(Phys.org) —IBM-onderzoekers hebben 's werelds meest geavanceerde volledig functionele geïntegreerde schakeling gebouwd, gemaakt van grafeen op waferschaal - een nieuw halfgeleidermateriaal dat de potentie heeft om de huidige draadloze apparaten te verbeteren voor goedkopere, communicatie met hoge snelheid. De mijlpaal van nanotechnologie opent nieuwe op koolstof gebaseerde elektronische apparaten en circuittoepassingen die verder gaan dan wat mogelijk is met de huidige siliciumchips.

De unieke elektrische eigenschappen van grafeen hebben geleid tot een enorme wereldwijde onderzoeksinspanning om te profiteren van dit nieuwe materiaal dat bijzonder geschikt is voor draadloze, of radiofrequentie (RF), communicatie. Met de groei van big data-toepassingen, mobiele apparaten met hogere prestaties worden belangrijker om steeds grotere datasets efficiënter te verzenden en ontvangen. Op grafeen gebaseerde circuits kunnen mobiele apparaten zoals smartphones, tablets of draagbare elektronica om veel snellere gegevensbelastingen naar elkaar en naar hun omgeving te verzenden, op een meer kosteneffectieve en energie-efficiënte manier in vergelijking met traditionele technologische oplossingen.

Grafeen is een van de dunste elektronische nanomaterialen en bestaat uit een enkele laag koolstofatomen verpakt in een honingraatstructuur. Het beschikt over uitstekende elektrische, optisch, mechanische en thermische eigenschappen die het mogelijk minder duur en energiezuiniger maken in apparaattoepassingen. Integratie van grafeen RF-apparaten in de goedkope siliciumtechnologie van vandaag zou een manier kunnen zijn om alomtegenwoordige draadloze communicatie mogelijk te maken, waardoor zaken als slimme sensoren en RFID-tags datasignalen op aanzienlijke afstanden kunnen verzenden.

Fabricage van een echte geïntegreerde schakeling is een uitdaging omdat de atomaire afmetingen van een vel grafeen gemakkelijk kunnen worden beschadigd tijdens de fabricagestroom van conventionele geïntegreerde schakelingen. Een leider in grafeenwetenschappelijk en technologisch onderzoek, IBM demonstreerde in 2011 een "proof-of-concept" en liet de wereld zien dat het mogelijk was om een ​​analoge grafeen-geïntegreerde schakeling te bouwen met een breedbandfrequentiemixer. Echter, de prestaties van de grafeentransistor gingen onvermijdelijk achteruit als gevolg van de harde fabricageprocessen. Vanaf dat moment, Wetenschappers van IBM hebben zich gericht op het verbeteren van de apparaatprestaties die geschikt zijn voor moderne draadloze communicatie.

Met behulp van een nieuwe benadering die gebruikmaakt van de reguliere productieprocessen van silicium CMOS, een team van IBM-onderzoekers heeft dit probleem opgelost en 's werelds eerste meertraps grafeen RF-ontvanger gefabriceerd en getest, de meest geavanceerde grafeen-geïntegreerde schakeling tot nu toe. Om echte functionaliteit te demonstreren, de onderzoekers konden een sms-bericht verzenden - zoals je zou verzenden en ontvangen op je smartphone - met behulp van de grafeen-geïntegreerde schakeling, met de letters "I-B-M".

De aangetoonde prestatie is 10, 000 keer beter dan eerder gerapporteerde inspanningen voor grafeen-geïntegreerde schakelingen en is een grote sprong voorwaarts in de realisatie van een echte grafeentechnologie, die mogelijk hogere prestaties en goedkopere draadloze communicatiesystemen zullen bieden.

"Dit is de eerste keer dat iemand grafeenapparaten en -circuits heeft laten zien om moderne draadloze communicatiefuncties uit te voeren die vergelijkbaar zijn met siliciumtechnologie", zegt Supratik Guha, Directeur Exacte Wetenschappen, IBM-onderzoek.

De doorbraak is ook een belangrijke mijlpaal voor het Graphene Open Manufacturing-programma, gefinancierd door DARPA, en gerapporteerd in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd, Natuurcommunicatie .

Hoe het werkt

De nieuwe benadering ontwikkeld door IBM-onderzoekers keert de conventionele fabricagestroom van siliciumgeïntegreerde schakelingen volledig om, grafeentransistors verlaten als de laatste stap van de fabricage van geïntegreerde schakelingen, die de prestaties van grafeenapparaten behoudt. De meertraps grafeen RF-ontvanger geïntegreerde schakeling bestaat uit 3 grafeentransistoren, 4 inductoren, 2 condensatoren, en 2 weerstanden. Alle circuitcomponenten zijn volledig geïntegreerd in een gebied van 0,6 mm2 en gefabriceerd in een 200 mm (of 8 inch) siliciumproductielijn, toont de ongekende complexiteit van grafeencircuits en de hoogste compatibiliteit van silicium CMOS-processen. De nieuwe aanpak maakt ook de mogelijke heterogene 3D-integratie met een silicium CMOS-backbone mogelijk.

Ontvangers zijn een van de belangrijkste componenten in elk draadloos communicatiesysteem. de kringen, verbruiken minder dan 20 mW vermogen om te werken, demonstreerde ook de hoogste conversiewinst van alle grafeen RF-circuits op meerdere GHz-frequenties. Ze hebben met succes digitale tekst ("I-B-M") ontvangen en hersteld, die op een 4,3 GHz-signaal werd verzonden zonder enige vervorming, waaruit de haalbaarheid blijkt van het gebruik van geïntegreerde schakelingen in grafeen in de huidige draadloze GHz-communicatie.