Nanoantennas - zariadenie, aplikácia, vyhliadky na použitie

Alternatívne zariadenie na premenu energie slnečného žiarenia na elektrický prúd sa dnes často nazýva nanoantenna, sú však možné aj iné aplikácie, o čom bude tiež diskutované. Toto zariadenie, podobne ako mnoho antén, funguje na princípe rektifikácie, ale na rozdiel od tradičných antén funguje v rozsahu optických vlnových dĺžok.

Elektromagnetické vlny optického rozsahu sú extrémne krátke, ale v roku 1972 túto myšlienku navrhli Robert Bailey a James Fletcher, ktorí dokonca videli perspektívu zhromažďovania slnečnej energie rovnakým spôsobom ako pri rádiových vlnách.

Vďaka krátkej vlnovej dĺžke optického rozsahu má nanoantenna rozmery nepresahujúce stovky mikrometrov na dĺžku (úmerné vlnovej dĺžke) a na šírku - nie viac alebo dokonca menej ako 100 nanometrov. Napríklad k takýmto anténam patria napríklad nanoanantény vo forme dipólov z nanotrubíc, ktoré sa prevádzkujú pri frekvenciách stoviek gigahertzov.

Asi 85% slnečného spektra sa skladá z vĺn s dĺžkou 0,4 až 1,6 mikrónov a majú viac energie ako infračervené žiarenie. V roku 2002 Národné laboratórium v ​​Idahu vykonalo rozsiahly výskum a dokonca postavilo a testovalo nanoantenódy na vlnové dĺžky od 3 do 15 mikrónov, čo zodpovedá fotónovej energii 0,08 až 0,4 eV.

V zásade je možné absorbovať svetlo z akejkoľvek vlnovej dĺžky pomocou nanoantén, za predpokladu, že sa primerane optimalizuje veľkosť antény. Od roku 1973 do dnešného dňa sa výskum vývoja tohto smerovania neustále uskutočňuje.

Teoreticky je všetko jednoduché. Svetelný dopad na anténu kmitaním jeho elektrického poľa spôsobuje kmitanie elektrónov v anténe s rovnakou frekvenciou ako frekvencia vlny. Po zistení prúdu usmerňovačom stačí konvertovať a na napájanie záťaže môžete dodať energiu.

Teória mikrovlnných antén hovorí, že fyzikálne rozmery antény by mali zodpovedať rezonančnej frekvencii, ale kvantové efekty upravujú napríklad kožný efekt pri vysokých frekvenciách je veľmi výrazný.

Pri frekvenciách 190 - 750 terahertzov (vlnové dĺžky od 0,4 do 1,6 mikrónov) sú potrebné alternatívne diódy, ktoré sú blízko tunelovými diónami založenými na kovovo-dielektrickom kove, tie obyčajné nebudú fungovať, pretože v dôsledku pôsobenia rozptylových kondenzátorov dôjde k veľkým stratám. Ak budú úspešne implementované, nanoanantény výrazne predbehnú v súčasnosti populárne solárne panely z hľadiska efektívnosti však problém s detekciou zostáva hlavným problémom.

V roku 2011 skupina fyzikov na Rice University vyvinula nanoantennu na premenu blízkeho infračerveného žiarenia na prúd. Vzorky boli množinou zlatých rezonátorov usporiadaných do súboru vo vzdialenosti 250 nm od seba.

Rozmery rezonátora boli 50 nm široké, 30 nm vysoké a dĺžka sa pohybovala od 110 do 158 nm. Vedúci výskumného tímu Naomi Galas v publikovanom článku vysvetlil, že rozdiely v dĺžkach zodpovedajú rozdielom v prevádzkových frekvenciách.

Na kremíkovej vrstve boli umiestnené zlaté prvky a kontaktným bodom bola iba Schottkyho bariéra. Vo vrstve oxidu kremičitého bola uzavretá skupina rezonátorov a kontakty boli tvorené vrstvou oxidu india cínu.

Takže, keď svetlo dopadlo na rezonátory, povrchové plazmóny boli excitované - elektróny oscilovali blízko povrchu vodiča a keď sa plazmón rozpadol, uvoľnila sa energia, ktorá sa potom preniesla na elektróny.

Horúce elektróny ľahko prešli Schottkyho bariérou a vytvorili fotoprúd, to znamená, že sa ukázalo niečo podobné fotodióde.Výška Schottkyho bariéry umožnila detekciu rozsahu výrazne presahujúceho schopnosti kremíkových prvkov, ale dosiahnutá účinnosť bola iba 1%.

V roku 2013 vedec Brian Willis z University of Connecticut v USA vykonal úspešný výskum a zvládol technológiu depozície atómovej vrstvy. Vytvoril tiež celý rad usmerňovacích nanoantén, ale keď boli elektródy dokončené rezaním elektrónovým lúčom, vedec potiahol obe elektródy atómami medi pomocou depozície atómovej vrstvy, aby sa presnosť dosiahla na vzdialenosť až 1,5 nm.

V dôsledku toho krátka vzdialenosť vytvorila tunelové spojenie, takže elektróny mohli jednoducho skĺznuť medzi dvoma elektródami pod vplyvom svetla, čím sa vytvorili podmienky na ďalšiu generáciu prúdu. Táto štúdia práve prebieha a očakávaná účinnosť môže dosiahnuť 70%.

V tom istom roku 2013 vedci z Gruzínskeho technologického inštitútu v USA vykonali simulácie nanoantenómov z USA grafén, Cieľom bolo získať antény na výmenu údajov a vytváranie sietí pre mobilné zariadenia. Kľúčovým bodom je použitie povrchových elektrónových vĺn na povrchu grafénu, ktoré sa vyskytujú za určitých podmienok.

Šírenie elektrónov v graféne má svoje vlastné charakteristiky, takže malá grafénová anténa je schopná vyžarovať a prijímať pri relatívne nízkej frekvencii, ale pri menšej veľkosti ako kovová anténa. Z tohto dôvodu sa profesor Iain Akiildiz v tejto štúdii usiluje presne o cieľ vytvoriť nový spôsob organizácie bezdrôtovej komunikácie, a nie stavať solárne články.

Grafénové elektróny pôsobením elektromagnetickej vlny prichádzajúcej zvonka začínajú emitovať vlny, ktoré sa šíria výlučne na povrchu grafénu. Tento jav je známy ako polarizovaná vlna povrchového plazmónu (SPP vlna) a umožňuje vám vytvárať antény pre frekvenčný rozsah od 0,1 do 10 terahertzov.

V kombinácii s vysielačmi na báze oxidu zinočnatého, kde sa používajú piezoelektrické vlastnosti týchto materiálov, sa vytvára základňa pre bezdrôtovú komunikáciu s nízkou spotrebou energie a predpovedá sa rýchlosť prenosu údajov 100-krát vyššia ako v prípade existujúcich bezdrôtových technológií.

Vedci z Petrohradského laboratória metamateriálov zase v roku 2013 uverejnili článok „Optické nanoantenódy“, ktorý ukázal možnosť použitia optických nanoantenónov na rôzne účely, vrátane prenosu a spracovania informácií pri rýchlostiach výrazne vyšších ako sú súčasné, pretože fotón je rýchlejší ako elektrón, a to otvára zásadne nové smery.

Vedecký výskumný pracovník v laboratóriu, Alexander Krasnok, je presvedčený, že 5 milimetrových čipov, ktoré spracúvajú údaje o terabitoch za sekundu, je len začiatok a v 21. storočí na nás čaká skutočná fotónová revolúcia.

Vedci samozrejme nezanedbávajú použitie nanoantenónov v iných oblastiach, napríklad v medicíne a energetike. Rozsiahla publikácia autorov v časopise Uspekhi Fizicheskikh Nauk (jún 2013, zväzok 183, č. 6) poskytuje vyčerpávajúci prehľad relatívnych nanoantennas.

Hospodársky účinok zavedenia nanoantenónov je obrovský. Napríklad v porovnaní s kremíkovými fotobunkami sú náklady na jeden meter štvorcový materiálov pre nanoantenódy o dva rády nižšie (kremík - 1 000 dolárov, alternatíva - od 5 do 10 USD).

Je veľmi pravdepodobné, že v budúcnosti budú nanoantenódy schopné poháňať elektrické autá, nabíjať mobilné telefóny, poskytovať elektrickú energiu pre domácnosti a kremíkové solárne panely, ktoré sa dnes používajú, sa stanú pozostatkami minulosti.

Pozri tiež túto tému:Ultratenké viacvrstvové solárne články na báze nanoštruktúrovaných materiálov

Comments

[#1]

Platiť našim vedcom viac, ako platom za nano mzdy, a možno by to išlo rýchlejšie. A potom v našom živote nebudeme čakať na masívne používanie elektrických vozidiel!

[#2 Sergei]

Zaujímavé sú IR nanoantenódy, pretože všetky orgány vyžarujú IR žiarenie, vyvstáva otázka, ako zmerať účinnosť takýchto antén, ak sú umiestnené v tepelne izolovanej komore so záťažou umiestnenou mimo tejto komory, bude to fungovať ako chladnička, to znamená, že zlyhá démon Maxwell.

Rozvoj si vyžaduje nezávislosť a suverenitu. A tak bude akýkoľvek podnik zničený v zárodku, ak nebude vyvezený do zahraničia, na tento účel sa vytvoria všetky podmienky. Po prehratí studenej vojny sme kolóniou. Okrem piateho stĺpca, ktorý bráni rozvoju, máme aj základný zákon ústavy Ruskej federácie, ktorý nám napísali Spojené štáty americké. Nedôjde teda k žiadnemu vývoju, dôjde k stagnácii, pokiaľ nezmeníme článok 13.2 a článok 15.4. (Neskôr 9.2 a 75.2) A preto musíme informovať obyvateľstvo všetkými dostupnými metódami, aby ľudia mohli uplatniť svoje právo na referendum podľa článku 3 ústavy. Ruská federácia. K dispozícii máme iba internet a ulice, v ktorých sa konajú jednotlivé demonštrácie. Bohužiaľ, televízia pre nás pracuje na hodnotení, nie na krajine, nie je veľa šancí sa tam dostať. Pripojte sa k NOD Ak už ste pre vlasť pre svoju vlasť, musíte sa naučiť technológiu Národného hnutia za oslobodenie.
Pamätajte na Putinove slová:
"Zranenie bolo vyvedené z moci." a
"Naša krajina bola a bude suverénna, alebo vôbec nebude."
Neexistujú žiadne „suverénne“ štáty, ale ako to bude zvrchované?
Dopyt po referende o ústave podľa článku 13.2, článku 15.4, článku 75.4, článku 9.2.
Potom dosiahneme suverenitu as ňou aj bohatstvo vlasti a sveta okolo nás.

[#3]

Nerozumel som, aký je problém premeny akéhokoľvek viditeľného žiarenia na infračervené žiarenie na tepelné žiarenie? IR žiarenie má rozsah od 300 GHz do 430 THz, MDM diódy sú účinné pri 150 THz a Schottkyho diódy sú pri 5 THz. Ukazuje sa, že je potrebné zvoliť iba stabilnú teplotu ohrevu zo slnečného svetla, pre ktorú je vlákno homogénneho čierneho materiálu, a zachytiť prijaté infračervené žiarenie nanoantenódami a potom ho efektívne a lacno narovnať? Mám podozrenie, že vývojári sú si toho vedomí, ale nemusí im to dovoliť.