| cyqdesign | 2018-01-30 17:03 |
可提高光整流天线的效率和稳定性的新研究最终，研究人员相信他们的设备设计，即碳纳米管天线和二极管整流器的组合，可以与传统的光伏技术相竞争，用以产生来自阳光和其他能源的电能。用于整流天线相同的技术也可以直接将热能转化为电能。 “这项研究实现了一个巨大的飞跃，包括光学整流装置的基本认识和实践效率，” Baratunde Cola，他是乔治亚理工学院的乔治伍德拉夫机械工程学院副教授。“开辟这方面的技术，更多的研究者能与我们联手推进光学整流技术帮助电源的应用范围，包括空间飞行。” [attachment=81795] 上图所示为美国国家科学基金会的研究生研究员Erik Anderson正在测试一个新的高效率的整流天线的设计实现电蓝色光转换。图片来源：佐治亚理工学院 这项研究发表在近期的《Advanced Electronic Materials》杂志上。这项工作得到了美国陆军研究办公室下属的青年研究计划和美国国家科学基金会的支持。 光学整流天线通过耦合光的电磁场的天线，在这种情况下，多壁碳纳米管阵列的两端已打开。电磁场在天线中产生振荡，产生电子的交变流动。当电子流到达天线一端的峰值时，二极管关闭，捕获电子，然后重新打开以捕获下一个振荡，产生电流。 开关必须是太赫兹频率匹配的光。天线和二极管之间的连接必须提供最小的电阻，以使电子在打开的同时流过，但在闭合时防止泄漏。 “设计的初衷是最大限度地增加电子在碳纳米管中的激发，然后有一个开关，足够快，以捕捉他的峰值期，” Cola解释说。“你切换的速度越快，你就可以在振荡的一侧捕捉到更多的电子。” 为了提供低的功函数，方便电子流动，研究人员最初使用钙作为氧化物绝缘体中的金属-金属二极管结。但是钙会迅速分解在空气中，这种设备必须被封装在箱体中且操作过程中要使用手套。使光学整流天线在大多数应用中的制备变得困难。 所以研究生研究员Erik Anderson 和研究工程师Thomas Bougher用铝取代钙，并在确定在一种由氧化铝(Al2O3)和铪(HfO2)组成的双层沉淀材料之前尝试了多种氧化物材料。碳纳米管结的复合涂层是通过原子沉积过程产生的，它提供的是量子力学的电子隧穿特性，需要通过氧化物电子特性来代替金属，这使得具有比钙更高的工作功能的空气稳定金属。 整流天线的制作新的组合可以稳定保持稳定长达一年。Cola还补充说其他金属氧化物也可以使用。 [attachment=81794] 佐治亚理工学院的研究人员已经开发出一种新的效率更高的整流天线的设计。在这里，该装置的能力，图中正在把蓝光转换成电流 研究人员还设计了电子隧穿过程中落下的坡度。这也有助于提高设备效率，并允许使用各种氧化物材料。新的设计也增加了二极管的不对称性，从而提高了效率。 “通过使用氧化物电子亲和力，我们能够增加不对称超过十倍，使这个二极管设计更具吸引力，”Cola说。“这就是我们在这个新版本的设备中获得效率的真正原因。” 光学整流天线理论上可以与光伏材料将太阳光转换成电能的竞争。光伏材料使用不同的原理，即光子从某些材料的原子中发射电子。电子被收集成电流。 早在2015年Cola 和Bougher就曾在《Nature Nanotechnology》杂志上进行报道了第一个光学整流设备，那时候这种理论已经提出40多年，但从来没有证明过。 早期版本的杂志中报道产生的电能很微弱。现在生产的电力整流在毫伏范围和转换效率已经从10-5提高到10-3但仍然是很低的。 “虽然仍有显著的改善空间，最终可以实现具有整流天线设备的低功耗传感器，”Cola说。“在电压驱动的设备中仍有很多可采用的几何方法用于实现低电压驱动。” Cola认为整流天线可以用在物联网设备中，特别是如果他们可以用来回收热能发电。将热转换为电能，其原理与在宽带碳纳米管天线场中捕获光的振荡相同。 他说：“人们一直对热电发电机感到兴奋，但在一个行之有效的系统中有许多局限性。我们相信，整流天线技术将收获热经济的最佳途径。” 在今后的工作中，研究小组希望通过优化天线的操作，提高他们对设备的空间理论的理解，并实现进一步的优化。有一天，Cola希望这些设备将有助于加速太空旅行，为推动太空船的电动推进器提供动力。 “我们终极目标是看碳纳米管光学整流天线在火星上和载我们去火星的飞行器上进行工作，”他说。  来源：https://phys.org/news/2018-01-boosts-efficiency-stability-optical-rectennas.html（实验帮译）
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