Figura 1. Schema generale della generazione di energia mediante onde radio ambientali. Credito:Fujitsu
L'Agenzia giapponese per la scienza e la tecnologia (JST), Fujitsu Limited, e la Tokyo Metropolitan University ha annunciato di aver sviluppato un elemento raddrizzatore altamente sensibile sotto forma di un diodo a nanofili all'indietro, che può convertire le microonde a bassa potenza in elettricità. Attraverso i programmi di ricerca strategica di base del JST, la tecnologia è stata sviluppata dai ricercatori guidati da Kenichi Kawaguchi di Fujitsu Limited e dal professor Michihiko Suhara della Tokyo Metropolitan University. La nuova tecnologia dovrebbe svolgere un ruolo nella raccolta di energia dalle onde radio nell'ambiente, in cui l'elettricità è generata da onde radio ambientali, come quelli emessi dalle stazioni base dei telefoni cellulari.
Contesto e circostanze della ricerca
In preparazione all'inizio della vera era dell'IoT, tecnologie di raccolta dell'energia, che trasformano le minuscole fonti di energia dell'ambiente circostante in elettricità, sono venute sotto i riflettori negli ultimi anni come mezzo per creare reti di sensori che funzionano senza batterie. Uno di questi esempi riutilizza come elettricità le onde radio a bassa potenza (microonde), onnipresente negli spazi aperti, emessi dalle stazioni base dei telefoni cellulari, da utilizzare nelle comunicazioni. Le apparecchiature utilizzate per generare elettricità da onde radio ambientali sono costituite da un elemento generatore di energia per onde radio, che comprende un'antenna per la raccolta delle onde radio e un elemento raddrizzatore (diodo) che rettifica le onde radio (figura 1).
La reattività (sensibilità) di un diodo alle microonde dipende in gran parte dalla pendenza delle caratteristiche di rettifica e dalla dimensione del diodo (capacità). In genere, Diodi a barriera Schottky, che utilizzano la rettifica che si verifica alla giunzione formata tra un metallo e un semiconduttore, sono usati come diodi per la conversione di potenza. A causa delle caratteristiche di raddrizzamento che diventano lente a tensioni estremamente basse e le dimensioni degli elementi sono maggiori di diversi micrometri (μm), però, la sensibilità alle microonde a bassa potenza più deboli dei microwatt (μW) era insufficiente, ed era difficile convertire le onde radio ambientali in elettricità. Ciò ha portato a una richiesta di diodi con una maggiore sensibilità.
Figura 2. Caratteristiche di rettifica di un diodo a barriera Schottky e di un diodo all'indietro. Credito:Fujitsu
Dettagli della ricerca
I ricercatori hanno effettuato lo sviluppo per creare un diodo con maggiore sensibilità. Nello specifico, hanno ridotto la capacità e miniaturizzato un diodo all'indietro in grado di eseguire operazioni di rettifica ripide con polarizzazione zero, poiché la rettifica avviene unendo due diversi tipi di semiconduttori e flussi di corrente con un principio diverso (effetto tunnel) rispetto ai tradizionali diodi a barriera Schottky.
I diodi all'indietro convenzionali sono stati formati elaborando il film sottile di un semiconduttore composto a strati in una forma di disco tramite incisione. Ciò nonostante, perché i materiali sono soggetti a danni durante la lavorazione, era difficile elaborare finemente i diodi a dimensioni inferiori al micron e farli funzionare.
Regolando il rapporto (composizione) degli elementi costitutivi dei materiali semiconduttori collegati e, a livello di minuto, la densità delle impurità aggiunte, i ricercatori sono riusciti a far crescere cristalli in nanocristalli con un diametro di 150 nm composti da arseniuro di indio di tipo n (n-InAs) e antimoniuro di arseniuro di gallio di tipo p (p-GaAsSb) per una struttura di giunzione a tunnel necessaria per le caratteristiche del diodo all'indietro .
Figura 3. Sezione trasversale del diodo Nanowire Backward e dei cristalli Nanowire. Credito:Fujitsu
Inoltre, nel processo per impiantare materiale isolante attorno al nanofilo e nel processo per formare una pellicola di elettrodi con metallo su entrambe le estremità del filo, è stata utilizzata una nuova tecnologia per il montaggio che non danneggia il nanofilo. Di conseguenza, sono stati in grado di formare un diodo di dimensioni inferiori al micron, che era difficile da fare con la tecnologia di processo di miniaturizzazione convenzionale per semiconduttori composti, e quindi riuscito, per la prima volta, nello sviluppo di un diodo a nanofilo all'indietro con oltre 10 volte la sensibilità di un convenzionale diodi a barriera Schottky (figura 2).
Nel testare la nuova tecnologia nella frequenza delle microonde di 2,4 GHz, che è attualmente utilizzato negli standard di linea di comunicazione 4G LTE e Wi-Fi per telefoni cellulari, la sensibilità era di 700kV/W, circa 11 volte quello del diodo a barriera Schottky convenzionale (con una sensibilità di 60KV/W) (figura 3). Perciò, la tecnologia può convertire in modo efficiente onde radio a bassa potenza di classe 100nW in elettricità, consentire la conversione delle microonde emesse nell'ambiente dalle stazioni base di telefonia mobile in un'area oltre 10 volte superiore a quella precedentemente possibile (corrispondente al 10% dell'area in cui sono possibili comunicazioni di telefonia mobile). Ciò ha portato all'aspettativa che possa essere utilizzato come fonte di alimentazione per i sensori.
Con questa tecnologia, le microonde con un livello di potenza di 100 nanowatt (nW) possono essere convertite in elettricità. Andando avanti, poiché il gruppo di ricerca ottimizza la progettazione del diodo e dell'antenna di raccolta delle onde radio aggiungendo il controllo della potenza per una tensione costante, ci sono grandi aspettative per la realizzazione della raccolta di energia dalle onde radio ambientali.
