El escenario actual de IoT se presenta con miles de millones de dispositivos inteligentes interconectados, lo que está produciendo un cuello de botella al no garantizar la autonomía energética de los dispositivos/subsistemas miniaturizados con las baterías convencionales, que están empezando a ser insuficientes. En este contexto, el proyecto europeo Nano-EH desarrollará módulos escalables miniaturizados de recolección y almacenamiento de energía adaptados a las necesidades específicas de dispositivos autónomos, móviles o portátiles para el IoT de próxima generación.
Uno de los objetivos del proyecto, liderado por la University College Cork (Irlanda), es el de garantizar una cadena completa de materiales inteligentes, aplicaciones y de producción que ofrezcan una reducción significativa de los costos, así como una optimización en el proceso de fabricación.
Para ello, el proyecto Nano-EH tendrá una inversión de 3.929.360 euros, íntegramente financiados por el programa de investigación Horizonte 2020 de la Comisión Europea, y un plazo de cuatro años (octubre de 2020-marzo de 2024) para conseguir sus objetivos. La University College Cork contará con la ayuda de un consorcio compuesto por 10 entidades procedentes de Rumanía, Italia, Francia y España. La participación española está representada por Synergy Azul.
Partiendo de rigurosas herramientas de simulación y diseño multifísico, Nano-EH optimizará por separado cada dispositivo (recolector, componente electrónico de radiofrecuencia/corriente discontinua (RF/DC), sistema de almacenamiento de energía y supercondensadores), para integrarlos de forma inteligente en una plataforma unificada y energéticamente eficiente, convirtiéndose en un modelo de producción para todos los sistemas de recolección de energía posteriores.
Plataforma tecnológica Nano-EH More-then-More
Para obtener nuevos sistemas de recolección de energía, el proyecto Nano-EH explorará cuatro clases de nanomateriales inteligentes, libres de plomo y tierras raras, que demostrarán su potencial de reciclabilidad a nivel de módulo.
La plataforma tecnológica Nano-EH More-then-More explotará principalmente la fuente limpia de energía de radiofrecuencia, siempre activa en un rango de espectro extendido (2G/3G/5G y wifi), al tiempo que integrará funcionalidades de almacenamiento de energía en el chip.
Respecto a los nanomateriales de recolección de energía que se utilizarán, destacan HfZrO y 2D MoS2, que proporcionan propiedades únicas de alta frecuencia, las cuales serán exploradas por Nano-EH, con el fin de utilizarlos para los submódulos escalables de recolección/almacenamiento de energía miniaturizados.
Ambos materiales no se han podido aplicar en dispositivos de recolección y almacenamiento de energía anteriormente debido a la falta de conocimientos fundamentales como la conductividad, la permitividad y la permeabilidad en el dominio de alta frecuencia de estos materiales.
Sin embargo, el proyecto Nano-EH aprovechará las propiedades de HfZrO para incluirlas en la plataforma tecnológica More-then-More, compuesta por un conjunto de antenas en fase miniaturizadas, basadas en HfZrO de voltaje ultrabajo y diodos MIM, para varias aplicaciones específicas dentro de un amplio rango de frecuencia (1-30 GHz), y en recolectores de potencia ultrabaja (≤-20 dBm) de onda milimétrica (30-80 GHz) basados en HfO2, que proporcionan una alta capacidad de respuesta y potencia equivalente de bajo ruido a los diodos MIM.
Asimismo, la tecnología Nano-EH se compone de tres elementos fundamentales encargados de recolectar la energía: un piezo-recolector basado en nanocelulosa, un piezo-recolector basado en 2D MoS2 y células solares en tándem 2D MoS2/Si, que se integrarán en el módulo Wake-EH, encargado de proporcionar la energía suficiente para despertar el circuito no lineal del subsistema de recolección de RF (RF-EH). Por otro lado, se utilizará una ruta de pila 3D híbrida que servirá para la integración de RF-EH y Wake-EH en la misma plataforma de sustrato de silicio (Si).
Con el fin de obtener una alta capacidad de almacenamiento de energía, los investigadores de Nano-EH integrarán los supercapacitores basados en HfZrO y VO2(B) tanto en la plataforma de recolección de energía de RF como en la plataforma de recolección de energía de activación (Wake-EH).
Avances del proyecto
Hasta el momento, el proyecto Nano-EH ha conseguido varios avances. Algunos de ellos son el desarrollo tanto de los requisitos y especificaciones del usuario final como del kit de herramientas de software de modelado multiescala, o la creación de simulaciones de diodos de autoconmutación basados en monocapas de MoS2, utilizando datos físicos y eléctricos teóricos y de experimentos previos realizados en MoS2, para modelar de manera rigurosa los dispositivos para CMOS de alta frecuencia para aplicaciones de recolección de energía compatibles.
Asimismo, los investigadores han diseñado y desarrollado una simulación de una antena bow-tie acoplada a un SSD basado en MoS2 para aplicaciones de recolección de energía a 24 GHz, así como de estructuras de prueba simples para caracterizar los materiales utilizados en Nano-EH en un amplio rango de frecuencias.
También se ha conseguido el diseño completo de recolectores de energía a 2,45 GHz y 24 GHz, explotando dos soluciones que integran sustratos de silicio. Además de diferentes modelados y simulaciones como de electrodo pseudo-capacitor utilizando el modelo Continuum de osciladores, basado en VO2 en LTspice, y de desfasadores, basados en HfZrO.
Nano-EH ha llevado a cabo el diseño y simulaciones de una antena en forma de lágrima de 60 GHz sobre sustrato de silicio de alta resistividad (HRSi) de 100 μm de espesor, de celdas solares esféricas y supercondensadores, de material MoS2 para células solares de heterounión con silicio y de dispositivos de prueba piezoeléctricos. En este último, se ha realizado la definición del área de la región piezoeléctrica y diseño de máscaras de electrodos de contacto para la fabricación de muestras, simulación y medición para evaluar las propiedades eléctricas de las películas fabricadas y validar el uso para circuitos de RF.
Los investigadores también han realizado un estudio de un modelo no lineal para dispositivos de base ferroeléctrica aptos para futuros recolectores de energía, entre otros avances.