Innovativt diodedesign bruger ultrahurtig kvantetunneling til at høste infrarød energi fra miljøet

Det meste sollys, der rammer Jorden, absorberes af dets overflader, oceaner og atmosfære. Som følge af denne opvarmning, infrarød stråling udsendes konstant overalt omkring os anslået til at være millioner af Gigawatt pr. sekund. Et KAUST -team har nu udviklet en enhed, der kan bruge denne energi, samt spildvarme fra industrielle processer, ved at omdanne kvadrilliondel-af-et-sekunders bølgesignaler til nyttig elektricitet.

I modsætning til solpaneler, der er begrænset af dagslys og vejrforhold, infrarød varme kan høstes 24 timer i døgnet. En måde at opnå dette på er at behandle spild eller infrarød varme som højfrekvente elektromagnetiske bølger. Brug passende antenner, opsamlede bølger sendes til en ensretter, typisk en halvlederdiode, der konverterer vekslende signaler til jævnstrømsladning for batterier eller strømudstyr.

Det har været svært at implementere disse 'rectenna' -designs i praksis. Fordi infrarøde emissioner har meget små bølgelængder, de har brug for mikro- eller nanoskala-antenner, der ikke er lette at fremstille eller teste. Derudover infrarøde bølger svinger tusinder af gange hurtigere, end en typisk halvleder kan flytte elektroner gennem dets kryds. "Der er ingen kommerciel diode i verden, der kan fungere med så høj frekvens, " siger Atif Shamim, projektleder fra KAUST. "Derfor vendte vi os til kvantetunnel."

Tunneludstyr, såsom metal-isolator-metal (MIM) dioder, rette op på infrarøde bølger til strøm ved at flytte elektroner gennem en lille barriere. Da denne barriere kun er en nanometer tynd, MIM-dioder kan håndtere højfrekvente signaler i størrelsesordenen femtosekunder. For at generere de intense felter, der er nødvendige for tunneling, holdet henvendte sig til en unik 'bowtie-formet' nano-antenne, der klemmer den tynde isolatorfilm mellem to let overlappede metalliske arme.

"Den mest udfordrende del var nanoskalaoverlapningen af ​​de to antennearme, hvilket krævede en meget præcis justering, "siger postdoktor, Gaurav Jayaswal. "Ikke desto mindre, ved at kombinere smarte tricks med de avancerede værktøjer på KAUSTs nanofabrikationsfacilitet gennemførte vi dette trin ".

Ved at vælge metaller med forskellige arbejdsfunktioner, den nye MIM -diode kunne fange de infrarøde bølger med nul påført spænding, en passiv funktion, der kun tænder enheden, når det er nødvendigt. Eksperimenter med infrarød eksponering afslørede, at bowtie med succes høstede energi udelukkende fra strålingen, og ikke fra termiske effekter, som det fremgår af en polarisationsafhængig udgangsspænding.

"Dette er kun begyndelsen-et bevis på koncept, "siger Shamim." Vi kunne have millioner af sådanne enheder tilsluttet for at øge den samlede elproduktion. "