Nanoantennas - enhet, applikasjon, muligheter for bruk

En alternativ enhet for å konvertere energien fra solstråling til elektrisk strøm kalles ofte i dag en nanoantenna, men andre applikasjoner er mulige, og dette vil også bli diskutert her. Denne enheten fungerer, som mange antenner, etter utbedring, men i motsetning til tradisjonelle antenner, fungerer den i det optiske bølgelengdeområdet.

De elektromagnetiske bølgene i det optiske området er ekstremt korte, men tilbake i 1972 ble denne ideen foreslått av Robert Bailey og James Fletcher, som til og med så utsiktene til å samle solenergi på samme måte som med radiobølger.

På grunn av den korte bølgelengden til det optiske området, har nanoantenna dimensjoner som ikke overstiger hundrevis av mikron i lengde (proporsjonal med bølgelengden), og i bredden - ikke mer, eller enda mindre, 100 nanometer. For eksempel tilhører nanoantennas i form av dipoler fra nanorør, for drift ved frekvenser av hundrevis av gigahertz, slike antenner.

Rundt 85% av solspekteret er sammensatt av bølger med en lengde på 0,4 til 1,6 mikron, og de har mer energi enn infrarød. I 2002 gjennomførte Idaho National Laboratory omfattende undersøkelser og bygde og testet til og med nanoantennas for bølgelengder fra 3 til 15 mikron, noe som tilsvarer foton energi fra 0,08 til 0,4 eV.

Det er i prinsippet mulig å absorbere lys fra hvilken som helst bølgelengde ved bruk av nanoantennas, forutsatt at antennestørrelsen er optimalisert tilsvarende. Så siden 1973 til i dag har det kontinuerlig blitt gjennomført forskning i utviklingen av denne retningen.

I teorien er alt enkelt. Lett hendelse på antennen ved svingninger i det elektriske feltet forårsaker svingninger av elektroner i antennen med samme frekvens som bølgefrekvensen. Etter å ha oppdaget strømmen med en likeretter, er det nok å konvertere den, og du kan levere energi til å drive belastningen.

Teorien om antenner i mikrobølgeovn sier at de fysiske dimensjonene til antennen skal tilsvare resonansfrekvensen, men kvanteeffekter gjør justeringer, for eksempel hudeffekten ved høye frekvenser er veldig uttalt.

Ved frekvenser på 190-750 terahertz (bølgelengder fra 0,4 til 1,6 mikron), er det nødvendig med alternative dioder som ligger i nærheten av tunneldioder basert på metall-dielektrisk metall, vanlige de vil ikke fungere, fordi store tap vil oppstå på grunn av innvirkning fra herreløse kondensatorer. Hvis de er vellykket implementert, vil nanoantennene forbruke den for tiden populære solcellepaneler når det gjelder effektivitet, er problemet med deteksjon imidlertid det viktigste.

I 2011 utviklet en gruppe fysikere ved Rice University en nanoantenna for å konvertere nær infrarød stråling til strøm. Prøvene var et antall gullresonatorer anordnet i en gruppe i en avstand på 250 nm fra hverandre.

Resonatorens dimensjoner var 50 nm brede, 30 nm høye, og lengden varierte fra 110 til 158 nm. Lederen for forskerteamet, Naomi Galas, forklarte i en publisert artikkel at forskjeller i lengder tilsvarer forskjeller i driftsfrekvenser.

Gullelementer var plassert på silisiumlaget, og kontaktpunktet var bare Schottky-barrieren. En rekke resonatorer ble innelukket i et silisiumdioksydlag, og kontaktene ble dannet av et lag indiumtinnoksyd.

Så når lyset skjedde på resonatorene, ble overflateplasmoner begeistret - elektronene svingte nær overflaten til lederen, og når plasmonet forfalt, ble energi overført, som deretter ble overført til elektronene.

Varme elektroner krysset lett Schottky-barrieren og skapte en lysstrøm, det vil si at det viste seg å være noe som ligner på en fotodiode.Høyden på Schottky-barrieren gjorde det mulig å oppdage et område som betydelig oversteg kapasitetene til silisiumelement, men den oppnådde effektiviteten var bare 1%.

I 2013 gjennomførte Brian Willis, en vitenskapsmann fra University of Connecticut, USA, en vellykket forskning og mestrer teknologien for avsetning av atomlag. Han opprettet også en rekke retting av nanoantennas, men da elektrodene var ferdige med å skjære med en elektronstrålepistol, belagte forskeren begge elektrodene med kobberatomer ved bruk av atomsjikt for å bringe nøyaktighet til avstander opp til 1,5 nm.

Som et resultat skapte den korte avstanden et tunnelkryss slik at elektronene rett og slett kunne skli mellom de to elektrodene under påvirkning av lys, noe som skapte forhold for videre strømgenerering. Denne studien pågår, og den forventede effektiviteten kan nå 70%.

I samme 2013 gjennomførte forskere fra Georgia Institute of Technology, USA, simuleringer av nanoantennas fra graphene. Målet her var å skaffe antenner for utveksling av data og opprette nettverk for mobile enheter. Nøkkelpunktet er bruken av overflateelektronbølger på overflaten av grafen, som forekommer under visse forhold.

Elektronutbredelse i grafen har sine egne egenskaper, så en liten grafenbasert antenne er i stand til å stråle og motta med relativt lav frekvens, men i en mindre størrelse enn en metallantenne. Av denne grunn forfølger professor Iain Akiildiz i denne studien nettopp målet om å skape en ny måte å organisere trådløs kommunikasjon, snarere enn å bygge solceller.

Grafenelektroner under virkningen av en elektromagnetisk bølge som kommer utenfra begynner å avgi bølger som utelukkende forplanter seg på overflaten av grafen, dette fenomenet er kjent som en overflateplasmon-polarisert bølge (SPP-bølge), og lar deg bygge antenner for frekvensområdet fra 0,1 til 10 terahertz.

I kombinasjon med sendere basert på sinkoksid, der de piezoelektriske egenskapene til disse materialene blir brukt, bygges det opp et grunnlag for trådløs kommunikasjon med lavt energiforbruk, og en dataoverføringshastighet på 100 ganger høyere enn eksisterende trådløse teknologier.

På sin side publiserte forskere fra Saint-Petersburg Metamaterials Laboratory en artikkel “Optical nanoantennas” i 2013, der de viste muligheten for å bruke optiske nanoantennas til forskjellige formål, inkludert overføring og prosessering av informasjon i hastigheter som er betydelig høyere enn dagens, siden fotonet er raskere enn elektron, og dette åpner grunnleggende nye retninger.

Seniorforskeren ved laboratoriet, Alexander Krasnok, er sikker på at 5 millimeter brikker som behandler opp til terabitdata på ett sekund bare er begynnelsen, og i det 21. århundre venter en skikkelig fotonrevolusjon.

Naturligvis neglisjerer ikke forskere bruken av nanoantennas på andre områder, som medisin og energi. En omfattende publikasjon av forfatterne i tidsskriftet Uspekhi Fizicheskikh Nauk (juni 2013, bind 183, nr. 6) gir en uttømmende gjennomgang av de relative nanoantennene.

Den økonomiske effekten av innføringen av nanoantennas er enorm. Så for eksempel i sammenligning med silisiumfotoceller, er kostnadene for en kvadratmeter med materialer for nanoantennas to størrelsesordener lavere (silisium - $ 1000, et alternativ - fra $ 5 til $ 10).

Det er høyst sannsynlig at nanoantennas i fremtiden vil være i stand til å drive elbiler, lade mobiltelefoner, levere strøm til hjem, og solcellepanelene i silisium som brukes i dag vil bli en relikvie fra fortiden.

Se også om dette emnet:Ultratynne flerlags solceller basert på nanostrukturerte materialer

Comments

[#1]

Å betale mer til forskerne våre i stedet for nano-lønn, og kanskje ting ville gå raskere. Og så i livet vårt vil vi ikke vente på massiv bruk av elektriske kjøretøy!

[#2 Sergei]

Det er IR-nanoantennas som er av interesse, siden alle organer avgir IR-stråling, oppstår spørsmålet om hvordan man måler effektiviteten til slike antenner, hvis de plasseres i et termisk isolert kammer med en last som er plassert utenfor dette kammeret, vil det fungere som et kjøleskap, det vil si at Maxwell-demonen vil mislykkes.

Utvikling krever uavhengighet og suverenitet. Og slik at enhver virksomhet blir ødelagt i knoppen, hvis ikke eksportert til utlandet, skapes alle betingelser for dette. Vi er en koloni etter at vi tapte den kalde krigen, i tillegg til den femte spalten som hindrer utviklingen, har vi grunnloven for den russiske føderasjonens grunnlov som USA skrev for oss. Så det vil ikke være noen utvikling, det vil være stagnasjon, med mindre vi endrer artikkel 13.2 og artikkel 15.4. (Senere 9.2 og 75.2) Og for dette må vi informere befolkningen med alle tilgjengelige metoder slik at folket kan utøve sin rett til folkeavstemning under artikkel 3 i grunnloven Russland. Bare Internett og gatene der enkeltpiketter holdes, er tilgjengelig for oss. Dessverre fungerer TV for oss med en rangering, ikke for et land; det er ikke mange sjanser til å komme dit. Bli med i NOD. Hvis du allerede er der for fedrelandet for hjemlandet ditt, gjenstår det å lære teknologien til National Liberation Movement.
Husk Putins ord:
"En halte som er drevet ut av makten." og
"Landet vårt var og vil være suverent eller det vil ikke være i det hele tatt."
Det er ingen "suverene", men hvordan vil DET være suverene?
Krev en folkeavstemning om konstitusjonen av artikkel 13.2 Artikkel 15.4 Artikkel 75.4 Artikkel 9.2.
Da vil vi oppnå suverenitet, og med det formuen til moderlandet og verden rundt oss.

[#3]

Jeg forsto ikke, hva er problemet med å konvertere synlig stråling til termisk stråling i infrarød? IR-stråling har et område fra 300 GHz til 430 THz, MDM-dioder er effektive ved 150 THz, og Schottky-dioder er på 5 THz. Det viser seg at det bare er nødvendig å velge en stabil temperatur for oppvarming fra sollys for hvilken tråd av et homogent svart materiale og for å fange opp den mottatte infrarøde strålingen med nanoantennas, og deretter rette den effektivt og billig? Jeg mistenker at utviklerne er klar over dette, men de har kanskje ikke lov til å gjøre dette.