Den første optiske rektenne - kombineret ensretter og antenne - konverterer lys til jævnstrøm

Ved hjælp af komponenter i nanometerskala, forskere har demonstreret den første optiske rektenna, en enhed, der kombinerer funktionerne fra en antenne og en ensretterdiode for at konvertere lys direkte til jævnstrøm.

Baseret på flervæggede kulstof nanorør og små ensrettere fremstillet på dem, de optiske rektenner kunne give en ny teknologi til fotodetektorer, der ville fungere uden behov for afkøling, energihøstere, der ville konvertere spildvarme til elektricitet - og i sidste ende til en ny måde at effektivt opfange solenergi.

I de nye enheder, udviklet af ingeniører ved Georgia Institute of Technology, kulstofnanorørene fungerer som antenner til at fange lys fra solen eller andre kilder. Da lysbølgerne rammer nanorørsantennerne, de skaber en oscillerende ladning, der bevæger sig gennem ensretterenheder, der er knyttet til dem. Ensretterne tænder og slukker ved rekordhøje petahertz-hastigheder, skabe en lille jævnstrøm.

Milliarder af rektenner i et array kan producere betydelig strøm, selvom effektiviteten af ​​de viste enheder indtil videre forbliver under én procent. Forskerne håber at kunne øge dette output gennem optimeringsteknikker, og mener, at en rectenna med kommercielt potentiale kan være tilgængelig inden for et år.

"Vi kunne i sidste ende lave solceller, der er dobbelt så effektive til en pris, der er ti gange lavere, og det er for mig en mulighed for at ændre verden på en meget stor måde," sagde Baratunde Cola, en lektor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Tech. "Som robust, høj temperatur detektor, disse rectennas kunne være en fuldstændig forstyrrende teknologi, hvis vi kan nå en procent effektivitet. Hvis vi kan nå højere effektivitet, vi kunne anvende det til energikonverteringsteknologier og solenergifangst."

Forskningen, støttet af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), Space and Naval Warfare (SPAWAR) Systems Center og Army Research Office (ARO), er planlagt til at blive rapporteret 28. september i journalen Natur nanoteknologi .

Udviklet i 1960'erne og 1970'erne, rektenner har fungeret ved bølgelængder så korte som ti mikron, men i mere end 40 år har forskere forsøgt at lave enheder ved optiske bølgelængder. Der var mange udfordringer:at gøre antennerne små nok til at koble optiske bølgelængder, og fremstilling af en matchende ensretterdiode, der er lille nok og i stand til at fungere hurtigt nok til at fange de elektromagnetiske bølgesvingninger. Men potentialet i høj effektivitet og lave omkostninger fik forskerne til at arbejde med teknologien.

"Fysikken og de videnskabelige koncepter har været derude, " sagde Cola. "Nu var det perfekte tidspunkt at prøve nogle nye ting og få en enhed til at fungere, takket være fremskridt inden for fremstillingsteknologi."

Brug af metalliske flervægge kulstof nanorør og nanoskala fremstillingsteknikker, Cola og samarbejdspartnere Asha Sharma, Virendra Singh og Thomas Bougher konstruerede enheder, der udnytter lysets bølgenatur frem for dets partikelnatur. De brugte også en lang række tests - og mere end tusinde enheder - til at verificere målinger af både strøm og spænding for at bekræfte eksistensen af ​​rektennefunktioner, som var blevet forudsagt teoretisk. Enhederne fungerede ved en række temperaturer fra 5 til 77 grader Celsius.

Fremstilling af rectennas begynder med at dyrke skove af lodret justerede kulstofnanorør på et ledende substrat. Ved hjælp af kemisk dampaflejring i atomlaget, nanorørene er belagt med et aluminiumoxidmateriale for at isolere dem. Endelig, fysisk dampaflejring bruges til at afsætte optisk-transparente tynde lag af calcium og derefter aluminiummetaller på toppen af ​​nanorørskoven. Forskellen i arbejdsfunktioner mellem nanorørene og calcium giver et potentiale på omkring to elektronvolt, nok til at drive elektroner ud af kulstofnanorør-antennerne, når de exciteres af lys.

I Operation, oscillerende bølger af lys passerer gennem den transparente calcium-aluminium-elektrode og interagerer med nanorørene. Metal-isolator-metal-forbindelserne ved nanorørspidserne fungerer som ensrettere, der tænder og slukker med femtosekunders intervaller, tillader elektroner genereret af antennen at strømme én vej ind i den øverste elektrode. Ultra-lav kapacitans, i størrelsesordenen nogle få attofarads, gør det muligt for dioden med en diameter på 10 nanometer at fungere ved disse exceptionelle frekvenser.

"En rektenne er dybest set en antenne koblet til en diode, men når du bevæger dig ind i det optiske spektrum, det betyder normalt en antenne i nanoskala koblet til en metal-isolator-metaldiode, " Cola forklarede. "Jo tættere du kan komme antennen på dioden, jo mere effektiv er den. Så den ideelle struktur bruger antennen som et af metallerne i dioden - som er den struktur, vi lavede."

Rektennerne fremstillet af Colas gruppe dyrkes på stive underlag, men målet er at dyrke dem på en folie eller andet materiale, der ville producere fleksible solceller eller fotodetektorer.

Cola ser de hidtil byggede rektenner som et simpelt principbevis. Han har ideer til, hvordan man kan forbedre effektiviteten ved at ændre materialerne, åbning af kulstofnanorørene for at tillade flere ledningskanaler, og reducere modstanden i strukturerne.

"Vi tror, ​​vi kan reducere modstanden med flere størrelsesordener blot ved at forbedre fremstillingen af ​​vores enhedsstrukturer, " sagde han. "Baseret på hvad andre har gjort, og hvad teorien viser os, Jeg tror på, at disse enheder kan nå mere end 40 procents effektivitet."