Figura 1. Diagrama general de la generación de energía mediante ondas de radio ambientales. Crédito:Fujitsu
La Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología (JST), Fujitsu Limited, y la Universidad Metropolitana de Tokio anunciaron que desarrollaron un elemento rectificador altamente sensible en forma de diodo inverso de nanocables, que puede convertir microondas de baja potencia en electricidad. A través de los programas estratégicos de investigación básica de JST, la tecnología fue desarrollada por investigadores dirigidos por Kenichi Kawaguchi de Fujitsu Limited y el profesor Michihiko Suhara de la Universidad Metropolitana de Tokio. Se espera que la nueva tecnología desempeñe un papel en la recolección de energía de las ondas de radio en el medio ambiente, en el que se genera electricidad a partir de ondas de radio ambientales, como los emitidos por estaciones base de telefonía móvil.
Antecedentes y circunstancias de la investigación
En preparación para el comienzo de la verdadera era de IoT, tecnologías de recolección de energía, que transforman las diminutas fuentes de energía del entorno circundante en electricidad, se han convertido en el centro de atención en los últimos años como un medio para crear redes de sensores que funcionen sin baterías. Un ejemplo de ello se reutiliza como ondas de radio de baja potencia eléctrica (microondas), omnipresente en el espacio abierto, que se emiten desde estaciones base de telefonía móvil, para uso en comunicaciones. El equipo utilizado para generar electricidad a partir de ondas de radio ambientales consta de un elemento generador de energía de ondas de radio, que incluye una antena para la recogida de ondas de radio y un elemento rectificador (diodo) que rectifica las ondas de radio (figura 1).
La capacidad de respuesta (sensibilidad) de un diodo a las microondas depende en gran medida de la inclinación de las características de rectificación y del tamaño del diodo (capacidad). Generalmente, Diodos de barrera Schottky, que utilizan la rectificación que se produce en la unión formada entre un metal y un semiconductor, se utilizan como diodos para la conversión de energía. Debido a que las características de rectificación se vuelven lentas a voltajes extremadamente bajos y el tamaño de los elementos es mayor que varios micrómetros (μm), sin embargo, la sensibilidad a las microondas de baja potencia más débil que los microvatios (μW) era insuficiente, y era difícil convertir las ondas de radio ambientales en electricidad. Esto llevó a una demanda de diodos con mayor sensibilidad.
Figura 2. Características de rectificación de un diodo de barrera Schottky y un diodo inverso. Crédito:Fujitsu
Detalles de la investigación
Los investigadores llevaron a cabo el desarrollo para crear un diodo con mayor sensibilidad. Específicamente, redujeron la capacidad y miniaturizaron un diodo hacia atrás que es capaz de realizar operaciones de rectificación pronunciadas con polarización cero, ya que la rectificación se produce al unir dos tipos diferentes de semiconductores y la corriente fluye con un principio diferente (efecto túnel) que los diodos de barrera Schottky convencionales.
Los diodos de retroceso convencionales se formaron procesando la película delgada de un semiconductor compuesto en capas en forma de disco mediante grabado. Sin embargo, porque los materiales son propensos a dañarse durante el procesamiento, era difícil procesar con precisión diodos a un tamaño submicrónico y operarlos.
Ajustando la relación (composición) de los elementos constituyentes de los materiales semiconductores conectados y, a un nivel de minutos, la densidad de las impurezas añadidas, Los investigadores lograron cultivar cristales en nanocristales con un diámetro de 150 nm compuestos por arseniuro de indio tipo n (n-InAs) y antimonuro de arseniuro de galio tipo p (p-GaAsSb) para una estructura de unión de túnel necesaria para las características del diodo inverso. .
Figura 3. Sección transversal del diodo inverso de nanocables y los cristales de nanocables. Crédito:Fujitsu
Es más, en el proceso de implantación de material aislante alrededor del nanoalambre y en el proceso de formación de una película de electrodo con metal en ambos extremos del cable, Se utilizó una nueva tecnología para el montaje que no daña el nanoalambre. Como resultado, pudieron formar un diodo de tamaño submicrónico, que era difícil de hacer con la tecnología de proceso de miniaturización convencional para semiconductores compuestos, y por lo tanto tuvo éxito, por primera vez, en el desarrollo de un diodo inverso de nanocables con más de 10 veces la sensibilidad de un diodo de barrera Schottky convencional (figura 2).
Al probar la nueva tecnología en la frecuencia de microondas de 2,4 GHz, que se utiliza actualmente en los estándares de línea de comunicación 4G LTE y Wi-Fi para teléfonos móviles, la sensibilidad fue de 700 kV / W, aproximadamente 11 veces la del diodo de barrera Schottky convencional (con una sensibilidad de 60KV / W) (figura 3). Por lo tanto, la tecnología puede convertir de manera eficiente ondas de radio de baja potencia de clase 100nW en electricidad, permitir la conversión de microondas emitidas al medio ambiente desde estaciones base de telefonía móvil en un área que es más de 10 veces mayor de lo que era posible anteriormente (correspondiente al 10% del área en la que son posibles las comunicaciones de telefonía móvil). Esto ha generado expectativas de que se pueda utilizar como fuente de energía para sensores.
Con esta tecnología, Las microondas con un nivel de potencia de 100 nanovatios (nW) se pueden convertir en electricidad. Avanzando, a medida que el grupo de investigación optimiza el diseño del diodo y la antena de recogida de ondas de radio al tiempo que agrega control de potencia para voltaje constante, Hay grandes expectativas para la obtención de energía a partir de ondas de radio ambientales.
