[論文レビュー] Infrared Solar Energy Harvesting using Nano-Rectennas

Islam Sayed|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2015

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、30 THzで赤外太陽光エネルギーを収集するためのナノレクティナ設計を提案する。ナノダイポールアンテナをプラズモニック金属-絶縁体-金属（MIM）走行波伝送ライン整流器と結合させたものである。伝搬行列法（TMM）および非平衡グリーン関数（NEGF）形式を用いて、垂直に結合されたストリップが横方向の構成よりも高い効率を示すことを示したが、MIMダイオードの性能が低いことが原因で、全体のレクティナ効率は依然として低いままである。

ABSTRACT

Rectennas formed from nanodipole antennas terminated by plasmonic metal-insulator-metal (MIM) travelling wave transmission line rectifiers are developed for ambient thermal energy harvesting at 30 THz. The transmission lines are formed from two strips coupled either vertically or laterally. A systematic design approach is presented, that shows how different components can be integrated with each other with maximum radiation receiving nantenna efficiency, maximum coupling efficiency between nantenna and rectifier, and maximum MIM diode rectifier efficiency. The tunneling current of the rectifier is calculated using the transfer matrix method (TMM) and the nonequilibrium Green's function (NEGF). The figures of merit of the rectifier are analyzed, and the effect of the metals and insulator choices on these merits is investigated. A detailed parametric study of the coupled strips plasmonic transmission lines is presented and thoroughly discussed. The overall efficiencies of the proposed travelling wave rectennas are fully expressed and compared. Due to the extremely small spacing between its two strips, the nanodipole terminated by vertical coupled strips plasmonic transmission line offers significantly higher efficiency than that terminated by a lateral coupled strips line. However, the overall efficiency of the vertical coupled strips rectenna is still very low due to the extremely low efficiency of the MIM rectifier.

研究の動機と目的

• 30 THzで赤外太陽放射を収集可能なナノレクティナシステムの開発。
• ナノダイポールアンテナとプラズモニック走行波伝送ライン整流器の統合を最適化し、エネルギー転送効率を最大化すること。
• 材料および構造選定を通じてMIMダイオード整流器の指標を分析・改善すること。
• プラズモニック伝送ラインにおけるストリップの垂直配置と横配置の比較を通じて、レクティナ性能を評価すること。

提案手法

• 赤外エネルギー収集を目的とした、プラズモニック金属-絶縁体-金属（MIM）走行波伝送ラインで終端されるナノダイポールアンテナの設計。
• MIMダイオード構造を通過するトンネル電流を計算するために伝搬行列法（TMM）を採用。
• MIMダイオード内の電子輸送および整流効率をモデル化するために、非平衡グリーン関数（NEGF）形式を適用。
• プラズモニック伝送ラインにおける結合ストリップのパラメトリックスタディを実施し、結合効率および電場強化を評価。
• ナントアントレシーバーの放射受信効率、ナントアンテナと整流器間の結合効率、MIMダイオードの整流効率を分析。
• 伝送ラインのストリップ配置（垂直結合対横結合）における全体のシステム効率を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結合ストリップの幾何学的配置（垂直対横）が、ナノレクティナシステムにおけるプラズモニック伝送ラインの効率にどのように影響するか？
• RQ2 金属および絶縁体材料の選定が、MIMダイオードの指標および整流効率に与える影響は何か？
• RQ3 ナノダイポールアンテナの放射受信効率を、整流器と連携して最大限に高めることは可能か？
• RQ4 ナントアンテナと整流器間の結合効率およびMIMダイオード効率が、全体のシステム性能にどのように寄与するか？
• RQ5 最適化された部品統合がなされているにもかかわらず、なぜ提案されたレクティナの全体効率は依然として低いのか？

主な発見

• プラズモニック伝送ラインにおける垂直に結合されたストリップ構成は、ストリップ間隔が小さく、電場結合が強化されるため、横方向構成よりも顕著に高い効率を達成する。
• ナノレクティナの全体効率は依然として極めて低く、主にMIMダイオード整流器の内在的効率が低いことが原因である。
• 伝搬行列法（TMM）および非平衡グリーン関数（NEGF）形式は、MIM構造におけるトンネル電流および整流の正確なモデリングに有効である。
• パラメトリック解析により、金属および絶縁体材料の選定がMIMダイオードの指標および性能に顕著な影響を与えることが確認された。
• 放射受信効率、結合効率、MIMダイオード効率の最大化は、統合されたナノレクティナ設計においてすべて重要だが、同時に達成するのは困難であることが同定された。
• 最適化がなされても、赤外周波数におけるMIM整流器の根本的な非効率性が、システム全体の性能を制限している。