グラフェン/半導体ヘテロ構造の無線エネルギーハーベスターは、熱電子の励起によるものです

Graphene/Semiconductor Heterostructure Wireless Energy Harvester through Hot Electron Excitation.

• Yangfan Xuan
• Hong Chen
• Yan Chen
• Haonan Zheng
• Yanghua Lu
• Shisheng Lin

抄録

無線エネルギーを利用して電池を充電することで、電池の長期使用が可能となり、電池のメンテナンスや交換の手間が省けます。このように、無線周波数(RF)波を利用したエネルギーハーベスタは、特に広く分散した4G/5G無線ネットワークにおいて、無線センサーアプリケーションに必要なマイクロパワーを提供するための最も有望なソリューションとなっている。しかし、現在のレクテナに関する研究は、主に金属-絶縁体-金属トンネルダイオードと結合した集積アンテナに焦点が当てられている。ここでは、グラフェンのプラズモン励起とグラフェンとGaAsまたはGaN間の量子トンネルプロセスを採用することで、サブ6Gとも呼ばれるFR1領域（450MHz-6GHz）において、5Gに属する915MHzの無線源からエネルギーをハーベスティングできることを実証した。発生した電流と電圧は、グラフェンとGaAsの間に内蔵された電界によって方向が定義され、入射した電磁波は量子エネルギー源として扱われ、連続的に観測することができます。RF照明下では、発生電流は急速に増加し、その値は10-10Aのオーダーに達することができます。このハーベスタは、複数のチャネルモードで動作し、空気中の異なる無線エネルギーの流れから同時にエネルギーを収穫することができます。本研究は、量子トンネル法という超高速プロセスとグラフェンのユニークな物理特性を利用して、ワイヤレスハーベスティングの新しい道を切り開くものです。

Recharging the batteries by wireless energy facilitates the long-term running of the batteries, which will save numerous works of battery maintenance and replacement. Thus, harvesting energy form radio frequency (RF) waves has become the most promising solution for providing the micropower needed for wireless sensor applications, especially in a widely distributed 4G/5G wireless network. However, the current research on rectenna is mainly focused on the integrated antenna coupled with metal-insulator-metal tunneling diodes. Herein, by adopting the plasmon excitation of graphene and quantum tunneling process between graphene and GaAs or GaN, we demonstrated the feasibility of harvesting energy from the 915 MHz wireless source belonging to 5G in the FR1 range (450 MHz-6 GHz) which is also known as sub-6G. The generated current and voltage can be observed continuously, with the direction defined by the built-in field between graphene and GaAs and the incident electromagnetic waves treated as the quantum energy source. Under the RF illumination, the generated current increases rapidly and the value can reach in the order of 10-10 A. The harvester can work under the multiple channel mode, harvesting energy simultaneously from different flows of wireless energy in the air. This research will open a new avenue for wireless harvesting by using the ultrafast process of quantum tunneling and unique physical properties of graphene.

Copyright © 2020 Yangfan Xuan et al.