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近日，浙江大学林时胜教授团队提出了一种新型石墨烯/半导体无线电发电机，通过5G频段无线电波激发石墨烯产生热电子，并在内建电场作用下快速分离，通过量子隧穿过程产生电流，实现无线电波环境下直流发电。相关成果以“Graphene/semiconductor heterostructure wireless energy harvester through hot electron excitation”为题发表在Research上（Research, 2020 DOI: 10.34133/2020/3850389，宣扬帆、陈红 陈妍为共同第一作者）。
研究背景
随着人工智能、无人机、可穿戴设备等领域的快速发展以及物联网的普及，可随时随地获取原位能源的无线充电器件受到了广泛的关注。采用无线充电的方式对电池进行充电，有利于电池的长期运行，节省了大量的电池维护和更换工作。无线电能传输技术具有灵活便捷、安全可靠、易于控制及受外界影响较小等优点，从无线电波中获取能量的技术，有着很好的发展前景。近年来，随着物联网和5G的兴起，人们越来越需要对广泛分布的物联网传感器件进行无线充电。但目前研究还没涉及将5G波段无线电能源收集并转化为电能的石墨烯器件结构，因此，发明一种简单结构的无线充电器件将可以为物联网传感器件和设备提供便捷的能量供给。
<<研究进展
浙江大学林时胜教授领导的高效发电与信能一体化团队近来提出了一种基于石墨烯/半导体异质结的无线能源发电机。在5G时代蓬勃发展的今天，利用空气中存在的射频波获取能量，实现信能互传，将会成为将来非常有前景的研究方向。相比于利用天线对RF波进行整流的半导体异质结构，林时胜教授团队提出的基于石墨烯/半导体异质结的无线能源发电机结构简单，可以直接利用石墨烯的等离子体激元激发以及石墨烯与GaAs或GaN之间的量子隧穿过程将RF波转化为直流信号。图1是石墨烯/砷化镓形成的异质结半导体结构，实验使用了915MHz的无线电波源，在石墨烯表面激发出等离子激元，产生电子，通过量子隧穿过程将RF波转化为直流电。这一新型无线能量发电机，具有结构小巧简单、不受环境和外加电路限制、利用空间中冗余的无线信号即可发电的优点，在便携化的智能可穿戴设备以及自驱动的物联网传感器中有很好的应用前景。
图1 石墨烯/半导体异质结构无线电发电机及其原理示意
石墨烯中热电子寿命较长且石墨烯/半导体异质结快速分离载流子是无线电波激发器件产生电流的根源，由无线源产生的电流信号非常稳定，具有良好的发电效果。为进一步研究本器件对多个无线信号源的响应，团队还设置了不同角度的源对发电电流的影响，可以发现不同源在器件上产生的发电效果可以进行叠加，其中两个源成45°角的发电效果最佳，可达0.15mV。相比较于传统PN器件对无线电的零响应，林时胜教授团队还发现石墨烯/AlN/Si和石墨烯/Al2O3/Si等石墨烯/硅半导体也对无线信号源产生了类似的发电效果，并且发电效果更好。这论证了石墨烯/半导体结构在无线发电、5G发电领域的可行性。
图2 PN Si、石墨烯/AlN/Si和石墨烯/Al2O3/Si结构的发电特性
未来展望>>
石墨烯/半导体无线电发电机可以利用环境中冗余的5G信号等无线信号实现对物联网传感器等元件的实时持续供电，作为新一代的轻质化可持续原位能源获取技术可以消除物联网设备供电带来的额外设备及管理成本，将大大助力物联网产业的发展。此无线充电异质器件为5G社会的传感器原位供电提供了一种新的解决方案，有机会实现信息-能源一体化。
<<作者简介
林时胜，浙江大学教授，带领高效发电与信能一体化团队在高效光电和发电器件领域取得了一些重要研究成果，包括高效新型高效发电器件、高效太阳电池、高效自驱动光电探测等。已在国际期刊发表学术论文近80篇，被引用近3000次，授权发明专利近20项，担任Science Bulletin副主编等学术兼职。
林时胜个人主页：https://person.zju.edu.cn/shishenglin
来源: 科技导报
