Chuyển đổi tín hiệu Wi-Fi thành điện bằng vật liệu 2D mới

Hãy tưởng tượng một thế giới nơi điện thoại thông minh, máy tính xách tay, thiết bị đeo và các thiết bị điện tử khác được cấp điện mà không cần pin. Các nhà nghiên cứu từ MIT đã tiến thêm một bước đến viễn cảnh này, với thiết bị có thể chuyển đổi năng lượng từ tín hiệu Wi-Fi thành điện và có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử.

Các thiết bị chuyển đổi sóng điện từ xoay chiều thành điện một chiều thường được gọi là thiết bị chỉnh lưu. Các nhà nghiên cứu đã mô tả một loại chỉnh lưu mới trong một nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.

Thiết bị này sử dụng ăng-ten tần số vô tuyến (RF) linh hoạt để bắt sóng điện từ, bao gồm cả những sóng mang Wi-Fi, dưới dạng sóng điện từ xoay chiều. Ăng-ten này được kết nối với một thiết bị chế tạo từ chất bán dẫn hai chiều chỉ dày vài nguyên tử. Tín hiệu sóng điện từ xoay chiều truyền vào chất bán dẫn, chuyển đổi thành điện áp một chiều, có thể được sử dụng để cấp nguồn cho các mạch điện tử hoặc sạc lại pin.

Thiết bị chuyển đổi này cũng rất mềm dẻo và có thể được thiết kế để bao phủ các bề mặt rất lớn.

"Hãy tưởng tượng chúng ta có thể phát triển các hệ thống điện bao phủ một cây cầu hoặc bao phủ toàn bộ đường cao tốc, hoặc các bức tường của văn phòng và mang trí thông minh điện tử đến mọi thứ xung quanh," Tomás Palacios, giáo sư khoa Kỹ thuật điện và Khoa học máy tính, giám đốc Trung tâm MIT cho các thiết bị graphene và hệ thống 2D, nói.

"Chúng tôi đã đưa ra một cách mới để cung cấp năng lượng cho các hệ thống điện trong tương lai: thu hoạch năng lượng Wi-Fi. Cách này cũng dễ dàng tích hợp vào các khu vực rộng lớn - để mang trí thông minh đến mọi đồ vật xung quanh chúng ta."

Các ứng dụng ban đầu đầy hứa hẹn cho loại chỉnh lưu mới này bao gồm cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử đeo, các thiết bị y tế và các cảm biến cho mạng Internet vạn vật. Trong các thí nghiệm, thiết bị mới này có thể tạo ra khoảng 40 microwatts khi tiếp xúc với các mức năng lượng điển hình của tín hiệu Wi-Fi (khoảng 150 microwatts), đủ để thắp sáng một đèn LED hoặc chạy các chip silicon.

Jesús Grajal, nhà nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Madrid, cho biết một ứng dụng khả thi khác là cung cấp năng lượng cho việc truyền thông dữ liệu của các thiết bị y tế cấy ghép. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đang bắt đầu phát triển những viên thuốc cho bệnh nhân nuốt và truyền dữ liệu sức khỏe trở lại máy tính để chẩn đoán.

"Các nhà khoa học không muốn sử dụng pin để cung cấp năng lượng cho các hệ thống này, bởi vì nếu chúng bị rò rỉ lithium, bệnh nhân có thể chết," theo Grajal. "Cách tốt hơn là thu hoạch năng lượng từ môi trường để cấp điện các thiết bị nhỏ này bên trong cơ thể và truyền dữ liệu tới các máy tính bên ngoài."

Tất cả thiết bị chỉnh lưu đều dựa vào một bộ phận chuyển đổi tín hiệu đầu vào xoay chiều thành nguồn một chiều. Chỉnh lưu truyền thống sử dụng silicon hoặc gallium arsenide cho bộ chỉnh lưu. Những vật liệu này có thể bao phủ băng tần Wi-Fi, nhưng chúng quá cứng và không thể bẻ cong. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng khắc phục vấn đề này trong một thời gian dài, nhưng một số ít các bộ chỉnh lưu có thể bẻ cong lại chỉ có thể hoạt động ở tần số thấp và không thể bắt và chuyển đổi tín hiệu ở tần số gigahertz, tần số của hầu hết các tín hiệu Wi-Fi và điện thoại di động. Ngoài ra việc sử dụng các vật liệu này để bao phủ các bề mặt lớn sẽ rất tốn kém.

Để chế tạo bộ chỉnh lưu mới, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một vật liệu 2 chiều mới gọi là molybdenum disulfide (MoS2), với độ dày ba nguyên tử, một trong những chất bán dẫn mỏng nhất trên thế giới. Nhóm nghiên cứu đã thúc đẩy một phản ứng của MoS2: Khi tiếp xúc với một số hóa chất nhất định, các nguyên tử của vật liệu này sắp xếp lại theo cách hoạt động như một công tắc, buộc chuyển pha từ chất bán dẫn sang vật liệu kim loại. Cấu trúc kết quả được gọi là diode Schottky, là điểm nối của chất bán dẫn với kim loại.

"Bằng cách chế tạo MoS2 thành một điểm nối pha kim loại - bán dẫn 2 chiều, chúng tôi đã tạo ra một diode Schottky cực mỏng, cực nhanh, đồng thời giảm thiểu điện trở nối tiếp và điện dung ký sinh," Xu Zhang, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Điện dung ký sinh là một tình huống không thể tránh khỏi trong các thiết bị điện tử, xảy ra khi một số vật liệu nhất định lưu trữ điện tích, làm chậm mạch. Do đó, điện dung thấp hơn có nghĩa là tăng tốc độ chỉnh lưu và tần số hoạt động cao hơn. Điện dung ký sinh trên thiết bị của nhóm nghiên cứu diode Schottky nhỏ hơn rất nhiều so với ngay cả các bộ chỉnh lưu linh hoạt tiên tiến nhất hiện nay, do đó nó nhanh hơn nhiều khi chuyển đổi tín hiệu và cho phép thu, chuyển đổi tín hiệu không dây lên đến 10 gigahertz.

Nguồn: