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麻省理工的團隊開發(fā)了一款靈活的設(shè)備，可以將能量從 WiFi 信號轉(zhuǎn)化為給電子設(shè)備供電的電壓。將交流電磁波轉(zhuǎn)換為直流電的設(shè)備稱為“整流天線”。研究人員展示了一種新型的整流天線，它使用靈活的射頻（RF）天線捕獲電磁波，包括這些攜帶 WiFi 的作為交流波形的電磁波。
然后將天線連接到由幾個原子厚度的半導(dǎo)體制成的新型器件。交流信號進入半導(dǎo)體，半導(dǎo)體將其轉(zhuǎn)換為直流電壓，可以給電路或者電池供電。
通過這種方式，無電池設(shè)備被動地捕獲普遍存在的 Wi-Fi 信號，轉(zhuǎn)換成有用的直流電源。此外，該設(shè)備是靈活的，并且可以以 roll-to-roll 的工藝覆蓋非常大的區(qū)域。
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圖片來源：Christine Daniloff
“我們是否能夠開發(fā)出一種電子系統(tǒng)，圍繞橋梁，覆蓋整個高速公路或者我們辦公室的墻，為我們周圍的一切帶來電子情報？你如何給這些電子設(shè)備供電？”該文章的共同作者 TomásPalacios，是電氣工程和計算機科學(xué)系的教授，在微系統(tǒng)技術(shù)實驗室中擔任 MIT / MTL 石墨烯設(shè)備和 2D 系統(tǒng)中心主任。他表示， “我們已經(jīng)提出了一種新方法給未來的電子設(shè)備供電—通過以易于集成在大面積的方法收集 Wi-Fi 能量—讓我們周圍的每個物體變得智能?！?/p>
整流天線的早期應(yīng)用前景包括為物聯(lián)網(wǎng)的靈活可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和傳感器供電。在實驗中，當研究人員的設(shè)備暴露在 Wi-Fi 信號的典型的功率水平（大約 150 微瓦）時，可以生產(chǎn)大約 40 微瓦電量，這足以點亮一盞簡單的移動顯示器或硅芯片。
聯(lián)合作者，Madrid 大學(xué)的研究員 Jesús Grajal 表示，“其它可能的應(yīng)用程序是為植入式醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)通信供電?！崩?，研究人員開始研發(fā)患者可以吞咽的藥片，并將健康數(shù)據(jù)返回計算機進行診斷。
“理想情況下，你不想使用電池給這些系統(tǒng)供電，因為如果他們泄漏鋰，病人會致死?！盙rajal 表示，“最好能夠從環(huán)境中收集能量，為這些內(nèi)置體內(nèi)的小型設(shè)備供電，并與外部計算機進行數(shù)據(jù)通信?！?/p>
所有的整流天線都依賴于一個叫做“整流器”的元件，它可將交流輸入信號轉(zhuǎn)換為直流電壓。傳統(tǒng)的整流天線使用硅或者砷化鎵作為整流器。這些材料可以覆蓋 Wi-Fi 頻段，但是他們很僵硬。盡管使用這些材料制造小型設(shè)備相對便宜，但是如果使用他們覆蓋大面積的區(qū)域，比如建筑或者墻的表面，成本就過高。長期以來，研究人員一直試圖修復(fù)這些問題。但是到目前為止，少數(shù)靈活的整流天線在低頻下工作，不能捕捉并轉(zhuǎn)換 GHZ 的信號，大部分相關(guān)的手機和 Wi-Fi 信號也是如此。
為了構(gòu)建他們的整流器，研究人員使用了一種叫做二硫化鉬（MoS2）的 2D 材料，它的三原子厚度是世界上最薄的半導(dǎo)體之一。這樣做時，該團隊利用 MoS2 的單一行為：當暴露某些化學(xué)物質(zhì)時，材料的原子以一種像開關(guān)一樣的方式重新排列，迫使其相位從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換為金屬材料。這種結(jié)構(gòu)稱為肖特基二極管，它是半導(dǎo)體和金屬的結(jié)。
“通過將 MoS2 設(shè)計成 2D 的半導(dǎo)體金屬相結(jié)，我們構(gòu)建了一個原子級薄的超級快肖特基二極管，同時最大限度地減小了串聯(lián)電阻和寄生電容?！闭撐牡牡谝蛔髡吆?EECS 博士 Xu Zhang 說，他將很快加入卡內(nèi)基梅隆大學(xué)擔任助理教授。
寄生電容在電子設(shè)備中是不可避免的情況，其中某些材料存儲少量電荷，它減慢了電路的速度。因此，較低的電容意味著整理器速度的提高和較高的工作效率。研究人員的肖特基二極管的寄生電容比現(xiàn)有的最先進的柔性整流器小一個數(shù)量級，因此信號轉(zhuǎn)換速度更快，可以捕獲和轉(zhuǎn)換高達 10GHz 的無線信號。
張先生說，“這樣的設(shè)計使得一個完全靈活的設(shè)備能夠快速覆蓋我們?nèi)粘ｋ娮釉O(shè)備所使用的大多數(shù)無線電頻段，包括 Wi-Fi、藍牙、LTE 等?！?/p>
該方案為其它靈活的 Wi-Fi 轉(zhuǎn)換到電子設(shè)備提供了藍圖，具有客觀的輸出和效率。根據(jù) Wi-Fi 輸入的輸入功率，當前設(shè)備的最大輸出效率為 40%。在普通的 Wi-Fi 功率水平下，MoS2 整流器的功率效率約是 30%?，F(xiàn)如今最好的硅和砷化鎵整流器天線由剛性、更昂貴的硅或者砷化鎵制成，達到了 50-60%。
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