Utilisation des composants à l'échelle nanométrique, les chercheurs ont mis en évidence la première antenne redresseuse optique, un dispositif qui combine les fonctions d'une antenne et d'une diode de redressement pour convertir directement la lumière en courant continu.
Basé sur des nanotubes de carbone multi-parois et redresseurs minuscules fabriquées sur eux, les rectennas optiques pourraient fournir une nouvelle technologie pour photodétecteurs qui fonctionneraient sans le besoin de refroidissement, pêcheurs de l'énergie qui serait de convertir la chaleur résiduelle en électricité - et, finalement, pour une nouvelle façon de manière efficace capter l'énergie solaire.
Dans les nouveaux dispositifs, développés par les ingénieurs à l'Institut de technologie de Géorgie, les nanotubes de carbone agissent comme des antennes pour capter la lumière du soleil ou d'autres sources. Comme les vagues de lumière frappent les antennes de nanotubes, ils créent une charge oscillant qui se déplace à travers les dispositifs de redressement qui leur sont rattachés. Les redresseurs allumer et éteindre à enregistrer les vitesses haute petahertz, créant un petit courant continu.
Des milliards de rectennas dans un tableau peuvent produire un courant significatif, bien que l'efficacité des dispositifs démontrés à ce jour reste en dessous de un pour cent. Les chercheurs espèrent que stimuler la production grâce à des techniques d'optimisation, et croient qu'un rectenna ayant un potentiel commercial peut être disponible dans un an.
"Nous pourrions finalement rendre les cellules solaires qui sont deux fois plus efficace à un coût qui est dix fois plus faible, et qui est pour moi une occasion de changer le monde d'une manière très grande", a déclaré Baratunde Cola, un professeur agrégé à la George W. Woodruff École de génie mécanique à Georgia Tech. "Comme, un détecteur à haute température robuste, ces rectennas pourraient être une technologie complètement perturbateur si nous pouvons arriver à un pour cent d'efficacité. Si nous pouvons arriver à des rendements plus élevés, nous pourrions l'appliquer à des technologies de conversion énergétique, le captage de l'énergie solaire."
La recherche, soutenue par l'Agence de défense Advanced Research Projects (DARPA), le guerre spatiale et navale (SPAWAR) Systems Center et le Army Research Office (ARO), est prévu pour être rapporté 28 Septembre dans la revue Nature Nanotechnology.
Développé dans les années 1960 et 1970, rectennas ont fonctionné à des longueurs d'onde aussi courtes que dix microns, mais pour plus de 40 ans, les chercheurs ont tenté de fabriquer des dispositifs à des longueurs d'onde optiques. Il y avait de nombreuses difficultés: les antennes faisant suffisamment petit pour quelques longueurs d'onde optiques, et la fabrication d'une diode redresseur suffisamment petit et en mesure de fonctionner assez rapidement pour capter les oscillations d'ondes électromagnétiques correspondant. Mais le potentiel de rendement élevé et à faible coût gardé scientifiques travaillant sur la technologie.
"La physique et les concepts scientifiques ont été là-bas", a déclaré Cola. "Maintenant est le moment idéal pour essayer de nouvelles choses et de faire un travail de l'appareil, grâce aux progrès de la technologie de fabrication."
Utilisation métallique multi-parois des nanotubes de carbone et des techniques de fabrication à l'échelle nanométrique, Cola et collaborateurs Asha Sharma, Virendra Singh et Thomas Bougher construit des dispositifs qui utilisent la nature ondulatoire de la lumière plutôt que sa nature de particules. Ils ont également utilisé une longue série de tests - et plus d'un millier de dispositifs - de vérifier les mesures de la tension et de courant pour confirmer l'existence de fonctions rectenna qui avait été prédite théoriquement. Les dispositifs utilisés à une plage de températures de 5 à 77 degrés Celsius.
La fabrication des rectennas commence avec la croissance des forêts de nanotubes de carbone alignés verticalement sur un substrat conducteur. Utilisation atomique dépôt en phase vapeur chimique couche, les nanotubes sont revêtus d'un matériau d'oxyde d'aluminium pour les isoler. Enfin, le dépôt physique en phase vapeur est utilisé pour déposer des couches minces optiquement transparentes de calcium puis les métaux d'aluminium au sommet de la forêt de nanotubes. La différence de fonctions de travail entre les nanotubes et le calcium fournit un potentiel d'environ deux électrons-volts, soit suffisamment pour conduire des électrons sur les antennes de nanotubes de carbone quand ils sont excités par la lumière.
En fonctionnement, les ondes d'oscillation de la lumière passer à travers l'électrode transparente calcium-aluminium et d'interagir avec les nanotubes. Les jonctions métal-isolant-métal à l'extrémité des nanotubes servent redresseurs allumer et éteindre à intervalles femtoseconde, permettant électrons générés par l'antenne de circuler dans un sens dans l'électrode supérieure. Ultra-faible capacité, de l'ordre de quelques attofarads, permet la diode de diamètre de 10 nanomètres pour fonctionner à ces fréquences exceptionnelles.
"Un rectenna est essentiellement une antenne couplée à une diode, mais quand vous vous déplacez dans le spectre optique, cela signifie généralement une antenne à l'échelle nanométrique couplé à une diode métal-isolant-métal," a expliqué Cola. "Le plus vous pouvez obtenir l'antenne à la diode, la plus efficace, il est donc la structure idéale utilise l'antenne comme l'un des métaux dans la diode -.. Qui est la structure que nous avons fait"
Les rectennas fabriqués par le groupe de Cola sont cultivés sur des substrats rigides, mais le but est de les cultiver sur une feuille ou un autre matériau qui pourrait produire des cellules solaires flexibles ou photodétecteurs.
Cola voit les rectennas construits jusqu'à présent aussi simple preuve de principe. Il a des idées sur la façon d'améliorer l'efficacité en changeant les matériaux, l'ouverture des nanotubes de carbone pour permettre à plusieurs canaux de conduction, et la réduction de la résistance dans les structures.
"Nous pensons que nous pouvons réduire la résistance de plusieurs ordres de grandeur tout en améliorant la fabrication de nos structures de dispositifs," a-t-il dit. "Sur la base de ce que les autres ont fait et ce que la théorie nous montre, je crois que ces dispositifs pourraient obtenir à plus de 40 pour cent d'efficacité."