WiFi在我们身边无处不在,美国和西班牙的科学家没有放过这看似不起眼、但范围广泛的射频信号。他们采用只有几个原子厚的二维半导体制成了新型的整流天线,它可以捕获WiFi信号,并将其转化为电能,为电子设备提供电力,这使得未来WiFi或许将成为一种使用广泛的电源。

由于这种新设备非常薄且具有柔性,未来拥有广泛的应用前景,包括柔性手机、可穿戴电子设备、植入式医疗设备、物联网传感器等都有其用武之地,在实验中,研究人员将这一设备暴露于WiFi信号时,可以产生大约40微瓦的功率,足以点亮手机显示器或硅芯片。目前,研究人员研发的这一设备能量转化率约为30%,下一步他们还将进一步提高设备效率。

除了可以利用WiFi之外,研究人员表示,我们身边的4G、蓝牙等射频信号都可以加以利用,转化为电能。这一研究的主要领导者麻省理工学院教授Tomás Palacios称,这一突破为之后从环境中收集能源铺平了道路,“当你拥有这样一种能量收集设备时,一周7天,可以每天都在收集能量,然后将其存放在电池中以备日后使用。”这一研究结果发表在科学期刊Nature中。据研究人员介绍,这一技术的应用最早可能会出现在5到7年内。

WiFi信号怎样变成电?

研究人员将一个天线连接到只有三个原子厚度的柔性半导体层,天线捕获WiFi和其它射频信号并将其转换为交流电,之后交流电在半导体二硫化钼中转换为电子设备可以直接使用的直流电。通过这种方式,无电池设备可以被动地捕获普遍存在的WiFi信号并将其转换为有用的直流电源。

天线和二硫化钼二极管集成在一种聚酰亚胺薄膜上。

天线和二硫化钼二极管集成在一种聚酰亚胺薄膜上。

在实验室中,研究人员将这一柔性设备置于150微瓦的WiFi信号环境中,它可以产生约40微瓦的功率。“与计算机需要的60瓦相比,40微瓦看起来并不算多,但是我们仍然可以利用它做很多事情。”Tomás Palacios说。

为了建立这一套新型的整流器,研究人员使用了一种名为二硫化钼(MoS2)的新型二维材料,其三原子厚度是世界上最薄的半导体之一,它由钼和硫两种元素组成的化合物,从外表上来看,它与石墨烯的薄度近乎相同,在二硫化钼中,两层硫原子把一层钼原子像“三明治”一样夹在中间。二硫化钼的电子迁移速率大约是100cm2/vs(即每平方厘米每伏秒通过100个电子),远低于晶体硅的电子迁移速率1400 cm2/vs,但是比非晶硅和其他超薄半导体的迁移速度更好。

而且二硫化钼还具有储量丰富、价格低廉、制作容易、无毒性等特点,因此很多科学家都认为:它的前途一片光明。

“我们将二硫化钼设计成二维的半导体-金属结,构建了一个原子级薄,超快的肖特基二极管,同时最大限度地降低了串联电阻和寄生电容。”论文的第一作者Zhang Xu说。肖特基二极管的导通电压非常低,一般的二极管在电流流过时,会产生约 0.7-1.7 伏特的压降,不过肖特基二极管的压降只有 0.15-0.45 伏特,因此可以提升系统的效率。

无处不在的智能

研究人员所使用的材料具备柔性,可大可小,能够覆盖非常大的区域,比如墙壁或天花板,也能够集成于可穿戴设备、传感器、植入式医疗设备……

“如果未来开发出了可以覆盖整个高速公路,或者覆盖整个办公室墙壁的电子设备,那么该如何供电?” Tomás Palacios说。“我们提出的这种为电子设备提供电力的新方法,易于在大面积区域集成,收集WiFi能量,为我们周围的每个物体带来智能。”

天线将WiFi中的电磁辐射转换为交流电信号,基于二硫化钼的二极管将交流电转换为直流电,为电子设备供电。

论文的共同作者,西班牙马德里理工大学的Jesús Grajal认为,另外一个可能的应用是为植入式医疗设备的数据通信提供电力。因为WiFi和其它射频信号可以通过人体,因此可以将这种新设备应用于植入物,向其提供足够的电力将健康数据传送到外部接收器。目前,很多研究人员都在开发可吞服,且能够收集并传输健康数据的药丸,“理想情况下,你不想使用电池为这样的系统供电,因为如果发生锂泄漏,病人就会死亡。”Jesús Grajal说,“所以从环境中获取能源,为身体内的这些小型实验室供电,就要好得多。”

目前,具有柔性,甚至可以弯折的智能手机是各大科技公司竞争的热门市场,这也是柔性的新型“电源”可应用的领域,在实验室中,研究人员特别利用典型功率水平的WiFi信号,产生了40微瓦的电力,足以点亮移动显示器或硅芯片。

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