Воздух вокруг нас наполнен радиочастотными сигналами от Wi-Fi, Bluetooth и 5G сетей. Эти стандарты отлично подходят для передачи данных, но также представляют собой неиспользованный источник энергии. Группа исследователей разработала новую технологию для сбора окружающих или «отходных» радиочастотных сигналов и их использования для питания небольших электронных устройств.
Как это работает?
Ключевым нововведением является наноразмерный спиновый выпрямитель, способный преобразовывать чрезвычайно слабые радиочастотные сигналы мощностью менее -20 дБм в полезное постоянное напряжение. Это устройство решает основную проблему существующих выпрямителей для сбора энергии радиочастоты, которые испытывают трудности с эффективной работой на низких уровнях мощности.
Профессор Ян Хёнсу из Национального университета Сингапура, возглавивший проект, объяснил, что традиционные гигагерцовые выпрямители Шоттки за десятилетия не претерпели существенных изменений из-за фундаментальных термодинамических ограничений на низких уровнях мощности. Недавние усилия были сосредоточены на повышении эффективности антенны и согласовании импедансов, что увеличивает площадь чипа и препятствует миниатюризации.
В отличие от этого, команда Хёнса показала, что наноразмерные спиновые выпрямители предлагают компактный, чувствительный и эффективный способ прямого преобразования радиочастотной энергии в постоянный ток.
«Наши результаты демонстрируют, что технология спиновых выпрямителей легко интегрируется и масштабируется, что способствует разработке крупномасштабных массивов спиновых выпрямителей для различных низкоэнергетических радиочастотных и коммуникационных приложений», — говорит профессор Хёнс.
Для достижения этого прорыва исследователи оптимизировали устройства спиновых выпрямителей в двух конфигурациях: одиночный выпрямитель, работающий в диапазоне от -62 дБм до -20 дБм, и массив из 10 спиновых выпрямителей последовательно с коэффициентом преобразования 7,8%. Интеграция массива в модуль сбора энергии позволила им питать коммерческий датчик температуры при входной мощности всего -27 дБм.
Теперь команда работает над интеграцией встроенной антенны, что может еще больше повысить эффективность и компактность системы.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Electronics.
