משתמש:Oronluko/טיוטה

ננו-אנטנה:

ננו-אנטנות הינן אנטנות בגודל ננומטרי אשר קולטות גלים אלקטרומגנטיים ומתמירות אותן לזרם חשמלי. שם נוסף לננו-אנטנות הינו אנטנת יישור אופטית (Optical rectenna).  

ננו-אנטנה משמשת רכיב קליטה והמרה של גל אלקטרומגנטי בתחום הנראה ובתחום התת אדום לזרם חשמלי ישר (DC) באמצעות שילוב של מעגל יישור זרם. הגודל של הננו-אנטנה מאפשר קליטה אופטימלית של אור באורכי גל אלו.

שילוב הננו-אנטנה עם מעגל יישור המורכב מדיודה נקרא אנטנת יישור (rectenna).מערכי ננו-אנטנות משמשות להפקת אנרגית שמש ביעילות טובה יותר מאשר תאי שמש הסטנדרטיים.

אנטנות יישור המסורתיות (רדיו- ומיקרו-גל) הן ביסודן מאוד דומות לננו-אנטנות. האתגר בננו-אנטנות הוא לישר גלים בתדר גבוה שהינו בתחומי האור הנראה (מאות טרה-הרץ) . כיום מספר סוגי הדיודות המסוגלות ליישר גל בתדר גבוה הנמצא בתחום האור הנראה (rectify) הם מעטות מאוד. אתגר נוסף הוא גודל האנטנה שכן בהיותה מזערית גודלה בסדר גודל של הגל האלקטרומגנטי.  בנוסף חוסר היעילות של הדיודות, מכיוון שגודל האנטנה הוא זעיר מאוד לכן ההספק שלה מאוד נמוך הגורם לכך שיוצר  מתח נמוך מאוד על הדיודה דבר הגורם ליעילות נמוכה של פעילות הדיודה.

בעקבות ההאתגרים בפיתוח ננו-אנטנות הם  יושמו עד כה רק במעבדות על ידי שימוש בלייזר המייצר הספק קטן אך הניתן למדידה.

המטרה שרבים מן החוקרים בתחום הזה היא ליצור מערך של ננו-אנטנות אשר יוכלו להיות יעילות מספיק על מנת להפוך אור שמש לחשמל ועל ידי כך להחליף את השיטות המקובלות היום לקבלת אנרגיה חלופית מאור השמש (תאים הסולריים).  

• 
  ספקטרום קרינת השמש

הרעיון של הננו-אנטנות הוצע בתחילה על ידי רוברט ל.ביילי בשנת 1972, אך עד שנת 2012 מעטות הננו-אנטנות שנבנו.

כיום המעבדה הלאומית של איידהו תכננה ננו-אנטנה לתחום אורכי גל 3-15 מיקרומטר. אורכי גל אלו מתורגמים לאנרגיית פוטון בערכים בין 0.08 ל-0.4 אלקטרון-וולט. לפי תיאורית האנטנות, גודל האנטנה צריך להיות תואם ואופטימלי לאורך גל ספציפי. באופן אידיאלי ננו-אנטנה תספוג את האור באורך גל של 0.4-1.6 מיקרומטר מכיוון שלאורכי גל אלו יש אנרגיה גדולה יותר מאשר תחום התת אדום הרחוק והם יכולים לנצל את 85%  מקרינת אנרגית השמש שכן רוב אורכי הגל המתקבלים מהשמש על פני כדור הארץ הם בתחומים אלו. 

היסטוריה:

רוברט ביילי בשיתוף עם ג'יימס פלטשר קיבלו רישיון לפטנט בשנת 1973 על "ממיר אנרגיה מגלים אלקטרומגנטים" ("electromagnetic wave energy converter"). הפטנט כלל התקן הדומה לננו-אנטנה מודרנית ועסק בשימוש של דיודה הבנויה מחוט מתכתי בקוטר של 100nm על גבי משטח מתכת מצופה שכבה דקה של תחמוצת מבודדת בין המתכות. גוואן דיווח כי ההתקן קולט אור תת-אדום בתדר 58THz ומיישר את הזרם. בשנת 1974 גוסטפסון וחוקרים נוספים הראו כי סוגים אלו של התקנים יכולים לקלוט אור נראה ולהמירו לזרם ישר. אלווין מ. מארקס קיבל רשיון לפטנט בשנת 1984 עבור התקן של מערך אנטנות בגודל תת-מיקרון להמרה ישירה של אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית. ההתקן של מארקס הראה שיפורים משמעותיים ביעילות לעומת ההתקן של ביילי. בשנת 1996, גואנג' י. לין דיווח על בליעת אור על ידי ננו-מבנה ויישור של אור בתדרי האור הנראה. בשנת 2002, ITN מערכות אנרגיה בע"מ, פרסמו דו"ח של עבודתם בתחום אנטנות אופטיות בצימוד דיודות בתדרים גבוהים. ITN בנו מערך אנטנות אופטיות עם יעילות של פחות מעשרה אחוזים. על אף שהם לא צלחו, הנושאים הקשורים לבניית אנטנות אופטיות ביעילות גבוהה היו מובנים יותר למדע.

בשנת 2015, חוקרים ייצרו קולט אנרגית שמש אשר יכול להמיר אור אופטי לזרם ישר. באראטונד קולה, פרופסור במכון הטכנולוגי של גאורגיה, הוביל צוות לפיתוח אנטנות אופטיות בשימוש ננו-צינורות פחמן- CNT. הצוות גידל מערכים אנכים של ננו-צינורות פחמן רב-שכבתיות- MWCNT -על מצע מצופה מתכת. הננו-צינורות צופו עם תחמוצת אלומיניום מבודד וכולן ביחד כוסו בשכבה של אלקטרודת מתכת. הממדים הקטנים של ננו-צינורות מתנהגות כמו אנטנה אשר מסוגלת לקלוט אור הנראה. הננו-צינורות רב שכבתיות מהוות גם שכבה של דיודת מנהור מסוג מתכת-מבודד-מתכת (Metal-Insulator-Metal-MIM). בגלל הקוטר הקטן של ננו-צינורות, השילוב הזה יוצר דיודה המסוגלת ליישר את הזרם של קרינה אופטית בתדרים גבוהים. יעילות ההמרה הכוללת של ההתקן הינה סביב 5-10%. עם זאת, המחקר בתחום הננו-אנטנות מתמשך. המאמצים העתידיים הינם לשיפור היעילות של ההתקן ע"י חקירת חומרים חלופיים, מניפולציות של ננו-צינורות רב-שכבתיות לשיפור ההולכה של הממשק והפחתת התנגדויות הקיימות במבנה ההתקן.

תיאוריה:

התיאוריה של ננו-אנטנה הוא מאוד דומה לתיאוריה של האנטנות המסורתיות (רדיו או גלי מיקרו). פגיעה של האור באנטנה גורמת לאלקטרון בתוך האנטנה לזוז קדימה ואחורה באותו תדר בדיוק כמו האור הפוגע. זה קורה בעקבות תנודות של השדה החשמלי של הגל האלקטרומגנטי הפוגע. תנועת האלקטרון גורמת לזרם חילופין (AC) במעגל האנטנה. ולכן יש צורך להמיר אותו לזרם ישר (DC) על ידי שימוש בדיודה, את מוצא הזרם הישר ניתן לספק לעומס חיצוני.

תדר התהודה של האנטנה משתנה ליניארי לפי המימדים הפיזיים של האנטנה ולפי תיאוריה של אנטנות גלי מיקרו קלאסיות. אורכי הגל של ספקטרום השמש הוא בערך 0.3-2 מיקרומטר. על מנת שהאנטנה תהיה יעילה בספקטרום השמש, האנטנה צריכה להיות בגודל של מספר מאות ננו-מטרים.

בגלל השימוש בתאוריה של אנטנות  מיקרו-גל והפישוט שלהן לננו-אנטנות, ישנם מספר קשיים המתעוררים כאשר מדברים על ננו-אנטנות בתדרים הגדולים מתדרי האינפרה-אדום. אחת הבעיות היא שכמעט כל הזרם נמצא בסמוך לשטח של המוליך, אשר מפחית את שטח החתך האפקטיבי של המוליך וגורם לעלייה בהתנגדות המוליך ובזבוז אנרגיה. אפקט זה מוכר גם כ-"skin effect". מנקודת מבט של התקן, המאפיינים של I-V כבר לא יהיה אוהמי, אבל בכל זאת חוק אוהם בצורתו הכללית יהיה עדיין בתוקף.

קושי נוסף נובע מכך שהדיודות הסטנדרטיות אינן מסוגלות לפעול בתדרים בסדר גודל של THz ללא הפסדים גבוהים בהספק. הפסדים אלו נובעים מהקיבול הקיים בצומת P-N בדיודות ודיודות שוטקי, אשר עובדות באופן יעיל בתדרים הקטנים מ-5 טרה-הרץ. האורך גל האידיאלי שהוצג מקודם (0.4-1.6 מיקרומטר) מוביל לטווח תדרים שבין 190-750 טרה-הרץ, תדרים גבוהים מאוד מתחום תדרי העבודה של הדיודות. לכן ישנו צורך בפיתוח דיודות אלטרנטיביות על מנת להשיג המרת הספק יעילה. כיום משתמשים בדיודות מסוג "מתכת-מבודד-מתכת" (MIM) בעלות צומת מנהור. דיודות אלו (שלא כמו דיודות שוטקי) לא מושפעות מקיבול פרזיטי מכיוון שהן עובדות על תופעת  מנהור אלקטרונים. בגלל תכונה זו דיודות MIM עובדות בצורה אפקטיבית בתחום תדרים של 150 טרה-הרץ.

יתרונות:

אחד היתרונות הגדולים של ננו-אנטנה הוא היעילות הגדולה (תיאורטית). כאשר משווים את היעילות התיאורטית של תא סולארי יחיד (30 אחוז) לננו-אנטנה יש יתרון משמעותי ביעילות. היעילות מחושבת על ידי שימוש בהשערות שונות. ההשערות המשמשות את הננו-אנטנה מתבססות על יישום של יעילות קרנו של קולטי שמש: 

$\eta =1-{\tfrac {T_{cold}}{T_{Hot}}}$

כאשר Tcold  היא הטמפרטורה של הגוף הקר, ו-Thot היא הטמפרטורה של הגוף החם. על מנת שיעילות המרת האנרגיה תהיה גבוהה, נדרש שהפרש הטמפרטורות בין שני הגופים יהיה גדול משמעותית. רוברט ביילי טען שננו-אנטנה לא מוגבלת בהיבט יעילות קרנו לעומת תאים פוטו-וולטאים אשר מוגבלים על ידי יעלות קרנו (ביילי לא הוכיח טענה זו).

יתרון נוסף, על ידי שימוש במערך של ננו-אנטנות ניתן לקלוט תחום נרחב של אורכי גל של אור. לעומת זאת, תאים פוטו-וולטאים (תאי שמש) בנויים ממוליכים למחצה, ולכן הם קולטים תחום אורכי גל צר וספציפי בלבד. על מנת לשנות את תחום אורכי הגל הנקלטים בתאים פוטו-וולטים, נדרש לשנות את חומר המוליך למחצה אשר נעשה בו שימוש . 

הגבלות וחסרונות:

כפי שתואר קודם לכן, החיסרון הראשון הגדול הוא תדר העבודה של האנטנה. התדר הגבוה של האור הופך את השימוש בדיודת שוטקי לא מעשי עקב היעילות הנמוכה. למרות שדיודות מסוג MIM מראות תוצאות מבטיחות, יתרונות נוספים צריכים להימצא על מנת להפעיל את האנטנות ביעילות בתדרים גבוהים.

חיסרון נוסף הוא עלות הייצור של האנטנה. הייצור ננו-אנטנה מתבצע על ידי ליתוגרפיה בעזרת קרן אלקטרונים. מכיוון שתהליך זה לא מאפשר עבודה  מקבילית, זה הופך את תהליך הייצור ליקר ואיטי. בדרך כלל ליתוגרפיה בעזרת קרן אלקטרונים משמשת עבור מטרות מחקר בהן ישנו צורך לייצור ברזולוציות גבוהות בעקבות הדיוק בממדי האנטנה. למרות זאת התפתחות תהליך הפוטוליתוגרפיה הביאה אותנו לגדלים של כמה עשרות ננו-מטרים, ועל ידי כך ניתן לייצר ננו-אנטנות על ידי שימוש בפוטוליתוגרפיה.

ייצור:

ננו-אנטנות כוללות שלושה מרכיבים עיקריים: משטח אדמה, תא תהודה אופטי ואנטנה. האנטנה קולטת גלים אלקטרומגנטים, משטח האדמה משמש כמחזיר אור לכיוון האנטנה והתא תהודה אופטי מרכז את האור לכיוון האנטנה דרך משטח האדמה. להלן שיטות לייצור ננו-אנטנות, כאשר תהליך הייצור אינו כולל את ייצור דיודת היישור.

שיטה ליתוגרפיה

במעבדה הלאומית של איידהו השתמשו בשלבים הבאים כדי לייצר את מערך הננו-אנטנות שלהן. מצפים שכבת משטח אדמה מתכתית על גבי פרוסת סיליקון בעומק של רבע אורך גל הנקלט, ועל גביה מצפים שכבת סיליקון אמורפי. על גבי שכבת הסיליקון אמורפי מצפים שכבת דקה של מגנזיום עם  זהב (לסינון התדרים הרצויים) על מנת שתשמש כאנטנה.  מדפיסים את הצורה הנדרשת באמצעות  ליתוגרפיה שאחריו מבצעים תהליך של איכול לקבלת התבנית המתכתית הרצויה.

ייצור גליל

במעבר לייצור בהיקף גדול יותר, תהליך עיבוד מעבדתית כגון ליתוגרפיה קרן אלקטרונים הוא איטי ויקר. לכן, שיטת ייצור גליל מאפשרת, באמצעות טכניקת ייצור חדשה המבוססת על תבנית אב, לייצר בעלות נמוכה יותר ובזמן קצר יותר. תבנית אב זאת מוחתמת באופן מכאני ומדויק על גבי מצע גמיש וזול, ובכך נוצר אלמנטים בצורת לולאה מתכתיים. עבודה זאת לא כללה ייצור של מרכיב הדיודה.

הנחת שכבה אטומית

חוקרים באוניברסיטת קונטיקט משתמשים בטכניקת הנקראת הנחת שכבה אטומית  (ALD-Atomic layer deposition) באזור סלקטיבי היכולה לייצרם את האנטנות באופן אמין בקנה מידה תעשייתי. המחקר בנושא עדיין נמשך לכיול של התדרים האופטימליים לאור הנראה והאינפרה-אדום.

  הוכחת עקרון פעולה

הוכחת עיקרון הפעולה של ננו-אנטנות התחיל עם מערך אנטנות מודפס על גבי מצע סיליקון בגודל של 1 סמ"ר. המערך נבדק באמצעות אור אינפרה-אדום בטווח אורכי גל שבין 3 ל-5 מיקרומטר. שיא האמיסיביות (קירון) מרוכז סביב אורך גל של 6.5 מיקרומטר ומגיע לגודל של 1. אמיסיביות של 1, מציין כי האנטנה קולטת את כל הפוטונים הפוגעים במצע באורך גל מסוים ויחיד.

השוואה בין הספקטרום בניסוי והספקטרום התיאורטי, אנו מוצאים קורלציה גבוהה בין התוצאות הניסיוניות לתוצאות התיאורטיות. באורכי גל מסוימים, לאנטנה קיימת אמיסיביות קטנה יותר מאשר בתיאוריה ואילו באורכי גל אחרים, בעיקר סביב 3.5 מיקרומטר מערך הננו-אנטנות קלטו יותר אור מאשר המצופה בתיאוריה.

לאחר הוכחת עיקרון הפעולה על מצע סיליקון. בוצע הניסוי על גבי מצע של פולימר גמיש. היעד לניסוי היה יצירת מערך ננו-אנטנות בעל אמיסיביות באורך גל של 10 מיקרומטר. תוצאות ראשוניות הראו שניתן לתכנן את האנטנה על פני פולימר גמיש, אך נדרשים ניסויים נוספים למיטוב (אופטימיזציה) מאפייני הננו אנטנות ועל מנת לראות את מלוא הפוטנציאל במצע פולימר גמיש.

הפן הכלכלי של ננו-אנטנות:

אנטנות אופטיות הינן זולות יותר מתאים פוטו-וולטאים. עלות חומרי הגלם ותהליך הייצור של תאים פוטו-וולטאים הינו יקר מאוד. סטיבן נובאק מעריך שעלות  אנטנה הינו בין 5 ל-10 דולר אמריקאי עבור 1 מ"ר בשנת 2008 (לעומת 430 דולר אמריקאי למ"ר של תאים פוטו-וולטאים). סטיבן נובאק מעריך שבמידה ונבחר חומרים וטכניקות ייצור מתאימות, העלות הכללית של האנטנה לא תעלה בהרבה. האב-טיפוס של סטיבן נובאק כלל 30X61 ס"מ של פלסטיק הכולל זהב בעלות של רק 0.6 דולר אמריקאי (בשנת 2008). האב-טיפוס היה על מצע של סיליקון ועל ידי שימוש בטכניקות עיבוד מוכרות, ניתן להשתמש ,תיאורטית, במצע מכל סוג חומר כל עוד משטח האדמה מתפקד כראוי.