Figure 1. Schéma d'ensemble de la production d'électricité à l'aide d'ondes radio ambiantes. Crédit :Fujitsu
L'Agence japonaise pour la science et la technologie (JST), Fujitsu Limitée, et l'Université métropolitaine de Tokyo a annoncé qu'ils ont développé un élément de redressement très sensible sous la forme d'une diode arrière à nanofils, qui peut convertir les micro-ondes de faible puissance en électricité. Grâce aux programmes stratégiques de recherche fondamentale de JST, la technologie a été développée par des chercheurs dirigés par Kenichi Kawaguchi de Fujitsu Limited et le professeur Michihiko Suhara de l'Université métropolitaine de Tokyo. La nouvelle technologie devrait jouer un rôle dans la récupération de l'énergie des ondes radio dans l'environnement, dans lequel l'électricité est générée à partir d'ondes radio ambiantes, tels que ceux émis par les stations de base de téléphonie mobile.
Contexte et circonstances de la recherche
En vue du début de la véritable ère de l'IoT, technologies de récupération d'énergie, qui transforment les infimes sources d'énergie du milieu environnant en électricité, ont été mis à l'honneur ces dernières années comme moyen de créer des réseaux de capteurs fonctionnant sans piles. Un tel exemple réutilise comme électricité des ondes radio de faible puissance (micro-ondes), omniprésent en open space, émis par les stations de base de téléphonie mobile, pour une utilisation dans les communications. L'équipement utilisé pour produire de l'électricité à partir des ondes radio ambiantes se compose d'un élément de production d'énergie par ondes radio, qui comprend une antenne pour collecter les ondes radio et un élément redresseur (diode) qui redresse les ondes radio (figure 1).
La réactivité (sensibilité) d'une diode aux micro-ondes dépend largement de la pente des caractéristiques de redressement et de la taille de la diode (capacité). Généralement, diodes à barrière Schottky, qui utilisent le redressement se produisant à la jonction formée entre un métal et un semi-conducteur, sont utilisés comme diodes pour la conversion de puissance. En raison des caractéristiques de redressement devenant lentes à des tensions extrêmement basses et de la taille des éléments supérieure à plusieurs micromètres (μm), cependant, la sensibilité aux micro-ondes de faible puissance plus faible que les microwatts (μW) était insuffisante, et il était difficile de convertir les ondes radio ambiantes en électricité. Cela a conduit à une demande de diodes avec une sensibilité accrue.
Figure 2. Caractéristiques de rectification d'une diode barrière Schottky et d'une diode arrière. Crédit :Fujitsu
Détails de la recherche
Les chercheurs ont effectué un développement pour créer une diode avec une sensibilité plus élevée. Spécifiquement, ils ont réduit la capacité et miniaturisé une diode arrière capable d'opérations de redressement abruptes avec une polarisation nulle, car la rectification se produit en joignant deux types différents de semi-conducteurs et de flux de courant avec un principe (effet tunnel) différent de celui des diodes à barrière Schottky conventionnelles.
Les diodes arrière classiques ont été formées en traitant le film mince d'un semi-conducteur composé en couches en une forme de disque par gravure. Néanmoins, parce que les matériaux sont sujets aux dommages lors du traitement, il était difficile de traiter finement des diodes à une taille submicronique et de les faire fonctionner.
En ajustant le rapport (composition) des éléments constitutifs des matériaux semi-conducteurs connectés et, à un niveau infime, la densité des impuretés ajoutées, les chercheurs ont réussi à faire croître des cristaux dans des nanocristaux d'un diamètre de 150 nm composés d'arséniure d'indium de type n (n-InAs) et d'antimoniure d'arséniure de gallium de type p (p-GaAsSb) pour une structure de jonction tunnel nécessaire aux caractéristiques de la diode arrière .
Figure 3. Coupe transversale de la diode nanofil arrière et des cristaux nanofil. Crédit :Fujitsu
De plus, dans le procédé d'implantation de matériau isolant autour du nanofil et le procédé de formation d'un film d'électrode avec du métal aux deux extrémités du fil, une nouvelle technologie a été utilisée pour le montage qui n'endommage pas le nanofil. Par conséquent, ils ont pu former une diode de taille submicronique, ce qui était difficile à faire avec la technologie de processus de miniaturisation classique pour les semi-conducteurs composés, et ainsi réussi, pour la première fois, en développant une diode nanofil arrière avec une sensibilité plus de 10 fois supérieure à celle d'une diode à barrière Schottky conventionnelle (figure 2).
En testant la nouvelle technologie dans la fréquence micro-ondes de 2,4 GHz, qui est actuellement utilisé dans les normes de ligne de communication 4G LTE et Wi-Fi pour les téléphones mobiles, la sensibilité était de 700kV/W, environ 11 fois celle de la diode barrière Schottky conventionnelle (avec une sensibilité de 60KV/W) (figure 3). Par conséquent, la technologie peut convertir efficacement les ondes radio de faible puissance de classe 100 nW en électricité, permettant la conversion des micro-ondes émises dans l'environnement par les stations de base de téléphonie mobile dans une zone plus de 10 fois supérieure à ce qui était possible auparavant (correspondant à 10 % de la zone dans laquelle les communications par téléphone mobile sont possibles). Cela a conduit à s'attendre à ce qu'il puisse être utilisé comme source d'alimentation pour les capteurs.
Avec cette technologie, les micro-ondes d'une puissance de 100 nanowatts (nW) peuvent être converties en électricité. Aller de l'avant, comme le groupe de recherche optimise la conception de la diode et de l'antenne de collecte d'ondes radio tout en ajoutant un contrôle de puissance pour une tension constante, il y a de grandes attentes pour la réalisation de la récupération d'énergie à partir des ondes radio environnementales.
