麻省理工学院等设计的首款无电池的轻便“整流天线”，可以将WiFi信号转换成电能，从而为柔性可穿戴电子产品、医疗设备和“物联网”传感器提供动力。
试想这样一个世界：智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备等电子产品都不再使用电池供电，那将是多方便的事情。美国麻省理工学院等机构的研究人员朝着这个方向迈出了重要一步。他们研制出了第一款可以将WiFi信号能量转换为电能的灵活设备。
能将交流电磁波转换成直流电的装置被称为“整流天线（rectenna）”。在《自然》杂志中，研究人员展示了一种新型的柔性射频整流天线，它能以交流波形式捕捉电磁波。整流天线与原子级的二维半导体设备相连接，交流波信号经半导体设备转换成直流电，进而达到为电路供电或给电池充电的目的。通过这种方式，这种无电池设备可以被动地将无处不在的WiFi信号转换成有用的直流电源。此外，装置非常灵活，可以通过轧制过程使其具备较强的覆盖能力。论文作者、电气工程与计算机科学教授、石墨烯设备与微型系统实验室主任Tomas Palacios说：“如果我们能开发一种灵活的电子系统，使其可以包裹在桥梁周围，或者覆盖整个高速公路，那么会对我们的生活产生怎样的影响呢？我们设计了一种可以为未来的电子系统供电的新方法，易于大面积集成的转换材料通过获取WiFi能量，进而将电子智能化贯穿生活中的点滴。”
这种新型整流天线的应用前景良好，可以用于为柔性可穿戴电子产品、医疗设备和“物联网”传感器供电。在实验中，研究人员发现，在典型的WiFi信号功率水平(约150微瓦)下，整流天线可以产生大约40微瓦的功率——这已经足以为简单的移动显示器或硅芯片供能。新型整流天线也可以为可植入医疗设备的数据通信提供动力。例如，研究人员可以开发携带整流天线的药片，病人吞服后就可以将健康数据传回计算机进行诊断。论文作者、马德里技术大学的研究员Jesus Grajal说：“研究人员不希望使用电池来驱动医疗植入系统，如果系统电池发生锂泄漏，病人很可能会死亡。如果植入系统能从环境获取能量，安全性就大大提高了。”
整流天线的核心组件是“整流器”，它负责将输入信号转换成直流电源。传统整流器的制造大多使用硅或砷化镓作为原材料。这种类型的整流器虽然可以覆盖WiFi频段，但它们是刚性的，并且对于覆盖建筑和墙壁等大面积区域来讲，成本过高。研究人员试图用柔性整流器来解决这个问题。但目前仅有的几种柔性整流器又无法捕捉和转换与WiFi相关的吉赫兹频率信号。
为了改善整流器性能，研究人员使用了新型二维材料二硫化钼。二硫化钼仅为原子厚度，是世界上最薄的半导体之一。在这项研究中，研究人员利用了二硫化钼的独特开关-重排特性。论文第一作者、电气工程与计算机科学博士后Xu Zhang说：“通过将二硫化钼设计成二维半导体金属相结，我们制造了一种原子级的超高速肖特基二极管。它同时最小化了串联电阻和寄生电容。”
Zhang等设计的肖特基二极管的寄生电容比当今最先进的柔性整流器小一个数量级，因此它的信号转换速度要快得多，可以捕捉和转换10吉赫兹的无线信号。Zhang说：“这样的设计使灵活型设备能覆盖日常电子产品使用的大部分无线电频段了。”当前设备的最大输出效率为40%，这与WiFi的输入功率有关。在典型的WiFi功率水平下，二硫化钼整流器的功率效率约为30%。作为参考，由更昂贵的硅或砷化镓制成的刚性整流器，功率效率为50%~60%。
目前，该团队正在继续进行复杂系统构建和功率效率提升方面的研究。
编译：德克斯特
审稿：阿淼
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