A maior parte da luz solar que atinge a Terra é absorvida por suas superfícies, oceanos e atmosfera. Como resultado deste aquecimento, radiação infravermelha é emitida constantemente ao nosso redor - estimada em milhões de Gigawatts por segundo. Uma equipe KAUST desenvolveu agora um dispositivo que pode aproveitar esta energia, bem como calor residual de processos industriais, transformando sinais de onda de quatrilionésimo de segundo em eletricidade útil.

Ao contrário dos painéis solares que são limitados pela luz do dia e pelas condições meteorológicas, o calor infravermelho pode ser coletado 24 horas por dia. Uma maneira de conseguir isso é tratar o calor residual ou infravermelho como ondas eletromagnéticas de alta frequência. Usando antenas projetadas apropriadamente, ondas coletadas são enviadas para um retificador, normalmente um diodo semicondutor, que converte sinais alternados em carga de corrente direta para baterias ou dispositivos de energia.

Colocar em prática esses designs 'retangulares' tem sido difícil. Como as emissões infravermelhas têm comprimentos de onda muito pequenos, eles precisam de antenas em micro ou nanoescala que não são fáceis de fabricar ou testar. Adicionalmente, ondas infravermelhas oscilam milhares de vezes mais rápido do que um semicondutor típico pode mover elétrons através de sua junção. “Não existe diodo comercial no mundo que possa operar em tão alta frequência, "diz Atif Shamim, líder de projeto da KAUST. "É por isso que nos voltamos para o tunelamento quântico."

Dispositivos de tunelamento, como diodos de metal-isolador de metal (MIM), retifique as ondas infravermelhas em corrente movendo os elétrons através de uma pequena barreira. Uma vez que esta barreira tem apenas a espessura de um nanômetro, Os diodos MIM podem lidar com sinais de alta frequência na ordem dos femtossegundos. Para gerar os campos intensos necessários para o tunelamento, a equipe recorreu a uma nano antena única em formato de gravata borboleta que ensanduicha a fina película isolante entre dois braços metálicos levemente sobrepostos.

"A parte mais desafiadora foi a sobreposição em nanoescala dos dois braços da antena, que exigia um alinhamento muito preciso, "diz o pesquisador de pós-doutorado, Gaurav Jayaswal. "Apesar disso, combinando truques inteligentes com as ferramentas avançadas nas instalações de nanofabricação da KAUST, concluímos esta etapa ".

Ao escolher metais com diferentes funções de trabalho, o novo diodo MIM poderia capturar as ondas infravermelhas com tensão aplicada zero, um recurso passivo que liga o dispositivo apenas quando necessário. Experimentos com exposição ao infravermelho revelaram que a gravata borboleta colheu com sucesso energia apenas da radiação, e não de efeitos térmicos, como evidenciado por uma tensão de saída dependente da polarização.

"Este é apenas o começo - uma prova de conceito, "diz Shamim." Poderíamos ter milhões desses dispositivos conectados para impulsionar a geração geral de eletricidade. "