Polarización optimizada

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 17525 (2023) Citar este artículo

Detalles de métricas

Se propone una nueva nanoantena Chand-Bali de recepción de gran angular, independiente de la polarización. Se utiliza un algoritmo de optimización basado en adjuntos para crear la misma resonancia en ambas polarizaciones lineales de la radiación incidente. Los parámetros óptimos de la nanoantena revelan que se crean dos puntos calientes con una fuerte mejora del campo. Estos puntos calientes podrían integrarse con diodos metal-aislante-metal (MIM) para formar una recena para la recolección de energía infrarroja (IR). Los resonadores metálicos permiten seleccionar varios materiales para facilitar la fabricación de la nanoantena y el diodo MIM. Se investigan las rectennas IR basadas en Chand-Bali y las simulaciones demuestran una mejora de más de un orden de magnitud en la eficiencia en comparación con las que utilizan nanoantenas tradicionales.

Las recientes tecnologías de recolección de energía están intentando mitigar los efectos de décadas de uso de combustibles fósiles en nuestro planeta para las generaciones futuras. Estos efectos han estimulado la exploración de nuevos recursos energéticos sostenibles y limpios. Los avances cada vez más rápidos en el Internet de las cosas (IoT)1,2 y el uso ubicuo de sensores y dispositivos inteligentes3,4 requieren nuevas técnicas para potenciarlos. La energía solar se considera uno de los recursos abundantes y limpios de la Tierra. La energía fotovoltaica actual basada en Si absorbe la energía de los fotones en el rango visible y la convierte en tensión continua5,6. Se han explorado varios intentos innovadores utilizando diferentes compuestos semiconductores para mejorar la eficiencia de conversión de las células solares7,8,9,10,11,12. Sin embargo, casi la mitad del espectro solar, que se encuentra en la región infrarroja (IR), aún no está plenamente explotado13. Debido a la teoría de Planck de la radiación de un cuerpo negro, cualquier objeto por encima de la temperatura del cero absoluto emitirá radiación IR en una determinada longitud de onda correspondiente a su temperatura14. Por lo tanto, la radiación térmica puede considerarse como una fuente de energía ilimitada que se extiende en el rango de longitudes de onda IR de 1,0 a 10 μm. La longitud de onda más larga de 10 μm, que equivale a una frecuencia de 30 THz, representa la radiación IR de los objetos a temperatura ambiente.

Muchos estudios han investigado la posibilidad de recolectar energía alrededor de esta longitud de onda de 10 μm15,16,17,18,19,20,21,22. En 1972, se propuso un dispositivo inteligente llamado rectenna (antena rectificadora) para recolectar la energía solar y convertirla en corriente continua23. Esta rectenna (antena más rectificador) puede describirse como una antena que recibe la radiación electromagnética incidente. Luego, la antena se conecta a un rectificador que convierte la corriente CA capturada en CC. Investigaciones recientes sobre prototipos de reccena han logrado eficiencias bastante altas, > 80 % en el rango de microondas24,25,26,27. Sin embargo, las rectennas equivalentes en frecuencias IR todavía adolecen de un rendimiento de rectificación inadecuado17,22. El rendimiento de la rectenna se mide esencialmente a través del rendimiento de cada elemento de la rectenna: la antena y el diodo28. Además, el acoplamiento entre los dos elementos se considera un parámetro crítico para determinar la eficiencia total de la reccena29. Las frecuencias ultraaltas de la radiación IR restringen el tipo de diodo que se puede utilizar30. La velocidad de conmutación del diodo depende de su correspondiente mecanismo de conducción. Debido a que la tunelización27 es el mecanismo de conducción dominante en las estructuras metal-aislante-metal (MIM), los diodos MIM se consideran el mejor candidato para operar a estas frecuencias ultraaltas30,31,32. Los diodos MIM constan de dos capas metálicas intercaladas con una capa aislante. Esta capa aislante debe ser ultrafina, del orden de unos pocos nanómetros, para mantener el rendimiento de conmutación rápida. Además, otras cifras de mérito del diodo se determinan a partir de sus características de corriente-voltaje33. Las medidas de rendimiento más importantes son la resistencia y la capacidad de respuesta del diodo29. La resistencia del diodo MIM puede variar dentro del rango de varios cientos a Mega Ohms34. Esta resistencia debe coincidir con la de la antena para permitir la máxima transferencia de potencia. La capacidad de respuesta del diodo, que es una medida de su no linealidad, determina la capacidad de rectificación del diodo MIM34. Se llevaron a cabo varios estudios y experimentos para mejorar el rendimiento del diodo29. Estos intentos35,36,37,38,39,40,41,42 se realizaron seleccionando diferentes materiales, es decir, metales y aislantes, con diferentes espesores, o investigando pilas de múltiples capas de aislante. El objetivo principal sigue siendo adaptar el diagrama de bandas de energía del diodo para controlar sus características I-V y, en consecuencia, la resistencia y capacidad de respuesta del diodo. Sin embargo, la fabricación de una capa aislante de unos pocos nm, que sea uniforme y reproducible, es un elemento crucial para el rendimiento de los diodos MIM16,17. Se informó que los diodos geométricos basados en la teoría del transporte balístico, como los diodos de grafeno43,44, logran una capacitancia más baja y una mayor eficiencia de rectificación. La fabricación y el funcionamiento sensible a la temperatura se encuentran entre los desafíos que enfrenta esta prometedora tecnología.

Para un diodo MIM específico, la resistencia del diodo constituye una restricción en la selección de la antena. Para lograr una buena adaptación entre el diodo y la antena, ambas resistencias deben ser iguales29. Las dimensiones de las antenas resonantes son proporcionales a la longitud de onda operativa en los regímenes de microondas, IR u óptico45,46. En la literatura se propusieron muchas estructuras de nanoantenas para operar alrededor de 10 μm, incluidos nanodipolos47, pajaritas16,17, espirales48, nano-media luna49, dipolos cónicos50 y log-periódicos51. Estos diseños dieron como resultado una resistencia de antena del orden de unas pocas decenas de ohmios51. Este desajuste con la resistencia del diodo MIM reduce la eficiencia del acoplamiento. Además, la naturaleza no polarizada de la radiación IR favorece las estructuras de antena con doble polarización. Trabajos anteriores sugirieron el uso de dos nanoantenas polarizadas linealmente, como diploes cruzados52 o pajaritas cruzadas53, para superar ese requisito. Aunque estos diseños son teóricamente viables, su fabricación es compleja. Su acoplamiento a diodos también es difícil. Además, la necesidad de una recepción de gran angular es importante para que la nanoantena reciba la radiación IR difusa.

En este estudio, proponemos un novedoso diseño de nanoantena Chand-Bali que opera alrededor de 10 μm. La nanoantena propuesta está diseñada utilizando dos parches metálicos dorados colocados sobre un sustrato de TiO2. Se añadió un plano metálico de tierra para bloquear la transmisión a través de la estructura. Se forma así una estructura metal-aislante-metal que soporta la resonancia magnética. Esta resonancia magnética permite una recepción de ángulo de incidencia amplio54. La nanoantena Chand-Bali propuesta puede recibir eficientemente la radiación IR de doble polarización. Para mejorar las capacidades de recepción, se utilizó un algoritmo de optimización basado en adjuntos55. Después de algunas iteraciones de optimización, logramos un diseño de nanoantena que es capaz de recibir la radiación IR incidente en cualquier polarización casi sin potencia reflejada en resonancia. Esta nanoantena ofrece la oportunidad de duplicar la eficiencia de las antenas IR utilizando las nanoantenas tradicionales con operación de polarización simple. Además, la resistencia de la antena calculada es más del doble que la de la literatura, lo que proporciona una mejora adicional del acoplamiento entre las nanoantenas y el diodo MIM. Además, los dos puntos calientes simétricos conseguidos exhiben una mejora muy fuerte del campo eléctrico. Este confinamiento intensivo de campo ayuda al mecanismo de tunelización a través del diodo MIM, lo que a su vez aumenta el rendimiento de la rectificación.

Nuestro diseño se compone de dos parches metálicos de forma elíptica. El primer parche elíptico está diseñado para tener su radio mayor a lo largo de una dirección determinada. El segundo parche elíptico está cortado por una forma elíptica más pequeña y esta elipse cortada tiene su eje mayor alineado perpendicular a la dirección del eje mayor de la primera elipse. A partir de esta configuración preliminar, es posible que la nanoantena se acople a la radiación incidente con diferentes polarizaciones. La Figura 1 muestra la estructura de la nanoantena Chand-Bali propuesta. La nanoantena está construida con parches elípticos dorados encima de un plano de tierra dorado para evitar una mayor transmisión de la radiación electromagnética incidente. Entre los dos metales se intercala una fina capa aislante de TiO2. Este diseño, como se muestra en la Fig. 1a, forma una estructura metal-aislante-metal (MIM). La Figura 1b muestra los parámetros de diseño de la nanoantena Chand-Bali propuesta. Como se muestra en la vista superior, tres elipses diferentes: A, B y C se caracterizan por la ubicación de sus centros y sus radios mayor y menor. Los centros e1, e2 y e3 están colocados en el mismo eje. Se supuso que la nanoantena Chand-Bali desarrollada se encontraba en una estructura periódica en el plano x – y con periodicidad simétrica G, como se muestra en la figura 1b. Los espesores de las capas (tm, td y tg) de la estructura MIM se consideran parámetros de diseño adicionales (ver Fig. 1c). El espesor del plano de tierra tg se mantiene fijo en 200 nm, que es varias veces la profundidad de la piel a la frecuencia operativa sugerida de 30 THz. Las resonancias magnéticas esperadas se deben a la orientación de cada parche elíptico así como a sus radios mayor y menor.

La estructura propuesta de nanoantena Chand-Bali: (a) vista isométrica 3D; (b) vista superior que muestra los parámetros de diseño de las tres elipses A, B y C; y (c) vista en sección transversal de la nanoantena Chand-Bali que muestra las tres capas metal-aislante-metal (MIM) cuyos espesores son parámetros de diseño.

La nanoantena Chand-Bali propuesta exhibe la clara ventaja de operar con polarización dual con dos terminales abiertos. Esta combinación única de características brinda una excelente oportunidad para una integración perfecta en redes en paralelo y en serie, mejorando en consecuencia el rendimiento general de recolección. La Tabla 1 presenta un análisis comparativo de varias nanoantenas reportadas en la literatura, considerando sus capacidades de polarización dual, la cantidad de terminales de antena y los materiales utilizados en sus respectivos diseños.

Como se describe en los pasos de la simulación, se realizaron dos simulaciones diferentes para determinar la reflectancia en cada polarización. Sin embargo, calcular la mejora del campo eléctrico en la brecha es fundamental. ANSYS HFSS se puede utilizar para calcular los parámetros de dispersión (S-) además de sus derivadas con respecto a la geometría y los parámetros del material. Estas derivadas se estiman utilizando un método autoadjunto sin simulaciones adicionales55. Por lo tanto, buscar un fuerte confinamiento del campo eléctrico en ambas polarizaciones simultáneamente puede definirse como un problema de optimización. Los algoritmos de optimización basados en gradientes generalmente requieren menos iteraciones y, por tanto, simulaciones, en comparación con los métodos de optimización global. El gradiente del campo eléctrico no es posible mediante el método autoadjunto disponible en ANSYS HFSS. Esto implica que se requiere una gran cantidad de simulaciones para aproximar el gradiente utilizando métodos de diferencias finitas, por ejemplo, especialmente en el caso de muchos parámetros de diseño. Por lo tanto, la necesidad de tratar numéricamente los parámetros S es crucial.

El vínculo requerido entre los parámetros S y la mejora del campo eléctrico se puede derivar a través de la teoría del modo acoplado (CMT)63. En CMT, la mejora de campo optimizada de una nanoantena determinada con un material específico es directamente proporcional al factor de calidad de absorción Qabs. Este factor de calidad óptimo se produce en los valles de reflectancia64. Por tanto, la mejora del campo está asociada con longitudes de onda de reflectancia mínima. Se puede utilizar un algoritmo de optimización para minimizar la reflectancia usando:

donde E0 es el campo eléctrico incidente y W es la función objetivo. El problema de optimización se puede formular como,

donde W1 y W2 son la reflectancia calculada para una onda electromagnética incidente con un campo eléctrico polarizado en las direcciones x e y, respectivamente, a una longitud de onda de 10 μm. El vector c representa las restricciones geométricas lineales y no lineales para evitar estructuras no físicas. Los parámetros de diseño u se determinan a partir de las geometrías como se muestra en la Fig. 1b, c, donde,

Estos 12 parámetros de diseño se clasifican en tres clases: la periodicidad de la celda unitaria (G), los espesores de los metales superiores y la capa aislante (tm, td) respectivamente, y finalmente el radio mayor y menor de cada elipse (rx, ry). y sus ubicaciones centrales ei.

Intentar minimizar simultáneamente la reflectancia de ambas polarizaciones no produjo un buen diseño. Por lo tanto, el problema de optimización se actualiza para obtener un punto inicial factible. En primer lugar, la optimización se lleva a cabo para W1 sólo para obtener un punto óptimo para la primera polarización. Como se muestra en la Fig. 2a, la convergencia de este paso de optimización se logra después de 15 iteraciones. Estos parámetros de diseño óptimos se utilizan luego para realizar el paso de optimización para ambas polarizaciones simultáneamente como se describe en la ecuación. (3). Este punto de partida, que es óptimo para una polarización específica, no lo es para la otra, como se muestra en la Fig. 2b. El segundo paso de optimización comenzó con una reflectancia inicial de (1 − 0,86) = 0,14 y logró una reflectancia de menos de 0,01 después de 13 iteraciones. El diseño logrado minimiza la reflectancia para ambas polarizaciones como se muestra en la Fig. 2c. Ambos picos están muy cerca de un valor unitario a una longitud de onda de 10 μm. El algoritmo de optimización se realiza en un entorno MATLAB con scripts personalizados para vincular ANSYS HFSS y automatizar el proceso.

(a) La convergencia del algoritmo de optimización medida con la función objetivo (W = 1 - reflectancia) versus el número de iteración; el algoritmo se acerca a la máxima absortividad después de 15 pasos para el caso de campo E incidente polarizado x. (b) La convergencia del algoritmo en el caso de dos simulaciones paralelas con polarizaciones de campo eléctrico en las direcciones xey, respectivamente. (c) La absorbancia (= 1 - reflectancia) de la nanoantena Chand-Bali calculada con parámetros de diseño óptimos para el campo eléctrico incidente polarizado x (sólido) y el campo eléctrico incidente polarizado y (punteado).

Las simulaciones numéricas se llevan a cabo utilizando el conjunto óptimo de parámetros de diseño obtenidos al ejecutar el algoritmo de optimización. Estas dimensiones óptimas se presentan en la Tabla 2. El campo eléctrico en el centro de cada espacio se simuló en el rango de longitud de onda de 8,5 a 11,5 μm (ver Fig. 3a). Se observa un fuerte confinamiento del campo eléctrico a 10 μm para ambas polarizaciones. La brecha en el diseño óptimo es de 15 nm, que se puede fabricar mediante litografía por haz de electrones (EBL)16,17. El factor de mejora del campo eléctrico se acerca a 1,5 × 105 y ~ 105 para las ondas electromagnéticas incidentes polarizadas x e y a 10 μm, respectivamente. Se espera que tenga un factor de mejora diferente para diferentes polarizaciones, ya que la nanoantena no es simétrica. Sin embargo, ambas polarizaciones apoyan la resonancia de la antena a 10 μm. El pequeño pico en una longitud de onda más corta, como se muestra en la Fig. 3a, se puede atribuir a la resonancia de plasmón superficial (SPP) respaldada por la matriz de nanoantenas9. En la Fig. 3b, la mejora del campo eléctrico en el caso de la onda EM polarizada x se normalizó y se trazó con la reflectancia correspondiente de los parámetros S. Ambas curvas son idénticas alrededor de la resonancia, validando así los supuestos de la teoría del modo acoplado.

(a) La mejora de la intensidad del campo eléctrico |E/E0|2 del diseño óptimo de la estructura de nanoantena Chand-Bali frente a la longitud de onda, la polarizada x está en color sólido mientras que la polarizada y se representa como líneas de puntos. (b) El factor de mejora normalizado para una onda incidente polarizada x trazada con (1 - Refelctancia) de la misma onda polarizada x que muestra una respuesta coincidente alrededor de la longitud de onda de resonancia.

La distribución del campo eléctrico sobre el plano xy en la longitud de onda de resonancia se calculó y se representa en la Fig. 4. Cuando una onda incidente normal incide en la nanoantena con un campo eléctrico polarizado a lo largo del eje x en resonancia, el campo eléctrico será confinado a través de las dos brechas. Estos confinamientos forman dos puntos calientes que apoyan el funcionamiento del diodo MIM para rectificar los campos cosechados. Los vectores del campo eléctrico que se muestran en la Fig. 4a revelan que las cargas en el parche elíptico de la derecha se dividen en dos polaridades longitudinalmente opuestas para soportar este modo de resonancia. Cuando el campo eléctrico incidente se polariza verticalmente a lo largo del eje y, las cargas sobre el parche elíptico se dividen entre las mitades superior e inferior con polaridad opuesta para permitir la resonancia correspondiente, como se muestra en la Fig. 4b.

La distribución de la intensidad del campo eléctrico |E|2 del diseño óptimo de la estructura de nanoantena Chand-Bali calculada a 10 μm. (a,b) En el plano xy central, donde el color más oscuro representa una mayor intensidad del campo eléctrico, todos los gráficos están en la misma escala y las flechas representan el vector del campo eléctrico en la misma longitud de onda de resonancia de 10 μm para (a) x -campo eléctrico incidente polarizado, y (b) campo eléctrico incidente polarizado y, respectivamente. (c,d) El espectro en escala de grises mapea las secciones transversales de intensidad del campo magnético enfatizando la creación de resonancias magnéticas. La sección transversal se corta paralela al plano xz y pasa a través del espacio del punto caliente en (c), mientras que es paralela al plano yz y pasa a través de los dos puntos calientes en (d). (e) La reflectancia en la longitud de onda de resonancia al variar el ángulo de incidencia, θ, la absorbancia es superior al 92% para ángulos de incidencia de hasta 80°.

La distribución del campo magnético de la onda incidente polarizada x se traza en una sección transversal que pasa por el punto caliente y es paralela al plano xz, como se muestra en la Fig. 4c. La distribución del campo magnético a través del plano yz para la onda incidente polarizada y se presenta en la Fig. 4d. Ambas distribuciones de campo magnético exhiben resonancia magnética a 10 μm54, lo que a su vez permite un rendimiento de gran angular para incidencia oblicua. La reflectancia se calcula con un ángulo de incidencia variable θ, a una longitud de onda de resonancia de 10 μm y se presenta en la Fig. 4e. La absorbancia es superior al 92% para ángulos de incidencia de hasta 80°. Esta importante característica demuestra que la nanoantena Chand-Bali propuesta es uno de los recolectores de energía más competitivos para la radiación IR difusa.

La rectana en la región IR consiste en una nanoantena conectada a un diodo. La nanoantena recibe la radiación IR con longitudes de onda coincidentes con la longitud de onda de resonancia de la nanoantena. Esta señal de CA de frecuencia ultraalta recopilada luego pasa a través del diodo para ser rectificada y produce una corriente CC útil. La nanoantena Chand-Bali óptima propuesta posee una alta mejora del campo eléctrico en los espacios designados para ayudar y mejorar el rendimiento del diodo. La absorción de la radiación IR con una amplia gama de ángulos de incidencia aumenta aún más el rendimiento de la rectenna. A pesar de estos méritos, la adaptación de impedancia con el diodo puede ser un desafío para el rendimiento de la recena29. En teoría, los diodos MIM pueden funcionar hasta frecuencias visibles22. Sin embargo, una preocupación crucial es que la alta no linealidad del diodo generalmente está asociada con una gran resistencia34. Esta resistencia varía desde cientos hasta Mega Ohms34. Esta enorme diferencia con la resistencia de la nanoantena puede impedir que las nanoantenas altamente eficientes entreguen la energía recolectada al diodo, lo que a su vez haría que la rectenna fuera ineficiente17. Una de las soluciones para resolver este conflicto es construir nanoantenas de alta impedancia para mitigar los efectos del desajuste.

Luego, la antena Chand-Bali óptima se simula numéricamente en el modo de transmisión definiendo un puerto agrupado en uno de los espacios con una carga agrupada coincidente en el otro espacio. El análisis de campo lejano de la antena se lleva a cabo para estimar los patrones de campo lejano y los parámetros de la antena. El ancho medio máximo (FWHM) de la nanoantena propuesta se puede derivar de la Fig. 3b, y se calcula que es de 9,3 a 10,7 μm. Las simulaciones se llevaron a cabo en el rango de longitud de onda del FWHM. El rendimiento de la nanoantena fuera de este rango se ve significativamente atenuado debido a un acoplamiento deficiente con el diodo. La Figura 5a representa la impedancia de la nanoantena calculada en el rango FWHM.

(a) La impedancia de la estructura de la nanoantena Chand-Bali calculada alrededor de 10 μm, la resistencia R en sólido y la reactancia X en guiones, (b) la eficiencia de radiación de la nanoantena Chand-Bali óptima calculada alrededor de la FWHM alrededor de 10 μm.

La eficiencia de adaptación de impedancia ηm para un diodo MIM con resistencia Rd y una resistencia de nanoantena Ra se puede formular como25:

La resistencia en la longitud de onda de resonancia de 10 μm es ~ 180 Ω, que es más de 3 veces la de la nanoantena tipo pajarita fabricada en esta longitud de onda17. Esto se refleja en la mejora de la eficiencia correspondiente por casi el mismo factor. Además, se observa que la parte de reactancia de la impedancia de la nanoantena debe tenerse en cuenta al calcular la eficiencia de adaptación o acoplamiento. La integración debe incluir ambas partes en los cálculos para evitar eficiencias inexactas.

Se calculó la eficiencia de radiación de la nanoantena y se presenta en la Fig. 5b. La eficiencia de la radiación es casi del 43% en resonancia, que es ~ 4 veces mayor que la de la nanoantena tipo pajarita descrita en la Ref.13. La eficiencia total duplica este valor ya que el diseño puede recibir ambas polarizaciones simultáneamente. La eficiencia de la rectina ηRec se aproxima utilizando la siguiente fórmula:

donde ηa es la eficiencia de la nanoantena relacionada con la capacidad de la nanoantena para recolectar la radiación electromagnética incidente, ηs es la eficiencia de transferir la energía recolectada por la antena a los terminales del diodo, ηc es la eficiencia de acoplamiento entre la antena y el diodo y ηj es la eficiencia de rectificar la potencia de CA a través del diodo. El último término (ηj) se puede determinar midiendo la capacidad de respuesta del diodo. La eficiencia de acoplamiento es proporcional a la eficiencia de adaptación29. Por lo tanto, es probable que la eficiencia general se vea impulsada por tres factores principales. Hay una operación de polarización dual que se refleja como un aumento de aproximadamente dos veces. Además, una mayor resistencia de la nanoantena conduce al segundo aumento con casi el mismo factor debido al aumento en la eficiencia de adaptación. Por lo tanto, se logra un aumento de más de tres veces en la eficiencia de acoplamiento en comparación con la nanoantena tipo pajarita. Finalmente, la nanoantena propuesta tiene una eficiencia de radiación cercana a 4 veces mayor que los resultados reportados con antenas IR basadas en pajaritas. Estos tres factores logran con éxito una mejora de más de un orden de magnitud en la eficiencia general de la reccena.

La nanoantena Chand-Bali propuesta ofrece dos espacios que facilitan la fabricación del diodo al considerar que los parches metálicos de la antena también funcionan como los dos lados metálicos del diodo MIM. Sin embargo, a partir de las características del diodo y las cifras de mérito, es preferible construir el diodo MIM con diferentes electrodos metálicos en lugar de utilizar las capas metálicas de la antena33,34,65. La diferencia en la función de trabajo entre los dos metales ofrece una oportunidad para mejorar la capacidad de respuesta del diodo29. Por lo tanto, el parche metálico con corte elíptico, que inicialmente estaba diseñado en oro, fue reemplazado por uno de titanio. Las funciones de trabajo para el oro y el titanio son 5,1 eV y 4,33 eV, respectivamente, lo que se espera que aumente la capacidad de rectificación del diodo. Además, el Ti es bien conocido por formar una fina capa de óxido cuando se expone al aire, lo que a su vez simplifica la fabricación de la capa aislante para formar el diodo. Sin embargo, un inconveniente es que la capa de óxido crece en todas las direcciones posibles y, como resultado, la capa superior de la nanoantena también puede tener una capa de TiO2 encima. El diseño final tomaría la forma de un gran conjunto con conexiones en paralelo y en serie de cada antena, donde cada celda de antena tiene una periodicidad de 6,5 µm en ambas direcciones.

La Figura 6a muestra la mejora del campo eléctrico calculada para estudiar el caso de cambiar el material del parche de corte elíptico de oro a titanio. El factor de mejora mejoró ligeramente al comparar los picos en las Figs. 3a y 6a. Sin embargo, se produjo un ligero desplazamiento al rojo para ambas polarizaciones, lo que se atribuye a las diferentes permitividades complejas del oro y el titanio en este rango de longitudes de onda. Se investigó el efecto de agregar una capa de TiO2 de 10 nm de espesor en la parte superior del parche de Ti. Las simulaciones casi no mostraron cambios en el rendimiento de la nanoantena en ambos casos, como se presenta en la Fig. 6b. Este rendimiento insensible revela la viabilidad de la nanoantena Chand-Bali propuesta en el diseño de rectina IR en condiciones prácticas normales.

(a) La mejora de la intensidad del campo eléctrico |E/E0|2 del diseño óptimo de la estructura de nanoantena Chand-Bali vs. longitud de onda, con la elipse cortada diseñada de Ti en lugar de oro, mientras que la otra elíptica El parche todavía está en dorado, la polarización X está en sólido, el recuadro muestra la nueva estructura de nano antena después de cambiar los materiales. (b) La mejora del campo con los parches de Ti-Au como en (a) con la diferencia de agregar una capa delgada de TiO2 sobre el parche de Ti, las líneas sólidas representan el caso sin capas de óxido y las líneas discontinuas con símbolos de diamantes Atribuyó la respuesta después de agregar la capa de óxido de 10 nm, ambos casos muestran un ajuste perfecto.

El plano de tierra se puede fabricar con Ti en lugar de Au, ya que esto permite un fácil crecimiento de la capa de óxido de TiO2 del sustrato. También existe la posibilidad de formar un diodo MIM de una sola capa aislante o capas de múltiples aislantes, como un diodo MIIM, para mejorar el rendimiento general al considerar las separaciones entre ambas elipses en el rango de unos pocos nanómetros64. El diseño de nanoantena propuesto, combinado con el algoritmo de optimización, ofrece una forma flexible y escalable de construir recolectores de energía que funcionen en una longitud de onda específica o en un rango de longitud de onda estrecho. Las puntas afiladas de la nanoantena propuesta se redondearon en las simulaciones y mostraron una respuesta insensible a las capacidades de absorbancia en la longitud de onda de resonancia. Además, los radios de las elipses se variaron para simular las tolerancias de fabricación en esta escala nanométrica y dieron como resultado un cambio insignificante en la longitud de onda de resonancia.

Los diodos metal-aislante-metal (MIM) son candidatos adecuados que pueden funcionar con la nanoantena propuesta en la región IR. La corriente de túnel dominante a través de finas capas de óxido con un espesor de unos pocos nanómetros permite que los diodos MIM rectifiquen la señal de CA de frecuencia ultra alta recibida de la nanoantena. Además, la fabricación de la nanoantena integrada con un diodo MIM reduciría la complejidad al diseñar el plano de tierra metálico hecho de titanio en lugar de oro. Además, un brazo de la nanoantena está diseñado para estar hecho de titanio para mejorar la asimetría del diodo MIM, como se muestra en la Fig. 6a. La corriente estimada 34,64 del diodo MIM se representa en la Fig. 7a. Los diferentes electrodos metálicos muestran un comportamiento más asimétrico como se esperaba y se ilustra en la Fig. 7a. La resistencia y la capacidad de respuesta del diodo MIM basado en Au-TiO2-Au se calculan a partir de las características I – V estimadas y se presentan en la Fig. 7b. Se espera una mejor capacidad de respuesta al utilizar múltiples capas aislantes en la construcción del diodo MIM.

(a) Las características de corriente-voltaje del diodo MIM, el Au-TiO2-Au basado en líneas continuas mientras que el Au-TiO2-Ti basado en líneas punteadas. (b) La resistencia y capacidad de respuesta del diodo MIM basado en Au-TiO2-Au.

Se investigó un nuevo diseño de nanoantena para su uso en recentes para la recolección de energía infrarroja (IR). La nanoantena Chand-Bali propuesta es una excelente candidata para recibir radiación IR polarizada aleatoriamente de alrededor de 10 μm. Se aprovechó un algoritmo de optimización basado en adjuntos para lograr la máxima mejora de campo en los espacios de las nanoantenas para polarizaciones duales simultáneamente en la misma longitud de onda operativa. El algoritmo logró producir parámetros para un diseño óptimo que permite una absorbancia cercana a la unidad a 10 μm. El diseño óptimo de Chand-Bali posee un fuerte factor de mejora del campo eléctrico de más de 105 en el centro de espacios cuyo ancho es de 15 nm. Además, la nanoantena se desarrolló como una estructura metal-aislante-metal (MIM). Esta estructura MIM exhibió resonancia magnética y como resultado amplió las capacidades de recepción de manera eficiente para ángulos de incidencia de hasta 80°. La resistencia de la antena fue de 180 Ω, lo que mejoró la coincidencia con el diodo. La eficiencia de la radiación también se calculó en 43% con una detectividad máxima de 5,5. Las simulaciones numéricas para diferentes materiales se llevaron a cabo con un impacto insignificante en el rendimiento de la nanoantena. La selección de metales y aisladores admitió la conexión con varios diodos MIM para mejorar el rendimiento general de la rectenna. Finalmente, esta nanoantena Chand-Bali optimizada logró una mejora de más de un orden de magnitud en comparación con las nanoantenas tipo pajarita fabricadas que funcionan en el mismo rango de longitud de onda.

Para cuantificar el rendimiento de la nanoantena Chand-Bali propuesta, se deben calcular los campos eléctricos y magnéticos en las condiciones de operación. Por lo tanto, la nanoantena se analizó utilizando el solucionador del método de elementos finitos (FEM) ANSYS HFSS. Se utilizó COMSOL Multiphysics para validar los resultados de ANSYS HFSS. La nanoantena se construyó en una caja de aire con condiciones periódicas en los lados para imitar el efecto de una estructura de matriz infinita. Se coloca un puerto en la parte superior de la caja de aire para excitar la nanoantena alrededor de 30 THz con una onda incidente normal. En la parte superior de la estructura se diseña una capa perfectamente adaptada (PML) como condición límite absorbente. El oro y el dióxido de titanio se modelan utilizando sus permitividades complejas dentro del rango de frecuencia considerado66,67. Se seleccionan parámetros de malla consistentes para garantizar la convergencia de los cálculos. Desde el puerto definido, se calculan los parámetros S y luego se determinan la reflectancia y la absorbancia. Las simulaciones se repitieron dos veces bajo diferentes polarizaciones de campo eléctrico para determinar el rendimiento correspondiente.

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Descargar referencias

Departamento de Ingeniería, Matemáticas y Física, Facultad de Ingeniería, Universidad de El Cairo, Giza, 12613, Egipto

Ahmed Y. Elsharabasy

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad McMaster, Hamilton, ON, L8S 4K1, Canadá

Mohamed H. Bakr y M. Jamal Deen

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AE, MB y MJD escribieron el manuscrito. AE hizo el diseño y las simulaciones. AE, MB y MJD analizaron las simulaciones e interpretaron los resultados. Los tres autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Ahmed Y. Elsharabasy.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Elsharabasy, AY, Bakr, MH y Deen, MJ Nanoantena Chand-Bali independiente de la polarización optimizada para la recolección de energía térmica IR. Informe científico 13, 17525 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-43709-3

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Recibido: 13 de enero de 2023

Aceptado: 27 de septiembre de 2023

Publicado: 16 de octubre de 2023

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

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