(Phys.org) – IBM-forskare har byggt världens mest avancerade fullt fungerande integrerade krets gjord av grafen i wafer-skala – ett nytt halvledarmaterial som har potential att förbättra dagens trådlösa enheter för billigare, höghastighetskommunikation. Den nanoteknologiska milstolpen öppnar upp för nya kolbaserade elektronikenheter och kretsapplikationer utöver vad som är möjligt med dagens kiselchips.

De unika elektriska egenskaperna hos grafen har lett till en enorm världsomfattande forskningsinsats för att dra nytta av detta nya material som är särskilt lämpligt för trådlösa, eller radiofrekvens (RF), kommunikation. Med tillväxten av big data-applikationer, högre prestanda mobila enheter blir viktigare att överföra och ta emot ständigt ökande datamängder mer effektivt. Grafenbaserade kretsar kan tillåta mobila enheter som smarta telefoner, surfplattor eller bärbar elektronik för att överföra mycket snabbare dataladdningar till varandra och till sin omgivning, på ett mer kostnadseffektivt och energieffektivt sätt jämfört med traditionella tekniska lösningar.

Grafen är ett av de tunnaste elektroniska nanomaterialen och består av ett enda lager av kolatomer packade i en bikakestruktur. Den har enastående elektriska, optisk, mekaniska och termiska egenskaper som gör det potentiellt billigare och mer energieffektivt i enhetstillämpningar. Integrering av grafen RF-enheter i dagens billiga kiselteknologi kan vara ett sätt att möjliggöra genomgripande trådlös kommunikation som tillåter sådana saker som smarta sensorer och RFID-taggar att skicka datasignaler på betydande avstånd.

Tillverkning av en äkta integrerad krets är utmanande eftersom de atomära dimensionerna av ett ark grafen lätt kan skadas under tillverkningsflödet av konventionella integrerade kretsar. En ledare inom grafenvetenskap och teknologiforskning, IBM demonstrerade ett "proof-of-concept" 2011 som visade världen att det var möjligt att bygga en analog grafenintegrerad krets med en bredbandsfrekvensblandare. Dock, grafen -transistors prestanda försämrades oundvikligen på grund av de hårda tillverkningsprocesserna. Sedan dess, IBM-forskare har fokuserat på att förbättra enhetens prestanda som är lämplig för modern trådlös kommunikation.

Genom att använda ett nytt tillvägagångssätt som utnyttjar vanliga kisel-CMOS-tillverkningsprocesser, ett team av IBM-forskare har löst detta problem och tillverkat och testat världens första flerstegs grafen RF-mottagare, den mest sofistikerade grafen integrerade kretsen hittills. För att visa verklig funktionalitet, forskarna kunde överföra ett textmeddelande - som du skulle skicka och ta emot på din smartphone - med hjälp av den integrerade grafenkretsen, visar bokstäverna "I-B-M".

Den visade prestandan är 10, 000 gånger bättre än tidigare rapporterade ansträngningar för grafenintegrerade kretsar och är ett stort steg framåt i förverkligandet av en sann grafenteknik, vilket potentiellt kommer att ge högre prestanda och billigare trådlösa kommunikationssystem.

"Det här är första gången som någon har visat grafenenheter och kretsar för att utföra moderna trådlösa kommunikationsfunktioner jämförbara med kiselteknologi", sa Supratik Guha, Direktör för fysikaliska vetenskaper, IBM Research.

Genombrottet är också en viktig milstolpe för Graphene Open Manufacturing-programmet, finansierat av DARPA, och rapporterade i en tidning som publicerades i dag i tidskriften, Naturkommunikation .

Hur det fungerar

Det nya tillvägagångssättet som utvecklats av IBM-forskare vänder helt och hållet det konventionella flödet för tillverkning av integrerade kiselkretsar, lämnar grafentransistorer som det sista steget i tillverkning av integrerade kretsar, som bevarar grafenenhetens prestanda. Den flerstegs grafen RF-mottagarens integrerade krets består av 3 grafentransistorer, 4 induktorer, 2 kondensatorer, och 2 motstånd. Alla kretskomponenter är helt integrerade i ett 0,6 mm2 stort område och tillverkade i en 200 mm (eller 8 tum) kiselproduktionslinje, visar den oöverträffade grafenkretsens komplexitet och högsta kisel CMOS-processkompatibilitet. Det nya tillvägagångssättet möjliggör också den möjliga heterogena 3D-integreringen med en kisel-CMOS-ryggrad.

Mottagare är en av nyckelkomponenterna i alla trådlösa kommunikationssystem. Kretsarna, förbrukar mindre än 20 mW effekt för att fungera, visade också den högsta konverteringsförstärkningen för alla grafen -RF -kretsar vid multipel GHz -frekvens. De tog emot och återställde digital text ("I-B-M") framgångsrikt på en 4,3 GHz-signal utan distorsion, visar möjligheten att använda grafenintegrerade kretsar i dagens trådlösa GHz -kommunikation.