Nanoantenn

Nanoantenn on nanoskoopiline antenn (inglise keeles "nantenna" või "optical rectenna"), mida arendatakse valguse elektrienergiaks muutmiseks. Selle eksperimentaaltehnoloogia kontseptsioon põhineb alaldaval antennil ("rectenna", "rectifying antenna"), seadmel, mida kasutatakse traadita energiaülekandeks. Alaldav antenn on spetsiaalne raadioantenn, mida kasutatakse raadiolainete alalisvooluks muutmisel.
Valgus koosneb elektromagnetlainetest, mis sarnanevad raadiolainetega, kuid on palju väiksema lainepikkusega. Nanoantenn on väga väike alaldav antenn, mis on valguslainesuurune ja valmistatud nanotehnoloogial. See toimib nagu valguse vastuvõtuanten, muutes valguse elektriks. Loodetakse, et nanoantennide massiivid võiksid edukalt muundada päikesevalguse elektrivooluks, kasutades päikeseenergiat märksa efektiivsemalt kui tavalised päikeseelemendid. Selle idee pakkus esimesena välja Robert L. Bailey aastal 1972. 2012. aastani on ehitatud vaid mõned nanoantenniseadmed ja needki vaid demonstreerivad, et selline energia muutmine on võimalik. Pole teada, kas nad võivad kunagi saada sama kuluefektiivseks kui fotogalvaaniline element.
Nanoantenn on elektromagnetiline kollektor, mis on loodud spetsiifiliste lainepikkuste jaoks vastavalt nanoantenni suurusele. Idaho National Laboratories (Idaho riiklik labor) on kavandanud nanoantenni, mis neelab lainepikkusi vahemikus 3–15 μm. Need lainepikkused vastavad footoni energiale 0,08–0,4 eV. Põhinedes antenniteoorial, võib nanoantenn efektiivselt neelata valgust ükskõik millisel lainepikkusel, kui nanoantenni suurus on optimeeritud sellele lainepikkusele. Ideaalis tuleks kasutada nanoantenne, et neelata valgust lainepikkuste vahemikus 0,4–1,6 μm, kuna neil lainepikkustel on rohkem energiat kui kaugetel infrapunalainetel (pikematel lainepikkustel) ning need moodustavad umbes 85% kogu päikesekiirguse skaalast (vaata joonis 1).
Nanoantennide ajalugu.
Rober Bailey ja James C. Fletcher said 1973. aastal patendi elektromagnetlainete muunduri eest. Patenteeritud seade sarnanes tänapäeva nanoantennidega. Alvin M. Marks sai 1984. aastal patendi seadmele, mis kasutas submikronilisi antenne valgusenergia otsesel muundamisel elektrienergiaks. Marksi seade oli Bailey omast märkimisväärselt efektiivsem. 1996. aastal tegi Guang H. Lin ettekande resonantsvalguse neeldumisest nanostruktuuri poolt ja nähtavas piirkonnas valguse sageduse muutmisest. 2002. aastal avaldas ITN Energy Systems Inc. ettekande optiliste antennide alasest tööst koos kõrgesageduslike dioodidega. ITN kavatses ehitada nanoantennide massiivi. Kuigi neid ei saatnud edu, saadi paremini aru probleemidest, mis on seotud suure efektiivsusega nanoantenni ehitamisega. Uurimistöö nanoantennide teemal kestab edasi.
Nanoantennide teooria.
Nanoantennide teooria on põhimõtteliselt sama mis alaldaval antennil, millega muundatakse mikrolained alalisvooluks. Antennile langev valgus põhjustab antennis olevate elektronide edasi-tagasiliikumise langeva valgusega samal sagedusel. Elektronide liikumine on vahelduvvool antenni vooluringis. Selle alalisvooluks muutmisel tuleb vahelduvvool dioodiga alaldada. Saadud alalisvoolu saab siis kasutada välisel koormusel. Antenni resonantsisagedus on määratud antenni füüsiliste mõõtmetega. Päikesespektri lainepikkused ulatuvad ligikaudu 0,3–2,0 μm. Seega, et alaldav antenn oleks päikesespektris efektiivseks elektromagnetiliseks kollektoriks, peavad saele mõõtmed olema suurusjärgus sadu nanomeetreid.
Kuna tüüpilises alaldava antenni teoorias on kasutatud lihtsustusi, on nanoantennidega seotud aruteludes tõstatud mitmeid probleeme. Infrapunakiirgusest kõrgematel sagedustel surutakse peaaegu kogu elektrivool juhtme pinna lähedale (skinnefekt), mis vähendab juhtme efektiivset ristlõiget.
Teine probleem on see, et dioodid ei tööta terahertside sagedusel kuigi tõhusalt. Suur võimsuskadu tuleneb kontaktmahtuvusest (tuntud ka kui parasiitmahtuvus) nii asub pn-siirdega dioodides kui ka Schottky dioodides; nad saavad efektiivselt töötada vaid sagedustel, mis on madalamad kui 5 THz. Ideaalsed lainepikkused 0,4–1,6 μm vastavad sagedustele 190–750 THz, mis on palju suuremad kui tüüpiliste dioodide võimed. Seega tuleb efektiivseks energia muutmiseks kasutada alternatiivseid dioode. Praegustes nanoantennide seadmetes kasutatakse metall-isolaator-metall- (MIM-) tunneldioode. Erinevalt Schottky dioodidele ei mõjuta parasiitmahtuvus MIM-dioode, sest need töötavad elektrontunnelmeetodil. Seetõttu on MIM-dioodid efektiivsed umbes kuni 150 THz sagedusteni.
Nanoantennide eelised.
Üheks suuremaks nanoantennide eeliseks peetakse nende suurt teoreetilist efektiivsust. Kui võrrelda ühe siirdega päikeseelementidega (30%), on nanoantennidel selge eelis. Kuid tuleb arvesse võtta, et nende kahe efektiivsuse arvutamisel lähtutakse erinevatest eeldustest. Nanoantennidega seotud kalkulatsioonide eeldused põhinevad Carnot' efektiivsuse rakendamisel päikesekollektoritele. Carnot' efektiivsust (η) arvutatakse valemiga
formula_1 
Selles valemis on Tcold jahedama keha temperatuur ja Thot soojema keha temperatuur. Et toimuks efektiivne energia muundumine, peab kahe keha vahel olema märkimisväärne temperatuuride vahe. P. L. Bailey väidab, et nanoantennid ei ole piiratud Carnot efektiivsusega, kuid fotogalvaanika on. Siiski ei too ta oma väitele põhjendust. Veel enam, samade eeldustel on ühe siirdega päikeseelemendi teoreetiline efektiivsus samuti suurem kui 85%.
Kõige selgem nanoantennide eelis pooljuhtide fotogalvaanika ees on see, et nanoantennide massiive võib kavandada neelamaks ükskõik millise sagedusega valgust. Nanoantenni resonantsisageduse võib valida olenevalt selle pikkusest. See on eelis pooljuhtide ees, sest selleks, et neelata erinevate lainepikkustega valgust, on vaja erinevaid lainealavahemikke. Selleks aga, et muuta laineala vahemikke, peab pooljuht olema legeeritud või tuleb kasutada hoopis erisugust pooljuhti.
Nanoantennide piirangud ja puudused.
Nagu enne mainitud, üks põhilisi nanoantennide piiranguid on sagedus millel nad töötavad. Valguse kõrge sagedus ideaalses lainepikkuste vahemikus muudab tüüpiliste Schottky dioodide kasutamise ebapraktiliseks. Kuigi MIM-dioodid omavad nanoantennides kasutamiseks paljulubavaid omadusi, on vaja rohkem arendustulemusi, et kõrgetel sagedustel efektiivselt töötada.
Veel üks puudus on see, et praegused nanoantennid on toodetud elektronkiire litograafia meetodil. See protsess on aeglane ja üsna kulukas, sest paralleelne töötlemine ei ole elektronkiire litograafias võimalik. Tavaliselt kasutatakse elektronkiire litograafiat vaid uurimise eesmärgil siis, kui on vaja elementide eriti täpseid mõõtmeid (enamasti nanomeetrites). Siiski on litograafilised nanotehnoloogiad arenenud kümnete nanomeetrite piirkonda, tehes võimalikuks nanoantennide tootmise fotolitograafia abil.
Nanoantennide tootmine.
Pärast seda, kui tehnoloogia kontseptsioon oli tõestatud, toodeti laboratoorsed nanoantennid ränitoorikul, kasutades standardseid integraallülituste tootmise tehnikaid, sealjuures elektronkiire litograafiat.
Nanoantenn koosneb kolmest põhiosast: alusplaat, optilise resonantsi ava ja antenn. Antenn neelab elektromagnetlaineid, alusplaat peegeldab valguse tagasi antenni poole ning optilise resonantsi ava koondab valguse läbi alusplaadi tagasi antenni poole.
Litograafiameetod.
Idaho riiklik labor astus nanoantennide valmistamiseks järgmisi samme. Metallist alusplaat asetati paljale alusplaadile, järgneb atomiseerimisgaasis amorfse räni kiht. Selle kihi sügavus on umbes veerand lainepikkust. Antenniks paigaldati õhuke mangaanikirme koos sagedusselektiivse kullakihiga (filtreerimaks välja soovitud sagedus). Elektronkiire litograafia kaudu paigaldati ja struktureeriti resist. Kullakiht söövitati selektiivselt ja resist eemaldati.
Liinilt-liinile-tootmine.
Liikudes suurema tootmismahu poole, on elektronkiire litograafia kasutamine, liiga aeglane ja kulukas. Seetõttu arendati välja liinilt-liinile-tootmise meetod. Selleks kasutati tootmistehnikat, mis põhines peremeesstruktuuril. See peremeesstruktuur töötab nii, et ta "tembeldab" täpse struktuuri odavale painduvale substraadile ning loob seega metallist silmuselemendid, mida on näha ka laboratoorses tootmises. Idaho riiklikus laboris valmistatud peremeesstruktuur koosneb ligikaudu kümnest miljardist antennielemendist 8-tollisel ränikettal. Kasutades seda poolautomaatset protsessi, on Idaho riiklik labor tootnud hulga 4-tolliseid ruudukujulisi elemente. Need paigutati nii, et moodustus lai paindlik nanoantennide massiiv.
Aatomkihi sadestamine.
Connecticuti ülikooli teadlased kasutavad selektiivse ala aatomkihi sadestamise tehnikat, mis on võimeldanud alustada tööstuslikes mahtudes töökindlalt tootmist. Uurimistöö nanoantennide nähtavale ja infrapunavalgusele optimaalsetes sageduste häälestamiseks kestab.
Tööpõhimõtte tõestus.
Nanoantennide tööpõhimõtte tõestus algas 1 cm2 ränisubstraadiga, millele oli trükitud nanoantennide massiivid. Seadme testimisel kasutati infrapunavalgust vahemikus 3–15 µm. Kiirgusteguri tipp on kuskil 6,5 µm ligi ning kiirgustegur jõuab 1-ni. Kiirgustegur 1 tähendab, et nanoantenn neelab kõik spetsiifilise lainepikkuse footonid (katsejuhul 6,5 µm), mis langevad seadmele (vaata joonis 3). Mõnes piirkonnas oli nanoantennidel väiksem kiirgustegur kui teoreetiliselt eeldati, kuid teistes piirkondades, nimelt 3,5 µm ümber, neelas seade rohkem valgust kui eeldatud.
Pärast jäiga ränisubstraadi kontseptsiooni tõestust korrati eksperimenti painduva, polümeeril põhineva substraadiga. Painduva substraadi lainepikkuse eesmärk seati 10 µm peale. Esialgsed katsed näitasid, et nanoantenni tehnoloogia võib üle kanda polümeerist substraadile, kuid on vaja edasisi katseid, et omadused täielikult optimeerida.
Nanoantennide ökonoomsus.
Nanoantennid (just nanoantenni osa, mitte alaldi ja teised komponendid) on odavamad kui fotogalvaanika seadised. Kui fotogalvaanika materjalid ja tootmine on kallid (2011. aastal olid valmis fotogalvaanikamoodulite hinnad suurusjärgus 430 USA dollarit / m2, kuigi märgata oli odavnemistendentsi), siis Steven Novacki hinnangul oli nanoantennide materjali maksumus 2008. aastal 5–11 USD/m2. Tema hinnangul ei tule õige töötlemistehnika ja materjalivaliku korral kogu töötlemise kulu, kui on tegu korraliku masstootmisega, kuigi palju suurem. Tema prototüüp 2008. aastal oli plastist suurusega 30×61 cm, mis sisaldas 0,60 dollari eest kulda, kuid võimalik oleks kasutada ka odavamaid materjale, näiteks alumiiniumi, vaske või hõbedat. Prototüübis oli kasutatud ränisubstraati, sest selle töötlemisprotsessid on tuntud, kuid teoreetiliselt oleks võinud kasutada ükskõik millist substraati, kui on võimalik alusplaadi materjal korralikult külge liita.
Tulevane uurimistöö ja eesmärgid.
National Public Radio saates "Talk of the Nation" antud intervjuus väitis dr. Novack, et nanoantennid võivad kunagi olla kasutuses autode kütte asemel, mobiiltelefonide laadimiseks ja kodustes jahutussüsteemides. Novack väitis, et need viimased töötavad kahel viisil – neelavad ruumidest infrapunasoojust ja toodavad elektrit, mida saab kasutada ruumide jahutamiseks. (Ta ei selgitanud, kas see võiks olla vastuolus teise termodünaamika seadusega.)
Praegu pole suurim probleem mitte antenniseadmes, vaid alaldis. Nagu enne mainitud, ei ole tänapäeva dioodid võimelised efektiivselt alaldama sagedusi, mis vastavad kõrgele infrapuna- ja nähtavale valgusele. Seega on vaja niisugust alaldit, mis suudaks korrektselt muundada neelatud valguse kasutatavaks energiaks. Teadlased loodavad luua alaldi, mis võib muuta umbes 50% antenni neelatud lainetest energiaks. Teine uurimistöö fookus on sellel, kuidas saada protsess nii kaugele, et jõutaks masstootmiseni. Selleks tuleb leida ja testida masstootmiseks sobivaid materjale.