[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种用于在30 THz频率下收集红外太阳能的纳米整流天线设计，采用纳米偶极子天线与等离子体金属-绝缘体-金属（MIM）行波传输线整流器耦合。通过传输矩阵法（TMM）和非平衡格林函数（NEGF）形式，证明了垂直耦合条带的效率高于横向配置，但整体整流天线效率仍较低，主要由于MIM二极管性能不佳。

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.

研究动机与目标

• 开发一种能够在30 THz频率下收集红外太阳辐射的纳米整流天线系统。
• 优化纳米偶极子天线与等离子体行波传输线整流器的集成，以实现最大能量传输效率。
• 通过材料与结构选择，分析并改进MIM二极管整流器的品质因数。
• 比较等离子体传输线中耦合条带的垂直与横向配置对整流天线性能的影响。

提出的方法

• 设计末端连接等离子体金属-绝缘体-金属（MIM）行波传输线的纳米偶极子天线，用于红外能量收集。
• 采用传输矩阵法（TMM）计算通过MIM二极管结构的隧穿电流。
• 应用非平衡格林函数（NEGF）形式，模拟MIM二极管中的电子输运与整流效率。
• 对等离子体传输线中的耦合条带进行参数化研究，以评估耦合效率与场增强效果。
• 分析纳米天线的辐射接收效率、纳米天线与整流器之间的耦合效率，以及MIM二极管的整流效率。
• 比较传输线中条带的垂直与横向耦合配置的整体系统效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 耦合条带的几何结构（垂直与横向）如何影响纳米整流天线系统中等离子体传输线的效率？
• RQ2 金属与绝缘体材料的选择对MIM二极管的品质因数与整流效率有何影响？
• RQ3 在与整流器协同工作时，纳米偶极子天线的辐射接收效率在多大程度上可被最大化？
• RQ4 纳米天线与整流器之间的耦合效率以及MIM二极管效率如何共同影响整体系统性能？
• RQ5 尽管组件已优化集成，为何所提出的整流天线整体效率仍然较低？

主要发现

• 由于条带间间距更小且场耦合增强，等离子体传输线中垂直耦合条带配置的效率显著高于横向配置。
• 纳米整流天线的整体效率仍然非常低，主要归因于MIM二极管整流器的固有效率较低。
• 传输矩阵法（TMM）与非平衡格林函数（NEGF）形式能够准确建模MIM结构中的隧穿电流与整流特性。
• 参数化分析证实，金属与绝缘体材料的选择显著影响MIM二极管的品质因数与性能。
• 研究表明，最大化辐射接收效率、耦合效率与MIM二极管效率在单一集成纳米整流天线设计中均至关重要但极具挑战性。
• 尽管经过优化，系统的整体性能仍受限于红外频率下MIM整流器的根本性低效。