2024年3月18日发(作者：错绿夏)
科技｜创新
全新2D材料转化Wi-Fi 信号
为手机充电
目前，大多数的无线充电技术主要集中在智能电话、电脑、智能厨房和汽车等一系列设
备的应用中。试想一下，当我们手边的智能电话、笔记本电脑、可穿戴设备以及其他电子设
备不再需要电池充电，将会是多么便捷的生活
文/ Rob Matheson 译/李雨蒙
无
线充电出现在19世纪初，当时的技术大多只是
在两个电路、发射机和接收机之间建立磁场，
电。 除此之外，柔性设备可以通过“卷式”制备过
程覆盖更大的射频范围。如果我们能在桥上、整个高
速公路亦或是办公室墙上覆盖这种电子系统是否能够
为我们周围的一切电子设备传输电子信号呢？麻省理
工的这项研究正是为未来的电力系统提供了一次全新
的充电方式。“通过收获Wi-Fi能量，在大部分区域
都可以轻松整合电能，为我们身边的智能设备提供动
力。”麻省理工微系统技术实验室石墨烯设备与2D系
统负责人Tomás Palacios教授说到。
进而传输电能。百年内，除了类似电动牙刷的应用
外，这项技术并没有太大的发展。目前，大多数的无
线充电技术主要集中在智能电话、电脑、智能厨房和
汽车等一系列设备的应用中。试想一下， 当我们手边
的智能电话、笔记本电脑、可穿戴设备以及其他电子
设备不再需要电池充电，将会是多么便捷的生活。
近日，麻省理工学院的一项发明使这一目标又向
前迈近了一步，这是第一个能够将Wi-Fi信号中的能
量转化为电能的完全柔性设备，是将交流电磁波转化
为“整流天线”直流电的设备。这一研究成果发布在
最新一期的《自然》杂志上。
应用范围
整流天线的早期应用包括为可折叠、可穿戴的电
子设备、医疗器械以及物联网的感应装置充电，比如
最近大热的可折叠智能电话，这是目前全球科技巨头
纷纷抢占的市场。实验中，当研究人员的设备接入普
通的Wi-Fi信号时，能够产生40微瓦的能量，这些电
能足够点亮一盏LED灯或是驱动芯片。
除了可以利用Wi-Fi之外，研究人员表示我们身
边的4G、蓝牙等射频信号都可以加以利用，转化为电
能。这一研究的主要负责人麻省理工学院教授Tomás
Palacios称，这一技术突破为今后从环境中收集能源奠
定了基础，他认为，“当你拥有这样的能量收集设备
技术原理
这里的整流天线采用了柔性射频（RF）天线，以
交流变化的波形捕获电磁波。进而，天线被接入仅有
几个原子厚的2D半导体制成的新设备中。交流信号输
入半导体中，被半导体转化为直流电压，而直流电压
可用于电源电路供电或为电池充电。
通过这种方式，无电池设备被动地捕获和转化无
处不在的Wi-Fi信号，并将它们转换成为有用的直流
74
中国民商
2019年第03期／总第75期
时，一周7天，可以每天都在收集能量，储备起来为日
后使用。”据研究人员介绍，这一技术可能在5-7年
内进入实际应用。
而这项技术的另一种应用是为植入式医疗设备的
信息交流提供电能，论文的合作作者马德里科技大学
的研究人员Jesús Grajal表示：“研究人员正在研制一
种特制药丸，当患者吞下后，身体的健康信息就可以
同时传回电脑用于诊断治疗。在理想状态下，人们不
会想到用电池运行驱动这些系统，因为一旦锂电池泄
漏 患者的生命将会受到威胁。”他认为最好的方法就
是从外界环境获取电能驱动这些体内的装置，并且与
外部的电脑互通信息。
所有的整流天线都要依赖于一个关键部件——
整流器，它将交流电输入信号转化为直流电，并且使
用硅或砷化镓的太阳电池能够覆盖大部分的Wi-Fi 信
号波段。可是，当这些材料制成小型设备也许并不昂
贵， 可是当这些材料应用到大型建筑或墙面时，其成
本就会大幅度增加。
研究人员正在努力解决这个问题。不过目前市
场上的一些柔性整流天线还处于低频段位运转，无法
捕获和转换千兆赫下的电子信号，而大部分的手机和
Wi-Fi信号都处在这一频率中。
为建成整流器，MIT的研究人员运用了一种称为
二硫化钼(MoS
2
)的新型2D材料，它仅有3个原子厚是
目前世界上最薄的半导体之一。研究团队利用二硫化
钼单一的特性，当连入特定化学成分时，材料的原子
就会像交换机一样重新排列，使半导体内相变向金属
材料转化，最后所得的结构是一种半导体与金属结合
的肖特基二极管。
从外观来看，这一柔性设备与石墨烯的薄度相
似，在二硫化钼中，两层硫原子把一层钼原子像“三
明治”一样夹在中间。二硫化钼的电子迁移速率大
约是100cm
2
/vs（即每平方厘米每伏秒通过100个电
子），远低于晶体硅的电子迁移速率1400 cm
2
/vs，
但是比非晶硅和其他超薄半导体的迁移速度更快。另
外，二硫化钼还具有储量丰富、价格低廉、制作容
易、无毒性等特点，所以许多科学家都认为二硫化钼
的应用前景十分广阔。
寄生电容
对于将二硫化钼材料融入2D半导体金属变相中，
论文第一作者Xu zhang表示：“我们建立了一个原子级
薄的超快肖特基二极管， 能够最小化串联电阻和寄生
电容。寄生电容是电路中一个无法避免的情况，当特定
材料储备一个小电荷时，自然就会降低电路的速度。因
此，越低的电容就意味着增强的整流器速度和更高的运
作频率。肖特基二极管的寄生电容是数量级小于最先进
柔性整流器的设备，所以它具备极快的信号转化能力，
并且能够获取和转化1万兆赫的无线信号。”如此设计
使得柔性设备能够快速覆盖大部分我们日常所用电子设
备的射频波段，包括Wi-Fi 蓝牙、移动电话等。
这份论文也为其他柔性Wi-Fi连接的电子设备提供
了设计蓝图，明确了输出功率和效能。对于目前的射频
波段，其最大输出效率约为40%。对于普通的Wi-Fi电
能，二硫化钼整流器的效率在30%左右。目前成本较高
的硅或砷化镓整流天线的效能可以达到50%-60%。
哈佛大学应用物理学教授Philip Kim表示：“我非
常惊讶于这一科技创新，首次开发出柔性原子级薄半
导体整流天线用以收集电能。他们的研究集中在2D材
料方面，是利用生活中交流电的盈余能量为周围的电
子设备充电。” 此次论文中的15篇文章是由马德里科
技大学、麻省理工大学、 陆军研究实验室以及波士顿
大学等多所研究机构的作者共同完成的。目前，研究
团队正在计划建立更加复杂的系统并提升运行效率，
由马德里科技大学与麻省理工国际科技计划、空军科
学研究办公室等机构联合执行。
编译自《麻省理工科技评论》
（责任编辑 姜懿翀）
75
2024年3月18日发(作者：错绿夏)
科技｜创新
全新2D材料转化Wi-Fi 信号
为手机充电
目前，大多数的无线充电技术主要集中在智能电话、电脑、智能厨房和汽车等一系列设
备的应用中。试想一下，当我们手边的智能电话、笔记本电脑、可穿戴设备以及其他电子设
备不再需要电池充电，将会是多么便捷的生活
文/ Rob Matheson 译/李雨蒙
无
线充电出现在19世纪初，当时的技术大多只是
在两个电路、发射机和接收机之间建立磁场，
电。 除此之外，柔性设备可以通过“卷式”制备过
程覆盖更大的射频范围。如果我们能在桥上、整个高
速公路亦或是办公室墙上覆盖这种电子系统是否能够
为我们周围的一切电子设备传输电子信号呢？麻省理
工的这项研究正是为未来的电力系统提供了一次全新
的充电方式。“通过收获Wi-Fi能量，在大部分区域
都可以轻松整合电能，为我们身边的智能设备提供动
力。”麻省理工微系统技术实验室石墨烯设备与2D系
统负责人Tomás Palacios教授说到。
进而传输电能。百年内，除了类似电动牙刷的应用
外，这项技术并没有太大的发展。目前，大多数的无
线充电技术主要集中在智能电话、电脑、智能厨房和
汽车等一系列设备的应用中。试想一下， 当我们手边
的智能电话、笔记本电脑、可穿戴设备以及其他电子
设备不再需要电池充电，将会是多么便捷的生活。
近日，麻省理工学院的一项发明使这一目标又向
前迈近了一步，这是第一个能够将Wi-Fi信号中的能
量转化为电能的完全柔性设备，是将交流电磁波转化
为“整流天线”直流电的设备。这一研究成果发布在
最新一期的《自然》杂志上。
应用范围
整流天线的早期应用包括为可折叠、可穿戴的电
子设备、医疗器械以及物联网的感应装置充电，比如
最近大热的可折叠智能电话，这是目前全球科技巨头
纷纷抢占的市场。实验中，当研究人员的设备接入普
通的Wi-Fi信号时，能够产生40微瓦的能量，这些电
能足够点亮一盏LED灯或是驱动芯片。
除了可以利用Wi-Fi之外，研究人员表示我们身
边的4G、蓝牙等射频信号都可以加以利用，转化为电
能。这一研究的主要负责人麻省理工学院教授Tomás
Palacios称，这一技术突破为今后从环境中收集能源奠
定了基础，他认为，“当你拥有这样的能量收集设备
技术原理
这里的整流天线采用了柔性射频（RF）天线，以
交流变化的波形捕获电磁波。进而，天线被接入仅有
几个原子厚的2D半导体制成的新设备中。交流信号输
入半导体中，被半导体转化为直流电压，而直流电压
可用于电源电路供电或为电池充电。
通过这种方式，无电池设备被动地捕获和转化无
处不在的Wi-Fi信号，并将它们转换成为有用的直流
74
中国民商
2019年第03期／总第75期
时，一周7天，可以每天都在收集能量，储备起来为日
后使用。”据研究人员介绍，这一技术可能在5-7年
内进入实际应用。
而这项技术的另一种应用是为植入式医疗设备的
信息交流提供电能，论文的合作作者马德里科技大学
的研究人员Jesús Grajal表示：“研究人员正在研制一
种特制药丸，当患者吞下后，身体的健康信息就可以
同时传回电脑用于诊断治疗。在理想状态下，人们不
会想到用电池运行驱动这些系统，因为一旦锂电池泄
漏 患者的生命将会受到威胁。”他认为最好的方法就
是从外界环境获取电能驱动这些体内的装置，并且与
外部的电脑互通信息。
所有的整流天线都要依赖于一个关键部件——
整流器，它将交流电输入信号转化为直流电，并且使
用硅或砷化镓的太阳电池能够覆盖大部分的Wi-Fi 信
号波段。可是，当这些材料制成小型设备也许并不昂
贵， 可是当这些材料应用到大型建筑或墙面时，其成
本就会大幅度增加。
研究人员正在努力解决这个问题。不过目前市
场上的一些柔性整流天线还处于低频段位运转，无法
捕获和转换千兆赫下的电子信号，而大部分的手机和
Wi-Fi信号都处在这一频率中。
为建成整流器，MIT的研究人员运用了一种称为
二硫化钼(MoS
2
)的新型2D材料，它仅有3个原子厚是
目前世界上最薄的半导体之一。研究团队利用二硫化
钼单一的特性，当连入特定化学成分时，材料的原子
就会像交换机一样重新排列，使半导体内相变向金属
材料转化，最后所得的结构是一种半导体与金属结合
的肖特基二极管。
从外观来看，这一柔性设备与石墨烯的薄度相
似，在二硫化钼中，两层硫原子把一层钼原子像“三
明治”一样夹在中间。二硫化钼的电子迁移速率大
约是100cm
2
/vs（即每平方厘米每伏秒通过100个电
子），远低于晶体硅的电子迁移速率1400 cm
2
/vs，
但是比非晶硅和其他超薄半导体的迁移速度更快。另
外，二硫化钼还具有储量丰富、价格低廉、制作容
易、无毒性等特点，所以许多科学家都认为二硫化钼
的应用前景十分广阔。
寄生电容
对于将二硫化钼材料融入2D半导体金属变相中，
论文第一作者Xu zhang表示：“我们建立了一个原子级
薄的超快肖特基二极管， 能够最小化串联电阻和寄生
电容。寄生电容是电路中一个无法避免的情况，当特定
材料储备一个小电荷时，自然就会降低电路的速度。因
此，越低的电容就意味着增强的整流器速度和更高的运
作频率。肖特基二极管的寄生电容是数量级小于最先进
柔性整流器的设备，所以它具备极快的信号转化能力，
并且能够获取和转化1万兆赫的无线信号。”如此设计
使得柔性设备能够快速覆盖大部分我们日常所用电子设
备的射频波段，包括Wi-Fi 蓝牙、移动电话等。
这份论文也为其他柔性Wi-Fi连接的电子设备提供
了设计蓝图，明确了输出功率和效能。对于目前的射频
波段，其最大输出效率约为40%。对于普通的Wi-Fi电
能，二硫化钼整流器的效率在30%左右。目前成本较高
的硅或砷化镓整流天线的效能可以达到50%-60%。
哈佛大学应用物理学教授Philip Kim表示：“我非
常惊讶于这一科技创新，首次开发出柔性原子级薄半
导体整流天线用以收集电能。他们的研究集中在2D材
料方面，是利用生活中交流电的盈余能量为周围的电
子设备充电。” 此次论文中的15篇文章是由马德里科
技大学、麻省理工大学、 陆军研究实验室以及波士顿
大学等多所研究机构的作者共同完成的。目前，研究
团队正在计划建立更加复杂的系统并提升运行效率，
由马德里科技大学与麻省理工国际科技计划、空军科
学研究办公室等机构联合执行。
编译自《麻省理工科技评论》
（责任编辑 姜懿翀）
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