最適化された偏光

Scientific Reports volume 13、記事番号: 17525 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

新しい、偏波に依存しない広角受信チャンドバリナノアンテナが提案されています。 アジョイントベースの最適化アルゴリズムを使用して、入射放射線の両方の直線偏光で同じ共振を作成します。 ナノアンテナの最適パラメータにより、強力な電界増強を伴う 2 つのホット スポットが作成されることがわかります。 これらのホットスポットを金属 - 絶縁体 - 金属 (MIM) ダイオードと統合して、赤外線 (IR) エネルギーハーベスティング用のレクテナを形成することができます。 金属共振器を使用すると、ナノアンテナと MIM ダイオードの製造を容易にするためにいくつかの材料を選択できます。 チャンド・バリ島に拠点を置く IR レクテナが調査され、シミュレーションにより、従来のナノアンテナを使用したものと比較して効率が 1 桁以上向上していることが実証されました。

最近のエネルギー回収技術は、数十年にわたる化石燃料の使用による地球上の影響を将来の世代のために軽減しようとしています。 これらの効果は、新しい持続可能でクリーンなエネルギー資源の探索を刺激しています。 モノのインターネット (IoT) 1、2 のますます急速な進歩と、スマート センサーやデバイスの普及 3、4 には、それらを強化するための新しい技術が必要です。 太陽エネルギーは、地球上に豊富でクリーンな資源の 1 つと考えられています。 現在の Si ベースの太陽光発電は、可視範囲の光子のエネルギーを吸収し、それを DC 電圧に変換します 5,6。 太陽電池の変換効率を向上させるために、さまざまな半導体化合物を使用したいくつかの革新的な試みが検討されています7、8、9、10、11、12。 しかし、赤外線 (IR) 領域にある太陽スペクトルのほぼ半分はまだ十分に利用されていません 13。 プランクの黒体放射理論により、絶対零度を超える温度の物体は、その温度に対応する特定の波長で IR 放射を放射します 14。 したがって、熱放射は、1.0 ～ 10 μm の IR 波長範囲に広がる無限のエネルギー源と考えることができます。 30 THz 周波数に相当する 10 μm という長い波長は、室温での物体からの IR 放射を表します。

多くの研究が、この約 10 μm の波長でエネルギーを収集する可能性を調査してきました15、16、17、18、19、20、21、22。 1972 年に、太陽エネルギーを収集して DC 電流に変換するレクテナ (整流アンテナ) と呼ばれるスマート デバイスが提案されました 23。 このレクテナ (アンテナと整流器) は、入射電磁放射を受信するアンテナとして説明できます。 次に、アンテナは、捕捉された AC 電流を DC 電流に変換する整流器に接続されます。 レクテナのプロトタイプに関する最近の研究では、マイクロ波領域で 80% を超える非常に高い効率を達成しました 24、25、26、27。 しかし、IR 周波数における同等のレクテナは依然として不十分な整流性能に悩まされています 17,22。 レクテナの性能は、基本的に、レクテナ内の各単一要素、つまりアンテナとダイオードの性能を通じて測定されます28。 さらに、2 つの要素間の結合は、レクテナの総効率を決定する重要なパラメーターと考えられます29。 IR 放射の超高周波により、使用できるダイオードの種類が制限されます30。 ダイオードのスイッチング速度は、対応する導通メカニズムによって異なります。 金属 - 絶縁体 - 金属 (MIM) 構造ではトンネル効果 27 が支配的な伝導機構であるため、MIM ダイオードはこれらの超高周波で動作する最良の候補と考えられています 30、31、32。 MIM ダイオードは、絶縁体層を挟んだ 2 つの金属層で構成されています。 高速スイッチング性能を維持するには、この絶縁層は数ナノメートルの範囲の極薄でなければなりません。 さらに、ダイオードの他の性能指数は、その電流-電圧特性から決定されます33。 最も重要な性能指標は、ダイオードの抵抗と応答性です29。 MIM ダイオードの抵抗は、数百からメガ オーム 34 の範囲内で変化します。 最大の電力伝送を可能にするために、この抵抗はアンテナの抵抗と一致する必要があります。 ダイオードの非直線性の尺度であるダイオードの応答性は、MIM ダイオード 34 の整流能力を決定します。 ダイオードの性能を向上させるために、いくつかの研究と実験が行われました29。 これらの試み35、36、37、38、39、40、41、42は、異なる材料、つまり異なる厚さの金属と絶縁体を選択するか、複数の絶縁体層のスタックを調査することによって行われました。 主な目的は依然として、ダイオードのエネルギーバンド図を調整して、その I-V 特性を制御し、それに応じてダイオードの抵抗と応答性を制御することです。 それにもかかわらず、均一で再現可能な数 nm の絶縁体層の製造は、MIM ダイオードの性能にとって重要な要素です 16、17。 グラフェンダイオード 43,44 などの弾道輸送理論に基づいた幾何学的ダイオードは、より低い静電容量とより高い整流効率を達成すると報告されています。 この有望なテクノロジーが直面する課題の 1 つは、製造と温度に敏感な動作です。