Nanoantenne - dispositivo, applicazione, prospettive di utilizzo

Un dispositivo alternativo per convertire l'energia della radiazione solare in corrente elettrica viene spesso chiamato oggi nanoantenna, tuttavia sono possibili altre applicazioni, e questo verrà discusso anche qui. Questo dispositivo funziona, come molte antenne, secondo il principio di rettifica, ma a differenza delle antenne tradizionali, funziona nella gamma di lunghezze d'onda ottica.

Le onde elettromagnetiche della gamma ottica sono estremamente brevi, ma nel 1972 questa idea fu proposta da Robert Bailey e James Fletcher, che anche allora vedevano la prospettiva di raccogliere l'energia solare allo stesso modo delle onde radio.

A causa della breve lunghezza d'onda della gamma ottica, la nanoantenna ha dimensioni non superiori a centinaia di micron in lunghezza (proporzionale alla lunghezza d'onda) e in larghezza - non più, o anche meno, 100 nanometri. Ad esempio, le nanoantenne sotto forma di dipoli da nanotubi, per il funzionamento a frequenze di centinaia di gigahertz, appartengono a tali antenne.

Circa l'85% dello spettro solare è composto da onde con una lunghezza compresa tra 0,4 e 1,6 micron e hanno più energia dell'infrarosso. Nel 2002, l'Idaho National Laboratory ha condotto ricerche approfondite e ha persino costruito e testato nanoantenne per lunghezze d'onda comprese tra 3 e 15 micron, che corrispondono a energie di fotoni da 0,08 a 0,4 eV.

In linea di principio è possibile assorbire la luce da qualsiasi lunghezza d'onda usando le nanoantenne, a condizione che le dimensioni dell'antenna siano ottimizzate di conseguenza. Quindi, dal 1973 ad oggi, la ricerca nello sviluppo di questa direzione è stata costantemente condotta.

In teoria, tutto è semplice. L'incidente di luce sull'antenna causato dalle oscillazioni del suo campo elettrico provoca oscillazioni di elettroni nell'antenna con la stessa frequenza della frequenza dell'onda. Dopo aver rilevato la corrente con un raddrizzatore, è sufficiente convertirla e puoi fornire energia per alimentare il carico.

La teoria delle antenne a microonde afferma che le dimensioni fisiche dell'antenna dovrebbero corrispondere alla frequenza di risonanza, ma gli effetti quantistici apportano regolazioni, ad esempio l'effetto della pelle alle alte frequenze è molto pronunciato.

A frequenze di 190-750 terahertz (lunghezze d'onda da 0,4 a 1,6 micron), sono necessari diodi alternativi che sono vicini ai diodi tunnel basati su metallo-dielettrico-metallo, quelli ordinari non funzioneranno, perché si verificheranno enormi perdite a causa dell'azione dei condensatori vaganti. Se implementate con successo, le nanoantenne supereranno significativamente quelle attualmente popolari pannelli solari in termini di efficienza, tuttavia, il problema con il rilevamento rimane il principale.

Nel 2011, un gruppo di fisici della Rice University ha sviluppato una nanoantenna per convertire la radiazione vicino all'infrarosso in corrente. I campioni erano una pluralità di risonatori d'oro disposti in una matrice a una distanza di 250 nm l'uno dall'altro.

Le dimensioni del risonatore erano larghe 50 nm, alte 30 nm e la lunghezza variava da 110 a 158 nm. Il capo del gruppo di ricerca, Naomi Galas, ha spiegato in un articolo pubblicato che le differenze di lunghezza corrispondono alle differenze nelle frequenze operative.

Elementi d'oro erano posizionati sullo strato di silicio e il punto di contatto era solo la barriera di Schottky. Una schiera di risonatori era racchiusa in uno strato di biossido di silicio e i contatti erano formati da uno strato di ossido di indio-stagno.

Quindi, quando si è verificato un incidente con la luce sui risonatori, i plasmoni di superficie sono stati eccitati: gli elettroni hanno oscillato vicino alla superficie del conduttore e quando il plasmon è decaduto, è stata rilasciata energia, che è stata quindi trasferita agli elettroni.

Gli elettroni caldi attraversarono facilmente la barriera di Schottky, creando un fotocorrente, cioè risultò qualcosa di simile a un fotodiodo.L'altezza della barriera Schottky ha permesso di rilevare una portata che supera significativamente le capacità degli elementi in silicio, ma l'efficienza raggiunta è stata solo dell'1%.

Nel 2013, Brian Willis, uno scienziato dell'Università del Connecticut, negli Stati Uniti, ha condotto una ricerca di successo e ha dominato la tecnologia della deposizione di strati atomici. Ha anche creato una serie di nanoantenne rettificanti, ma quando gli elettrodi hanno finito di tagliare con una pistola a fascio di elettroni, lo scienziato ha rivestito entrambi gli elettrodi con atomi di rame usando la deposizione di strati atomici per portare l'accuratezza a distanze fino a 1,5 nm.

Di conseguenza, la breve distanza creava una giunzione a tunnel in modo che gli elettroni potessero semplicemente scivolare tra i due elettrodi sotto l'influenza della luce, creando le condizioni per l'ulteriore generazione di corrente. Questo studio è in corso e l'efficienza prevista può raggiungere il 70%.

Nello stesso 2013, alcuni ricercatori del Georgia Institute of Technology, USA, hanno condotto simulazioni di nanoantenne da grafene. L'obiettivo qui era ottenere antenne per lo scambio di dati e la creazione di reti per dispositivi mobili. Il punto chiave è l'uso di onde di elettroni superficiali sulla superficie del grafene, che si verificano in determinate condizioni.

La propagazione degli elettroni nel grafene ha le sue caratteristiche, quindi una piccola antenna a base di grafene è in grado di irradiare e ricevere a una frequenza relativamente bassa, ma a dimensioni inferiori rispetto a un'antenna metallica. Per questo motivo, il professor Iain Akiildiz persegue in questo studio esattamente l'obiettivo di creare un nuovo modo di organizzare le comunicazioni wireless, piuttosto che costruire celle solari.

Gli elettroni di grafene sotto l'azione di un'onda elettromagnetica proveniente dall'esterno iniziano a emettere onde che si propagano esclusivamente sulla superficie del grafene, questo fenomeno è noto come onda polarizzata plasmonica di superficie (onda SPP) e consente di costruire antenne per la gamma di frequenze da 0,1 a 10 terahertz.

In combinazione con trasmettitori a base di ossido di zinco, in cui vengono utilizzate le proprietà piezoelettriche di questi materiali, viene costruita una base per la comunicazione wireless a basso consumo energetico e viene prevista una velocità di trasferimento dati 100 volte superiore alle tecnologie wireless esistenti.

A loro volta, gli scienziati del Metamaterials Laboratory di San Pietroburgo hanno pubblicato un articolo "Nanoantenne ottiche" nel 2013, in cui hanno mostrato la possibilità di utilizzare le nanoantenne ottiche per vari scopi, tra cui la trasmissione e l'elaborazione di informazioni a velocità significativamente superiori a quelle attuali, poiché il fotone è più veloce di elettrone, e questo apre fondamentalmente nuove direzioni.

Il ricercatore senior presso il laboratorio, Alexander Krasnok, è sicuro che chip da 5 millimetri che elaborano fino a dati terabit in un secondo sono solo l'inizio, e nel 21 ° secolo ci aspetta una vera rivoluzione dei fotoni.

Naturalmente, gli scienziati non trascurano l'uso di nanoantenne in altre aree, come la medicina e l'energia. Un'ampia pubblicazione degli autori sulla rivista Uspekhi Fizicheskikh Nauk (giugno 2013, volume 183, n. 6) fornisce una revisione esaustiva delle relative nanoantenne.

L'effetto economico dell'introduzione delle nanoantenne è enorme. Quindi, ad esempio, rispetto alle fotocellule al silicio, il costo di un metro quadrato di materiali per le nanoantenne è inferiore di due ordini di grandezza (silicio - $ 1000, un'alternativa - da $ 5 a $ 10).

È molto probabile che in futuro le nanoantenne saranno in grado di alimentare auto elettriche, caricare telefoni cellulari, fornire elettricità alle case e i pannelli solari al silicio utilizzati oggi diventeranno una reliquia del passato.

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