(Phys.org) —Forskare inom el- och datorteknik vid University of California, Santa Barbara har introducerat och modellerat ett designschema för integrerade kretsar där transistorer och sammankopplingar är monolitiskt mönstrade sömlöst på ett ark av grafen, ett 2-dimensionellt plan av kolatomer. Demonstrationen erbjuder möjligheter för ultra energieffektiva, flexibel, och transparent elektronik.

Bulkmaterial som vanligtvis används för att göra CMOS-transitatorer och sammankopplingar utgör grundläggande utmaningar i kontinuerlig krympning av deras funktionsstorlekar och lider av ökande "kontaktmotstånd" mellan dem, båda leder till försämrad prestanda och ökad energiförbrukning. Grafenbaserade transistorer och sammankopplingar är en lovande nanoskalateknologi som potentiellt skulle kunna lösa problem med traditionella kiselbaserade transistorer och metallsammankopplingar.

"Förutom dess atomärt tunna och orörda ytor, grafen har ett avstämbart bandgap, som kan justeras genom litografisk skiss av mönster - smala grafenband kan göras halvledande medan bredare band är metalliska. Därav, sammanhängande grafenband kan föreställas från samma utgångsmaterial för att designa både aktiva och passiva enheter på ett sömlöst sätt och lägre gränssnitt/kontaktmotstånd, " förklarade Kaustav Banerjee, professor i elektro- och datateknik och chef för Nanoelectronics Research Lab vid UCSB. Banerjees forskargrupp inkluderar också UCSB -forskare Jiahao Kang, Deblina Sarkar och Yasin Khatami. Deras arbete publicerades nyligen i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik .

"Exakt utvärdering av elektrisk transport genom de olika grafen nanorribbon-baserade enheterna och sammankopplingarna och över deras gränssnitt var nyckeln till vår framgångsrika kretsdesign och optimering, " förklarade Jiahao Kang, en doktorand i Banerjees grupp och en medförfattare till studien. Banerjees grupp var banbrytande för en metod med hjälp av Non-Equilibrium Green's Function (NEGF) -tekniken för att utvärdera prestandan hos sådana komplexa kretsscheman som involverar många heterojunctions. Denna metod användes för att designa en logikkrets av "helt grafen" som rapporterades i denna studie.

"Detta arbete har visat en lösning för det allvarliga kontaktresistansproblemet som man stöter på i konventionell halvledarteknologi genom att tillhandahålla en innovativ idé om att använda ett sammankopplingsschema för enheter helt grafen. Detta kommer att avsevärt förenkla IC-tillverkningsprocessen för grafenbaserade nanoelektroniska enheter." kommenterade Philip Kim, professor i fysik vid Columbia University, och en känd vetenskapsman i grafenvärlden.

Som rapporterats i deras studie, de föreslagna helgrafenkretsarna har uppnått 1,7 gånger högre brusmarginaler och 1-2 decennier lägre statisk strömförbrukning jämfört med nuvarande CMOS-teknik. Enligt Banerjee, med de pågående världsomspännande ansträngningarna för mönstring och dopning av grafen, sådana kretsar kan realiseras inom en snar framtid.

"Vi hoppas att detta arbete kommer att uppmuntra och inspirera andra forskare att utforska grafen och bortom-grafen framväxande 2-dimensionella kristaller för att designa sådana "bandgap-konstruerade" kretsar inom en snar framtid, " lade Banerjee till.