Nanoantenas - dispositivo, aplicação, perspectivas de uso

Um dispositivo alternativo para converter a energia da radiação solar em corrente elétrica é freqüentemente chamado de nanoantena hoje, no entanto, outras aplicações são possíveis, e isso também será discutido aqui. Este dispositivo funciona, como muitas antenas, pelo princípio da retificação, mas, ao contrário das antenas tradicionais, funciona na faixa de comprimento de onda óptico.

As ondas eletromagnéticas da faixa óptica são extremamente curtas, mas em 1972, Robert Bailey e James Fletcher tiveram essa idéia, que já via a perspectiva de coletar energia solar da mesma maneira que as ondas de rádio.

Devido ao curto comprimento de onda da faixa óptica, a nanoantena possui dimensões que não excedem centenas de mícrons de comprimento (proporcional ao comprimento de onda) e largura - não mais, ou até menos, 100 nanômetros. Por exemplo, nanoantenas na forma de dipolos de nanotubos, para operação em frequências de centenas de gigahertz, pertencem a essas antenas.

Cerca de 85% do espectro solar é composto por ondas com um comprimento de 0,4 a 1,6 mícrons, e elas têm mais energia que o infravermelho. Em 2002, o Laboratório Nacional de Idaho realizou uma extensa pesquisa e até construiu e testou nanoantenas para comprimentos de onda que variam de 3 a 15 mícrons, o que corresponde a energias de fótons de 0,08 a 0,4 eV.

Em princípio, é possível absorver a luz de qualquer comprimento de onda usando nanoantenas, desde que o tamanho da antena seja otimizado de acordo. Assim, desde 1973 até hoje, pesquisas no desenvolvimento dessa direção têm sido conduzidas continuamente.

Em teoria, tudo é simples. Incidentes de luz na antena por oscilações de seu campo elétrico causam oscilações de elétrons na antena com a mesma frequência que a frequência da onda. Depois de detectar a corrente com um retificador, basta convertê-la e você pode fornecer energia para alimentar a carga.

A teoria das antenas de microondas diz que as dimensões físicas da antena devem corresponder à frequência ressonante, mas os efeitos quânticos fazem ajustes, por exemplo, o efeito da pele em altas frequências é muito pronunciado.

Em frequências de 190 a 750 terahertz (comprimentos de onda de 0,4 a 1,6 mícrons), são necessários diodos alternativos, próximos aos diodos de tunelamento baseados em metal-dielétrico-metal, os comuns não funcionarão, pois grandes perdas ocorrerão devido à ação de capacitores dispersos. Se implementadas com sucesso, as nanoantenas ultrapassarão significativamente as atualmente populares painéis solares em termos de eficiência, no entanto, o problema com a detecção continua sendo o principal.

Em 2011, um grupo de físicos da Universidade Rice desenvolveu uma nanoantena para converter a radiação infravermelha próxima em corrente. As amostras eram uma pluralidade de ressonadores de ouro dispostos em uma matriz a uma distância de 250 nm uma da outra.

As dimensões do ressonador eram de 50 nm de largura, 30 nm de altura e o comprimento variava de 110 a 158 nm. O chefe da equipe de pesquisa, Naomi Galas, explicou em um artigo publicado que as diferenças nos comprimentos correspondem às diferenças nas frequências de operação.

Os elementos dourados estavam localizados na camada de silício, e o ponto de contato era apenas a barreira de Schottky. Uma série de ressonadores foi encerrada em uma camada de dióxido de silício e os contatos foram formados por uma camada de óxido de índio e estanho.

Assim, quando a luz incidente nos ressonadores, os plasmons da superfície eram excitados - os elétrons oscilavam perto da superfície do condutor e, quando o plasmon se deteriorava, a energia era transferida e depois transferida para os elétrons.

Elétrons quentes atravessaram facilmente a barreira de Schottky, criando uma fotocorrente, ou seja, resultou em algo semelhante a um fotodiodo.A altura da barreira Schottky tornou possível detectar uma faixa que excedia significativamente as capacidades dos elementos de silício, mas a eficiência alcançada era de apenas 1%.

Em 2013, Brian Willis, um cientista da Universidade de Connecticut, EUA, conduziu um estudo bem-sucedido e dominou a tecnologia de deposição da camada atômica. Ele também criou uma série de nanoantenas retificadoras, mas quando os eletrodos terminaram de cortar com uma pistola de feixe de elétrons, o cientista revestiu os dois eletrodos com átomos de cobre usando deposição de camada atômica para trazer precisão a distâncias de até 1,5 nm.

Como resultado, a pequena distância criou uma junção de túnel para que os elétrons pudessem simplesmente deslizar entre os dois eletrodos sob a influência da luz, criando as condições para geração adicional de corrente. Este estudo está em andamento e a eficiência esperada pode chegar a 70%.

No mesmo ano de 2013, pesquisadores do Georgia Institute of Technology, EUA, realizaram simulações de nanoantenas de grafeno. O objetivo aqui era obter antenas para troca de dados e criação de redes para dispositivos móveis. O ponto chave é o uso de ondas elétricas na superfície da superfície do grafeno, que ocorrem sob certas condições.

A propagação de elétrons no grafeno tem suas próprias características; portanto, uma pequena antena à base de grafeno é capaz de irradiar e receber em uma frequência relativamente baixa, mas em um tamanho menor que uma antena de metal. Por esse motivo, o professor Iain Akiildiz persegue neste estudo precisamente o objetivo de criar uma nova maneira de organizar as comunicações sem fio, em vez de construir células solares.

Os elétrons de grafeno sob a ação de uma onda eletromagnética vinda de fora começam a emitir ondas que se propagam exclusivamente na superfície do grafeno, esse fenômeno é conhecido como onda polarizada de plasmon de superfície (onda SPP) e permite a construção de antenas para a faixa de frequência de 0,1 a 10 terahertz.

Em combinação com transmissores baseados em óxido de zinco, onde são utilizadas as propriedades piezoelétricas desses materiais, é construída uma base para a comunicação sem fio com baixo consumo de energia e é prevista uma taxa de transferência de dados 100 vezes maior do que as tecnologias sem fio existentes.

Por sua vez, cientistas do Laboratório de Metamateriais de São Petersburgo publicaram um artigo "Nanoantenas ópticas" em 2013, que mostrava a possibilidade de usar nanoantenas ópticas para vários propósitos, incluindo a transmissão e processamento de informações em velocidades significativamente mais altas que as atuais, já que o fóton é mais rápido que elétron, e isso abre novas direções fundamentalmente.

O pesquisador sênior do laboratório, Alexander Krasnok, tem certeza de que os chips de 5 milímetros que processam até terabit dados em um segundo são apenas o começo, e no século 21 uma verdadeira revolução de fótons nos espera.

Obviamente, os cientistas não negligenciam o uso de nanoantenas em outras áreas, como medicina e energia. Uma extensa publicação dos autores na revista Uspekhi Fizicheskikh Nauk (junho de 2013, volume 183, nº 6) fornece uma revisão exaustiva das nanoantenas relativas.

O efeito econômico da introdução de nanoantenas é enorme. Assim, por exemplo, em comparação com as fotocélulas de silício, o custo de um metro quadrado de material para nanoantenas é duas ordens de magnitude mais baixa (silício - US $ 1000, uma alternativa - de US $ 5 a US $ 10).

É altamente provável que, no futuro, as nanoantenas sejam capazes de alimentar carros elétricos, carregar telefones celulares, fornecer eletricidade a residências, e os painéis solares de silício usados ​​hoje se tornem uma relíquia do passado.

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