スピン整流器を開発、微弱な電波でも効率よく発電：Wi-FiやBluetoothの電波を利用

東北大学は、シンガポール国立大学や、メッシーナ大学（イタリア）と共同で、ナノスケールの「スピン整流器」を開発し、微弱な無線通信用電波から効率よく電力を生み出す原理実証実験に成功したと発表した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

10個のスピン整流素子を直列接続し、温度センサーを駆動

　東北大学電気通信研究所の深見俊輔教授と先端スピントロニクス研究開発センターの大野英男教授らは2024年8月、シンガポール国立大学のHyunsoo Yang教授、メッシーナ大学（イタリア）のGiovanni Finocchio教授らと共同で、ナノスケールの「スピン整流器」を開発し、微弱な無線通信用電波から効率よく電力を生み出す原理実証実験に成功したと発表した。

　Wi-FiやBluetoothなどの無線通信では、高周波（RF）の電波を用いてデータの送受信を行う。この電波を用いて発電し、エッジ端末を駆動すれば電源供給や電池の交換が不要となる。ただ、こうした無線通信に用いられる微弱な電波から、大きな電力を取り出すことは極めて難しかったという。

　開発したスピン整流器は、CoFeB（コバルト・鉄・ホウ素）とMgO（酸化マグネシウム）からなる磁気トンネル接合で構成されている。特に今回は、高いRF-DC変換効率が得られるように、磁気トンネル接合の形状や磁気異方性、トンネル障壁の特性などを考慮して設計した。

　この結果、作製した単体のスピン整流素子では−62dBm（630pW）から−20dBm（10μW）のRF入力に対し、10000mV/mW程度の効率でDC電圧を取り出した。また、10個のスピン整流素子を直列接続した場合、−50dBm（10nW）のRF入力から、34500mV/mWの効率でDC電圧に変換することができたという。

　さらに研究チームは、10個のスピン整流素子を直列接続したデバイスを用いて実験した。強度が−27dBm（2.0μW）という電波で発電し、この電力で市販品の温度センサーを駆動することに成功した。研究チームは実験結果と数値計算を比較し、今回得られた特性が、「電圧によって磁気異方性が変化する現象を介した自己パラメトリック励起に由来している」ことを突き止めた。

無線通信用のRF信号を用いた環境発電のイメージ図［クリックで拡大］ 出所：東北大学他

左が作製したスピン整流器の模式図とSEM写真。中央が作製したスピン整流器の電力・電圧変換効率の入力電圧依存性。右が環境発電の模擬実験の様子［クリックで拡大］ 出所：東北大学他

　研究チームは今後、単体素子レベルでRF-DC変換効率のさらなる向上や、オンチップアンテナとの集積化、素子の直列・並列接続併用による大出力化などに取り組む予定。