Vår värld behöver pålitlig telekommunikation mer än någonsin tidigare. Dock, klassiska enheter har begränsningar vad gäller storlek och kostnad och, framförallt, energiförbrukning – som är direkt relaterad till växthusutsläpp. Grafen kan förändra detta och förändra framtiden för bredband. Nu, Graphene Flagship-forskare har tagit fram en tillverkningsteknik i wafer-skala som, tack vare förutbestämda grafen enkristallmallar, möjliggör integration i kiselwafers, möjliggör automatisering och banar väg för storskalig produktion.

Detta jobb, publicerad i den prestigefyllda tidskriften ACS Nano , är ett bra exempel på ett samarbete som främjas av ekosystemet Graphene Flagship. Det räknade med deltagande av flera Graphene Flagship-partnerinstitutioner som CNIT och Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), i Italien, Cambridge Graphene Center vid University of Cambridge, STORBRITANNIEN, och Graphene Flagship Associated Member och spin-off CamGraphIC. Vidare, Grafen flaggskeppslänkad tredje part INPHOTEC och forskare vid Tecip Institute i Italien stod för tillverkningen av grafenfotonikens integrerade kretsar. Genom integrationsarbetspaketet i wafer-skala och spjutspetsprojekt som Metrograph, Graphene flaggskeppet främjar samarbete mellan den akademiska världen och ledande industrier för att utveckla prototyper och produkter på högteknologisk beredskapsnivå, tills de kan utnyttja marknaden.

Den nya tillverkningstekniken möjliggörs av antagandet av enkristallgrafenmatriser. "Traditionellt, när man strävar efter integration i wafer-skala, man odlar ett lager av grafen i waferstorlek och överför det sedan till kisel, " förklarar Camilla Coletti, koordinator för IIT:s Graphene Labs, som ledde studien. "Att överföra ett atomtjockt lager av grafen över wafers samtidigt som dess integritet och kvalitet bibehålls är utmanande", tillägger hon. "Kristallsådd, tillväxt- och överföringsteknik som används i detta arbete säkerställer grafen med hög rörlighet i wafer-skala exakt där det behövs:en stor fördel för skalbar tillverkning av fotoniska enheter som modulatorer, " fortsätter Coletti.

Det är beräknat att, senast 2023, världen kommer att se över 28 miljarder anslutna enheter, de flesta kommer att kräva 5G. Dessa utmanande krav kommer att kräva ny teknik. "Enbart kisel och germanium har begränsningar, men grafen ger många fördelar, " säger Marco Romagnoli från Graphene Flagship-partnern CNIT, länkad tredje part INPHOTEC, och associerad medlem CamGraphiC, som ledde studien. "Denna metod tillåter oss att få över 12 000 grafenkristaller i en wafer, matchar den exakta konfigurationen och dispositionen vi behöver för grafenaktiverade fotoniska enheter, " tillägger han. Dessutom, processen är kompatibel med befintliga automatiserade tillverkningssystem, vilket kommer att påskynda dess industriella spridning och genomförande.

I en annan publikation i Naturkommunikation , forskare från Graphene Flagship partners CNIT, Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), i Italien, Nokia – inklusive deras team i Italien och Tyskland, Grafen flaggskeppslänkad tredje part INPHOTEC och forskare vid Tecip, använde detta tillvägagångssätt för att demonstrera en praktisk implementering:"Vi använde vår teknik för att designa höghastighetsgrafenfotodetektorer, säger Coletti. Tillsammans, dessa framsteg kommer att påskynda den kommersiella implementeringen av grafenbaserade fotoniska enheter, " tillägger hon.

Grafenaktiverade fotoniska enheter erbjuder flera fördelar. De absorberar ljus från ultraviolett till långt infrarött - detta möjliggör ultrabredbandskommunikation. Grafenenheter kan ha ultrahög mobilitet av bärare – elektroner och hål – vilket möjliggör dataöverföring som överstiger de bästa Ethernet-nätverken, bryta barriären på 100 gigabit per sekund.

Att minska de energiska kraven från telekom och datakom är grundläggande för att tillhandahålla mer hållbara lösningar. För närvarande, Informations- och kommunikationsteknik står redan för nästan 4 % av alla växthusutsläpp, jämförbar med flygindustrins koldioxidavtryck, beräknas öka till cirka 14 % till 2040. "I grafen, nästan all ljusets energi kan omvandlas till elektriska signaler, som kraftigt minskar strömförbrukningen och maximerar effektiviteten, ", tillägger Romagnoli.

Frank Koppens, Graphene flaggskeppsledare för fotonik och optoelektronik, säger:"Detta är första gången som högkvalitativt grafen har integrerats i wafer-skalan. Arbetet visar direkt relevans genom att avslöja högavkastande och höghastighetsabsorptionsmodulatorer. Dessa imponerande prestationer ger kommersialisering av grafenenheter i 5G-kommunikation väldigt nära."

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer för Graphene Flagship och ordförande för dess ledningspanel tillade:"Detta arbete är en viktig milstolpe för Graphene Flagship. Ett nära samarbete mellan akademiska och industriella partners har äntligen utvecklat en process i wafer-skala för grafenintegration. The Graphene Gjuteri är inte längre ett avlägset mål, men det börjar idag."