想象一下智能手機，筆記本電腦，可穿戴設(shè)備和其他電子設(shè)備在沒有電池的情況下供電的世界。麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員朝這個方向邁出了一步，第一個完全靈活的設(shè)備可以將能量從Wi-Fi信號轉(zhuǎn)換為可以為電子設(shè)備供電的電力。

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的天線，在自然界出現(xiàn)的一項研究中描述，該天線使用靈活的射頻(RF)天線捕獲電磁波 - 包括那些攜帶Wi-Fi的天線 - 作為交流波形。

然后將天線連接到由僅幾個原子厚度的二維半導(dǎo)體制成的新型器件。AC信號進入半導(dǎo)體，半導(dǎo)體將其轉(zhuǎn)換為可用于為電子電路供電或為電池充電的DC電壓。

通過這種方式，無電池設(shè)備被動地捕獲普遍存在的Wi-Fi信號并將其轉(zhuǎn)換為有用的DC電源。此外，該裝置是柔性的并且可以以卷對卷工藝制造以覆蓋非常大的區(qū)域。

“如果我們能夠開發(fā)出圍繞橋梁或覆蓋整個高速公路的電子系統(tǒng)，或者我們辦公室的墻壁，并為我們周圍的一切帶來電子情報，那該怎么辦?你如何為這些電子設(shè)備提供能量?” 該論文的共同作者TomásPalacios說，他是電氣工程和計算機科學(xué)系的教授，也是微系統(tǒng)技術(shù)實驗室的MIT / MTL石墨烯設(shè)備和2D系統(tǒng)中心主任。“我們已經(jīng)提出了一種新方法來為未來的電子系統(tǒng)提供動力 - 通過以易于集成在大面積區(qū)域的方式收集Wi-Fi能量 - 為我們周圍的每個物體帶來智能。”

對于擬議的整流天線的早期應(yīng)用前景廣闊，包括為“物聯(lián)網(wǎng)”為靈活和可穿戴電子設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備和傳感器供電。例如，靈活的智能手機是主要科技公司的熱門新市場。在實驗中，研究人員的設(shè)備在暴露于Wi-Fi信號的典型功率水平(大約150微瓦)時可以產(chǎn)生大約40微瓦的功率。這足以點亮簡單的移動顯示器或硅芯片。

共同作者，馬德里技術(shù)大學(xué)的研究員JesúsGrajal說，另一個可能的應(yīng)用是為植入式醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)通信提供動力。例如，研究人員開始開發(fā)可被患者吞服的藥丸，并將健康數(shù)據(jù)傳回計算機進行診斷。

“理想情況下，你不想使用電池為這些系統(tǒng)供電，因為如果它們泄漏鋰，病人就會死亡，”Grajal說。“從環(huán)境中獲取能量，為身體內(nèi)的這些小型實驗室供電，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠坑嬎銠C，這樣做要好得多。”

所有整流天線都依賴于一個稱為“整流器”的元件，它將交流輸入信號轉(zhuǎn)換為直流電。傳統(tǒng)的整流天線使用硅或砷化鎵作為整流器。這些材料可以覆蓋Wi-Fi頻段，但它們很僵硬。并且，盡管使用這些材料來制造小型裝置相對便宜，但是使用它們來覆蓋大面積的區(qū)域，例如建筑物和墻壁的表面，將是成本過高的。研究人員一直試圖解決這些問題很長一段時間。但到目前為止報道的少數(shù)靈活的整流天線在低頻下工作，無法捕獲和轉(zhuǎn)換千兆赫頻率的信號，而大多數(shù)相關(guān)的手機和Wi-Fi信號都是如此。

為了建立他們的整流器，研究人員使用了一種名為二硫化鉬(MoS 2)的新型二維材料，其三原子厚度是世界上最薄的半導(dǎo)體之一。在此過程中，該團隊利用了MoS 2的獨特行為：當(dāng)暴露于某些化學(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，迫使從半導(dǎo)體到金屬材料的相變。這種結(jié)構(gòu)稱為肖特基二極管，它是半導(dǎo)體與金屬的結(jié)。

“通過將MoS 2設(shè)計成2-D半導(dǎo)體金屬相結(jié)，我們構(gòu)建了一個原子級薄，超快的肖特基二極管，同時最大限度地降低了串聯(lián)電阻和寄生電容，”第一作者和EECS博士后徐章說，他將很快加入卡內(nèi)基梅隆大學(xué)擔(dān)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，這減慢了電路的速度。因此，較低的電容意味著提高整流器速度和更高的工作頻率。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，因此它在信號轉(zhuǎn)換方面更快，并且可以捕獲和轉(zhuǎn)換高達10千兆赫的無線信號。

“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，蜂窩LTE等等，”張說。

報告的工作為其他靈活的Wi-Fi到電力設(shè)備提供了藍圖，具有可觀的輸出和效率。根據(jù)Wi-Fi輸入的輸入功率，當(dāng)前設(shè)備的最大輸出效率為40%。在典型的Wi-Fi功率水平下，MoS 2整流器的功率效率約為30%。作為參考，今天最好的硅和砷化鎵整流天線由剛性，更昂貴的硅或砷化鎵制成，達到約50%至60%。