Nanoantennas - מכשיר, יישום, לקוחות פוטנציאליים לשימוש

מכשיר חלופי להמרת אנרגיית קרינת השמש לזרם חשמלי נקרא לעיתים קרובות ננו-אנטנה כיום, עם זאת, יישומים אחרים אפשריים, וזה ידון גם כאן. מכשיר זה עובד, כמו אנטנות רבות, על פי עיקרון התיקון, אך בניגוד לאנטנות המסורתיות, הוא עובד בתחום אורך הגל האופטי.

הגלים האלקטרומגנטיים של הטווח האופטי הם קצרים ביותר, אך כבר בשנת 1972 הוצע רעיון זה על ידי רוברט ביילי וג'יימס פלטשר, אשר ראו כבר אז את הסיכוי לאסוף אנרגיה סולארית באותה צורה שהיא עושה עם גלי הרדיו.

בגלל אורך הגל הקצר של הטווח האופטי, לננואנטנה יש ממדים שאינם עולים על מאות מיקרון באורך (פרופורציונלי לאורך הגל), ורוחבם - לא יותר, או אפילו פחות, 100 ננומטר. לדוגמה, ננו-אנטנות בצורה של דיפולולים מפני צינורות, להפעלה בתדרים של מאות גיגה-הרץ, שייכים לאנטנות כאלה.

כ- 85% מספקטרום השמש מורכב מגלים באורך של 0.4 עד 1.6 מיקרון, ויש להם יותר אנרגיה מאשר אינפרא אדום. בשנת 2002 ביצע המעבדה הלאומית של איידהו מחקר נרחב, ואף בנה ונבדק ננו אנטנות לאורך אורכי גל שנעו בין 3 ל -15 מיקרון, התואם לאנרגיות פוטון בין 0.08 ל- 0.4 eV.

באופן עקרוני ניתן לקלוט אור מכל אורך גל באמצעות ננו אנטנות, בתנאי שגודל האנטנה מותאם בהתאם. לכן, מאז 1973 ועד היום, מתבצעים באופן רציף מחקרים בהתפתחות כיוון זה.

בתיאוריה, הכל פשוט. אירוע קל באנטנה על ידי תנודות בשדה החשמלי שלה גורם לתנודות של אלקטרונים באנטנה באותה תדר כמו תדר הגל. לאחר גילוי הזרם באמצעות מיישר, מספיק להמיר אותו, ותוכלו לספק אנרגיה להנעת העומס.

התיאוריה של אנטנות מיקרוגל אומרת שהמימדים הפיזיים של האנטנה צריכים להתאים לתדר התהודה, אך השפעות קוונטיות מבצעות התאמות, למשל השפעת העור בתדרים גבוהים בולטת מאוד.

בתדרים של 190-750 טרה-הרץ (אורכי גל מ -0.4 ל -1.6 מיקרון), יש צורך בדיודות חלופיות שקרובות לדיודות מנהרה המתבססות על מתכת-דיאלקטרית-מתכת, רגילות לא יעבדו, מכיוון שהפסדים גדולים יתרחשו כתוצאה מפעולה של קבלים תועים. אם ייושם בהצלחה, הננונטנות יעקפו משמעותית את הפופולרי כיום פאנלים סולאריים אולם מבחינת היעילות, הבעיה עם הגילוי נותרה הבעיה העיקרית.

בשנת 2011 קבוצת פיסיקאים מאוניברסיטת רייס פיתחה ננו-אנטנה להמרה בקרבת קרינה אינפרא אדום לזרם. הדגימות היו רב של תהודי זהב מסודרים במערך במרחק של 250 ננומטר אחד מהשני.

ממדי התהודה היו ברוחב של 50 ננומטר, גובהם 30 ננומטר, והאורך נע בין 110 ל 158 ננומטר. ראש צוות המחקר, נעמי גלאס, הסבירה במאמר שפורסם כי הבדלי אורכים תואמים את ההבדלים בתדרי הפעולה.

אלמנטים מזהב היו ממוקמים על שכבת הסיליקון, ונקודת המגע הייתה רק מחסום שוטקי. מערך של תהודים היה סגור בשכבת דו-תחמוצת סיליקון, והמגעים נוצרו על ידי שכבה של תחמוצת פח אינדיום.

לכן, כאשר התרחשה אור על התהודה, פלסמונים לפני השטח התרגשו - האלקטרונים התנודדו בסמוך לפני השטח של המוליך, וכשהפלסמון התפורר, אז הועברה אנרגיה, שהועברה אז לאלקטרונים.

אלקטרונים חמים חצו בקלות את מחסום שוטקי, ויצרו זרם זרם, כלומר, התברר משהו דומה לפוטודיוד.גובה המכשול שוטקי אפשר לזהות טווח החורג משמעותית מהיכולות של אלמנטים מסיליקון, אולם היעילות שהושגה הייתה 1% בלבד.

בשנת 2013, בריאן וויליס, מדען מאוניברסיטת קונטיקט, ארה"ב, ערך מחקר מצליח ושולט בטכנולוגיה של הדחה שכבתית אטומית. הוא גם יצר מערך של תיקון ננו-אנטנות, אולם כאשר סיימו האלקטרודות לחתוך עם אקדח אלומת אלקטרונים, הצליח המדען את שתי האלקטרודות באטומי נחושת תוך שימוש בתצהיר שכבה אטומית כדי להביא דיוק למרחקים של עד 1.5 ננומטר.

כתוצאה מכך, המרחק הקטן יצר צומת מנהרה כך שהאלקטרונים יוכלו פשוט להחליק בין שתי האלקטרודות תחת השפעת האור, וכך נוצרו התנאים לייצור זרם נוסף. מחקר זה נמשך והיעילות הצפויה יכולה להגיע ל -70%.

באותו 2013, חוקרים ממכון הטכנולוגיה בג'ורג'יה, ארה"ב, ערכו הדמיות של ננונטנים מ- גרפן. המטרה כאן הייתה להשיג אנטנות להחלפת נתונים ויצירת רשתות למכשירים ניידים. נקודת המפתח היא השימוש בגלי אלקטרונים פני השטח על פני הגרפן המתרחשים בתנאים מסוימים.

להתפשטות אלקטרונים בגרפן יש מאפיינים משלה, כך שאנטנה קטנה מבוססת גרפן מסוגלת להקרין ולקבל בתדירות נמוכה יחסית, אך בגודל קטן יותר מאנטנה מתכתית. מסיבה זו, פרופ 'אייין אקילדיז רודף במחקר זה בדיוק את המטרה ליצור דרך חדשה לארגון תקשורת אלחוטית, ולא לבנות תאים סולאריים.

אלקטרונים גרפנים בפעולה של גל אלקטרומגנטי שמגיע מבחוץ מתחילים לפלוט גלים שמתפשטים באופן בלעדי על פני הגרפן, תופעה זו ידועה כגל משטח מקוטב פלסמון (גל SPP), ומאפשרת לך לבנות אנטנות לטווח התדרים בין 0.1 ל 10 טרהרץ.

בשילוב עם משדרים המבוססים על תחמוצת אבץ, בה משתמשים בתכונות הפיזואלקטריות של חומרים אלה, נבנה בסיס לתקשורת אלחוטית עם צריכת אנרגיה נמוכה, וצפוי קצב העברת נתונים הגבוה פי מאה מהטכנולוגיות האלחוטיות הקיימות.

בתורו, מדענים ממעבדת המטא-חומרים בסנט-פטרסבורג פרסמו בשנת 2013 מאמר "ננו-אופציות אופטיות", בו הראו אפשרות להשתמש בננו-אנטנות אופטיות למטרות שונות, כולל העברת ועיבוד מידע במהירויות גבוהות משמעותית מאלה הנוכחיות, מכיוון שהפוטון מהיר יותר מאשר אלקטרונים, וזה פותח כיוונים חדשים מיסודם.

החוקר הבכיר במעבדה, אלכסנדר קרסנוק, בטוח ששבבים של 5 מילימטר המעבדים עד נתונים טרטיים בשנייה אחת הם רק ההתחלה, ובמאה ה -21 מחכה לנו מהפכת פוטונים של ממש.

כמובן שמדענים אינם מזניחים את השימוש בננונטנות בתחומים אחרים, כמו רפואה ואנרגיה. פרסום נרחב של המחברים בכתב העת Uspekhi Fizicheskik Nauk (יוני 2013, כרך 183, מס '6) מספק סקירה ממצה של הננונטיות היחסיות.

ההשפעה הכלכלית של הכנסת ננונטנות היא עצומה. כך, למשל, בהשוואה לתאי פוטו סיליקון, עלות מטר מרובע של חומרים לננו-אנטנות היא שתי סדרי גודל נמוכים יותר (סיליקון - 1000 $, אלטרנטיבה - מ- 5 $ ל- 10 $).

סביר להניח שבעתיד, ננונטנים יוכלו להניע מכוניות חשמליות, להטעין טלפונים ניידים, לספק חשמל לבתים, ופאנלים סולאריים מסיליקון המשמשים היום יהפכו שריד של פעם.

ראה גם בנושא זה:תאים סולאריים רב שכביים דקים במיוחד המבוססים על חומרים ננו-מבניים

Comments

[#1]

לשלם יותר למדענים שלנו ולא למשכורות ננו, ואולי הדברים ילכו מהר יותר. ואז בחיינו לא נחכה לשימוש מאסיבי בכלי רכב חשמליים!

[#2 סרגיי]

זה ננו אנטנות IR שמעניינות, מכיוון שכל הגופים פולטים קרינת IR, נשאלת השאלה כיצד למדוד את היעילות של אנטנות כאלה, אם הן ממוקמות בתא מבודד חום עם עומס הממוקם מחוץ לתא זה, זה יעבוד כמו מקרר, כלומר, שד מקסוול ייכשל.

פיתוח דורש עצמאות וריבונות. וכך כל עסק ייהרס באיבו, אם לא ייצא לחו"ל, נוצרים כל התנאים לכך. אנו מושבה לאחר שהפסדנו את המלחמה הקרה, בנוסף לטור החמישי שמפריע להתפתחות, יש לנו את החוק הבסיסי של חוקת הפדרציה הרוסית שאותה כתבה ארצות הברית עבורנו. כך שלא תהיה התפתחות, תהיה קיפאון, אלא אם נשנה את סעיף 13.2 ואת סעיף 15.4 (מאוחר יותר 9.2 ו- 75.2) ועל כך עלינו ליידע את האוכלוסייה בכל השיטות הקיימות כדי שהאנשים יוכלו לממש את זכותם למשאל עם לפי סעיף 3 לחוקה. RF רק האינטרנט והרחובות שבהם מוחזקים כלונסאות זמינים לנו. לרוע המזל, הטלוויזיה עובדת עבורנו בדירוג ולא במדינה; אין הרבה סיכויים להגיע לשם. הצטרף ל- NOD. אם אתם כבר שם בשביל המולדת למולדתכם, נותר ללמוד את הטכנולוגיה של תנועת השחרור הלאומית.
זכור את דבריו של פוטין:
"צליעה המונעת מכוח." ו
"המדינה שלנו הייתה ויהיה ריבונית או שהיא בכלל לא תהיה."
אין "ריבונות", אבל איך זה יהיה ריבוני?
לדרוש משאל עם לחוקה של סעיף 13.2 סעיף 15.4 סעיף 75.4 סעיף 9.2.
אז נגיע לריבונות, ועמה עושר המולדת והעולם סביבנו.

[#3]

לא הבנתי, מה הבעיה להמיר קרינה גלויה כלשהי לקרינה תרמית באינפרא אדום? לקרינת IR יש טווח של 300 ג'יגה הרץ ל -430 THz, דיודות MDM יעילות במהירות 150 THz, ודיודות שוטקי הן ב- 5 THz. מסתבר שצריך רק לבחור טמפרטורת חימום יציבה מאור השמש עבור איזה חוט של חומר שחור הומוגני ולתפוס את קרינת האינפרא אדום שהתקבלה בננונטנות, ואז ליישר אותה ביעילות ובזול? אני חושד שהמפתחים מודעים לכך, אך יתכן שהם לא מורשים לעשות זאת.