[论文解读] Theoretical Modeling of KHz to THz Simultaneous Energy Harvesting and Magneto-Inductive Communications with Molecular Magnets on Vibrating Graphene

Burhan Gülbahar|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2018

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 25被引用 3

一句话总结

本文提出了一种纳米级收发器，通过将石墨烯谐振器与单个分子磁体（SMMs），特别是TbPc₂，耦合，实现同时的能量采集和磁感无线电（MI）太赫兹通信。利用石墨烯的高共振频率和SMMs的强磁矩，该设计在声学和超声波频段实现了数十纳瓦的采集功率和高达$10^4 \, \text{W/m}^3$的效率，并通过数值仿真验证了毫米波载波生成，实现了无线信息与能量的实时同步传输（SWIPT）。

ABSTRACT

Magneto-inductive (MI) THz wireless communications is recently shown to provide significant theoretical performances for nanoscale applications with microscale transceivers and microwatt transmission powers. The energy harvesting (EH) based generation of carrier signals for MI transceivers is critical for the autonomous and noninvasive operation. State-of-the-art electromagnetic (EM) vibrational devices have millimeter dimensions while targeting only low frequency EH without any real-time communications purpose. In this article, graphene nanoscale resonators are combined with single molecular magnets (SMMs) to realize a simultaneous EH and MI transceiver by exploiting the unique advantages of graphene such as atomic thickness, ultra-low weight, high strain and the resonance frequencies reaching THz with the high magnetic moment of Terbium(III) bis(phthalocyanine) ($\mbox{TbPc}_2$) SMM. The special low complexity design is improved by novel modulation methods achieving simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT). The numerical simulations provide tens of nanowatt powers and efficiencies of $10^4 \, W/m^3$ in acoustic and ultrasound frequencies comparable with state-of-the-art vibrational EH devices while millimeter wave carrier generation is numerically simulated. The proposed design presents a practical framework for nanoscale communications including cellular tracking.

研究动机与目标

• 利用分子尺度组件实现自主、非侵入性的纳米级无线通信与能量采集。
• 克服现有振动能量采集器仅在低频工作且缺乏实时通信能力的局限性。
• 将单个分子磁体（SMMs）与石墨烯纳米谐振器集成，实现在太赫兹频段的无线信息与能量同步传输（SWIPT）。
• 开发一种低复杂度、高效率的设计，适用于细胞追踪和植入式设备等纳米级应用。

提出的方法

• 利用具有原子厚度和高应变的石墨烯纳米谐振器，实现太赫兹频段的共振频率。
• 由于其高磁矩，集成铽(III)双(酞菁)（$\mbox{TbPc}_2$）SMMs，以实现强磁感耦合。
• 采用新型调制技术，实现在同一系统内同时进行无线信息与能量传输（SWIPT）。
• 通过数值建模评估系统在声学和超声波频段的性能，以衡量能量采集效率和输出功率。
• 模拟利用SMM-石墨烯异质结构生成毫米波载波，用于磁感通信。
• 以$W/m^3$为单位分析能量采集效率，以与最先进的振动能量采集器进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯-SMM异质结构是否能在声学和超声波频段实现高效的能量采集，同时支持太赫兹磁感通信？
• RQ2 与现有振动能量采集器相比，该纳米级收发器设计可实现的最大能量采集效率是多少？
• RQ3 $\mbox{TbPc}_2$ SMMs与石墨烯谐振器的集成如何实现在高频下的无线信息与能量同步传输（SWIPT）？
• RQ4 该系统通过机械共振在毫米波频段生成可用载波信号的程度如何？
• RQ5 该设计是否能够支持实际的纳米级应用，如具备自主供电和通信能力的细胞追踪？

主要发现

• 所提出的系统在声学和超声波频段实现了数十纳瓦的采集功率。
• 能量采集效率最高可达$10^4 \, \text{W/m}^3$，与最先进的振动能量采集器相当。
• 数值仿真证实了利用SMM-石墨烯异质结构实现毫米波载波生成用于磁感通信的可行性。
• 通过集成于低复杂度结构中的新型调制方法，该设计实现了无线信息与能量同步传输（SWIPT）。
• 石墨烯的高共振频率与$\mbox{TbPc}_2$ SMMs的高磁矩相结合，支持纳米尺度、自主且非侵入式运行。
• 该框架为纳米级无线系统提供了实用解决方案，潜在应用包括细胞追踪和植入式生物传感器。