Japan Science and Technology Agency (JST), Fujitsu Limited, och Tokyo Metropolitan University tillkännagav att de utvecklade ett mycket känsligt rättande element i form av en bakåtvänd nanotråd, som kan omvandla mikrovågor med låg effekt till elektricitet. Genom JST:s strategiska grundforskningsprogram, tekniken utvecklades av forskare under ledning av Kenichi Kawaguchi från Fujitsu Limited och professor Michihiko Suhara vid Tokyo Metropolitan University. Den nya tekniken förväntas spela en roll för att skörda energi från radiovågor i miljön, där elektricitet genereras från omgivande radiovågor, sådana som sänds ut från mobiltelefonbasstationer.

Forskningsbakgrund och omständigheter

Som förberedelse för början av den sanna IoT -eran, energihanteringsteknik, som förvandlar de små energikällorna i den omgivande miljön till elektricitet, har kommit under rampljuset de senaste åren som medel för att skapa sensornätverk som fungerar utan batterier. Ett sådant exempel återanvänds som elektricitet med låg effekt radiovågor (mikrovågor), allestädes närvarande i det öppna rummet, som avges från mobiltelefonbasstationer, för användning i kommunikation. Utrustning som används för att generera elektricitet från omgivande radiovågor består av ett radiovågsgenererande element, som inkluderar en antenn för att samla radiovågor och ett likriktande element (diod) som rättar radiovågorna (figur 1).

Diodens lyhördhet (känslighet) för mikrovågor beror i stor utsträckning på korrigeringsegenskapernas branthet och på diodens storlek (kapacitet). Rent generellt, Schottky -barriärdioder, som utnyttjar den rättelse som sker vid korsningen mellan en metall och en halvledare, används som dioder för effektomvandling. På grund av att korrigeringsegenskaperna blir långsamma vid extremt låga spänningar och elementens storlek är större än flera mikrometer (μm), dock, känsligheten för mikrovågor med låg effekt svagare än mikrovatt (μW) var otillräcklig, och det var svårt att omvandla omgivande radiovågor till elektricitet. Detta ledde till en efterfrågan på dioder med ökad känslighet.

Forskningsdetaljer

Forskarna genomförde utvecklingen för att skapa en diod med högre känslighet. Specifikt, de minskade kapaciteten hos och miniatyriserade en bakåtvänd diod som kan branta rättelseoperationer med noll förspänning, som rättning sker genom att förena två olika typer av halvledare och strömflöden med en annan princip (tunneleffekt) än konventionella Schottky -barriärdioder.

Konventionella bakåtvända dioder bildades genom att bearbeta den tunna filmen av en skiktad halvledare till en skivform via etsning. Ändå, eftersom materialen är benägna att skada under bearbetning, det var svårt att bearbeta dioder till en submikronstorlek och använda dem.

Genom att justera förhållandet (sammansättningen) mellan de ingående elementen i de anslutna halvledarmaterialen och, på en minutnivå, densiteten hos de tillsatta föroreningarna, forskarna lyckades odla kristaller i nanokristaller med en diameter på 150 nm bestående av indiumarsenid av n-typ (n-InAs) och galliumarsenidantimonid av p-typ (p-GaAsSb) för en tunnelkorsningsstruktur som är nödvändig för den bakåtvända diodens egenskaper .

Dessutom, i processen för att implantera isolerande material runt nanotråden och processen för att forma elektrodfilm med metall i trådens båda ändar, en ny teknik användes för montering som inte skadar nanotråden. Som ett resultat, de kunde bilda en submikron stor diod, vilket var svårt att göra med konventionell miniatyriseringsteknik för sammansatta halvledare, och därmed lyckades, för första gången, för att utveckla en nanotråd bakåtdiod med över 10 gånger känsligheten för en konventionell Schottky -barriärdiod (figur 2).

Vid testning av den nya tekniken i mikrovågsfrekvensen 2,4 GHz, som för närvarande används i 4G LTE- och Wi-Fi-kommunikationslinjestandarder för mobiltelefoner, känsligheten var 700kV/W, ungefär 11 gånger den för den konventionella Schottky -barriärdioden (med en känslighet på 60KV/W) (figur 3). Därför, tekniken kan effektivt omvandla radiovågor i 100nW-klass till el, möjliggör konvertering av mikrovågor som släpps ut i miljön från mobiltelefonbasstationer i ett område som är över 10 gånger större än vad som tidigare var möjligt (motsvarande 10% av det område där mobiltelefonkommunikation är möjlig). Detta har lett till förväntningar om att den kan användas som en energikälla för sensorer.

Med denna teknik, Mikrovågor med en effektnivå på 100 nanowatt (nW) kan omvandlas till el. Går framåt, eftersom forskargruppen optimerar designen av dioden och radiovågsamlarantennen samtidigt som man lägger till effektkontroll för konstant spänning, det finns höga förväntningar på realiseringen av energiupptagning från miljöradiovågor.