Графен является одним из тончайших наноматериалов в мире. Он обладает совершенно уникальными электрическими, оптическими, механическими и тепловыми свойствами. Фактически пласт графена представляет собой двухмерный лист толщиной в один атом. Атомы углерода в графене выстроены в виде шестигранных сот.
С момента его открытия двумя физиками русского происхождения, Константином Новосёловым и Андреем Геймом, учёные изучали свойства углеродного материала и потенциальные области его применения. Графен может пригодиться практически для чего угодно: на его основе можно создавать гибкие сенсорные экраны, сверхпроизводительные схемы и даже ультрапрочные презервативы.
Теперь инженеры из компании IBM создали полностью функциональный радиочип, взяв за основу сочетание кремниевой пластины и графеновых транзисторов. По словам разработчиков, это устройство должно произвести революцию в технологии беспроводной коммуникации.
Больше всего физики ценят графен не столько за прочность, сколько за высокую температурную и электрическую проводимость. Лёгкие и гибкие элементы из графена могут однажды полностью заменить кремниевые чипы, которые есть во всей современной электронике. Новое исследование показывает, что аналоговые схемы, такие как радиочипы, можно также создавать из графена. Это в перспективе может привести к появлению бюджетных и намного более эффективных беспроводных устройств.
Компьютерная модель полной интегральной схемы на графеновых транзисторах (иллюстрация IBM).
До сих пор заставить беспроводные чипы (обеспечивающие связь через Wi-Fi и Bluetooth) работать с графеновыми транзисторами было почти невозможно, поскольку крайне деликатный графен невозможно было удержать на стандартной кремниевой базе. В этом инженеры из IBM убедились на собственном опыте.
В 2011 году они построили миниатюрный радиочип с графеновыми транзисторами, однако добавить другие элементы схемы, такие как резисторы и катушки, уже не удалось. Они окончательно повредили структуру графена, и он потерял способность усиливать напряжение.
"С тех пор нашей главной задачей стала модификация сборки таким образом, чтобы из графена можно было строить функциональные схемы и не повреждать материал", — рассказывает соавтор исследования Супратик Гуха (Supratik Guha), материаловед из компании IBM.
Как правило, прочие структурные компоненты чипа ставятся поверх транзисторов, но этот метод, как мы уже упомянули, оказался нерабочим. Поэтому Гуха и его команда решили сконструировать чип наоборот: сначала уложить металлические компоненты, а затем добавить графеновые транзисторы.
Электронная микрофотография ключевых компонентов новой интегральной схемы — катушка индуктивности, графеновые полевые транзисторы (GFET) и конденсатор (фото IBM).
"Обратная методика построения чипа позволила увеличить производительность транзисторов в 10 тысяч раз по сравнению с предыдущей моделью", — сообщает ведущий автор исследования Шу-Цзень Хань (Shu-Jen Han).
Чтобы проверить работу микросхемы, исследователи отправили радиосигнал, содержащий три буквы — I, B и M — название родной корпорации. Как сообщается в пресс-релизе компании, устройство успешно приняло этот сигнал. Более того, учёные заметили, что высокая проводимость графена способствовала низкому энергопотреблению цепи, что делает устройство намного более выгодным, чем любые аналогичные радиочипы.
Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA) принимало непосредственное участие в финансировании данного исследовательского проекта и теперь рассчитывает на то, что армия США в ближайшие годы будет использовать бюджетную и эффективную беспроводную связь.
Ася Горина
