Konvertering af Wi-Fi-signaler til elektricitet med nye 2D-materialer

Forestil dig en verden, hvor smartphones, bærbare computere, wearables, og anden elektronik drives uden batterier. Forskere fra MIT og andre steder har taget et skridt i den retning, med den første fuldt fleksible enhed, der kan konvertere energi fra Wi-Fi-signaler til elektricitet, der kunne drive elektronik.

Enheder, der konverterer AC elektromagnetiske bølger til DC-elektricitet, er kendt som "rectennas". Forskerne demonstrerer en ny form for rektenna, beskrevet i en undersøgelse, der vises i Natur , der bruger en fleksibel radiofrekvens (RF) antenne, der fanger elektromagnetiske bølger - inklusive dem, der bærer Wi-Fi - som AC-bølgeformer.

Antennen forbindes derefter med en ny enhed lavet af en todimensional halvleder, der kun er få atomer tyk. AC-signalet går ind i halvlederen, som konverterer den til en jævnspænding, der kan bruges til at drive elektroniske kredsløb eller genoplade batterier.

På denne måde den batterifrie enhed fanger passivt og transformerer allestedsnærværende Wi-Fi-signaler til nyttig jævnstrøm. I øvrigt, enheden er fleksibel og kan fremstilles i en rulle-til-rulle-proces til at dække meget store områder.

"Hvad nu hvis vi kunne udvikle elektroniske systemer, som vi vikler omkring en bro eller dækker en hel motorvej, eller væggene på vores kontor og bringe elektronisk intelligens til alt omkring os? Hvordan giver du energi til den elektronik?" siger medforfatter Tomás Palacios, en professor i Institut for Elektroteknik og Datalogi og direktør for MIT/MTL Center for Graphene Devices and 2-D Systems in the Microsystems Technology Laboratories. "Vi har fundet på en ny måde at drive fremtidens elektroniksystemer på – ved at høste Wi-Fi-energi på en måde, der let integreres i store områder – for at bringe intelligens til alle objekter omkring os."

Lovende tidlige anvendelser for den foreslåede rectenna inkluderer strømforsyning af fleksibel og bærbar elektronik, hospitalsudstyr, og sensorer til "tingenes internet". Fleksible smartphones, for eksempel, er et varmt nyt marked for store teknologivirksomheder. I eksperimenter, forskernes enhed kan producere omkring 40 mikrowatt strøm, når den udsættes for de typiske effektniveauer for Wi-Fi-signaler (omkring 150 mikrowatt). Det er mere end nok strøm til at tænde en simpel mobilskærm eller siliciumchips.

En anden mulig applikation er at drive datakommunikationen af ​​implanterbart medicinsk udstyr, siger medforfatter Jesús Grajal, en forsker ved det tekniske universitet i Madrid. For eksempel, forskere begynder at udvikle piller, der kan sluges af patienter og streame sundhedsdata tilbage til en computer til diagnostik.

"Ideelt set ønsker du ikke at bruge batterier til at drive disse systemer, fordi hvis de lækker lithium, patienten kan dø, " siger Grajal. "Det er meget bedre at høste energi fra miljøet for at sætte gang i disse små laboratorier inde i kroppen og kommunikere data til eksterne computere."

Alle rektenner er afhængige af en komponent kendt som en "ensretter, " som konverterer AC-indgangssignalet til jævnstrøm. Traditionelle rektenner bruger enten silicium eller galliumarsenid til ensretteren. Disse materialer kan dække Wi-Fi-båndet, men de er stive. Og, selvom det er relativt billigt at bruge disse materialer til at fremstille små enheder, bruge dem til at dække store områder, såsom overflader af bygninger og vægge, ville være omkostningsmæssigt uoverkommeligt. Forskere har i lang tid forsøgt at løse disse problemer. Men de få fleksible rektenner, der hidtil er rapporteret, fungerer ved lave frekvenser og kan ikke fange og konvertere signaler i gigahertz-frekvenser, hvor de fleste af de relevante mobiltelefon- og Wi-Fi-signaler er.

For at bygge deres ensretter, forskerne brugte et nyt 2D-materiale kaldet molybdændisulfid (MoS2), som med tre atomers tykkelse er en af ​​de tyndeste halvledere i verden. Derved, holdet udnyttede en enestående adfærd fra MoS2:Når de blev udsat for visse kemikalier, materialets atomer omarrangeres på en måde, der fungerer som en kontakt, fremtvinger en faseovergang fra en halvleder til et metallisk materiale. Denne struktur er kendt som en Schottky diode, som er forbindelsen mellem en halvleder og et metal.

"Ved at konstruere MoS2 til et 2-D halvledende-metallisk fasekryds, vi byggede en atomisk tynd, ultrahurtig Schottky-diode, der samtidigt minimerer seriemodstanden og parasitkapacitansen, " siger førsteforfatter og EECS postdoc Xu Zhang, som snart vil slutte sig til Carnegie Mellon University som adjunkt.

Parasitisk kapacitans er en uundgåelig situation i elektronik, hvor visse materialer opbevarer en lille elektrisk ladning, hvilket bremser kredsløbet. Lavere kapacitans, derfor, betyder øgede ensretterhastigheder og højere driftsfrekvenser. Den parasitære kapacitans af forskernes Schottky-diode er en størrelsesorden mindre end nutidens avancerede fleksible ensrettere, så det er meget hurtigere ved signalkonvertering og giver det mulighed for at fange og konvertere op til 10 gigahertz trådløse signaler.

"Et sådant design har muliggjort en fuldt fleksibel enhed, der er hurtig nok til at dække de fleste af de radiofrekvensbånd, der bruges af vores daglige elektronik, inklusive Wi-Fi, Bluetooth, cellulær LTE, og mange andre, " siger Zhang.

Det rapporterede arbejde giver tegninger til andre fleksible Wi-Fi-til-elektricitetsenheder med betydelig output og effektivitet. Den maksimale outputeffektivitet for den nuværende enhed er 40 procent, afhængigt af indgangseffekten af ​​Wi-Fi-indgangen. Ved det typiske Wi-Fi-strømniveau, strømeffektiviteten af ​​MoS2 ensretteren er omkring 30 procent. Til reference, nutidens bedste silicium- og galliumarsenid-rektenner lavet af stive, dyrere silicium eller galliumarsenid opnå omkring 50 til 60 procent.

Der er 15 andre papirmedforfattere fra MIT, Madrids tekniske universitet, hærens forskningslaboratorium, Karl III Universitet i Madrid, Boston University, og University of Southern California.

Teamet planlægger nu at bygge mere komplekse systemer og forbedre effektiviteten. Arbejdet blev muliggjort, delvis, ved et samarbejde med det tekniske universitet i Madrid gennem MIT International Science and Technology Initiatives (MITI). Det blev også delvist støttet af Institute for Soldier Nanotechnologies, hærens forskningslaboratorium, National Science Foundations Center for Integrated Quantum Materials, og Air Force Office of Scientific Research.