Een fundamentele bouwsteen van moderne technologie, smoorspoelen zijn overal:mobiele telefoons, laptops, radio's, televisies, auto's. En verrassend, ze zijn in wezen hetzelfde vandaag als in 1831, toen ze voor het eerst werden gemaakt door de Engelse wetenschapper Michael Faraday.

De bijzonder grote inductoren die zijn gemaakt volgens het ontwerp van Faraday zijn een beperkende factor bij het leveren van de geminiaturiseerde apparaten die zullen helpen het potentieel van het internet der dingen te realiseren, die belooft mensen in 2020 met zo'n 50 miljard objecten te verbinden. Dat verheven doel zal naar verwachting een geschatte economische impact hebben van tussen de $ 2,7 en $ 6,2 biljoen per jaar in 2025.

Nutsvoorzieningen, een team bij UC Santa Barbara, onder leiding van Kaustav Banerjee, een professor in de afdeling Electrical and Computer Engineering, heeft een op materialen gebaseerde benadering gekozen om dit fundamentele onderdeel van moderne elektronica opnieuw uit te vinden. De bevindingen verschijnen in het tijdschrift Natuur Elektronica .

Banerjee en zijn UCSB-team - hoofdauteur Jiahao Kang, Junkai Jiang, Xuejun Xie, Jae Hwan Chu en Wei Liu, alle leden van zijn Nanoelectronics Research Lab - werkten samen met collega's van het Shibaura Institute of Technology in Japan en de Shanghai Jiao Tong University in China om het fenomeen kinetische inductie te benutten om een ​​fundamenteel ander soort inductor te demonstreren.

Alle inductoren genereren zowel magnetische als kinetische inductantie, maar in typische metalen geleiders, de kinetische inductantie is zo klein dat deze onmerkbaar is. "De theorie van kinetische inductantie is al lang bekend in de fysica van de gecondenseerde materie, maar niemand gebruikte het ooit voor inductoren, omdat in conventionele metalen geleiders, kinetische inductie is verwaarloosbaar, ' legde Banerjee uit.

In tegenstelling tot magnetische inductie, kinetische inductantie is niet afhankelijk van het oppervlak van de inductor. Liever, kinetische inductantie weerstaat stroomschommelingen die de snelheid van de elektronen veranderen, en de elektronen weerstaan ​​een dergelijke verandering volgens de traagheidswet van Newton.

historisch, naarmate de technologie van transistors en interconnects die ze met elkaar verbinden, is gevorderd, de elementen zijn kleiner geworden. Maar de spoel, die in zijn eenvoudigste vorm een ​​metalen spoel is die om een ​​kernmateriaal is gewikkeld, uitzondering is geweest.

"On-chip inductoren op basis van magnetische inductantie kunnen niet kleiner worden gemaakt op dezelfde manier waarop transistors of interconnects schalen, omdat je een bepaalde oppervlakte nodig hebt om een ​​bepaalde magnetische flux of inductiewaarde te krijgen, " verklaarde hoofdauteur Kang, die onlangs zijn Ph.D. onder toezicht van Banerjee.

Het UCSB-team ontwierp een nieuw soort spiraalinductor die uit meerdere lagen grafeen bestaat. Enkellaags grafeen vertoont een lineaire elektronische bandstructuur en een overeenkomstig grote impulsrelaxatietijd (MRT) - een paar picoseconden of hoger vergeleken met die van conventionele metalen geleiders (zoals koper dat wordt gebruikt in traditionele on-chip inductoren), die varieert van 1/1000 tot 1/100 van een picoseconde. Maar enkellaags grafeen heeft te veel weerstand voor toepassing op een inductor.

Echter, meerlagig grafeen biedt een gedeeltelijke oplossing door een lagere weerstand te bieden, maar tussenlaagkoppelingen zorgen ervoor dat de MRT onvoldoende klein is. De onderzoekers overwonnen dat dilemma met een unieke oplossing:ze brachten chemisch broomatomen in tussen de grafeenlagen - een proces dat intercalatie wordt genoemd - dat niet alleen de weerstand verder verminderde, maar ook de grafeenlagen net genoeg scheidde om ze in wezen te ontkoppelen, het verlengen van de MRT en daardoor het verhogen van de kinetische inductantie.

De revolutionaire spoel, die werkt in het 10-50 GHz-bereik, biedt anderhalf keer de inductantiedichtheid van een traditionele inductor, wat leidt tot een vermindering van het areaal met een derde en tegelijkertijd een extreem hoog rendement biedt. Eerder, hoge inductantie en kleinere afmetingen waren een ongrijpbare combinatie geweest.

"Er is voldoende ruimte om de inductantiedichtheid verder te verhogen door de efficiëntie van het intercalatieproces te vergroten, die we nu onderzoeken, ", zegt co-auteur Jiang.

"We hebben in wezen een nieuw nanomateriaal ontwikkeld om de voorheen 'verborgen fysica' van kinetische inductantie bij kamertemperatuur en in een reeks werkfrequenties die bedoeld zijn voor draadloze communicatie van de volgende generatie, naar voren te brengen, ' voegde Banerjee eraan toe.