Nanoantennas - cihaz, uygulama, kullanım olanakları

Güneş radyasyonunun enerjisini elektrik akımına dönüştürmek için alternatif bir cihaza bugün genellikle nanoantenna denir, ancak başka uygulamalar da mümkündür ve bu da burada tartışılacaktır. Bu cihaz, birçok anten gibi, düzeltme prensibi üzerinde çalışır, ancak geleneksel antenlerin aksine, optik dalga boyu aralığında çalışır.

Optik aralığın elektromanyetik dalgaları son derece kısadır, ancak 1972'de bu fikir, radyo dalgalarıyla aynı şekilde güneş enerjisi toplama olasılığını gören Robert Bailey ve James Fletcher tarafından önerildi.

Optik aralığın kısa dalga boyu nedeniyle, nanoantenna, yüzlerce mikronu (dalga boyuyla orantılı) ve genişlik - 100 nanometreden fazla veya daha az olmayan boyutları aşmaz. Örneğin, yüzlerce gigahertz frekansında çalışması için nanotüplerden dipol formundaki nanoantenler bu tür antenlere aittir.

Güneş spektrumunun yaklaşık% 85'i 0.4 ila 1.6 mikron uzunluğundaki dalgalardan oluşur ve kızılötesinden daha fazla enerjiye sahiptir. 2002'de Idaho Ulusal Laboratuvarı kapsamlı araştırmalar yaptı ve hatta 3 ila 15 mikron arasındaki dalga boyları için nanoantenleri inşa etti ve test etti, bu da 0.08 ila 0.4 eV foton enerjilerine karşılık geliyor.

Prensip olarak, anten boyutunun buna göre optimize edilmesi koşuluyla, nanoantenleri kullanarak herhangi bir dalga boyundan ışığı emmek mümkündür. Böylece, 1973'ten günümüze kadar, bu yönün geliştirilmesine yönelik araştırmalar sürekli olarak yürütülmektedir.

Teoride, her şey basit. Elektrik alanının salınımları ile antende meydana gelen ışık, antendeki elektronların dalga frekansı ile aynı frekansta salınımlarına neden olur. Akımı bir doğrultucu ile tespit ettikten sonra, dönüştürmek yeterlidir ve yüke güç vermek için enerji sağlayabilirsiniz.

Mikrodalga anten teorisi, antenin fiziksel boyutlarının rezonans frekansına karşılık gelmesi gerektiğini söyler, ancak kuantum efektler ayarlamaları yapar, örneğin, yüksek frekanslardaki cilt etkisi çok belirgindir.

190-750 terahertz frekanslarında (0,4 ila 1,6 mikron dalga boyu) alternatif diyotlara ihtiyaç vardır, metal-dielektrik metale dayanan tünel diyotlarına yakın, sıradan olanlar çalışmaz, çünkü başıboş kapasitörlerin etkisi nedeniyle büyük kayıplar meydana gelecektir. Başarılı bir şekilde uygulanırsa, nanoantennas şu anda popüler olanı önemli ölçüde geçecektir. güneş panelleri Bununla birlikte, verimlilik açısından, tespit ile ilgili sorun ana sorun olmaya devam etmektedir.

2011 yılında, Rice Üniversitesi'nden bir grup fizikçi kızılötesi radyasyona yakın akıma dönüştürmek için bir nanoantenna geliştirdi. Numuneler, birbirinden 250 nm mesafede bir dizi halinde düzenlenmiş çok sayıda altın rezonatördü.

Rezonatörün boyutları 50 nm genişliğinde, 30 nm yüksekliğinde ve uzunluk 110 ila 158 nm arasındaydı. Araştırma ekibinin başkanı Naomi Galas, yayınlanan bir makalede, uzunluk farklılıklarının çalışma frekanslarındaki farklılıklara karşılık geldiğini açıkladı.

Altın elementler silikon tabakası üzerine yerleştirilmişti ve temas noktası sadece Schottky bariyeriydi. Bir dizi rezonatör, bir silikon dioksit tabakası içine konuldu ve temaslar, bir indiyum kalay oksit tabakası tarafından oluşturuldu.

Böylece, rezonatörler üzerinde ışık olayı olduğunda, yüzey plazmonları uyarıldı - elektronlar iletkenin yüzeyine salındı ​​ve plazmon çürüdüğünde, enerji aktarıldı, daha sonra elektronlara aktarıldı.

Sıcak elektronlar Schottky bariyerini kolayca geçerek bir foto akım oluşturdu, yani bir fotodiyoda benzer bir şey ortaya çıktı.Schottky bariyerinin yüksekliği, silikon elemanların yeteneklerini önemli ölçüde aşan bir aralığı tespit etmeyi mümkün kıldı, ancak elde edilen verimlilik sadece% 1 idi.

2013 yılında ABD'nin Connecticut Üniversitesi'nden bir bilim adamı olan Brian Willis, başarılı bir araştırma yürüttü ve atom katmanı biriktirme teknolojisine hakim oldu. Ayrıca bir dizi doğrultucu nanoanteni oluşturdu, ancak elektrotlar bir elektron ışın tabancasıyla kesmeyi bitirdiğinde, bilim adamı 1.5 nm'ye kadar mesafelere doğruluk sağlamak için her iki elektrodu da atomik tabaka birikimi kullanarak bakır atomlarıyla kapladı.

Sonuç olarak, kısa mesafe bir tünel kavşağı oluşturdu, böylece elektronlar ışığın etkisi altında iki elektrot arasında kolayca kayarak daha fazla akım üretimi için koşullar yaratıyordu. Bu çalışma devam etmektedir ve beklenen verimlilik% 70'e ulaşabilir.

Aynı 2013 yılında, ABD Georgia Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar, grafen. Buradaki amaç, veri alışverişi yapmak ve mobil cihazlar için ağlar oluşturmak üzere antenler almaktı. Kilit nokta, belirli koşullar altında oluşan grafen yüzeyinde yüzey elektron dalgalarının kullanılmasıdır.

Grafen içindeki elektron yayılımı kendi özelliklerine sahiptir, bu nedenle küçük bir grafen bazlı anten, nispeten düşük bir frekansta, ancak bir metal antenden daha küçük bir boyutta yayılabilir ve alabilir. Bu nedenle Profesör Iain Akiildiz, bu çalışmada tam olarak güneş pilleri inşa etmek yerine kablosuz iletişim kurmanın yeni bir yolunu yaratma hedefini takip ediyor.

Dışarıdan gelen bir elektromanyetik dalganın etkisi altındaki grafen elektronları, sadece grafen yüzeyinde yayılan dalgalar yaymaya başlar, bu fenomen bir yüzey plazmon polarize dalgası (SPP dalgası) olarak bilinir ve 0.1 ila 10 terahertz frekans aralığı için antenler oluşturmanıza izin verir.

Bu malzemelerin piezoelektrik özelliklerinin kullanıldığı çinko okside dayalı vericilerle kombinasyon halinde, düşük enerji tüketimi ile kablosuz iletişim için bir temel oluşturulur ve mevcut kablosuz teknolojilerden 100 kat daha yüksek bir veri aktarım hızı tahmin edilir.

Buna karşılık, Saint-Petersburg Metamalzemeler Laboratuvarı bilim adamları 2013 yılında bir "Optik nanoantennas" makalesini yayınladılar, burada foton daha hızlı olduğu için bilginin mevcut olanlardan önemli ölçüde daha yüksek hızlarda iletilmesi ve işlenmesi de dahil olmak üzere çeşitli amaçlar için optik nanoantelerin kullanılması olasılığını gösterdiler. elektron ve bu temelde yeni yönler açar.

Laboratuardaki kıdemli araştırmacı Alexander Krasnok, bir saniyede terabit verisi işleyen 5 milimetre çipin sadece başlangıç ​​olduğundan ve 21. yüzyılda gerçek bir foton devriminin bizi beklediğinden emin.

Tabii ki, bilim adamları nanoantenlerin tıp ve enerji gibi diğer alanlarda kullanımını ihmal etmiyorlar. Yazarların Uspekhi Fizicheskikh Nauk dergisinde (Haziran 2013, Cilt 183, No. 6) kapsamlı bir yayın, göreceli nanoantenilerin kapsamlı bir incelemesini sunmaktadır.

Nanoantennas'ın piyasaya sürülmesinin ekonomik etkisi çok büyük. Bu nedenle, örneğin, silikon fotosellerle karşılaştırıldığında, nanoantennas için bir metrekarelik malzemenin maliyeti iki büyüklük daha düşüktür (silikon - 1000 $, alternatif - 5 $ ila 10 $).

Gelecekte, nanoantennasların elektrikli arabalara güç verebileceği, cep telefonlarını şarj edebileceği, evlere elektrik sağlayabileceği ve bugün kullanılan silikon güneş panellerinin geçmişin kalıntısı olacağı muhtemeldir.

Ayrıca bu konuya bakın:Nanoyapılı malzemelere dayanan ultra ince çok katmanlı güneş pilleri

Comments

[#1]

Nano maaşlardan ziyade bilim adamlarımıza daha fazla ödeme yapmak ve belki de işler daha hızlı olur. Ve sonra hayatımızda elektrikli araçların yoğun kullanımını beklemeyeceğiz!

[#2 Sergei]

İlgilenilen IR nanoantennas, çünkü tüm cisimler IR radyasyonu yayar, bu tür antenlerin verimliliğinin nasıl ölçüleceği sorusu ortaya çıkar, eğer bu odanın dışında bir yük bulunan ısı yalıtımlı bir odaya yerleştirilirlerse, bir buzdolabı gibi çalışacak, yani Maxwell iblis başarısız olacak.

Kalkınma bağımsızlık ve egemenlik gerektirir. Ve böylece tomurcukta herhangi bir iş yok edilecek, yurtdışına ihraç edilmezse, bunun için tüm koşullar yaratılır. Soğuk Savaşı kaybettikten sonra bir koloniyiz, gelişmeyi engelleyen beşinci sütuna ek olarak, ABD'nin bizim için yazdığı Rusya Federasyonu anayasasının temel yasasına sahibiz. Dolayısıyla, gelişme olmayacak, Madde 13.2 ve Madde 15.4'ü değiştirmedikçe durgunluk olacaktır (Daha sonra 9.2 ve 75.2) Ve bunun için, halkın anayasanın 3. maddesi uyarınca referandum haklarını kullanabilmeleri için halkı tüm mevcut yöntemlerle bilgilendirmemiz gerekiyor. Rusya Federasyonu. Sadece internet ve tekli kazıkların tutulduğu sokaklar kullanılabilir. Ne yazık ki, TV bizim için bir ülkede değil, bir derecelendirme üzerinde çalışıyor, oraya ulaşmak için pek şansı yok. Anavatanınız için anavatan için oradaysanız, Ulusal Kurtuluş Hareketi teknolojisini öğrenmek için kalır.
Putin'in sözlerini hatırlayın:
"Güçten sürülen bir topallama." ve
"Ülkemiz egemen ve öyle olacak ya da hiç olmayacak."
“Egemen” olanlar yok, ama nasıl egemen olacak?
Madde 13.2 Anayasası hakkında referandum talep etme Madde 15.4 Madde 75.4 Madde 9.2.
Sonra egemenliğe ve onunla birlikte anavatanın ve etrafımızdaki dünyanın zenginliğine ulaşacağız.

[#3]

Anlamadım, herhangi bir görünür radyasyonu kızılötesinde termal radyasyona dönüştürmenin problemi nedir? IR radyasyonu 300 GHz ila 430 THz aralığındadır, MDM diyotları 150 THz'de etkilidir ve Schottky diyotları 5 THz'de etkilidir. Sadece homojen bir siyah malzemeden oluşan ipliğin güneş ışığından sabit bir ısıtma sıcaklığının seçilmesi ve alınan kızılötesi radyasyonun nanoantenlerle yakalanması ve daha sonra verimli ve ucuz bir şekilde düzeltilmesi gerektiği ortaya çıkıyor? Geliştiricilerin bunu bildiğinden şüpheleniyorum, ancak bunu yapmasına izin verilmeyebilir.