Akıllı telefonlar, dizüstü bilgisayarlar, giyilebilir cihazlar ve diğer elektronik cihazların pilsiz çalıştırıldığı bir dünya hayal edin. MIT ve diğer araştırmacılar; Wi-Fi sinyallerini elektriğe dönüştüren ilk tamamen esnek cihazla, bu yönde bir adım attılar.
AC elektromanyetik dalgalarını DC elektriğine dönüştüren cihazlar “rektennas” olarak bilinir. Araştırmacılar, Nature’da ortaya çıkan bir çalışmada tarif edilen ve AC dalga formları olarak Wi-Fi taşıyanlar da dahil olmak üzere elektromanyetik dalgaları yakalayan esnek bir radyo frekansı (RF) anteni kullanan yeni bir tür rekonten (düzeltici anten) göstermektedir.
Anten daha sonra, sadece birkaç atom kalınlığında, iki boyutlu yarı iletkenden yapılmış, yeni bir cihaza bağlanır. AC sinyali; elektronik devrelere güç sağlamak veya pilleri şarj etmek için kullanılabilecek bir DC voltajına dönüştüren yarı iletkene gider.
Bu şekilde; pilsiz cihaz her yerde bulunan Wi-Fi sinyallerini pasif olarak yakalar ve yararlı DC gücüne dönüştürür. Ayrıca; cihaz esnektir ve çok geniş alanları kapsayacak şekilde rulodan ruloya bir işlem ile imal edilebilir.
Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümü’nde Profesör ve Microsystems Teknoloji Laboratuvarı MIT / MTL Grafen Cihazları ve 2D Sistemleri Merkezi Müdürü Tomás Palacios: “Geleceğin elektronik sistemlerine güç sağlamak için yeni bir yol bulduk. Wi-Fi enerjisini etrafımızdaki her nesneye bilgiyi getirmek için, geniş alanlara kolayca entegre olacak şekilde toplayacak.”
Önerilen rektennas için gelecek vaat eden ilk uygulamalar arasında esnek ve giyilebilir elektroniklerin; tıbbi cihazların ve “nesnelerin interneti” (IoT) için sensörlerin güçlendirilmesi yer alıyor. Örneğin, esnek akıllı telefonlar, büyük teknoloji firmaları için yeni ve sıcak bir pazar… Deneylerde, araştırmacılar cihazı Wi-Fi sinyallerinin tipik güç seviyelerine maruz kaldıklarında (yaklaşık 150 mikro dalga) yaklaşık 40 mikro güç üretebilir. Bu, basit bir mobil ekranı veya silikon çipleri aydınlatmak için çok fazla…
Madrid Teknik Üniversitesi Araştırmacı Jesús Grajal: “Diğer bir olası uygulama, implante edilebilir tıbbi cihazların veri iletişimini güçlendirmektir. Örneğin, araştırmacılar hastalar tarafından yutulabilecek hapları geliştirmeye ve teşhis için sağlık verilerini bir bilgisayara aktarmaya başlıyor.
İdeal olarak, bu sistemleri çalıştırmak için pil kullanmak istemiyorsunuz. Çünkü lityum sızdırıyorlarsa hasta ölebilir. Bu küçük laboratuvarları çalıştırmak için vücudunuzdaki enerjiyi toplamak ve verileri harici bilgisayarlara iletmek çok daha iyi bir çözüm.”
Tüm doğrultucular, AC giriş sinyalini DC gücüne dönüştüren, “doğrultucu” olarak bilinen bir bileşene dayanmaktadır. Geleneksel rektennas; doğrultucu için silikon veya galyum arsenit kullanır. Bu malzemeler Wi-Fi bandını kaplayabilir, ancak katıdırlar. Bu malzemeleri küçük cihazları üretmek için kullanmak nispeten ucuz olsa da, binaların ve duvarların yüzeyleri gibi geniş alanları kaplamak için, bunları kullanmak maliyetleri arttıracaktır. Araştırmacılar uzun zamandır bu sorunları çözmeye çalışıyorlar. Ancak şu ana kadar bildirilen az sayıdaki esnek rektennas’ın düşük frekanslarda çalıştığını ve ilgili cep telefonu ile Wi-Fi sinyallerinin çoğunun bulunduğu gigahertz frekanslarındaki sinyalleri yakalayıp, dönüştüremediğini bildirdi.
Dünyanın En İnce Yarı İletkenleri
Araştırmacılar; doğrultucuları inşa etmek için, molibden disülfür (MoS2) adı verilen ve üç atom kalınlığındaki dünyanın en ince yarı iletkenlerinden biri olan yeni bir 2D malzeme kullandılar. Bunu yaparken, ekip MoS2’nin tekil davranışından yararlandı: Bazı kimyasallara maruz kaldığında, materyallerin atomları bir yarı iletkenden metalik bir malzemeye faz geçişi zorlayan, bir anahtar gibi davranacak şekilde yeniden düzenlenir. Bu yapı, bir yarı iletkenin metal ile birleştiği Schottky Diyot olarak bilinir.
EECS Xu Zhang: “MoS2’yi 2D yarı iletken metalik bir faz bağlantısı ile birleştirmek, aynı anda seri direnci ve parazitik direnci en aza indiren, atomik olarak ince, ultra hızlı bir Schottky Diyot inşa ettik.”
Parazitik direnç; elektronik aksamında, bazı malzemelerin biraz elektrik yükü depoladığı ve devreyi yavaşlatan kaçınılmaz bir durumdur. Bu nedenle düşük direnç; daha yüksek doğrultucu hızları ve daha yüksek çalışma frekansları anlamına gelir. Araştırmacıların Schottky diyotunun parazit direnci, günümüzün en gelişmiş esnek doğrultucuları arasında küçüktür. Bu nedenle sinyal dönüştürmede çok daha hızlıdır ve 10 gigahertz’e kadar kablosuz sinyalleri yakalayıp dönüştürmesini sağlar.
Zhang, “Böyle bir tasarım; Wi-Fi, Bluetooth, hücresel LTE ve diğerleri de dahil olmak üzere günlük elektroniklerimiz tarafından kullanılan radyo frekansı bantlarının çoğunu kapsayacak kadar hızlı, tamamen esnek bir cihaza izin verdi.”
Yayınlanan çalışma, diğer esnek Wi-Fi-elektrik aygıtları için önemli çıktı ve verime sahip planlar sunmaktadır. Mevcut cihazın maksimum verimliliği, Wi-Fi girişinin giriş gücüne bağlı olarak yüzde 40 düzeyindedir. Tipik Wi-Fi güç seviyesinde; MoS2 doğrultucularının güç verimliliği yaklaşık yüzde 30’dur. Referans için; günümüzün en iyi silikon ve galyum arsenit sert, daha pahalı silikon veya galyum arsenitten yapılan rektennas’leri yaklaşık yüzde 50 ila 60’ını sağlar.
Ekip şimdi daha karmaşık sistemler kurmayı ve verimliliği artırmayı planlıyor. Çalışma kısmen, Madrid Teknik Üniversitesi ile MIT Uluslararası Bilim ve Teknoloji Girişimleri (MISTI) aracılığıyla yapılan bir işbirliği ile mümkün oldu.
