Revision: Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting

 ectenna atómicamente delgada y flexible basada en una heterojunción semiconductora de MoS₂ con fase metálica y una frecuencia de corte de 10 gigahercios. 

aún falta una solución de recolección de energía eficiente, flexible y siempre activa, indispensable para los sistemas autoalimentados. 

La radiación electromagnética de los sistemas Wi-Fi que funcionan a 2,4 y 5,9 gigahertz se está volviendo cada vez más omnipresente y sería ideal para recolectarla y alimentar la electrónica distribuida futura. 

demostramos una rectenna atómicamente delgada y flexible basada en una heterojunción semiconductora de MoS₂ con fase metálica y una frecuencia de corte de 10 gigahercios.

 mejora en la velocidad de aproximadamente un orden de magnitud en comparación con los rectificadores flexibles de vanguardia actuales9–12. 

Este rectificador flexible basado en MoS₂ opera hasta la banda X8 (de 8 a 12 gigahercios) y cubre la mayor parte de la banda de radio industrial, científica y médica sin licencia, incluyendo los canales Wi-Fi.

 Al integrar el rectificador ultrarrápido de MoS₂ con una antena flexible para la banda Wi-Fi, fabricamos una rectenna totalmente flexible e integrada que logra la recolección inalámbrica de energía de la radiación electromagnética en la banda Wi-Fi con polarización externa cero (sin batería). 

Además, nuestro rectificador de MoS₂ actúa como un mezclador flexible, logrando la conversión de frecuencia por encima de los 10 gigahercios.  

de RF. La antena receptora de banda Wi-Fi se diseñó con el software CST Microwave Studio. La antena flexible se fabricó mediante evaporación por haz de electrones de 5 nm de Ti y 70 nm de Au sobre una película delgada de Kapton de 50,8 μm de espesor. El proceso de integración se ilustra en las figuras 6a y 6b de Datos Extendidos. La simulación electromagnética y las mediciones de pérdida de retorno de la antena flexible se muestran en las figuras 6c y 6d de Datos Extendidos. Su frecuencia central es de aproximadament

imadamente 10 kΩ. La potencia de entrada disponible para la rectenna de MoS fue de aproximadamente 3 dBm (aproximadamente 2 mW). La distancia entre nuestra rectenna flexible y una antena comercial de banda Wi-Fi (PCB Yagi; ganancia de 2 dBi [decibeles relativos a isótropo]), alimentada por un generador de señales (onda continua), fue de aproximadamente 2.5 cm

 sabemos, el primer rectificador flexible con una frecuencia de corte en la banda X, y cubre completamente la banda de posicionamiento global por satélite (1,58 GHz y 1,22 GHz), la banda de evolución a largo plazo de las comunicaciones celulares de cuarta generación (4G) (1,7 GHz y 1,9 GHz), Bluetooth (2,4 GHz), los canales WiFi (2,4 GHz y 5,9 GHz)8 e incluso el sistema de radio de próxima generación (5G) . Además, con una capacidad de respuesta de corriente intrínseca de hasta 4

teorias

diodos Schottky

Elementos utilizados:

1. Material principal: MoS₂

   • MoS₂ en fases semiconductora (2H) y metálica (1T/1T′).

   • Exfoliación del MoS₂ a partir de cristales a granel.

   • Conversión de la fase del MoS₂ de 2H a 1T/1T′ mediante tratamiento con n-butyllithium.

2. Sustrato:

   • Película flexible de Kapton (poliimida) de 50.8 μm de grosor.

3. Contacto Schottky:

   • Palladium (Pd) de 50 nm para formar el contacto Schottky con la fase semiconductora del MoS₂.

4. Contacto Ohmico:

   • Oro (Au) de 50 nm para formar un contacto Ohmico con la fase 1T/1T′ del MoS₂.

5. Antena receptora:

   • Fabricada con 5 nm Ti y 70 nm Au en película de Kapton, con un diseño para la banda Wi-Fi de 5.9 GHz.

6. Electrónica de medición y pruebas:

   • Generador de señales Keysight N5183A para transmitir señales RF.

   • Osciloscopio Keysight DSO6054A para medir el voltaje de salida rectificado.

   • Analizador vectorial de redes Keysight N5230A para medición de parámetros S.

   • Resistencia de carga de 10 kΩ conectada en paralelo con el osciloscopio para mediciones.

Parámetros técnicos clave:

1. Frecuencia de corte (fc):

   • 10 GHz para la rectificación en la banda X (8-12 GHz).

2. Eficiencia de conversión RF–DC:

   • Para una señal de entrada de 2.4 GHz, la eficiencia de conversión de potencia RF a DC es del 10% al 40%, con un máximo de 40.1% a una potencia de entrada de −0.7 dBm.

3. Resistencia de serie (Rs) y resistencia de unión (Rj):

   • Se obtienen a partir de mediciones de parámetros S, con valores que permiten una eficiente operación a alta frecuencia.

4. Capacitancia de la unión (Cj):

   • Se encuentra en el régimen de sub-10 fF, lo que es significativamente más bajo que los rectificadores flexibles de estado del arte.

5. Configuración de medición:

   • G–S–G (Ground-Signal-Ground) para medición de parámetros S en alta frecuencia.

Funcionamiento de la rectenna:

• Rectificación de señales en la banda Wi-Fi (2.4 GHz y 5.9 GHz) sin necesidad de alimentación externa (batería).

• Corriente responsiva de hasta 4.7 A/W a cero sesgo.

• Corriente continua (DC) generada por la rectificación de la señal de RF recogida por la antena flexible.

🧪 1. Fabricación de la Rectenna

a. Exfoliación del MoS₂

• Se usa MoS₂ en pocas capas (few-layer) obtenido por exfoliación mecánica de cristales a granel.

• Este material se coloca sobre un sustrato flexible: película de poliimida Kapton de 50.8 μm.

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b. Litografía y contacto Schottky

• Se usa litografía por haz de electrones (EBL) con PMMA como resina.

• Para evitar efectos de carga sobre el sustrato aislante, se usa una capa conductora llamada Espacer, que se retira luego con agua.

• Se deposita una capa de paladio (Pd) de 50 nm mediante evaporación por haz de electrones para crear un contacto Schottky con el MoS₂ semiconductivo (fase 2H).

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c. Conversión de fase (2H → 1T/1T′)

• Después del contacto Schottky, se convierte parte del MoS₂ a fase metálica mediante inmersión en n-butil-litio (1.6 M) por 10 minutos en atmósfera de nitrógeno.

• La conversión crea una unión semiconductora-metálica (2H–1T/1T′).

• El Pd sirve como máscara para proteger la zona semiconductora durante esta fase.

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d. Contacto Ohmico y línea de transmisión

• Se realiza una segunda litografía EBL para definir el contacto Ohmico.

• Se deposita oro (Au) de 50 nm como contacto con la región metálica de MoS₂.

• Se crea una estructura de línea de transmisión coplanar (G–S–G) con 5 nm de Ti y 50 nm de Au para mediciones de alta frecuencia.

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📡 2. Antena receptora

• Se diseña una antena flexible para la banda Wi-Fi (~5.9 GHz) en CST Microwave Studio.

• Se fabrica también sobre Kapton con una capa metálica de 5 nm Ti / 70 nm Au.

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🔗 3. Integración rectenna

• Se conectan eléctricamente las terminales del diodo de MoS₂ a las líneas de transmisión de la antena.

• La geometría evita cortocircuitos (diseño G de 170 μm, mayor separación de la antena: 250 μm).

• Se mide el voltaje rectificado (Vout) usando un osciloscopio con resistencia de carga de 10 kΩ.

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📏 4. Medición de parámetros S y modelado

a. Medición S-parameters

• Se usa un analizador vectorial de redes (VNA) para medir S11, S21, S12, S22 entre 100 MHz y 20 GHz.

• Esto permite analizar la reflexión, inserción, aislamiento y adaptación de impedancias del diodo MoS₂.

b. Modelado de circuito equivalente

• El diodo se modela con:

  • Rs: resistencia en serie (contacto Ohmico + región neutra).

  • Rj: resistencia de la unión Schottky (no lineal y dependiente del bias).

  • Cj: capacitancia de la unión (también dependiente del bias).

  • Cf y Cp: capacitancias parásitas externas.

• Se usa ADS de Keysight para ajustar el modelo.

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⚡ 5. Eficiencia de conversión RF–DC

• Se mide la eficiencia de conversión usando un generador de señal Wi-Fi (2.4 GHz).

• La eficiencia va de 10% a 40%, con un máximo del 40.1% a −0.7 dBm de entrada.

• Se demostró una salida de hasta 48.4 μW con una señal Wi-Fi a 1 metro de distancia (~−8 dBm).

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📈 6. Teoría de rectificación no lineal

• Se basa en la característica I–V no lineal del diodo Schottky:
  $I(V) = I_s (e^{\alpha V} - 1)$

• A partir de la expansión en serie de Taylor, se demuestra cómo el diodo genera una componente DC a partir de una señal AC.

• Se calcula la responsividad intrínseca y la eficiencia de rectificación.

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🔻 7. Análisis de frecuencia de corte (fc)

• La frecuencia de corte se define donde la potencia útil (consumida por Rj) cae a la mitad (−3 dB).

• Se obtiene mediante:

  $$f_c = \frac{1}{2\pi R_j C_j \sqrt{1 + \frac{R_s}{R_j}}}$$

• Gracias al diseño lateral del diodo, se logra una capacitancia ultra baja (≈ 40 fF) → alto rendimiento a frecuencias alta