Nanoantenn

Allikas: Vikipeedia
Joonis 1. Spektraalne lainepikkuste kiirgusintensiivsus päikesespektris. Punane varjutatud ala näitab kiirgusintensiivsust merepinna tasemel. Merepinna tasemel on vähem kiirgusintensiivsust, kuna atmosfäär neelab valgust.

Nanoantenn ehk nantenna (inglise keeles nano antenna) on nanoskoopiline antenn, eksperimentaaltehnoloogia, mida arendatakse valguse elektrienergiaks muutmiseks. Selle kontseptsioon põhineb rectennal (tuleneb inglise keelest rectifying antenna ehk alaldav antenn), seadmel, mida kasutatakse traadita jõuülekande juures. Rectenna on spetsiaalne raadioantenn, mida kasutatakse raadiolainete alalisvooluks muutmisel. Valgus koosneb elektromagnetlainetest, mis on sarnased raadiolainetega, kuid palju väiksema lainepikkusega. Nanoantenn on väga väike rectenna, mis on valguslainesuurune ja valmistatud nanotehnoloogial. See toimib nagu valguse “antenn”, muutes valguse elektriks. Loodetakse, et nanoantennide massiivid võiksid edukalt muuta päikesevalguse elektrivooluks, tootes päikeseenergiat märksa efektiivsemalt kui tavalised päikeseelemendid. Sellise idee pakkus esmakordselt välja Robert L. Bailey aastal 1972.[1] Aastani 2012 on ehitatud vaid mõned nanoantenniseadmed ja needki vaid demonstreerivad, et selline energia muutmine on võimalik. Pole teada, kas nad kunagi saada sama kuluefektiivseks kui fotogalvaaniline element.

Nanoantenn on elektromagnetiline kollektor, mis on loodud spetsiifiliste lainepikkuste kogumiseks vastavalt nanoantenni suurusele. Idaho National Laboratories (Idaho riiklik labor) on kavandanud nanoantenni, mis neelab lainepikkusi vahemikus 3–15 μm.[2] 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).[3]

Nanoantennide ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Rober Bailey ja James C. Fletcher said 1973. aastal patendi “elektromangetiliste lainete muunduri” eest.[4] Patenteeritud seade sarnanes tänapäeva nanoantennidega. Alvin M. Marks sai 1984. aastal patendi seadme eest, mis kasutas submikronilisi antenne valgusenergia otsesel muundamisel elektrienergiaks.[5] Marksi seade oli Bailey omast märkimisväärselt efektiivsem.[6] Aastal 1996 oli Guang H. Lin esimene, kes tegi ettekande resonantsvalguse neeldumisest valmistatud nanostruktuuri poolt ja nähtavas piirkonnas valguse sageduse muutmisest.[6] 2002. aastal avaldas ITN Energy Systems Inc. ettekande oma tööst optiliste antennidega koos kõrgesageduslike dioodidega. ITN kavatses ehitada nanoantennide massiivi ühekohalise arvu efektiivsusega. Kuigi neid ei saatnud edu, saadi tänu sellele paremini aru probleemidest, mis on seotud kõrge efektiivsusega nanoantenni ehitamisega.[3] Uurimistöö nanoantennide teemal kestab edasi.

Nanoantennide teooria[muuda | muuda lähteteksti]

Joonis 2. Pilt näitab pinnaefekti kõrgel sagedusel. Tume ala pinna lähedal näitab elektronide voolu ja heledam ala (sisemine) näitab väikest või puuduvat elektronide voolu.

Teooria nanoantennide taga on põhimõtteliselt sama mis rectenna (antenn, millega muudetakse mikrolained alalisvooluks) tagagi. Antennile langev valgus põhjustab antennis olevate elektronide edasi-tagasiliikumise sissetuleva valgusega samas sageduses. Selle põhjustab sissetuleva elektromagnetilise laine võnkuv elektriväli. Elektronide liikumine on vahelduvvool antenni vooluringis. Selle alalisvooluks muutmisel peab vahelduvvool olema alaldatud, seda tehakse tavaliselt mõne dioodiga. Saadud alalisvoolu saab siis kasutada välise koormuse käivitamisel. Antennide resonantsagedus (sagedus, millest tuleb madalaim sagedus ja seega ka kõrgeim efektiivsus) kaalub vastavalt lihtsale mikrolaineantenni teooriale lineaarselt antenni füüsiliste mõõtmetega.[3] Päikesespektri lainepikkused ulatuvad ligikaudu 0,3–2,0 μm.[3] Seega, et alaldav antenn oleks päikesespektris efektiivseks elektromagnetiliseks kollektoriks, peab see olema suurusjärgus sadu nanomeetreid.

Kuna tüüpilises alaldava antenni teoorias on kasutatud lihtsustusi, tõuseb nanoantennidega seotud aruteludes esile mitmeid komplikatsioone. Infrapunast kõrgematel sagedustel viiakse peaaegu kogu elektrivool traadi pinna ligidale, mis vähendab traadi läbilõike efektiivset ala, viies vastupidavuse suurenemiseni. Seda efekti nimetatakse ka “pinnaefektiks”. Ainult seadme seisukohast, I–V iseloomuomadused ei oleks enam oomilised, kuigi Ohmi seadus kehtib ikka oma üldistatud vektorkujul.

Teine järk-järgult alandamise komplikatsioon on see, et suuremates rectennades kasutatud dioodid ei saa töötada THz sagedusel ilma suurema võimsuse kaotuseta.[2] Suur võimsuse kaotus tuleneb ühenduskoha mahtuvusest (tuntud ka kui parasiitmahtuvus), mis asub pn-siirde dioodides ja Schottky dioodides, mis saavad efektiivselt töötada vaid sagedustel, mis on madalamad kui 5 THz.[3] 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. Vastupidiselt Schottky dioodidele ei mõjuta parasiitmahtuvus MIM-dioode, sest need töötavad elektrontunnelmeetodil. Seetõttu on MIM-dioodid töötanud efektiivselt umbes 150 THz sagedustel.[3]

Nanoantennide eelised[muuda | muuda lähteteksti]

Üheks suuremaks nanoantennide eeliseks peetakse nende suurt teoreetilist efektiivsust. Kui võrrelda ühe liitega 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

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, kui samu eeldusi, mida on kasutatud saavutamaks 85% teoreetilist efektiivsust nanoantennidele on kohaldatud ühe liitega päikeseelemendile, on ühe liitega 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 resonantssageduse võib valida olenevalt selle pikkusest. See on eelis pooljuhtide fotogalvaanika ees sest selleks, et neelata erinevate lainepikkustega valgust, on vaja erinevaid laineala vahemikke. Selleks et muuta laineala vahemikke, peab pooljuht olema legeeritud või tuleb kasutada hoopis erinevat pooljuhti.[2]

Nanoantennide piirangud ja puudused[muuda | muuda lähteteksti]

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 arendusi, et kõrgetel sagedustel efektiivselt töötada.

Veel üks puudus on see, et praegused nanoantennid on toodetud kasutades elektronkiire (e-kiire) litograafiat. See protsess on aeglane ja üsna kulukas, sest paralleelne töötlemine ei ole e-kiire litograafias võimalik. Tavaliselt kasutatakse e-kiire litograafiat vaid uurimise eesmärgil siis, kui on vaja eriti täpset resolutsiooni minimaalse elemendi mõõdu jaoks (enamasti nanomeetri tarbeks). Siiski, litograafilised tehnoloogiad on arenenud sinnamaani, et on võimalik omada minimaalseid funktsioonide suurusi mis ulatuvad kümnetesse nanomeetritesse, tehes võimalikuks nanoantenne toota fotolitograafia abil.

Nanoantennide tootmine[muuda | muuda lähteteksti]

Pärast seda, kui kontseptsiooni tõestamine oli lõpetatud, toodeti laboratoorsed silikoonist oblaadid, kasutades standardseid pooljuhtide mikroskeemide tootmise tehnikaid. Raamantennide massiivide metallkonstruktsioonide tootmiseks kasutati e-kiire litograafiat. Nanoantenn koosneb kolmest põhiosast: alusplaat, optilise resonantsi ava ja antenn. Antenn neelab elektromangnetlaineid, alusplaat peegeldab valguse tagasi antenni poole ning optilise resonantsi ava paindub ja koondab valguse läbi alusplaadi tagasi antenni poole.[2]

Litograafiameetod[muuda | muuda lähteteksti]

Idaho riiklik labor astus nanoantennide valmistamiseks järgmisi samme. Metallist alusplaat asetati paljale silikoonist oblaadile, järgneb atomiseerimisgaasis amorfse räni kiht. Selle kihi sügavus on umbes veerand lainepikkust. Antenniks paigaldati õhuke mangaani kirme koos kulla sageduse selektiivse pinnaga (filtreerimaks välja soovitud sagedus). Elektronkiire litograafia kaudu paigaldati ja struktureeriti takistus. Kullakiht söövitati selektiivselt ja takistus eemaldati.

Liinilt-liinile-tootmine[muuda | muuda lähteteksti]

Liikudes suurema tootmismahu poole, on sellised laboratoorse tootmise sammud nagu 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 ümaral silikoonrestil. Kasutades seda poolautomaatset protsessi, on Idaho riiklik labor tootnud hulga 4-tolliseid ruudukujulisi kuponge. Need kupongid paigutati nii, et moodustus lai paindlik nanoantennide massiivi leht.

Aatomkihi sadestamine[muuda | muuda lähteteksti]

Connecticuti ülikooli teadlased kasutavad selektiivse ala aatomkihi sadestamise tehnikat, mis on võimeline neid tööstuslikes mahtudes töökindlalt tootma.[7] Uurimistöö nende nähtavale ja infrapunavalgusele optimaalseteks sagedusteks häälestamiseks kestab.

Tööpõhimõtte tõestus[muuda | muuda lähteteksti]

Joonis 3. Eksperimentaalne ja teoreetiline kiirgustegur kui lainepikkuse funktsioon. Eksperimentaalne spekter tehti kindlaks nanoantenni kuumutamisel 200 °C-ni ja spektraalse kiirguse võrdlemisel musta keha emissiooniga 200 °C juures.

Nanoantennide tööpõhimõtte tõestus algas 1 cm2 silikoonist substraadiga, mille täitsid trükitud nanoantennide massiivid. Seadet testiti kasutades 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 (sel juhul 6,5 µm), mis langevad seadmele (vaata joonis 3).[8] 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 silikoonist substraadi kontseptsiooni tõestust korrati eksperimenti paindliku, polümeeril põhineva substraadiga. Painduva substraadi lainepikkuse eesmärk seati 10 µm peale. Esialgsed katsed näitasid, et nanoantenni disaini võib üle kanda polümeerist substraadile, kuid on vaja edasisi katseid, et omadused täielikult optimeerida.

Nanoantennide ökonoomsus[muuda | muuda lähteteksti]

Nanoantennid (just nanoantenni osa, mitte alaldi ja teised komponendid) on odavamad kui fotogalvaanika. Kui fotogalvaanika materjalid ja tootmine on kallid (2011. aastal olid valmis fotogalvaanide moodulite hinnad suurusjärgus 430 USD/m2, kuid märgata oli odavnemistedndentsi[9]), siis Steven Novacki hinnangul oli nanoantennide materjali maksumus 2008. aastal 5–11 USD/m2.[10] 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 30 x 61 cm plastist, mis sisaldas 0,60 dollari eest kulda, kuid võimalik oleks kasutada ka odavamaid materjale nagu alumiinium, vask või hõbe.[11] Prototüübis oli kasutatud silikoonist substraati, kuna selle töötlemisprotsessid on teada-tuntud, kuid teoreetiliselt oleks võinud kasutada ükskõik millist substraati, niikaua kui on võimalik alusplaadi materjal korralikult külge liita.

Tulevane uurimistöö ja eesmärgid[muuda | muuda lähteteksti]

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 antenni seadmes, vaid alaldis. Nagu enne mainitud, ei ole tänapäeva dioodid võimelised efektiivselt alaldama sagedusi, mis vastavad kõrgele infrapuna- ja nähtavale valgusele. Seega peab alaldi olema ehitatud nii, et see saab korrektselt muuta neelatud valguse kasutatavaks energiaks. Teadlased loodavad luua alaldi, mis võib muuta umbes 50% antenni neelatud lainetest energiaks.[10] Teine fookus on uurimises sellel, kuidas saada protsess nii kaugele, et seda viia masstootmiseni. Tuleb valida ja testida uusi materjale, mis sobiksid lihtsalt masstootmise protsessiga.

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. Corkish, R; M.A Green, T Puzzer (detsember 2002). "Solar energy collection by antennas". Solar Energy 73 (6): 395–401. doi:10.1016/S0038-092X(03)00033-1. ISSN 0038-092X. Vaadatud 2012-05-28. 
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 Novack, Steven D., et al. “Solar Nantenna Electromagnetic Collectors.” American Society of Mechanical Engineers (august 2008): 1–7. Idaho National Laboratory. 15. veebruar 2009 <http://www.inl.gov/pdfs/nantenna.pdf>.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 Berland, B. “Photovoltaic Technologies Beyond the Horizon: Optical Rectenna Solar Cell.” National Renewable Energy Laboratory. National Renewable Energy Laboratory. 13. aprill 2009 <http://www.nrel.gov/docs/fy03osti/33263.pdf>.
  4. http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=3760257.PN.&OS=PN/3760257&RS=PN/3760257
  5. http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=4445050.PN.&OS=PN/4445050&RS=PN/4445050
  6. 6,0 6,1 Lin, Guang H.; Reyimjan Abdu, John O'M. Bockris (1996-07-01). "Investigation of resonance light absorption and rectification by subnanostructures". Journal of Applied Physics 80 (1): 565–568. doi:10.1063/1.362762. ISSN 0021-8979. 
  7. "UConn Professor’s Patented Technique Key to New Solar Power Technology". University of Connecticut. Vaadatud 22. aprill 2013. 
  8. Robinson, Keith. Spectroscopy: The Key to the Stars. New York: Springer, 2007. Springer Link. University of Illinois Urbana-Champaign. 20. aprill 2009 <http://www.springerlink.com/content/p3878194r0p70370/?p=900b261891484572a965aca5acb7d079&pi=0>.
  9. Solarbuzz PV module pricing survey, mai 2011 <http://solarbuzz.com/facts-and-figures/retail-price-environment/module-prices>
  10. 10,0 10,1 Nanoheating”, Talk of the Nation. National Public Radio. 22. august 2008. Transcript. NPR. 15. veebruar 2009.
  11. Green, Hank. “Nano-Antennas for Solar, Lighting, and Climate Control”, Ecogeek. 7. veebruar 2008. 15. veebruar 2009. Intervjuu Dr. Novack.