Genopfinder induktoren

En grundlæggende byggesten i moderne teknologi, induktorer er overalt:mobiltelefoner, bærbare computere, radioer, fjernsyn, biler. Og overraskende, de er stort set de samme i dag som i 1831, da de første gang blev skabt af den engelske videnskabsmand Michael Faraday.

Den særligt store størrelse af induktorer fremstillet i henhold til Faradays design er en begrænsende faktor i leveringen af ​​de miniaturiserede enheder, der vil hjælpe med at realisere potentialet i Internet of Things, som lover at forbinde mennesker til omkring 50 milliarder objekter inden 2020. Det høje mål forventes at have en anslået økonomisk indvirkning mellem $ 2,7 og $ 6,2 billioner årligt inden 2025.

Nu, et team på UC Santa Barbara, ledet af Kaustav Banerjee, professor ved Institut for Elektro- og Computerteknik, har taget en materialebaseret tilgang til at genopfinde denne grundlæggende komponent i moderne elektronik. Resultaterne fremgår af journalen Naturelektronik .

Banerjee og hans UCSB-team – hovedforfatter Jiahao Kang, Junkai Jiang, Xuejun Xie, Jae Hwan Chu og Wei Liu, alle medlemmer af hans Nanoelectronics Research Lab - arbejdede sammen med kolleger fra Shibaura Institute of Technology i Japan og Shanghai Jiao Tong University i Kina for at udnytte fænomenet kinetisk induktans til at demonstrere en fundamentalt anderledes slags induktor.

Alle induktorer genererer både magnetisk og kinetisk induktans, men i typiske metalledere, den kinetiske induktans er så lille, at den ikke kan mærkes. "Teorien om kinetisk induktans har længe været kendt i fysik af kondenseret stof, men ingen har nogensinde brugt det til induktorer, fordi i konventionelle metalliske ledere, kinetisk induktans er ubetydelig, " forklarede Banerjee.

I modsætning til magnetisk induktans, kinetisk induktans afhænger ikke af induktorens overfladeareal. Hellere, kinetisk induktans modstår strømudsving, der ændrer elektronernes hastighed, og elektronerne modstår en sådan ændring ifølge Newtons inertilov.

Historisk set, efterhånden som teknologien for transistorer og sammenkoblinger, der forbinder dem, har udviklet sig, elementerne er blevet mindre. Men induktoren, som i sin enkleste form er en metallisk spole viklet omkring et kernemateriale, har været undtagelsen.

"On-chip induktorer baseret på magnetisk induktans kan ikke gøres mindre på samme måde som transistorer eller sammenkoblinger skala, fordi du har brug for en vis overflade for at få en bestemt magnetisk flux eller induktansværdi, "forklarede hovedforfatter Kang, der for nylig afsluttede sin ph.d. under Banerjees opsyn.

UCSB-teamet designede en ny slags spiralinduktor bestående af flere lag grafen. Enkeltlagsgrafen udviser en lineær elektronisk båndstruktur og en tilsvarende stor momentum afslapningstid (MRT) - nogle få picosekunder eller højere sammenlignet med konventionelle metalliske ledere (som kobber brugt i traditionelle on-chip induktorer). som spænder fra 1/1000 til 1/100 af et picosekund. Men enkeltlagsgrafen har for meget modstand til påføring på en induktor.

Imidlertid, flerlags grafen tilbyder en delvis løsning ved at give lavere modstand, men mellemlagskoblinger får dens MRT til at være utilstrækkeligt lille. Forskerne overvandt dette dilemma med en unik løsning:De indsatte kemisk bromatomer mellem grafenlagene - en proces kaldet interkalation - som ikke kun reducerede modstanden yderligere, men også adskilte grafenlagene lige nok til i det væsentlige at afkoble dem, forlængelse af MRT og derved øge kinetisk induktans.

Den revolutionære induktor, som fungerer i 10-50 GHz-området, tilbyder en og en halv gange induktansdensiteten af ​​en traditionel induktor, fører til en tredjedel reduktion af arealet samtidig med, at den giver ekstrem høj effektivitet. Tidligere, høj induktans og reduceret størrelse havde været en uhåndgribelig kombination.

"Der er masser af plads til at øge induktanstætheden yderligere ved at øge effektiviteten af ​​interkalationsprocessen, som vi nu udforsker, "sagde medforfatter Jiang.

"Vi konstruerede i det væsentlige et nyt nanomateriale for at bringe den tidligere 'skjulte fysik' frem af kinetisk induktans ved stuetemperatur og i en række driftsfrekvenser målrettet til næste generation af trådløs kommunikation, "Tilføjede Banerjee.