L'équipe de recherche qui a annoncé la première rectenna optique en 2015 signale maintenant une amélioration de l'efficacité des appareils par deux et un passage à des matériaux de diodes stables à l'air. Les améliorations pourraient permettre aux rectennas - qui convertissent les champs électromagnétiques à des fréquences optiques directement en courant électrique - de faire fonctionner des dispositifs à faible puissance tels que des capteurs de température.

Finalement, les chercheurs pensent que la conception de leur appareil - une combinaison d'une antenne à nanotubes de carbone et d'un redresseur à diode - pourrait concurrencer les technologies photovoltaïques conventionnelles pour produire de l'électricité à partir de la lumière du soleil et d'autres sources. La même technologie utilisée dans les rectennas pourrait également convertir directement l'énergie thermique en électricité.

"Ce travail fait un bond en avant significatif à la fois dans la compréhension fondamentale et l'efficacité pratique du dispositif optique rectenna, " dit Baratunde Cola, professeur agrégé à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering du Georgia Institute of Technology. « Cela ouvre cette technologie à de nombreux autres chercheurs qui peuvent s'associer à nous pour faire progresser la technologie des rectenna optiques afin d'alimenter une gamme d'applications, y compris le vol spatial."

La recherche est publiée le 26 janvier dans la revue Matériaux électroniques avancés . Le travail a été soutenu par l'US Army Research Office dans le cadre du programme Young Investigator, et par la National Science Foundation.

Les rectennas optiques fonctionnent en couplant le champ électromagnétique de la lumière à une antenne, dans ce cas un réseau de nanotubes de carbone multiparois dont les extrémités ont été ouvertes. Le champ électromagnétique crée une oscillation dans l'antenne, produisant un flux alternatif d'électrons. Lorsque le flux d'électrons atteint un pic à une extrémité de l'antenne, la diode se ferme, piéger les électrons, puis se rouvre pour capturer l'oscillation suivante, créer un flux de courant.

La commutation doit se produire à des fréquences térahertz pour correspondre à la lumière. La jonction entre l'antenne et la diode doit offrir une résistance minimale aux électrons qui la traversent lorsqu'elle est ouverte, tout en évitant les fuites lorsqu'il est fermé.

"Le nom du jeu est de maximiser le nombre d'électrons qui sont excités dans le nanotube de carbone, puis avoir un commutateur suffisamment rapide pour les capturer à leur apogée, " expliqua Cola. " Plus vite vous changez, plus vous pouvez attraper d'électrons d'un côté de l'oscillation."

Pour fournir une faible fonction de travail - la facilité du flux d'électrons - les chercheurs ont d'abord utilisé le calcium comme métal dans leur jonction isolant d'oxyde - diode métallique. Mais le calcium se décompose rapidement dans l'air, ce qui signifie que l'appareil devait être encapsulé pendant le fonctionnement - et fabriqué dans une boîte à gants. Cela rendait la rectenna optique à la fois peu pratique pour la plupart des applications et difficile à fabriquer.

Alors Cola, Erik Anderson, chercheur diplômé de la NSF, et l'ingénieur de recherche Thomas Bougher ont remplacé le calcium par de l'aluminium et ont essayé divers matériaux d'oxyde sur les nanotubes de carbone avant de s'installer sur un matériau bicouche composé d'alumine (Al2O3) et de dioxyde d'hafnium (HfO2). Le revêtement combiné pour la jonction des nanotubes de carbone, créé par un processus de dépôt atomique, fournit les propriétés d'effet tunnel d'électrons de la mécanique quantique requises par l'ingénierie des propriétés électroniques de l'oxyde au lieu des métaux, ce qui permet d'utiliser des métaux stables à l'air avec des fonctions de travail plus élevées que le calcium.

Les rectangles fabriqués avec la nouvelle combinaison sont restés fonctionnels jusqu'à un an. D'autres oxydes métalliques pourraient également être utilisés, dit Cola.

Les chercheurs ont également conçu la pente de la colline sur laquelle les électrons tombent lors du processus de tunnel. Cela a également contribué à augmenter l'efficacité, et permet l'utilisation d'une variété de matériaux d'oxyde. La nouvelle conception a également augmenté l'asymétrie des diodes, qui a augmenté l'efficacité.

"En travaillant avec l'affinité électronique de l'oxyde, nous avons pu décupler l'asymétrie, rendre cette conception de diode plus attrayante, ", a déclaré Cola. "C'est vraiment là que nous avons obtenu le gain d'efficacité dans cette nouvelle version de l'appareil."

Les rectennas optiques pourraient théoriquement concurrencer les matériaux photovoltaïques pour convertir la lumière solaire en électricité. Les matériaux PV fonctionnent selon un principe différent, dans lequel les photons frappent des électrons des atomes de certains matériaux. Les électrons sont collectés en courant électrique.

En septembre 2015 dans la revue Nature Nanotechnology, Cola et Bougher ont rapporté le premier rectenna optique - un dispositif qui avait été proposé théoriquement depuis plus de 40 ans, mais jamais démontré.

La première version rapportée dans le journal produisait de l'énergie à des niveaux de microvolts. La rectenna produit désormais une puissance de l'ordre du millivolt et le rendement de conversion est passé de 10 (-5) à 10 (-3) - toujours très faible, mais un gain important.

« Bien qu'il y ait encore de la place pour une amélioration significative, cela met la tension dans la plage où vous pourriez voir des rectennas optiques actionnant des capteurs de faible puissance, " a déclaré Cola. " Il existe de nombreuses étapes de géométrie de l'appareil que vous pourriez prendre pour faire quelque chose d'utile avec la rectenna optique aujourd'hui dans les appareils alimentés en tension qui ne nécessitent pas de courant important. "

Cola pense que les rectennas pourraient être utiles pour alimenter les appareils Internet des objets, surtout s'ils peuvent être utilisés pour produire de l'électricité à partir d'énergie thermique récupérée. Pour convertir la chaleur en électricité, le principe est le même que pour la capture de la lumière des oscillations dans un champ avec l'antenne à nanotubes de carbone à large bande.

"Les gens ont été enthousiasmés par les générateurs thermoélectriques, mais il existe de nombreuses limitations pour obtenir un système qui fonctionne efficacement, ", a-t-il déclaré. "Nous pensons que la technologie rectenna sera la meilleure approche pour récupérer la chaleur de manière économique."

Dans les travaux futurs, l'équipe de recherche espère optimiser le fonctionnement de l'antenne, et améliorer leur compréhension théorique du fonctionnement de la rectenna, permettant une optimisation supplémentaire. Un jour, Cola espère que les appareils aideront à accélérer les voyages dans l'espace, produire de l'énergie pour les propulseurs électriques qui stimuleront les engins spatiaux.

"Notre but final est de voir des rectennas optiques en nanotubes de carbone fonctionner sur Mars et dans le vaisseau spatial qui nous emmène sur Mars, " il a dit.