211service.com
Tranzystory grafenowe spełniają potrójną rolę w komunikacji bezprzewodowej
Potencjał grafenu został dostrzeżony na początku tego miesiąca, kiedy ci, którzy jako pierwsi zbadali go w laboratorium, zdobyli w 2010 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Ale naukowcy dopiero zaczynają zastanawiać się, jak wykorzystać nowy materiał węglowy w urządzeniach elektronicznych.
Potrójny tranzystor: Pojedyncze tranzystory grafenowe, takie jak ten, mogą działać w trzech trybach i wykonywać funkcje, które zwykle wymagają wielu tranzystorów w obwodzie.
Naukowcy zbudowali już niesamowicie szybkie tranzystory grafenowe. Teraz wykorzystali grafen do stworzenia tranzystora, który można przełączać między trzema różnymi trybami pracy, co w konwencjonalnych obwodach musi być realizowane przez trzy oddzielne tranzystory. Te konfigurowalne tranzystory mogą prowadzić do bardziej kompaktowych chipów do wysyłania i odbierania sygnałów bezprzewodowych.
Chipy, które wykorzystują mniej tranzystorów, zachowując te same funkcje, mogą być tańsze, zużywać mniej energii i zwalniać miejsce w przenośnych urządzeniach elektronicznych, takich jak smartfony, w których jest mało miejsca. Nowy tranzystor grafenowy to urządzenie analogowe, używane do komunikacji bezprzewodowej w zestawach słuchawkowych Bluetooth i znacznikach identyfikacji radiowej (RFID).
Doskonała struktura grafenu na poziomie atomowym zapewnia płynną żeglugę elektronom, a materiał przewodzi elektrony lepiej niż jakikolwiek inny materiał w temperaturze pokojowej. Do tej pory był używany do wytwarzania tranzystorów, które przełączają się z prędkością około 100 gigaherców, czyli 100 miliardów razy na sekundę, 10 razy szybciej niż najlepsze tranzystory krzemowe; przewiduje się, że z materiału można zrobić tranzystory, które są nawet 1000 razy szybsze. A ponieważ grafen jest gładki i płaski, powinien być kompatybilny ze sprzętem do wytwarzania chipów w fabrykach półprzewodników.
Ale grafen oferuje inne właściwości, poza tym, że jest świetnym przewodnikiem elektronów, mówi Kartik Mohanram , profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Rice. Możliwa jest również zmiana zachowania tranzystora grafenowego w locie, czego nie można zrobić w przypadku konwencjonalnych tranzystorów krzemowych. Tranzystory, które tworzą konwencjonalne krzemowe obwody logiczne, mogą zachowywać się tylko na jeden z dwóch sposobów, zwany n dla ujemnego lub p dla dodatniego – albo kontrolują przepływ elektronów, przepływ dziur lub ładunków dodatnich. To, czy konwencjonalny tranzystor jest typu p, czy typu n, jest określane podczas produkcji. Ale grafen jest dwubiegunowy: może przewodzić zarówno ładunki dodatnie, jak i ujemne.
Mohanram zaprojektował tranzystor, który można wymienić, i wykonał go i przetestował za pomocą Aleksander Balandin , profesor inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside. Zmieniając napięcie przyłożone do arkusza grafenu za pomocą trzech bramek elektrycznych, mogli przełączać grafen między trzema różnymi trybami: typu n, typu p oraz trybem, w którym przewodzi on jednakowo ładunek dodatni i ujemny. Ten trójtrybowy tranzystor działa jak wzmacniacz i może być używany do kodowania strumienia danych poprzez zmianę częstotliwości i fazy sygnału. Zmiany fazy i częstotliwości są wykorzystywane do kodowania danych w urządzeniach telekomunikacyjnych, takich jak zestawy słuchawkowe Bluetooth i znaczniki RFID.
Urządzenie Mohanrama i Balandina jest pierwszym, które może wykonać taki poziom przetwarzania sygnału w jednym tranzystorze. Zazwyczaj taka sygnalizacja wymaga wielu tranzystorów. Ich tranzystor jest urządzeniem sprawdzającym koncepcję, ale Mohanram twierdzi, że pokazuje, co może być możliwe z grafenem.
Inne grupy zademonstrowały tranzystory wielomodowe wykorzystujące grafen, nanorurki węglowe i cząsteczki organiczne. Naukowcy twierdzą, że nowy potrójny obwód grafenowy może być kontrolowany lepiej niż te urządzenia.
Kontrola ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu tranzystorów, które są ambipolarne, mówi Subhaszysz Mitrau , profesor elektrotechniki i informatyki na Uniwersytecie Stanforda. Kiedyś uważano, że ambipolarność jest czymś złym, ponieważ zazwyczaj trudno jest kontrolować zachowanie tranzystora ambipolarnego, co utrudnia korzystanie z nich w ogóle.
Mitra zauważa, że korzyści wykazane na poziomie pojedynczego tranzystora muszą teraz zostać zademonstrowane w systemach. Bramki elektryczne potrzebne do kontrolowania zachowania macierzy tranzystorów dwubiegunowych mogą w efekcie znacznie utrudnić projektowanie i wytwarzanie obwodów. Teraz, kiedy pokazali, że potrafią to zrobić, musimy zobaczyć, jakie korzyści przynosi to na poziomie systemu – mówi.
Balandin i Mohanram pracują obecnie nad obwodami grafenowymi, aby przetestować korzyści wynikające z dwubiegunowości na wyższym poziomie. Zmieniają również konstrukcję samych tranzystorów, aby były bardziej wydajne.
Nikt jeszcze nie opublikował żadnych artykułów na temat tworzenia układów scalonych wykonanych z tranzystorów grafenowych, ale Balandin twierdzi, że naukowcy są teraz bliscy złożenia tego wszystkiego w całość. Podczas gdy naukowcy zajmujący się materiałami i wytwórcy urządzeń pracują nad pokonaniem wyzwań związanych z pracą z grafenem, mówi Mohanram, projektanci obwodów powinni dotrzymywać im kroku i kreatywnie myśleć o dwubiegunowości i innych możliwościach, jakie daje grafen i inne nanomateriały. Nowe projekty i nowe sposoby myślenia mogą pozostawać w tyle za rozwojem nowych materiałów, mówi.