PFL-forskare har tagit fram en avstämbar, grafenbaserad enhet som avsevärt skulle kunna öka hastigheten och effektiviteten hos trådlösa kommunikationssystem. Deras system fungerar på mycket höga frekvenser, ger oöverträffade resultat.

Trådlös kommunikation finns i många former - som mobiltelefoner som använder 4G- eller 5G-anslutning, GPS-enheter, och datorer anslutna via Bluetooth till bärbara sensorer – och fungerar i olika frekvensband. För att arbeta över flera plattformar, anslutna objekt måste vara kompatibla med en hel rad frekvenser utan att tyngas av överdriven hårdvara.

Mest bärbara, trådlösa system är för närvarande utrustade med omkonfigurerbara kretsar som kan justera antennen för att sända och ta emot data i de olika frekvensbanden. Det enda problemet är att de tekniker som för närvarande finns tillgängliga som MEMS och MOS, använder kisel eller metall, fungerar inte bra vid höga frekvenser. Och det är där data kan färdas mycket snabbare.

EPFL-forskare har kommit fram till en avstämbar grafenbaserad lösning som gör det möjligt för kretsar att fungera vid både låga och höga frekvenser med oöverträffad effektivitet. Deras arbete har publicerats i Nanobokstäver .

Den nya grafenbaserade lösningen, som utvecklades i Nanoelectronic Devices Laboratory, är utformad för att ersätta avstämbara kondensatorer, som finns i alla trådlösa enheter. Den nya enheten "justerar" kretsarna till olika frekvenser så att de kan fungera över ett brett spektrum av frekvensband. Den uppfyller även andra behov som varken MEMS- eller MOS-kondensatorer kan:bra prestanda vid hög frekvens, miniatyrisering och möjligheten att trimmas med låg energi.

EPFL-forskarna övervann dessa hinder med en grafenbaserad kondensator som är kompatibel med traditionella kretsar. Enheten förbrukar väldigt lite energi och, över 2,1 GHz, överträffar lätt sina konkurrenter och har en miniatyriserad design. "Ytan på ett konventionellt MEMS-system skulle behöva vara tusen gånger större för att få kapacitansvärdet, sa Clara Moldavan.

Hur fungerar det?

Forskarnas genombrott bygger på en smart sandwichstruktur som tar hänsyn till grafens unika egenskaper. "När grafen upptäcktes för mer än 10 år sedan, det väckte riktigt uppståndelse, ", sade Moldavien. "Det ansågs vara ett mirakelmaterial:det är en mycket bra elektrisk och termisk ledare och det är flexibelt, lättvikt, transparent och robust. Men forskare upptäckte att det var svårt att integrera i elektroniska system eftersom dess atomtjocklek ger det högt effektivt motstånd."

Den sandwichformade strukturen drar fördel av det faktum att en tvådimensionell gas av elektroner i en kvantbrunn kan bete sig som en kvantkapacitans. Detta beror på att det följer Paulis uteslutningsprincip, enligt vilken det behövs en viss mängd energi för att fylla en kvantbrunn med elektroner. Kvantkapacitans kan lätt mätas i ett enatomslager av grafen, och den viktigaste fördelen är att den är avstämbar genom att variera laddningstätheten i grafen med en mycket låg spänning.

"Det är genom att applicera spänning som vi kan "justera" våra kondensatorer till en given frekvens, precis som att ställa in en radio för att få olika stationer, sade Moldavien, artikelns huvudförfattare.

Många fördelar

EPFL-forskarnas enhet, som bara är flera hundra mikrometer (cirka 0,05 cm) lång och bred, kan vara styv eller flexibel, är lätt att miniatyrisera, och använder väldigt lite energi. Potentiella tillämpningar är många. Förutom att förbättra dataflödet mellan anslutna enheter, det kan förlänga batteritiden och leda till allt mer kompakta enheter. I sitt flexibla tillstånd, den kan lätt användas i sensorer placerade i kläder eller direkt på människokroppen. "Våra resultat bekräftar att grafen verkligen kan revolutionera framtiden för trådlös kommunikation, sa Moldavan.

Slutteknologin kommer att vara en hybrid där grafen kommer att paras ihop med avancerad kiselteknologi. "En del har hävdat att grafen en dag kommer att ersätta kiselteknologi, sade Adrian Ionescu, chefen för Nanolab. "Men i verkligheten, grafen är mest effektivt inom elektronikområdet när det kombineras med funktionella kiselblock."