【研究背景】

射频能量收集是未来电子设备发展的一大趋势。无线传感器网络在健康监测、环境监测以及物联网（IoT）中发挥着重要作用，它们的电力供应通常依赖于电池，然而这限制了设备的使用寿命和维护成本。射频能量收集技术利用环境中存在的射频信号，将其转换为直流电源，从而实现了无线设备的长时间运行和维护。这种技术相比传统的太阳能、振动能等能源收集方式，具有全天候可用、易于获取等优势，此在小型无线传感器网络中得到了广泛应用。

在射频能量收集领域，基于磁隧道结（MTJ）的自旋整流器（SRs）技术由于其高灵敏度和较宽的工作频带而备受关注。然而，现有技术在低功率环境下的转换效率仍然有限。近年来，通过优化设备的内在特性，如垂直各向异性和磁化进动特性，并结合电压控制的磁各向异性（VCMA）驱动的自参量效应，研究人员成功地提高了自旋整流器的灵敏度和效率。该技术的发展不仅增强了在低射频功率下的能量收集能力，还使得无需外部天线的应用成为可能，进一步推动了该领域的应用前景。

【技术难点】

传统的射频（RF）能量收集技术一般使用肖特基二极管、晶体管和互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，这使得大部分射频能量收集产品在低功率环境下仍存在转换效率低和能量损失等不足。自旋整流器（SRs）是这个领域的发展方向，它们能够在低功率环境下有效地转换射频信号为直流电能，如果能进一步提升其效率和灵敏度，将极大地降低射频能量收集的功耗和成本，并提高系统的可靠性。然而，SRs 面临的主要技术难点是其低的直流转换效率和有限的工作频段。

目前，学界和业界近年来主要提出了几种方案以解决这些难点。一种方案是改进自旋整流器的设计，例如，通过优化磁隧道结（MTJ）的结构和材料，以提高其灵敏度和效率。另一种方案是利用电压控制的磁各向异性（VCMA）驱动的自参量激发，以扩大整流响应的带宽。这些方案的优势在于能够在低功率环境下提高系统性能，并且能够在不需要外部天线或匹配设置的情况下进行有效的能量收集。然而，缺点是这些技术在实际应用中仍需克服高频寄生阻抗和设备规模化生产的挑战。

【研究内容】

近日，新加坡国立大学Hyunsoo Yang教授团队在“Nature Electronics”期刊上发表了题为“Nanoscale spin rectifiers for harvesting ambient radiofrequency energy”的研究论文。他们利用自旋整流器（SRs）实现了射频能量的高效收集，并展示了在弱且嘈杂的环境中，SR rectenna 具有约 10,000 mV mW−1 的高灵敏度。

这项研究的关键在于通过优化 SR 的内部特性，包括垂直各向异性、设备几何形状和极化层的偶极场，提升了低输入功率下的磁化进动角度。同时，通过改进的电压控制磁各向异性（VCMA）效应和外部匹配设置，进一步增强了灵敏度并减少了输入功率损失。

值得注意的是，在 SR 阵列的应用中，研究团队观察到 VCMA 驱动的自参量效应显著提高了灵敏度和检测带宽，且无需额外的天线即可在 -27 dBm 的低射频功率下为商业传感器供电。该团队的 SRs 具备紧凑、免受寄生效应影响、易于集成、可扩展以及在环境条件下高效的特点。

【科学亮点】

1.本文首次展示了一种高灵敏度的自旋整流器（SR），该装置能够在 -62 dBm 的射频功率下收集射频能量。这种 SR rectenna 在弱且嘈杂的环境中表现出色，具有约 10,000 mV mW−1 的高灵敏度。

2. 研究通过优化 SR 的设备特性，包括垂直各向异性、设备几何形状以及极化层的偶极场，成功地实现了低输入功率下的大角度磁化进动。这些因素在定义纳米磁体的能量景观和提高灵敏度方面发挥了重要作用。通过调整零场隧道磁阻（TMR）和电压控制的磁各向异性（VCMA）系数，增强了由自旋极化电流驱动的零偏置整流电压。

3. 此外，在 SR 阵列中观察到了由 VCMA 驱动的自参量效应，这一效应在没有外部天线或匹配设置的情况下增强了灵敏度和检测带宽。最终，SR 阵列基础的能量收集模块（EHM）能够在 -27 dBm 的低射频功率下为商业传感器供电，显示出 SRs 在环境条件下的紧凑性、免受寄生效应影响、易于集成、可扩展性和高效性。

【图文速递】

图1：利用自旋整流器SRs的射RF能量收集。

图2： 自旋整流器SR整流天线的性能。

图3： 宽带和谐振整流的调谐。

图4：基于宽带低功率自旋整流器SR的能量收集器EHM。

图5: 肖特基二极管、自旋整流器SR阵列和SR整流天线之间的整流性能比较。

【科学启迪】

本文通过展示高灵敏度的自旋整流器（SR），研究表明在低射频功率条件下，先进的自旋整流器可以显著提高能量收集效率。这种技术能够在 -62 dBm 的环境射频信号下实现约 10,000 mV mW−1 的灵敏度，为低功率应用提供了新方案。

其次，研究优化了自旋整流器的设计，包括垂直各向异性、设备几何形状及极化层的偶极场，从而提升了低输入功率下的磁化进动效果。结合零场隧道磁阻（TMR）和电压控制的磁各向异性（VCMA），这些改进提高了整流电压和效率，为射频能量转换提供了新的理论基础和技术途径。

另外，基于片上共面波导的自旋整流器阵列展示了 VCMA 驱动的自参量效应，不仅增强了灵敏度和检测带宽，还避免了传统天线和匹配设置的复杂性。这一成果表明，自旋整流器阵列可以在实际应用中提供高效的低射频功率供电解决方案。

文献信息：Sharma, R., Ngo, T., Raimondo, E. et al. Nanoscale spin rectifiers for harvesting ambient radiofrequency energy. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01212-1