최적화된 편광

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 17525(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

새로운 편광 독립적 광각 수신 Chand-Bali 나노 안테나가 제안되었습니다. 입사 방사선의 두 선형 편광에서 동일한 공명을 생성하기 위해 인접 기반 최적화 알고리즘이 사용됩니다. 나노 안테나 최적 매개변수는 강력한 전계 강화를 갖는 두 개의 핫스팟이 생성됨을 나타냅니다. 이러한 핫스팟은 금속-절연체-금속(MIM) 다이오드와 통합되어 적외선(IR) 에너지 수확을 위한 렉테나를 형성할 수 있습니다. 금속 공진기를 사용하면 나노 안테나와 MIM 다이오드의 제작을 용이하게 하기 위해 여러 재료를 선택할 수 있습니다. Chand-Bali 기반 IR 렉테나가 조사되었으며 시뮬레이션을 통해 기존 나노 안테나를 사용하는 것과 비교하여 효율성이 한 자릿수 이상 향상되었음을 보여줍니다.

최근 에너지 소거 기술은 미래 세대를 위해 수십 년간의 화석 연료 사용이 지구에 미치는 영향을 완화하려고 시도하고 있습니다. 이러한 효과는 새로운 지속 가능하고 청정 에너지 자원의 탐색을 자극했습니다. 사물인터넷(IoT)1,2의 급속한 발전과 스마트 센서 및 장치3,4의 유비쿼터스 사용으로 인해 이를 구동할 새로운 기술이 필요합니다. 태양 에너지는 지구상의 풍부하고 깨끗한 자원 중 하나로 간주됩니다. 현재의 Si 기반 광전지는 가시 범위의 광자 에너지를 흡수하여 DC 전압5,6으로 변환합니다. 태양전지의 변환 효율을 향상시키기 위해 다양한 반도체 화합물을 사용하는 몇 가지 혁신적인 시도가 탐구되었습니다. 그러나 적외선(IR) 영역에 있는 태양 스펙트럼의 거의 절반은 아직 완전히 활용되지 않았습니다13. 플랑크의 흑체 복사 이론으로 인해 절대 영도 이상의 물체는 온도에 해당하는 특정 파장의 IR 복사를 방출합니다14. 따라서 열복사란 1.0~10μm 범위의 IR 파장에 걸쳐 확산되는 무제한 에너지원으로 간주할 수 있습니다. 30THz 주파수에 해당하는 10μm의 더 긴 파장은 실온에서 물체의 IR 복사를 나타냅니다.

많은 연구에서 이 10μm 파장 부근에서 에너지를 수확할 가능성을 조사했습니다15,16,17,18,19,20,21,22. 1972년에는 태양 에너지를 수확하여 DC 전류로 변환하기 위해 렉테나(정류 안테나)라는 스마트 장치가 제안되었습니다23. 이 렉테나(안테나 + 정류기)는 입사 전자기 복사를 수신하는 안테나로 설명할 수 있습니다. 그런 다음 안테나는 캡처된 AC 전류를 DC 전류로 변환하는 정류기에 연결됩니다. 렉테나 프로토타입에 대한 최근 연구는 마이크로파 범위24,25,26,27에서 80%가 넘는 매우 높은 효율을 달성했습니다. 그러나 IR 주파수의 등가 렉테나는 여전히 정류 성능이 부적절하다는 문제가 있습니다. 렉테나 성능은 본질적으로 렉테나의 각 단일 요소인 안테나와 다이오드의 성능을 통해 측정됩니다. 또한 두 요소 간의 결합은 전체 렉테나 효율을 결정하는 데 중요한 매개 변수로 간주됩니다. IR 방사선의 초고주파는 사용할 수 있는 다이오드 유형을 제한합니다30. 다이오드의 스위칭 속도는 해당 전도 메커니즘에 따라 달라집니다. 터널링27이 금속-절연체-금속(MIM) 구조에서 지배적인 전도 메커니즘이기 때문에 MIM 다이오드는 이러한 초고주파에서 작동할 수 있는 가장 좋은 후보로 간주됩니다. MIM 다이오드는 절연체 층을 사이에 두고 있는 두 개의 금속 층으로 구성됩니다. 이 절연층은 빠른 스위칭 성능을 유지하기 위해 수 나노미터 범위의 초박형이어야 합니다. 또한 다이오드의 다른 성능 지수는 전류-전압 특성에 따라 결정됩니다. 가장 중요한 성능 척도는 다이오드의 저항과 응답성입니다29. MIM 다이오드의 저항은 수백에서 Mega Ohms34 범위 내에서 다양할 수 있습니다. 이 저항은 최대 전력 전송을 허용하기 위해 안테나의 저항과 일치해야 합니다. 다이오드의 비선형성을 측정하는 다이오드의 응답성은 MIM 다이오드의 정류 기능을 결정합니다34. 다이오드의 성능을 향상시키기 위해 여러 연구와 실험이 수행되었습니다. 이러한 시도35,36,37,38,39,40,41,42는 다양한 두께의 금속 및 절연체와 같은 다양한 재료를 선택하거나 여러 절연체 층의 스택을 조사함으로써 이루어졌습니다. 주요 목표는 여전히 다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 조정하여 I-V 특성과 그에 따른 다이오드의 저항 및 응답성을 제어하는 ​​것입니다. 그럼에도 불구하고 균일하고 재현 가능한 수 nm 절연체 층의 제조는 MIM 다이오드의 성능에 중요한 요소입니다. 그래핀 다이오드43,44와 같은 탄도 수송 이론을 기반으로 한 기하학적 다이오드는 더 낮은 정전 용량과 더 높은 정류 효율을 달성하는 것으로 보고되었습니다. 제조 및 온도에 민감한 작동은 이 유망 기술이 직면한 과제 중 하나입니다.