Polarização otimizada

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 17525 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

É proposta uma nova nanoantena Chand-Bali de recepção grande angular, independente da polarização. Um algoritmo de otimização baseado em adjunto é usado para criar a mesma ressonância em ambas as polarizações lineares da radiação incidente. Os parâmetros ideais da nanoantena revelam que são criados dois pontos quentes com um forte aprimoramento de campo. Esses pontos quentes podem ser integrados com diodos metal-isolante-metal (MIM) para formar uma retena para coleta de energia infravermelha (IR). Os ressonadores metálicos permitem selecionar diversos materiais para facilitar a fabricação da nanoantena e do diodo MIM. As rectennas IR baseadas em Chand-Bali são investigadas e as simulações demonstram uma melhoria de mais de uma ordem de grandeza na eficiência em comparação com aquelas que usam nanoantenas tradicionais.

As recentes tecnologias de eliminação de energia estão a tentar mitigar os efeitos de décadas de utilização de combustíveis fósseis no nosso planeta para as gerações futuras. Estes efeitos estimularam a exploração de novos recursos energéticos sustentáveis ​​e limpos. Os avanços cada vez mais rápidos na Internet das coisas (IoT)1,2 e a utilização omnipresente de sensores e dispositivos inteligentes3,4 exigem novas técnicas para os alimentar. A energia solar é considerada um dos recursos abundantes e limpos do planeta. A atual energia fotovoltaica baseada em Si absorve a energia dos fótons na faixa visível e a converte em tensão CC . Várias tentativas inovadoras utilizando diferentes compostos semicondutores foram exploradas para melhorar a eficiência de conversão de células solares7,8,9,10,11,12. No entanto, quase metade do espectro solar, que se encontra na região do infravermelho (IR), ainda não está totalmente explorado13. Devido à teoria de Planck da radiação de corpo negro, qualquer objeto acima da temperatura do zero absoluto emitirá radiação infravermelha em determinado comprimento de onda correspondente à sua temperatura . Portanto, a radiação de calor térmico pode ser considerada como uma fonte de energia ilimitada que se espalha pelos comprimentos de onda do IR, na faixa de 1,0 a 10 μm. O comprimento de onda mais longo de 10 μm, que equivale à frequência de 30 THz, representa a radiação infravermelha de objetos à temperatura ambiente.

Muitos estudos investigaram a possibilidade de captação de energia em torno deste comprimento de onda de 10 μm . Em 1972, um dispositivo inteligente chamado rectena (antena retificadora) foi proposto para coletar a energia solar e convertê-la em corrente contínua23. Esta retena (antena mais retificador) pode ser descrita como uma antena que recebe a radiação eletromagnética incidente. A antena é então conectada a um retificador que converte a corrente CA capturada em CC. Pesquisas recentes sobre protótipos de retena alcançaram eficiências bastante elevadas> 80% na faixa de microondas24,25,26,27. No entanto, as retenas equivalentes em frequências IR ainda sofrem com desempenho de retificação inadequado . O desempenho da rectena é essencialmente medido através do desempenho de cada elemento da rectena: a antena e o díodo28. Além disso, o acoplamento entre os dois elementos é considerado um parâmetro crítico na determinação da eficiência total da retena . As frequências ultra-altas da radiação IR restringem o tipo de diodo que pode ser utilizado30. A velocidade de comutação do diodo depende do seu mecanismo de condução correspondente. Devido ao tunelamento ser o mecanismo de condução dominante em estruturas metal-isolante-metal (MIM), os diodos MIM são considerados os melhores candidatos para operar nessas frequências ultra-altas . Os diodos MIM consistem em duas camadas metálicas que imprensam uma camada isolante. Essa camada isolante deve ser ultrafina, na faixa de alguns nanômetros, para manter o desempenho de comutação rápida. Além disso, outras figuras de mérito do diodo são determinadas a partir de suas características corrente-tensão33. As medidas de desempenho mais importantes são a resistência e a responsividade do diodo29. A resistência do diodo MIM pode variar na faixa de várias centenas a Mega Ohms34. Esta resistência deve corresponder à da antena para permitir a máxima transferência de potência. A responsividade do diodo, que é uma medida da não linearidade do diodo, determina a capacidade de retificação do diodo MIM34. Vários estudos e experimentos foram realizados para melhorar o desempenho do diodo29. Essas tentativas35,36,37,38,39,40,41,42 foram através da seleção de diferentes materiais, ou seja, metais e isolantes, com diferentes espessuras, ou através da investigação de pilhas de múltiplas camadas isolantes. O objetivo principal ainda é adaptar o diagrama de banda de energia do diodo para controlar suas características I – V e, consequentemente, a resistência e responsividade do diodo. No entanto, a fabricação de camada(s) isolante(s) de poucos nm, que seja uniforme e reprodutível, é um elemento crucial para o desempenho dos diodos MIM . Foi relatado que diodos geométricos baseados na teoria do transporte balístico, como os diodos de grafeno, alcançam menor capacitância e maior eficiência de retificação. A fabricação e a operação sensível à temperatura estão entre os desafios enfrentados por esta tecnologia promissora.