客户成果丨新加坡国立大学《Nature Communications》 ：基于TaIrTe₄的非线性霍尔整流器与混频器

随着物联网和无线通信技术的快速发展，人们对超宽带无线能量采集和频率转换的需求不断增长。然而，传统整流器通常依赖肖特基二极管、场效应晶体管等半导体器件，其阈值电压和高频寄生效应限制了器件在宽频段，尤其是太赫兹频段的工作性能。与此同时，传统混频器主要基于CMOS和III–V半导体技术，兼顾宽带工作与高线性度仍面临挑战。

近年来，非线性霍尔效应（nonlinear Hall effect, NLHE）由于其在高频段的工作性能受到广泛关注。该效应由材料内部的贝里曲率偶极子驱动，无需外加磁场即可产生横向直流电压，可以用作零偏置和超宽带响应的整流器或混频器。然而，此前基于非线性霍尔效应的整流研究通常局限于特定的GHz或THz频段，尚未在单一器件中系统展示从MHz到THz的超宽带响应；同时，非线性霍尔混频器的工作带宽和线性度等关键指标也缺乏系统评估。

为了解决这一挑战，新加坡国立大学电子与计算机工程系Yang Hyunsoo教授团队，在超宽带整流与混频领域中取得最新进展，该研究成果以“Ultra-broadband wireless rectification and frequency mixing via the nonlinear Hall effect in TaIrTe4”为题发表在《Nature Communications》上。

如图1所示，研究团队在零偏置、无磁场、室温条件下搭建无线整流测试系统，在TaIrTe4整流器中观测到明显的整流电压（VDC）。TaIrTe4整流器表现出符合晶轴对称性的整流信号，在110–260 GHz的区间皆可测到响应。在负载依赖测试中，当负载电阻和器件内阻相同时，电路中的整流功率达到最大。

【图1】TaIrTe4的整流信号

为提高输出能力，研究团队通过增大器件宽度以及采用串、并联阵列，实现了整流电压和功率的可扩展输出。此外，通过使两个器件的a轴形成25°夹角，显著减弱了输出信号对入射波偏振方向的依赖，如图2所示。

【图2】用阵列方式改变输出电压

此外，团队测试了室温下TaIrTe4整流器在MHz至THz范围内的响应，如图3。在THz频段，器件的整流电压依旧符合晶轴的对称性。作为概念验证，TaIrTe4整流器成功采集微波能量并驱动热敏电阻实现无线供能，展示出实际应用潜力。

【图3】MHz–THz频段整流响应与无线能量采集演示

借助非线性霍尔效应，TaIrTe4还实现了超宽带室温混频功能。如图4，在有线输入时，该混频器可实现在0.1-40 GHz区间约−20dB的变频增益。此外，当信号用无线的方式输入TaIrTe4时，混频器仍有响应。

【图4】TaIrTe4的超宽带混频信号

本研究在TaIrTe4材料中实现了室温下19 MHz-2.88 THz的无线整流器和0.1-40 GHz的混频器。该成果突破了传统整流与混频技术在带宽上的限制，为新一代自供能电子器件提供了关键材料与技术基础。后续研究将进一步优化整流效率、提升材料的稳定性，并探索其与CMOS工艺的兼容性。

新加坡国立大学电子与计算机工程系胡凡睿、雷佳雨和赵士舜为文章的共同第一作者，Yang Hyunsoo教授为通讯作者。荷兰Radboud University HFML-FELIX实验室和中山大学的研究人员共同参与了该项研究。

该工作中所有器件的电极图形均采用TuoTuo Technology的无掩模光刻设备完成。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-73394-5