Nanoantennas - enhed, anvendelse, udsigter til brug

En alternativ enhed til at konvertere energien fra solstråling til elektrisk strøm kaldes i dag ofte en nanoantenna, dog er andre anvendelser mulige, og dette vil også blive drøftet her. Denne enhed fungerer som mange antenner i overensstemmelse med princippet om korrektion, men i modsætning til traditionelle antenner fungerer den i det optiske bølgelængdeområde.

De elektromagnetiske bølger i det optiske område er ekstremt korte, men tilbage i 1972 kom Robert Bailey og James Fletcher med denne idé, der allerede så udsigten til at opsamle solenergi på samme måde som med radiobølger.

På grund af den korte bølgelængde i det optiske område har nanoantenna dimensioner, der ikke overstiger hundreder af mikron i længde (proportionalt med bølgelængden), og i bredden - ikke mere eller endda mindre, 100 nanometer. F.eks. Hører nanoantennas i form af dipoler fra nanorør til drift ved frekvenser af hundreder af gigahertz til sådanne antenner.

Cirka 85% af solspektret er sammensat af bølger med en længde på 0,4 til 1,6 mikron, og de har mere energi end infrarød. I 2002 udførte Idaho National Laboratory omfattende forskning og byggede og testede endda nanoantennas for bølgelængder fra 3 til 15 mikron, hvilket svarer til fotonenergier fra 0,08 til 0,4 eV.

Det er i princippet muligt at absorbere lys fra enhver bølgelængde ved hjælp af nanoantenner, forudsat at antennestørrelsen optimeres i overensstemmelse hermed. Så siden 1973 til i dag er der kontinuerligt foretaget forskning i udviklingen af ​​denne retning.

I teorien er alt simpelt. Lysangreb på antennen ved svingninger i dets elektriske felt forårsager svingninger af elektroner i antennen med samme frekvens som bølgefrekvensen. Når du har fundet strømmen med en ensretter, er det nok at konvertere den, og du kan levere energi til at strømme belastningen.

Teorien om antenner i mikrobølgeovn siger, at antennens fysiske dimensioner skal svare til resonansfrekvensen, men kvanteeffekter foretager justeringer, f.eks. Hudeffekten ved høje frekvenser er meget udtalt.

Ved frekvenser på 190-750 terahertz (bølgelængder fra 0,4 til 1,6 mikron) er der behov for alternative dioder, der er tæt på tunneldioder baseret på metal-dielektrisk metal, almindelige dem vil ikke fungere, fordi store tab vil forekomme på grund af handlingen med omløbskondensatorer. Hvis de er implementeret med succes, vil nanoantennerne markant indhente det aktuelt populære solpaneler med hensyn til effektivitet, men problemet med detektion er stadig det vigtigste.

I 2011 udviklede en gruppe fysikere ved Rice University en nanoantenna til at omdanne nær infrarød stråling til strøm. Prøverne var et antal guldresonatorer arrangeret i en matrix i en afstand af 250 nm fra hinanden.

Resonatorens dimensioner var 50 nm brede, 30 nm høje, og længden varierede fra 110 til 158 nm. Lederen af ​​forskerteamet, Naomi Galas, forklarede i en offentliggjort artikel, at forskelle i længder svarer til forskelle i driftsfrekvenser.

Guldelementer var placeret på siliciumlaget, og kontaktpunktet var bare Schottky-barrieren. En række resonatorer blev indesluttet i et siliciumdioxidlag, og kontakterne blev dannet af et lag indium-tinoxid.

Så når lys indfaldt på resonatorerne, blev overfladeplasmaer ophidsede - elektronerne svingede tæt på lederens overflade, og når plasmon forfaldt, blev energien overført, som derefter blev overført til elektronerne.

Varme elektroner krydsede let Schottky-barrieren og skabte en lysstrøm, det vil sige, det viste sig noget, der ligner en fotodiode.Højden på Schottky-barrieren gjorde det muligt at detektere et interval, der betydeligt overstiger kapaciteten af ​​siliciumelementer, men den opnåede effektivitet var kun 1%.

I 2013 gennemførte Brian Willis, en videnskabsmand fra University of Connecticut, USA, en vellykket forskning og mestrer teknologien til deponering af atomlag. Han skabte også en række korrigerende nanoantennas, men da elektroderne var færdige med at skære med en elektronstrålepistol, overtrækkede videnskabsmanden begge elektroder med kobberatomer ved anvendelse af atomlagaflejring for at bringe nøjagtighed til afstande på op til 1,5 nm.

Som et resultat skabte den korte afstand et tunnelforbindelse, så elektronerne simpelthen kunne glide mellem de to elektroder under påvirkning af lys, hvilket skabte betingelser for yderligere strømgenerering. Denne undersøgelse er igangværende, og den forventede effektivitet kan nå 70%.

I samme 2013 gennemførte forskere fra Georgia Institute of Technology, USA, simuleringer af nanoantennas fra graphene. Målet her var at få antenner til udveksling af data og oprette netværk til mobile enheder. Det centrale punkt er brugen af ​​overfladeelektronbølger på overfladen af ​​grafen, der forekommer under visse betingelser.

Elektronudbredelse i grafen har sine egne karakteristika, så en lille grafenbaseret antenne er i stand til at udstråle og modtage med en relativt lav frekvens, men i en mindre størrelse end en metalantenne. Af denne grund forfølger professor Iain Akiildiz i denne undersøgelse netop målet om at skabe en ny måde at organisere trådløs kommunikation snarere end at opbygge solceller.

Grafenelektroner under påvirkning af en elektromagnetisk bølge, der kommer udefra, begynder at udsende bølger, der udelukkende forplantes på overfladen af ​​grafen, dette fænomen er kendt som en overfladeplasmon-polariseret bølge (SPP-bølge), og giver dig mulighed for at opbygge antenner til frekvensområdet fra 0,1 til 10 terahertz.

I kombination med sendere baseret på zinkoxid, hvor de piezoelektriske egenskaber af disse materialer bruges, opbygges et grundlag for trådløs kommunikation med lavt energiforbrug, og en dataoverførselshastighed på 100 gange højere end eksisterende trådløse teknologier er forudsagt.

Til gengæld offentliggjorde forskere fra Saint-Petersburg Metamaterials Laboratory en artikel “Optiske nanoantennas” i 2013, hvor de viste muligheden for at bruge optiske nanoantennas til forskellige formål, herunder transmission og behandling af information i hastigheder, der er væsentligt højere end nuværende, da fotonet er hurtigere end elektron, og dette åbner fundamentalt nye retninger.

Seniorforskeren på laboratoriet, Alexander Krasnok, er sikker på, at 5 millimeter chips, der behandler op til terabit-data på et sekund, kun er begyndelsen, og i det 21. århundrede venter en rigtig fotonrevolution på os.

Naturligvis forsømmer forskere ikke brugen af ​​nanoantennas på andre områder, såsom medicin og energi. En omfattende publikation af forfatterne i tidsskriftet Uspekhi Fizicheskikh Nauk (juni 2013, bind 183, nr. 6) giver en udtømmende gennemgang af de relative nanoantennas.

Den økonomiske effekt af indførelsen af ​​nanoantennas er enorm. Så for eksempel i sammenligning med siliciumfotoceller er prisen på en kvadratmeter med materialer til nanoantennas to størrelsesordrer lavere (silicium - $ 1000, et alternativ - fra $ 5 til $ 10).

Det er meget sandsynligt, at nanoantennas i fremtiden vil være i stand til at drive elbiler, oplade mobiltelefoner, levere elektricitet til hjem, og de silikonsolpaneler, der bruges i dag, vil blive en relikvie fra fortiden.

Se også om dette emne:Ultratynde flerlags solceller baseret på nanostrukturerede materialer

Comments

[#1]

Betaler mere til vores forskere snarere end nano-lønninger, og måske vil ting gå hurtigere. Og så i vores liv venter vi ikke på den enorme brug af elektriske køretøjer!

[#2 Sergei]

Det er IR-nanoantennas, der er af interesse, da alle organer udsender IR-stråling, opstår spørgsmålet om, hvordan man kan måle effektiviteten af ​​sådanne antenner, hvis de placeres i et termisk isoleret kammer med en belastning placeret uden for dette kammer, vil det fungere som et køleskab, dvs. Maxwell-dæmonen vil mislykkes.

Udvikling kræver uafhængighed og suverænitet. Og så enhver virksomhed vil blive ødelagt i knoppen, hvis ikke der eksporteres til udlandet, oprettes alle betingelser for dette. Vi er en koloni, efter at vi tabte den kolde krig, ud over den femte søjle, der hindrer udviklingen, har vi den grundlæggende lov i den russiske føderations forfatning, som De Forenede Stater skrev til os. Så der vil ikke være nogen udvikling, der vil være stagnation, medmindre vi ændrer artikel 13.2 og artikel 15.4 (Senere 9.2 og 75.2) Og for dette er vi nødt til at informere befolkningen med alle tilgængelige metoder, så folket kan udøve deres ret til folkeafstemning i henhold til forfatningens artikel 3 Russiske Føderation. Kun internettet og gader, hvor enkeltpiketter afholdes, er tilgængelige for os. Desværre fungerer tv for os med en vurdering, ikke for et land; der er ikke mange chancer for at komme dertil. Deltag i NOD. Hvis du allerede er der for fædrelandet for dit hjemland, gjenstår det at lære teknologien fra National Liberation Movement.
Husk Putins ord:
"En halte, der er drevet ud af strømmen." og
"Vores land var og vil være suveræn, eller det vil slet ikke være."
Der er ingen "suveræne", men hvordan VIL DET være suveræne?
Kræv en folkeafstemning om forfatningen af ​​artikel 13.2 Artikel 15.4 Artikel 75.4 Artikel 9.2.
Derefter opnår vi suverænitet og med det rigdom i moderlandet og verden omkring os.

[#3]

Jeg forstod ikke, hvad er problemet med at konvertere enhver synlig stråling til termisk stråling i den infrarøde? IR-stråling har et område fra 300 GHz til 430 THz, MDM-dioder er effektive ved 150 THz, og Schottky-dioder er ved 5 THz. Det viser sig, at det kun er nødvendigt at vælge en stabil opvarmningstemperatur fra sollys, for hvilken tråd af et homogent sort materiale og til at fange den modtagne infrarøde stråling med nanoantennas, og derefter rette den effektivt og billigt? Jeg formoder, at udviklerne er opmærksomme på dette, men de har muligvis ikke tilladelse til at gøre dette.