Thể loại: Bài viết nổi bật » Tin tức điện tử thú vị
Số lượt xem: 11873
Bình luận về bài viết: 3
Nanoantennas - thiết bị, ứng dụng, triển vọng sử dụng
Một thiết bị thay thế để chuyển đổi năng lượng của bức xạ mặt trời thành dòng điện thường được gọi là nanoantenna ngày nay, tuy nhiên, các ứng dụng khác là có thể, và điều này cũng sẽ được thảo luận ở đây. Thiết bị này hoạt động, giống như nhiều ăng-ten, theo nguyên tắc chỉnh lưu, nhưng không giống như ăng-ten truyền thống, nó hoạt động trong dải bước sóng quang.
Sóng điện từ của dải quang cực ngắn, nhưng vào năm 1972, ý tưởng này đã được đề xuất bởi Robert Bailey và James Fletcher, người thậm chí sau đó đã nhìn thấy viễn cảnh thu năng lượng mặt trời giống như với sóng vô tuyến.
Do bước sóng ngắn của phạm vi quang học, nanoantenna có kích thước không vượt quá hàng trăm micron (tỷ lệ với bước sóng) và về chiều rộng - không nhiều hơn, hoặc thậm chí ít hơn, 100 nanomet. Ví dụ, nanoant ở dạng lưỡng cực từ ống nano, để hoạt động ở tần số hàng trăm gigahertz, thuộc về các ăng ten như vậy.
Khoảng 85% phổ mặt trời bao gồm các sóng có chiều dài từ 0,4 đến 1,6 micron và chúng có nhiều năng lượng hơn hồng ngoại. Năm 2002, Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng, thậm chí đã chế tạo và thử nghiệm các nanoanten cho các bước sóng nằm trong khoảng từ 3 đến 15 micron, tương ứng với năng lượng photon từ 0,08 đến 0,4 eV.
Về nguyên tắc, có thể hấp thụ ánh sáng từ bất kỳ bước sóng nào bằng cách sử dụng nano, với điều kiện là kích thước ăng ten được tối ưu hóa tương ứng. Vì vậy, từ năm 1973 đến nay, nghiên cứu về sự phát triển của hướng này đã liên tục được tiến hành.
Về lý thuyết, mọi thứ đều đơn giản. Sự cố ánh sáng trên ăng-ten do dao động của điện trường của nó gây ra dao động của các electron trong ăng-ten có cùng tần số với tần số của sóng. Sau khi phát hiện dòng điện với bộ chỉnh lưu, nó là đủ để chuyển đổi nó, và bạn có thể cung cấp năng lượng để cung cấp năng lượng cho tải.
Lý thuyết về ăng ten vi sóng nói rằng kích thước vật lý của ăng ten phải tương ứng với tần số cộng hưởng, nhưng hiệu ứng lượng tử tạo ra sự điều chỉnh, ví dụ, hiệu ứng da ở tần số cao rất rõ rệt.
Ở tần số 190-750 terahertz (bước sóng từ 0,4 đến 1,6 micron), cần điốt thay thế gần với điốt đường hầm dựa trên kim loại-điện môi-kim loại, những cái thông thường sẽ không hoạt động, vì tổn thất lớn sẽ xảy ra do tác động của tụ điện đi lạc. Nếu được thực hiện thành công, nanoantennas sẽ vượt qua đáng kể tấm pin mặt trời về mặt hiệu quả, tuy nhiên, vấn đề phát hiện vẫn là vấn đề chính.
Năm 2011, một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Rice đã phát triển một nanoantenna để chuyển đổi bức xạ hồng ngoại gần thành hiện tại. Các mẫu là một số lượng lớn các bộ cộng hưởng vàng được sắp xếp trong một mảng ở khoảng cách 250nm với nhau.
Kích thước của bộ cộng hưởng là rộng 50 nm, cao 30 nm và chiều dài dao động từ 110 đến 158 nm. Người đứng đầu nhóm nghiên cứu, Naomi Galas, đã giải thích trong một bài báo được xuất bản rằng sự khác biệt về độ dài tương ứng với sự khác biệt về tần số hoạt động.
Các nguyên tố vàng nằm trên lớp silicon và điểm tiếp xúc chỉ là hàng rào Schottky. Một loạt các bộ cộng hưởng được đặt trong một lớp silicon dioxide, và các tiếp điểm được hình thành bởi một lớp oxit thiếc indi.
Vì vậy, khi sự cố ánh sáng trên các bộ cộng hưởng, các plasmon bề mặt bị kích thích - các electron dao động gần bề mặt của dây dẫn, và khi plasmon phân rã, sau đó năng lượng được giải phóng, sau đó được chuyển sang các electron.
Các electron nóng dễ dàng vượt qua hàng rào Schottky, tạo ra một dòng quang, nghĩa là, nó hóa ra thứ gì đó tương tự như điốt quang.Chiều cao của hàng rào Schottky giúp phát hiện phạm vi vượt quá khả năng của các nguyên tố silicon, nhưng hiệu quả đạt được chỉ là 1%.
Năm 2013, Brian Willis, một nhà khoa học từ Đại học Connecticut, Hoa Kỳ, đã thực hiện một nghiên cứu thành công và làm chủ công nghệ lắng đọng lớp nguyên tử. Ông cũng tạo ra một loạt các nananten thẳng, nhưng khi kết thúc quá trình cắt điện cực bằng súng tia điện tử, nhà khoa học đã phủ cả hai điện cực bằng các nguyên tử đồng bằng cách sử dụng lắng đọng lớp nguyên tử để mang lại độ chính xác ở khoảng cách lên tới 1,5nm.
Kết quả là, khoảng cách ngắn đã tạo ra một điểm nối đường hầm để các electron có thể đơn giản trượt giữa hai điện cực dưới tác động của ánh sáng, tạo điều kiện cho thế hệ hiện tại tiếp theo. Nghiên cứu này đang diễn ra, và hiệu quả mong đợi có thể đạt tới 70%.
Trong cùng năm 2013, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Georgia, Hoa Kỳ, đã tiến hành mô phỏng nanoantennas từ graphene. Mục tiêu ở đây là để có được ăng-ten để trao đổi dữ liệu và tạo mạng cho thiết bị di động. Điểm mấu chốt là việc sử dụng sóng điện tử bề mặt trên bề mặt graphene, xảy ra trong một số điều kiện nhất định.
Sự lan truyền electron trong graphene có những đặc điểm riêng của nó, vì vậy một ăng ten dựa trên graphene nhỏ có thể phát và thu ở tần số tương đối thấp, nhưng ở kích thước nhỏ hơn ăng ten kim loại. Vì lý do này, Giáo sư Iain Akiildiz theo đuổi trong nghiên cứu này chính xác mục tiêu tạo ra một cách tổ chức truyền thông không dây mới, thay vì xây dựng pin mặt trời.
Các electron graphene dưới tác động của sóng điện từ đến từ bên ngoài bắt đầu phát ra các sóng lan truyền độc quyền trên bề mặt graphene, hiện tượng này được gọi là sóng phân cực plasmon bề mặt (sóng SPP) và cho phép bạn chế tạo ăng ten cho dải tần từ 0,1 đến 10 terahertz.
Kết hợp với các máy phát dựa trên oxit kẽm, nơi sử dụng tính chất áp điện của các vật liệu này, một cơ sở cho truyền thông không dây với mức tiêu thụ năng lượng thấp được xây dựng và tốc độ truyền dữ liệu cao hơn 100 lần so với các công nghệ không dây hiện tại được dự đoán.
Đến lượt mình, các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm siêu vật liệu Saint-Petersburg đã xuất bản một bài báo Cồn quang nanoanten năm 2013, trong đó họ cho thấy khả năng sử dụng nanoanten quang cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm cả việc truyền và xử lý thông tin ở tốc độ cao hơn đáng kể so với hiện tại, vì photon nhanh hơn điện tử, và điều này mở ra những hướng mới về cơ bản.
Nhà nghiên cứu cao cấp tại phòng thí nghiệm, Alexander Krasnok, chắc chắn rằng các con chip 5 milimet xử lý dữ liệu terabit chỉ trong một giây chỉ là khởi đầu, và trong thế kỷ 21, một cuộc cách mạng photon thực sự đang chờ chúng ta.
Tất nhiên, các nhà khoa học không bỏ qua việc sử dụng nanoantennas trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như y học và năng lượng. Một ấn phẩm rộng rãi của các tác giả trong tạp chí Uspekhi Fizicheskikh Nauk (tháng 6 năm 2013, Tập 183, Số 6) đưa ra một đánh giá toàn diện về nanoantennas.
Hiệu quả kinh tế của việc giới thiệu nanoantennas là rất lớn. Vì vậy, ví dụ, so với các tế bào quang điện silicon, chi phí cho một mét vuông vật liệu cho nanoantennas thấp hơn hai bậc (silicon - $ 1000, một sự thay thế - từ $ 5 đến $ 10).
Rất có khả năng trong tương lai, nanoanten sẽ có thể cung cấp năng lượng cho ô tô điện, sạc điện thoại di động, cung cấp điện cho gia đình và các tấm pin mặt trời silicon được sử dụng ngày nay sẽ trở thành một di tích của quá khứ.
Xem thêm về chủ đề này:Pin mặt trời đa lớp siêu mỏng dựa trên vật liệu cấu trúc nanô
Xem thêm tại electro-vi.tomathouse.com
: