Nanoantennos - prietaisas, programa, naudojimo perspektyvos

Alternatyvus saulės spinduliuotės energijos konvertavimo į elektros srovę įtaisas šiandien dažnai vadinamas nanoantenna, tačiau galimos ir kitos programos, apie kurias taip pat bus kalbama čia. Šis prietaisas, kaip ir daugelis antenų, veikia taisymo principu, tačiau skirtingai nei tradicinės antenos, jis veikia optinių bangų ilgio diapazone.

Elektromagnetinės optinio diapazono bangos yra labai trumpos, tačiau dar 1972 m. Šią idėją pasiūlė Robertas Bailey ir Jamesas Fletcheris, kurie net tada matė perspektyvą rinkti saulės energiją taip, kaip radijo bangomis.

Dėl trumpo optinio diapazono bangos ilgio nanoantenos matmenys neviršija šimtų mikronų ilgio (proporcingai bangos ilgiui), o pločio - ne daugiau ar net mažiau, 100 nanometrų. Pvz., Tokioms antenoms priklauso nanoantenos, sudarytos iš dipolių iš nanovamzdelių, veikiančios šimtų gigahercų dažniu.

Apie 85% Saulės spektro sudaro bangos, kurių ilgis yra nuo 0,4 iki 1,6 mikrono, ir jos turi daugiau energijos nei infraraudonosios. 2002 m. Aidaho nacionalinė laboratorija atliko išsamius tyrimus ir netgi pastatė ir išbandė nanodalenus, kurių bangos ilgis svyruoja nuo 3 iki 15 mikronų, o tai atitinka fotonų energiją nuo 0,08 iki 0,4 eV.

Iš principo įmanoma sugerti bet kokio bangos ilgio šviesą, naudojant nanoantenas, su sąlyga, kad antenos dydis bus atitinkamai padidintas. Taigi nuo 1973 m. Iki šios dienos buvo nuolat vykdomi šios krypties plėtros tyrimai.

Teoriškai viskas paprasta. Šviesa, sklindanti antenoje dėl jos elektrinio lauko virpesių, sukelia antenoje esančių elektronų virpesius tokiu pat dažniu, kaip ir bangos dažnis. Aptikę srovę lygintuvu, pakanka ją konvertuoti, ir jūs galite tiekti energiją kroviniui maitinti.

Mikrobangų antenų teorija sako, kad fiziniai antenos matmenys turėtų atitikti rezonansinį dažnį, tačiau kvantiniai efektai daro pakeitimus, pavyzdžiui, odos poveikis aukštais dažniais yra labai ryškus.

190–750 terahercų dažniuose (bangos ilgiai nuo 0,4 iki 1,6 mikrono) reikalingi alternatyvūs diodai, arti tunelinių diodų, kurių pagrindą sudaro metalas-dielektrikas-metalas, paprasti neveiks, nes dėl pasklidusių kondensatorių veikimo atsiras didžiuliai nuostoliai. Jei nanoantenos bus sėkmingai įgyvendintos, jos žymiai aplenks šiuo metu populiarias saulės baterijos tačiau veiksmingumo požiūriu pagrindinė išlieka problema aptikimo srityje.

2011 m. Grupė fizikų iš Rice universiteto sukūrė nanoanteną, leidžiančią šalia infraraudonosios spinduliuotės paversti srove. Mėginiuose buvo daugybė aukso rezonatorių, išdėstytų masyve 250 nm atstumu vienas nuo kito.

Rezonatoriaus matmenys buvo 50 nm pločio, 30 nm aukščio, o ilgis svyravo nuo 110 iki 158 nm. Tyrimų grupės vadovė Naomi Galas paskelbtame straipsnyje paaiškino, kad ilgių skirtumai atitinka veikimo dažnių skirtumus.

Aukso elementai buvo ant silicio sluoksnio, o sąlyčio taškas buvo tik Schottky barjeras. Silikoninio dioksido sluoksnyje buvo uždarytas rezonatorių rinkinys, o kontaktus suformavo indio alavo oksido sluoksnis.

Taigi, kai šviesa pateko į rezonatorius, paviršiaus plazmonai buvo sužadinti - elektronai virpesi šalia laidininko paviršiaus, o kai plazmonas suiro, tada energija buvo perduota, kuri vėliau buvo perkelta į elektronus.

Karšti elektronai lengvai kirto Schottky barjerą, sukurdami foto srovę, tai yra, pasirodė kažkas panašaus į fotodiodą.Schottky barjero aukštis leido aptikti diapazoną, žymiai viršijantį silicio elementų galimybes, tačiau pasiektas efektyvumas buvo tik 1%.

2013 metais Brianas Willisas, JAV Konektikuto universiteto mokslininkas, atliko sėkmingą tyrimą ir įsisavino atominių sluoksnių nusodinimo technologiją. Jis taip pat sukūrė nanoantenų ištaisymo rinkinį, tačiau kai elektrodai buvo baigti pjaustyti elektronų pluošto pistoletu, mokslininkas abu elektrodus apdengė vario atomais, naudodamas atominį sluoksnį, kad atstumas būtų iki 1,5 nm.

Dėl to nedidelis atstumas sukūrė tunelio sankryžą, kad elektronai šviesos įtakoje galėtų tiesiog paslysti tarp dviejų elektrodų, sudarydami sąlygas tolesnei srovės generavimui. Šis tyrimas vykdomas ir numatomas efektyvumas gali siekti 70%.

Tą patį 2013 m. JAV Džordžijos technologijos instituto tyrėjai atliko nanoantenų modeliavimą iš grafenas. Čia buvo siekiama gauti antenas keistis duomenimis ir kurti tinklus mobiliesiems įrenginiams. Svarbiausias dalykas yra paviršinių elektronų bangų naudojimas grafeno paviršiuje, atsirandančios tam tikromis sąlygomis.

Elektronų sklidimas grafenuose turi savo ypatybes, todėl maža grafeno pagrindu sukurta antena sugeba spinduliuoti ir priimti santykinai žemu dažniu, tačiau mažesnio dydžio nei metalinė antena. Dėl šios priežasties profesorius Iainas Akiildizas šiame tyrime siekia būtent tikslo sukurti naują bevielio ryšio organizavimo būdą, o ne statyti saulės elementus.

Grafeno elektronai, veikiami iš išorės kylančios elektromagnetinės bangos, pradeda skleisti bangas, kurios sklinda tik grafeno paviršiuje. Šis reiškinys yra žinomas kaip paviršiaus plazmono poliarizuota banga (SPP banga) ir leidžia pastatyti antenas dažnių diapazonui nuo 0,1 iki 10 terahercų.

Kartu su siųstuvais, kurių pagrindą sudaro cinko oksidas, kur naudojamos pjezoelektrinės šių medžiagų savybės, sukuriamas belaidžio ryšio pagrindas su mažomis energijos sąnaudomis ir prognozuojamas 100 kartų didesnis duomenų perdavimo greitis nei esamose belaidėse technologijose.

Savo ruožtu mokslininkai iš Sankt Peterburgo metamaterialų laboratorijos 2013 m. Paskelbė straipsnį „Optinės nanoantenos“, kur jie parodė galimybę optines nanoantenas naudoti įvairiems tikslams, įskaitant informacijos perdavimą ir apdorojimą žymiai didesniu nei dabartiniai greičiu, nes fotonas yra greitesnis nei elektronų, ir tai atveria iš esmės naujas kryptis.

Vyresnysis laboratorijos tyrėjas Aleksandras Krasnokas įsitikinęs, kad 5 milimetrų mikroschemos, apdorojančios iki duomenų terabitų per vieną sekundę, yra tik pradžia, o XXI amžiuje mūsų laukia tikra fotonų revoliucija.

Žinoma, mokslininkai neatmeta nanoantenų naudojimo kitose srityse, tokiose kaip medicina ir energija. Išsamioje autorių publikacijoje žurnale „Uspekhi Fizicheskikh Nauk“ (2013 m. Birželio mėn. 183 tomas, Nr. 6) pateikiama išsami santykinių nanoantenų apžvalga.

Nanoantenų įvedimo ekonominis poveikis yra milžiniškas. Taigi, pavyzdžiui, palyginti su silicio fotoelementais, nanoantenų vieno kvadratinio metro medžiagos kaina yra dviem laipsniais mažesnė (silicio - 1000 USD, alternatyva - nuo 5 USD iki 10 USD).

Didelė tikimybė, kad ateityje nanoantenos galės maitinti elektrinius automobilius, krauti mobiliuosius telefonus, tiekti elektrą namams, o šiandien naudojamos silicio saulės baterijos taps praeities reliktu.

Taip pat žiūrėkite šia tema:Ypač ploni daugiasluoksniai saulės elementai, pagaminti nanostruktūrizuotų medžiagų pagrindu