211service.com
Snellere circuits voor mobiele telefoons
Onderzoekers van IBM hebben de snelste geïntegreerde schakelingen tot nu toe gemaakt van grafeen, een materiaal dat veel snellere componenten belooft dan silicium toelaat, maar dat moeilijk is om mee te werken.
Grafeen circuit: Dit integreert een grafeentransistor (in de rode doos) met twee andere elementen, inductoren genaamd, op een enkele chip. De zwarte apparaten aan de zijkanten en bovenkant van de afbeelding zijn elektrische sondes.
Het team toonde aan dat grafeen kan worden gebruikt om snellere, energiezuinigere versies te maken van circuits die radiosignalen in mobiele telefoons en andere draadloze apparaten verwerken en genereren. Ze deden dit met behulp van bestaande productietechnieken, wat suggereert dat hun ontwerpen betaalbaar genoeg zouden kunnen zijn om te commercialiseren.
Dit is echt opwindend werk en het wijst op de snel naderende toekomst van grafeenelektronica, zegt James Tour , hoogleraar scheikunde en informatica aan de Rice University in Houston, Texas, die niet bij het werk betrokken was.
Grafeen, een enkelvoudig atoom dik gaas van koolstofatomen, geleidt elektronen veel sneller dan silicium. Zijn elektronische eigenschappen zijn zodanig dat zijn grootste belofte niet is voor de digitale logische circuits die in microprocessors worden gevonden, maar voor snelle analoge elektronica, zoals die gemaakt door het IBM-team.
Onderzoekers demonstreerden voor het eerst de elektrische belofte van grafeen in 2004, maar ingenieurs hebben sindsdien moeite om grafeencircuits te bouwen met behulp van bestaande productietechnologie. Tot nu toe hebben onderzoekers grafeentransistors gemaakt die kunnen werken met snelheden van 300 gigahertz, wat betekent dat ze 300 miljard keer per seconde in- en uitschakelen, dertig keer sneller dan de beste siliciumtransistors.
Om hun geïntegreerde schakelingen te maken, moesten de IBM-onderzoekers hun grafeentransistors combineren met andere materialen, een uitdaging om twee redenen. Ten eerste, wanneer grafeentransistors te dicht bij bepaalde metalen worden geplaatst, degenereren de prestaties van de transistor. Ten tweede is het lastig om grafeentransistors en andere elementen op een enkele microchip te plaatsen. Vandaag in het journaal Wetenschap , rapporteren de IBM-onderzoekers methoden voor het maken van grafeen-geïntegreerde schakelingen op enkele chips met behulp van bestaande methoden.
De IBM-groep heeft een type circuit gemaakt dat een frequentiemixer wordt genoemd en een grafeentransistor combineert met twee metalen apparaten die inductoren worden genoemd. De frequentiemixer is een van de basisbouwstenen van analoge elektronica, en draadloze communicatie in het bijzonder, zegt IBM-onderzoeker Yu-Ming Lin. Deze apparaten worden gebruikt in mobiele telefoons om het radiosignaal dat wordt gebruikt om informatie te verzenden, om te zetten in een ander signaal in een frequentiebereik dat het menselijk oor kan horen. Dat wordt bereikt door het radiosignaal te mengen met een referentiesignaal.
Voorheen heeft het combineren van grafeen met andere materialen de snelheid van de resulterende elektronica verlaagd. De IBM-groep voorkwam dit door ervoor te zorgen dat andere materialen niet op een schadelijke manier in contact kwamen met grafeen. Ze maakten arrays van grafeentransistors op het oppervlak van siliciumcarbidewafels bedekt met grafeen. Vervolgens etsen ze het extra grafeen rondom de transistors weg, waardoor een helder oppervlak ontstond waar metalen inductoren zich gemakkelijker aan konden hechten. Door te zorgen voor een scheiding tussen de grafeentransistors en de metalen inductoren, werd ook voorkomen dat de elektrische eigenschappen van de transistor achteruit gingen.
De resulterende circuits werken op 10 gigahertz - veel sneller dan eerdere grafeencircuits. Lin geeft toe dat ze minder betrouwbaar zijn dan de state-of-the-art siliciumfrequentiemixers, maar zegt dat ze verwachten dat gat binnenkort te dichten.
De IBM-onderzoekers zijn van plan ze te maken op de schaal van tientallen in plaats van honderden nanometers. Ze kunnen gemakkelijk tien keer kleiner zijn, wat ons zou helpen het record te overtreffen, zegt Lin. We hebben de limieten van grafeenapparaten in termen van snelheid niet gezien - we denken dat ze in het terahertz-bereik kunnen komen.
De volgende stap is het verbeteren van de betrouwbaarheid van de circuits, zegt Xiangfeng Duan , hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Californië, Los Angeles. Het signaal komt er aan de andere kant zwakker uit, merkt hij op. Het verbeteren van de transistors zal helpen om betere circuitprestaties te krijgen.
De IBM-groep werkt aan dit probleem en ontwikkelt meer complexe grafeen-geïntegreerde schakelingen. Lin zegt dat de methode die wordt gebruikt voor de frequentiemixercircuits ook voor andere soorten circuits zal werken. Dit is de eerste stap naar een nieuw niveau van potentieel, zegt hij. Misschien zien we de echte impact van grafeen pas over vijf tot tien jaar.