(Phys.org) —I ricercatori IBM hanno costruito il circuito integrato completamente funzionale più avanzato al mondo realizzato in grafene su scala wafer, un nuovo materiale semiconduttore che ha il potenziale per migliorare i dispositivi wireless di oggi a prezzi più economici, comunicazioni ad alta velocità. La pietra miliare della nanotecnologia apre nuovi dispositivi elettronici a base di carbonio e applicazioni di circuiti oltre ciò che è possibile con i chip di silicio di oggi.

Le proprietà elettriche uniche del grafene hanno stimolato un enorme sforzo di ricerca mondiale per trarre vantaggio da questo nuovo materiale particolarmente adatto per il wireless, o radiofrequenza (RF), comunicazioni. Con la crescita delle applicazioni per i big data, i dispositivi mobili con prestazioni più elevate diventano più importanti per trasmettere e ricevere set di dati sempre crescenti in modo più efficiente. I circuiti a base di grafene potrebbero consentire dispositivi mobili come smartphone, tablet o dispositivi elettronici indossabili per trasmettere carichi di dati molto più veloci tra loro e all'ambiente circostante, in modo più economico ed efficiente dal punto di vista energetico rispetto alle soluzioni tecnologiche tradizionali.

Il grafene è uno dei nanomateriali elettronici più sottili ed è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio racchiusi in una struttura a nido d'ape. Possiede eccezionali prestazioni elettriche, ottico, proprietà meccaniche e termiche che lo rendono potenzialmente meno costoso e più efficiente dal punto di vista energetico nelle applicazioni dei dispositivi. L'integrazione di dispositivi RF in grafene nell'odierna tecnologia al silicio a basso costo potrebbe essere un modo per consentire comunicazioni wireless pervasive che consentono a dispositivi come sensori intelligenti e tag RFID di inviare segnali di dati a distanze significative.

La fabbricazione di un vero circuito integrato è impegnativa perché le dimensioni atomiche di un foglio di grafene possono essere facilmente danneggiate durante il flusso di fabbricazione dei circuiti integrati convenzionali. Leader nella ricerca scientifica e tecnologica sul grafene, IBM ha dimostrato una "prova di concetto" nel 2011 mostrando al mondo che era possibile costruire un circuito integrato analogico in grafene con un mixer di frequenza a banda larga. Però, le prestazioni del transistor al grafene sono state inevitabilmente degradate a causa dei duri processi di fabbricazione. Da allora, Gli scienziati IBM si sono concentrati sul miglioramento delle prestazioni dei dispositivi adatti alle moderne comunicazioni wireless.

Utilizzando un nuovo approccio che sfrutta i processi di produzione CMOS al silicio tradizionali, un team di ricercatori IBM ha risolto questo problema e ha fabbricato e testato il primo ricevitore RF multistadio al grafene, il circuito integrato in grafene più sofisticato fino ad oggi. Per dimostrare la vera funzionalità, i ricercatori sono stati in grado di trasmettere un messaggio di testo - come invieresti e riceveresti sul tuo smartphone - utilizzando il circuito integrato di grafene, visualizzando le lettere "I-B-M".

La prestazione dimostrata è 10, 000 volte meglio degli sforzi precedentemente riportati per i circuiti integrati in grafene ed è un grande passo avanti nella realizzazione di una vera tecnologia del grafene, che potenzialmente fornirà sistemi di comunicazione wireless con prestazioni più elevate e costi inferiori.

"Questa è la prima volta che qualcuno ha mostrato dispositivi e circuiti in grafene per eseguire moderne funzioni di comunicazione wireless paragonabili alla tecnologia al silicio", ha affermato Supratik Guha, Direttore di Scienze Fisiche, Ricerca IBM.

La svolta è anche una pietra miliare importante per il programma Graphene Open Manufacturing, finanziato da DARPA, e riportato in un articolo pubblicato oggi sulla rivista, Comunicazioni sulla natura .

Come funziona

Il nuovo approccio sviluppato dai ricercatori IBM inverte completamente il flusso di fabbricazione dei circuiti integrati al silicio convenzionale, lasciando i transistor al grafene come ultima fase della fabbricazione dei circuiti integrati, che preserva le prestazioni del dispositivo al grafene. Il circuito integrato del ricevitore RF in grafene multistadio è costituito da 3 transistor in grafene, 4 induttori, 2 condensatori, e 2 resistori. Tutti i componenti del circuito sono completamente integrati in un'area di 0,6 mm2 e fabbricati in una linea di produzione di silicio da 200 mm (o 8 pollici), mostrando la complessità del circuito di grafene senza precedenti e la massima compatibilità del processo CMOS al silicio. Il nuovo approccio consente anche la possibile integrazione 3D eterogenea con un backbone CMOS in silicio.

I ricevitori sono uno dei componenti chiave di qualsiasi sistema di comunicazione wireless. I circuiti, consumando meno di 20 mW di potenza per funzionare, ha anche dimostrato il più alto guadagno di conversione di qualsiasi circuito RF in grafene a più GHz di frequenza. Hanno ricevuto e ripristinato con successo il testo digitale ("I-B-M") trasportato su un segnale a 4,3 GHz senza alcuna distorsione, che mostra la fattibilità dell'utilizzo di circuiti integrati in grafene nelle odierne comunicazioni wireless a GHz.