Forskargruppen som tillkännagav den första optiska rektennan 2015 rapporterar nu en dubbel effektivitetsförbättring i enheterna – och en byte till luftstabila diodmaterial. Förbättringarna skulle kunna göra det möjligt för rektennorna - som omvandlar elektromagnetiska fält vid optiska frekvenser direkt till elektrisk ström - att driva enheter med låg effekt som temperatursensorer.

I sista hand, forskarna tror att deras enhetsdesign - en kombination av en kolnanorörsantenn och en diodlikriktare - skulle kunna konkurrera med konventionell solcellsteknik för att producera elektricitet från solljus och andra källor. Samma teknik som används i rektennorna kan också direkt omvandla värmeenergi till elektricitet.

"Detta arbete tar ett betydande steg framåt i både grundläggande förståelse och praktisk effektivitet för den optiska rektennaenheten, sa Baratunde Cola, en docent vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Det öppnar upp den här tekniken för många fler forskare som kan gå samman med oss ​​för att utveckla den optiska rektennateknologin för att hjälpa till att driva en rad applikationer, inklusive rymdfärd."

Forskningen rapporteras 26 januari i tidskriften Avancerat elektroniskt material . Arbetet har stötts av U.S. Army Research Office under Young Investigator Program, och av National Science Foundation.

Optiska rektenner fungerar genom att koppla ljusets elektromagnetiska fält till en antenn, i detta fall en rad flerväggiga kolnanorör vars ändar har öppnats. Det elektromagnetiska fältet skapar en oscillation i antennen, producerar ett alternerande flöde av elektroner. När elektronflödet når en topp i ena änden av antennen, dioden stängs, fångar elektronerna, öppnas sedan igen för att fånga nästa svängning, skapa ett strömflöde.

Omkopplingen måste ske vid terahertz-frekvenser för att matcha ljuset. Kopplingen mellan antennen och dioden måste ge minimalt motstånd mot elektroner som strömmar genom den när den är öppen, ändå förhindra läckage när den är stängd.

"Namnet på spelet är att maximera antalet elektroner som blir exciterade i kolnanoröret, och sedan ha en switch som är tillräckligt snabb för att fånga dem när de är som mest, " Cola förklarade. "Ju snabbare du byter, desto fler elektroner kan du fånga på ena sidan av oscillationen."

För att ge en låg arbetsfunktion - lätt elektronflöde - använde forskarna initialt kalcium som metall i deras oxidisolator - metalldiodövergång. Men kalcium bryts ner snabbt i luft, vilket innebär att enheten måste kapslas in under drift - och tillverkas i ett handskfack. Det gjorde den optiska rektennan både opraktisk för de flesta applikationer och svår att tillverka.

Så Cola, NSF Graduate Research Fellow Erik Anderson och forskningsingenjör Thomas Bougher ersatte kalciumet med aluminium och provade en mängd olika oxidmaterial på kolnanorören innan de satte sig på ett dubbelskiktsmaterial bestående av aluminiumoxid (Al2O3) och hafniumdioxid (HfO2). Kombinationsbeläggningen för kolnanorörsövergången, skapas genom en atomavsättningsprocess, ger de kvantmekaniska elektrontunnelegenskaperna som krävs genom att konstruera de elektroniska oxidegenskaperna istället för metallerna, vilket gör att luftstabila metaller med högre arbetsfunktioner än kalcium kan användas.

Rektennor tillverkade med den nya kombinationen har varit funktionella så länge som ett år. Andra metalloxider kan också användas, sa Cola.

Forskarna konstruerade också lutningen av kullen nerför vilken elektronerna faller i tunnelprocessen. Det bidrog också till att öka effektiviteten, och tillåter användning av en mängd olika oxidmaterial. Den nya designen ökade också asymmetrin hos dioderna, vilket ökade effektiviteten.

"Genom att arbeta med oxidelektronaffiniteten, vi kunde öka asymmetrin med mer än tio gånger, gör denna dioddesign mer attraktiv, " sa Cola. "Det var verkligen där vi fick effektivitetsvinsten i den här nya versionen av enheten."

Optiska rektennor skulle teoretiskt kunna konkurrera med fotovoltaiska material för att omvandla solljus till elektricitet. PV-material fungerar enligt en annan princip, där fotoner slår elektroner från atomerna i vissa material. Elektronerna samlas till elektrisk ström.

I september 2015 i tidskriften Nature Nanotechnology, Cola och Bougher rapporterade den första optiska rektennan - en enhet som hade föreslagits teoretiskt i mer än 40 år, men aldrig demonstrerat.

Den tidiga versionen som rapporterades i tidskriften producerade ström på mikrovoltnivåer. Rectennan producerar nu effekt i millivoltsområdet och omvandlingseffektiviteten har gått från 10 (-5) till 10 (-3) - fortfarande mycket låg, men en betydande vinst.

"Även om det fortfarande finns utrymme för betydande förbättringar, detta sätter spänningen i det intervall där du kan se optiska rektennor som arbetar med lågeffektsensorer, ", sa Cola. "Det finns många enhetsgeometristeg du kan ta för att göra något användbart med den optiska rektennan idag i spänningsdrivna enheter som inte kräver någon betydande ström."

Cola tror att rektennorna kan vara användbara för att driva internet of things-enheter, speciellt om de kan användas för att producera elektricitet från renad termisk energi. För att omvandla värme till el, principen är densamma som för ljusfångande svängningar i ett fält med bredbandig kolnanorörsantenn.

"Folk har varit entusiastiska över termoelektriska generatorer, men det finns många begränsningar för att få ett system som fungerar effektivt, ", sa han. "Vi tror att rectenna-tekniken kommer att vara den bästa metoden för att skörda värme ekonomiskt."

I framtida arbete, forskargruppen hoppas kunna optimera antenndriften, och förbättra sin teoretiska förståelse av hur rektennan fungerar, möjliggör ytterligare optimering. En dag, Cola hoppas att enheterna kommer att hjälpa till att påskynda rymdresor, producerar kraft för elektriska thrusters som kommer att öka rymdfarkoster.

"Vårt slutspel är att se optiska rektennor av kolnanorör arbeta på Mars och i rymdfarkosten som tar oss till Mars, " han sa.