冉智堯的部落格

博翔科技為專業機械設備歐規/台灣TS標章/美規及半導體設備SEMI S2輔導顧問公司

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內容簡介

詳細資料

利用太赫茲輻射的設備可能會實現為自供電植入物、手機和其他可攜式電子設備供電 太赫茲波在我們的日常生活中無處不在，如果加以利用，它們的能量有可能成為替代能源。比如，想像一下一個手機附件，它可以被動吸收周圍的太赫茲波，並利用它們的能量為手機充電。 ... 圖片：麻省理工學院José-Luis Olivares 任何發出Wi-Fi信號的設備也會發出太赫茲波：一種電磁波，其頻率介於微波和紅外光之間。這些高頻輻射波（稱為「T射線」）也可以由幾乎任何有溫度的東西產生，包括我們自己的身體和我們周圍的無生命物體。 太赫茲波在我們的日常生活中無處不在，如果加以利用，收集它們的能量有可能成為替代能源。比如，想像一下一個手機附件，它可以被動吸收周圍的太赫茲波，並利用它們的能量為手機充電。但是，迄今為止，太赫茲波是浪費的能量，因為還沒有實際的方法來捕獲並將其轉換為任何可用的形式。 現在，麻省理工學院的物理學家們提出了一種設備的設計藍圖，他們相信這種設備能夠將周圍的太赫茲波轉換成直流電，這種直流電可以為許多家用電子設備供電。 他們的設計利用了石墨烯的量子力學或原子行為。他們發現，通過將石墨烯與另一種材料（目前考慮的是氮化硼）結合，石墨烯中的電子將其運動向共同的方向傾斜。像許多微小的空中交通管制員一樣，任何進入的太赫茲波都應推動石墨烯的電子，使其作為直流電沿單一方向流動。 研究人員在《科學進展》雜誌上發表了他們的研究結果，並正在與實驗者合作，將他們的設計變成一種物理設備。 麻省理工學院材料研究實驗室的博士後Hiroki Isobe說：「我們被太赫茲範圍的電磁波所包圍。如果我們能夠將這種能量轉換成可用於日常生活的能源，那將有助於解決我們目前面臨的能源挑戰。」 Isobe的合著者是MIT的Fu Liang、Lawrence C.、副教授Sarah W. Biedenharn和Xu Su yang，前麻省理工學院的博士後，現在是哈佛大學化學系助理教授。 打破石墨烯的對稱性 在過去的十年中，科學家一直在尋找各種方法來收集環境能量並將其轉換為可用電能。他們主要是通過整流器來實現的，整流器是旨在將電磁波從其振蕩（交流）電流轉換為直流電的設備。 大多數整流器設計為使用帶有二極體的電路來轉換諸如無線電波之類的低頻波，以產生可將無線電波作為直流電流引導通過該設備的電場。這些整流器只能在特定頻率下工作，無法適應太赫茲範圍。 一些能夠將太赫茲波轉換為直流電流的實驗技術僅在超冷溫度下才能實現，而這種設置在實際應用中將很難實現。 Isobe並沒有通過在設備中施加外部電場而將電磁波轉換為直流電流，而是想知道是否可以在量子力學水平上材料自身的感應電子朝一個方向流動，從而將進入的太赫茲波轉為直流電流。 為了使材料中的電子流過而不會因材料中的不規則性而分散，這種材料必須非常純凈或沒有雜質。他發現，石墨烯是理想的原料。 為了引導石墨烯的電子朝一個方向流動，他將不得不破壞材料固有的對稱性，也就是物理學家所謂的「反轉」。通常，石墨烯的電子在它們之間受到相等的力，這意味著任何傳入的能量都會使電子對稱地向各個方向散射。Isobe正在尋找一種方法來打破石墨烯的反轉，並響應入射能量誘導電子的不對稱流動。 通過查閱文獻，他發現其他人通過將石墨烯放在氮化硼層上進行了實驗，氮化硼是由兩種原子（硼和氮）構成的類似蜂窩狀晶格。他們發現，在這種排列方式下，石墨烯電子之間的力失衡：靠近硼的電子受到一定的推力，而靠近氮的電子受到不同的拉力。整體效果就是物理學家所說的「偏斜散射」，即電子云沿一個方向偏斜運動。 Isobe進行了系統的理論研究，研究了石墨烯中的電子可能與諸如氮化硼之類的下層基板一起散射的所有方式，以及這種電子散射將如何影響任何傳入的電磁波，特別是在太赫茲頻率範圍內。 他發現電子受到入射的太赫茲波的驅動而向一個方向傾斜，如果石墨烯相對純凈，這種傾斜運動會產生直流電流。如果石墨烯中確實存在太多雜質，它們將成為電子云路徑的障礙，導致這些雲向各個方向散射，而不是作為一個整體移動。 Isobe解釋說：「由於存在許多雜質，這種偏斜運動最終會振蕩，並且任何傳入的太赫茲能量都會通過這種振蕩而損失掉。因此，我們希望純凈的樣本能夠有效地產生偏斜的運動。」 一個方向 他們還發現，傳入的太赫茲能量越強，設備可以轉換成直流電流的能量就越多。這意味著任何轉換T射線的設備還應包括在這些波進入設備之前對其進行聚光的方法。 考慮到所有這些因素，研究人員繪製了太赫茲整流器的藍圖，該整流器由一個小正方形的石墨烯組成，該石墨烯位於氮化硼層上，並夾在天線中，該天線收集並集中環境太赫茲輻射，增強其信號足以將其轉換為直流電流。 Fu說：「除了頻率範圍不同外，這非常類似於太陽能電池，以被動方式收集和轉換環境能量。」 該團隊已為新的「高頻整流」設計申請了專利，研究人員正在與麻省理工學院的實驗物理學家合作，根據他們的設計開發一種物理設備，該設備應該能夠在室溫下工作，而不是超冷環境 - 以前的太赫茲整流器和探測器所需的溫度。 Isobe說：「如果設備在室溫下工作，我們可以在許多可攜式應用中使用它。」 他設想在不久的將來，可以使用太赫茲整流器，例如，以無線方式為患者體內的植入物供電，而無需進行手術來更換植入物的電池。此類設備還可以轉換周圍的Wi-Fi信號，為筆記本電腦和手機等個人電子設備充電。 「我們正在採用一種在原子尺度上具有一定不對稱性的量子材料，這種材料現在可以被利用，這開闢了很多可能性。」 Fu說。 這項研究部分由美國陸軍研究實驗室和美國陸軍研究辦公室通過士兵納米技術研究所（ISN）資助。

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