【研究背景】

射頻能量收集是未來電子設備發展的一大趨勢。無線傳感器網絡在健康監測、環境監測以及物聯網（IoT）中發揮著重要作用，它們的電力供應通常依賴于電池，然而這限制了設備的使用壽命和維護成本。射頻能量收集技術利用環境中存在的射頻信號，將其轉換為直流電源，從而實現了無線設備的長時間運行和維護。這種技術相比傳統的太陽能、振動能等能源收集方式，具有全天候可用、易于獲取等優勢，此在小型無線傳感器網絡中得到了廣泛應用。

在射頻能量收集領域，基于磁隧道結（MTJ）的自旋整流器（SRs）技術由于其高靈敏度和較寬的工作頻帶而備受關注。然而，現有技術在低功率環境下的轉換效率仍然有限。近年來，通過優化設備的內在特性，如垂直各向異性和磁化進動特性，并結合電壓控制的磁各向異性（VCMA）驅動的自參量效應，研究人員成功地提高了自旋整流器的靈敏度和效率。該技術的發展不僅增強了在低射頻功率下的能量收集能力，還使得無需外部天線的應用成為可能，進一步推動了該領域的應用前景。

【技術難點】

傳統的射頻（RF）能量收集技術一般使用肖特基二極管、晶體管和互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術，這使得大部分射頻能量收集產品在低功率環境下仍存在轉換效率低和能量損失等不足。自旋整流器（SRs）是這個領域的發展方向，它們能夠在低功率環境下有效地轉換射頻信號為直流電能，如果能進一步提升其效率和靈敏度，將極大地降低射頻能量收集的功耗和成本，并提高系統的可靠性。然而，SRs 面臨的主要技術難點是其低的直流轉換效率和有限的工作頻段。

目前，學界和業界近年來主要提出了幾種方案以解決這些難點。一種方案是改進自旋整流器的設計，例如，通過優化磁隧道結（MTJ）的結構和材料，以提高其靈敏度和效率。另一種方案是利用電壓控制的磁各向異性（VCMA）驅動的自參量激發，以擴大整流響應的帶寬。這些方案的優勢在于能夠在低功率環境下提高系統性能，并且能夠在不需要外部天線或匹配設置的情況下進行有效的能量收集。然而，缺點是這些技術在實際應用中仍需克服高頻寄生阻抗和設備規模化生產的挑戰。

【研究內容】

近日，新加坡國立大學Hyunsoo Yang教授團隊在“Nature Electronics”期刊上發表了題為“Nanoscale spin rectifiers for harvesting ambient radiofrequency energy”的研究論文。他們利用自旋整流器（SRs）實現了射頻能量的高效收集，并展示了在弱且嘈雜的環境中，SR rectenna 具有約 10,000 mV mW−1 的高靈敏度。

這項研究的關鍵在于通過優化 SR 的內部特性，包括垂直各向異性、設備幾何形狀和極化層的偶極場，提升了低輸入功率下的磁化進動角度。同時，通過改進的電壓控制磁各向異性（VCMA）效應和外部匹配設置，進一步增強了靈敏度并減少了輸入功率損失。

值得注意的是，在 SR 陣列的應用中，研究團隊觀察到 VCMA 驅動的自參量效應顯著提高了靈敏度和檢測帶寬，且無需額外的天線即可在 -27 dBm 的低射頻功率下為商業傳感器供電。該團隊的 SRs 具備緊湊、免受寄生效應影響、易于集成、可擴展以及在環境條件下高效的特點。

【科學亮點】

1.本文首次展示了一種高靈敏度的自旋整流器（SR），該裝置能夠在 -62 dBm 的射頻功率下收集射頻能量。這種 SR rectenna 在弱且嘈雜的環境中表現出色，具有約 10,000 mV mW−1 的高靈敏度。

2. 研究通過優化 SR 的設備特性，包括垂直各向異性、設備幾何形狀以及極化層的偶極場，成功地實現了低輸入功率下的大角度磁化進動。這些因素在定義納米磁體的能量景觀和提高靈敏度方面發揮了重要作用。通過調整零場隧道磁阻（TMR）和電壓控制的磁各向異性（VCMA）系數，增強了由自旋極化電流驅動的零偏置整流電壓。

3. 此外，在 SR 陣列中觀察到了由 VCMA 驅動的自參量效應，這一效應在沒有外部天線或匹配設置的情況下增強了靈敏度和檢測帶寬。最終，SR 陣列基礎的能量收集模塊（EHM）能夠在 -27 dBm 的低射頻功率下為商業傳感器供電，顯示出 SRs 在環境條件下的緊湊性、免受寄生效應影響、易于集成、可擴展性和高效性。

【圖文速遞】

圖1：利用自旋整流器SRs的射RF能量收集。

圖2： 自旋整流器SR整流天線的性能。

圖3： 寬帶和諧振整流的調諧。

圖4：基于寬帶低功率自旋整流器SR的能量收集器EHM。

圖5: 肖特基二極管、自旋整流器SR陣列和SR整流天線之間的整流性能比較。

【科學啟迪】

本文通過展示高靈敏度的自旋整流器（SR），研究表明在低射頻功率條件下，先進的自旋整流器可以顯著提高能量收集效率。這種技術能夠在 -62 dBm 的環境射頻信號下實現約 10,000 mV mW−1 的靈敏度，為低功率應用提供了新方案。

其次，研究優化了自旋整流器的設計，包括垂直各向異性、設備幾何形狀及極化層的偶極場，從而提升了低輸入功率下的磁化進動效果。結合零場隧道磁阻（TMR）和電壓控制的磁各向異性（VCMA），這些改進提高了整流電壓和效率，為射頻能量轉換提供了新的理論基礎和技術途徑。

另外，基于片上共面波導的自旋整流器陣列展示了 VCMA 驅動的自參量效應，不僅增強了靈敏度和檢測帶寬，還避免了傳統天線和匹配設置的復雜性。這一成果表明，自旋整流器陣列可以在實際應用中提供高效的低射頻功率供電解決方案。

文獻信息：Sharma, R., Ngo, T., Raimondo, E. et al. Nanoscale spin rectifiers for harvesting ambient radiofrequency energy. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01212-1

本文為MWRF.NET原創文章，未經允許不得轉載，如需轉載請聯系market#mwrf.net(#換成@)