Szybsze obwody telefonu komórkowego

Naukowcy z IBM stworzyli najszybsze dotychczas układy scalone z grafenu, materiału, który obiecuje znacznie szybsze komponenty niż pozwala na to krzem, ale który okazał się trudny w obróbce.

Obwód grafenu: To integruje tranzystor grafenowy (wewnątrz czerwonego pudełka) z dwoma innymi elementami, zwanymi cewkami, w jednym chipie. Czarne urządzenia po bokach iu góry obrazu to sondy elektryczne.

Zespół wykazał, że grafen można wykorzystać do tworzenia szybszych, bardziej energooszczędnych wersji obwodów przetwarzających i generujących sygnały radiowe w telefonach komórkowych i innych urządzeniach bezprzewodowych. Zrobili to, korzystając z istniejących technik produkcyjnych, co sugeruje, że ich projekty mogą być wystarczająco przystępne do komercjalizacji.

To naprawdę ekscytująca praca i wskazuje na szybko nadchodzącą przyszłość elektroniki grafenowej, mówi James Tour , profesor chemii i informatyki na Rice University w Houston w Teksasie, który nie był zaangażowany w prace.

Grafen, siatka atomów węgla o grubości jednego atomu, przewodzi elektrony znacznie szybciej niż krzem. Jego właściwości elektroniczne są takie, że największą obietnicą jest nie cyfrowe obwody logiczne znajdujące się w mikroprocesorach, ale szybka elektronika analogowa, taka jak te stworzone przez zespół IBM.

Naukowcy po raz pierwszy zademonstrowali elektryczną obietnicę grafenu w 2004 roku, ale od tego czasu inżynierowie mają trudności z budową obwodów grafenowych przy użyciu istniejącej technologii produkcyjnej. Do tej pory naukowcy stworzyli tranzystory grafenowe, które mogą działać z prędkością 300 gigaherców, co oznacza, że ​​włączają się i wyłączają 300 miliardów razy na sekundę, trzydzieści razy szybciej niż najlepsze tranzystory krzemowe.

Aby stworzyć swoje układy scalone, naukowcy IBM musieli połączyć swoje tranzystory grafenowe z innymi materiałami, co było wyzwaniem z dwóch powodów. Po pierwsze, gdy tranzystory grafenowe są umieszczone zbyt blisko niektórych metali, wydajność tranzystora ulega pogorszeniu. Po drugie, umieszczenie tranzystorów grafenowych i innych elementów na jednym mikroukładzie jest trudne. Dziś w dzienniku Nauka , naukowcy IBM opisują metody wytwarzania grafenowych układów scalonych na pojedynczych chipach przy użyciu istniejących metod.

Grupa IBM stworzyła rodzaj obwodu zwany mikserem częstotliwości, łączący jeden tranzystor grafenowy i dwa metalowe urządzenia zwane cewkami indukcyjnymi. Mikser częstotliwości jest jednym z podstawowych elementów elektroniki analogowej, aw szczególności komunikacji bezprzewodowej, mówi Yu-Ming Lin, naukowiec IBM. Urządzenia te są używane w telefonach komórkowych do konwersji sygnału radiowego używanego do przesyłania informacji na inny sygnał w zakresie częstotliwości słyszanym przez ludzkie ucho. Osiąga się to poprzez zmiksowanie sygnału radiowego z sygnałem referencyjnym.

Wcześniej łączenie grafenu z innymi materiałami zmniejszało prędkość powstałej elektroniki. Grupa IBM zapobiegła temu, upewniając się, że inne materiały nie stykają się z grafenem w szkodliwy sposób. Stworzyli macierze tranzystorów grafenowych na powierzchni płytek z węglika krzemu pokrytych grafenem. Następnie wytrawiono dodatkowy grafen otaczający tranzystory, pozostawiając przezroczystą powierzchnię, do której łatwiej było przykleić metalowe cewki indukcyjne. Zapewnienie separacji między tranzystorami grafenowymi a metalowymi cewkami zapobiegało również degradacji właściwości elektrycznych tranzystora.

Powstałe obwody działają z częstotliwością 10 gigaherców — znacznie szybciej niż poprzednie obwody grafenowe. Lin przyznaje, że są one mniej niezawodne niż najnowocześniejsze krzemowe miksery częstotliwości, ale spodziewają się wkrótce zlikwidować tę lukę.

Badacze IBM planują wykonać je w skali dziesiątek, a nie setek nanometrów. Z łatwością mogą być dziesięć razy mniejsze, co pomogłoby nam pobić rekord, mówi Lin. Nie widzieliśmy ograniczeń urządzeń grafenowych pod względem szybkości — uważamy, że mogą one osiągnąć zakres terahercowy.

Następnym krokiem jest poprawa niezawodności obwodów, mówi Xiangfeng Duan , profesor chemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles. Zauważa, że ​​sygnał na drugim końcu jest słabszy. Ulepszenie tranzystorów pomoże uzyskać lepszą wydajność obwodu.

Grupa IBM pracuje nad tym problemem i opracowuje bardziej złożone układy scalone grafenowe. Lin mówi, że metoda zastosowana w obwodach miksera częstotliwości będzie działać dla innych typów obwodów. To pierwszy krok w kierunku nowego poziomu potencjału, mówi. Być może nie zobaczymy prawdziwego wpływu grafenu przez kolejne pięć do dziesięciu lat.

ukryć