Nieuw flexibel apparaat kan wifi-signalen omzetten in elektriciteit

• Een nieuw type rectenna, gemaakt van een dunne, tweedimensionale halfgeleider, kan wifi-signalen omzetten in elektriciteit.
• Onderzoekers waren in staat om 40 microwatt aan vermogen te genereren wanneer ze rectenna blootstelden aan normale wifi-signalen.
• Dat is meer dan genoeg vermogen om siliciumchips aan te sturen of een led te laten oplichten.

Draadloze krachtoverbrenging dateert uit het einde van de 19e eeuw toen Nikola Tesla werkte aan methoden om elektrische energie draadloos over te dragen. Een paar jaar later vond de Italiaanse uitvinder Guglielmo Marconi het eerste, complete, commercieel succesvolle draadloze telegrafiesysteem uit.

Efficiënte radiofrequentie-energieoogsters werden later (in het midden van de 20e eeuw) op stijve substraten zoals silicium geïnstalleerd. Het was echter erg moeilijk om deze technologie uit te breiden naar elektronische systemen die dagelijks worden gebruikt. Hoewel een breed scala aan flexibele halfgeleiders is geanalyseerd om werkelijk alomtegenwoordige detectie mogelijk te maken, hebben wetenschappers geen significante mijlpaal op dit gebied bereikt.

Onlangs kwam een ​​onderzoeksteam MIT met een eerste volledig flexibel apparaat dat wifi-signalen kan omzetten in elektrische energie om elektronica van stroom te voorzien. Het is een nieuw type rectenna - een instrument voor het omzetten van AC-elektromagnetische golven in DC-elektriciteit - dat een flexibele radiofrequentie-antenne gebruikt om elektromagnetische golven op te vangen als AC-golfvormen.

Deze antenne wordt vervolgens bevestigd aan een uniek apparaat gemaakt van een 2D-halfgeleider. Het apparaat zet het wisselstroomsignaal om in gelijkspanning waarmee batterijen kunnen worden opgeladen en elektronische circuits kunnen worden gevoed.

Wat is dit unieke apparaat?

Conventionele rectenna's gebruiken galliumarsenide of silicium als gelijkrichter die het wisselstroomsignaal omzet in gelijkstroom. Hoewel deze halfgeleiders de wifi-band afdekken, zijn ze stijf. Het zou extreem duur zijn om ze te gebruiken om grote gebieden (muren, oppervlakken van gebouwen) te fabriceren.

Wetenschappers proberen deze problemen al tientallen jaren op te lossen. Ze hebben een aantal efficiënte rectennes ontwikkeld, maar ze werken bij lage frequenties en kunnen signalen niet omzetten in gigahertz-frequenties, waar de meeste wifi- en mobiele telefoonsignalen liggen.

In deze studie gebruikten onderzoekers een nieuw tweedimensionaal materiaal genaamd molybdeendisulfide dat slechts drie atomen dik is. Wanneer atomen van dit materiaal in contact komen met bepaalde chemicaliën, herpositioneren ze zichzelf op een manier dat ze als een schakelaar fungeren. Dit dwingt het materiaal om zijn fase te veranderen van een halfgeleider naar een metaal.

Referentie:Natuur | doi:10.1038/s41586-019-0892-1 | MIT

Dit resulteert in een kruising van een halfgeleider met een metaal, een Schottky-diode genaamd, die tegelijkertijd de parasitaire capaciteit en serieweerstand minimaliseert.

De parasitaire capaciteit van de Schottky-diode is veel lager dan die van de parasitaire capaciteit van de bestaande state-of-the-art flexibele gelijkrichters. Het kan dus draadloze signalen met veel hogere snelheden (tot 10 gigahertz) vastleggen en converteren, en dekt daarmee de radiofrequentiebanden die worden gebruikt door mobiele LTE, Bluetooth en Wi-Fi.

Met dank aan onderzoekers

Resultaten en toepassingen

De maximale output-efficiëntie van het apparaat is ongeveer 40% en varieert afhankelijk van de input van het wifi-signaal. Om dit in inhoud te brengen, hebben conventionele rectenna's gemaakt van galliumarsenide en silicium een ​​efficiëntie van ongeveer 50% tot 60%. Het team is van plan om complexere systemen met een hogere efficiëntie te ontwikkelen.

De eerste toepassingen van dit nieuwe apparaat zijn onder meer het aandrijven van draagbare elektronica, medische instrumenten en sensoren voor 'internet of things'. In deze studie waren onderzoekers in staat om 40 microwatt vermogen te genereren wanneer de rectenna werd blootgesteld aan normale wifi-signalen (die meestal 150 microwatt vermogen hebben).

Lezen:DARPA zal laserlichtbron gebruiken om kleine vliegtuigen on the fly aan te drijven

Tegenwoordig ontwikkelen wetenschappers slikbare pillen die gezondheidsgegevens terug kunnen streamen naar computers voor diagnostiek. De nieuwe rectenna kan in de toekomst ook worden gebruikt om dergelijke implanteerbare medische apparaten van stroom te voorzien.