NANOMATERIALE CARE PERMIT COLECTAREA INTELIGENTA DE ENERGIE PENTRU URMATOAREA GENERATIE A INTERNETULUI LUCRURILOR
Type of the project: Prizes for participation in Horizon 2020 |
NANO-EH project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme under Grant Agreement No. 951761 |
Proiectul NANO-EH este finanțat în cadrul FET Proactive: emerging paradigms and communities call (FETPROACT-EIC-05-2019), subtopica "Breakthrough zero-emissions energy generation for full decarbonisation".
Rezultate
| Rezultate, etapa 3 | Rezultate, etapa 2 | Rezultate, etapa 1 | Rezultate estimate | Diseminare |
Rezultate, etapa 3
In Etapa 3 a proiectului au fost realizate toate obiectivele prevazute pentru fiecare activitate. Rezultatele principale obtinute in anul 2023 au fost urmatoarele:
-
au fost caracterizate in microunde antenele tip “patch” pe substrat de siliciu de inalta rezistivitate, cu o cavitate cu aer sub fiecare antena conform specificatilor de proiectare, garantand in acelasi timp robusteta mecanica si o usoara manipulare a structurilor. Pierderea la reflexie este mai buna decat -12 dB la 24 GHz, iar castigul masurat la 24 GHz este de cca. 4 dBi;
 |
Piederea la reflexie (stanga) si castigul la 24 GHz (dreapta) al antenei patch pe multi-stratul de siliciu cu o cavitate cu aer. |
2. au fost testate retelele de rectene cu frecventa de operare intre 24,25 si 27,50 GHz, pe substrat de siliciu de inalta rezistivitate, integrate cu unitatea de conversie de putere. Tensiunea in curent continuu la iesirea retelei de rectene are o valoare maxima de cca. 25 mV intre 23,75 GHz si 24,60 GHz pentru un nivel de putere la intrare de -10 dBm;
 |
Tensiunea in curent continuu la iesirea retelei de rectene, functie de nivelul de putere la intrare. |
3. activitatea de diseminare a cuprins 6 lucrari in reviste ISI si 3 lucrari prezentate / de prezentat la 3 conferinte internationale. O lucrare intr-o revista ISI a fost premiata cu „Front cover”, iar o lucrare prezentata la o conferinta IEEE a fost premiata cu „Best Student Paper Award”.
Rezultate, etapa 2
In Etapa 2 a proiectului au fost realizate toate obiectivele prevazute pentru fiecare activitate. Rezultatele principale obtinute in anul 2022 au fost urmatoarele:
1. a fost proiectata si simulata din punct de vedere electromagnetic (folosind un simulator electromagnetic 3D – CST Microwave Studio) si de circuit o rectena si o retea de rectene cu frecventa de operare intre 24,25 si 27,50 GHz. Eficienta maxima simulata pentru intregul sistem este de cca. 43% pentru un nivel de putere la intrare de cca. 14 dBm, care corespunde unei tensiuni diferentiale la iesire de 6,7 V pe o sarcina de 3,9 kΩ; |
 |
Vederea de sus a retelei de 4 antene patch patrate pe multi-stratul de siliciu cu o cavitate cu aer. |
|
2. a fost proiectata si modelata teoretic o dioda MIM pe baza de oxid de hafniu dielectric si feroelectric, folosind QuantumEspresso si pachetul software Quantum Atomistic Toolkit (Q-ATK). Acest model are potentialul de a oferi informatii foarte utile despre caracteristicile interfetelor metal-oxid si permite estimarea precisa a curentului de tunelare al unei diode MIM; Caracteristicile I-V calculate pentru cele 3 diode MIM optimizate. |
 |
3. au fost fabricate retelele de rectene cu frecventa de operare intre 24,25 si 27,50 GHz, pe substrat de siliciu de inalta rezistivitate, integrate cu unitatea de control de putere. Am resuit sa gasim solutia optima pentru a crea o cavitate cu aer sub fiecare rectena conform specificatilor de proiectare, garantand in acelasi timp robusteta mecanica si o usoara manipulare a structurilor; |
 |
Detaliu cu o singura retea de rectene sectionata in care se poate observa cavitatea de sub rectene |
|
4. activitatea de diseminare a cuprins 1 lucrare intr-o revista ISI si 4 lucrari prezentate la 2 conferinte internationale. |
|
In urmatoarea (ultima) etapa, vom caracteriza in microunde retelele de rectene fabricate pentru a demonstra colectarea de energie EM din mediul inconjurator in jurul a 24 GHz.
________________
Rezultate, etapa 1
In Etapa 1 a proiectului au fost realizate toate obiectivele prevazute pentru fiecare activitate. Rezultatele principale obtinute in anul 2021 au fost urmatoarele:
1. in cadrul IMT Bucuresti au fost fabricate prin tehnica ALD filme ultra-subtiri (grosime de 7 nm) de oxid de hafniu (HfO2) feroelectric dopat cu zirconiu (Zr). O serie de masuratori au fost efectuate pentru a pune in evidenta caracteristicile feroelectrice ale filmelor obtinute, precum GI-XRD, PFM si curbele de polarizare P-E (polarizarea materialului functie de campul electric aplicat). Toate masuratorile efectuale pun in evidenta caracteristicile feroelectrice ale filmelor ultra-subtiri de HfO2 feroelectric (precum valorea de 1 MV/cm a campului coercitiv EC, tipica pentru acest material) dezvoltate prin doparea HfO2 cu Zr, crescute prin tehnica ALD.
 |
(a) Difractograma GI-XRD pentru HfZrO; (b) PFM pentru HfZrO; (c) curba de polarizare HfZrO. |
2. A fost depuse straturi subtiri (7 straturi monoatomice) de disulfura de molibden (MoS2) pe plachete de Al2O3/HRSi (4 inch) si de Al2O3/safir “c-cut” (2 inch) prin tehnica ALD-CVD. Reproductibilitatea procesului ALD-CVD este excelenta. Grosimea obtinuta pentru filmul de MoS2 a fost uniforma, iar valoarea grosimii depinde de timpul de crestere: 1,2 nm in 0,3 ore, 3 nm in 0,75 ore, 5 nm in 1,25 ore si 10 nm in 2,5 ore. Analiza Raman a confirmat faptul ca MoS2 depus este alcatuit din 7 monostraturi si natura policristalina a stratului subtire de MoS2 depus prin ALD-CVD, cu domenii cristaline in jurul a 20 nm.
 |
(a) Spectrele 3D micro-Raman pentru MoS2 multistrat (7 straturi) depus pe Al2O3/HRSi; (b) spectrele Raman pentru MoS2 multistrat (7 straturi) depus pe Al2O3/HRSi (curba rosie) si Al2O3/safir “c-cut” (curba neagra). Se poate observa inclusiv modul de fonon al substratului de siliciu la cca. 520 cm-1 pentru stratul subtire de MoS2 pe substrat de Al2O3/HRSi. |
3.Pentru a caracteriza prin tehnica PFM straturile subtiri de MoS2 pe substrat de oxid de siliciu (SiO2)/siliciu de inalta rezistivitate (HRSi), au fost utilizate unele probe achitizionate de la compania 2D Semiconductors. In detaliu, a fost folosita o proba cu dimensiuni de 1 cm x 1 cm de MoS2 monostrat pe SiO2/HRSi, cu grosimi de 300 nm/500 μm respectiv. A fost extras coeficientul piezoelectric efectiv in plan perpendicular d33eff calculat prin analiza raspunsurilor obtinute cu o tensiune de baleiaj mai intai pe sensul descrescator (de la 0 V la -10 V) si apoi pe sensul crescator (de la -10 V la 0 V).
4.Fabricarea structurilor test simple pentru testarea proprietatilor materialelor feroelectrice si 2D (in curent continuu si in microunde) a cuprins urmatoarele componente/dispozitive: defazoare planare pe baza de oxid de hafniu feroelectric si diode planare pe baza de MoS2. In cazul defazoarelor, experimentele au demonstrat ca valoarea defazajului (functie de frecventa) pentru o tensiune de polarizare maxima de 4 V este excelenta in banda X (8-12 GHz), cu o valoare maxima de peste 90 grade la 11,74 GHz, iar o “dioda planara” pe baza de MoS2 monostrat cu distanta de 4 μm intre cele 2 contacte de aur se comporta precum o dioda in care semiconductorul este de tip “p” (o posibila cauza fiind dopajul monostratului de MoS2 in faza de procesare). Aceste rezultate experimentale preliminare valideaza atat natura feroelectrica a straturilor subtiri pe baza de HfZrO cat si comportamentul semiconductor al straturilor monoatomice de MoS2, ceea ce reprezinta conditia necesara pentru a atinge obiectivele finale ale proiectului. Mai mult de atat, fluxul tehnologic a dat dovada de fiabilitate si reproductibilitate pentru urmatoarele etape.
 |
(a) Defazoare fabricate pe o placheta de HfZrO pe HRSi; (b) defazajul functie de frecventa. |
5.A fost proiectata si simulata o antena bow-tie pentru aplicaţii de “energy harvesting” în banda ISM (Industrial, Scientific, Medical) de 24 GHz, care acoperă domeniul 24–24,25 GHz. Acest tip de aplicaţii presupune că terminalele antenei sunt conectate la o diodă de detecţie care converteşte energia semnalului de microunde recepţionat într-o tensiune continuă care poate fi folosită, după multiplicarea cu circuite specializate, la alimentarea unor circuite electronice. Structura completă a layout-ului pentru circuitul de harvesting este compus din următoarele elemente: antena bow-tie; dioda pe bază de MoS2; segment de linie bifilară care conectează antena de spur-line; varianta circuitului de rejecţie a semnalului adaptat la linia bifilară; trasee de conexiune între antena bow-tie prevăzută cu dioda de detecţie şi padurile de acces la tensiunea continuă folosită pentru harvesting; paduri pentru asamblarea circuitului de filtrare al detectorului; componentele SMD ale circuitului de decuplare. Mastile optice pentru antenele bow-tie si pentru diodele pe baza de MoS2 au fost fabricate deja si procesul tehnologic a fost pus la punct pentru urmatoarea etapa.
 |
(a) Structura fizică a spur-line; (b) circuitul echivalent al acesteia; |
6. Activitatea de diseminare a cuprins 2 lucrari in reviste ISI (printre care prestigioasa “IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques”), 2 lucrari acceptate pentru prezentare orala la 2 conferinte internationale (printre care prestigioasa “International Microwave Symposium – IMS2021”) si un workshop organizat in cadrul conferintei “International Semiconductor Conference – CAS2021”.
________________
DISEMINARE
Lista lucrari etapa 3
Journals:
1. M. Dragoman, D. Dragoman, A. Dinescu, A. Avram, S. Vulpe, M. Aldrigo, T. Braniste, V. Suman, E. Rusu, and I. Tiginyanu, “Ultralow voltage (1 μV) electrical switching of SnS thin films driven by a vertical electric field,” Nanotechnology, Vol. 34, No. 17, Art. No. 175203, Feb. 2023; DOI: 10.1088/1361-6528/acb69e.
2. M. Dragoman, M. Aldrigo, A. Dinescu, D. Vasilache, S. Iordanescu, and D. Dragoman, “Nanomaterials and Devices for Harvesting Ambient Electromagnetic Waves,” Nanomaterials, Vol. 13, No. 3, Art. No. 595, Feb. 2023; DOI: 10.3390/nano13030595.
3. M. Dragoman, M. Aldrigo, A. Dinescu, D. Vasilache, S. Iordanescu, D. Dragoman, E. Laudadio, and E. Pavoni, “Harvesting microwave energy using pyroelectricity of nanostructured graphene/zirconium-doped hafnium oxide ferroelectric heterostructures,” Nanotechnology, Vol. 34, No. 20, Art. No. 205202, Mar. 2023; DOI: 10.1088/1361-6528/acbcd9.
4. E. Pavoni, E. Mohebbi, P. Stipa, L. Pierantoni, D. Mencarelli, M. Dragoman, M. Aldrigo, and E. Laudadio, “First-principle investigation of interface phenomena in hafnium-based metal-insulator-metal diodes,” Nanoscale Adv. (cu “Front cover”), Vol. 5, No. 10, pp. 2748–2755, May 2023; DOI: 10.1039/D2NA00739H.
5. M. Dragoman, M. Modreanu, B. Sheehan, S. Vulpe, C. Romanitan, M. Aldrigo, A. Dinescu, A. B. Serban, Daniela Dragoman, “Field-induced reversible insulator-to-metal transition and the onset of the ferroelectricity in molybdenum trioxide films,” J. Appl. Phys., Vol. 133, No. 21, Art. no. 215101, Jun. 2023; DOI: 10.1063/5.0151117.
6. L. A. Dinu, C. Romanitan, M. Aldrigo, C. Parvulescu, F. Nastase, S. Vulpe, R. Gavrila, P. Varasteanu, A. B. Serban, R. Noumi, O. M. Ishchenko, “Investigation of wet etching technique for selective patterning of ferroelectric zirconium-doped hafnium oxide thin films for high-frequency electronic applications,” Materials & Design, Vol. 233, Art. No. 112194, Sep. 2023; DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112194.
Conferences:
1. M. Aldrigo, M. Dragoman, A. Dinescu, D. Vasilache, S. Iordanescu, S. Trovarello, D. Masotti, A. Costanzo, D. Dragoman, E. Laudadio, E. Pavoni, “New perspectives for microwave energy harvesting,” prezentare orala invitata la sesiunea “Energy Harvesting Systems Beyond Photovoltaics”, conferinta PIERS 2023, 3-6 iulie 2023, Praga (Republica Ceha).
2. D. Mencarelli, G. M. Zampa, L. Pierantoni, M. Dragoman, F. Nastase, S. Vulpe, M. Aldrigo, “High-frequency investigation of polarization effects in nanoscale hafnium-based ferroelectrics,” prezentare orala la conferinta “23rd IEEE International Conference on Nanotechnology” (IEEE-NANO 2023), 2-5 iulie 2023, Jeju Island (Coreea de Sud) – “Best Student Paper Award”.
3. L. Dinu, M. Aldrigo, C. Parvulescu, C. Romanitan, F. Nastase, O. Brincoveanu, M. Dragoman, S. Iordanescu, “Generating pyroelectric current with patterned ferroelectric hafnium oxide thin films,” lucrare acceptata ca poster la conferinta “15th International Conference on Physics of Advanced Materials” (ICPAM-15), 19-26 noiembrie 2023, Sharm El Sheikh (Egipt).
Lista lucrari etapa 2
Journals:
1. M. Dragoman, M. Aldrigo, D. Dragoman, S. Iordanescu, A. Dinescu, S. Vulpe, and M. Modreanu, “Ferroelectrics at the nanoscale: materials and devices – a critical review,” Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, May 2022, DOI: 10.1080/10408436.2022.2083579.
Conferences:
1. Alina Cismaru, Martino Aldrigo, Mircea Dragoman, Cosmin Obreja, Sergiu Iordanescu, Catalin Parvulescu, Damir Mladenovic, “Metamaterial CNT based resonator for CO2 sensing applications,” oral presentation at 20th International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science, Constanta, Romania, 12-15 July 2022.
2. Silviu Vulpe, Mircea Dragoman, Florin Nastase, Andrei Avram, Adrian Dinescu, Cosmin Romanitan, Octavian Ligor, Aldrigo Martino, Octavian-Gabriel Simionescu, “The effect of the growth substrate on the morphology and surface properties of vanadium oxide thin films deposited by RF sputtering,” poster presentation at 20th International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science, Constanta, Romania, 12-15 July 2022.
3. E. Laudadio, M. Aldrigo, P. Stipa, L. Pierantoni, D. Mencarelli, M. Dragoman, and M. Modreanu, “A first-principle assessment at atomistic scale of interface phenomena in down-scaling hafnium-based metal-insulator-metal diodes,” 2022 IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), 6-8 Jul. 2022, Limoges, France.
4. G. Boldeiu, M. Dragoman, M. Aldrigo, and S. Iordanescu, “Multi-physics simulations of pyroelectric and thermoelectric harvesters based on nanoscale ferroelectrics and graphene monolayers,” accepted for oral presentation at the 2022 IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), 6-8 Jul. 2022, Limoges, France.
____________
Lista lucrari etapa 1
Journals:
1. M. Dragoman, M. Aldrigo, D. Dragoman, S. Iordanescu, A. Dinescu, and M. Modreanu, “The Rise of Ferroelectricity at Nanoscale – Nanoelectronics is rediscovering the ferroelectricity,” IEEE Nanotechnol. Mag., Oct. 2021, DOI: 10.1109/MNANO.2021.3098217.
2. M. Aldrigo, M. Dragoman, N. Pelagalli, E. Laudadio, L. Zappelli, S. Iordanescu, D. Vasilache, A. Dinescu, L. Pierantoni, P. Stipa, and D. Mencarelli, “Microwave Detection Using 2-Atom-Thick Self-Switching Diodes Based on Quantum Simulations and Advanced Circuit Models,” accepted for publication in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques in Oct. 2021.
Conferences:
1. M. Aldrigo, M. Dragoman, S. Iordanescu, D. Vasilache, A. Dinescu, G. Biagetti, L. Pierantoni, and D Mencarelli, “Microwave Detection Using 2-Atom-Thick Heterojunction Diodes,” Proc. of 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2021), Atlanta (GA, USA); In-Person Event: 7-10 June 2021, Virtual Event: 20-25 June 2021.
2. Workshop “Harvesting of energy with nanomaterials” organized by NANO-EH H2020-EIC-FETPROACT project Session
https://epapers.org/cas2021/ESR/session_view.php?PHPSESSID=rd8i95t1qbjt89fbl7khvuato6&session_id=12
3. N. Pelagalli, M. Aldrigo, M. Dragoman, M. Modreanu, D. Mencarelli, and L. Pierantoni, “Geometric diode modeling for energy harvesting applications,” PIERS 2021
________________
Rezultate estimate
Rezultatul cuantificabil preconizat este o rectena cu frecventa de operare intre 24,25 si 27,50 GHz si cu tensiune redresata (in curent continuu – DC) de ordinul zecilor de milivolti (tipic) sau, in mod echivalent, putere in current continuu de ordinul microwatilor (tipic).
In detaliu, se va incerca atingerea urmatoarelor tinte pentru fiecare parte din care este alcatuita rectena:
- o antena planara (de tip dipol / bow-tie / patch) pe substrat de siliciu de inalta rezistivitate, cu frecventa de operare intre 24,25 si 27,50 GHz si cu eficienta de radiatie de cel putin 75%. Campul radiat va fi in planul perpendicular pe antena;
- o dioda pentru redresarea tensiunii detectate, de doua (2) tipuri: 1) dioda MIM pe baza de oxid de hafniu, cu o arie de cativa microni patrati, oxid cu grosime de cativa nanometri si frecventa de taiere peste 60 GHz; 2) dioda planara geometrica pe baza de disulfura de molibden, fabricata cu tehnici de nanolitografie. In ambele cazuri, dioda trebuie sa fie capabila sa furnizeze o tensiune redresata de ordinul zecilor de milivolti;
- o retea de adaptare antena-dioda;
- o unitate de control de putere, care cuprinde un convertitor DC-DC si un capacitor de stocare a energiei colectate de rectena.
