Химия - Наноантенна - Теория наноантенн

Теория, лежащая в основе наноантенн, по-существу та же, что описывает работу выпрямляющих антенн. Падающий на антенну свет вызывает колебания электронов в антенне, движущихся вперёд-назад с той же частотой, что и входящий поток света. Это связано с колебаниями электрического поля входящей электромагнитной волны. Движение электронов создаёт переменный ток в цепи антенны. Чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, нужно произвести его детектирование, которое обычно выполняется с помощью выпрямительного диода. После такого преобразования постоянный ток можно использовать для питания внешней нагрузки. Резонансная частота антенны растёт линейно с физическими размерами антенны в соответствии с простой теорией антенн СВЧ. Длины волн солнечного спектра лежат в диапазоне примерно от 0.3 до 2.0 мкм. Таким образом, для того, чтобы выпрямляющая антенна была эффективным электромагнитным накопителем солнечного света, она должна иметь элементы размером порядка сотен нанометров.

Рис. 2, показывающий скин-эффект на высоких частотах. Тёмная область показывает поток электронов, в более светлой части электронного потока практически нет.

Из-за упрощений, используемых в теории типичных выпрямляющих антенн, есть несколько сложных моментов, которые возникают при обсуждении наноантенн. На частотах выше инфракрасного участка спектра почти весь ток переносится вблизи поверхности проводника, что уменьшает эффективную площадь поперечного сечения проводника и приводит к увеличению сопротивления. Этот эффект известен как «скин-эффект». Исходя из перспектив построения практических устройств, отметим, что вольт-амперная характеристика ректенн будет не больше омической, поскольку закон Ома остаётся в силе.

Другим осложнением уменьшения размеров является то, что диоды, используемые в больших ректеннах не могут работать на терагерцовых частотах без больших потерь мощности. Потери мощности обусловлены влиянием ёмкости перехода, которой обладают p-n переходы обычных диодов и диодов Шоттки, из-за чего они могут эффективно работать только на частотах менее 5 ТГц. Идеальным длинам волн 0.4-1.6 мкм соответствуют частоты примерно 190-750 ТГц, что значительно больше, чем возможности традиционных диодов. Таким образом, для эффективного преобразования энергии нужно использовать альтернативные диоды. В современных устройствах наноантенн используются туннельные диоды на основе переходов металл-диэлектрик-металл. В отличие от диодов Шоттки, МДМ-диоды не имеют паразитных ёмкостей, потому что они работают на основе электронного туннелирования. Благодаря этому МДМ-диоды эффективно работают на частотах около 150 ТГц, что значительно ближе к оптимальным частотам наноантенн.