使用新的2D材料将Wi-Fi信号转换为电力

麻省理工学院和其他地方的研究人员设计了第一个完全灵活,无电池的“整流天线” – 一种将能量从Wi-Fi信号转换为电能的设备 – 可用于为柔性和可穿戴电子设备,医疗设备和传感器供电。 “物联网。”

想象一下智能手机,笔记本电脑,可穿戴设备和其他电子设备在没有电池的情况下供电的世界。麻省理工学院和其他地方的研究人员朝这个方向迈出了一步,第一个完全灵活的设备可以将能量从Wi-Fi信号转换为可以为电子设备供电的电力。

将交流电磁波转换为直流电的设备称为“整流天线”。研究人员展示了一种新的天线,在自然界出现的一项研究中描述,该天线使用灵活的射频(RF)天线捕获电磁波 – 包括那些携带Wi-Fi的天线 – 作为交流波形。

然后将天线连接到由仅几个原子厚度的二维半导体制成的新型器件。AC信号进入半导体,半导体将其转换为可用于为电子电路供电或为电池充电的DC电压。

通过这种方式,无电池设备被动地捕获普遍存在的Wi-Fi信号并将其转换为有用的DC电源。此外,该装置是柔性的并且可以以卷对卷工艺制造以覆盖非常大的区域。

“如果我们能够开发出围绕桥梁或覆盖整个高速公路的电子系统,或者我们办公室的墙壁,并为我们周围的一切带来电子情报,那该怎么办?你如何为这些电子设备提供能量?” 该论文的共同作者TomásPalacios说,他是电气工程和计算机科学系的教授,也是微系统技术实验室的MIT / MTL石墨烯设备和2D系统中心主任。“我们已经提出了一种新方法来为未来的电子系统提供动力 – 通过以易于集成在大面积区域的方式收集Wi-Fi能量 – 为我们周围的每个物体带来智能。”

对于拟议的整流天线的早期应用前景广阔,包括为“物联网”为灵活和可穿戴电子设备,医疗设备和传感器供电。例如,灵活的智能手机是主要科技公司的热门新市场。在实验中,研究人员的设备在暴露于Wi-Fi信号的典型功率水平(大约150微瓦)时可以产生大约40微瓦的功率。这足以点亮简单的移动显示器或硅芯片。

共同作者,马德里技术大学的研究员JesúsGrajal说,另一个可能的应用是为植入式医疗设备的数据通信提供动力。例如,研究人员开始开发可被患者吞服的药丸,并将健康数据传回计算机进行诊断。

“理想情况下,你不想使用电池为这些系统供电,因为如果它们泄漏锂,病人就会死亡,”Grajal说。“从环境中获取能量,为身体内的这些小型实验室供电,并将数据传输到外部计算机,这样做要好得多。”

所有整流天线都依赖于一个称为“整流器”的元件,它将交流输入信号转换为直流电。传统的整流天线使用硅或砷化镓作为整流器。这些材料可以覆盖Wi-Fi频段,但它们很僵硬。并且,尽管使用这些材料来制造小型装置相对便宜,但是使用它们来覆盖大面积的区域,例如建筑物和墙壁的表面,将是成本过高的。研究人员一直试图解决这些问题很长一段时间。但到目前为止报道的少数灵活的整流天线在低频下工作,无法捕获和转换千兆赫频率的信号,而大多数相关的手机和Wi-Fi信号都是如此。

为了建立他们的整流器,研究人员使用了一种名为二硫化钼(MoS2)的新型二维材料,其三原子厚度是世界上最薄的半导体之一。在这样做时,团队利用了MoS2的单一行为:当暴露于某些化学物质时,材料的原子以一种像开关一样的方式重新排列,迫使从半导体到金属材料的相变。这种结构称为肖特基二极管,它是半导体与金属的结。

“通过将MoS2设计成2-D半导体金属相结,我们构建了一个原子级薄,超快的肖特基二极管,同时最大限度地降低了串联电阻和寄生电容,”第一作者和EECS博士后徐章说,他将很快加入卡内基梅隆大学助理教授。

寄生电容在电子设备中是不可避免的情况,其中某些材料存储少量电荷,这减慢了电路的速度。因此,较低的电容意味着提高整流器速度和更高的工作频率。研究人员的肖特基二极管的寄生电容比现有的最先进的柔性整流器小一个数量级,因此它在信号转换方面更快,并且可以捕获和转换高达10千兆赫的无线信号。

“这样的设计使得一个完全灵活的设备能够快速覆盖我们日常电子设备所使用的大多数无线电频段,包括Wi-Fi,蓝牙,蜂窝LTE等等,”张说。

报告的工作为其他灵活的Wi-Fi到电力设备提供了蓝图,具有可观的输出和效率。根据Wi-Fi输入的输入功率,当前设备的最大输出效率为40%。在典型的Wi-Fi功率水平下,MoS2整流器的功率效率约为30%。作为参考,今天最好的硅和砷化镓整流天线由刚性,更昂贵的硅或砷化镓制成,达到约50%至60%。

麻省理工学院,马德里技术大学,陆军研究实验室,马德里查理三世大学,波士顿大学和南加州大学共有15位论文共同作者。

该团队现在正计划构建更复杂的系统并提高效率。通过麻省理工学院国际科学和技术计划(MISTI)与马德里技术大学合作,部分成为了这项工作。它还得到了士兵纳米技术研究所,陆军研究实验室,国家科学基金会综合量子材料中心和空军科学研究办公室的部分支持。