В конечном итоге исследователи считают, что конструкция их устройства — комбинация антенны из углеродных нанотрубок и диодного выпрямителя — может составить конкуренцию традиционным фотоэлектрическим технологиям для производства электричества из солнечного света и других источников. Та же технология, которая используется в ректеннах, также может напрямую преобразовывать тепловую энергию в электричество.«Эта работа представляет собой значительный шаг вперед как в фундаментальном понимании, так и в практической эффективности устройства оптической ректенны», — сказал Баратунде Кола, доцент Школы машиностроения Джорджа В. Вудраффа Технологического института Джорджии. «Это открывает эту технологию для гораздо большего числа исследователей, которые могут объединить усилия с нами, чтобы продвинуть технологию оптических ректенн, которая поможет обеспечить широкий спектр приложений, включая космические полеты».
Об исследовании сообщается 26 января в журнале Advanced Electronic Materials. Работа была поддержана Исследовательским офисом армии США в рамках программы молодых исследователей и Национальным научным фондом.
Оптические ректенны работают, связывая электромагнитное поле света с антенной, в данном случае массивом многослойных углеродных нанотрубок, концы которых открыты. Электромагнитное поле создает колебания в антенне, создавая переменный поток электронов. Когда поток электронов достигает пика на одном конце антенны, диод закрывается, захватывая электроны, затем снова открывается, чтобы уловить следующее колебание, создавая ток.Переключение должно происходить на терагерцовых частотах, чтобы соответствовать свету.
Переход между антенной и диодом должен обеспечивать минимальное сопротивление электронам, проходящим через него, когда он открыт, но предотвращать утечку в закрытом состоянии.«Название игры — максимальное увеличение количества электронов, которые возбуждаются в углеродной нанотрубке, а затем наличие переключателя, который будет достаточно быстрым, чтобы захватить их на пике», — объяснил Кола. «Чем быстрее вы переключаетесь, тем больше электронов вы можете поймать на одной стороне колебания».
Чтобы обеспечить низкую работу выхода — легкость прохождения электронов — исследователи первоначально использовали кальций в качестве металла в переходе их оксидный диод-диод-диод. Но кальций быстро разлагается на воздухе, а это значит, что во время работы устройство нужно было герметизировать и изготавливать в перчаточном ящике. Это сделало оптическую ректенну непрактичной для большинства приложений и сложной в изготовлении.
Итак, Кола, научный сотрудник NSF Эрик Андерсон и инженер-исследователь Томас Бугер заменили кальций алюминием и попробовали различные оксидные материалы на углеродных нанотрубках, прежде чем осесть на двухслойный материал, состоящий из оксида алюминия (Al2O3) и диоксида гафния (HfO2). Комбинированное покрытие для перехода углеродных нанотрубок, созданное в процессе атомного осаждения, обеспечивает квантово-механические свойства туннелирования электронов, необходимые для разработки электронных свойств оксидов вместо металлов, что позволяет использовать стабильные на воздухе металлы с более высокими рабочими функциями, чем у кальция.Ректенны, изготовленные с использованием новой комбинации, оставались работоспособными в течение года.
По словам Колы, можно использовать и другие оксиды металлов.Исследователи также спроектировали склон холма, вниз по которому падают электроны в процессе туннелирования.
Это также помогло повысить эффективность и позволяет использовать различные оксидные материалы. Новый дизайн также увеличил асимметрию диодов, что повысило эффективность.«Работая с оксидным электронным сродством, мы смогли увеличить асимметрию более чем в десять раз, что сделало эту конструкцию диода более привлекательной», — сказал Кола. «Именно здесь мы получили повышение эффективности в этой новой версии устройства».Оптические ректенны теоретически могут конкурировать с фотоэлектрическими материалами в преобразовании солнечного света в электричество.
Фотоэлектрические материалы работают по другому принципу, согласно которому фотоны выбивают электроны из атомов определенных материалов. Электроны собираются в электрический ток.В сентябре 2015 года в журнале Nature Nanotechnology Кола и Бугер сообщили о первой оптической ректенне — устройстве, которое теоретически предлагалось более 40 лет, но так и не было продемонстрировано.
Ранняя версия, о которой сообщалось в журнале, давала мощность на уровне микровольт. Ректенна теперь выдает мощность в милливольтном диапазоне, а эффективность преобразования выросла с 10 (-5) до 10 (-3) — все еще очень мало, но это значительный выигрыш.«Хотя еще есть возможности для значительного улучшения, это помещает напряжение в диапазон, в котором можно увидеть оптические ректенны, работающие с маломощными датчиками», — сказал Кола. «Есть много шагов по геометрии устройства, которые вы могли бы предпринять, чтобы сделать что-то полезное с оптической ректенной сегодня в устройствах, управляемых напряжением, которые не требуют значительного тока».Кола считает, что ректенны могут быть полезны для питания устройств Интернета вещей, особенно если их можно использовать для производства электричества из собранной тепловой энергии.
Для преобразования тепла в электричество принцип тот же, что и для светозахватывающих колебаний в поле с помощью широкополосной антенны из углеродных нанотрубок.«Люди были в восторге от термоэлектрических генераторов, но есть много ограничений на получение эффективно работающей системы», — сказал он. «Мы считаем, что ректеннная технология будет лучшим подходом для экономичного сбора тепла».В будущей работе исследовательская группа надеется оптимизировать работу антенны и улучшить свое теоретическое понимание того, как работает ректенна, что позволит провести дальнейшую оптимизацию. Однажды Кола надеется, что эти устройства помогут ускорить космические путешествия, производя энергию для электрических двигателей, которые будут разгонять космические корабли.
«Наша конечная цель — увидеть оптические ректенны из углеродных нанотрубок, работающие на Марсе и в космическом корабле, который доставит нас на Марс», — сказал он.