Антенны преобразуют Wi-Fi в электричество, которое может питать гаджеты

Изобретения, Физика

Преобразование сигналов Wi-Fi в электричество с помощью новых 2D-материалов

Устройство, изготовленное из гибких и недорогих материалов, может питать электронику большой площади, носимые устройства, медицинские устройства и многое другое.

(Перевод статьи Массачусетского технологического института)

Представьте себе мир, в котором смартфоны, ноутбуки, носимые устройства и другая электроника питаются без батареек. Исследователи из Массачусетского технологического института и других стран сделали шаг в этом направлении, создав первое полностью гибкое устройство, которое может преобразовывать энергию сигналов Wi-Fi в электричество, которое может питать электронику.

Устройства, преобразующие электромагнитные волны переменного тока в электричество постоянного тока, известны как «ректенны». Исследователи демонстрируют новый тип ректенны, описанный в исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature , в котором используется гибкая радиочастотная (РЧ) антенна, которая улавливает электромагнитные волны, в том числе те, которые передают Wi-Fi, в виде сигналов переменного тока.

Затем антенну подключают к новому устройству, сделанному из двумерного полупроводника толщиной всего в несколько атомов. Сигнал переменного тока поступает в полупроводник, который преобразует его в напряжение постоянного тока, которое можно использовать для питания электронных схем или перезарядки батарей.

Таким образом, устройство без батареи пассивно улавливает и преобразует повсеместные сигналы Wi-Fi в полезную мощность постоянного тока. Кроме того, устройство является гибким и может быть изготовлено методом рулонной печати для покрытия очень больших площадей.

«Что, если бы мы могли разработать электронные системы, которые можно обернуть вокруг моста, или покрыть все шоссе, или стены нашего офиса, и привнести электронный интеллект во все, что нас окружает? Как вы обеспечиваете энергию для этой электроники?» — говорит соавтор статьи Томас Паласиос, профессор кафедры электротехники и компьютерных наук и директор Центра графеновых устройств и 2D-систем MIT/MTL в лабораториях микросистемных технологий. «Мы придумали новый способ питания электронных систем будущего — путем сбора энергии Wi-Fi таким образом, чтобы его можно было легко интегрировать на больших площадях, — чтобы донести интеллектуальные данные до каждого объекта вокруг нас».

Перспективные варианты применения предлагаемой ректенны включают в себя питание гибкой и носимой электроники, медицинских устройств и датчиков для «Интернета вещей». Гибкие смартфоны, например, являются новым горячим рынком для крупных технологических компаний. В экспериментах устройство исследователей может производить около 40 микроватт мощности при воздействии типичных уровней мощности сигналов Wi-Fi (около 150 микроватт). Этой мощности более чем достаточно, чтобы зажечь светодиод или управлять кремниевыми чипами.

Еще одно возможное применение — передача данных имплантируемых медицинских устройств, — говорит соавтор Хесус Грахал, исследователь из Технического университета Мадрида. Например, исследователи начинают разрабатывать таблетки, которые пациенты могут проглатывать и передавать данные о состоянии здоровья обратно на компьютер для диагностики.

«В идеале не следует использовать батареи для питания этих систем, потому что если из них выйдет литий, пациент может умереть», — говорит Граял. «Гораздо лучше собирать энергию из окружающей среды, чтобы питать эти небольшие лаборатории внутри тела и передавать данные на внешние компьютеры».

Все ректенны используют компонент, известный как «выпрямитель», который преобразует входной сигнал переменного тока в мощность постоянного тока. В традиционных ректеннах в качестве выпрямителя используется кремний или арсенид галлия. Эти материалы могут покрывать диапазон Wi-Fi, но они жесткие. И хотя использование этих материалов для изготовления небольших устройств относительно недорого, использование их для покрытия огромных площадей, таких как поверхности зданий и стен, было бы непомерно дорого. Исследователи уже давно пытаются решить эти проблемы. Но те немногие гибкие ректенны, о которых сообщалось до сих пор, работают на низких частотах и ​​не могут захватывать и преобразовывать сигналы на гигагерцевых частотах, где находится большая часть соответствующих сигналов сотовых телефонов и Wi-Fi.

Для создания выпрямителя исследователи использовали новый двумерный материал под названием дисульфид молибдена (MoS ₂ ), который при толщине в три атома является одним из самых тонких полупроводников в мире. При этом команда использовала необычное поведение MoS ₂ : при воздействии определенных химических веществ атомы материала перестраиваются таким образом, что действуют как переключатель, вызывая фазовый переход от полупроводника к металлическому материалу. Полученная структура известна как диод Шоттки, который представляет собой соединение полупроводника с металлом.

«Разработав MoS ₂ в двумерном фазовом переходе полупроводник-металл, мы создали атомно тонкий, сверхбыстрый диод Шоттки, который одновременно минимизирует последовательное сопротивление и паразитную емкость», — говорит первый автор и постдок EECS Сюй Чжан, который вскоре присоединится к Карнеги. Университет Меллона в качестве доцента.

Паразитная емкость — неизбежная ситуация в электронике, где определенные материалы накапливают небольшой электрический заряд, что замедляет цепь. Таким образом, более низкая емкость означает увеличение скорости выпрямителя и более высокие рабочие частоты. Паразитная емкость диода Шоттки исследователей на порядок меньше, чем у современных гибких выпрямителей, поэтому он намного быстрее преобразует сигнал и позволяет захватывать и преобразовывать до 10 гигагерц беспроводных сигналов.

«Такая конструкция позволила создать полностью гибкое устройство, достаточно быстрое для покрытия большинства радиочастотных диапазонов, используемых нашей повседневной электроникой, включая Wi-Fi, Bluetooth, сотовую связь LTE и многие другие», — говорит Чжан.

В опубликованной работе представлены чертежи других гибких устройств, преобразующих Wi-Fi в электричество, обладающих значительной производительностью и эффективностью. Максимальная выходная эффективность текущего устройства составляет 40 процентов, в зависимости от входной мощности входа Wi-Fi. При типичном уровне мощности Wi-Fi КПД выпрямителя MoS ₂ составляет около 30 процентов. Для справки: современные ректенны, изготовленные из жесткого и более дорогого кремния или арсенида галлия, достигают показателя от 50 до 60 процентов.

«Эта очень хорошая командная работа Массачусетского технологического института демонстрирует первое реальное применение атомно тонких полупроводников для создания гибкой ректенны для сбора энергии», — говорит Филип Ким, профессор физики и прикладной физики в Гарвардском университете, чьи исследования сосредоточены на двумерных материалах. «Я поражен инновационным подходом, который разработала команда для использования ненужной энергии радиочастотных излучений вокруг нас».

Есть еще 15 соавторов статьи из Массачусетского технологического института, Мадридского технического университета, Армейской исследовательской лаборатории, Мадридского университета Карла III, Бостонского университета и Университета Южной Калифорнии.

Сейчас команда планирует создать более сложные системы и повысить эффективность. Работа стала возможной отчасти благодаря сотрудничеству с Мадридским техническим университетом в рамках Международной научно-технической инициативы Массачусетского технологического института (MISTI). Его также частично поддержали Институт солдатских нанотехнологий, Армейская исследовательская лаборатория, Центр интегрированных квантовых материалов Национального научного фонда и Управление научных исследований ВВС.