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光转直流电:一根天线的奇思妙想

发布时间:2015-11-24 0:00:00


最近,美国佐治亚理工学院工程师开发出一种光学整流天线,能把光直接转变成直流电。研究人员认为,这一成果有望提供一种无需制冷的光检测新技术,也能收集废热转化成电力,并最终成为利用太阳能的一条新途径。

光转直流电:一根天线的奇思妙想

该光学整流天线能在5℃到77℃的温度下工作,是以碳纳米管作为天线,捕获阳光或其他光源。当光波撞击纳米管,产生的振荡电荷会通过整流器,整流器以千兆赫兹的频率开关,产生微小的直流电。虽然目前设备的效率只有1%,但数十亿整流天线排成阵列,就能产生强大电流。

整流天线开发于上世纪六七十年代,一般在10微米左右的波长范围工作,而新的整流天线进入到可见光范围,要求天线和整流二极管足够小,并能极快地捕获电磁振荡。该校乔治·伍德拉夫机械工程学院副教授巴拉图德·科拉解释说:“整流天线本质上是一个天线配上一个二极管,但到了可见光范围,意味着用纳米天线配上一个金属—绝缘—金属二极管。天线与二极管之间离得越近,效率就越高。所以,理想的结构是把天线用作二极管中的金属——这就是我们造的结构。”

光转直流电:一根天线的奇思妙想

据物理学家组织网报道,研究人员先在导电基质上生长出垂直对齐的碳纳米管丛,再用多种纳米制造技术造出了金属—绝缘—金属多层结构的整流器。在工作中,光的振荡波通过钙—铝电极并与纳米管相互作用,纳米管顶端的整流器能以飞秒速度开关,让天线产生的电子只从一个方向进入电极。

科拉说,目前造出的整流天线还需提高效率,开放碳纳米管实现多导电通道、降低电阻等将最终造出效率是目前两倍、成本更低的太阳能电池。

研究人员还希望通过最优化技术提高输出功率,他们相信有商业价值的整流天线可能一年内就会出现。相关论文在线发表于9月29日(北京时间)的《自然·纳米技术》上。

总结:

被寄予厚望的无线充电技术,主角就是整流天线,它可以把电磁波转化为能量。以前,整流天线只能接收微波;这回依靠纳米技术,整流天线突破极限,终于能够捕获可见光,很可能今后芯片既可用人工发送的微波供能,又能利用太阳光能,无限期地进行野外工作。那时不仅网络覆盖每个角落,手机用户也用不着移动电源了。(来源:科技日报)

整流天线在六七十年代研发,已经运作在短至十微米的波长上,但40多年来研究者们一直试图制造可见光波段上的设备,这里有许多挑战:使天线足够小能耦合光学波长,并制造一个匹配的整流二极管,使之足够小、操作足够快以捕获电磁波振荡。但高效率和低成本的潜力让科学家们在此技术上前仆后继。

整流天线的制造始于在导电基底上生长垂直排列的碳纳米管森林。利用化学气相沉积的原子层,碳纳米管覆以铝氧化物材料来绝缘,最后,用物理气相沉积来沉积光学透明的钙薄膜,然后在碳纳米管森林顶部沉积金属铝。碳纳米管和钙之间的功函数差异提供约2电子伏特的电势,足以驱动电子在受光激发时流出碳纳米管天线。

在运作中,光振荡波通过透明的钙铝电极并与碳纳米管相作用。碳纳米管尖端的金属-绝缘体-金属接合处充当以飞秒间隔开关的整流器,使天线产生的电子单向流入顶部电极。低至几个阿法(10-18法拉)的超低电容让这些10纳米直径的二极管能在这种超常的频率运作。

使用纳米尺度组件,乔治亚理工学院的研究者们演示了第一个光学整流器,它是一个结合天线和整流二极管功能的装置,能直接将光转换为直流电。