Nanoanten

Nanoantenlerin Tarihi

Robert Bailey, James C. Fletcher ile birlikte 1973 yılında bir elektronik dalga dönüştürücü için patent aldılar. Bu patentlenmiş cihaz günümüzün modern nano anten cihazlarına çok benzerdi. 1984’te Alvin M. Marks ışık gücünü elektrik gücüne dönüştüren ve mikron altı antenlerin kullanımını açıkça belirten bir cihaz için başka bir patent aldı. Marks’ın cihazı Bailey’in cihazının etkinliği ile karşılaştırıldığında  önemli gelişmeler gösteriyordu. 1996’da Guang H. Lin fabrika üretimi bir nano yapı tarafından  rezonans ışık emmeyi(ışığın absorbe edilmesi) ve görünür ışık frekansındaki bir ışığın doğru akıma çevrilmesini yayımlayan ilk kişiydi. 2002’de ITN Enerji Sistemleri Şirketi yüksek frekanslı diyotlar ile optik anten çiftleri üzerindeki çalışmalarını yayımladı. ITN basit etkinliği olan bir nanoanten dizisi üretmek için çalışmalara başladı. Bunda başarısız olmalarına rağmen yüksek verimlilikli nanoantenler üretmeyle ilgili sorunlar daha iyi anlaşıldı. Nanoantenlerle ilgili araştırmalar günümüzde devam etmektedir.

Nanoanten Teorisi

Nanoantenlerin arkasında yatan teori aslında rektifiye antenlerinkiyle aynıdır. Antenin üzerine gelen ışık, antendeki elektronları gelen ışıkla aynı frekansta olacak şekilde ileri geri hareket ettirirler. Bu duruma, gelen elektromanyetik dalganın titreşen elektrik alanı neden olur. Elektronların hareketi anten içinde bir alternatif akım oluşturur. Bu alternatif akımın doğru akıma çevrilebilmesi için AC diyotlar ile rektifiye edilmelidir. Sonuçta elde edilen DC daha sonra harici yük gücü sağlamak için kullanılabilir. Antenlerin rezonans frekansı basit mikro dalga anten teorisine göre antenin fiziksel boyutu ile orantılıdır. Solar spektrumda dalga boyları yaklaşık olarak 0.3-2.0 μm arasındadır. Bu nedenle elektromanyetik kolektörlerin solar spektrumda etkili bir şekilde çalışabilmeleri için rektifiye antenin yüzlerce nanometrelik sıralardan oluşması gerekir.
Sadeleştirmeler nedeniyle, kullanılan tipik rektifiye anten teorisinde nanoantenleri tartışırken ortaya çıkan birkaç sorun vardır. Kızılötesinin üstündeki frekanslarda hemen hemen bütün akım telin etkin kesit alanını azaltacak ve direnci artıracak bir şekilde, telin yüzeyine çok yakın olarak taşınır. Bu etki aynı zamanda “yüzey etkisi” olarak da bilinir. Sadece cihaz perspektifine göre bakarsak I-V karakteristikleri artık omik olarak gözükmeyebilir hatta Ohm yasasına göre genelleştirilmiş vektör formunda bile olsa bu geçerlidir.
Aşağı ölçeklendirmede ortaya çıkan bir diğer sorun da büyük ölçekli rektifiye antenlerde kullanılan diyotların büyük güç kaybı olmadan THz frekanslarında çalışamamalarıdır. Güçteki bu büyük kayıp diyotların p-n bağlantılarında bulunan parazitik kapasite ve sadece 5 THz frekansının altında çalışabilen Schottky diyotlardan kaynaklanır. İdeal dalga boyu olan 0.4-1.6 μm arası yaklaşık olarak 190-750 THz frekans aralığına karşılık gelir ve bu aralık da tipik diyotların kapasitelerinden çok daha büyüktür. Bundan dolayı alternatif diyotlar verimli güç dönüşümü için kullanılmak zorundadırlar. Günümüzdeki nanoanten cihazlarında metal-yalıtkan-metal (MYM) tünel diyotlar kullanılır. Schottky diyotların aksine MYM diyotlar parazitik kapasitans tarafından etkilenmezler çünkü bunlar elektron tünelleme esasına göre çalışırlar. Bu yüzden MYM diyotların 150 THz frekansına yakın frekanslarda etkin bir şekilde çalıştığı görülür.

Nanoantenlerin Avantajları

Nanoantenlerin öne sürülen en büyük avantajlarından biri -teorik olarak- yüksek olan etkinlikleridir. Tek bağlantılı solar hücrelerin verimleri ile teorik olarak karşılaştırıldıklarında nanoantenlerin kayda değer bir avantaj taşıdıkları görülür. Fakat bu hesaplanan iki verim değerleri de farklı varsayımlar kullanılarak hesaplanmışlardır. Nanoanten hesaplamasında kullanılan varsayımlar Carnot’un solar kollektörlerin etkinliği üzerine yaptığı uygulamalara dayanır. Carnot verimi 
ile verilir. Burada  Tcold   cihazın soğuk gövde ısısı Tₕₒₜ ise sıcak gövde ısısıdır. Verimli enerji dönüşümünün olması için iki kutup arasındaki sıcaklık farkı manalı olmalıdır. R.L. Bailey’e göre nanoantenler fotovoltaik olduklarında Carnot verimi ile sınırlandırılamazlar. Fakat Bailey bu görüşünü ispatlayacak hiçbir argüman ortaya koymamıştır. Diğer yandan, nanoantenlerlerden %85 verim elde etmek için kullanılan varsayımlar tek bağlantılı solar hücreler için de kabul edildiğinde tek bağlantılı solar hücrelerin verimi %85’ten daha büyük olmaktadır.
Yarı ileken fotovoltaik nanoantenlerin en bariz avantajı nanoanten dizilerinin herhangi bir frekanstaki ışığı absorbe edebilecek şekilde dizayn edilebilmesinden kaynaklanır. Bir nanoantenin rezonans frekansı, antenin değişen uzunluğu tarafından seçilebilir. Bu durum yarıkondaktör fotovotaikler ile ilgili bir avantajdır. Çünkü farklı dalga boylarındaki ışığı absorbe etmek amacıyla farklı bant aralıklarına gerek vardır. Farklı bant aralıkları elde etmek içinse kullanılan yarıkondaktör alaşımlı olmalı ya da farklı bir yarıkondaktör ile beraber kullanılmalıdır.

Nanoantenlerin dezavantajları ve kısıtlamaları

Daha önce de belirtildiği gibi nanoantenlerin en önemli sınırlanmalarından biri de çalışabildikleri frekans aralıklarıdır. İdeal dalga boyu aralığındaki yüksek frekanslı ışık Schottky diyotların kullanımını kullanışsız kılar. MYM diyotların nanoantenlerin kullanımındaki umut verici özelliklerine rağmen daha yüksek frekanslarda etkin çalışmaları için daha fazla geliştirilmelerine ihtiyaç duyulmaktadır.
Bir başka dezavantaj ise günümüzdeki nano antenlerin elektron ışınımı (e-beam) litografisine göre üretilmeleridir. Bu işlem yavaş ve nispeten pahalıdır. Çünkü e-beam litografisiyle paralel işleme mümkün değildir. Tipik olarak e-beam litografisi sadece araştırmanın minimum boyutlar (nanometre türünden) için son derece iyi çözümler amaçladığında kullanılır. Oysaki fotolitografik teknikler, minimum boyutların, sadece nanometrenin onar katı büyüklüğünde olduğu yerlerde kullanılabilir ve fotolitografi vasıtasıyla nano antenlerin üretilmesini mümkün kılar.

Nanoantenlerin Üretilmesi

Konsept tanımı yapıldıktan sonra laboratuvar ölçekli silikon devre levhaları standart yarı kondüktörler kullanılarak entegre devre üretim tekniklerine göre elde edilirler. E-beam litografisi, anten düğüm dizilerinin metalik yapılarını elde etmek için kullanılır. Nano anten üç parçadan oluşur: zemin düzlemi, optik rezonans boşluğu ve anten. Anten elektromanyetik dalgaları yakalar, zemin düzlemi ışığı antene geri yansıtmak için gönderir; zemin düzlemi üzerinden antene doğru ışığı eğer ve yoğunlaştırır.

Litografi Metodu

Idaho National Labs used the following steps to fabricate their nantenna arrays. A metallic ground plane was deposited on a bare silicon wafer, followed by a sputter deposited amorphous silicon layer. The depth of the deposited layer was about a quarter of a wavelength. A thin manganese film along with a gold frequency selective surface (to filter wanted frequency) was deposited to act as the antenna. Resist was applied and patterned via electron beam lithography. The gold film was selectively etched and the resist was removed.

Roll-to-Roll Üretim

Büyük bir üretim ölçeği elde etmek için e-beam litografisi kullanımı gibi laboratuvar işlemleri çok yavaş ve pahalıdırlar. Bundan dolayı roll-to-roll üretim metodu diye adlandırdığımız teknik, ana şablon model alınarak, yeni bir üretim tekniği olarak bulunmuştur. Bu ana şablon Idaho Ulusal Laboratuvarları tarafından 8-inçlik yuvarlak silikon devre üzerinde yaklaşık 10 milyar anten bulunacak şekilde üretilmiştir. Bu yarı otomatik işlemler kullanılarak, Idaho Ulusal Laboratuvarları bir miktar 4-inclik kare kuponlar üretmişlerdir. Bu kuponlar geniş esnek nano anten levhalarını biçimlendirmek için birleştirilmiştir.

Teorinin Kanıtı

Teorinin kanıtı 1 cm²lik nano anten dizileriyle kaplanmış silikon substrat bir yüzey ile başlar. Cihaz 3 ila 15 mikron aralığındaki kızıl ötesi ışık kullanılarak teste tabi tutulur. Pik emissivitesi 6.5 mikronluk dalga boyu civarında görülür  ve 1 değerine ulaşır. 1 değerindeki emissivite cihaz üzerine düşen spesifik dalga boylarındaki bütün fotonların nano antenler tarafından absorbe edildiği anlamına gelir. Modellenen spektrumu deneyde elde edilen spektruma göre karşılaştırırsak deneysel sonuçların teorik beklentilerle uyum içinde olduğu görülür. Bazı bölgelerde nano anten teorik beklentilere göre daha düşük emissiviteye sahiptir fakat diğer bölgelerde 3.5 mikronluk dalga boyları çevresinde cihaz beklenenden daha fazla ışık absorbe eder.

Nanoantenlerin Ekonomisi

Nanoantenler (sadece nanoanten parçası; doğrultucu ve diğer bileşenler hariç) fotovoltaiklerden daha ucuzdur. Malzemeler ve fotovoltaik işleme ise pahalıdır. (Şu anda tamamlanmış fotovoltaik modüllerin maliyeti m² başına 430$ civarındadır ve bu miktar zamanla azalacaktır.) Steven Novack sadece nano anten materyallerinin maliyetini 2008 yılı itibarıyla m² başına 5-11$ arasında olarak tahmin etmiştir. Uygun üretim teknikleri ve farklı materyal seçimleri ile ise toplam üretim maliyetinin daha fazla artmayacağını tahmin etmiştir. 2008 fiyatı ile 0.60$ altın içeren 30 x 60 cm boyutundaki prototipinin alüminyum, bakır ve gümüş gibi materyallere indirgenme olasılığı mevcuttur. Bu prototip bilinen işleme tekniklerine göre bir silikon substrat kullanılır fakat herhangi bir substrat da teorik olarak zemin düzlemi parçasına düzgünce yapıştırılarak kullanılabilir.

Gelecekteki Araştırmalar ve Amaçlar

National Public Radio's Talk of the Nation’daki bir röportajda Dr. Novack nano antenlerin günün birinde otomobillerde güç üretmek için, cep telefonlarını şarj etmek için hatta evlerimizi serin tutmak için kullanılacaklarını iddia etmiştir. 
Günümüzdeki problemlerin en büyüğü anten cihazlarından değil doğrultuculardan kaynaklanır. Daha önce de ifade edildiği gibi günümüzde kullanılan diyotlar yüksek kızılötesi ve görünebilir ışığa karşılık gelen frekanslardaki ışığı doğru akıma çevirmek için yetersiz kalmaktadırlar. Bu nedenle bir doğrultucunun absorbe edilen ışığı kullanılabilir enerjiye uygun olarak çevirecek bir şekilde tasarlanmalıdır. Araştırmacılar antenlerin absorbe ettiği ışığın %50’sini enerjiye dönüştürebilecek yapıya sahip bir doğrultucu üretmeyi ummaktadırlar. Araştırmanın bir diğer odak noktası ise seri üretimin nasıl olabileceği üzerinde durulmasıdır. Bunun için de Roll-to-roll üretime uygun şekilde yeni materyaller seçilmeli ve test edilmelidir.