Оптимизированная поляризация

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 17525 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Предложена новая, независимая от поляризации, широкоугольная приемная наноантенна Чанд-Бали. Алгоритм оптимизации на основе сопряжения используется для создания одинакового резонанса при обеих линейных поляризациях падающего излучения. Оптимальные параметры наноантенны показывают, что создаются две горячие точки с сильным усилением поля. Эти горячие точки могут быть интегрированы с диодами металл-изолятор-металл (MIM), чтобы сформировать ректенну для сбора инфракрасной (ИК) энергии. Металлические резонаторы позволяют выбрать несколько материалов для облегчения изготовления наноантенны и МИМ-диода. Исследованы ИК-ректенны на базе Чанд-Бали, и моделирование демонстрирует улучшение эффективности более чем на один порядок по сравнению с использованием традиционных наноантенн.

Новейшие технологии утилизации энергии пытаются смягчить последствия десятилетий использования ископаемого топлива на нашей планете для будущих поколений. Эти эффекты стимулировали исследование новых устойчивых и чистых энергетических ресурсов. Все более быстрые темпы развития Интернета вещей (IoT)1,2 и повсеместное использование интеллектуальных датчиков и устройств3,4 требуют новых технологий для их реализации. Солнечная энергия считается одним из богатых и чистых ресурсов на Земле. Современные фотоэлектрические элементы на основе кремния поглощают энергию фотонов видимого диапазона и преобразуют ее в напряжение постоянного тока5,6. Было предпринято несколько инновационных попыток использования различных полупроводниковых соединений для повышения эффективности преобразования солнечных элементов7,8,9,10,11,12. Однако почти половина солнечного спектра, которая находится в инфракрасной (ИК) области, еще не полностью использована13. Согласно теории Планка об излучении черного тела, любой объект с температурой выше абсолютного нуля будет излучать ИК-излучение на определенной длине волны, соответствующей его температуре14. Следовательно, тепловое тепловое излучение можно рассматривать как неограниченный источник энергии, распространяющийся в ИК-диапазоне длин волн от 1,0 до 10 мкм. Более длинная длина волны 10 мкм, что эквивалентно частоте 30 ТГц, представляет собой ИК-излучение объектов при комнатной температуре.

Во многих исследованиях изучалась возможность сбора энергии на длине волны около 10 мкм15,16,17,18,19,20,21,22. В 1972 году было предложено интеллектуальное устройство под названием ректенна (выпрямляющая антенна) для сбора солнечной энергии и преобразования ее в постоянный ток23. Эту ректенну (антенну плюс выпрямитель) можно описать как антенну, принимающую падающее электромагнитное излучение. Затем антенна подключается к выпрямителю, который преобразует захваченный переменный ток в постоянный. Недавние исследования прототипов ректенн показали довольно высокий КПД > 80% в микроволновом диапазоне24,25,26,27. Однако эквивалентные ректенны на ИК-частотах по-прежнему страдают недостаточной производительностью выпрямления17,22. Характеристики ректенны по существу измеряются по характеристикам каждого отдельного элемента ректенны: антенны и диода28. Кроме того, связь между двумя элементами считается критическим параметром при определении общей эффективности выпрямительной антенны29. Сверхвысокие частоты ИК-излучения ограничивают тип диода, который можно использовать30. Скорость переключения диода зависит от соответствующего ему механизма проводимости. Поскольку туннельный27 является доминирующим механизмом проводимости в структурах металл-изолятор-металл (МИМ), МИМ-диоды считаются лучшим кандидатом для работы на этих сверхвысоких частотах30,31,32. МИМ-диоды состоят из двух металлических слоев, между которыми находится изоляционный слой. Этот изолирующий слой должен быть ультратонким, в пределах нескольких нанометров, чтобы обеспечить быстрое переключение. Кроме того, по его вольт-амперным характеристикам определяются и другие показатели добротности диода33. Наиболее важными показателями производительности являются сопротивление и чувствительность диода29. Сопротивление МИМ-диода может варьироваться в пределах от нескольких сотен до Мега Ом34. Это сопротивление должно соответствовать сопротивлению антенны, чтобы обеспечить максимальную передачу мощности. Чувствительность диода, которая является мерой его нелинейности, определяет выпрямляющую способность МИМ-диода34. Было проведено несколько исследований и экспериментов для улучшения характеристик диода29. Эти попытки35,36,37,38,39,40,41,42 заключались либо в выборе различных материалов, то есть металлов и изоляторов разной толщины, либо в исследовании пакетов из нескольких слоев изолятора. Основная цель по-прежнему состоит в том, чтобы адаптировать зонную энергетическую диаграмму диода для управления его ВАХ и, соответственно, сопротивлением и чувствительностью диода. Тем не менее, изготовление изоляционного слоя (слоев) толщиной в несколько нанометров, который является однородным и воспроизводимым, является решающим элементом для производительности МИМ-диодов16,17. Сообщалось, что геометрические диоды, основанные на теории баллистического транспорта, такие как графеновые диоды43,44, обеспечивают более низкую емкость и более высокую эффективность выпрямления. Производство и работа, чувствительная к температуре, являются одними из проблем, с которыми сталкивается эта многообещающая технология.