Onze wereld heeft meer dan ooit behoefte aan betrouwbare telecommunicatie. Echter, klassieke apparaten hebben beperkingen in termen van grootte en kosten en, vooral, stroomverbruik, dat rechtstreeks verband houdt met de uitstoot van broeikasgassen. Grafeen kan dit veranderen en de toekomst van breedband transformeren. Nutsvoorzieningen, Graphene Flagship-onderzoekers hebben een fabricagetechnologie op wafelschaal bedacht die, dankzij vooraf bepaalde grafeen-eenkristalsjablonen, maakt integratie in siliciumwafels mogelijk, automatisering mogelijk maken en de weg vrijmaken voor grootschalige productie.

Dit werk, gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift ACS Nano , is een geweldig voorbeeld van een samenwerking die wordt gestimuleerd door het Graphene Flagship-ecosysteem. Het rekende op de deelname van verschillende Graphene Flagship-partnerinstellingen zoals CNIT en het Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), in Italië, het Cambridge Graphene Centre aan de Universiteit van Cambridge, VK, en Graphene Flagship Associated Member en spin-off CamGraphIC. Verder, Graphene Flagship-linked derde partij INPHOTEC en onderzoekers van het Tecip Institute in Italië leverden de fabricage van de grafeen-fotonica-geïntegreerde schakelingen. Via het Wafer-scale Integration Work Package en speerpuntprojecten zoals Metrograph, het Graphene Flagship bevordert de samenwerking tussen de academische wereld en toonaangevende industrieën om prototypes en producten op hoogtechnologisch gereedheidsniveau te ontwikkelen, totdat ze marktexploitatie kunnen bereiken.

De nieuwe fabricagetechniek wordt mogelijk gemaakt door de toepassing van grafeenarrays met één kristal. "Traditioneel, bij het streven naar integratie op waferschaal, men laat een laag grafeen ter grootte van een wafeltje groeien en brengt dat vervolgens over op silicium, " legt Camilla Coletti uit, coördinator van IIT's Graphene Labs, die de studie mede leidde. "Het overbrengen van een atoomdikke laag grafeen over wafels met behoud van de integriteit en kwaliteit is een uitdaging", voegt ze eraan toe. "Het kristal zaaien, de groei- en overdrachtstechniek die in dit werk is toegepast, zorgt ervoor dat grafeen op waferschaal met hoge mobiliteit precies daar waar nodig is:een groot voordeel voor de schaalbare fabricage van fotonische apparaten zoals modulatoren, ’ vervolgt Coletti.

Geschat wordt dat, tegen 2023, de wereld zal meer dan 28 miljard verbonden apparaten zien, waarvan de meeste 5G nodig hebben. Deze uitdagende eisen vragen om nieuwe technologieën. "Silicium en germanium alleen hebben beperkingen, maar grafeen biedt veel voordelen, " zegt Marco Romagnoli van Graphene Flagship-partner CNIT, gekoppelde derde partij INPHOTEC, en geassocieerd lid CamGraphiC, die de studie mede leidde. "Deze methode stelt ons in staat om meer dan 12.000 grafeenkristallen in één wafer te verkrijgen, overeenkomen met de exacte configuratie en dispositie die we nodig hebben voor fotonische apparaten met grafeen, " voegt hij eraan toe. Bovendien, het proces is compatibel met bestaande geautomatiseerde fabricagesystemen, die de industriële opname en implementatie zal versnellen.

In een andere publicatie in Natuurcommunicatie , onderzoekers van Graphene Flagship-partners CNIT, Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), in Italië, Nokia, inclusief hun teams in Italië en Duitsland, Graphene Flagship-linked derde partij INPHOTEC en onderzoekers van Tecip, gebruikten deze aanpak om een ​​praktische implementatie te demonstreren:"We gebruikten onze techniek om snelle grafeenfotodetectoren te ontwerpen, " zegt Coletti. "Samen, deze vooruitgang zal de commerciële implementatie van op grafeen gebaseerde fotonische apparaten versnellen, " zij voegt toe.

Fotonische apparaten met grafeen bieden verschillende voordelen. Ze absorberen licht van ultraviolet tot ver-infrarood - dit zorgt voor ultrabreedbandcommunicatie. Grafeenapparaten kunnen ultrahoge mobiliteit van dragers hebben - elektronen en gaten - waardoor gegevensoverdracht mogelijk is die de best presterende ethernetnetwerken overtreft, de grens van 100 gigabit per seconde doorbreken.

Het verminderen van de energetische eisen van telecom en datacom is van fundamenteel belang om duurzamere oplossingen te bieden. Momenteel, Informatie- en communicatietechnologieën zijn nu al verantwoordelijk voor bijna 4% van alle broeikasgasemissies, vergelijkbaar met de CO2-voetafdruk van de luchtvaartindustrie, zal naar verwachting toenemen tot ongeveer 14% in 2040. "In grafeen, bijna alle energie van licht kan worden omgezet in elektrische signalen, die het energieverbruik enorm vermindert en de efficiëntie maximaliseert, ", voegt Romagnoli toe.

Frank Koppens, Graphene Flagship Leader voor fotonica en opto-elektronica, zegt:"Dit is de eerste keer dat grafeen van hoge kwaliteit is geïntegreerd op de wafelschaal. Het werk toont directe relevantie door hoge-opbrengst en snelle absorptiemodulatoren te onthullen. Deze indrukwekkende prestaties brengen de commercialisering van grafeen-apparaten in 5G-communicatie heel dichtbij."

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer van het Graphene Flagship en voorzitter van het Management Panel voegde toe:"Dit werk is een belangrijke mijlpaal voor het Graphene Flagship. Een nauwe samenwerking tussen academische en industriële partners heeft eindelijk een proces op waferschaal ontwikkeld voor grafeenintegratie. Gieterij is niet langer een ver doel, maar het begint vandaag."