Разработана уникальная 2D-ректенна с диодом Шоттки из MoS2 толщиной всего три атома
Инженеры давно научились извлекать энергию из радиосигнала. Для этого применяют ректенны (выпрямляющие антенны), которые преобразуют энергию поля электромагнитной волны в энергию постоянного тока. Простейшим вариантом может быть полуволновый вибратор, между плечами которого устанавливается диод.
Инженеры Массачусетского технологического института предложили новую конструкцию ректенны из MoS2, которая обладает рядом преимуществ. Во-первых, это плоская конструкция толщиной всего три атома, она гибкая, в отличие от выпрямителей на кремнии и арсениде галлия. Во-вторых, сульфид молибдена гораздо дешевле. И главное, что гибкая ректенна питается от электромагнитного излучения с частотой до 10 ГГц и отлично работает в диапазоне Wi-Fi, то есть от 2,4 до 5,9 ГГц. Выдаёт примерно 40 микроватт. Немного, но достаточно для светодиода или простого чипа.
Передача энергии по СВЧ на большие расстояния — незаменимая технология в некоторых областях. Например, учёные рассуждают об использовании её для разгона космического лифта и для передачи вниз энергии, собранной солнечными батареями на орбите. Но есть и банальное прикладное применение. Например, миниатюрные сенсоры и другие устройства Интернета вещей могут годами работать без встроенной батареи или другого физического источника питания, просто получая энергию из радиосигнала.
Устройства Интернета вещей могут извлекать ток из окружающих радиоволн на произвольных частотах, в том числе из сигналов WiFi, Bluetooth, LTE и многих других. Уже разработаны ректенны и выпрямители из кремния и галлия с КПД до 50−60%. У новой ректенны из MoS2 КПД обычно не превышает 30%, но технология всё равно довольно интересная.
Как показано на иллюстрации ниже, в устройстве применяется диод Шоттки. Он имитирует свойства перехода металл-полупроводник, применявшегося в ректеннах до сих пор. За счёт этого сводится к минимуму паразитная ёмкость и на порядок ускоряется преобразование, то есть выпрямитель может обрабатывать волны на гораздо более высоких частотах: до 10 и даже 12 ГГц. Раньше такое было невозможно в гибких выпрямителях.
2D-электроника
Гибкую электронику можно использовать в совершенно новых областях: фактически, это невидимая плёнка, в которую оборачивается любой гаджет. Как пишут авторы изобретения, так обычные повседневные предметы «превращаются в умную распределённую сенсорную сеть». Такой плёнкой из электроники можно покрывать стены комнат (как обои), здания, мосты, дороги, что угодно, говорит инженер Томас Паласиос из Центра графеновых приборов и 2D-систем в технологической лаборатории микросистем при МТИ.
В последние годы разработан ряд важных компонентов такой сети, в том числе транзисторы, сенсоры, устройства памяти. Не хватало лишь эффективного двухмерного источника питания. Теперь он есть. Как уже говорилось, эта ректенна работает на порядок быстрее существующих плоских выпрямителей, поэтому впервые появилась возможность извлекать энергию из сигнала Wi-Fi. По мнению учёных, такие универсальные блоки питания хорошо подходят для интеграции с различными электронными системами.
Устройство с беспроводным получением энергии лучше подходит для медицинских имплантов, а также глотаемых сенсоров, которые работают внутри человеческого тела: «В идеале вы не хотите устанавливать батареи в таких системах, потому что если протекает литий, пациент может умереть, — говорит инженер Хесус Грахаль из Мадридского технического университета, один из разработчиков новой ректенны. — Гораздо лучше собирать энергию из окружающей среды, чтобы питать эти небольшие лаборатории внутри тела и передавать данные внешним компьютерам».
В настоящее время команда работает над созданием более крупных систем и повышением эффективности ректенны. Научная статья опубликована 28 января 2019 года в журнале Nature.
Присоединяйтесь сегодня к множеству разработчиков и инноваторов в сфере интернета вещей! Управляйте различными IoT-устройствами на основе PKI с решениями от GlobalSign.
Необходимо больше информации? Мы всегда рады проконсультировать вас по телефону +7 499-678-2210.
