一種新型量子隧穿二極體 可吸收紅外輻射發電

據麥姆斯諮詢報道，沙烏地阿拉伯的研究人員發明了一種發電二極體，它利用超速量子隧穿效應捕獲外部環境中的紅外輻射波，並將其轉化為電能。

「領結型」隧穿二極體結構圖

阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的研究團隊研製出一種新概念器件，該器件可以回收利用紅外輻射波和工業生產過程中釋放的餘熱，將這些熱輻射波（頻率僅千億分之一秒）轉化為有用的電能。

一天24小時內都可以收捕紅外輻射波，只要將廢熱或紅外波看作高頻電磁波，使用適當設計的天線，將收集到的波發送到整流器（通常是一個半導體二極體），將交流信號轉換成電流。

據KAUST表示，把這些「整流天線」由設計變為現實還是有些困難，因為紅外發射的波長非常小，需要微納米級的天線，而這種級別的天線是很難製造和測試的。此外，紅外波的振蕩速度比典型的半導體中電子移動通過其結的速度快上千倍。

「在這個世界上，還沒有商用的二極體能在如此高的頻率下運行，」項目負責人Atif Shamim表示，「這就是我們轉向量子隧穿的原因。」

KAUST繼續說明，量子隧穿器件，例如金屬-絕緣體-金屬（MIM）結構的二極體，通過將電子隧穿過一個非常薄的絕緣障礙層，實現將紅外波整流成電流。因為這個絕緣層只有一納米厚，MIM二極體可以處理飛秒級的高頻信號。為產生隧穿的通道，研究團隊設計了一種領結型的納米天線，絕緣膜就像「三明治」一樣被夾在兩個輕微交疊的金屬臂之間。

「最具挑戰性的部分是兩個天線臂的納米級重疊，這需要非常精確的對準，」博士後研究員Gaurav Jayaswal說道，「儘管如此，通過結合KAUST的先進納米加工設備和巧妙的設計，我們完成了這一步。」

通過選擇具有不同功函數的金屬，這款新的MIM二極體可以在零偏壓條件下捕捉紅外波，這種無源特性，可以在需要時開啟器件。實驗顯示，暴露在紅外線環境下，領結天線能夠成功地僅從紅外輻射，而不是熱效應，完成能量收集。

「這僅僅是概念證明的一個開始，」Shamim說，「我們可以將數以百萬計的這樣的二極體連接起來，以增加整體發電量。」

詳細介紹該項目的論文——《Optical rectification through an Al2O3 based MIM passive rectenna at 28.3 THz》已經發表在《Materials Today Energy》。

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