Categories: Articles destacats » Notícies elèctriques interessants
Nombre de visualitzacions: 11873
Comentaris sobre l'article: 3
Nanoantenis: dispositiu, aplicació, perspectives d’ús
Un dispositiu alternatiu per convertir l’energia de la radiació solar en corrent elèctric sovint s’anomena avui dia nanoantena, però altres aplicacions són possibles, i això també es tractarà aquí. Aquest dispositiu funciona, com moltes antenes, segons el principi de rectificació, però a diferència de les antenes tradicionals, funciona en el rang de longitud d'ona òptica.
Les ones electromagnètiques del rang òptic són extremadament curtes, però a partir del 1972 aquesta idea va ser proposada per Robert Bailey i James Fletcher, que fins i tot van veure la perspectiva de recollir energia solar de la mateixa manera que ho fa amb les ones de ràdio.
A causa de la curta longitud d'ona del rang òptic, la nanoantena té dimensions que no superen els centenars de micres de longitud (proporcional a la longitud d'ona), i l'amplada - ni més ni menys, els 100 nanòmetres. Per exemple, els nanoantenis en forma de dipols provinents de nanotubs, per operar a freqüències de centenars de gigahertz, pertanyen a aquestes antenes.
Al voltant del 85% de l'espectre solar està compost per ones amb una longitud de 0,4 a 1,6 micres, i tenen més energia que els infrarojos. L’any 2002, el laboratori nacional d’Idaho va realitzar àmplies investigacions, i fins i tot va construir i provar nanoantenes per a longituds d’ona compreses entre 3 i 15 micres, que correspon a energies fotòniques d’entre 0,08 i 0,4 eV.
És, en principi, possible absorbir llum de qualsevol longitud d'ona mitjançant nanoantenis, sempre que la mida de l'antena estigui optimitzada en conseqüència. Així, des del 1973 fins a l’actualitat, s’ha continuat fent recerca en el desenvolupament d’aquesta direcció.
En teoria, tot és senzill. La incidència lumínica a l'antena per oscil·lacions del seu camp elèctric provoca oscil·lacions d'electrons a l'antena amb la mateixa freqüència que la freqüència de l'ona. Després de detectar el corrent amb un rectificador, n’hi ha prou de convertir-lo i podreu subministrar energia per alimentar la càrrega.
La teoria de les antenes de microones diu que les dimensions físiques de l’antena haurien de correspondre a la freqüència de ressonància, però els efectes quàntics fan ajustaments, per exemple, l’efecte de la pell a altes freqüències és molt pronunciat.
A freqüències de 190-750 terahertz (longituds d'ona de 0,4 a 1,6 micres), es necessiten diodes alternatius propers als díodes de túnel basats en metall-dielèctric-metall, els ordinaris no funcionaran, perquè es produiran grans pèrdues a causa de l'acció dels condensadors perduts. Si es implementa amb èxit, els nanoantenis superaran significativament els populars actualment plaques solars en termes d'eficiència, però, el problema amb la detecció continua sent el principal.
El 2011, un grup de físics de la Universitat de Rice va desenvolupar una nanoantena per convertir la radiació infraroja propera en corrent. Les mostres eren una plural de ressonadors d'or disposats en una matriu a una distància de 250 nm els uns dels altres.
Les dimensions del ressonador eren de 50 nm d’amplada, 30 nm d’alçada i la longitud oscil·lava entre 110 i 158 nm. La cap de l’equip de recerca, Naomi Galas, va explicar en un article publicat que les diferències de longituds corresponen a diferències de freqüències de funcionament.
Els elements d'or es van localitzar a la capa de silici i el punt de contacte era només la barrera de Schottky. Una matriu de ressonadors es va tancar en una capa de diòxid de silici i els contactes estaven formats per una capa d’òxid d’estany d’indi.
Així doncs, quan es produïen incidents de llum als ressonadors, els plasmons de la superfície es van excitar: els electrons van oscil·lar prop de la superfície del conductor i, quan el plasmó va decaure, es va alliberar energia, que després es va transferir als electrons.
Els electrons calents van creuar fàcilment la barrera de Schottky, creant un fotocurrent, és a dir, va resultar quelcom semblant a un fotodiode.L'alçada de la barrera de Schottky va permetre detectar un rang que superava significativament les capacitats dels elements de silici, però l'eficiència aconseguida va ser només de l'1%.
El 2013, Brian Willis, un científic de la Universitat de Connecticut, Estats Units, va realitzar una investigació amb èxit i va dominar la tecnologia de deposició de capes atòmiques. També va crear una matriu de nanoantenis de redreçament, però al final del tall d'elèctrodes amb una pistola de feix d'electrons, el científic va recobrir ambdós elèctrodes amb àtoms de coure utilitzant una deposició de capa atòmica per aconseguir una precisió a distàncies de fins a 1,5 nm.
Com a resultat, la curta distància va crear una unió de túnel de manera que els electrons podrien simplement lliscar entre els dos elèctrodes sota la influència de la llum, creant condicions per a una nova generació de corrent. Aquest estudi està en curs i l'eficiència prevista pot arribar al 70%.
El mateix 2013, investigadors de l'Institut Tecnològic de Geòrgia, EUA, van realitzar simulacions de nanoantenis de grafene. L’objectiu aquí era aconseguir les antenes d’intercanvi de dades i la creació de xarxes per a dispositius mòbils. El punt clau és l’ús d’ones d’electrons de superfície a la superfície del grafè, que es produeixen en determinades condicions.
La propagació d’electrons en el grafè té les seves pròpies característiques, de manera que una petita antena basada en grafè és capaç d’irradiar i rebre a una freqüència relativament baixa, però a una mida menor que una antena de metall. Per aquesta raó, el professor Iain Akiildiz persegueix en aquest estudi precisament l'objectiu de crear una nova forma d'organitzar les comunicacions sense fils, en lloc de construir cèl·lules solars.
Els electrons de grafè sota l’acció d’una ona electromagnètica procedent de l’exterior comencen a emetre ones que es propaguen exclusivament a la superfície del grafè, aquest fenomen es coneix com a ona polaritzada de plasmó superficial (ona SPP), i permet construir antenes per a l’interval de freqüències de 0,1 a 10 terahertz.
En combinació amb els transmissors basats en òxid de zinc, on s’utilitzen les propietats piezoelèctriques d’aquests materials, es construeix una base per a la comunicació sense fils amb baix consum d’energia i es preveu una taxa de transferència de dades 100 vegades superior a les tecnologies sense fils existents.
Al seu torn, científics del laboratori de metamaterials de Sant Petersburg, van publicar un article "Nanoantenis òptics" el 2013, on mostraven la possibilitat d'utilitzar nanoantenis òptics amb diversos propòsits, incloent la transmissió i processament d'informació a velocitats significativament superiors a les actuals, ja que el fotó és més ràpid que electró, i això obre direccions fonamentalment noves.
L’investigador principal del laboratori, Alexander Krasnok, està segur que els xips de cinc mil·límetres que processen les dades de terabit en un segon només són el començament, i al segle XXI ens espera una autèntica revolució fotònica.
Per descomptat, els científics no obliden l’ús de nanoantenes en altres àrees, com la medicina i l’energia. Una extensa publicació dels autors a la revista Uspekhi Fizicheskikh Nauk (juny de 2013, volum 183, núm. 6) proporciona una revisió exhaustiva dels nanoantenaris relatius.
L’efecte econòmic de la introducció de nanoantenis és enorme. Així, per exemple, en comparació amb les fotocèl·lules de silici, el cost d’un metre quadrat de materials per a nanoantenis és inferior a dues ordres de magnitud (silici - 1000 dòlars, una alternativa - de 5 a 10 dòlars).
És molt probable que en el futur, els nanoantenis puguin alimentar cotxes elèctrics, carregar telèfons mòbils, subministrar electricitat a les llars i les plaques solars de silici que s’utilitzen avui en dia es convertiran en una relíquia del passat.
Vegeu també aquest tema:Cèl·lules solars multicapa ultra-fines basades en materials nanoestructurats
Consulteu també a electro-ca.tomathouse.com
: