PFL-onderzoekers hebben een afstembare, op grafeen gebaseerd apparaat dat de snelheid en efficiëntie van draadloze communicatiesystemen aanzienlijk zou kunnen verhogen. Hun systeem werkt op zeer hoge frequenties, ongekende resultaten opleveren.

Draadloze communicatie is er in vele vormen - zoals mobiele telefoons die gebruikmaken van 4G- of 5G-connectiviteit, GPS-apparaten, en computers die via Bluetooth zijn verbonden met draagbare sensoren - en werken in verschillende frequentiebanden. Om op meerdere platforms te werken, verbonden objecten moeten compatibel zijn met een hele reeks frequenties zonder te worden belast door overmatige hardware.

meest draagbare, draadloze systemen zijn momenteel uitgerust met herconfigureerbare circuits die de antenne kunnen aanpassen om gegevens in de verschillende frequentiebanden te verzenden en ontvangen. Het enige probleem is dat de technologieën die momenteel beschikbaar zijn, zoals MEMS en MOS, met behulp van silicium of metaal, werken niet goed bij hoge frequenties. En dat is waar gegevens veel sneller kunnen reizen.

EPFL-onderzoekers hebben een afstembare, op grafeen gebaseerde oplossing bedacht waarmee circuits met ongekende efficiëntie op zowel lage als hoge frequenties kunnen werken. Hun werk is gepubliceerd in Nanoletters .

De nieuwe op grafeen gebaseerde oplossing, die werd ontwikkeld in het Nanoelectronic Devices Laboratory, is ontworpen om afstembare condensatoren te vervangen, die in alle draadloze apparaten te vinden is. Het nieuwe apparaat "stemt" de circuits af op verschillende frequenties, zodat ze over een breed scala aan frequentiebanden kunnen werken. Het voldoet ook aan andere behoeften die noch MEMS- noch MOS-condensatoren kunnen:goede prestaties bij hoge frequentie, miniaturisatie en het vermogen om met lage energie te worden afgestemd.

De EPFL-onderzoekers overwonnen deze obstakels met een op grafeen gebaseerde condensator die compatibel is met traditionele circuits. Het apparaat verbruikt zeer weinig energie en boven 2,1 GHz, presteert gemakkelijk beter dan zijn concurrenten en heeft een geminiaturiseerd ontwerp. "Het oppervlak van een conventioneel MEMS-systeem zou duizend keer groter moeten zijn om de capaciteitswaarde te krijgen, ' zei Clara Moldavië.

Hoe werkt het?

De doorbraak van de onderzoekers is gebaseerd op een slimme sandwichstructuur die rekening houdt met de unieke eigenschappen van grafeen. "Toen grafeen meer dan 10 jaar geleden werd ontdekt, het veroorzaakte een ware opschudding, " zei Moldavië. "Het werd beschouwd als een wondermateriaal:het is een zeer goede elektrische en thermische geleider en het is flexibel, lichtgewicht, transparant en stevig. Maar onderzoekers ontdekten dat het moeilijk te integreren was in elektronische systemen omdat de atomaire dikte het een hoge effectieve weerstand geeft."

De sandwichvormige structuur maakt gebruik van het feit dat een tweedimensionaal gas van elektronen in een kwantumput zich kan gedragen als een kwantumcapaciteit. Dit komt omdat het het Pauli-uitsluitingsprincipe volgt, volgens welke een bepaalde hoeveelheid energie nodig is om een ​​kwantumput met elektronen te vullen. Kwantumcapaciteit kan eenvoudig worden gemeten in een grafeenlaag met één atoom, en het belangrijkste voordeel is dat het afstembaar is door de ladingsdichtheid in grafeen te variëren met een zeer lage spanning.

"Door spanning toe te passen, kunnen we onze condensatoren 'afstemmen' op een bepaalde frequentie, net als het afstemmen van een radio om verschillende zenders te krijgen, " zei Moldavië, de hoofdauteur van het artikel.

Veel voordelen

Het apparaat van de EPFL-onderzoekers, die slechts enkele honderden micrometers (ongeveer 0,05 cm) lang en breed is, kan stijf of flexibel zijn, is gemakkelijk te verkleinen, en verbruikt zeer weinig energie. Mogelijke toepassingen zijn talrijk. Naast het verbeteren van de gegevensstroom tussen aangesloten apparaten, het kan de levensduur van de batterij verlengen en leiden tot steeds compactere apparaten. In zijn flexibele staat, het kan gemakkelijk worden gebruikt in sensoren die in kleding of direct op het menselijk lichaam worden geplaatst. "Onze resultaten bevestigen dat grafeen echt een revolutie teweeg kan brengen in de toekomst van draadloze communicatie, ' zei Moldaviër.

De eindtechnologie zal een hybride zijn waarin grafeen wordt gecombineerd met geavanceerde siliciumtechnologieën. "Sommigen hebben beweerd dat grafeen op een dag de siliciumtechnologie zal vervangen, " zei Adrian Ionescu, het hoofd van het Nanolab. "Maar in werkelijkheid, grafeen is het meest effectief op het gebied van elektronica wanneer het wordt gecombineerd met functionele siliciumblokken."