Nanoantenn (nantenna) - en anordning för att omvandla solenergi till elektrisk ström , byggd på principen om en likriktande antenn , men som inte fungerar i radioområdet , utan i det optiska våglängdsområdet för elektromagnetisk strålning . Idén att använda antenner för att samla solenergi föreslogs först av Robert Bailey 1972 [1] . Denna idé föreslogs också av Nikola Tesla i patent nr 685 957 daterat 1901-05-11.
En annan, utökad tolkning av denna term är också möjlig, enligt vilken en nanoantenn ska förstås som en miniatyrantenn , vars dimensioner inte överstiger hundratals mikron, och en av dimensionerna är 100 eller mindre nanometer. Ett exempel på den här typen av nanoantenner är nanorörsbaserade dipoler, som ger drift med signaler med en frekvens på flera hundra GHz. [2]
En nanoantenn är en kollektor av elektromagnetisk strålning, utformad för att absorbera energi av en viss våglängd, proportionell mot storleken på nanoantennen. För närvarande har Idaho National Laboratory utvecklat nanoantenner för att absorbera våglängder i intervallet 3-15 µm, [3] vilket motsvarar fotonenergier på 0,08-0,4 eV. Baserat på antennteori kan en nanoantenn effektivt absorbera ljus av vilken våglängd som helst, förutsatt att storleken på nanoantennen är optimerad för en specifik våglängd. Helst är nanoantenner bäst att använda för att absorbera ljus vid våglängder på 0,4-1,6 mikron, eftersom dessa vågor har mer energi än infraröd (långa vågor), och de utgör cirka 85 % av solstrålningsspektrumet (se fig. 1). [fyra]
1973 fick Robert Bailey tillsammans med James Fletcher patent på en "elektromagnetisk vågomvandlare". [5] Den patenterade enheten liknade dagens nanoantenner. 1984 fick Alvin Marks patent på en enhet som uttryckligen anger användningen av submikronantenner för att direkt omvandla solenergi till elektrisk energi. [6] Marx apparat visade betydande förbättringar i effektivitet jämfört med Baileys apparat. [7] 1996 var Lin Guang X. den första som presenterade en rapport om resonansabsorption av ljus på speciellt preparerade nanostrukturer och detektering av ljus med en frekvens i det synliga området. [7] År 2002 publicerade ITN Energy Systems en rapport om deras arbete med optiska antenner i kombination med högfrekventa dioder. ITN hade som mål att bygga en rad effektiva nanoantenner. i storleksordningen några procent. Även om de misslyckades, har frågor relaterade till konstruktionen av högeffektiva nanoantenner fått en bättre förståelse. [4] Forskning om nanoantenner pågår. [2]
Teorin bakom nanoantenner är i huvudsak densamma som beskriver driften av likriktande antenner ( rectennas ). Ljuset som faller in på antennen gör att elektronerna i antennen svänger fram och tillbaka med samma frekvens som det inkommande ljuset. Detta beror på fluktuationer i det elektriska fältet för den inkommande elektromagnetiska vågen. Elektronernas rörelse skapar en växelström i antennkretsen. För att omvandla växelström till likström behöver du detektera det, vilket vanligtvis görs med hjälp av en likriktardiod. Efter denna omvandling kan likström användas för att driva en extern belastning. Resonansfrekvensen för en antenn (frekvensen vid vilken systemet har den lägsta impedansen och därför den högsta effektiviteten) växer linjärt med antennens fysiska dimensioner i enlighet med den enkla teorin om mikrovågsantenner, [4] men kvanteffekter måste vara beaktas vid sin beräkning. [2] Våglängderna för solspektrumet ligger i intervallet cirka 0,3 till 2,0 µm. [4] För att en likriktarantenn ska vara en effektiv elektromagnetisk solfångare måste den alltså ha element i storleksordningen hundratals nanometer.
På grund av de förenklingar som används i teorin om typiska likriktarantenner, finns det flera knepiga punkter som dyker upp när man diskuterar nanoantenner. Vid frekvenser över det infraröda området bärs nästan all ström nära ledarens yta, vilket minskar ledarens effektiva tvärsnittsarea och leder till en ökning av motståndet. Denna effekt är känd som " hudeffekten ".
En annan komplikation med neddragning är att dioderna som används i stora rektennor inte kan fungera vid terahertzfrekvenser utan stora effektförluster. [3] Effektförlusten beror på korsningskapacitansen (känd som parasitisk kapacitans) som pn-övergångar av konventionella dioder och Schottky-dioder har, vilket innebär att de endast kan fungera effektivt vid frekvenser under 5 THz. Idealiska våglängder på 0,4-1,6 μm motsvarar frekvenser på cirka 190-750 THz, vilket är mycket högre än kapaciteten hos traditionella dioder. Således måste alternativa dioder användas för effektiv effektomvandling. Moderna nanoantennenheter använder tunneldioder baserade på metall-isolator-metall (MIM) korsningar. Till skillnad från Schottky-dioder har MDM-dioder inte parasitiska kapacitanser eftersom de fungerar på basis av elektrontunnling. På grund av detta fungerar MDM-dioder effektivt vid frekvenser på cirka 150 THz, vilket är mycket närmare de optimala frekvenserna för nanoantenner. [fyra]
En av de viktigaste deklarerade fördelarna med nanoantenner är deras höga teoretiska effektivitet (COP). Jämfört med solcellernas teoretiska effektivitet kommer nanoantenner sannolikt att ha en betydande fördel.
Den mest uppenbara fördelen med nanoantenner jämfört med halvledarfotovoltaiska celler är att det är ganska enkelt att designa uppsättningar av nanoantenner för godtyckliga ljusfrekvenser. Genom att helt enkelt välja storleken på nanoantennen i matrisen kan dess resonansfrekvens ställas in för att absorbera en specifik våglängd av ljus (resonansfrekvensskalan är ungefär linjär med antennstorleken). Detta är en stor fördel jämfört med halvledarsolceller, eftersom det i dem, för att ändra våglängden på det absorberade ljuset, är nödvändigt att ändra halvledarens bandgap. Och för att ändra bandgapet måste halvledaren vara dopad på ett speciellt sätt, eller så måste en annan halvledare användas helt och hållet. [3]
Som nämnts tidigare är en av de viktigaste begränsningarna för nanoantenner frekvensen vid vilken de fungerar. Den höga frekvensen av ljus i det ideala våglängdsområdet gör användningen av typiska Schottky-dioder opraktisk. Även om MDM-dioder har visat lovande potential för användning i nanoantenner, behövs nya avancerade metoder för att säkerställa effektiv drift vid höga frekvenser.
En annan nackdel är att de nuvarande nanoantennerna [8] produceras med hjälp av en elektronstråle (elektronstrålelitografi). Denna process är långsam och ganska dyr eftersom parallell bearbetning i elektronstrålelitografi inte är möjlig. Som regel används elektronstrålelitografi endast för forskningsändamål, när extremt exakt upplösning behövs för minsta storlek på elementen (vanligtvis i storleksordningen flera nanometer). Men för närvarande har fotolitografimetoder avancerat så mycket att det har blivit möjligt att skapa minsta elementstorlekar i storleksordningen tiotals nanometer, vilket gör det möjligt att producera nanoantenner med fotolitografi.
Efter proof of concept gjordes laboratoriekiselprover med standardtekniker för tillverkning av integrerade halvledarkretsar. Elektronstrålelitografi användes för att tillverka metallstrukturerna i antennuppsättningen. Nanoantennen består av tre huvuddelar: basplanet, den optiska resonatorn och själva antennen. Antennen absorberar elektromagnetiska vågor, basplanet reflekterar ljus mot antennen och den optiska resonatorn avleder och koncentrerar ljuset även mot antennen med hjälp av basplanet. [3] Det är också möjligt att skapa nanoantenner baserade på nanorör. [2]
Idaho National Laboratory använde följande steg för att tillverka sina nanoantenner. Ett metallbasplan placerades på kiselskivan, på vilket ett lager av amorft kisel preliminärt förstoftades. Tjockleken på det avsatta kiselskiktet var ungefär en fjärdedel av ljusets våglängd. En tunn film av mangan applicerades som själva antennen, tillsammans med en frekvensselektiv guldyta (ytan fungerar som ett filter med önskad frekvens). Därefter, med användning av elektronstrålelitografi, avsattes ett resistivt skikt genom mallen. Guldfilmen etsades selektivt och det resistiva skiktet avlägsnades sedan.
För storskalig produktion är laboratoriebearbetningssteg såsom elektronstrålelitografi för långsamma och dyra. Därför utvecklades en produktionsmetod från rulle till rulle med en ny teknik som använder en mastermall. Denna mastermall används för att mekaniskt "skriva ut" ett exakt mönster på ett billigt, flexibelt underlag. Referensmallen används för att skapa metallelementen i slingan som är synliga i labbsteget. Referensmallen, gjord vid Idaho National Laboratory, består av cirka 10 miljarder antennelement på en 8-tums rund silikonskiva. Med denna halvautomatiska process har Idaho National Laboratory producerat ett stort antal 4-tums fyrkantiga kort. Dessa kort kombinerades sedan tillsammans för att bilda ett stort flexibelt ark med en rad nanoantenner.
Beviset på principen för nanoantennens funktion började med en produkt på ett kiselsubstrat med en yta på 1 cm 2 , på vilket ett nanoantenngitter applicerades genom att skriva ut, fylla detta område. Anordningen testades med användning av infrarött ljus i intervallet 3 till 15 µm. Strålningstoppen låg vid en våglängd på 6,5 mikron och nådde en termionisk verkningsgrad på 1. Termioneffektivitet på 1 betyder att nanoantennen absorberar alla fotoner med en viss våglängd (6,5 mikron i detta fall) som faller på enheten. [9] Genom att jämföra de experimentella och simulerade spektra ser vi att de experimentella resultaten överensstämmer med teoretiska förväntningar (Fig. 3). I vissa områden var nanoantennens termioniska effektivitet lägre än teoretiskt beräknat, men i andra områden, nämligen vid en våglängd på cirka 3,5 mikron, absorberade enheten mer ljus än förväntat.
Efter proof of concept med användning av en produkt på ett styvt kiselsubstrat, upprepades experimentet på ett prov av ett flexibelt polymersubstrat. Den förväntade våglängden för det flexibla substratet sattes till 10 mikron. Inledande tester har visat att nanoantenndesignen kan överföras till ett polymersubstrat, men ytterligare experiment behövs för att optimera prestandan fullt ut.
Nanoantenner är billigare än solceller. Materialen och bearbetningen av solceller är ganska dyra (över 1 000 USD per kvadratmeter, med ett kiselsubstrat). När det gäller nanoantenner har Steven Novak uppskattat den nuvarande materialkostnaden till fem till tio dollar per kvadratmeter. [10] Med rätt val av bearbetningsmetoder och lämpliga material, uppskattar han att den totala kostnaden för massproduktion kommer att vara ganska låg. Dess en fot långa prototyp tillverkades av en två fots plastskiva som innehöll guld värt cirka 60 cent. Det är möjligt att minska även denna kostnad, eftersom andra material kan användas i produktionen: aluminium, koppar eller silver. [11] Prototypen använde ett kiselsubstrat erhållet med kända bearbetningsmetoder, men teoretiskt kan andra substrat användas, det är bara nödvändigt att referensplanet har rätt orientering.
I en intervju med National Public Radio sa Dr. Novak att nanoantenner en dag skulle kunna användas för att driva bilar, ladda mobiltelefoner och till och med kyla hem. När det gäller det senare sa Novak att kylsystemen för det första kommer att fungera som absorbenter av den infraröda värmen som finns i rummet, som kommer att användas för att generera elektricitet, och denna elektricitet kan användas för att ytterligare kyla rummet.
För närvarande är det största problemet inte med antennen, utan med likriktaren. Som nämnts ovan kan moderna dioder inte effektivt detektera vid frekvenser som motsvarar infrarött och synligt ljus. Därför är det nödvändigt att skapa likriktare som kan omvandla det absorberade ljuset till en användbar form av energi. För närvarande förväntar sig forskarna att skapa en likriktare som kan omvandla cirka 50 % av den strålning som absorberas av antennen till energi. [10] Ett betydande problem är att förbättra enhetligheten hos diodernas parametrar och minska deras öppna resistans. Ett annat forskningsområde är utvecklingen av en process för produktion av högkvalitativa produkter för masskonsumenten. Det är nödvändigt att välja och testa nya material som skulle vara lämpliga för rullteknik.
En annan riktning i användningen av nanoantenner i terahertz-frekvensområdet är implementeringen av trådlösa nätverk på ett chip (trådlöst nätverk-på-chip, WNOC), vilket kommer att kringgå begränsningarna hos klassiska nätverk i förhållande till signalasynkronism och problemet med deras fördröjningar, samt tillhandahåller kommunikation mellan mikrokretskomponenter i nanoskala och makronivån. [12]