Более эффективные фотоэлектрические элементы. Улучшенная радарная и стелс-технология. Новый способ утилизации отработанного тепла, производимого машинами, в энергию.Все может стать возможным благодаря передовым исследованиям в области фотоники в Университете Буффало.
В работе, опубликованной 28 марта в журнале Scientific Reports, исследуется использование наноразмерного компонента микрочипа, называемого «многослойный волноводный конический массив», который улучшает способность чипа улавливать и поглощать свет.В отличие от современных чипов, сужающиеся волноводы (структуры в форме наперстка, изображенные выше) замедляют и в конечном итоге поглощают каждую частоту света в разных местах по вертикали, чтобы поймать «радугу» длин волн или широкополосный свет.«Ранее мы предсказывали, что многослойные волноводные переходники будут более эффективно поглощать свет, и теперь мы доказали это с помощью этих экспериментов», — говорит ведущий исследователь Цяоцян Ган, доктор философии, доцент кафедры электротехники UB. «Это достижение может оказаться неоценимым для тонкопленочной солнечной технологии, а также для утилизации отработанной тепловой энергии, которая является побочным продуктом промышленных и бытовых электронных устройств, таких как смартфоны и ноутбуки».
Каждый многослойный конус волновода состоит из ультратонких слоев металла, полупроводников и / или изоляторов. Конусы поглощают свет парами металлических диэлектрических слоев, так называемым гиперболическим метаматериалом. Регулируя толщину слоев и другие геометрические параметры, можно настроить конусность на разные частоты, включая видимую, ближнюю инфракрасную, среднюю инфракрасную, терагерцовую и микроволны.
Такая структура может привести к прогрессу во множестве областей.Например, существует относительно новая область передовых компьютерных исследований, называемая оптической связью на кристалле. В этой области существует явление, известное как перекрестные помехи, при котором оптический сигнал, передаваемый по одному волноводному каналу, создает нежелательный эффект рассеяния или связи на другом волноводном канале.
Многослойная конструкция конической конструкции волновода потенциально может предотвратить это.Он также может улучшить тонкопленочные фотоэлектрические элементы, которые являются многообещающими, поскольку они менее дороги и более гибки, чем традиционные солнечные элементы.
Однако недостатком является то, что они не поглощают столько света, как традиционные клетки. Поскольку многослойный волноводный массив конической структуры может эффективно поглощать видимый спектр, а также инфракрасный спектр, он потенциально может увеличить количество энергии, генерируемой тонкопленочными солнечными элементами.Многослойный волноводный массив с конусом может помочь утилизировать отходящее тепло, вырабатываемое электростанциями и другими промышленными процессами, а также электронными устройствами, такими как телевизоры, смартфоны и портативные компьютеры.
«Это может быть полезно в качестве сверхкомпактного устройства для поглощения, сбора и выделения тепла в среднем инфракрасном диапазоне», — говорит Дэнсинь Цзи, аспирант лаборатории Гана и первый автор статьи.Его можно даже использовать в качестве скрытного или маскирующего материала для самолетов, кораблей и других транспортных средств, чтобы избежать радаров, гидролокаторов, инфракрасных и других форм обнаружения. «Конусные многослойные волноводы можно увеличивать, чтобы настроить полосу поглощения на более низкую частотную область и эффективно поглощать микроволны», — говорит Хаомин Сонг, другой аспирант в лаборатории Гана и второй автор статьи.
Среди дополнительных авторов статьи Хайфэн Ху, Кай Лю, Се Цзэн и Нань Чжан, все кандидаты наук из Департамента электротехники UB.Национальный научный фонд спонсировал исследование.
Ган является членом исследовательской группы UB по электротехнике, оптике и фотонике, в которую входят профессора Александр Н. Картрайт (также вице-президент UB по исследованиям и экономическому развитию), Эдвард Фурлани и Пао-Ло Лю; доцент Наталья Личиницер; и доцент Лян Фэн.Группа проводит исследования в области нанофотоники, биофотоники, гибридных неорганических / органических материалов и устройств, нелинейной и волоконной оптики, метаматериалов, наноплазмоники, оптофлюидики, микроэлектромеханических систем (MEMS), биомедицинских микроэлектромеханических систем (BioMEMs), биосенсинга и квантовой обработки информации.