整流天线起到了高频无线电接收器的作用。该设备主要由一个二极管和一个天线组成,已被用于支持红外(IR)传感和无线通信等应用。

现在,来自科罗拉多大学博尔德分校的科学家们希望通过制造从废热中获取能量的光学设备来扩展整流天线的能力。

光学整流天线太小,肉眼无法看到,据其发明者说,它的效率大约是用于能量收集的类似工具的100倍。

能量收集是通过一个神秘的,甚至是诡异的过程来实现的,这个过程被称为“共振隧穿”——在这个过程中电子通过固体物质而不消耗任何能量。

“他们像幽灵一样进去,”第一作者Amina Belkadi说她最近获得了科罗拉多大学博尔德分校电子、计算机和能源工程系(ECEE)的博士学位。

Belkadi和她的团队的结论发表在一篇论文中发表在本月的杂志上自然通讯

据科罗拉多大学博尔德分校的研究小组称,这个演示——由热板提供的热量产生0.5纳瓦的能量——是可再生能源中可能改变游戏规则的应用的一个小样本。

例如,从理论上讲,工作中的整流天线可以收集工厂烟囱或烘焙炉产生的废热。一些科学家甚至提议在高空飞行的飞机上安装整流天线,以捕获从地球向外太空辐射的能量。

整流天线如何工作?

贝尔卡迪说,整流天线就像汽车无线电天线;然而,这种设备不是接收无线电波,而是吸收光并将其转化为能量。

在传统的整流天线中,电子必须通过绝缘体才能产生能量。这些绝缘体增加了电阻,减少了工程师可以收集的电量。

科罗拉多大学博尔德分校的团队有一个与直觉相反的想法:如果添加一个绝缘体可以以某种方式提供更多的能量会怎样?

事实证明,一种额外的绝缘体创造了一种称为量子“阱”的能量现象。

研究人员证明,当电子以适当的能量撞击阱时,它们可以像幽灵一样穿过绝缘体。

Belkadi说:“如果你选择正确的材料,并使它们具有正确的厚度,那么它就会产生这种电子看不到阻力的能量水平。”“它们只是呼啸而过。”

你变焦的速度越快,你能获得的能量就越大。

为了测试这种可怕的效应,Belkadi和她的同事们在实验室的热板上排列了一个由25万个蝴蝶结形状的整流天线组成的网络。这些设备只能捕获不到1%的热量。

演示的能源效率很低,只有0.5 nW/m2的功率,但目标是达到1 mW/m2。

“如果我们使用不同的材料或改变我们的绝缘体,那么我们可能会做得更深,”她说。“阱越深,通过的电子就越多。”

在简短的采访中金宝搏官网下面,Belkadi解释了提高能源效率的计划,并设想了收集能源的新想法,就像世界各地的太阳能电池一样。

金宝搏官网技术简介:你的天线是什么样的?

阿米娜Belkadi这里的主要部件是天线和高速二极管。我们的团队专门制造这种快速二极管。

二极管位于领结天线的馈电点,然后有测量信号的引线。

因为我们把热量当作源,所以频率是以太赫兹为单位的。这意味着我们的天线和二极管的尺寸需要非常小,所以我们正在处理的是量子物理而不是常规物理定律,而量子力学规则更难遵循和调整。在量子中事情没有那么简单。

CU Boulder-developed整流天线的组成部分。(图片来源:Belkadi)

金宝搏官网考虑到组件的小尺寸,您还有其他的设计挑战吗?

阿米娜Belkadi:另一个尺寸挑战来自制造。我们的二极管需要极薄的绝缘体:小于1纳米。制造技术限制了你能可靠地做到多薄。一种材料需要数年的时间才能达到理想的沉积条件。对于这些二极管,主要的研究方法通常是材料研究。所以你可以想象转换材料并试图调整它们来制造极薄的层是多么困难。我们面临的挑战和问题是:“当你走那么薄的时候,电影是连续的吗?”是重复的吗?”

金宝搏官网在你的演示中,你捕获了多少能量?我们需要多少能量才能将这种技术应用于现实世界,这种捕获的可能性有多大?

阿米娜Belkadi我们最初的概念验证演示产生了0.5 nW/m2的功率。与我们所需要的高效技术相比,这是一个非常小的数字。目标是至少达到1mw /m2。要实现这一目标,就需要更好的二极管(整流效率至少要达到目前的1000倍),并对系统进行其他改进,比如采用补偿结构来提高耦合效率。共振隧道已经证明了这是可能的,但仍有重要的工作要做。

金宝搏官网你能给我介绍一个具体的令人兴奋的应用吗?你设想用整流天线收集废热并将其转化为电力?

阿米娜Belkadi我希望能看到整流天线与太阳能电池结合在一起,这样太阳能电池就可以在白天收集太阳的能量,整流天线可以在晚上收集地球辐射的热量。任何热源都是整流天线的理想位置!当你在夜晚用红外摄像机从外太空观察地球时,你会注意到我们产生了多少热量——整流天线可以产生能量,并在夜间减少电池的使用。

金宝搏官网我在理解类似“Ghost”的物理上有点困难。是什么激发了你去尝试这种机制?

阿米娜Belkadi当你进入非常小的维度时,量子物理就起作用了。你可以把金属-绝缘体-金属(MIM)二极管中的绝缘体想象成厚壁。电子试图穿过这些壁,它们在特定的能级上以一定的概率成功。共振隧穿所做的是,它允许一定能级的电子,以100%的概率通过这些壁。这意味着它们不会失去任何能量,也不会遇到阻力——因此,就有了鬼魂的类比。

你可以想象电子在常规情况下,以不同的概率,以多种能量进入。共振隧穿使特定单一能级的电子能够以100%的透射概率进入。这就是降低二极管电阻的原因。

金宝搏官网:整流天线目前在哪里使用?在我们将整流天线作为可再生能源的主流应用之前,需要发生什么?

阿米娜Belkadi在我们将整流天线作为能量收集装置之前,我们需要将二极管整流效率提高100x-1000x。共振隧穿让我们离目标更近了100-1000倍,但还不够。也许有两个或三个共振隧穿能级就可以了,除了这是一个非常困难的任务。为了研究和理解某些薄膜在太赫兹频率下的行为,材料科学领域需要进行重大研究。也许是其他一些我们还没有想到的隧道机制,或者可能是综合效应。

金宝搏官网你下一步将从事什么工作?

阿米娜Belkadi当前我正在写几篇博士论文:1)使用mimi二极管整流天线阵列来收集余热的演示2)太赫兹二极管和天线的补偿结构。

金宝搏官网:你的技术/方法与现有的整流天线能源技术有何不同(就像这张来自乔治亚理工学院的照片

阿米娜Belkadi这是一个很好的视频。可乐教授参观了我们的实验室,我们就整流天线进行了很多讨论。首先,我们处理的频率范围不同。我们的应用是废热,其峰值为10.6 um (30 THz)。佐治亚理工学院的整流天线正试图捕获入射光,其峰值频率为500纳米(当他们在我们的实验室用我们的激光器和频率测试整流天线时,他们的整流天线没有反应)。

另一个主要区别是我们使用MIM二极管而他们的整流天线使用碳纳米管。我们的整流天线配置较旧,我们的创新依赖于工程,MIM二极管更高效。Cola和团队展示了一种整流天线,它可以捕获碳纳米管中的辐射,并在尖端对其进行整流(这是同类产品中的第一种)。我们对这项技术感到非常兴奋,并希望其他人能够采用它,进一步研究,看看它的未来。

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