Med hjälp av komponenter i nanometerskala, forskare har visat den första optiska rektennan, en enhet som kombinerar funktionerna hos en antenn och en likriktardiod för att omvandla ljus direkt till likström.

Baserat på flerväggiga kolnanorör och små likriktare tillverkade på dem, de optiska rektennorna skulle kunna tillhandahålla en ny teknik för fotodetektorer som skulle fungera utan behov av kylning, energiskördare som skulle omvandla spillvärme till el – och i slutändan för ett nytt sätt att effektivt fånga upp solenergi.

I de nya enheterna, utvecklad av ingenjörer vid Georgia Institute of Technology, kolnanorören fungerar som antenner för att fånga ljus från solen eller andra källor. När ljusvågorna träffade nanorörsantennerna, de skapar en oscillerande laddning som rör sig genom likriktare anslutna till dem. Likriktarna slås på och av vid rekordhöga petahertzhastigheter, skapar en liten likström.

Miljarder rektenner i en array kan producera betydande ström, även om effektiviteten hos de enheter som visats hittills förblir under en procent. Forskarna hoppas kunna öka denna produktion genom optimeringstekniker, och tror att en rektenna med kommersiell potential kan vara tillgänglig inom ett år.

"Vi skulle i slutändan kunna göra solceller som är dubbelt så effektiva till en kostnad som är tio gånger lägre, och det är för mig en möjlighet att förändra världen på ett väldigt stort sätt" sa Baratunde Cola, en docent vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Tech. "Som en robust, högtemperaturdetektor, dessa rektennor kan vara en helt störande teknik om vi kan nå en procents effektivitet. Om vi ​​kan nå högre effektivitet, vi skulle kunna tillämpa det på energiomvandlingsteknik och solenergifångst."

Forskningen, med stöd av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), Space and Naval Warfare (SPAWAR) Systems Center och Army Research Office (ARO), är planerad att rapporteras den 28 september i tidskriften Naturens nanoteknik .

Utvecklad på 1960- och 1970-talen, rektennor har arbetat vid våglängder så korta som tio mikron, men i mer än 40 år har forskare försökt att tillverka enheter med optiska våglängder. Det fanns många utmaningar:att göra antennerna tillräckligt små för att koppla optiska våglängder, och att tillverka en matchande likriktardiod som är tillräckligt liten och kan arbeta tillräckligt snabbt för att fånga de elektromagnetiska vågsvängningarna. Men potentialen med hög effektivitet och låg kostnad fick forskarna att arbeta med tekniken.

"Fysiken och de vetenskapliga koncepten har funnits där ute, " sa Cola. "Nu var det perfekta tillfället att prova lite nya saker och få en enhet att fungera, tack vare framsteg inom tillverkningsteknik."

Med hjälp av metalliska flerväggiga kolnanorör och tillverkningstekniker i nanoskala, Cola och medarbetare Asha Sharma, Virendra Singh och Thomas Bougher konstruerade enheter som utnyttjar ljusets vågnatur snarare än dess partikelnatur. De använde också en lång rad tester – och mer än tusen enheter – för att verifiera mätningar av både ström och spänning för att bekräfta förekomsten av rektennafunktioner som hade förutspåtts teoretiskt. Enheterna fungerade vid ett temperaturintervall från 5 till 77 grader Celsius.

Tillverkning av rektennorna börjar med att växa skogar av vertikalt riktade kolnanorör på ett ledande substrat. Genom att använda kemisk ångdeposition i atomskiktet, nanorören är belagda med ett aluminiumoxidmaterial för att isolera dem. Till sist, Fysisk ångavsättning används för att deponera optiskt transparenta tunna lager av kalcium och sedan aluminiummetaller ovanpå nanorörskogen. Skillnaden i arbetsfunktioner mellan nanorören och kalcium ger en potential på cirka två elektronvolt, tillräckligt för att driva ut elektroner ur kolnanorörsantennerna när de exciteras av ljus.

I drift, oscillerande ljusvågor passerar genom den transparenta kalcium-aluminiumelektroden och interagerar med nanorören. Metall-isolator-metall-övergångarna vid nanorörsspetsarna fungerar som likriktare som slås på och av med femtosekunders intervall, tillåter elektroner som genereras av antennen att flöda en väg in i den övre elektroden. Ultralåg kapacitans, i storleksordningen några attofarads, gör det möjligt för dioden med en diameter på 10 nanometer att fungera vid dessa exceptionella frekvenser.

"En rektenn är i grunden en antenn kopplad till en diod, men när du rör dig in i det optiska spektrumet, det betyder vanligtvis en antenn i nanoskala kopplad till en metall-isolator-metalldiod, " Cola förklarade. "Ju närmare du kan komma antennen till dioden, desto effektivare är det. Så den ideala strukturen använder antennen som en av metallerna i dioden - vilket är strukturen vi gjorde."

Rektennorna som tillverkas av Colas grupp odlas på styva underlag, men målet är att odla dem på en folie eller annat material som skulle producera flexibla solceller eller fotodetektorer.

Cola ser de hittills byggda rektennorna som ett enkelt principbevis. Han har idéer för hur man kan förbättra effektiviteten genom att byta material, öppna kolnanorören för att tillåta flera ledningskanaler, och minska motståndet i strukturerna.

"Vi tror att vi kan minska motståndet med flera storleksordningar bara genom att förbättra tillverkningen av våra enhetsstrukturer, " sa han. "Baserat på vad andra har gjort och vad teorin visar oss, Jag tror att dessa enheter kan nå mer än 40 procents effektivitet."