新加坡国立大学和山西师范大学再次联手Nature Nanotechnology：无线能量采集新突破，超宽带SnTe整流器！

纳米人

2025-08-25

研究背景

随着5G/6G、物联网和可穿戴设备的广泛部署，人们对“自供能”技术的需求越来越高。如果设备能从环境中采集无线电磁波并直接转化为电能，就不再依赖电池，运维成本和体积都能显著降低。作为能量采集系统的核心组件，整流器（rectifier）的作用是把环境中的射频/微波信号转化为直流电,从而给用电器功能。

然而，传统肖特基整流器因门槛电压高、寄生电容大等问题，难以胜任宽频段、低输入功率的无线能量采集场景，尤其在太赫兹（THz）高频段更是面临挑战。

有鉴于此，新加坡国立大学联合山西师范大学在《NatureNanotechnology》期刊上发表了题为《Ultrabroadband nonlinear Hall rectifier using SnTe》的最新成果。团队借助非线性霍尔效应（NLHE），首次在可集成化的碲化锡（SnTe）薄膜体系中，实现了超宽带、超低输入功率、零偏置的整流器。

研究亮点

在这项研究中，研究团队展示了一种基于拓扑晶体绝缘体 SnTe 薄膜的非线性霍尔整流器，具有如下几大亮点：

（1）高二阶电导率与片上集成潜力

借助分子束外延（MBE）方法，在SnTe薄膜首次实现~0.004Ω^-1V^-1的超大二阶电导率，超过了其他晶圆级材料。相比于大多数剥离态的样品，SnTe薄膜具有可片上集成的优势。角分辨输运测量和第一性原理计算证明，非线性霍尔效应主要源于贝里曲率（Berry curvature）偶极子。

（2）超宽带、超低功率响应

实验首次测得了从 23 MHz 覆盖至 1 THz的超宽带整流响应频率，远超传统整流器件的频率限制。在无需外加偏置电压、无需磁场的条件下，SnTe整流器对-60 dBm 的微弱输入信号仍有明显整流输出，可用于收集环境中的超低无线能量。

（3）阵列可扩展性与性能增强

为了提升性能，实验证明了串联或并联结构下整流功率皆随器件数量增长，在添加阻抗匹配的接收天线后，实现了输出电压提升24倍、输出功率提升约600倍的增强效果，展现出优异的可扩展性能。

（4）无线供能验证

作为概念验证，实验通过SnTe整流器收集射频能量，实现了热敏电阻（温度传感器）的无线供电，验证了SnTe整流器和非线性霍尔效应在下一代能量自主微系统中的应用潜力。

图文解读

图1：SnTe的晶体结构与非线性霍尔效应

图2：SnTe整流器的无线射频响应

图3：串联与并联阵列增强整流输出

图4：MHz–THz频段整流与无线供能演示

结论展望

本研究利用分子束外延（MBE）技术在氟化钡（BaF₂）衬底上生长出高度(001)择优取向的拓扑晶体绝缘体SnTe薄膜，并基于该材料研制出可在室温下工作、无需外加偏置电压的超宽带（23 MHz–1 THz）整流器件，且低功率响应显著优于传统器件。该成果为发展新一代自供能电子系统提供了新的材料基础和技术平台。后续研究将重点优化器件整流效率，并探索与CMOS工艺的集成可行性。

原文详情：

Hu, F., Zhao P., Yang L. et al. Ultrabroadband nonlinear Hall rectifier using SnTe. Nat. Nanotech. (2025)

https://www.nature.com/articles/s41565-025-01993-2