Optische Nanoantennen mit integriertem Gleichrichter

Die Energie von Mikrowellen lässt sich durch eine geschickte Kopplung von Antennen und Gleichrichter­dioden zu über neunzig Prozent absorbieren und umwandeln. Die hohe Effizienz einer solchen „Rectenna“ hoffen Wissenschaftler vom Georgia Institute of Technology in Atlanta auf das sichtbare Spektrum übertragen zu können. Auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen entwickelten sie einen ersten Prototyp, der das Prinzip der direkten Umwandlung von Lichtwellen in elektrischen Strom demonstriert.

Baratunde Cola und seine Kollegen züchteten zuerst einen Wald aus mehrwandigen, metallischen Nano­röhrchen aus Kohlenstoff. Von diesen nur zehn Nanometer dicken Röhrchen ließen sich bis zu zehn Milliarden parallel auf einer Fläche von einem Quadrat­zentimeter anordnen. Mit dem Verfahren der Atomlagen-Abscheidung umhüllten die Forscher alle Röhrchen mit einer hauchdünnen, bis etwa acht Nanometer dicken Schicht aus Aluminium­oxid, um sie voneinander elektrisch zu isolieren. Über die Spitzen der Nanoröhrchen dampften sie durchsichtige Schichten aus Kalzium und Aluminium auf.

Diesen Prototyp einer „Optical Rectenna“ beleuchteten die Forscher wahlweise mit Laserlicht oder dem gesamten Spektrum künstlichen Sonnen­lichts. Sichtbare und infrarote Lichtwellen wurden von den Nanoröhrchen wie bei einer Antenne absorbiert. Extrem schnelle Ladungs­oszillationen in den Röhrchen waren die Folge. Danach wirkte der mehr­schichtige Aufbau aus leit­fähigen Röhrchen, Isolator­schicht aus Aluminium­oxid und Kalzium wie eine Gleichrichter­diode mit einer Austritts­arbeit von 2,1 Elektronen­volt, die Elektronen nur in eine Richtung fließen ließ. Ein messbarer Strom von bis zu zwei Ampere pro Quadrat­zentimeter bei einem Volt Bias-Spannung war die Folge. Dieser Prozess verlief ohne nennens­werte Änderungen über einen weiten Temperatur­bereich zwischen 5 und 77 Grad Celsius ab.

Das Besondere an diesem Prototyp war die große Schnelligkeit der mit den Nano­antennen gekoppelten Gleichrichter­dioden. Denn der Fluss der Elektronen musste dabei mit einer Frequenz von bis zu 564 Terahertz geschaltet werden. Eine extrem niedrige Kapazität der Gleichrichter-Struktur von nur zwei Attofarad ermöglichte diese Geschwindigkeit. Trotzdem konnte bisher nur ein winziger Bruchteil der Energie der Lichtwellen – 10^-5 Prozent – in elektrischen Strom umgewandelt werden.

Doch mit Verbesserungen im Aufbau der Nanoantennen-Module wie etwa dünneren Schichten für das Aluminiumoxid und die Kalzium­lagen erwarten Cola und Kollegen drastische Steigerungen. Erste Anwendungen könnten in hoch empfindlichen Licht­sensoren liegen. Dass dieses Antennen­prinzip in ferner Zukunft – wie bereits 1972 vorgeschlagen – zu einer Konkurrenz für Solarzellen auf Halbleiter­basis führen könnte, ist aus heutiger Sicht jedoch unwahrscheinlich.

Jan Oliver Löfken

RK