新研究：在單晶元上集成能量採集與存儲等功能

導讀

據沙特阿卜杜拉國王科技大學官網近日報道，該校研究人員成功地將感知、能量採集、電流整流以及能量存儲功能集成到單顆晶元上。

背景

時下，隨著越來越多的物體實現互聯互通，物聯網的規模正在迅速擴大。然而，未來物聯網的迅速發展，離不開「自供電」的微型感測器。自供電設備能克服傳統電池方案的諸多弊端，例如續航時間短、需要反覆充電等。

自供電、可洗滌的電子織物。（圖片來源：美國化學學會）

自供電的紙基醫療診斷裝置（圖片來源：普渡大學）

利用人體與周圍環境之間的溫度差異來發電的可穿戴熱電發電機。（圖片來源：北卡羅萊納州立大學）

開發自供電的電子系統需要在晶元上集成能量存儲單元，以連接各種各樣的能量採集器。這些能量採集器斷斷續續地採集能量。目前大多數的研究涉及到晶元上的微型電化學超級電容器。

可集成到衣服中的微型超級電容（圖片來源：馬薩諸塞大學安姆斯特分校 / Trisha Andrew）

可是，微型超級電容與能量採集器之間通過龐大的硅基整流器連接，而這些整流器很難集成到晶元上。

創新

近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的研究人員成功地將感知、能量採集、電流整流以及能量存儲功能集成到單顆晶元上。

薄膜晶元的頂部與底部分布著用於能量存儲的微型超級電容。（圖片來源：KAUST）

技術

阿卜杜拉國王科技大學的研究科學家、這項研究的領導作者 Mrinal K. Hota 表示：「之前，研究人員們必須採用龐大的整流器，將斷斷續續採集到的電能轉化為穩定的直流電，存儲在微型電化學超級電容中。」

Hota 解釋道，將所有這些器件集成到單顆晶元中的關鍵在於，將二氧化釕（RuO2）開發成為普通的電極材料，在微電路中連接所有器件。

二氧化釕觸點分布在玻璃或者硅基底上，將用於感知、能量採集與電流整流的電子器件與一個或者更多的用於存儲電能的微型電化學超級電容器連接到一起。這樣就創造出一個無需電池供電來運作的微型系統。取而代之的是，它採用身體運動或者機械振動作為可靠且持續的能量來源。

Hota 指出：「不同於電池，微型電化學超級電容可以持續達幾十萬次循環，而電池只有幾千次。」此外，微型電化學超級電容也能以給定的容量輸出明顯高很多的功率。

創造適合連接所有這些器件的電極材料的關鍵在於，製造出具有可控的粗糙度、缺陷和導電性的最佳二氧化釕表面。這些特性使得團隊將 RuO2 用於電子器件與微型電化學超級電容器。

另一項關鍵的創新就是使用了一種凝膠。在應用之後，它凝固到超級電容器的電解質中。這種材料能以離子的形式傳輸電荷。固化的凝膠可用於防止任何針對整流器以及薄膜晶體管的傷害。

價值

團隊設想了一系列的應用，從監測直接來自人體的個人健康指標到環境與工業感測。項目領頭人 Husam Alshareef 表示：「我們的成果簡化了器件的製造，並實現了自供電感測器設備的顯著小型化。」

未來

目前，研究人員計劃繼續進一步優化 RuO2 電極，探索將許多不同類型的感測器連接到晶元中。他們也想為設備添加無線通信功能。這將使得生物感測器和環境感測器可以遠程發送數據至任何無線接收器，包括手機和個人電腦。

關鍵字

自供電、物聯網、超級電容、感測器

參考資料

【1】https://discovery.kaust.edu.sa/en/article/849/single-electrode-material-streamlines-functions-into-a-tiny-chip%C2%A0

【2】Hota, M. K., Jiang, Q., Wang, Z., Wang, Z. L., Salama, K. N. & Alshareef, H. N. Integration of electrochemical micro-supercapacitors with thin-film electronics for on-chip energy storage. Advanced Materials 31, 1807450 (2019).| https://doi.org/10.1002/adma.201807450

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