由于這種新設(shè)備非常薄且具有柔性，未來擁有廣泛的應(yīng)用前景，包括柔性手機、可穿戴電子設(shè)備、植入式醫(yī)療設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等都有其用武之地，在實驗中，研究人員將這一設(shè)備暴露于WiFi信號時，可以產(chǎn)生大約40微瓦的功率，足以點亮手機顯示器或硅芯片。目前，研究人員研發(fā)的這一設(shè)備能量轉(zhuǎn)化率約為30%，下一步他們還將進一步提高設(shè)備效率。
除了可以利用WiFi之外，研究人員表示，我們身邊的4G、藍牙等射頻信號都可以加以利用，轉(zhuǎn)化為電能。這一研究的主要領(lǐng)導(dǎo)者麻省理工學(xué)院教授Tomás Palacios稱，這一突破為之后從環(huán)境中收集能源鋪平了道路，“當(dāng)你擁有這樣一種能量收集設(shè)備時，一周7天，可以每天都在收集能量，然后將其存放在電池中以備日后使用。”這一研究結(jié)果發(fā)表在科學(xué)期刊Nature中。據(jù)研究人員介紹，這一技術(shù)的應(yīng)用最早可能會出現(xiàn)在5到7年內(nèi)。
WiFi信號怎樣變成電?
研究人員將一個天線連接到只有三個原子厚度的柔性半導(dǎo)體層，天線捕獲WiFi和其它射頻信號并將其轉(zhuǎn)換為交流電，之后交流電在半導(dǎo)體二硫化鉬中轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備可以直接使用的直流電。通過這種方式，無電池設(shè)備可以被動地捕獲普遍存在的WiFi信號并將其轉(zhuǎn)換為有用的直流電源。
天線和二硫化鉬二極管集成在一種聚酰亞胺薄膜上?！ ≡趯嶒炇抑?，研究人員將這一柔性設(shè)備置于150微瓦的WiFi信號環(huán)境中，它可以產(chǎn)生約40微瓦的功率。“與計算機需要的60瓦相比，40微瓦看起來并不算多，但是我們?nèi)匀豢梢岳盟龊芏嗍虑椤?rdquo;Tomás Palacios說。
為了建立這一套新型的整流器，研究人員使用了一種名為二硫化鉬(MoS2)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，它由鉬和硫兩種元素組成的化合物，從外表上來看，它與石墨烯的薄度近乎相同，在二硫化鉬中，兩層硫原子把一層鉬原子像“三明治”一樣夾在中間。二硫化鉬的電子遷移速率大約是100cm2/vs(即每平方厘米每伏秒通過100個電子)，遠低于晶體硅的電子遷移速率1400 cm2/vs，但是比非晶硅和其他超薄半導(dǎo)體的遷移速度更好。
而且二硫化鉬還具有儲量豐富、價格低廉、制作容易、無毒性等特點，因此很多科學(xué)家都認為：它的前途一片光明。
“我們將二硫化鉬設(shè)計成二維的半導(dǎo)體-金屬結(jié)，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。”論文的第一作者Zhang Xu說。肖特基二極管的導(dǎo)通電壓非常低，一般的二極管在電流流過時，會產(chǎn)生約 0.7-1.7 伏特的壓降，不過肖特基二極管的壓降只有 0.15-0.45 伏特，因此可以提升系統(tǒng)的效率。
無處不在的智能
研究人員所使用的材料具備柔性，可大可小，能夠覆蓋非常大的區(qū)域，比如墻壁或天花板，也能夠集成于可穿戴設(shè)備、傳感器、植入式醫(yī)療設(shè)備……
“如果未來開發(fā)出了可以覆蓋整個高速公路，或者覆蓋整個辦公室墻壁的電子設(shè)備，那么該如何供電?” Tomás Palacios說。“我們提出的這種為電子設(shè)備提供電力的新方法，易于在大面積區(qū)域集成，收集WiFi能量，為我們周圍的每個物體帶來智能。”
天線將WiFi中的電磁輻射轉(zhuǎn)換為交流電信號，基于二硫化鉬的二極管將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為電子設(shè)備供電。
論文的共同作者，西班牙馬德里理工大學(xué)的Jesús Grajal認為，另外一個可能的應(yīng)用是為植入式醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)通信提供電力。因為WiFi和其它射頻信號可以通過人體，因此可以將這種新設(shè)備應(yīng)用于植入物，向其提供足夠的電力將健康數(shù)據(jù)傳送到外部接收器。目前，很多研究人員都在開發(fā)可吞服，且能夠收集并傳輸健康數(shù)據(jù)的藥丸，“理想情況下，你不想使用電池為這樣的系統(tǒng)供電，因為如果發(fā)生鋰泄漏，病人就會死亡。”Jesús Grajal說，“所以從環(huán)境中獲取能源，為身體內(nèi)的這些小型實驗室供電，就要好得多。”
目前，具有柔性，甚至可以彎折的智能手機是各大科技公司競爭的熱門市場，這也是柔性的新型“電源”可應(yīng)用的領(lǐng)域，在實驗室中，研究人員特別利用典型功率水平的WiFi信號，產(chǎn)生了40微瓦的電力，足以點亮移動顯示器或硅芯片。
