Optimierte Polarisation

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 17525 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Es wird eine neuartige, polarisationsunabhängige Chand-Bali-Nanoantenne mit Weitwinkelempfang vorgeschlagen. Ein adjunktbasierter Optimierungsalgorithmus wird verwendet, um bei beiden linearen Polarisationen der einfallenden Strahlung die gleiche Resonanz zu erzeugen. Die optimalen Parameter der Nanoantenne zeigen, dass zwei Hotspots mit einer starken Feldverstärkung entstehen. Diese Hotspots könnten mit Metall-Isolator-Metall-Dioden (MIM) integriert werden, um eine Rectenna für die Infrarot-Energiegewinnung (IR) zu bilden. Die metallischen Resonatoren ermöglichen die Auswahl mehrerer Materialien, um die Herstellung der Nanoantenne und der MIM-Diode zu erleichtern. Die Chand-Bali-basierten IR-Rectennas werden untersucht und Simulationen zeigen eine Verbesserung der Effizienz um mehr als eine Größenordnung im Vergleich zu denen, die herkömmliche Nanoantennen verwenden.

Neue Energiegewinnungstechnologien versuchen, die Auswirkungen der jahrzehntelangen Nutzung fossiler Brennstoffe auf unserem Planeten für künftige Generationen abzumildern. Diese Effekte haben die Erforschung neuer nachhaltiger und sauberer Energieressourcen angeregt. Die immer schnelleren Fortschritte im Internet der Dinge (IoT)1,2 und der allgegenwärtige Einsatz intelligenter Sensoren und Geräte3,4 erfordern neue Techniken für deren Stromversorgung. Solarenergie gilt als eine der reichlich vorhandenen und sauberen Ressourcen der Erde. Die aktuelle Si-basierte Photovoltaik absorbiert die Energie von Photonen im sichtbaren Bereich und wandelt sie in Gleichspannung um5,6. Es wurden mehrere innovative Versuche unter Verwendung verschiedener Halbleiterverbindungen untersucht, um die Umwandlungseffizienz von Solarzellen zu verbessern7,8,9,10,11,12. Allerdings ist fast die Hälfte des Sonnenspektrums, das im Infrarotbereich (IR) liegt, noch nicht vollständig genutzt13. Aufgrund der Planckschen Theorie der Schwarzkörperstrahlung emittiert jedes Objekt über dem absoluten Nullpunkt IR-Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge, die seiner Temperatur entspricht14. Daher kann thermische Wärmestrahlung als unbegrenzte Energiequelle angesehen werden, die sich über den IR-Wellenlängenbereich von 1,0 bis 10 μm erstreckt. Die längere Wellenlänge von 10 μm, die einer Frequenz von 30 THz entspricht, repräsentiert die IR-Strahlung von Objekten bei Raumtemperatur.

Viele Studien haben die Möglichkeit untersucht, Energie bei etwa dieser Wellenlänge von 10 μm zu gewinnen15,16,17,18,19,20,21,22. Im Jahr 1972 wurde ein intelligentes Gerät namens Rectenna (Gleichrichterantenne) vorgeschlagen, um die Sonnenenergie zu nutzen und in Gleichstrom umzuwandeln23. Diese Rectenna (Antenne plus Gleichrichter) kann als Antenne beschrieben werden, die die einfallende elektromagnetische Strahlung empfängt. Die Antenne wird dann an einen Gleichrichter angeschlossen, der den aufgenommenen Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Jüngste Forschungen zu Rectenna-Prototypen haben recht hohe Wirkungsgrade von > 80 % im Mikrowellenbereich erreicht24,25,26,27. Allerdings leiden die entsprechenden Rectennas bei IR-Frequenzen immer noch unter einer unzureichenden Gleichrichtungsleistung17,22. Die Leistung einer Rectenna wird im Wesentlichen anhand der Leistung jedes einzelnen Elements in der Rectenna gemessen: der Antenne und der Diode28. Darüber hinaus wird die Kopplung zwischen den beiden Elementen als kritischer Parameter bei der Bestimmung des Gesamtwirkungsgrads der Rectenna angesehen29. Die ultrahohen Frequenzen der IR-Strahlung schränken den einsetzbaren Diodentyp ein30. Die Schaltgeschwindigkeit der Diode hängt von ihrem entsprechenden Leitungsmechanismus ab. Da Tunneln27 der dominierende Leitungsmechanismus in Metall-Isolator-Metall-Strukturen (MIM) ist, gelten MIM-Dioden als die besten Kandidaten für den Betrieb bei diesen ultrahohen Frequenzen30,31,32. MIM-Dioden bestehen aus zwei Metallschichten, zwischen denen sich eine Isolierschicht befindet. Diese Isolierschicht muss ultradünn sein, im Bereich von wenigen Nanometern, um die schnelle Schaltleistung aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus werden weitere Leistungsmerkmale der Diode anhand ihrer Strom-Spannungs-Kennlinien ermittelt33. Die wichtigsten Leistungskennzahlen sind der Widerstand und das Ansprechverhalten der Diode29. Der Widerstand der MIM-Diode kann im Bereich von mehreren Hundert bis Mega Ohm variieren34. Dieser Widerstand muss mit dem der Antenne übereinstimmen, um eine maximale Leistungsübertragung zu ermöglichen. Das Ansprechverhalten der Diode, das ein Maß für die Nichtlinearität der Diode ist, bestimmt die Gleichrichtungsfähigkeit der MIM-Diode34. Es wurden mehrere Studien und Experimente durchgeführt, um die Leistung der Diode zu verbessern29. Diese Versuche35,36,37,38,39,40,41,42 beruhten entweder auf der Auswahl verschiedener Materialien, z. B. Metallen und Isolatoren, mit unterschiedlichen Dicken oder auf der Untersuchung von Stapeln mehrerer Isolatorschichten. Das Hauptziel besteht immer noch darin, das Energiebanddiagramm der Diode anzupassen, um ihre I-V-Eigenschaften und entsprechend den Widerstand und das Ansprechverhalten der Diode zu steuern. Dennoch ist die Herstellung einer oder mehrerer Isolatorschichten von wenigen nm, die gleichmäßig und reproduzierbar ist, ein entscheidendes Element für die Leistung von MIM-Dioden 16, 17. Es wurde berichtet, dass geometrische Dioden, die auf der Theorie des ballistischen Transports basieren, wie Graphendioden43,44, eine geringere Kapazität und eine höhere Gleichrichtungseffizienz erreichen. Zu den Herausforderungen, mit denen diese vielversprechende Technologie konfrontiert ist, gehören die Herstellung und der temperaturempfindliche Betrieb.

Bei einer bestimmten MIM-Diode stellt der Widerstand der Diode eine Einschränkung bei der Auswahl der Antenne dar. Um eine gute Anpassung zwischen Diode und Antenne zu erreichen, sollten beide Widerstände gleich sein29. Die Abmessungen der Resonanzantennen sind proportional zur Betriebswellenlänge im Mikrowellen-, IR- oder optischen Bereich45,46. In der Literatur wurden viele Nanoantennenstrukturen für den Betrieb bei etwa 10 μm vorgeschlagen, darunter Nanodipole47, Bowties16,17, Spirale48, Nanosichel49, konische Dipole50 und logarithmisch-periodische51. Diese Konstruktionen führten zu einem Antennenwiderstand im Bereich von einigen zehn Ohm51. Diese Nichtübereinstimmung mit dem Widerstand der MIM-Diode verringert die Kopplungseffizienz. Auch die unpolarisierte Natur der IR-Strahlung begünstigt dualpolarisierte Antennenstrukturen. Frühere Arbeiten schlugen die Verwendung von zwei linear polarisierten Nanoantennen wie gekreuzten Diploes52 oder gekreuzten Bowties53 vor, um diese Anforderung zu erfüllen. Obwohl diese Designs theoretisch realisierbar sind, ist ihre Herstellung komplex. Auch ihre Ankopplung an Dioden ist schwierig. Darüber hinaus ist die Notwendigkeit eines Weitwinkelempfangs wichtig, damit die Nanoantenne die diffuse IR-Strahlung empfangen kann.

In dieser Studie schlagen wir ein neuartiges Chand-Bali-Nanoantennendesign vor, das bei etwa 10 μm arbeitet. Die vorgeschlagene Nanoantenne besteht aus zwei Goldmetallpflastern, die über einem TiO2-Substrat angebracht sind. Eine geerdete Metallebene wurde hinzugefügt, um die Übertragung durch die Struktur zu blockieren. Dadurch entsteht eine Metall-Isolator-Metall-Struktur, die die Magnetresonanz unterstützt. Diese Magnetresonanz ermöglicht einen Empfang mit großem Einfallswinkel54. Die vorgeschlagene Chand-Bali-Nanoantenne kann die IR-Strahlung mit doppelter Polarisation effizient empfangen. Um die Empfangsfähigkeiten zu verbessern, wurde ein adjungierter Optimierungsalgorithmus verwendet55. Nach einigen Optimierungsiterationen haben wir ein Nanoantennendesign erreicht, das in der Lage ist, die einfallende IR-Strahlung bei beiden Polarisationen nahezu ohne reflektierte Leistung bei Resonanz zu empfangen. Diese Nanoantenne bietet die Möglichkeit, die Effizienz von IR-Rectennas unter Verwendung herkömmlicher Nanoantennen mit Einfachpolarisationsbetrieb zu verdoppeln. Darüber hinaus ist der berechnete Antennenwiderstand mehr als doppelt so hoch wie der in der Literatur angegebene, was zu einer weiteren Verbesserung der Kopplung zwischen den Nanoantennen und der MIM-Diode führt. Außerdem weisen die erreichten zwei symmetrischen Hotspots eine sehr starke Verstärkung des elektrischen Feldes auf. Dieser intensive Feldeinschluss unterstützt den Tunnelmechanismus durch die MIM-Diode, was wiederum die Gleichrichtungsleistung steigert.

Unser Design besteht aus zwei elliptisch geformten Metallflecken. Der erste elliptische Patch ist so konzipiert, dass sein Hauptradius in einer bestimmten Richtung verläuft. Das zweite elliptische Stück wird durch eine kleinere elliptische Form geschnitten und die Hauptachse dieser Schnittellipse ist senkrecht zur Richtung der Hauptachse der ersten Ellipse ausgerichtet. Aus dieser Vorkonfiguration ist es möglich, dass die Nanoantenne die einfallende Strahlung mit unterschiedlichen Polarisationen ankoppelt. Abbildung 1 zeigt die Struktur der vorgeschlagenen Chand-Bali-Nanoantenne. Die Nanoantenne besteht aus elliptischen Goldflecken auf einer Goldgrundplatte, um eine weitere Übertragung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung zu verhindern. Zwischen den beiden Metallen befindet sich eine dünne TiO2-Isolatorschicht. Dieses Design, wie in Abb. 1a dargestellt, bildet eine Metall-Isolator-Metall-Struktur (MIM). Abbildung 1b zeigt die Designparameter der vorgeschlagenen Chand-Bali-Nanoantenne. Wie in der Draufsicht gezeigt, werden drei verschiedene Ellipsen – A, B und C – durch die Lage ihrer Mittelpunkte und ihre kleinen und großen Radien charakterisiert. Die Mittelpunkte e1, e2 und e3 liegen auf derselben Achse. Es wurde angenommen, dass die entwickelte Chand-Bali-Nanoantenne in einer periodischen Struktur in der x-y-Ebene mit symmetrischer Periodizität G liegt, wie in Abb. 1b dargestellt. Die Dicken der Schichten (tm, td und tg) der MIM-Struktur gelten als zusätzliche Designparameter (siehe Abb. 1c). Die Dicke der Grundebene (tg) wird konstant bei 200 nm gehalten, was einem Mehrfachen der Eindringtiefe bei der empfohlenen Betriebsfrequenz von 30 THz entspricht. Die erwarteten Magnetresonanzen sind auf die Ausrichtung der einzelnen elliptischen Flecken sowie deren Haupt- und Nebenradien zurückzuführen.

Die vorgeschlagene Chand-Bali-Nanoantennenstruktur: (a) isometrische 3D-Ansicht; (b) Draufsicht mit den Entwurfsparametern der drei Ellipsen A, B und C; und (c) Querschnittsansicht der Chand-Bali-Nanoantenne, die die drei Schichten Metall-Isolator-Metall (MIM) zeigt, deren Dicke Designparameter sind.

Die vorgeschlagene Chand-Bali-Nanoantenne weist den deutlichen Vorteil des Doppelpolarisationsbetriebs mit zwei offenen Anschlüssen auf. Diese einzigartige Kombination von Eigenschaften bietet eine hervorragende Möglichkeit zur nahtlosen Integration sowohl in parallele als auch in serielle Netzwerke und steigert somit die Gesamternteleistung. Tabelle 1 enthält eine vergleichende Analyse verschiedener in der Literatur beschriebener Nanoantennen unter Berücksichtigung ihrer Doppelpolarisationsfähigkeiten, der Anzahl der Antennenanschlüsse und der in ihren jeweiligen Designs verwendeten Materialien.

Wie in den Simulationsschritten beschrieben, wurden zwei verschiedene Simulationen durchgeführt, um den Reflexionsgrad bei jeder Polarisation zu bestimmen. Die Berechnung der elektrischen Feldverstärkung an der Lücke ist jedoch von entscheidender Bedeutung. Mit ANSYS HFSS können die Streuparameter (S-) sowie deren Ableitungen nach den Geometrie- und Materialparametern berechnet werden. Diese Ableitungen werden mithilfe einer selbstadjungierten Methode ohne zusätzliche Simulationen geschätzt55. Daher kann das Streben nach einer starken Eingrenzung des elektrischen Feldes in beiden Polarisationen gleichzeitig als Optimierungsproblem definiert werden. Gradientenbasierte Optimierungsalgorithmen erfordern im Vergleich zu globalen Optimierungsverfahren im Allgemeinen weniger Iterationen und damit Simulationen. Der Gradient des elektrischen Feldes ist mit der in ANSYS HFSS verfügbaren selbstadjungierten Methode nicht möglich. Dies bedeutet, dass insbesondere bei vielen Designparametern eine Vielzahl von Simulationen erforderlich sind, um den Gradienten beispielsweise mithilfe von Finite-Differenzen-Methoden zu approximieren. Daher ist der numerische Umgang mit den S-Parametern von entscheidender Bedeutung.

Der erforderliche Zusammenhang zwischen S-Parametern und der Verstärkung des elektrischen Feldes kann durch die Coupled-Mode-Theorie (CMT)63 abgeleitet werden. Bei CMT ist die optimierte Feldverstärkung einer bestimmten Nanoantenne mit einem bestimmten Material direkt proportional zum Absorptionsqualitätsfaktor Qabs. Dieser optimale Qualitätsfaktor tritt an den Reflexionstälern64 auf. Somit ist die Feldverstärkung mit minimalen Reflexionswellenlängen verbunden. Ein Optimierungsalgorithmus kann verwendet werden, um den Reflexionsgrad zu minimieren, indem er Folgendes verwendet:

Dabei ist E0 das einfallende elektrische Feld und W die Zielfunktion. Das Optimierungsproblem kann wie folgt formuliert werden:

Dabei sind W1 und W2 der Reflexionsgrad, der für eine einfallende elektromagnetische Welle mit einem in x- bzw. y-Richtung polarisierten elektrischen Feld bei einer Wellenlänge von 10 μm berechnet wird. Der Vektor c repräsentiert die linearen und nichtlinearen geometrischen Einschränkungen zur Vermeidung nichtphysikalischer Strukturen. Die Entwurfsparameter u werden aus den in Abb. 1b, c gezeigten Geometrien bestimmt, wobei

Diese 12 Designparameter werden in drei Klassen eingeteilt: Die Elementarzellenperiodizität (G), die Dicken der oberen Metalle bzw. der Isolierschicht (tm, td) und schließlich der große und kleine Radius jeder Ellipse (rx, ry). und ihre zentralen Standorte ei.

Der Versuch, den Reflexionsgrad beider Polarisationen gleichzeitig zu minimieren, führte zu keinem guten Design. Daher wird das Optimierungsproblem aktualisiert, um einen möglichen Startpunkt zu erhalten. Zunächst wird die Optimierung nur für W1 durchgeführt, um einen optimalen Punkt für die erste Polarisation zu erhalten. Wie in Abb. 2a dargestellt, wird die Konvergenz dieses Optimierungsschritts nach 15 Iterationen erreicht. Diese optimalen Designparameter werden dann verwendet, um den Optimierungsschritt für beide Polarisationen gleichzeitig durchzuführen, wie in Gleichung (1) beschrieben. (3). Dieser Ausgangspunkt, der für eine bestimmte Polarisation optimal ist, ist für die andere nicht optimal, wie in Abb. 2b dargestellt. Der zweite Optimierungsschritt begann mit einem anfänglichen Reflexionsgrad von (1 − 0,86) = 0,14 und erreichte nach 13 Iterationen einen Reflexionsgrad von weniger als 0,01. Das erzielte Design minimiert den Reflexionsgrad für beide Polarisationen, wie in Abb. 2c dargestellt. Beide Peaks liegen bei einer Wellenlänge von 10 μm sehr nahe an einem Einheitswert. Der Optimierungsalgorithmus wird in einer MATLAB-Umgebung mit maßgeschneiderten Skripten ausgeführt, um ANSYS HFSS zu verknüpfen und den Prozess zu automatisieren.

(a) Die Konvergenz des Optimierungsalgorithmus gemessen mit der Zielfunktion (W = 1 − Reflexionsgrad) gegenüber der Iterationszahl; Der Algorithmus nähert sich dem maximalen Absorptionsvermögen nach 15 Schritten für den Fall eines x-polarisierten einfallenden E-Felds. (b) Die Konvergenz des Algorithmus im Fall zweier paralleler Simulationen mit elektrischen Feldpolarisationen erfolgt in x- bzw. y-Richtung. (c) Die Absorption (= 1 − Reflexionsgrad) der Chand-Bali-Nanoantenne, berechnet bei optimalen Designparametern für x-polarisiertes einfallendes elektrisches Feld (durchgezogen) und y-polarisiertes einfallendes elektrisches Feld (gepunktet).

Numerische Simulationen werden unter Verwendung des optimalen Satzes von Entwurfsparametern durchgeführt, die sich aus der Ausführung des Optimierungsalgorithmus ergeben. Diese optimalen Abmessungen sind in Tabelle 2 dargestellt. Das elektrische Feld in der Mitte jedes Spalts wurde über den Wellenlängenbereich von 8,5 bis 11,5 μm simuliert (siehe Abb. 3a). Für beide Polarisationen wird bei 10 μm eine starke Eingrenzung des elektrischen Feldes festgestellt. Die Lücke im optimalen Design beträgt 15 nm und kann mithilfe der Elektronenstrahllithographie (EBL)16,17 hergestellt werden. Der elektrische Feldverstärkungsfaktor nähert sich 1,5 × 105 und ~ 105 für die x- und y-polarisierten einfallenden elektromagnetischen Wellen bei 10 μm. Es wird erwartet, dass es für unterschiedliche Polarisationen unterschiedliche Verstärkungsfaktoren gibt, da die Nanoantenne nicht symmetrisch ist. Beide Polarisationen unterstützen jedoch die Resonanz der Antenne bei 10 μm. Der kleine Peak bei kürzerer Wellenlänge, wie in Abb. 3a gezeigt, kann der Oberflächenplasmonresonanz (SPP) zugeschrieben werden, die durch das Nanoantennenarray9 unterstützt wird. In Abb. 3b wurde die Verstärkung des elektrischen Feldes im Fall der x-polarisierten EM-Welle normalisiert und mit dem entsprechenden Reflexionsgrad aus den S-Parametern aufgetragen. Beide Kurven sind um die Resonanz herum identisch, was die Annahmen der Theorie der gekoppelten Moden bestätigt.

(a) Die Verstärkung der elektrischen Feldintensität |E/E0|2 des optimalen Designs der Chand-Bali-Nanoantennenstruktur gegenüber der Wellenlänge, die x-Polarisation ist durchgezogen, während die Y-Polarisation als gestrichelte Linien dargestellt ist. (b) Der normalisierte Verstärkungsfaktor für eine x-polarisierte einfallende Welle, aufgetragen mit (1 − Reflexionsgrad) derselben x-polarisierten Welle, der eine passende Reaktion um die Resonanzwellenlänge zeigt.

Die elektrische Feldverteilung über der xy-Ebene bei der Resonanzwellenlänge wurde berechnet und ist in Abb. 4 dargestellt. Wenn eine normal einfallende Welle auf die Nanoantenne trifft, wobei das elektrische Feld bei Resonanz entlang der x-Achse polarisiert ist, beträgt das elektrische Feld auf die beiden Lücken beschränkt. Diese Eingrenzungen bilden zwei Hotspots, die den Betrieb der MIM-Diode zur Gleichrichtung der abgeernteten Felder unterstützen. Die in Abb. 4a gezeigten elektrischen Feldvektoren zeigen, dass die Ladungen auf dem elliptischen Feld rechts in zwei in Längsrichtung entgegengesetzte Polaritäten aufgeteilt sind, um diesen Resonanzmodus zu unterstützen. Wenn das einfallende elektrische Feld entlang der y-Achse vertikal polarisiert ist, werden die Ladungen über dem elliptischen Feld zwischen der oberen und unteren Hälfte mit entgegengesetzter Polarität aufgeteilt, um die entsprechende Resonanz zu ermöglichen, wie in Abb. 4b gezeigt.

Die Verteilung der elektrischen Feldstärke |E|2 des optimalen Designs der Chand-Bali-Nanoantennenstruktur, berechnet bei 10 μm. (a,b) In der mittleren xy-Ebene, wo die dunklere Farbe eine höhere elektrische Feldintensität darstellt, sind alle Diagramme im gleichen Maßstab dargestellt, und die Pfeile stellen den elektrischen Feldvektor bei derselben Resonanzwellenlänge von 10 μm für (a) x dar -polarisiertes einfallendes elektrisches Feld bzw. (b) y-polarisiertes einfallendes elektrisches Feld. (c,d) Das Graustufenspektrum bildet die Magnetfeldintensitätsquerschnitte ab und betont die Entstehung magnetischer Resonanzen. Der Querschnitt wird parallel zur xz-Ebene geschnitten und verläuft durch die Hotspot-Lücke in (c), während er parallel zur yz-Ebene verläuft und durch die beiden Hotspots in (d) verläuft. (e) Der Reflexionsgrad bei der Resonanzwellenlänge bei Variation des Einfallswinkels, θ, der Absorptionsgrad beträgt über 92 % für Einfallswinkel bis zu 80°.

Die Magnetfeldverteilung der x-polarisierten einfallenden Welle ist im Querschnitt durch den Hotspot und parallel zur xz-Ebene dargestellt, wie in Abb. 4c dargestellt. Die Magnetfeldverteilung über der yz-Ebene für die y-polarisierte einfallende Welle ist in Abb. 4d dargestellt. Beide Magnetfeldverteilungen zeigen magnetische Resonanz bei 10 μm54, was wiederum eine Weitwinkelleistung bei schrägem Einfall ermöglicht. Der Reflexionsgrad wird mit variablem Einfallswinkel θ bei der Resonanzwellenlänge von 10 μm berechnet und in Abb. 4e dargestellt. Bei Einfallswinkeln bis 80° liegt die Absorption bei über 92 %. Dieses wichtige Merkmal beweist, dass die vorgeschlagene Chand-Bali-Nanoantenne einer der wettbewerbsfähigsten Energiesammler für die diffuse IR-Strahlung ist.

Die Rectenna im IR-Bereich besteht aus einer Nanoantenne, die mit einer Diode verbunden ist. Die Nanoantenne empfängt die IR-Strahlung mit Wellenlängen, die auf die Resonanzwellenlänge der Nanoantenne abgestimmt sind. Dieses gesammelte ultrahochfrequente Wechselstromsignal wird dann zur Gleichrichtung durch die Diode geleitet und erzeugt einen nutzbaren Gleichstrom. Die vorgeschlagene optimale Chand-Bali-Nanoantenne verfügt über eine starke Verstärkung des elektrischen Feldes an den vorgesehenen Lücken, um die Leistung der Diode zu unterstützen und zu verbessern. Durch die Absorption von IR-Strahlung mit einem sehr breiten Einfallswinkelbereich wird die Leistung der Rectenna weiter gesteigert. Trotz dieser Vorteile kann die Impedanzanpassung mit der Diode eine Herausforderung für die Leistung der Rectenna29 darstellen. MIM-Dioden können theoretisch bis zu sichtbaren Frequenzen betrieben werden22. Ein entscheidendes Problem besteht jedoch darin, dass die hohe Nichtlinearität der Diode im Allgemeinen mit einem großen Widerstand verbunden ist34. Dieser Widerstand variiert zwischen Hunderten und Mega-Ohm34. Dieser große Unterschied zum Widerstand der Nanoantenne kann dazu führen, dass die hocheffizienten Nanoantennen die gesammelte Leistung nicht an die Diode weiterleiten, was wiederum die Rectenna ineffizient machen würde17. Eine Lösung zur Lösung dieses Konflikts besteht darin, Nanoantennen mit hoher Impedanz zu bauen, um die Fehlanpassungseffekte abzumildern.

Die optimale Chand-Bali-Antenne wird dann im Übertragungsmodus numerisch simuliert, indem in einer der Lücken ein konzentrierter Port mit einer angepassten konzentrierten Last in der anderen Lücke definiert wird. Die Fernfeldanalyse der Antenne wird durchgeführt, um die Fernfeldmuster und Antennenparameter abzuschätzen. Das Halbwertsbreitenmaß (FWHM) der vorgeschlagenen Nanoantenne kann aus Abb. 3b abgeleitet werden und wird auf 9,3 bis 10,7 μm berechnet. Die Simulationen wurden im Wellenlängenbereich des FWHM durchgeführt. Die Leistung der Nanoantenne außerhalb dieses Bereichs wird aufgrund der schlechten Kopplung mit der Diode erheblich gedämpft. Abbildung 5a zeigt die im FWHM-Bereich berechnete Nanoantennenimpedanz.

(a) Die Impedanz der Chand-Bali-Nanoantennenstruktur, berechnet um 10 μm, der Widerstand R in Vollton und die Reaktanz X in Strichen, (b) die Strahlungseffizienz der optimalen Chand-Bali-Nanoantenne, berechnet um die FWHM etwa 10 μm.

Die Impedanzanpassungseffizienz ηm für eine MIM-Diode mit dem Widerstand Rd und einem Nanoantennenwiderstand Ra kann wie folgt formuliert werden25:

Der Widerstand bei der Resonanzwellenlänge von 10 μm beträgt ~ 180 Ω, was mehr als dem Dreifachen des Widerstands der hergestellten Fliege-Nanoantenne bei dieser Wellenlänge entspricht17. Dies spiegelt sich in der Matching-Effizienzverbesserung um nahezu den gleichen Faktor wider. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass der Reaktanzanteil der Nanoantennenimpedanz bei der Berechnung der Anpassungs- oder Kopplungseffizienz berücksichtigt werden sollte. Die Integration sollte beide Teile in die Berechnungen einbeziehen, um ungenaue Wirkungsgrade zu vermeiden.

Die Strahlungseffizienz der Nanoantenne wurde berechnet und ist in Abb. 5b dargestellt. Die Strahlungseffizienz beträgt bei Resonanz fast 43 %, was etwa dem Vierfachen der in Lit. 13 beschriebenen Fliege-Nanoantenne entspricht. Der Gesamtwirkungsgrad ist doppelt so hoch, da das Design beide Polarisationen gleichzeitig empfangen kann. Der Rectenna-Wirkungsgrad ηRec wird mit der folgenden Formel angenähert:

Dabei ist ηa der Wirkungsgrad der Nanoantenne in Bezug auf die Fähigkeit der Nanoantenne, die einfallende elektromagnetische Strahlung zu sammeln, ηs der Wirkungsgrad der Übertragung der gesammelten Energie durch die Antenne an die Diodenanschlüsse, ηc der Kopplungswirkungsgrad zwischen der Antenne und die Diode und ηj ist der Wirkungsgrad der Gleichrichtung des Wechselstroms durch die Diode. Der letzte Term (ηj) kann durch Messung der Ansprechempfindlichkeit der Diode bestimmt werden. Die Kopplungseffizienz ist proportional zur Matching-Effizienz29. Daher dürfte die Gesamteffizienz durch drei Hauptfaktoren gesteigert werden. Es liegt ein Doppelpolarisationsbetrieb vor, der sich in einer etwa zweifachen Vergrößerung widerspiegelt. Auch ein größerer Nanoantennenwiderstand führt aufgrund der Steigerung der Anpassungseffizienz zum zweiten Anstieg mit nahezu gleichem Faktor. Dadurch wird eine Steigerung der Kopplungseffizienz um mehr als das Dreifache im Vergleich zur Bow-Tie-Nanoantenne erreicht. Schließlich weist die vorgeschlagene Nanoantenne eine Strahlungseffizienz auf, die fast viermal höher ist als die Ergebnisse, die mit IR-Rectennas auf Fliegenbasis erzielt wurden. Diese drei Faktoren ermöglichen erfolgreich eine Verbesserung der Gesamteffizienz der Rectenna um mehr als eine Größenordnung.

Die vorgeschlagene Chand-Bali-Nanoantenne bietet zwei Lücken, die die Herstellung der Diode erleichtern, da die metallischen Patches der Antenne auch als die beiden metallischen Seiten der MIM-Diode fungieren. Aufgrund der Eigenschaften und Leistungsmerkmale der Diode ist es jedoch vorzuziehen, die MIM-Diode mit unterschiedlichen Metallelektroden zu bauen, anstatt die Metallschichten der Antenne zu verwenden33,34,65. Der Unterschied in der Austrittsarbeit zwischen den beiden Metallen bietet die Möglichkeit, das Ansprechverhalten der Diode zu verbessern29. Daher wurde der metallische, elliptische Schnitt, der ursprünglich aus Gold gefertigt war, durch einen aus Titan ersetzt. Die Austrittsarbeit für Gold und Titan beträgt 5,1 eV bzw. 4,33 eV, was voraussichtlich die Gleichrichtungsfähigkeit der Diode erhöhen wird. Außerdem ist bekannt, dass Ti an der Luft eine dünne Oxidschicht bildet, was wiederum die Herstellung der Isolatorschicht zur Bildung der Diode vereinfacht. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass die Oxidschicht in alle möglichen Richtungen wächst und daher auf der Nanoantennen-Oberschicht möglicherweise auch eine TiO2-Schicht aufliegt. Das endgültige Design würde die Form eines großen Arrays mit Parallel- und Reihenschaltungen jeder Antenne annehmen, wobei jede Antennenzelle eine Periodizität von 6,5 µm in beide Richtungen aufweist.

Abbildung 6a zeigt die elektrische Feldverstärkung, die berechnet wurde, um den Fall des Materialwechsels des geschnittenen elliptischen Pflasters von Gold zu Titan zu untersuchen. Der Verstärkungsfaktor verbesserte sich leicht durch den Vergleich der Peaks in den Abbildungen. 3a und 6a. Bei beiden Polarisationen trat jedoch eine leichte Rotverschiebung auf, die auf die unterschiedlichen komplexen Permittivitäten von Gold und Titan in diesem Wellenlängenbereich zurückzuführen ist. Es wurde die Auswirkung des Hinzufügens einer 10 nm dicken TiO2-Schicht auf der Oberseite des Ti-Patches untersucht. Die Simulationen zeigten in beiden Fällen nahezu keine Änderung der Leistung der Nanoantenne, wie in Abb. 6b dargestellt. Diese unempfindliche Leistung zeigt die Machbarkeit der vorgeschlagenen Chand-Bali-Nanoantenne im IR-Rectenna-Design unter normalen praktischen Bedingungen.

(a) Die Verbesserung der elektrischen Feldintensität |E/E0|2 des optimalen Designs der Chand-Bali-Nanoantennenstruktur im Verhältnis zur Wellenlänge, wobei die geschnittene Ellipse aus Ti statt aus Gold besteht, während die andere elliptisch ist Der Patch ist immer noch in Gold, der x-polarisierte ist in Vollton, der Einschub zeigt die neue Nano-Antennenstruktur nach dem Wechsel der Materialien. (b) Die Feldverstärkung mit den Ti-Au-Patches wie in (a) mit dem Unterschied, dass eine dünne Schicht TiO2 über dem Ti-Patch hinzugefügt wird. Die durchgezogenen Linien stellen den Fall ohne Oxidschichten dar und die gestrichelten Linien zeigen Rautensymbole Die Reaktion wurde nach dem Hinzufügen der 10-nm-Oxidschicht zugeschrieben, beide Fälle zeigten eine perfekte Übereinstimmung.

Die Grundplatte kann aus Ti anstelle von Au hergestellt werden, da dies ein einfaches Wachstum der TiO2-Oxidschicht des Substrats ermöglicht. Es besteht auch die Möglichkeit, eine MIM-Diode mit einer einzelnen Isolatorschicht oder mehrere Isolatorschichten wie eine MIIM-Diode zu bilden, um die Gesamtleistung zu verbessern, indem die Spaltabstände zwischen beiden Ellipsen im Bereich von wenigen Nanometern berücksichtigt werden64. Das vorgeschlagene Nanoantennendesign bietet in Kombination mit dem Optimierungsalgorithmus eine flexible und skalierbare Möglichkeit, Energieernter zu bauen, die bei einer bestimmten Wellenlänge oder einem engen Wellenlängenbereich arbeiten. Die scharfen Spitzen der vorgeschlagenen Nanoantenne waren in den Simulationen abgerundet und zeigten eine unempfindliche Reaktion auf die Absorptionsfähigkeiten bei der Resonanzwellenlänge. Außerdem wurden die Radien der Ellipsen variiert, um die Herstellungstoleranzen auf dieser Nanometerskala zu simulieren, was zu einer unbedeutenden Verschiebung der Resonanzwellenlänge führte.

Die Metall-Isolator-Metall-Dioden (MIM) sind geeignete Kandidaten, die mit der vorgeschlagenen Nanoantenne im IR-Bereich arbeiten können. Der vorherrschende Tunnelstrom durch dünne Oxidschichten mit einer Dicke von wenigen Nanometern ermöglicht es den MIM-Dioden, das von der Nanoantenne empfangene ultrahochfrequente Wechselstromsignal gleichzurichten. Darüber hinaus würde die Herstellung der Nanoantenne mit integrierter MIM-Diode die Komplexität reduzieren, indem die metallische Grundebene aus Titan statt aus Gold gefertigt wird. Außerdem ist ein Arm der Nanoantenne so konzipiert, dass er stattdessen aus Titan besteht, um die Asymmetrie der MIM-Dioden zu verbessern, wie in Abb. 6a dargestellt. Der geschätzte Strom34,64 der MIM-Diode ist in Abb. 7a dargestellt. Die verschiedenen Metallelektroden zeigen erwartungsgemäß ein stärker asymmetrisches Verhalten und sind in Abb. 7a dargestellt. Der Widerstand und das Ansprechverhalten der MIM-Diode auf Au-TiO2-Au-Basis werden aus den geschätzten IV-Eigenschaften berechnet und in Abb. 7b dargestellt. Durch die Verwendung mehrerer Isolatorschichten beim Aufbau der MIM-Diode wird eine verbesserte Reaktionsfähigkeit erwartet.

(a) Die Strom-Spannungs-Kennlinie der MIM-Diode, die Au-TiO2-Au-Basis in durchgezogenen Linien und die Au-TiO2-Ti-Basis in gepunkteten Linien. (b) Der Widerstand und das Ansprechverhalten der MIM-Diode auf Au-TiO2-Au-Basis.

Es wurde ein neuartiges Nanoantennendesign für den Einsatz in Rectennas zur Infrarot (IR)-Energiegewinnung untersucht. Die vorgeschlagene Chand-Bali-Nanoantenne ist ein ausgezeichneter Kandidat für den Empfang zufällig polarisierter IR-Strahlung um 10 μm. Ein adjunktbasierter Optimierungsalgorithmus wurde genutzt, um eine maximale Feldverstärkung an den Nanoantennenlücken für gleichzeitige Doppelpolarisationen bei derselben Betriebswellenlänge zu erreichen. Dem Algorithmus gelang es, Parameter für ein optimales Design zu erzeugen, die eine Absorption nahe eins bei 10 μm ermöglichen. Das optimale Chand-Bali-Design verfügt über einen starken Verstärkungsfaktor des elektrischen Feldes von mehr als 105 in der Mitte von Lücken mit einer Breite von 15 nm. Außerdem wurde die Nanoantenne als Metall-Isolator-Metall-Struktur (MIM) entwickelt. Diese MIM-Struktur zeigte eine magnetische Resonanz und erweiterte dadurch die Empfangsmöglichkeiten effizient für Einfallswinkel bis zu 80°. Der Antennenwiderstand betrug 180 Ω, was die Anpassung an die Diode verbesserte. Die Strahlungseffizienz wurde ebenfalls mit 43 % bei einer maximalen Detektivität von 5,5 berechnet. Die numerischen Simulationen für verschiedene Materialien wurden mit unwesentlichen Auswirkungen auf die Leistung der Nanoantenne durchgeführt. Die Auswahl der Metalle und Isolatoren unterstützte die Verbindung mit mehreren MIM-Dioden, um die Gesamtleistung der Rectenna zu verbessern. Schließlich erzielte diese optimierte Chand-Bali-Nanoantenne eine Verbesserung um mehr als eine Größenordnung im Vergleich zu den hergestellten Bow-Tie-Nanoantennen, die im gleichen Wellenlängenbereich betrieben wurden.

Um die Leistung der vorgeschlagenen Chand-Bali-Nanoantenne zu quantifizieren, sollten die elektrischen und magnetischen Felder unter den Betriebsbedingungen berechnet werden. Daher wurde die Nanoantenne mit dem Finite-Elemente-Methode (FEM)-Löser ANSYS HFSS analysiert. COMSOL Multiphysics wurde zur Validierung der Ergebnisse von ANSYS HFSS verwendet. Die Nanoantenne wurde in einem Luftkasten mit periodischen Bedingungen an den Seiten eingebaut, um den Effekt einer unendlichen Array-Struktur nachzuahmen. An der Oberseite des Luftkastens ist ein Anschluss angebracht, um die Nanoantenne mit einer normalen einfallenden Welle bei etwa 30 THz anzuregen. Als absorbierende Randbedingung wird eine perfekt abgestimmte Schicht (PML) auf der Oberseite der Struktur entworfen. Gold und Titandioxid werden anhand ihrer komplexen Permittivitäten innerhalb des betrachteten Frequenzbereichs modelliert66,67. Um die Konvergenz der Berechnungen sicherzustellen, werden konsistente Netzparameter ausgewählt. Aus dem definierten Port werden S-Parameter berechnet und anschließend Reflexion und Absorption bestimmt. Die Simulationen wurden zweimal unter verschiedenen elektrischen Feldpolarisationen wiederholt, um die entsprechende Leistung zu ermitteln.

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Ahmed Y. Elsharabasy

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Mohamed H. Bakr & M. Jamal Deen

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AE, MB und MJD haben das Manuskript geschrieben. AE hat das Design und die Simulationen durchgeführt. AE, MB und MJD analysierten die Simulationen und interpretierten die Ergebnisse. Alle drei Autoren haben das Manuskript rezensiert.

Korrespondenz mit Ahmed Y. Elsharabasy.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Elsharabasy, AY, Bakr, MH & Deen, MJ Optimierte polarisationsunabhängige Chand-Bali-Nanoantenne für die thermische IR-Energiegewinnung. Sci Rep 13, 17525 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-43709-3

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Eingegangen: 13. Januar 2023

Angenommen: 27. September 2023

Veröffentlicht: 16. Oktober 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-43709-3

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