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一种新型量子隧穿二极管,可吸收红外辐射发电

2018-03-08

据麦姆斯咨询报道,沙特阿拉伯的研究人员发明了一种发电二极管,它利用超速量子隧穿效应捕获外部环境中的红外辐射波,并将其转化为电能。


“领结型”隧穿二极管结构图

阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的研究团队研制出一种新概念器件,该器件可以回收利用红外辐射波和工业生产过程中释放的余热,将这些热辐射波(频率仅千亿分之一秒)转化为有用的电能。

一天24小时内都可以收捕红外辐射波,只要将废热或红外波看作高频电磁波,使用适当设计的天线,将收集到的波发送到整流器(通常是一个半导体二极管),将交流信号转换成电流。

据KAUST表示,把这些“整流天线”由设计变为现实还是有些困难,因为红外发射的波长非常小,需要微纳米级的天线,而这种级别的天线是很难制造和测试的。此外,红外波的振荡速度比典型的半导体中电子移动通过其结的速度快上千倍。

“在这个世界上,还没有商用的二极管能在如此高的频率下运行,”项目负责人Atif Shamim表示,“这就是我们转向量子隧穿的原因。”

KAUST继续说明,量子隧穿器件,例如金属-绝缘体-金属(MIM)结构的二极管,通过将电子隧穿过一个非常薄的绝缘障碍层,实现将红外波整流成电流。因为这个绝缘层只有一纳米厚,MIM二极管可以处理飞秒级的高频信号。为产生隧穿的通道,研究团队设计了一种领结型的纳米天线,绝缘膜就像“三明治”一样被夹在两个轻微交叠的金属臂之间。

“最具挑战性的部分是两个天线臂的纳米级重叠,这需要非常精确的对准,”博士后研究员Gaurav Jayaswal说道,“尽管如此,通过结合KAUST的先进纳米加工设备和巧妙的设计,我们完成了这一步。”

通过选择具有不同功函数的金属,这款新的MIM二极管可以在零偏压条件下捕捉红外波,这种无源特性,可以在需要时开启器件。实验显示,暴露在红外线环境下,领结天线能够成功地仅从红外辐射,而不是热效应,完成能量收集。

“这仅仅是概念证明的一个开始,”Shamim说,“我们可以将数以百万计的这样的二极管连接起来,以增加整体发电量。”

详细介绍该项目的论文——《Optical rectification through an Al2O3 based MIM passive rectenna at 28.3 THz》已经发表在《Materials Today Energy》。

(来源:传送门



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