研究背景
随着无线通信技术的快速发展，利用环境中的无线能量为物联网设备供电已成为一种极具前景的技术方案。这类无线能量传输系统的核心组件是整流器（rectifier），其核心功能是将自由空间传播的高频电磁波（如射频/微波信号）高效地转换为可供电子设备使用的直流电能。然而，传统基于肖特基结的整流器存在固有局限性：其门槛电压、寄生电容和结电阻等特性严重制约了器件在宽频段和低功率条件下的工作效率，难以满足5G/6G等高频段的环境无线能量采集的技术需求。
近年来，非线性霍尔效应（nonlinear Hall effect, NLHE）作为实现整流的新机制，被视为肖特基整流器的潜在替代方案。本征非线性霍尔效应起源于材料内部的贝里曲率(Berry curvature)偶极子，在不施加外部磁场的情况下即可响应交变电场并输出直流信号。该机制具备超宽带、低功率响应和无须外加偏置等优势，使其成为下一代整流器的有力候选方案。然而，此前的非线性霍尔效应实验大多基于剥离态的少层样品，难以实现片上集成。
2创新成果：
为攻克这一难题，本研究首次在可集成化的碲化锡（SnTe）薄膜体系中实现了性能卓越的非线性霍尔效应整流器。该成果以《Ultrabroadband nonlinear Hall rectifier using SnTe》为题，发表于国际顶级期刊《Nature Nanotechnology》。新加坡国立大学博士生胡凡睿为第一作者，山西师范大学硕士生赵鹏楠与杨丽环为共同第一作者，新加坡国立大学Yang Hyunsoo教授与山西师范大学王飞教授为共同通讯作者。
3数据概览
通过拉曼光谱表征、二次谐波信号表征（SHG）和第一性原理计算可证实，SnTe（001）薄膜在室温下表现出显著的反演对称性破缺，这一特性直接促成了非线性霍尔效应的产生。研究团队利用标准霍尔器件结构测量了其二次电导率，结果显示SnTe（001）薄膜在室温下具有高达0.004 Ω⁻¹V⁻¹的二阶电导率，超过目前报道的大多数可大面积生长材料。
【图1】SnTe的晶体结构与非线性霍尔效应
研究团队进一步构建了无线整流测试系统，在零偏置、无磁场的条件下，在SnTe器件中观测到了显著的整流电压（VDC），并对极化角度和输入功率进行了系统分析。在典型的通讯频段（如5 GHz、5.9 GHz），SnTe整流器表现出良好的响应，整流电压与入射功率呈线性增长关系，这与非线性霍尔信号一致。此整流器最低可检测功率低至-60 dBm，显示出对环境微弱信号的低功率响应。
【图2】SnTe整流器中的无线射频整流性能
为提升输出功率，研究团队构建了SnTe整流器的串联与并联阵列。测试表明，串联或并联结构下整流功率皆随器件数量增长，展现出优异的可扩展性能。
【图3】串联与并联阵列结构增强输出性能
研究团队进一步测试了SnTe整流器在从MHz至THz的多个频段的响应能力，并利用2.4 GHz接收天线，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。作为概念验证，研究团队利用SnTe整流器成功驱动了一个热敏电阻（温度传感器），实现了无需电池的无线供能，展现出其在自供能电子器件中的应用潜力。
【图4】MHz–THz频段整流响应与无线能量采集演示
4科学启迪
这项工作采用分子束外延（MBE）技术在氟化钡（BaF2）衬底上成功生长出具有高度(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。该成果突破了现有技术瓶颈，其工作频带和对微弱信号的响应度显著优于传统方案，为发展新一代自供能电子器件提供了重要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、提升材料系统的环境友好性，并探索其与CMOS工艺的集成可行性。
原文信息：Hu, F., Zhao, P., Yang, L. et al. Ultrabroadband nonlinear Hall rectifier using SnTe.Nat. Nanotechnol.(2025).https://doi.org/10.1038/s41565-025-01993-2
