首个把光转换为直流电的光学整流天线

[-]
乔治亚理工学院开发的光学整流天线元件示意图 (credit: Thomas Bougher, Georgia Tech)

使用纳米尺度组件，乔治亚理工学院的研究者们演示了第一个光学整流器，它是一个结合天线和整流二极管功能的装置，能直接将光转换为直流电。

基于多层碳纳米管和在其上制造的微小整流器，光学整流天线可能提供一种用于能量采集的新技术，包括不需要冷却就能运作的光电探测器、把余热转变为电力、以及高效地捕获太阳能。

在该新设备中，碳纳米管充当天线捕获来自太阳或其他光源的光。当光波击中纳米管天线时，它们产生振荡电荷流经相连的整流装置，整流器以创纪录的拍赫(PHz，10¹⁵Hz)频率开关，产生出小股直流电流。

目前为止演示的器件效率在1%以下，但研究者们希望用数十亿个整流天线的阵列来增加输出，可能会产生可观的电流。他们相信具有商业潜力的整流天线可能会在一年内可用。

“我们最终可能造出效率两倍而成本低十倍的太阳能电池，对我来说这是一个以非常高大上的方式改变世界的机会。”佐治亚理工学院乔治·w·伍德拉夫机械工程学院副教授Baratunde Cola说。“如果我们能达到1%的效率，这些整流天线作为鲁棒的高温探测器可以成为完全颠覆性的技术。如果我们能够获得更高的效率，我们可以把它应用到能源转换技术和太阳能捕获上。”

[-]
在乔治亚理工学院Baratunde Cola的实验室里，碳纳米管光学整流天线将绿激光转换为电力。(credit: Rob Felt, Georgia Tech)

“整流天线基本上就是一个天线和整流二极管配对，但是当你踏入光学频谱，这通常意味着纳米尺度天线和金属-绝缘体-金属二极管相耦合，”Cola解释道，“你的天线越接近二极管，效率就越高。因此理想的结构将天线作为二极管中的金属极之一——这就是我们所制造的结构。”

Cola的小组所制造的该整流天线培养在刚性基底上，但目标是在能生产出柔性太阳能电池或光电探测器的箔或其它材料上生长它们。

Cola把至今为止建造出的整流天线视为简单的原理证明，“我们认为，我们可以仅仅通过改进设备结构的制造工艺，就能把阻抗降低几个数量级。根据其他人的工作，以及理论向我们所展示的，我相信这些设备可能达到超过40%的效率。”

该研究受到美国国防高级研究计划局(DARPA)、空间与海战(SPAWAR)系统中心和陆军研究办公室(ARO)支持，九月二十八日发表在《自然纳米技术》期刊上。

整流天线在六七十年代研发，已经运作在短至十微米的波长上，但40多年来研究者们一直试图制造可见光波段上的设备，这里有许多挑战：使天线足够小能耦合光学波长，并制造一个匹配的整流二极管，使之足够小、操作足够快以捕获电磁波振荡。但高效率和低成本的潜力让科学家们在此技术上前仆后继。

整流天线的制造始于在导电基底上生长垂直排列的碳纳米管森林。利用化学气相沉积的原子层，碳纳米管覆以铝氧化物材料来绝缘，最后，用物理气相沉积来沉积光学透明的钙薄膜，然后在碳纳米管森林顶部沉积金属铝。碳纳米管和钙之间的功函数差异提供约2电子伏特的电势，足以驱动电子在受光激发时流出碳纳米管天线。

在运作中，光振荡波通过透明的钙铝电极并与碳纳米管相作用。碳纳米管尖端的金属-绝缘体-金属接合处充当以飞秒间隔开关的整流器，使天线产生的电子单向流入顶部电极。低至几个阿法(10^-18法拉)的超低电容让这些10纳米直径的二极管能在这种超常的频率运作。

使用纳米尺度组件，乔治亚理工学院的研究者们演示了第一个光学整流器，它是一个结合天线和整流二极管功能的装置，能直接将光转换为直流电。

本文译自 KurzweilAI，由 王丢兜 编辑发布。