Met behulp van componenten op nanometerschaal, onderzoekers hebben de eerste optische rectenna aangetoond, een apparaat dat de functies van een antenne en een gelijkrichtdiode combineert om licht direct om te zetten in gelijkstroom.

Gebaseerd op meerwandige koolstofnanobuisjes en kleine gelijkrichters die erop zijn gefabriceerd, de optische rectenna's zouden een nieuwe technologie kunnen bieden voor fotodetectoren die zouden werken zonder koeling, energieoogstmachines die restwarmte zouden omzetten in elektriciteit - en uiteindelijk voor een nieuwe manier om zonne-energie efficiënt op te vangen.

Bij de nieuwe apparaten ontwikkeld door ingenieurs van het Georgia Institute of Technology, de koolstofnanobuisjes fungeren als antennes om licht van de zon of andere bronnen op te vangen. Toen de lichtgolven de nanobuisantennes raakten, ze creëren een oscillerende lading die beweegt door gelijkrichters die eraan zijn bevestigd. De gelijkrichters schakelen aan en uit met recordhoge petahertz-snelheden, het creëren van een kleine gelijkstroom.

Miljarden rectenna's in een array kunnen aanzienlijke stroom produceren, hoewel de efficiëntie van de tot nu toe aangetoonde apparaten onder de één procent blijft. De onderzoekers hopen die output te verhogen door optimalisatietechnieken, en geloven dat een rectenna met commercieel potentieel binnen een jaar beschikbaar kan zijn.

"Uiteindelijk zouden we zonnecellen kunnen maken die twee keer zo efficiënt zijn tegen tien keer lagere kosten, en dat is voor mij een kans om de wereld op een hele grote manier te veranderen", zei Baratunde Cola, een universitair hoofddocent aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering aan Georgia Tech. "Als robuuste detector op hoge temperatuur, deze rectenna's kunnen een volledig ontwrichtende technologie zijn als we tot één procent efficiëntie kunnen komen. Als we een hogere efficiëntie kunnen bereiken, we zouden het kunnen toepassen op technologieën voor energieconversie en het opvangen van zonne-energie."

Het onderzoek, ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), het Space and Naval Warfare (SPAWAR) Systems Center en het Army Research Office (ARO), staat gepland voor 28 september in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Ontwikkeld in de jaren 60 en 70, rectenna's hebben gewerkt bij golflengten zo kort als tien micron, maar al meer dan 40 jaar proberen onderzoekers apparaten te maken op optische golflengten. Er waren veel uitdagingen:de antennes klein genoeg maken om optische golflengten te koppelen, en het fabriceren van een bijpassende gelijkrichtdiode die klein genoeg is en snel genoeg kan werken om de elektromagnetische golfoscillaties op te vangen. Maar het potentieel van hoge efficiëntie en lage kosten zorgde ervoor dat wetenschappers aan de technologie bleven werken.

"De fysica en de wetenschappelijke concepten zijn er geweest, "zei Cola. "Dit was het perfecte moment om nieuwe dingen te proberen en een apparaat te laten werken, dankzij de vooruitgang in fabricagetechnologie."

Met behulp van metalen meerwandige koolstofnanobuizen en fabricagetechnieken op nanoschaal, Cola en medewerkers Asha Sharma, Virendra Singh en Thomas Bougher construeerden apparaten die de golfaard van licht gebruiken in plaats van de deeltjesaard. Ze gebruikten ook een lange reeks tests - en meer dan duizend apparaten - om metingen van zowel stroom als spanning te verifiëren om het bestaan ​​van rectennafuncties te bevestigen die theoretisch waren voorspeld. De apparaten werkten bij een temperatuurbereik van 5 tot 77 graden Celsius.

Het fabriceren van de rectenna's begint met groeiende bossen van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes op een geleidend substraat. Met behulp van atomaire laag chemische dampafzetting, de nanobuisjes zijn gecoat met een materiaal van aluminiumoxide om ze te isoleren. Eindelijk, fysieke dampafzetting wordt gebruikt om optisch transparante dunne lagen calcium en vervolgens aluminium metalen bovenop het nanobuisbos af te zetten. Het verschil in werkfuncties tussen de nanobuisjes en het calcium zorgt voor een potentiaal van ongeveer twee elektronvolt, genoeg om elektronen uit de koolstofnanobuisantennes te drijven wanneer ze door licht worden geëxciteerd.

In bedrijf, oscillerende lichtgolven passeren de transparante calcium-aluminiumelektrode en interageren met de nanobuisjes. De metaal-isolator-metaalverbindingen aan de uiteinden van de nanobuisjes dienen als gelijkrichters die met tussenpozen van femtoseconden in- en uitschakelen. waardoor door de antenne gegenereerde elektronen in één richting in de bovenste elektrode kunnen stromen. Ultra-lage capaciteit, in opdracht van enkele attofarads, stelt de diode met een diameter van 10 nanometer in staat om op deze uitzonderlijke frequenties te werken.

"Een rectenna is in feite een antenne gekoppeld aan een diode, maar als je naar het optische spectrum gaat, dat betekent meestal een antenne op nanoschaal gekoppeld aan een metaal-isolator-metaaldiode, Cola legde uit. "Hoe dichter je de antenne bij de diode kunt krijgen, hoe efficiënter het is. Dus de ideale structuur gebruikt de antenne als een van de metalen in de diode - dat is de structuur die we hebben gemaakt."

De rectenna's die door de Cola-groep worden vervaardigd, worden gekweekt op stijve substraten, maar het doel is om ze te laten groeien op een folie of ander materiaal dat flexibele zonnecellen of fotodetectoren zou produceren.

Cola ziet de rectenna's die tot nu toe zijn gebouwd als een eenvoudig bewijs van principe. Hij heeft ideeën om de efficiëntie te verbeteren door de materialen te veranderen, het openen van de koolstofnanobuisjes om meerdere geleidingskanalen mogelijk te maken, en het verminderen van weerstand in de constructies.

"We denken dat we de weerstand met verschillende ordes van grootte kunnen verminderen door de fabricage van onze apparaatstructuren te verbeteren, " zei hij. "Op basis van wat anderen hebben gedaan en wat de theorie ons laat zien, Ik geloof dat deze apparaten een efficiëntie van meer dan 40 procent kunnen halen."