【摘 要】
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物联网的普及带动了传感器、可穿戴设备等领域的快速发展,其对能源的需求和适用场景的要求在不断提升,不受环境限制获取原位能源的新型能量收集技术也受到了广泛的研究,而射频能量和机械能都是丰富的原位能量来源。现今社会4G/5G网络越来越广泛地部署在室内和室外环境中,提供丰富、开放的射频能量来源。本文设计了一种基于石墨烯/半导体异质结构的无线发电机,通过石墨烯的等离子体激发和其与半导体之间的量子隧穿过程将射
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物联网的普及带动了传感器、可穿戴设备等领域的快速发展,其对能源的需求和适用场景的要求在不断提升,不受环境限制获取原位能源的新型能量收集技术也受到了广泛的研究,而射频能量和机械能都是丰富的原位能量来源。现今社会4G/5G网络越来越广泛地部署在室内和室外环境中,提供丰富、开放的射频能量来源。本文设计了一种基于石墨烯/半导体异质结构的无线发电机,通过石墨烯的等离子体激发和其与半导体之间的量子隧穿过程将射频能量转换为直流电能输出,展示了从915 MHz（归属于5G波段）无线源中收集能量的可行性。此无线发电机可以收集环境中冗余的无线信号,实现对物联网传感器等电子元件的原位供电,为5G时代的原位能源获取提供了一种新的思路,有望实现信能一体化。除了无线能量之外,环境中广泛存在的机械能也是潜在的能量来源,此前已有研究利用动态半导体二极管发电机来将机械能直接转化为直流电能。而随着能源供应对于应用场景多样化的需求,动态半导体二极管发电机也需要拓展其在各种极端环境下高效、稳定的供电应用。例如在南北极,甚至是月球、火星等超低温场景的探索中,原位能源的回收利用是高效探索未知领域的必要保证。本文利用半导体在低温下载流子迁移率提升的特性,结合动态二极管特有的界面反弹动力学过程,发现了动态二极管发电机在低温下输出电能提升的特性,为一些极寒地区的发电开辟了新的道路,进一步拓展了实际应用场景。本文的具体工作内容如下:（1）提出基于石墨烯/Ga As异质结构的无线发电机,基于石墨烯的等离子体激发以及石墨烯和Ga As之间的量子隧道过程,可以有效收集915MHz射频源的无线能量,产生的电压可达到0.34 m V,电流可达到10-8-10-7 A。（2）提出在石墨烯/半导体异质结构之间插入氧化铝、氮化铝等绝缘层,通过阻碍载流子复合,可以使无线发电机的输出电能大大增加,输出电压可达1.5 m V。（3）研究基于Cu/Si异质结构的动态肖特基二极管发电机在低温下的发电增强效应,在300K室温下输出电压0.76 V和电流4.86μA,而在77K低温下,输出电压和电流分别提升至1.21 V和11.38μA。（4）提出当动态肖特基二极管发电机处于低温环境时,载流子的迁移率增加,伴随着更少的散射和复合,更多的反弹载流子更快地到达表面,从而使输出电能得到提升。并在实验中采用更高电阻率的硅衬底,提高载流子迁移率,验证提出的理论。（5）研究动态肖特基二极管在低温下的电能输出提升效应扩展到基于其他结构的动态二极管发电机。如基于石墨烯/Si异质结构的动态肖特基二极管发电机和基于P型硅/N型硅异质结构的动态PN二极管发电机,在低温环境下输出电压和电流也能得到提升,进一步完善动态二极管发电机在低温下的应用,为人类开发包括南/北极、太空等极端低温环境提供了一种高效供能方案。
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