新型量子隧穿二極管，可吸收紅外輻射發(fā)電

據(jù)麥姆斯咨詢報道，沙特阿拉伯的研究人員發(fā)明了一種發(fā)電二極管，它利用超速量子隧穿效應(yīng)捕獲外部環(huán)境中的紅外輻射波，并將其轉(zhuǎn)化為電能。

“領(lǐng)結(jié)型”隧穿二極管結(jié)構(gòu)圖阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）的研究團(tuán)隊研制出一種新概念器件，該器件可以回收利用紅外輻射波和工業(yè)生產(chǎn)過程中釋放的余熱，將這些熱輻射波（頻率僅千億分之一秒）轉(zhuǎn)化為有用的電能。一天24小時內(nèi)都可以收捕紅外輻射波，只要將廢熱或紅外波看作高頻電磁波，使用適當(dāng)設(shè)計的天線，將收集到的波發(fā)送到整流器（通常是一個半導(dǎo)體二極管），將交流信號轉(zhuǎn)換成電流。據(jù)KAUST表示，把這些“整流天線”由設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實還是有些困難，因為紅外發(fā)射的波長非常小，需要微納米級的天線，而這種級別的天線是很難制造和測試的。此外，紅外波的振蕩速度比典型的半導(dǎo)體中電子移動通過其結(jié)的速度快上千倍。“在這個世界上，還沒有商用的二極管能在如此高的頻率下運(yùn)行，”項目負(fù)責(zé)人Atif Shamim表示，“這就是我們轉(zhuǎn)向量子隧穿的原因?！盞AUST繼續(xù)說明，量子隧穿器件，例如金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)的二極管，通過將電子隧穿過一個非常薄的絕緣障礙層，實現(xiàn)將紅外波整流成電流。因為這個絕緣層只有一納米厚，MIM二極管可以處理飛秒級的高頻信號。為產(chǎn)生隧穿的通道，研究團(tuán)隊設(shè)計了一種領(lǐng)結(jié)型的納米天線，絕緣膜就像“三明治”一樣被夾在兩個輕微交疊的金屬臂之間?！白罹咛魬?zhàn)性的部分是兩個天線臂的納米級重疊，這需要非常精確的對準(zhǔn)，”博士后研究員Gaurav Jayaswal說道，“盡管如此，通過結(jié)合KAUST的先進(jìn)納米加工設(shè)備和巧妙的設(shè)計，我們完成了這一步?！蓖ㄟ^選擇具有不同功函數(shù)的金屬，這款新的MIM二極管可以在零偏壓條件下捕捉紅外波，這種無源特性，可以在需要時開啟器件。實驗顯示，暴露在紅外線環(huán)境下，領(lǐng)結(jié)天線能夠成功地僅從紅外輻射，而不是熱效應(yīng)，完成能量收集?！斑@僅僅是概念證明的一個開始，”Shamim說，“我們可以將數(shù)以百萬計的這樣的二極管連接起來，以增加整體發(fā)電量?！痹敿?xì)介紹該項目的論文——《Optical rectification through an Al2O3 based MIM passive rectenna at 28.3 THz》已經(jīng)發(fā)表在《Materials Today Energy》。