Diode harvests infrared energy to generate electricity / Il diodo raccoglie l'energia a infrarossi per generare elettricità

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Rectenna

Researchers in Saudi Arabia have created a diode that uses ultrafast quantum tunnelling to harvest infrared energy from the environment, a development that could eventually boost electricity generation.

The team from KAUST (King Abdullah University of Science and Technology) has developed a proof-of-concept device that utilises infrared radiation, plus waste heat from industrial processes, by transforming quadrillionth-of-a-second wave signals into useful electricity.
Infrared heat can be harvested 24 hours a day and one way to achieve this is to treat waste or infrared heat as high-frequency electromagnetic waves. Using appropriately designed antennas, collected waves are sent to a rectifier, often a semiconductor diode, that converts alternating signals into an electric current.
According to KAUST, putting these ‘rectenna’ designs into practice has been difficult because infrared emissions have very small wavelengths and require micro or nanoscale antennas that are difficult to fabricate and test. Additionally, infrared waves oscillate thousands of times faster than a typical semiconductor can move electrons through its junction.
“There is no commercial diode in the world that can operate at such high frequency,” said project leader Atif Shamim. “That’s why we turned to quantum tunnelling.”
The university added that tunnelling devices, such as metal-insulator-metal (MIM) diodes, rectify infrared waves into current by moving electrons through a small barrier. Since this barrier is only a nanometre thick, MIM diodes can handle high-frequency signals on the order of femtoseconds. To generate the fields needed for tunnelling, the team used a bowtie-shaped nano-antenna that sandwiches the insulator film between two slightly overlapped metallic arms.
“The most challenging part was the nanoscale overlap of the two antenna arms, which required very precise alignment,” said postdoctoral researcher, Gaurav Jayaswal. “Nonetheless, by combining clever tricks with the advanced tools at KAUST’s nanofabrication facility we accomplished this step”.
By choosing metals with different work functions, the new MIM diode could catch the infrared waves with zero applied voltage, a passive feature that switches the device on when needed. Experiments with infrared exposure revealed the bowtie successfully harvested energy solely from the radiation and not from thermal effects.
“This is just the beginning-a proof of concept,” said Shamim. “We could have millions of such devices connected to boost overall electricity generation.”

ITALIANO
I ricercatori dell'Arabia Saudita hanno creato un diodo che utilizza il tunneling quantistico ultraveloce per raccogliere l'energia a infrarossi dall'ambiente, uno sviluppo che potrebbe eventualmente aumentare la produzione di elettricità.

Il gruppo di KAUST (King Abdullah University of Science and Technology) ha sviluppato un dispositivo proof-of-concept che utilizza la radiazione infrarossa, oltre al calore residuo derivante dai processi industriali, trasformando segnali in un nanosecondo in elettricità utile.
Il calore a infrarossi può essere raccolto 24 ore al giorno e un modo per ottenere questo è di trattare gli sprechi o il calore a infrarossi come onde elettromagnetiche ad alta frequenza. Usando antenne progettate in modo appropriato, le onde raccolte vengono inviate a un raddrizzatore, spesso un diodo a semiconduttore, che converte i segnali alternati in una corrente elettrica.
Secondo KAUST, mettere in pratica questi progetti "rectenna" è stato difficile perché le emissioni infrarosse hanno lunghezze d'onda molto piccole e richiedono antenne micro o nanometriche difficili da fabbricare e testare. Inoltre, le onde a infrarossi oscillano migliaia di volte più velocemente di quanto un tipico semiconduttore possa spostare gli elettroni attraverso la sua giunzione.
"Non esiste un diodo commerciale al mondo che possa funzionare a così alta frequenza", ha affermato il capo del progetto Atif Shamim. "Ecco perché ci siamo rivolti al tunneling quantico."
L'università ha aggiunto che i dispositivi di tunneling, come i diodi metal-insulator-metal (MIM), rettificano le onde infrarosse in corrente spostando gli elettroni attraverso una piccola barriera. Poiché questa barriera ha uno spessore nanometrico, i diodi MIM sono in grado di gestire i segnali ad alta frequenza nell'ordine dei femtosecondi. Per generare i campi necessari per il tunneling, il team ha utilizzato una nano-antenna a forma di cravatta a farfalla che intreccia il film isolante tra due bracci metallici leggermente sovrapposti.
"La parte più impegnativa è stata la sovrapposizione in nanoscala dei due bracci dell'antenna, che ha richiesto un allineamento molto preciso", ha affermato Gaurav Jayaswal, ricercatore postdottorato. "Tuttavia, combinando trucchi intelligenti con gli strumenti avanzati presso la struttura di nanofabbricazione di KAUST abbiamo compiuto questo passo".
Scegliendo i metalli con diverse funzioni di lavoro, il nuovo diodo MIM potrebbe catturare le onde infrarosse con zero tensione applicata, una caratteristica passiva che accende il dispositivo quando necessario. Gli esperimenti con l'esposizione all'infrarosso hanno rivelato che il dispositivo a forma di farfalla ha raccolto con successo energia esclusivamente dalla radiazione e non da effetti termici.
"Questo è solo l'inizio, una dimostrazione di concetto", ha affermato Shamim. "Potremmo avere milioni di dispositivi collegati per aumentare la produzione di elettricità complessiva."

Da:

https://www.theengineer.co.uk/diode-infrared-kaust/?cmpid=tenews_4717379&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=CA40D8F0-63B9-4BE1-90A0-3379B1DDE40E