Nanoanten

Bir nanoanten, ışığı elektrik gücüne dönüştürmek için geliştirilmiş deneysel bir teknoloji olan nanoskopik rektifiye bir antendir. Yani nanoantenler ile ilgili kavram kablosuz güç iletiminde kullanılan bir cihaz olan rektifiye antenlere dayanır. Bir rektifiye anten radyo dalgalarını doğru akıma dönüştüren özelleştirilmiş bir radyo antenidir. Işık, radyo dalgalarına benzeyen elektromanyetik dalgalardan oluşur fakat; daha küçük dalga boylarına sahiptir. Bir nanoanten, nanoteknoloji kullanılarak üretilmiş, ışık için anten görevi gören ve ışığı elektrik akımına dönüştüren, hemen hemen bir ışık dalgası boyutunda olan çok küçük rektifiye antendir. Nanoanten dizilerinin geleneksel güneş pillerine göre daha verimli bir şekilde güneş ışığını elektrik gücüne dönüştüren bir araç olmaları beklenir. Bu fikir ilk olarak Robert L. Bailey tarafından 1972 yılında ortaya atılmıştır. 2012 itibarıyla enerji dönüşümünün mümkün olduğunu gösteren sadece birkaç adet nanoanten cihazı üretilebilmiştir. Nanoantenlerin bir gün fotovoltaik piller kadar etkin maliyetli olabilecekleri halen bilinememektedir.
Bir nanoanten, nanoantenin boyutuna uygun spesifik dalga boylarını absorbe etmek için tasarlanmış bir elektromanyetik kollektördür. Bu günlerde Idaho Ulusal Laboratuvarları 3-15 μm uzunluğundaki dalga boylarını absorbe etmek üzere tasarlanmış bir nanoanten tasarlamaktadır. Bu dalga uzunluğu 0.08 - 0.4 eV foton enerjisine karşılık gelir. Anten teorisine göre, bir nanoanten, nanoantenin boyutu belirli bir dalga boyu için optimize edilmiş olmak koşuluyla, herhangi bir dalgaboyundaki ışığı verimli bir şekilde absorbe edebilir. İdeal olarak nanoantenler 0.4 - 1.6 μm arasındaki dalga boylarını absorbe etmek için kullanılmalıdırlar. Çünkü bu aralıktaki dalga boyları, uzak- kızılötesinden (daha uzun dalga boyları) daha yüksek enerjiye sahiptirler ve solar radyasyon spektrumunun yaklaşık olarak %85ini oluştururlar.
Bir nanoanten, nanoantenin boyutuna uygun spesifik dalga boylarını absorbe etmek için tasarlanmış bir elektromanyetik kollektördür. Bu günlerde Idaho Ulusal Laboratuvarları 3-15 μm uzunluğundaki dalga boylarını absorbe etmek üzere tasarlanmış bir nanoanten tasarlamaktadır. Bu dalga uzunluğu 0.08 - 0.4 eV foton enerjisine karşılık gelir. Anten teorisine göre, bir nanoanten, nanoantenin boyutu belirli bir dalga boyu için optimize edilmiş olmak koşuluyla, herhangi bir dalgaboyundaki ışığı verimli bir şekilde absorbe edebilir. İdeal olarak nanoantenler 0.4 - 1.6 μm arasındaki dalga boylarını absorbe etmek için kullanılmalıdırlar. Çünkü bu aralıktaki dalga boyları, uzak- kızılötesinden (daha uzun dalga boyları) daha yüksek enerjiye sahiptirler ve solar radyasyon spektrumunun yaklaşık olarak %85ini oluştururlar.
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. 1984te Alvin M. Marks ışık gücünü elektrik gücüne dönüştüren ve mikron altı antenlerin kullanımını açıkça belirten bir cihaz için başka bir patent aldı. Marksın cihazı Baileyin cihazının etkinliği ile karşılaştırıldığında önemli gelişmeler gösteriyordu. 1996da 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. 2002de 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 Carnotun 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. Baileye 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 %85ten 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 demeti litografisine göre üretilmeleridir. Bu işlem yavaş ve nispeten pahalıdır. Çünkü elektron demeti litografisiyle paralel işleme mümkün değildir. Tipik olarak elektron demeti 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. Elektron demeti 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 elektron demeti litografisi kullanımı gibi laboratuvar işlemleri çok yavaş ve pahalıdırlar. Bundan dolayı üretim metodu diye adlandırılan 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 Nationdaki 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 %50sini 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.