Grafen kunne revolutionere tingenes internet

PFL-forskere har produceret en tunbar, grafen-baseret enhed, der betydeligt kunne øge hastigheden og effektiviteten af ​​trådløse kommunikationssystemer. Deres system fungerer ved meget høje frekvenser, levere hidtil usete resultater.

Trådløs kommunikation kommer i mange former - såsom mobiltelefoner, der bruger 4G- eller 5G-forbindelse, GPS-enheder, og computere forbundet via Bluetooth til bærbare sensorer - og opererer i forskellige frekvensbånd. At arbejde på tværs af flere platforme, tilsluttede objekter skal være kompatible med en lang række frekvenser uden at blive tynget af overdreven hardware.

Mest bærbare, trådløse systemer er i øjeblikket udstyret med rekonfigurerbare kredsløb, der kan justere antennen til at sende og modtage data i de forskellige frekvensbånd. Det eneste problem er, at de teknologier, der i øjeblikket er tilgængelige som MEMS og MOS, ved hjælp af silicium eller metal, fungerer ikke godt ved høje frekvenser. Og det er her, data kan rejse meget hurtigere.

EPFL-forskere er kommet med en afstembar grafen-baseret løsning, der gør det muligt for kredsløb at fungere ved både lave og høje frekvenser med hidtil uset effektivitet. Deres arbejde er udgivet i Nanobogstaver .

Den nye grafenbaserede løsning, som blev udviklet i Nanoelectronic Devices Laboratory, er designet til at erstatte afstembare kondensatorer, som kan findes i alle trådløse enheder. Den nye enhed "tuner" kredsløbene til forskellige frekvenser, så de kan fungere på tværs af en lang række frekvensbånd. Den opfylder også andre behov, som hverken MEMS- eller MOS-kondensatorer kan:god ydeevne ved høj frekvens, miniaturisering og muligheden for at blive tunet ved hjælp af lav energi.

EPFL-forskerne overvandt disse forhindringer med en grafen-baseret kondensator, der er kompatibel med traditionelle kredsløb. Enheden bruger meget lidt energi og, over 2,1 GHz, udkonkurrerer nemt sine konkurrenter og har et miniaturiseret design. "Overfladearealet af et konventionelt MEMS-system skulle være tusind gange større for at få kapacitansværdien, " sagde Clara Moldovan.

Hvordan virker det?

Forskernes gennembrud er baseret på en smart sandwichstruktur, der tager hensyn til grafens unikke egenskaber. "Da grafen blev opdaget for mere end 10 år siden, det vakte virkelig opsigt, " sagde Moldovan. "Det blev betragtet som et mirakelmateriale:det er en meget god elektrisk og termisk leder, og det er fleksibelt, letvægts, gennemsigtig og robust. Men forskere opdagede, at det var svært at integrere i elektroniske systemer, fordi dets atomtykkelse giver det høj effektiv modstand."

Den sandwichformede struktur udnytter det faktum, at en todimensionel gas af elektroner i en kvantebrønd kan opføre sig som en kvantekapacitans. Dette er fordi det følger Pauli Exclusion Princippet, ifølge hvilken en vis mængde energi er nødvendig for at fylde en kvantebrønd med elektroner. Kvantekapacitans kan let måles i et enkelt-atom lag af grafen, og den vigtigste fordel er, at den kan indstilles ved at variere ladningstætheden i grafen med en meget lav spænding.

"Det er ved at anvende spænding, at vi kan 'tune' vores kondensatorer til en given frekvens, ligesom at indstille en radio for at få forskellige stationer, sagde Moldovan, artiklens hovedforfatter.

Mange fordele

EPFL-forskernes enhed, som kun er flere hundrede mikrometer (omkring 0,05 cm) lang og bred, kan være stiv eller fleksibel, er let miniaturiseret, og bruger meget lidt energi. Potentielle anvendelser er talrige. Ud over at forbedre strømmen af ​​data mellem tilsluttede enheder, det kan forlænge batteriets levetid og føre til stadig mere kompakte enheder. I sin fleksible tilstand, det kunne nemt bruges i sensorer placeret i tøj eller direkte på den menneskelige krop. "Vores resultater bekræfter, at grafen virkelig kan revolutionere fremtiden for trådløs kommunikation, sagde Moldovan.

Slutteknologien bliver en hybrid, hvor grafen vil blive parret med avancerede siliciumteknologier. "Nogle har hævdet, at grafen en dag vil erstatte siliciumteknologi, " sagde Adrian Ionescu, lederen af ​​Nanolab. "Men i virkeligheden, grafen er mest effektivt inden for elektronikken, når det kombineres med funktionelle siliciumblokke."