживање и чак изградила и тестирала наноатентене за таласне дужине од 3 до 15 микрона, што одговара енергији фотона од 0,08 до 0,4 еВ.

У принципу је могуће апсорбовати светлост са било које таласне дужине коришћењем наноантена, под условом да се величина антене на тај начин оптимизује. Дакле, од 1973. године до данас, континуирано се спроводе истраживања у развоју овог правца.

У теорији, све је једноставно. Пад светлости на антени осцилацијама њеног електричног поља изазива осцилације електрона у антени истом фреквенцијом као фреквенција таласа. Након што откријете струју исправљачем, довољно је да је претворите и можете да обезбедите енергију за напајање терета.

Теорија микроталасних антена каже да физичке димензије антене треба да одговарају резонантној фреквенцији, али квантни ефекти прилагођавају се, на пример, ефекат коже на високим фреквенцијама веома је изражен.

На фреквенцијама од 190-750 терахерца (таласне дужине од 0,4 до 1,6 микрона) потребне су алтернативне диоде које су близу диодама за тунелирање на бази метала-диелектричног метала, обичне неће радити, јер ће настати огромни губици услед дејства залуталих кондензатора. Ако се успешно примене, наноантенне ће значајно надвладати тренутно популарне соларни панели у погледу ефикасности, међутим, проблем са откривањем остаје главни.

2011. године, група физичара са Универзитета Рице развила је наноантену за претварање близу инфрацрвеног зрачења у струју. Узорци су били мноштво златних резонатора распоређених у низу на удаљености од 250 нм један од другог.

Димензије резонатора биле су ширине 50 нм, висине 30 нм, а дужина од 110 до 158 нм. Шефица истраживачког тима Наоми Галас објаснила је у објављеном чланку да разлике у дужинама одговарају разликама у радним фреквенцијама.

Златни елементи били су смештени на силиконском слоју, а тачка контакта била је само Сцхоттки баријера. Низ резонатора био је затворен у слој силицијумског диоксида, а контакти су формирани слојем индијум-оксидовог оксида.

Дакле, када су се појавила светла на резонаторе, површни плазмони су били узбуђени - електрони су осцилирали близу површине проводника, а када је плазмон пропадао, тада се преноси енергија која је потом пренета на електроне.

Врући електрони су лако прешли преко Сцхоттки-ове баријере, стварајући фото ток, односно показало се да је нешто слично фотодиоди.Висина Сцхоттки баријере омогућила је детекцију распона који знатно превазилази могућности силицијумских елемената, али постигнута ефикасност била је само 1%.

Бриан Виллис, научник са Универзитета у Конектикату у 2013. години, спровео је успешно истраживање и савладао технологију таложења атомског слоја. Такође је створио низ исправљајућих наноантена, али када су електроде завршене са сечењем пиштољем с електронским снопом, научник је обе електроде премазао бакарним атомима користећи таложење атомског слоја да би тачност дошла до растојања до 1,5 нм.

Као резултат тога, кратка удаљеност створила је тунелски спој тако да би се електрони под утицајем светлости једноставно могли провући између две електроде, стварајући услове за даље генерисање струје. Ова студија је у току, а очекивана ефикасност може достићи 70%.

Исте 2013. године, истраживачи из Георгиа Институте оф Тецхнологи, САД, спровели су симулације наноатензија из графен. Циљ је овде био да се добију антене за размену података и стварање мрежа за мобилне уређаје. Кључна поанта је употреба површинских електронских таласа на површини графена, који настају под одређеним условима.

Размножавање електрона у графену има своје карактеристике, тако да мала антена на бази графена може да зрачи и прима на релативно ниској фреквенцији, али у мањој величини од металне антене. Из тог разлога, професор Иаин Акиилдиз управо у овој студији тежи циљу стварања новог начина организовања бежичне комуникације, а не стварања соларних ћелија.

Графенски електрони под дејством електромагнетног таласа који долази споља почињу да емитују таласе који се шире искључиво на површини графена, ова појава је позната и као површински плазмонизовани талас плазмона (СПП талас) и омогућава вам да направите антене за фреквенцијски распон од 0,1 до 10 терахерца.

У комбинацији са предајницима на бази цинковог оксида, где се користе пиезоелектрична својства ових материјала, ствара се основа за бежичну комуникацију са ниском потрошњом енергије и предвиђа се стопа преноса података 100 пута већа од постојећих бежичних технологија.

Заузврат, научници из Лабораторија за метаматеријал у Санкт Петербургу објавили су чланак „Оптичке наноатентене“ у 2013. години, који је показао могућност употребе оптичких наноатензија у различите сврхе, укључујући пренос и обраду информација брзинама знатно већим од садашњих, јер је фотон бржи од електрон, и то отвара фундаментално нове правце.

Виши истраживач у лабораторији, Александер Краснок, сигуран је да је 5 милиметарски чип који у једној секунди обрађује до терабита података тек почетак, а у 21. веку нас очекује права револуција фотона.

Наравно, научници не занемарују употребу наноантена у другим областима, као што су медицина и енергија. Опсежна публикација аутора у часопису Успекхи Физицхескикх Наук (јун 2013., свезак 183, бр. 6) пружа исцрпан преглед релативних наноантена.

Економски ефекат увођења наноантена је огроман. Тако, на пример, у поређењу са силиконским фотоћелијама, цена једног квадратног метра материјала за наноантенне је за два реда мања (силицијум - 1000 долара, алтернатива - од 5 до 10 долара).

Велика је вероватноћа да ће у будућности наноантене моћи напајати електричне аутомобиле, пунити мобилне телефоне, снабдијевати кућама електричном енергијом, а силиконски соларни панели који се данас користе постају реликвија прошлости.

Погледајте и ову тему:Ултра танке вишеслојне соларне ћелије засноване на наноструктурисаним материјалима