Polarizzazione ottimizzata

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 17525 (2023) Citare questo articolo

Dettagli sulle metriche

Viene proposta una nuova nano-antenna Chand-Bali con ricezione grandangolare, indipendente dalla polarizzazione. Un algoritmo di ottimizzazione basato sugli additivi viene utilizzato per creare la stessa risonanza su entrambe le polarizzazioni lineari della radiazione incidente. I parametri ottimali della nano-antenna rivelano che vengono creati due punti caldi con un forte potenziamento del campo. Questi punti caldi potrebbero essere integrati con diodi metallo-isolante-metallo (MIM) per formare una rectenna per la raccolta di energia a infrarossi (IR). I risonatori metallici consentono di selezionare diversi materiali per facilitare la fabbricazione della nanoantenna e del diodo MIM. Vengono studiate le rectenne IR basate su Chand-Bali e le simulazioni dimostrano un miglioramento di oltre un ordine di grandezza in termini di efficienza rispetto a quelle che utilizzano nano-antenne tradizionali.

Le recenti tecnologie di recupero energetico stanno tentando di mitigare gli effetti di decenni di utilizzo di combustibili fossili sul nostro pianeta per le generazioni future. Questi effetti hanno stimolato l’esplorazione di nuove risorse energetiche sostenibili e pulite. I progressi sempre più rapidi nell’internet delle cose (IoT)1,2 e l’uso onnipresente di sensori e dispositivi intelligenti3,4 richiedono nuove tecniche per alimentarli. L’energia solare è considerata una delle risorse abbondanti e pulite sulla terra. Gli attuali impianti fotovoltaici basati su Si assorbono l'energia dei fotoni nella gamma visibile e la convertono in tensione continua5,6. Sono stati esplorati diversi tentativi innovativi utilizzando diversi composti semiconduttori per migliorare l'efficienza di conversione delle celle solari7,8,9,10,11,12. Tuttavia, quasi la metà dello spettro solare, che si trova nella regione degli infrarossi (IR), non è ancora completamente sfruttata13. Secondo la teoria di Planck sulla radiazione del corpo nero, qualsiasi oggetto al di sopra della temperatura dello zero assoluto emetterà radiazione IR a una certa lunghezza d'onda corrispondente alla sua temperatura14. Pertanto, la radiazione termica può essere considerata come una fonte di energia illimitata che si estende nell’intervallo di lunghezze d’onda IR da 1,0 a 10 μm. La lunghezza d'onda maggiore di 10 μm, che equivale alla frequenza di 30 THz, rappresenta la radiazione IR degli oggetti a temperatura ambiente.

Molti studi hanno studiato la possibilità di raccogliere energia intorno a questa lunghezza d'onda di 10 μm15,16,17,18,19,20,21,22. Nel 1972 fu proposto un dispositivo intelligente chiamato rectenna (antenna rettificatrice) per raccogliere l’energia solare e convertirla in corrente continua23. Questa rectenna (antenna più raddrizzatore) può essere descritta come un'antenna che riceve la radiazione elettromagnetica incidente. L'antenna viene quindi collegata ad un raddrizzatore che converte la corrente alternata catturata in corrente continua. Recenti ricerche sui prototipi di rectenna hanno raggiunto efficienze piuttosto elevate > 80% nella gamma delle microonde24,25,26,27. Tuttavia, le antenne equivalenti alle frequenze IR soffrono ancora di prestazioni di raddrizzamento inadeguate17,22. La prestazione della rectenna si misura essenzialmente attraverso la prestazione di ogni singolo elemento della rectenna: l'antenna e il diodo28. Inoltre, l'accoppiamento tra i due elementi è considerato un parametro critico nel determinare l'efficienza totale della rectenna29. Le frequenze ultraelevate della radiazione IR limitano il tipo di diodo che può essere utilizzato30. La velocità di commutazione del diodo dipende dal corrispondente meccanismo di conduzione. Poiché il tunneling27 è il meccanismo di conduzione dominante nelle strutture metallo-isolante-metallo (MIM), i diodi MIM sono considerati il ​​miglior candidato per funzionare a queste frequenze ultraelevate30,31,32. I diodi MIM sono costituiti da due strati metallici che racchiudono uno strato isolante. Questo strato isolante deve essere ultrasottile, nell'ordine di pochi nanometri per mantenere le prestazioni di commutazione rapida. Inoltre, altre cifre di merito del diodo sono determinate dalle sue caratteristiche corrente-tensione33. Le misure di prestazione più importanti sono la resistenza e la reattività del diodo29. La resistenza del diodo MIM può variare nell'intervallo da diverse centinaia a Mega Ohm34. Questa resistenza deve corrispondere a quella dell'antenna per consentire il massimo trasferimento di potenza. La reattività del diodo, che è una misura della non linearità del diodo, determina la capacità di rettifica del diodo MIM34. Sono stati effettuati diversi studi ed esperimenti per migliorare le prestazioni del diodo29. Questi tentativi35,36,37,38,39,40,41,42 sono avvenuti selezionando materiali diversi, ad esempio metalli e isolanti, con spessori diversi, o esaminando pile di più strati isolanti. L'obiettivo principale è ancora quello di adattare il diagramma delle bande di energia del diodo per controllarne le caratteristiche IV e di conseguenza la resistenza e la reattività del diodo. Tuttavia, la fabbricazione di uno o più strati isolanti di pochi nm, che sia uniforme e riproducibile, è un elemento cruciale per le prestazioni dei diodi MIM16,17. È stato segnalato che i diodi geometrici basati sulla teoria del trasporto balistico, come i diodi al grafene,43,44 raggiungono una capacità inferiore e una maggiore efficienza di raddrizzamento. La fabbricazione e il funzionamento sensibile alla temperatura sono tra le sfide che incontra questa promettente tecnologia.