Il nostro mondo ha più che mai bisogno di telecomunicazioni affidabili. Però, i dispositivi classici hanno limitazioni in termini di dimensioni e costo e, specialmente, consumo energetico, che è direttamente correlato alle emissioni di gas serra. Il grafene potrebbe cambiare questa situazione e trasformare il futuro della banda larga. Ora, I ricercatori di Graphene Flagship hanno ideato una tecnologia di fabbricazione su scala di wafer che, grazie a modelli predeterminati di monocristallo di grafene, consente l'integrazione in wafer di silicio, consentendo l'automazione e aprendo la strada alla produzione su larga scala.

Questo lavoro, pubblicato sulla prestigiosa rivista ACS Nano , è un ottimo esempio di collaborazione promossa dall'ecosistema Graphene Flagship. Contava sulla partecipazione di diverse istituzioni partner di Graphene Flagship come il CNIT e l'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), in Italia, il Cambridge Graphene Center presso l'Università di Cambridge, UK, e Graphene Flagship Associated Member e spin-off CamGraphIC. Per di più, INPHOTEC, una terza parte collegata al grafene Flagship, ei ricercatori dell'Istituto Tecip in Italia hanno fornito la fabbricazione dei circuiti integrati di fotonica del grafene. Attraverso il pacchetto di lavoro di integrazione su scala Wafer e progetti di punta come Metrograph, la Graphene Flagship promuove la collaborazione tra il mondo accademico e le industrie leader per sviluppare prototipi e prodotti ad alto livello di prontezza tecnologica, fino a quando non possono raggiungere lo sfruttamento del mercato.

La nuova tecnica di fabbricazione è resa possibile dall'adozione di array di grafene a cristallo singolo. "Tradizionalmente, quando si mira all'integrazione su scala wafer, si fa crescere uno strato di grafene delle dimensioni di un wafer e poi lo si trasferisce sul silicio, " spiega Camilla Coletti, coordinatore dei Graphene Labs di IIT, che ha co-diretto lo studio. "Trasferire uno strato di grafene dello spessore di un atomo su wafer mantenendone l'integrità e la qualità è impegnativo", aggiunge. "La semina di cristallo, la tecnica di crescita e trasferimento adottata in questo lavoro garantisce grafene ad alta mobilità su scala wafer esattamente dove è necessario:un grande vantaggio per la fabbricazione scalabile di dispositivi fotonici come modulatori, " continua Coletti.

È stimato che, entro il 2023, il mondo vedrà oltre 28 miliardi di dispositivi connessi, la maggior parte dei quali richiederà il 5G. Questi requisiti impegnativi richiederanno nuove tecnologie. "Il silicio e il germanio da soli hanno dei limiti; tuttavia, il grafene offre molti vantaggi, " afferma Marco Romagnoli di Graphene Flagship partner CNIT, INFHOTEC di terza parte collegata, e membro associato CamGraphiC, che ha co-diretto lo studio. "Questa metodologia ci permette di ottenere oltre 12.000 cristalli di grafene in un wafer, corrispondenza dell'esatta configurazione e disposizione di cui abbiamo bisogno per i dispositivi fotonici abilitati al grafene, " aggiunge. Inoltre, il processo è compatibile con i sistemi di fabbricazione automatizzata esistenti, che accelererà la sua diffusione e attuazione industriale.

In un'altra pubblicazione in Comunicazioni sulla natura , ricercatori di Graphene Flagship partner CNIT, Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), in Italia, Nokia, compresi i loro team in Italia e Germania, INPHOTEC, terza parte collegata al grafene Flagship e ricercatori di Tecip, ha utilizzato questo approccio per dimostrare un'implementazione pratica:"Abbiamo utilizzato la nostra tecnica per progettare fotorilevatori di grafene ad alta velocità, "dice Coletti. "Insieme, questi progressi accelereranno l'implementazione commerciale di dispositivi fotonici a base di grafene, "aggiunge.

I dispositivi fotonici abilitati al grafene offrono diversi vantaggi. Assorbono la luce dall'ultravioletto al lontano infrarosso, questo consente comunicazioni a banda ultra larga. I dispositivi al grafene possono avere un'elevata mobilità dei vettori, elettroni e lacune, consentendo la trasmissione di dati che supera le reti ethernet con le migliori prestazioni, superando la barriera dei 100 gigabit al secondo.

Ridurre le richieste energetiche di telecomunicazioni e datacom è fondamentale per fornire soluzioni più sostenibili. Attualmente, Le tecnologie dell'informazione e della comunicazione sono già responsabili di quasi il 4% di tutte le emissioni di gas serra, paragonabile all'impronta di carbonio del settore aereo, dovrebbe aumentare a circa il 14% entro il 2040. "Nel grafene, quasi tutta l'energia della luce può essere convertita in segnali elettrici, che riduce enormemente il consumo di energia e massimizza l'efficienza, "aggiunge Romagnoli.

Frank Koppens, Leader di punta del grafene per la fotonica e l'optoelettronica, afferma:"Questa è la prima volta che il grafene di alta qualità è stato integrato su scala wafer. Il lavoro mostra una rilevanza diretta rivelando modulatori di assorbimento ad alta resa e ad alta velocità. Questi risultati impressionanti portano la commercializzazione di dispositivi al grafene nelle comunicazioni 5G molto vicino."

Andrea C. Ferrari, Il responsabile scientifico e tecnologico del Graphene Flagship e presidente del suo Management Panel ha aggiunto:"Questo lavoro è una pietra miliare per il Graphene Flagship. Una stretta collaborazione tra partner accademici e industriali ha finalmente sviluppato un processo su scala wafer per l'integrazione del grafene. Il grafene La fonderia non è più una meta lontana, ma comincia oggi".