ננו-אנטנה

רקע

אנטנות יישור המסורתיות (רדיו- ומיקרו-גל) הן ביסודן מאוד דומות לננו-אנטנות. האתגר בננו-אנטנות הוא לישר גלים בתדר גבוה – בתחומי האור הנראה (מאות טרה-הרץ) . כיום מספר סוגי הדיודות המסוגלות ליישר גל בתדר גבוה הנמצא בתחום האור הנראה (rectify) הם מעטות מאוד. אתגר נוסף הוא גודל האנטנה שכן בהיותה מזערית גודלה בסדר גודל של הגל האלקטרומגנטי. בנוסף חוסר היעילות של הדיודות, מכיוון שגודל האנטנה הוא זעיר מאוד לכן ההספק שלה מאוד נמוך הגורם לכך שיוצר מתח נמוך מאוד על הדיודה דבר הגורם ליעילות נמוכה של פעילות הדיודה.
בעקבות האתגרים בפיתוח ננו-אנטנות הם יושמו עד כה רק במעבדות על ידי שימוש בלייזר המייצר הספק קטן (אך מדיד).
המטרה שרבים מן החוקרים בתחום הזה היא ליצור מערך של ננו-אנטנות אשר יוכלו להיות יעילות מספיק על מנת להפוך אור שמש לחשמל ועל ידי כך להחליף את השיטות המקובלות היום לקבלת אנרגיה חלופית מאור השמש (תאים הסולריים).
הרעיון של הננו-אנטנות הוצע בתחילה על ידי רוברט ל. ביילי בשנת 1972, אך עד שנת 2012 מעטות הננו-אנטנות שנבנו.
כיום המעבדה הלאומית של איידהו תכננה ננו-אנטנה לתחום אורכי גל בין 3 ל-15 מיקרומטר. אורכי גל אלו מתורגמים לאנרגיית פוטון בערכים בין 0.08 ל-0.4 אלקטרון-וולט. לפי תיאורית האנטנות, גודל האנטנה צריך להיות תואם ואופטימלי לאורך גל ספציפי. באופן אידיאלי ננו-אנטנה תספוג את האור באורך גל של 0.4-1.6 מיקרומטר מכיוון שלאורכי גל אלו יש אנרגיה גדולה יותר מאשר תחום התת-אדום הרחוק והם יכולים לנצל 85% מקרינת אנרגיית השמש שכן רוב אורכי הגל המתקבלים מהשמש על פני כדור הארץ הם בתחומים אלו (ראו איור מספר 1).

היסטוריה

רוברט ביילי בשיתוף עם ג'יימס פלטשר קיבלו רישיון לפטנט בשנת 1973 על "ממיר אנרגיה מגלים אלקטרומגנטים" ("electromagnetic wave energy converter"). הפטנט כלל התקן הדומה לננו-אנטנה מודרנית ועסק בשימוש של דיודה הבנויה מחוט מתכתי בקוטר של 100nm על גבי משטח מתכת מצופה שכבה דקה של תחמוצת מבודדת בין המתכות. גוואן דיווח כי ההתקן קולט אור תת-אדום בתדר 58THz ומיישר את הזרם. בשנת 1974 גוסטפסון וחוקרים נוספים הראו כי סוגים אלו של התקנים יכולים לקלוט אור נראה ולהמירו לזרם ישר. אלווין מ. מארקס קיבל רישיון לפטנט בשנת 1984 עבור התקן של מערך אנטנות בגודל תת-מיקרון להמרה ישירה של אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית. ההתקן של מארקס הראה שיפורים משמעותיים ביעילות לעומת ההתקן של ביילי. בשנת 1996, גואנג' י. לין דיווח על בליעת אור על ידי ננו-מבנה ויישור של אור בתדרי האור הנראה. בשנת 2002, ITN מערכות אנרגיה בע"מ פרסמו דו"ח של עבודתם בתחום אנטנות אופטיות בצימוד דיודות בתדרים גבוהים. ITN בנו מערך אנטנות אופטיות עם יעילות של פחות מעשרה אחוזים. על אף שהם לא צלחו, הנושאים הקשורים לבניית אנטנות אופטיות ביעילות גבוהה היו מובנים יותר למדע.
בשנת 2015, חוקרים ייצרו קולט אנרגיית שמש אשר יכול להמיר אור אופטי לזרם ישר. באראטונד קולה, פרופסור במכון הטכנולוגי של גאורגיה, הוביל צוות לפיתוח אנטנות אופטיות בשימוש ננו-צינורות פחמן- CNT. הצוות גידל מערכים אנכים של ננו-צינורות פחמן רב-שכבתיות- MWCNT -על מצע מצופה מתכת. הננו-צינורות צופו עם תחמוצת אלומיניום מבודד וכולן ביחד כוסו בשכבה של אלקטרודת מתכת. הממדים הקטנים של ננו-צינורות מתנהגות כמו אנטנה אשר מסוגלת לקלוט אור הנראה. הננו-צינורות רב שכבתיות מהוות גם שכבה של דיודת מנהור מסוג מתכת-מבודד-מתכת (Metal-Insulator-Metal-MIM). בגלל הקוטר הקטן של ננו-צינורות, השילוב הזה יוצר דיודה המסוגלת ליישר את הזרם של קרינה אופטית בתדרים גבוהים. יעילות ההמרה הכוללת של ההתקן עומדת בין 5 ל-10 אחוזים. עם זאת, המחקר בתחום הננו-אנטנות מתמשך. המאמצים העתידיים יושקעו בשיפור היעילות של ההתקן על ידי חקירת חומרים חלופיים, מניפולציות של ננו-צינורות רב-שכבתיות לשיפור ההולכה של הממשק והפחתת התנגדויות הקיימות במבנה ההתקן.

תאוריה

התאוריה של ננו-אנטנה הוא מאוד דומה לתאוריה של האנטנות המסורתיות (רדיו או גלי מיקרו). פגיעה של האור באנטנה גורמת לאלקטרון בתוך האנטנה לזוז קדימה ואחורה באותו תדר בדיוק כמו האור הפוגע. זה קורה בעקבות תנודות של השדה החשמלי של הגל האלקטרומגנטי הפוגע. תנועת האלקטרון גורמת לזרם חילופין (AC) במעגל האנטנה. ולכן יש צורך להמיר אותו לזרם ישר (DC) על ידי שימוש בדיודה, את מוצא הזרם הישר ניתן לספק לעומס חיצוני. 
תדר התהודה של האנטנה משתנה ליניארי לפי הממדים הפיזיים של האנטנה ולפי תאוריה של אנטנות גלי מיקרו קלאסיות. אורכי הגל של ספקטרום השמש הוא בערך 0.3-2 מיקרומטר. על מנת שהאנטנה תהיה יעילה בספקטרום השמש, האנטנה צריכה להיות בגודל של מספר מאות ננו-מטרים. 
בגלל השימוש בתאוריה של אנטנות מיקרו-גל והפישוט שלהן לננו-אנטנות, ישנם מספר קשיים המתעוררים כאשר מדברים על ננו-אנטנות בתדרים הגדולים מתדרי האינפרה-אדום. אחת הבעיות היא שכמעט כל הזרם נמצא בסמוך לשטח של המוליך, אשר מפחית את שטח החתך האפקטיבי של המוליך וגורם לעלייה בהתנגדות המוליך ובזבוז אנרגיה. אפקט זה מוכר גם כ-"skin effect". מנקודת מבט של התקן, המאפיינים של I-V כבר לא יהיה אוהמי, אבל בכל זאת חוק אוהם בצורתו הכללית יהיה עדיין בתוקף. 
קושי נוסף נובע מכך שהדיודות הסטנדרטיות אינן מסוגלות לפעול בתדרים בסדר גודל של THz ללא הפסדים גבוהים בהספק. הפסדים אלו נובעים מהקיבול הקיים בצומת P-N בדיודות ודיודות שוטקי, אשר עובדות באופן יעיל בתדרים הקטנים מ-5 טרה-הרץ. האורך גל האידיאלי שהוצג מקודם (0.4-1.6 מיקרומטר) מוביל לטווח תדרים שבין 190–750 טרה-הרץ, תדרים גבוהים מאוד מתחום תדרי העבודה של הדיודות. לכן ישנו צורך בפיתוח דיודות אלטרנטיביות על מנת להשיג המרת הספק יעילה. כיום משתמשים בדיודות מסוג "מתכת-מבודד-מתכת" (MIM) בעלות צומת מנהור. דיודות אלו (שלא כמו דיודות שוטקי) לא מושפעות מקיבול פרזיטי מכיוון שהן עובדות על תופעת מנהור אלקטרונים. בגלל תכונה זו, עובדות דיודות MIM בצורה אפקטיבית בתחום תדרים של 150 טרה-הרץ.

יתרונות

אחד היתרונות הגדולים של ננו-אנטנה הוא היעילות הגדולה (תאורטית). כאשר משווים את היעילות התאורטית של תא סולארי יחיד (30 אחוז) לננו-אנטנה יש יתרון משמעותי ביעילות. היעילות מחושבת על ידי שימוש בהשערות שונות. ההשערות המשמשות את הננו-אנטנה מתבססות על יישום של יעילות קרנו של קולטי שמש:
 
כאשר  היא הטמפרטורה של הגוף הקר, ו- היא הטמפרטורה של הגוף החם. על מנת שיעילות המרת האנרגיה תהיה גבוהה, נדרש שהפרש הטמפרטורות בין שני הגופים יהיה גדול משמעותית. רוברט ביילי טען שבניגוד ליעילות של תאים פוטו-וולטאים, זו של ננו-אנטנות יכולה לעבור את יעילות קרנו. עם זאת, טענה זו לא הוכחה על ידי ביילי.
יתרון נוסף, על ידי שימוש במערך של ננו-אנטנות ניתן לקלוט תחום נרחב של אורכי גל של אור. לעומת זאת, תאים פוטו-וולטאים (תאי שמש) בנויים ממוליכים למחצה, ולכן הם קולטים תחום אורכי גל צר וספציפי בלבד. על מנת לשנות את תחום אורכי הגל הנקלטים בתאים פוטו-וולטים, נדרש לשנות את חומר המוליך למחצה אשר נעשה בו שימוש .

מגבלות וחסרונות

כפי שתואר לעיל, החיסרון הראשון הגדול הוא תדר העבודה של האנטנה. התדר הגבוה של האור הופך את השימוש בדיודת שוטקי לא מעשי עקב היעילות הנמוכה. למרות תוצאות מבטיחות שמפגינות שדיודות מסוג MIM, יתרונות נוספים צריכים להימצא על מנת להפעיל את האנטנות ביעילות בתדרים גבוהים. 
חיסרון נוסף הוא עלות הייצור של האנטנה: ייצור ננו-אנטנה מתבצע על ידי ליתוגרפיה בעזרת קרן אלקטרונים. מכיוון שתהליך זה לא מאפשר עבודה מקבילית, תהליך הייצור הופך ליקר ואיטי. בדרך כלל, ליתוגרפיה בעזרת קרן אלקטרונים משמשת עבור מטרות מחקר בהן ישנו צורך לייצור ברזולוציות גבוהות בעקבות הדיוק בממדי האנטנה. למרות זאת, התפתחות תהליך הפוטוליתוגרפיה מאפשרת רזולוציה של כמה עשרות ננו-מטרים, מה שצפוי להוזיל את ייצורן של הננו-אנטנות על ידי שימוש בפוטוליתוגרפיה.

ייצור

ננו-אנטנות כוללות שלושה מרכיבים עיקריים: משטח הארקה, תא תהודה אופטי ואנטנה. האנטנה קולטת גלים אלקטרומגנטים, משטח ההארקה משמש כמחזיר אור לכיוון האנטנה והתא תהודה אופטי מרכז את האור לכיוון האנטנה דרך משטח ההארקה. להלן שיטות לייצור ננו-אנטנות, כאשר תהליך הייצור אינו כולל את ייצור דיודת היישור.

שיטה ליתוגרפית

במעבדה הלאומית של איידהו השתמשו בשלבים הבאים כדי לייצר את מערך הננו-אנטנות שלהן: ראשית, ציפו פרוסת סיליקון בשכבת משטח הארקה מתכתית בעומק של רבע אורך גל הנקלט, והיא צופתה שכבת סיליקון אמורפי באמצעות התזה (sputtering). על גבי שכבת הסיליקון האמורפי הונחה שכבת דקה של מגנזיום עם זהב (לסינון התדרים הרצויים) על מנת שתשמש כאנטנה. הצורה הנדרשת הודפסה באמצעות ליתוגרפיה ואחריה תהליך איכול, לקבלת התבנית המתכתית הרצויה.

ייצור גליל

במעבר לייצור בהיקף גדול יותר, תהליך עיבוד מעבדתי כגון ליתוגרפיית קרן אלקטרונים הוא איטי ויקר. לכן, שיטת ייצור גליל מאפשרת, באמצעות טכניקת ייצור חדשה המבוססת על תבנית אב, לייצר בעלות נמוכה יותר ובזמן קצר יותר. תבנית אב זאת מוחתמת באופן מכני ומדויק על גבי מצע גמיש וזול, ובכך נוצר אלמנטים בצורת לולאה מתכתיים. עבודה זאת לא כללה ייצור של מרכיב הדיודה.

הנחת שכבה אטומית

חוקרים באוניברסיטת קונטיקט משתמשים בטכניקת הנקראת הנחת שכבה אטומית (ALD-Atomic layer deposition) באזור סלקטיבי היכולה לייצרם את האנטנות באופן אמין בקנה מידה תעשייתי. המחקר בנושא עדיין נמשך לכיול של התדרים האופטימליים לאור הנראה והאינפרה-אדום.

הוכחת עקרון פעולה

הוכחת עקרון הפעולה של ננו-אנטנות התחיל עם מערך אנטנות מודפס על גבי מצע סיליקון בגודל של 1 סמ"ר. המערך נבדק באמצעות אור אינפרה-אדום בטווח אורכי גל שבין 3 ל-5 מיקרומטר. שיא האמיסיביות (קירון) מרוכז סביב אורך גל של 6.5 מיקרומטר ומגיע לגודל של 1. אמיסיביות של 1, מציין כי האנטנה קולטת את כל הפוטונים הפוגעים במצע באורך גל מסוים ויחיד. 
השוואה בין הספקטרום בניסוי והספקטרום התאורטי, אנו מוצאים קורלציה גבוהה בין התוצאות הניסיוניות לתוצאות התאורטיות. באורכי גל מסוימים, לאנטנה קיימת אמיסיביות קטנה יותר מאשר בתאוריה ואילו באורכי גל אחרים, בעיקר סביב 3.5 מיקרומטר מערך הננו-אנטנות קלטו יותר אור מאשר המצופה בתאוריה.
לאחר הוכחת עקרון הפעולה על מצע סיליקון. בוצע הניסוי על גבי מצע של פולימר גמיש. היעד לניסוי היה יצירת מערך ננו-אנטנות בעל אמיסיביות באורך גל של 10 מיקרומטר. תוצאות ראשוניות הראו שניתן לתכנן את האנטנה על פני פולימר גמיש, אך נדרשים ניסויים נוספים למיטוב (אופטימיזציה) מאפייני הננו אנטנות ועל מנת לראות את מלוא הפוטנציאל במצע פולימר גמיש.

היבט כלכלי

אנטנות אופטיות זולות יותר מתאים פוטו-וולטאים, שכן חומרי הגלם ותהליך הייצור של תאים פוטו-וולטאים הם יקרים מאוד. סטיבן נובאק העריך בשנת 2008 שעלות אנטנה היא בין 5 ל-10 דולר אמריקאי למטר רבוע (לעומת 430 דולר אמריקאי למ"ר של תאים פוטו-וולטאים). סטיבן נובאק מעריך שאם ייבחרו חומרים וטכניקות ייצור מתאימות, העלות הכללית של האנטנה לא תעלה בהרבה. האב-טיפוס של סטיבן נובאק כלל 30X61 ס"מ של פלסטיק הכולל זהב בעלות של רק 0.6 דולר אמריקאי (בשנת 2008). האב-טיפוס היה על מצע של סיליקון ועל ידי שימוש בטכניקות עיבוד מוכרות, ניתן להשתמש, תאורטית, במצע מכל סוג חומר כל עוד משטח האדמה מתפקד כראוי.