(PhysOrg.com) -- Forskning från Rice University som drar nytta av grafenens omfattande kapacitet kan leda till kretsapplikationer som är mycket mer kompakta och mångsidiga än vad som nu är möjligt med kiselbaserad teknologi.

Trippelläge, enkeltransistorförstärkare baserade på grafen - den enatomtjocka formen av kol som nyligen vann sina upptäckare ett Nobelpris - kan bli nyckelkomponenter i framtida elektroniska kretsar. Upptäckten av Rice-forskare rapporterades denna vecka i online-tidskriften ACS Nano .

Grafen är mycket starkt, nästan transparent och leder elektricitet mycket bra. Men en annan nyckelegenskap är ambipolaritet, grafens förmåga att växla mellan att använda positiva och negativa bärare i farten beroende på ingångssignalen. Traditionella kiseltransistorer använder vanligtvis den ena eller andra typen av bärare, som bestäms under tillverkningen.

En treterminals enkeltransistorförstärkare gjord av grafen kan ändras under drift till vilket som helst av tre lägen när som helst med hjälp av bärvågor som är positiva, negativt eller båda, ger möjligheter som inte är möjliga med traditionella enkeltransistorarkitekturer, sa Kartik Mohanram, en biträdande professor i el- och datateknik vid Rice. Han samarbetade i forskningen med Alexander Balandin, professor i elektroteknik vid University of California, Riverside, och deras elever Xuebei Yang (vid Rice) och Guanxiong Liu (vid Riverside).

Mohanram liknade den nya transistorns förmåga med en vattenkran. "Slå på den och vattnet rinner, " sa han. "Stäng av den och vattnet stannar. Det är vad en traditionell transistor gör. Det är en unipolär enhet - den öppnar och stängs bara i en riktning."

"Men om du stänger en kran för mycket, den öppnar igen och vatten rinner. Det är vad ambipolaritet är - ström kan flyta när du öppnar transistorn i endera riktningen runt en punkt med minsta ledning."

Bara det betyder att en grafentransistor kan vara "n-typ" (negativ) eller "p-typ" (positiv), beroende på om bäraren kommer från source- eller drain-terminalerna (som i praktiken är utbytbara). En tredje funktion visas när insignalen från varje bärvåg är lika:Transistorn blir en frekvensmultiplikator. Genom att kombinera de tre lägena, Rice-Riverside-teamet demonstrerade sådana vanliga signalsystem som fas- och frekvensskiftnyckel för trådlösa och ljudtillämpningar.

"Vårt arbete, och andras, som fokuserar på tillämpningarna av ambipolaritet kompletterar ansträngningarna att göra en bättre transistor med grafen, " sade Mohanram. "Det lovar mer funktionalitet." Forskningen visade att en enda grafentransistor potentiellt kan ersätta många i en typisk integrerad krets, han sa. Grafens överlägsna materialegenskaper och relativa kompatibilitet med silikonbaserad tillverkning bör möjliggöra integration av sådana kretsar i framtiden, han lade till.

Tekniska vägspärrar måste övervinnas, sa Mohanram. Sådana tillverkningssteg som dielektrisk avsättning och att skapa kontakter "sluter upp och stör gallret, repa den och införa defekter. Det försämrar omedelbart dess prestanda (begränsar signalförstärkningen), så vi måste vara mycket försiktiga i tillverkningen.

"Men tekniken kommer att mogna, eftersom så många forskargrupper arbetar hårt för att möta dessa utmaningar, " han sa.