美研究纳米技术整流天线能把可见光转化为直流电

佐治亚理工学院的工程师们利用纳米技术的优势，创造了一个能捕获可见光并且将其转化成直流电的整流天线。整流天线过去仅能吸收微波能量，并将其转换成可用的电能。捕获可见光并且将其转化成直流电在过去被认为是不切实际的想法，但碳纳米管和微观制造技术进步，已经允许佐治亚技术研究所工程师创建整流天线，捕获和将光能转化为直流电流。研究人员认为，他们的成果最终可让太阳能收集效率翻倍。

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40年前已经出现，已被用于微波捕获和能量转换，这些微波波长越短于10微米（在红外范围内），并已用于近场通信（NFC）等方面。然而，研究人员一直在试图创建一个在可见光波段的整流天线，但收效甚微。

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。

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)

这些进步使研究人员能够使用化学气相沉积在硅衬底的顶部，培育千亿垂直排列的碳纳米管阵列上。这些纳米管采用釉面与铝氧化物绝缘体，而整个阵列加盖透光性钙薄层，使用铝作为阳极。

多壁碳纳米管由光辐射振荡产生电能，然后通过内置的整流器，其中的交流电转换成直流电，进而对设备充电。这些整流器接通和切断速度惊人，在每秒一千万亿次，推动电子穿过最表层的电极来创建少量的直流电。

尽管这些设备目前的效率不到百分之一，乔治亚理工学院工程师正在努力优化技术，他们相信有商业价值的整流天线可能一年内就会出现。

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，相关论文在线发表于9月29日的《自然·纳米技术》上。