【研究背景】

射頻能量收集是未來電子設(shè)備發(fā)展的一大趨勢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在健康監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測以及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中發(fā)揮著重要作用，它們的電力供應(yīng)通常依賴于電池，然而這限制了設(shè)備的使用壽命和維護(hù)成本。射頻能量收集技術(shù)利用環(huán)境中存在的射頻信號，將其轉(zhuǎn)換為直流電源，從而實現(xiàn)了無線設(shè)備的長時間運行和維護(hù)。這種技術(shù)相比傳統(tǒng)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(yōu)勢，此在小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用。

在射頻能量收集領(lǐng)域，基于磁隧道結(jié)（MTJ）的自旋整流器（SRs）技術(shù)由于其高靈敏度和較寬的工作頻帶而備受關(guān)注。然而，現(xiàn)有技術(shù)在低功率環(huán)境下的轉(zhuǎn)換效率仍然有限。近年來，通過優(yōu)化設(shè)備的內(nèi)在特性，如垂直各向異性和磁化進(jìn)動特性，并結(jié)合電壓控制的磁各向異性（VCMA）驅(qū)動的自參量效應(yīng)，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(shù)的發(fā)展不僅增強(qiáng)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(yīng)用成為可能，進(jìn)一步推動了該領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

【技術(shù)難點】

傳統(tǒng)的射頻（RF）能量收集技術(shù)一般使用肖特基二極管、晶體管和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)，這使得大部分射頻能量收集產(chǎn)品在低功率環(huán)境下仍存在轉(zhuǎn)換效率低和能量損失等不足。自旋整流器（SRs）是這個領(lǐng)域的發(fā)展方向，它們能夠在低功率環(huán)境下有效地轉(zhuǎn)換射頻信號為直流電能，如果能進(jìn)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(tǒng)的可靠性。然而，SRs 面臨的主要技術(shù)難點是其低的直流轉(zhuǎn)換效率和有限的工作頻段。

目前，學(xué)界和業(yè)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(jìn)自旋整流器的設(shè)計，例如，通過優(yōu)化磁隧道結(jié)（MTJ）的結(jié)構(gòu)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(qū)動的自參量激發(fā)，以擴(kuò)大整流響應(yīng)的帶寬。這些方案的優(yōu)勢在于能夠在低功率環(huán)境下提高系統(tǒng)性能，并且能夠在不需要外部天線或匹配設(shè)置的情況下進(jìn)行有效的能量收集。然而，缺點是這些技術(shù)在實際應(yīng)用中仍需克服高頻寄生阻抗和設(shè)備規(guī)模化生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。

【研究內(nèi)容】

近日，新加坡國立大學(xué)Hyunsoo Yang教授團(tuán)隊在“Nature Electronics”期刊上發(fā)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(xiàn)了射頻能量的高效收集，并展示了在弱且嘈雜的環(huán)境中，SR rectenna 具有約 10,000 mV mW−1 的高靈敏度。

這項研究的關(guān)鍵在于通過優(yōu)化 SR 的內(nèi)部特性，包括垂直各向異性、設(shè)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(jìn)動角度。同時，通過改進(jìn)的電壓控制磁各向異性（VCMA）效應(yīng)和外部匹配設(shè)置，進(jìn)一步增強(qiáng)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(yīng)用中，研究團(tuán)隊觀察到 VCMA 驅(qū)動的自參量效應(yīng)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(yè)傳感器供電。該團(tuán)隊的 SRs 具備緊湊、免受寄生效應(yīng)影響、易于集成、可擴(kuò)展以及在環(huán)境條件下高效的特點。

【科學(xué)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(huán)境中表現(xiàn)出色，具有約 10,000 mV mW−1 的高靈敏度。

2. 研究通過優(yōu)化 SR 的設(shè)備特性，包括垂直各向異性、設(shè)備幾何形狀以及極化層的偶極場，成功地實現(xiàn)了低輸入功率下的大角度磁化進(jìn)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(fā)揮了重要作用。通過調(diào)整零場隧道磁阻（TMR）和電壓控制的磁各向異性（VCMA）系數(shù)，增強(qiáng)了由自旋極化電流驅(qū)動的零偏置整流電壓。

3. 此外，在 SR 陣列中觀察到了由 VCMA 驅(qū)動的自參量效應(yīng)，這一效應(yīng)在沒有外部天線或匹配設(shè)置的情況下增強(qiáng)了靈敏度和檢測帶寬。最終，SR 陣列基礎(chǔ)的能量收集模塊（EHM）能夠在 -27 dBm 的低射頻功率下為商業(yè)傳感器供電，顯示出 SRs 在環(huán)境條件下的緊湊性、免受寄生效應(yīng)影響、易于集成、可擴(kuò)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(diào)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(xué)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(jìn)的自旋整流器可以顯著提高能量收集效率。這種技術(shù)能夠在 -62 dBm 的環(huán)境射頻信號下實現(xiàn)約 10,000 mV mW−1 的靈敏度，為低功率應(yīng)用提供了新方案。

其次，研究優(yōu)化了自旋整流器的設(shè)計，包括垂直各向異性、設(shè)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(jìn)動效果。結(jié)合零場隧道磁阻（TMR）和電壓控制的磁各向異性（VCMA），這些改進(jìn)提高了整流電壓和效率，為射頻能量轉(zhuǎn)換提供了新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)途徑。

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

文獻(xiàn)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

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