Circuiti per cellulari più veloci

I ricercatori dell'IBM hanno realizzato i circuiti integrati più veloci mai realizzati con il grafene, un materiale che promette componenti molto più veloci di quelli consentiti dal silicio, ma con cui si è dimostrato difficile lavorare.

Circuito al grafene: Questo integra un transistor al grafene (all'interno della scatola rossa) con altri due elementi, chiamati induttori, su un singolo chip. I dispositivi neri ai lati e nella parte superiore dell'immagine sono sonde elettriche.

Il team ha dimostrato che il grafene potrebbe essere utilizzato per realizzare versioni più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico dei circuiti che elaborano e generano segnali radio nei telefoni cellulari e in altri dispositivi wireless. Lo hanno fatto utilizzando le tecniche di produzione esistenti, suggerendo che i loro progetti potrebbero essere abbastanza convenienti da poter essere commercializzati.

Questo è un lavoro davvero entusiasmante e punta al futuro in rapido avvicinamento dell'elettronica al grafene, afferma James Tour , professore di chimica e informatica alla Rice University di Houston, in Texas, che non era coinvolto nel lavoro.

Il grafene, una maglia spessa un solo atomo di atomi di carbonio, conduce gli elettroni molto più velocemente del silicio. Le sue proprietà elettroniche sono tali che la sua più grande promessa non è per i circuiti logici digitali che si trovano nei microprocessori, ma per l'elettronica analogica veloce, come quelle realizzate dal team IBM.

I ricercatori hanno dimostrato per la prima volta la promessa elettrica del grafene nel 2004, ma da allora gli ingegneri hanno lottato per costruire circuiti in grafene utilizzando la tecnologia di produzione esistente. Finora, i ricercatori hanno realizzato transistor al grafene che possono funzionare a velocità di 300 gigahertz, il che significa che si accendono e si spengono 300 miliardi di volte al secondo, trenta volte più velocemente dei migliori transistor al silicio.

Per realizzare i loro circuiti integrati, i ricercatori IBM hanno dovuto combinare i loro transistor in grafene con altri materiali, una sfida per due motivi. Innanzitutto, quando i transistor al grafene sono posizionati troppo vicino a determinati metalli, le prestazioni del transistor peggiorano. In secondo luogo, mettere transistor al grafene e altri elementi su un singolo microchip è complicato. Oggi, sul giornale Scienza , i ricercatori IBM riportano metodi per realizzare circuiti integrati in grafene su singoli chip utilizzando metodi esistenti.

Il gruppo IBM ha realizzato un tipo di circuito chiamato mixer di frequenza, che combina un transistor al grafene e due dispositivi metallici chiamati induttori. Il mixer di frequenza è uno degli elementi costitutivi di base dell'elettronica analogica, e in particolare delle comunicazioni wireless, afferma il ricercatore IBM Yu-Ming Lin. Questi dispositivi vengono utilizzati nei telefoni cellulari per convertire il segnale radio utilizzato per trasmettere informazioni in un altro segnale in una gamma di frequenze che l'orecchio umano può sentire. Ciò si ottiene mescolando il segnale radio con un segnale di riferimento.

In precedenza, la combinazione di grafene con altri materiali ha degradato la velocità dell'elettronica risultante. Il gruppo IBM ha impedito ciò assicurandosi che altri materiali non entrassero in contatto con il grafene in modo dannoso. Hanno realizzato matrici di transistor al grafene sulla superficie di wafer di carburo di silicio rivestiti di grafene. Hanno quindi inciso via il grafene in più che circonda i transistor, lasciando una superficie chiara a cui gli induttori metallici possono aderire più facilmente. Garantire la separazione tra i transistor al grafene e gli induttori metallici ha anche impedito il degrado delle proprietà elettriche del transistor.

I circuiti risultanti funzionano a 10 gigahertz, molto più velocemente dei precedenti circuiti in grafene. Lin ammette che sono meno affidabili dei mixer di frequenza al silicio allo stato dell'arte, ma dice che si aspettano di colmare presto questo divario.

I ricercatori dell'IBM hanno in programma di realizzarli su una scala di decine anziché centinaia di nanometri. Possono essere facilmente dieci volte più piccoli, il che ci aiuterebbe a superare il record, afferma Lin. Non abbiamo visto i limiti dei dispositivi al grafene in termini di velocità: pensiamo che possano entrare nella gamma dei terahertz.

Il prossimo passo è migliorare l'affidabilità dei circuiti, afferma Xiangfeng Duan , professore di chimica all'Università della California, Los Angeles. Il segnale esce più debole dall'altra parte, osserva. Migliorare i transistor aiuterà a migliorare le prestazioni del circuito.

Il gruppo IBM sta lavorando su questo problema e sta sviluppando circuiti integrati in grafene più complessi. Lin afferma che il metodo utilizzato per i circuiti del miscelatore di frequenza funzionerà per altri tipi di circuiti. Questo è il primo passo verso un nuovo livello di potenziale, dice. Forse non vedremo il vero impatto del grafene per altri cinque-dieci anni.

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