Nanoantennák - eszköz, alkalmazás, felhasználási lehetőségek

Napjainkban nanoantennának hívnak egy alternatív eszközt a napsugárzás energiájának elektromos árammá történő konvertálására, azonban más alkalmazások is lehetségesek, és erről itt is beszélünk. Ez az eszköz, mint sok antenna, az egyenirányítás elvén működik, de a hagyományos antennákkal ellentétben az optikai hullámhossztartományban működik.

Az optikai tartomány elektromágneses hulláma rendkívül rövid, ám 1972-ben Robert Bailey és James Fletcher javasolta ezt az elképzelést, akik akkor is láthatták a napenergia gyűjtésének lehetőségét, mint a rádióhullámok esetében.

Az optikai tartomány rövid hullámhosszának köszönhetően a nanoantenna mérete nem haladja meg a mikronok százát (a hullámhosszal arányosan) és szélességét - legfeljebb, vagy még kevesebb, 100 nanométer. Például a nanocsövekből származó dipol formájú nanoantennák több száz gigaherc frekvencián történő működéshez tartoznak az ilyen antennákhoz.

A napspektrum körülbelül 85% -át 0,4–1,6 mikron hosszú hullámok alkotják, és több energiájuk van, mint az infravörösnél. 2002-ben az Idaho Nemzeti Laboratórium kiterjedt kutatásokat végzett, és még nanoantennákat épített és tesztelt 3 és 15 mikron közötti hullámhosszon, ami a 0,08–0,4 eV fotonenergiának felel meg.

Elvileg bármilyen hullámhosszon el lehet venni a fényt nanoantennák felhasználásával, feltéve, hogy az antenna mérete ennek megfelelően van optimalizálva. Tehát 1973 óta a mai napig folyamatosan végeznek kutatásokat ennek az iránynak a fejlesztésében.

Elméletben minden egyszerű. Az antennán az elektromos mező rezgései miatt bekövetkező fény az antennában lévő elektronok rezgéseit okozza, ugyanolyan frekvenciával, mint a hullám frekvenciája. Miután felismerte az áramot egy egyenirányítóval, elegendő annak átalakításához, és energiát szolgáltathat a rakomány táplálásához.

A mikrohullámú antennák elmélete szerint az antenna fizikai méreteinek meg kell felelniük a rezonancia frekvenciájának, de a kvantumhatások módosítják például a magas frekvenciákon jelentkező bőrhatást.

190–750 teraherc frekvencián (0,4–1,6 mikron hullámhossz) alternatív diódákra van szükség, amelyek közel vannak az alagút-diódákhoz fém-dielektromos fém alapon, az egyszerűek nem fognak működni, mert hatalmas veszteségek merülnek fel a kóbor kondenzátorok működése miatt. Sikeres megvalósításuk esetén a nanoantennák jelentősen felülmúlják a jelenleg népszerűt napelemek hatékonyság szempontjából azonban a felismerés problémája továbbra is a fő.

2011-ben a Rice Egyetem fizikusai egy csoport nanoantennát fejlesztettek ki, hogy az infravörös sugárzást árammá alakítsák. A minták több arany rezonátorból álltak, amelyek elrendeződtek egymástól 250 nm távolságra.

A rezonátor mérete 50 nm széles, 30 nm magas volt, a hossza 110-158 nm. Naomi Galas, a kutatócsoport vezetője egy közzétett cikkben elmagyarázta, hogy a hosszúságbeli különbségek megfelelnek az üzemi frekvencia különbségeinek.

Az arany elemek a szilikon rétegen helyezkedtek el, és az érintkezési pont csak a Schottky akadály volt. Számos rezonátorokat egy szilícium-dioxid-rétegbe zártunk, és az érintkezőket indium-ón-oxid réteg alkotta.

Tehát, amikor a fény becsapódott a rezonátorokon, a felszíni plazmonok gerjesztésre kerültek - az elektronok a vezető felülete közelében rezgtek, és amikor a plazmon elbomlott, az energiát átvisszük, amelyet az elektronokra továbbítunk.

A forró elektronok könnyen átjutottak a Schottky-akadályon, és így fotoáramot hoztak létre, vagyis valami hasonló volt egy fotodiodhoz.A Schottky-gát magassága lehetővé tette egy olyan tartomány észlelését, amely jelentősen meghaladja a szilícium elemek képességeit, de az elért hatékonyság csak 1% volt.

2013-ban Brian Willis, az amerikai Connecticuti Egyetem tudósa sikeres kutatást végzett és elsajátította az atomréteg lerakódásának technológiáját. Készített egy sorot a nanoantennák egyenirányítására is, de amikor az elektródokat befejezték egy elektronnyaláb-pisztollyal, a tudós mindkét elektródát rézatomokkal bevonta atomi réteg leválasztással, hogy pontosságra tegyék az 1,5 nm távolságot.

Ennek eredményeként a rövid távolság alagútcsomópontot hozott létre, így az elektronok könnyedén fény hatására elcsúszhatnak a két elektróda között, így feltételeket teremtve a további áramtermeléshez. Ez a tanulmány folyamatban van, és a várható hatékonyság elérheti a 70% -ot.

Ugyanebben a 2013-ban az USA-ban, a Georgia Georgia Institute of Technology kutatói a nanoantennákat szimulálták grafén. A cél az volt, hogy antennákat szerezzen adatcseréhez és hálózatok létrehozásához a mobil eszközökhöz. A legfontosabb kérdés a felszíni elektronhullámok használata a grafén felületén, amelyek bizonyos körülmények között előfordulhatnak.

A grafén elektronterjedésének megvannak a maga sajátosságai, így egy kis grafén-alapú antenna képes viszonylag alacsony frekvencián sugározni és fogadni, de kisebb méretben, mint egy fémantenna. Ezért Iain Akiildiz professzor ebben a tanulmányban pontosan arra törekszik, hogy a vezeték nélküli kommunikáció szervezésének új módját hozzon létre ahelyett, hogy napelemeket építene.

A kívülről érkező elektromágneses hullám hatására a grafén elektronok olyan hullámokat bocsátanak ki, amelyek kizárólag a grafén felületén terjednek, ezt a jelenséget felületi plazmon polarizált hullámnak (SPP hullámnak) nevezik, és lehetővé teszik antennák felépítését 0,1-10 teraherc frekvenciatartományban.

Cink-oxid-alapú adókészülékekkel kombinálva, ahol ezeknek az anyagoknak a piezoelektromos tulajdonságait alkalmazzák, alapul szolgál a kis energiafogyasztású vezeték nélküli kommunikáció, és a meglévő vezeték nélküli technológiákhoz képest 100-szor nagyobb adatátviteli sebességet lehet előrejelzni.

A szentpétervári metaadarabok laboratóriumának tudósai viszont 2013-ban publikáltak egy „Optikai nanoantennákat” című cikket, ahol megmutatták az optikai nanoantennák különféle célokra történő felhasználásának lehetőségét, ideértve az információk továbbítását és feldolgozását a jelenleginél lényegesen nagyobb sebességgel, mivel a foton gyorsabb, mint a elektron, és ez alapvetően új irányokat nyit meg.

A laboratórium vezető kutatója, Alekszandr Krasnok biztos abban, hogy az 5 milliméteres chipek, amelyek egy másodpercen belül akár terabit adatot dolgoznak fel, még csak a kezdet, és a 21. században valódi fotonforradalom vár ránk.

A tudósok természetesen nem hagyják figyelmen kívül a nanoantennák más területeken történő használatát, például az orvostudományban és az energiában. A szerzők az Uspekhi Fizicheskikh Nauk folyóiratban tett kiterjedt publikációja (2013. június, 183. kötet, 6. szám) kimerítő áttekintést nyújtanak a relatív nanoantennákról.

A nanoantennák bevezetésének gazdasági hatása óriási. Tehát például a szilícium fotocellákkal összehasonlítva a nanoantennák anyagának négyzetméterköltsége két nagyságrenddel alacsonyabb (szilícium - 1000 dollár, alternatíva - 5 és 10 dollár között).

Nagyon valószínű, hogy a jövőben a nanoantennák képesek lesznek elektromos autók táplálására, mobiltelefonok töltésére, áramszolgáltatásra a házakban, és a ma használt szilikon napelemek a múlt emlékei lesznek.

Lásd még ebben a témában:Nanostrukturált anyagokon alapuló, ultravékony többrétegű napelemek