Антенна-выпрямитель преобразует свет в постоянный ток

Основанные на многостенных углеродных нанотрубках и изготовленных из них крошечных выпрямителях, оптические антенны-выпрямители могут открыть новую технологию для фотодетекторов, которые работают без необходимости охлаждения, коллекторов избыточной тепловой энергии, которые преобразуют отходящее тепло в электричество, и в конечном счете, новый способ эффективно собирать солнечную энергию.

В новых устройствах, разработанных инженерами Технологического института Джорджии, углеродные нанотрубки выступают в качестве антенн, собирающих свет от солнца или других источников. Как только волны света достигают антенн, они создают колебательный заряд, который движется через выпрямительные устройства, присоединенные к ним. Выпрямители включаются и выключаются с рекордно высокой частотой, измеряемой в петагерцах, создавая небольшой постоянный ток.

Миллиарды антенн-выпрямителей в массиве могут производить значительный ток, хотя эффективность устройства, продемонстрированного на сегодняшний день, остается ниже одного процента. Исследователи надеются повысить эту мощность методом оптимизации, и считают, что антенна-выпрямитель с коммерческим потенциалом может быть доступна в течение года.

«Мы могли бы в конечном итоге сделать солнечные батареи, которые в два раза эффективнее и по цене, которая в десять раз ниже, и для меня это возможность очень сильно изменить мир», сказал Баратунд Кола (Baratunde Cola), доцент школы машиностроения Технологического института Джорджии. «В качестве надежного детектора высокой температуры, эти антенны могут стать полностью революционной технологией, если мы сможем добраться до эффективности в один процент. Если мы сможем получить более высокую эффективность, то сможем применить их в технологии преобразования энергии и сбору солнечной энергии».

Исследование, поддерживаемое агентством перспективного планирования научно-исследовательских работ министерства обороны США (DARPA), ВМС США (SPAWAR) военной научно-исследовательской лабораторией, было опубликован 28 сентября в журнале Nature Nanotechnology.

Разработанная в период между 1960-ми и 1970-ми годами, антенна-выпрямитель работала с волнами, длиной не короче, чем десять микрон, но более чем 40 лет исследователи пытались сделать устройство, работающее на оптических волнах. Было много проблем: создание антенны достаточно малых для улавливания оптических волн размеров, изготовление соответствующего выпрямляющего диода сверх малого размера и неспособного работать достаточно быстро, чтобы уловить колебания электромагнитных волн. Но потенциал высокой эффективности и низкой стоимости заставлял ученых продолжать изучать эту технологию.

Используя металлические многослойные углеродные нанотрубки и методы изготовления на наноуровне, Кола и соавторы работы Аша Шарма (Asha Sharma), Вирендра Сингх (Virendra Singh) и Томас Боугер (Thomas Bougher) сконструировали устройство, которое используют волновую природу света, а не его свойства частицы. Они также провели серию тестов и использовали более тысячи устройств, чтобы получить ток и напряжение для подтверждения существования функций антенны-выпрямителя, которые ранее были прогнозируемыми лишь теоретически. Устройство работает в диапазоне температур от 5 до 77 градусов по Цельсию.

Изготовление антенн начинается с выращивания леса вертикально-ориентированных углеродных нанотрубок на проводящей подложке. Используя газофазное химическое осаждение на атомарном слое, нанотрубки покрываются материалом из оксида алюминия, чтобы изолировать их. Наконец, используется физическое осаждение паров для нанесения оптически прозрачных тонких слоев кальция, а затем алюминий помещают на вершину леса нанотрубок. Разница работы функций между нанотрубками и кальцием обеспечивает потенциал около двух электрон-вольт, достаточно, чтобы вывести электроны из нанотрубок, когда они возбуждаются светом.

Кола рассматривает антенны-выпрямители как простое доказательство работы теории. У него уже есть идеи, как улучшить эффективность путем замены материалов, открывая углеродные нанотрубки, для создания множества каналов проводимости и уменьшения сопротивления в структурах.

«Мы считаем, что сможем уменьшить сопротивление на порядок, просто улучшить метод получения структуры устройства», сказал он. «Основываясь на том, что сделали другие и то, что теория показывает нам, я считаю, что эти устройства смогут достичь более чем 40 процентов эффективности».