Det mesta solljus som träffar jorden absorberas av dess ytor, hav och atmosfär. Som en följd av denna uppvärmning, infraröd strålning avges konstant runt omkring oss och uppskattas till miljontals gigawatt per sekund. Ett KAUST -team har nu utvecklat en enhet som kan utnyttja denna energi, samt spillvärme från industriprocesser, genom att omvandla kvadrilliondel-av-en-sekunders vågsignaler till användbar elektricitet.

Till skillnad från solpaneler som är begränsade av dagsljus och väderförhållanden, infraröd värme kan skördas 24 timmar om dygnet. Ett sätt att uppnå detta är att behandla avfall eller infraröd värme som högfrekventa elektromagnetiska vågor. Använda lämpligt utformade antenner, uppsamlade vågor skickas till en likriktare, vanligtvis en halvledardiod, som omvandlar växelvisa signaler till likströmsladdning för batterier eller kraftenheter.

Det har varit svårt att genomföra dessa "rektenna" -designer. Eftersom infraröda utsläpp har mycket små våglängder, de behöver mikro- eller nanoskalaantenner som inte är lätta att tillverka eller testa. Dessutom, infraröda vågor oscillerar tusentals gånger snabbare än en typisk halvledare kan flytta elektroner genom sin korsning. "Det finns ingen kommersiell diod i världen som kan fungera med så hög frekvens, "säger Atif Shamim, projektledare från KAUST. "Det är därför vi vände oss till kvanttunnel."

Tunnelanordningar, såsom metall-isolator-metall (MIM) -dioder, rätta till infraröda vågor till ström genom att flytta elektroner genom en liten barriär. Eftersom denna barriär bara är en nanometer tunn, MIM-dioder kan hantera högfrekventa signaler i storleksordningen femtosekunder. För att generera de intensiva fält som behövs för tunnling, laget vände sig till en unik "bowtie-formad" nano-antenn som klämmer ihop den tunna isoleringsfilmen mellan två något överlappade metallarmar.

"Den mest utmanande delen var överlappningen mellan de två antennarmarna i nanoskala, som krävde mycket exakt inriktning, säger postdoktor, Gaurav Jayaswal. "Ändå, genom att kombinera smarta knep med de avancerade verktygen på KAUSTs nanofabrikationsanläggning klarade vi detta steg ".

Genom att välja metaller med olika arbetsfunktioner, den nya MIM -dioden kan fånga de infraröda vågorna med noll applicerad spänning, en passiv funktion som bara slår på enheten när det behövs. Experiment med infraröd exponering avslöjade att fluga lyckades skörda energi enbart från strålningen, och inte från termiska effekter, vilket framgår av en polarisationsberoende utspänning.

"Detta är bara början-ett bevis på koncept, "säger Shamim." Vi kan ha miljoner sådana enheter anslutna för att öka den totala elproduktionen. "