Snabbare mobilkretsar

Forskare på IBM har gjort de snabbaste integrerade kretsarna hittills av grafen, ett material som lovar mycket snabbare komponenter än vad kisel tillåter men som har visat sig vara svårt att arbeta med.

Grafenkrets: Detta integrerar en grafentransistor (inuti den röda rutan) med två andra element, kallade induktorer, på ett enda chip. De svarta enheterna på sidorna och toppen av bilden är elektriska sonder.

Teamet visade att grafen kunde användas för att göra snabbare, mer energieffektiva versioner av kretsar som bearbetar och genererar radiosignaler i mobiltelefoner och andra trådlösa enheter. De gjorde det med hjälp av befintliga tillverkningstekniker, vilket tyder på att deras design kan vara tillräckligt överkomlig för att kommersialiseras.

Det här är verkligen spännande arbete och det pekar på den snabbt annalkande framtiden för grafenelektronik, säger James Tour , professor i kemi och datavetenskap vid Rice University i Houston, Texas, som inte var involverad i arbetet.

Grafen, ett enatomtjockt nät av kolatomer, leder elektroner mycket snabbare än kisel. Dess elektroniska egenskaper är sådana att dess största löfte inte är för de digitala logikkretsarna som finns i mikroprocessorer, utan för snabb analog elektronik, som de som tillverkats av IBM-teamet.

Forskare visade först grafens elektriska löfte 2004, men ingenjörer har sedan dess kämpat för att bygga grafenkretsar med hjälp av befintlig tillverkningsteknik. Hittills har forskare gjort grafentransistorer som kan arbeta i hastigheter på 300 gigahertz, vilket innebär att de slår på och av 300 miljarder gånger i sekunden, trettio gånger snabbare än de bästa kiseltransistorerna.

För att göra sina integrerade kretsar var IBM-forskarna tvungna att kombinera sina grafentransistorer med andra material, en utmaning av två skäl. För det första, när grafentransistorer är placerade för nära vissa metaller, försämras transistorns prestanda. För det andra är det svårt att sätta grafentransistorer och andra element på ett enda mikrochip. Idag i journalen Vetenskap , rapporterar IBM-forskarna metoder för att göra grafen integrerade kretsar på enstaka chips med hjälp av befintliga metoder.

IBM-gruppen gjorde en typ av krets som kallas en frekvensmixer, som kombinerar en grafentransistor och två metallenheter som kallas induktorer. Frekvensmixern är en av de grundläggande byggstenarna för analog elektronik, och i synnerhet trådlös kommunikation, säger IBM-forskaren Yu-Ming Lin. Dessa enheter används i mobiltelefoner för att omvandla radiosignalen som används för att överföra information till en annan signal inom ett frekvensområde som det mänskliga örat kan höra. Det åstadkoms genom att blanda radiosignalen med en referenssignal.

Tidigare har kombinationen av grafen med andra material försämrat hastigheten på den resulterande elektroniken. IBM-gruppen förhindrade detta genom att se till att annat material inte kom i kontakt med grafenet på ett skadligt sätt. De gjorde uppsättningar av grafentransistorer på ytan av kiselkarbidskivor belagda med grafen. De etsade sedan bort den extra grafenen som omger transistorerna och lämnade en klar yta som var lättare för metallinduktorer att hålla sig till. Att säkerställa separation mellan grafentransistorerna och metallinduktorerna förhindrade också försämring av transistorns elektriska egenskaper.

De resulterande kretsarna fungerar på 10 gigahertz - mycket snabbare än tidigare grafenkretsar. Lin medger att de är mindre tillförlitliga än de senaste kiselfrekvensblandarna men säger att de förväntar sig att stänga det gapet snart.

IBM-forskarna planerar att göra dem i tiotals skala snarare än hundratals nanometer. De kan lätt bli tio gånger mindre, vilket skulle hjälpa oss att överträffa rekordet, säger Lin. Vi har inte sett gränserna för grafenenheter när det gäller hastighet - vi tror att de kan komma in i terahertz-intervallet.

Nästa steg är att förbättra tillförlitligheten hos kretsarna, säger Xiangfeng Duan , professor i kemi vid University of California, Los Angeles. Signalen kommer ut svagare i andra änden, konstaterar han. Att förbättra transistorerna hjälper till att få bättre kretsprestanda.

IBM-gruppen arbetar med detta problem och utvecklar mer komplexa grafenintegrerade kretsar. Lin säger att metoden som används för frekvensmixerkretsarna kommer att fungera för andra typer av kretsar. Det här är första steget mot en ny nivå av potential, säger han. Kanske kommer vi inte att se den verkliga effekten av grafen på fem till tio år till.

Dölj