Grafenkredsløb klar til trådløs

(Phys.org) —IBM-forskere har bygget verdens mest avancerede fuldt funktionelle integrerede kredsløb lavet af wafer-skala grafen-et nyt halvledermateriale, der har potentiale til at forbedre nutidens trådløse enheder til billigere, højhastighedskommunikation. Nanoteknologi-milepælen åbner for nye kulstofbaserede elektroniske enheder og kredsløbsprogrammer ud over, hvad der er muligt med nutidens siliciumchips.

De unikke elektriske egenskaber af grafen har ansporet en enorm verdensomspændende forskningsindsats for at drage fordel af dette nye materiale, der er særligt velegnet til trådløs, eller radiofrekvens (RF), kommunikation. Med væksten i big data -applikationer, mobile enheder med højere ydeevne bliver vigtigere for at sende og modtage stadigt stigende datasæt mere effektivt. Grafen-baserede kredsløb kunne tillade mobile enheder såsom smartphones, tablets eller bærbar elektronik til at overføre meget hurtigere databelastninger til hinanden og til deres omgivelser, på en mere omkostningseffektiv og strømeffektiv måde sammenlignet med traditionelle teknologiske løsninger.

Grafen er et af de tyndeste elektroniske nanomaterialer og består af et enkelt lag carbonatomer pakket i en bikage struktur. Den har fremragende elektriske, optisk, mekaniske og termiske egenskaber, der gør det potentielt billigere og mere energieffektivt i enhedsapplikationer. Integration af grafen RF-enheder i nutidens billige siliciumteknologi kunne være en måde at muliggøre gennemgribende trådløs kommunikation, der tillader ting som smarte sensorer og RFID-tags at sende datasignaler på betydelige afstande.

Fremstilling af et ægte integreret kredsløb er udfordrende, fordi de atomare dimensioner af et ark grafen let kan blive beskadiget under fremstillingsstrømmen af ​​konventionelle integrerede kredsløb. En leder inden for grafenvidenskab og teknologisk forskning, IBM demonstrerede et "proof-of-concept" i 2011, der viste verden, at det var muligt at bygge et analogt grafen integreret kredsløb med en bredbåndsfrekvensmixer. Imidlertid, grafentransistorens ydeevne blev uundgåeligt forringet på grund af de barske fremstillingsprocesser. Siden da, IBM-forskere har fokuseret på at forbedre enhedens ydeevne, der er egnet til moderne trådløs kommunikation.

Ved at bruge en ny tilgang, der udnytter almindelige silicium CMOS-fremstillingsprocesser, et team af IBM-forskere har løst dette problem og fremstillet og testet verdens første multi-stage grafen RF-modtager, det mest sofistikerede grafen integrerede kredsløb til dato. For at demonstrere ægte funktionalitet, forskerne var i stand til at sende en tekstbesked - sådan som du ville sende og modtage på din smartphone - ved hjælp af grafen integreret kredsløb, viser bogstaverne "I-B-M".

Den demonstrerede præstation er 10, 000 gange bedre end tidligere rapporteret indsats for grafenintegrerede kredsløb og er et stort spring fremad i realiseringen af ​​en ægte grafenteknologi, som potentielt vil give højere ydeevne og lavere omkostninger til trådløse kommunikationssystemer.

"Det er første gang, at nogen har vist grafen -enheder og kredsløb til at udføre moderne trådløse kommunikationsfunktioner, der kan sammenlignes med siliciumteknologi," sagde Supratik Guha, Direktør for Fysiske Videnskaber, IBM Research.

Gennembruddet er også en vigtig milepæl for Graphene Open Manufacturing -programmet, finansieret af DARPA, og rapporteret i et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet, Naturkommunikation .

Hvordan det virker

Den nye tilgang udviklet af IBM-forskere vender fuldstændigt den konventionelle silicium-integrerede kredsløbsfremstillingsflow, efterlader grafentransistorer som det sidste trin i fremstilling af integrerede kredsløb, som bevarer grafenenhedens ydeevne. Multi-trins grafen RF-modtager integreret kredsløb består af 3 grafentransistorer, 4 induktorer, 2 kondensatorer, og 2 modstande. Alle kredsløbskomponenter er fuldt integreret i et 0,6 mm2 område og fremstillet i en 200 mm (eller 8 tommer) siliciumproduktionslinje, viser den hidtil usete grafenkredsløbskompleksitet og højeste silicium CMOS-proceskompatibilitet. Den nye tilgang muliggør også den mulige heterogene 3D-integration med en silicium CMOS-rygrad.

Modtagere er en af ​​nøglekomponenterne i alle trådløse kommunikationssystemer. Kredsløbene, bruger mindre end 20 mW strøm til drift, viste også den højeste konverteringsforstærkning af grafen -RF -kredsløb ved flere GHz -frekvenser. De modtog og gendannede med succes digital tekst ("I-B-M") båret på et 4,3 GHz-signal uden nogen forvrængning, viser muligheden for at bruge grafen integrerede kredsløb i nutidens GHz trådløs kommunikation.