СТМ в основе солнечных батарей
Совместная научная группа из Бельгии, Кореи и США предложила методику использования конструкций металл-вакуум-металл, аналогичных тем, что используются в сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), для сбора и сохранения энергии солнца.
В рамках своих исследований научная группа, в состав которой входят ученые из Бельгии, Кореи и США, обнаружила, что конструкция «проводник – вакуум – проводник» (при достаточно маленьком вакуумном зазоре) может использоваться для выпрямления переменного напряжения на частотах, соответствующих электромагнитным волнам видимого и инфракрасного диапазонов. Это открытие позволило предположить, что подобные схемы могли бы использоваться для построения оптических диодов, т.е., фактически, для объединения в единое целое электрических и оптических цепей. Кроме того, автоматически появляется еще одна возможность для преобразования электромагнитной энергии солнечного излучения в полезный постоянный ток.
Предложенная учеными конструкция представляет собой две металлические поверхности, разделенные вакуумным промежутком всего в несколько нанометров шириной. Одна из поверхностей совершенно плоская; другая - имеет своего рода острие, что делает конструкцию в целом схожей с теми, которые применяются в приборах сканирующей туннельной микроскопии (СТМ).
Выпрямляющие свойства данной конструкции объясняются ее геометрической ассиметрией. Электрическое поле случайного излучения усиливается, благодаря наличию острия. В результате при определенном направлении электрического поля, в системе возникает значительный ток. Плоскость, расположенная с противоположной стороны, наоборот, не усиливает сигнал. Поэтому, когда электрическое поле направлено в противоположном направлении, ток через систему будет во много раз меньше. В результате конструкция функционирует как полноценный диод.
Ученые рассчитали предельную частоту работы данного устройства. Очевидно, что оно будет функционировать описанным выше образом, если электрон «успевает» преодолеть вакуумный барьер за то время, пока не «переключилось» направление электрического поля. Если зазор между металлическими поверхностями имеет масштабы порядка нескольких нанометров, то это время сокращается до фемтосекунд (такой порядок дает самая обычная оценка времени туннелирования электрона через потенциальный барьер). Т.е. теоретический предел работы данного устройства находится на уровне 1015 Гц. Стоит отметить, что ни один электронный компонент, используемый на данный момент в «быту» не обеспечивает таких возможностей.
Такая частотная характеристика позволяет использовать устройство не только в электрических схемах, но и для поглощения электромагнитной энергии (в частности, энергии солнца).
Для более глубокого понимания процессов, происходящих в системе, ученые выполнили квантово-механическое моделирование ассиметричной системы «металл-вакуум-металл». В результате вычислительного эксперимента, в котором было «опробовано» как монохроматическое излучение, так и «естественный» спектр солнца, выяснилось, что система наиболее хорошо «работает» на частотах в пределах инфракрасного и видимого диапазонов. В этих пределах эффективность преобразования энергии оценивается примерно в 25%; кроме того, ученые не отрицают возможности добиться лучших рабочих характеристик в рамках дальнейшего усовершенствования конструкции. Известно, что на кончике острия должны возникать поляризационные резонансы. Таким образом, материал и форма острия, меняющие частоту резонанса, позволят «настраивать» диапазон частот наиболее эффективно поглощаемого электромагнитного излучения.
Более подробные результаты работы исследовательской группы были опубликованы в журнале Nanotechnology.
