(Phys.org) —Les chercheurs d'IBM ont construit le circuit intégré entièrement fonctionnel le plus avancé au monde en graphène à l'échelle d'une plaquette - un nouveau matériau semi-conducteur qui a le potentiel d'améliorer les appareils sans fil d'aujourd'hui pour moins cher, communications à grande vitesse. Le jalon de la nanotechnologie ouvre de nouvelles applications de dispositifs et de circuits électroniques à base de carbone au-delà de ce qui est possible avec les puces de silicium d'aujourd'hui.

Les propriétés électriques uniques du graphène ont stimulé un énorme effort de recherche à l'échelle mondiale pour tirer parti de ce nouveau matériau particulièrement adapté au sans fil, ou radiofréquence (RF), communications. Avec la croissance des applications Big Data, Les appareils mobiles plus performants deviennent plus importants pour transmettre et recevoir plus efficacement des ensembles de données toujours plus nombreux. Les circuits à base de graphène pourraient permettre aux appareils mobiles tels que les téléphones intelligents, tablettes ou appareils électroniques portables pour transmettre des charges de données beaucoup plus rapides les uns aux autres et à leur environnement, d'une manière plus rentable et économe en énergie par rapport aux solutions technologiques traditionnelles.

Le graphène est l'un des nanomatériaux électroniques les plus minces et se compose d'une seule couche d'atomes de carbone emballés dans une structure en nid d'abeille. Il possède une électricité exceptionnelle, optique, propriétés mécaniques et thermiques qui le rendent potentiellement moins cher et plus économe en énergie dans les applications de dispositifs. L'intégration de dispositifs RF au graphène dans la technologie silicium à faible coût d'aujourd'hui pourrait être un moyen de permettre des communications sans fil omniprésentes permettant à des éléments tels que des capteurs intelligents et des étiquettes RFID d'envoyer des signaux de données à des distances importantes.

La fabrication d'un véritable circuit intégré est difficile car les dimensions atomiques d'une feuille de graphène peuvent être facilement endommagées lors du flux de fabrication de circuits intégrés conventionnels. Un leader dans la recherche scientifique et technologique sur le graphène, IBM a présenté une « preuve de concept » en 2011 montrant au monde qu'il était possible de construire un circuit intégré de graphène analogique avec un mélangeur de fréquences à large bande. Cependant, les performances du transistor au graphène ont été inévitablement dégradées en raison des processus de fabrication difficiles. Depuis, Les scientifiques d'IBM se sont concentrés sur l'amélioration des performances des appareils adaptées aux communications sans fil modernes.

En utilisant une nouvelle approche qui exploite les processus de fabrication CMOS silicium traditionnels, une équipe de chercheurs d'IBM a résolu ce problème et fabriqué et testé le premier récepteur RF au graphène multi-étages au monde, le circuit intégré au graphène le plus sophistiqué à ce jour. Pour démontrer la vraie fonctionnalité, les chercheurs ont pu transmettre un message texte - comme celui que vous enverriez et recevriez sur votre smartphone - à l'aide du circuit intégré de graphène, affichant les lettres "I-B-M".

La performance démontrée est de 10, 000 fois mieux que les efforts précédemment rapportés pour les circuits intégrés au graphène et constitue un grand pas en avant dans la réalisation d'une véritable technologie de graphène, qui fournira potentiellement des systèmes de communication sans fil plus performants et moins coûteux.

"C'est la première fois que quelqu'un montre des dispositifs et des circuits en graphène pour effectuer des fonctions de communication sans fil modernes comparables à la technologie du silicium", a déclaré Supratik Guha, Directeur des sciences physiques, Recherche IBM.

Cette percée est également une étape majeure pour le programme Graphene Open Manufacturing, financé par la DARPA, et rapporté dans un article publié aujourd'hui dans la revue, Communication Nature .

Comment ça fonctionne

La nouvelle approche développée par les chercheurs d'IBM inverse complètement le flux de fabrication de circuits intégrés au silicium conventionnel, laisser les transistors au graphène comme dernière étape de la fabrication du circuit intégré, qui préserve les performances de l'appareil au graphène. Le circuit intégré du récepteur RF à plusieurs étages en graphène se compose de 3 transistors en graphène, 4 inducteurs, 2 condensateurs, et 2 résistances. Tous les composants du circuit sont entièrement intégrés dans une zone de 0,6 mm2 et fabriqués dans une ligne de production de silicium de 200 mm (ou 8 pouces), montrant la complexité sans précédent du circuit de graphène et la compatibilité de processus CMOS au silicium la plus élevée. La nouvelle approche permet également une éventuelle intégration 3D hétérogène avec un backbone CMOS en silicium.

Les récepteurs sont l'un des composants clés de tout système de communication sans fil. Les circuits, consommant moins de 20 mW de puissance pour fonctionner, a également démontré le gain de conversion le plus élevé de tous les circuits RF en graphène à une fréquence de plusieurs GHz. Ils ont reçu et restauré avec succès du texte numérique ("I-B-M") transporté sur un signal de 4,3 GHz sans aucune distorsion, montrant la faisabilité de l'utilisation de circuits intégrés de graphène dans les communications sans fil GHz d'aujourd'hui.