Nanoantenne (nantenne) - en enhed til at konvertere solenergi til elektrisk strøm , bygget på princippet om en ensretterantenne , men fungerer ikke i radioområdet , men i det optiske bølgelængdeområde for elektromagnetisk stråling . Ideen om at bruge antenner til at indsamle solenergi blev først foreslået af Robert Bailey i 1972 [1] . Også denne idé blev foreslået af Nikola Tesla i patent nr. 685.957 dateret 11/05/1901.
En anden, udvidet fortolkning af dette udtryk er også mulig, ifølge hvilken en nanoantenne skal forstås som en miniatureantenne , hvis dimensioner ikke overstiger hundredvis af mikron, og en af dimensionerne er 100 eller mindre nanometer. Et eksempel på denne slags nanoantenner er nanorør-baserede dipoler, som giver drift med signaler med en frekvens på flere hundrede GHz. [2]
En nanoantenne er en samler af elektromagnetisk stråling, designet til at absorbere energi af en vis bølgelængde, proportional med størrelsen af nanoantennen. I øjeblikket har Idaho National Laboratory udviklet nanoantenner til at absorbere bølgelængder i området 3-15 µm, [3] som svarer til fotonenergier på 0,08-0,4 eV. Baseret på antenneteori kan en nanoantenne effektivt absorbere lys af enhver bølgelængde, forudsat at størrelsen af nanoantennen er optimeret til en bestemt bølgelængde. Ideelt set bruges nanoantenner bedst til at absorbere lys ved bølgelængder på 0,4-1,6 mikron, fordi disse bølger har mere energi end infrarød (lange bølger), og de udgør omkring 85 % af solstrålingsspektret (se fig. 1). [fire]
I 1973 modtog Robert Bailey sammen med James Fletcher patent på en "elektromagnetisk bølgekonverter". [5] Den patenterede enhed lignede nutidens nanoantenner. I 1984 modtog Alvin Marks et patent på en enhed, der udtrykkeligt angiver brugen af submikron-antenner til direkte at konvertere solenergi til elektrisk energi. [6] Marx' anordning viste betydelige forbedringer i effektivitet i forhold til Bailey's anordning. [7] I 1996 var Lin Guang X. den første til at præsentere en rapport om resonansabsorption af lys på specielt forberedte nanostrukturer og detektering af lys med en frekvens i det synlige område. [7] I 2002 udgav ITN Energy Systems en rapport om deres arbejde med optiske antenner i kombination med højfrekvente dioder. ITN satte sig for at bygge en række effektive nanoantenner. i størrelsesordenen nogle få procent. Selvom de ikke lykkedes, har spørgsmål relateret til konstruktionen af højeffektive nanoantenner fundet en bedre forståelse. [4] Forskning i nanoantenner er i gang. [2]
Teorien bag nanoantenner er i det væsentlige den samme, der beskriver driften af ensretterantenner ( rektenner ). Lyset, der falder ind på antennen, får elektronerne i antennen til at svinge frem og tilbage med samme frekvens som det indkommende lys. Dette skyldes fluktuationer i det elektriske felt af den indkommende elektromagnetiske bølge. Bevægelsen af elektroner skaber en vekselstrøm i antennekredsløbet. For at konvertere vekselstrøm til jævnstrøm skal du detektere det, hvilket normalt gøres ved hjælp af en ensretterdiode. Efter denne konvertering kan jævnstrøm bruges til at drive en ekstern belastning. En antennes resonansfrekvens (den frekvens, hvor systemet har den laveste impedans og derfor den højeste effektivitet) vokser lineært med antennens fysiske dimensioner i overensstemmelse med den simple teori om mikrobølgeantenner, [4] hvor kvanteeffekter dog skal være taget i betragtning ved beregningen. [2] Bølgelængderne af solspektret ligger i området omkring 0,3 til 2,0 µm. [4] For at en ensretterantenne skal være en effektiv elektromagnetisk solfanger, skal den således have elementer i størrelsesordenen hundredvis af nanometer i størrelse.
På grund af de forenklinger, der bruges i teorien om typiske ensretterantenner, er der flere vanskelige punkter, der dukker op, når man diskuterer nanoantenner. Ved frekvenser over det infrarøde område føres næsten al strømmen nær overfladen af lederen, hvilket reducerer lederens effektive tværsnitsareal og fører til en stigning i modstanden. Denne effekt er kendt som " hudeffekten ".
En anden komplikation ved downsizing er, at de dioder, der bruges i store rektenner, ikke kan fungere ved terahertz-frekvenser uden store effekttab. [3] Strømtabet skyldes junction-kapacitansen (kendt som parasitisk kapacitans), som pn-junctions af konventionelle dioder og Schottky-dioder har, hvilket betyder, at de kun kan fungere effektivt ved frekvenser under 5 THz. Ideelle bølgelængder på 0,4-1,6 μm svarer til frekvenser på cirka 190-750 THz, hvilket er meget højere end traditionelle dioders muligheder. Der skal således bruges alternative dioder til effektiv effektkonvertering. Moderne nanoantenneenheder bruger tunneldioder baseret på metal-isolator-metal (MIM) forbindelser. I modsætning til Schottky-dioder har MDM-dioder ikke parasitære kapacitanser, fordi de fungerer på basis af elektrontunneling. På grund af dette fungerer MDM-dioder effektivt ved frekvenser på omkring 150 THz, hvilket er meget tættere på de optimale frekvenser for nanoantenner. [fire]
En af de vigtigste erklærede fordele ved nanoantenner er deres høje teoretiske effektivitet (COP). Sammenlignet med solcellers teoretiske effektivitet vil nanoantenner sandsynligvis have en betydelig fordel.
Den mest åbenlyse fordel ved nanoantenner i forhold til halvleder fotovoltaiske celler er, at det er ret nemt at designe arrays af nanoantenner til vilkårlige lysfrekvenser. Ved blot at vælge størrelsen af nanoantennen i matrixen, kan dens resonansfrekvens indstilles til at absorbere en specifik bølgelængde af lys (resonansfrekvensskalaen er nogenlunde lineær med antennestørrelsen). Dette er en stor fordel i forhold til halvledersolceller, da det i dem, for at ændre bølgelængden af det absorberede lys, er nødvendigt at ændre halvlederens båndgab. Og for at ændre båndgabet skal halvlederen dopes på en speciel måde, eller også skal der helt bruges en anden halvleder. [3]
Som nævnt tidligere er en af de vigtigste begrænsninger ved nanoantenner den frekvens, hvormed de fungerer. Den høje frekvens af lys i det ideelle bølgelængdeområde gør brugen af typiske Schottky-dioder upraktisk. Selvom MDM-dioder har vist et lovende potentiale til brug i nanoantenner, er der behov for nye avancerede metoder for at sikre effektiv drift ved høje frekvenser.
En anden ulempe er, at de nuværende nanoantenner [8] produceres ved hjælp af en elektronstråle (elektronstrålelitografi). Denne proces er langsom og ret dyr, fordi parallel behandling i elektronstrålelitografi ikke er mulig. Som regel bruges elektronstrålelitografi kun til forskningsformål, når ekstremt præcis opløsning er nødvendig for elementernes mindste størrelse (normalt i størrelsesordenen flere nanometer). Men på nuværende tidspunkt er fotolitografimetoderne avanceret så meget, at det er blevet muligt at skabe minimumselementstørrelser i størrelsesordenen titusvis af nanometer, hvilket gør det muligt at fremstille nanoantenner ved hjælp af fotolitografi.
Efter proof of concept blev laboratoriesiliciumprøver lavet ved brug af standard halvleder-integrerede kredsløbsfremstillingsteknikker. Elektronstrålelitografi blev brugt til at fremstille antennearrayets metalstrukturer. Nanoantennen består af tre hoveddele: basisplanet, den optiske resonator og selve antennen. Antennen absorberer elektromagnetiske bølger, basisplanet reflekterer lys mod antennen, og den optiske resonator afbøjer og koncentrerer lyset også mod antennen ved hjælp af basisplanet. [3] Det er også muligt at lave nanoantenner baseret på nanorør. [2]
Idaho National Laboratory brugte følgende trin til at fremstille deres nanoantenne-arrays. Et metalbasisplan blev anbragt på siliciumwaferen, hvorpå et lag af amorft silicium foreløbigt blev sputteret. Tykkelsen af det aflejrede siliciumlag var omkring en fjerdedel af lysets bølgelængde. En tynd film af mangan blev påført som selve antennen sammen med en frekvens-selektiv guldoverflade (overfladen fungerer som et filter med den ønskede frekvens). Derefter blev et resistivt lag ved hjælp af elektronstrålelitografi aflejret gennem skabelonen. Guldfilmen blev selektivt ætset, og det resistive lag blev derefter fjernet.
Til produktion i stor skala er laboratoriebehandlingstrin såsom elektronstrålelitografi for langsomme og dyre. Derfor blev der udviklet en rulle-til- rulle produktionsmetode ved hjælp af en ny teknologi, der bruger en masterskabelon. Denne masterskabelon bruges til mekanisk at "printe" et nøjagtigt mønster på et billigt, fleksibelt underlag. Referenceskabelonen bruges til at skabe løkkens metalelementer, der er synlige i laboratorietrinnet. Referenceskabelonen, lavet på Idaho National Laboratory, består af cirka 10 milliarder antenneelementer på en 8-tommer rund siliciumwafer. Med denne semi-automatiserede proces har Idaho National Laboratory produceret et stort antal 4-tommer kvadratiske kort. Disse kort blev derefter kombineret for at danne et stort fleksibelt ark med en række nanoantenner.
Beviset for princippet om nanoantennens funktion begyndte med et produkt på et siliciumsubstrat med et areal på 1 cm 2 , hvorpå et nanoantennegitter blev påført ved udskrivning, der udfyldte dette område. Enheden blev testet under anvendelse af infrarødt lys i området fra 3 til 15 µm. Strålingstoppen var ved en bølgelængde på 6,5 mikron og nåede en termionisk effektivitet på 1. Termionisk effektivitet på 1 betyder, at nanoantennen absorberer alle fotoner med en bestemt bølgelængde (6,5 mikron i dette tilfælde), der falder på enheden. [9] Ved at sammenligne de eksperimentelle og simulerede spektre ser vi, at de eksperimentelle resultater er i overensstemmelse med teoretiske forventninger (fig. 3). I nogle områder var den termioniske effektivitet af nanoantennen lavere end teoretisk beregnet, men i andre områder, nemlig ved en bølgelængde på omkring 3,5 mikron, absorberede enheden lys mere end forventet.
Efter proof of concept ved anvendelse af et produkt på et stift siliciumsubstrat blev eksperimentet gentaget på en prøve af et fleksibelt polymersubstrat. Den forventede bølgelængde for det fleksible substrat blev sat til 10 mikron. Indledende test har vist, at nanoantennedesignet kan overføres til et polymersubstrat, men yderligere eksperimenter er nødvendige for fuldt ud at optimere ydeevnen.
Nanoantenner er billigere end solceller. Materialerne og behandlingen af solceller er ret dyre (over $1000 pr. kvadratmeter, ved brug af et siliciumsubstrat). For så vidt angår nanoantenner, har Steven Novak anslået de nuværende omkostninger til materialer til fem til ti dollars per kvadratmeter. [10] Med det rigtige valg af forarbejdningsmetoder og passende materialer vurderer han, at de samlede omkostninger ved masseproduktion vil være ret lave. Dens en fod lange prototype blev lavet af en to fods plade af plastik, der indeholdt guld til en værdi af omkring 60 cent. Det er muligt at reducere selv disse omkostninger, da andre materialer kan bruges i produktionen: aluminium, kobber eller sølv. [11] Prototypen brugte et siliciumsubstrat opnået ved kendte bearbejdningsmetoder, men teoretisk kan andre substrater bruges, det er kun nødvendigt at referenceplanet har den korrekte orientering.
I et interview med National Public Radio sagde Dr. Novak, at nanoantenner en dag kunne bruges til at drive biler, oplade mobiltelefoner og endda køle hjem. Med hensyn til sidstnævnte sagde Novak, at kølesystemerne for det første vil fungere som absorbere af den infrarøde varme, der er til rådighed i rummet, som vil blive brugt til at generere elektricitet, og denne elektricitet kan bruges til yderligere at køle rummet.
I øjeblikket er det største problem ikke med antennen, men med ensretteren. Som nævnt ovenfor er moderne dioder ikke i stand til effektivt at detektere ved frekvenser, der svarer til infrarødt og synligt lys. Det er således nødvendigt at skabe ensrettere, der kan omdanne det absorberede lys til en nyttig form for energi. I øjeblikket forventer forskerne at skabe en ensretter, der kan omdanne omkring 50 % af den stråling, der absorberes af antennen, til energi. [10] Et væsentligt problem er at forbedre ensartetheden af diodernes parametre og reducere deres åbne modstand. Et andet forskningsområde er udviklingen af en proces til produktion af højkvalitetsprodukter til masseforbrugeren. Det er nødvendigt at udvælge og teste nye materialer, der ville være egnede til rulleteknologi.
En anden retning i brugen af nanoantenner i terahertz-frekvensområdet er implementeringen af trådløse netværk på en chip (Wireless network-on-chip, WNOC), som vil omgå begrænsningerne af klassiske netværk i forhold til signalasynkronisme og problemet med deres forsinkelser, samt sørger for kommunikation mellem mikrokredsløbskomponenter i nanoskala og makroniveauet. [12]