Наноантенны — устройство, применение, перспективы использования

Наноантенной сегодня часто называется альтернативное устройство для преобразования энергии солнечного излучения в электрический ток, однако возможны и другие применения, и об этом тоже будет здесь рассказано. Данное устройство работает, как и многие антенны, по принципу выпрямления, но в отличие от традиционных антенн, работает оно в оптическом диапазоне длин волн.

Электромагнитные волны оптического диапазона имеют чрезвычайно малую длину, однако еще в 1972 году данную идею предложили Роберт Бейли и Джеймс Флетчер, уже тогда разглядевшие перспективу сбора солнечной энергии таким же образом, как это осуществляется с радиоволнами.

По причине малой длины волн оптического диапазона, наноантенна имеет размеры, не превышающие сотен микрон в длину (пропорционально длине волны), а в ширину — не более, и даже менее, 100 нанометров. Например наноантенны в виде диполей из нанотрубок, для работы на частотах в сотни гигагерц, относятся именно к таким антеннам.

Около 85% солнечного спектра составляют волны с длиной от 0,4 до 1,6 мкм, и они имеют большую энергию, чем инфракрасные. В 2002 году Национальная лаборатория штата Айдахо провела обширные исследования, и даже построила и испытала наноантенны для длин волн диапазона от 3 до 15 мкм, что соответствует энергии фотонов от 0,08 до 0,4 эВ.

Принципиально возможно при помощи наноантенн поглотить свет с любой диной волны, при условии, что размер антенны оптимизирован соответствующим образом. Так, начиная с 1973 года и по сей день исследования в развитии этого направлении непрерывно ведутся.

В теории все просто. Падающий на антенну свет, колебаниями своего электрического поля вызывает колебания электронов в антенне с той же частотой, что и частота волны. После детектирования тока при помощи выпрямителя, достаточно его преобразовать, и можно подавать энергию для питания нагрузки.

Теория СВЧ-антенн говорит, что физические размеры антенны должны соответствовать резонансной частоте, однако квантовые эффекты вносят коррективы, например скин-эффект на высоких частотах весьма ярко выражен.

На частотах 190-750 терагерц (длина волны от 0,4 до 1,6 мкм) нужны альтернативные диоды, близкие к туннельным на базе металл-диэлектрик-металл, обычные не подойдут, поскольку возникнут огромные потери из-за действия паразитных емкостей. При успешной реализации, наноантенны значительно обгонит популярные ныне солнечные батареи по КПД, однако проблема с детектированием остается главной.

В 2011 году группа физиков из Университета Райса разработала наноантенну для преобразования в ток ближнего инфракрасного излучения. Образцы представляли собой множество резонаторов из золота, расположенных массивом на расстоянии 250 нм друг от друга.

Размеры резонатора составляли 50 нм в ширину, 30 нм в высоту, а длина варьировалась от 110 до 158 нм. Руководитель исследовательской группы, Наоми Галас, пояснила в опубликованной статье, что различия в длинах соответствуют различиям в рабочих частотах.

На слое кремния располагались золотые элементы, а место контакта представляло собой как раз барьер Шоттки. Массив резонаторов заключили в слой диоксида кремния, а контакты были образованы слоем оксида индия-олова.

Так, при падении света на резонаторы, возбуждались поверхностные плазмоны — электроны колебались вблизи поверхности проводника, а когда плазмон распадался, то выделялась энергия, передаваемая затем электронам.

Горячие электроны легко преодолевали барьер Шоттки, создавая фототок, то есть получилось нечто похожее на фотодиод. Высота барьера Шоттки позволила детектировать диапазон значительно превышающий возможности кремниевых элементов, однако достигнутый КПД составил всего 1%.

В 2013 году, Брайан Уиллис, ученый из Коннектикутского университета, США, провел успешное исследование и освоил технологию атомно-слоевого осаждения. Он также создал массив выпрямляющих наноантенн, но по завершении нарезки электродов электронно-лучевой пушкой, ученый покрыл оба электрода атомами меди, используя атомно-слоевое осаждение, чтобы довести точность в расстояниях до 1,5 нм.

В результате, малое расстояние создало туннельный переход так, что электроны смогли просто проскакивать между двумя электродами под действием света, создавая условия для дальнейшей генерации тока. Данное исследование продолжается, а ожидаемый КПД может достигать 70%.

В том же 2013 году, исследователи из Технологического института Джорджии, США, провели моделирование наноантенн из графена . Целью здесь было — получить антенны для обмена данными и создания сетей для мобильных устройств. Ключевой момент — использование поверхностных электронных волн на поверхности графена, которые возникают при определенных условиях.

Распространение электронов в графене имеет свои особенности, поэтому маленькая антенна на базе графена способна излучать и принимать на сравнительно низкой частоте, но при меньших размерах, чем металлическая антенна. По этой причине, профессор Иэн Акиилдиз преследует в данном исследовании именно цель создания нового способа организации беспроводной связи, а не построение солнечных элементов.

Электроны графена под действием поступающей извне электромагнитной волны начинают излучать волны, которые распространяются исключительно по поверхности графена, это явление известно как поверхностная плазмонно-поляризованная волна (SPP-wave), и позволяет строить антенны для диапазона частот от 0,1 до 10 терагерц.

В сочетании с передатчиками на основе оксида цинка, где используются пьезоэлектрические свойства этих материалов, выстраивается основа для беспроводной связи с низким потреблением энергии, причем прогнозируется в 100 раз большая скорость передачи данных, чем у существующих беспроводных технологий.

В свою очередь, ученые из Санкт-Петербургской лаборатории «Метаматериалы» в 2013 году опубликовали статью «Оптические наноантенны», где показали возможности применения оптических наноантенн для различных целей, включая передачу и обработку информации на скоростях значительно превышающих нынешние, поскольку фотон является более быстрым чем электрон, а это открывает фундаментально новые направления.

Старший научный сотрудник лаборатории, Александр Краснок, уверен, что 5 миллиметровые чипы, обрабатывающие до терабита данных за одну секунду — это только начало, и в 21 веке нас ждет настоящая фотонная революция.

Безусловно, ученые не обделяют вниманием применение наноантенн и в других областях, таких как медицина и энергетика. В обширной публикации авторов в журнале «Успехи физических наук» (Июнь 2013 года, Том 183, №6) дан исчерпывающий обзор относительно наноантенн.

Экономический эффект от внедрения наноантенн предвидится колоссальный. Так, например в сравнении с кремниевыми фотоэлементами, стоимость одного квадратного метра материалов для наноантенн на два порядка ниже (кремниевые — $1000, альтернатива — от $5 до $10).

С большой вероятностью можно утверждать, что в будущем наноантенны смогут питать электромобили, заряжать мобильные телефоны, снабжать электроэнергией дома, а кремниевые солнечные батареи, используемые сегодня, станут пережитком прошлого.

Смотрите также по этой теме: Сверхтонкие многослойные солнечные элементы на основе наноструктурированных материалов