Inżynierowie IBM Research z Yorktown Heights w Stanach Zjednoczonych zbudowali jak do tej pory najbardziej zaawansowany układ scalony na bazie grafenu i krzemu, o 10 000 razy większej wydajności niż poprzednia konstrukcja tego typu. Kluczem poprawy działania urządzenia było zastosowanie innej metody wytwarzania, która pozwalała na osadzenie warstwy grafenu bez uszkodzeń. Co ważniejsze, inny sposób fabrykacji, zgodny z obecnymi standardami technologii krzemowych układów CMOS przybliża do komercjalizacji chipów zawierających alotropową odmianę węgla.
Grafen, czyli pojedyncza warstwa atomów węgla ułożona w sześciokąty posiada bardzo dobre właściwości mechaniczne oraz wysokie przewodnictwo elektryczne i cieplne. Ze względu na heksagonalne ułożenie atomów, konstrukcja grafenu często porównywana jest do pszczelego plastra miodu. Średnio, co kilkadziesiąt godzin pojawiają się nowe publikacje na temat wytwarzania lub zastosowania płaskiej formy węgla, o grubości jednego atomu. Grafen reklamowany jest jako następca krzemu, ze wzgledu wyższą ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej (przy założeniu rozpraszania jedynie na fononach, ruchliwość elektronów w grafenie wynosi około 200 000 cm^2/Vs, a w krzemie – 1500 cm^2/Vs), co przekłada się na zwiększenie przewodnictwa. Mimo tego, technologie wprowadzające rozwiązania z mniejszymi, szybszymi i bardziej energooszczędnymi układami niż dzisiejsze krzemowe chipy dalej znajdują się w fazie eksperymentalnej. Naukowcy nadal mają problem z poprawnym zaimplementowaniem materiału i utrzymaniem jego własności w skali atomowej.
W 2011 roku badacze z IBM zaprezentowali analogowy, radiowy mikrochip z grafenowymi tranzystorami. Demonstracja zakończyła się przedstawieniem dowodu koncepcji (z ang. proof-of-concept), a produkcja masowa nie została uruchomiona. Realizacja nie doszła do skutku, ponieważ wprowadzenie innych, niezbędnych, metalowych komponentów (m.in. rezystorów i cewek) powodowało fizyczne uszkodzenie grafenowych elementów. Degradacja czułych części przewodzących wpłynęła niekorzystnie na zdolność wzmacniania napięcia oraz uniemożliwiała prawidłowe odbieranie sygnału. Trudny proces produkcyjny oraz niska wydajność wpłynęły na decyzję o zawieszeniu projektu.
W ubiegłym roku inżynierowie podjęli kolejną próbę stworzenia odbiornika radiowego na bazie krzemu i grafenu. Zespół jako podłoże wykorzystał standardowe podłoże krzemowe o średnicy 200 milimetrów (8 cali). Powstały na nim zwykłe układy scalone (zawierające tranzystory rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne) zdolne do odbierania i odtwarzania częstotliwości radiowych. Jedynym wyjątkiem były tranzystory polowe FET (z ang. field effect transistor), których kanały transportowe zbudowane były z grafenu. Funkcja chipu ograniczona była tylko do odbioru bezprzewodowego sygnału na częstotliwości 4,3 GHz.
Co było przełomem? Zmiana kolejności montowania podzespołów w procesie produkcyjnym. Poprzednie próby wytwarzania urządzenia polegały na uprzednim osadzaniu elementów aktywnych (grafenowych tranzystorów), a następnie reszty komponentów pasywnych oraz budowie połączeń. Problem polegał na słabej przyczepności grafenu do krzemowego podłoża oraz możliwości uszkodzenia warstwy o grubości 1 atomu podczas integracji pozostałych składników układu. Tym razem, naukowcy z IBM najpierw pokryli płytkę rezystorami i kondensatorami, a na samym końcu osadzili warstwy grafenu w celu zakończenia instalacji tranzystorów. Stosunkowo prosta zmiana okazała się dość skuteczna. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane 30 stycznia 2014 roku w czasopiśmie Nature Communications.
W tym przypadku, grafen produkowany był za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej (z ang. chemical vapour deposition). W piecu rozgrzanym do temperatury 1050°C, znajdowało się podłoże z miedzi. Prekursorem był rozpylony metan (CH4), z którego atomy węgla osadzane były w postaci grafenu na miedzianej podstawie. Następnie, podłoże usuwano przez rozpuszczenie, a w kąpieli pływały tylko przezroczyste warstwy węglowe. Tak przygotowane elementy byłby “wyławiane” i nanoszone na układ scalony. Jak twierdzą inżynierowie z IBM, to obecnie najprostszy sposób na uzyskanie większych ilości grafenu. Niestety, jakość nie zawsze jest zadowalająca, a konieczność niszczenia podłoża zwiększa koszty fabrykacji.
Pojedynczy, zintegrowany układ posiadał powierzchnię równą 0,6 mm^2. Podczas eksperymentu badacze przesłali za pomocą sygnału radiowego prostą informację tekstową, składającą się z liter I, B, M. Obwód składający się z wzmacniacza, filtra i miksera odebrał wiadomość, zużywając podczas działania mniej niż 20 mW energii elektrycznej.
W teorii istnieje wiele zastosowań, w których można wykorzystać grafen. Należy jednak pamiętać, że stworzony układ jest analogowy, co ogranicza jego stosowanie. Rezultaty są obiecujące, lecz jak twierdzą eksperci, minie co najmniej 20 lat, zanim grafenowe chipy staną się powszechne.
Żródło:
[1] Graphene radio frequency receiver integrated circuit. Shu-Jen Han, Alberto Valdes Garcia, Satoshi Oida, Keith A. Jenkins & Wilfried Haensch. Nature Communications 5, Article number: 3086 doi:10.1038/ncomms4086
[2] http://www.nature.com/ncomms/2014/140130/ncomms4086/full/ncomms4086.html [03.02.2014]
[3] http://www.nature.com/ncomms/2014/140130/ncomms4086/extref/ncomms4086-s1.pdf [03.02.2014]
[4] http://ibmresearchnews.blogspot.com/2014/01/graphene-circuit-ready-for-wireless.html [03.02.2014]
[5] http://www.newscientist.com/article/dn24976-first-graphene-radio-broadcast-is-a-wireless-wonder.html [03.02.2014]
[6] Intel Demo by Yosomono (preetamrai), flickr.com, CC BY 2.0