A equipe de pesquisa que anunciou a primeira retina óptica em 2015 agora está relatando uma melhoria de eficiência de duas vezes nos dispositivos - e uma mudança para materiais de diodo estáveis ​​ao ar. As melhorias podem permitir que os retenes - que convertem campos eletromagnéticos em frequências ópticas diretamente em corrente elétrica - operem dispositivos de baixa potência, como sensores de temperatura.

Em última análise, os pesquisadores acreditam que o projeto do dispositivo - uma combinação de uma antena de nanotubo de carbono e um retificador de diodo - poderia competir com as tecnologias fotovoltaicas convencionais para a produção de eletricidade a partir da luz solar e outras fontes. A mesma tecnologia usada nas retinas também poderia converter diretamente a energia térmica em eletricidade.

"Este trabalho dá um salto significativo tanto no entendimento fundamental quanto na eficiência prática do dispositivo de retângulo óptico, "disse Baratunde Cola, professor associado da Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Isso abre esta tecnologia para muitos mais pesquisadores que podem unir forças conosco para avançar a tecnologia de retina óptica para ajudar a alimentar uma gama de aplicações, incluindo o voo espacial. "

A pesquisa foi publicada em 26 de janeiro na revista. Materiais Eletrônicos Avançados . O trabalho foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA no âmbito do Programa de Jovens Investigadores, e pela National Science Foundation.

Retos ópticos operam acoplando o campo eletromagnético da luz a uma antena, neste caso, uma série de nanotubos de carbono de várias paredes cujas extremidades foram abertas. O campo eletromagnético cria uma oscilação na antena, produzindo um fluxo alternado de elétrons. Quando o fluxo de elétrons atinge um pico em uma extremidade da antena, o diodo fecha, aprisionando os elétrons, em seguida, reabre para capturar a próxima oscilação, criando um fluxo atual.

A comutação deve ocorrer em frequências terahertz para coincidir com a luz. A junção entre a antena e o diodo deve fornecer resistência mínima aos elétrons que fluem através dela enquanto aberta, ainda evita vazamento enquanto fechado.

"O nome do jogo é maximizar o número de elétrons que ficam excitados no nanotubo de carbono, e ter um switch que é rápido o suficiente para capturá-los em seu pico, "Cola explicou." Quanto mais rápido você muda, mais elétrons você pode capturar em um lado da oscilação. "

Para fornecer uma função de trabalho baixa - facilidade de fluxo de elétrons - os pesquisadores inicialmente usaram cálcio como o metal em seu isolador de óxido - junção de diodo de metal. Mas o cálcio se decompõe rapidamente no ar, o que significa que o dispositivo teve que ser encapsulado durante a operação - e fabricado em um porta-luvas. Isso tornava a retina óptica impraticável para a maioria das aplicações e difícil de fabricar.

Então Cola, O pesquisador de pós-graduação da NSF Erik Anderson e o engenheiro de pesquisa Thomas Bougher substituíram o cálcio por alumínio e experimentaram uma variedade de materiais óxidos nos nanotubos de carbono antes de se estabelecerem em um material de bicamada composto de alumina (Al2O3) e dióxido de háfnio (HfO2). O revestimento de combinação para a junção de nanotubos de carbono, criado por meio de um processo de deposição atômica, fornece as propriedades de tunelamento de elétrons da mecânica quântica exigidas pela engenharia das propriedades eletrônicas do óxido em vez dos metais, que permite a utilização de metais estáveis ​​ao ar com funções de trabalho superiores ao cálcio.

Rectennas fabricados com a nova combinação permaneceram funcionais por até um ano. Outros óxidos de metal também podem ser usados, Cola disse.

Os pesquisadores também projetaram a encosta da colina onde os elétrons caem no processo de tunelamento. Isso também ajudou a aumentar a eficiência, e permite o uso de uma variedade de materiais óxidos. O novo design também aumentou a assimetria dos diodos, o que aumentou a eficiência.

"Ao trabalhar com a afinidade de óxido de elétrons, fomos capazes de aumentar a assimetria em mais de dez vezes, tornando este projeto de diodo mais atraente, "disse Cola." Foi aí que obtivemos o ganho de eficiência nesta nova versão do dispositivo. "

As retenas ópticas poderiam teoricamente competir com os materiais fotovoltaicos para converter a luz do sol em eletricidade. Os materiais fotovoltaicos operam usando um princípio diferente, em que os fótons expulsam os elétrons dos átomos de certos materiais. Os elétrons são coletados em corrente elétrica.

Em setembro de 2015, na revista Nature Nanotechnology, Cola e Bougher relataram a primeira retena óptica - um dispositivo que havia sido proposto teoricamente por mais de 40 anos, mas nunca demonstrou.

A primeira versão relatada no jornal produzia energia em níveis de microvolt. A retena agora produz potência na faixa de milivolts e a eficiência de conversão foi de 10 (-5) para 10 (-3) - ainda muito baixa, mas um ganho significativo.

"Embora ainda haja espaço para melhorias significativas, isso coloca a tensão na faixa em que você pode ver retenas ópticas operando sensores de baixa potência, "Disse Cola." Existem muitos passos de geometria de dispositivo que você poderia seguir para fazer algo útil com a retina óptica hoje em dispositivos movidos a voltagem que não requerem corrente significativa.

Cola acredita que os retenes podem ser úteis para alimentar dispositivos de internet das coisas, especialmente se eles podem ser usados ​​para produzir eletricidade a partir da energia térmica recuperada. Para converter calor em eletricidade, o princípio é o mesmo que para oscilações de captura de luz em um campo com a antena de nanotubo de carbono de banda larga.

"As pessoas estão entusiasmadas com os geradores termoelétricos, mas existem muitas limitações para obter um sistema que funcione de forma eficaz, "ele disse." Acreditamos que a tecnologia retenna será a melhor abordagem para colher o calor economicamente. "

Em trabalho futuro, a equipe de pesquisa espera otimizar a operação da antena, e melhorar sua compreensão teórica de como a retena funciona, permitindo maior otimização. Um dia, Cola espera que os dispositivos ajudem a acelerar as viagens espaciais, produzindo energia para propulsores elétricos que impulsionarão a espaçonave.

"Nosso jogo final é ver retenas ópticas de nanotubos de carbono trabalhando em Marte e na espaçonave que nos leva a Marte, " ele disse.