Les chercheurs du PFL ont produit un accordable, dispositif à base de graphène qui pourrait augmenter considérablement la vitesse et l'efficacité des systèmes de communication sans fil. Leur système fonctionne à très hautes fréquences, offrant des résultats sans précédent.

Les communications sans fil se présentent sous de nombreuses formes - telles que les téléphones portables utilisant la connectivité 4G ou 5G, appareils GPS, et des ordinateurs connectés via Bluetooth à des capteurs portables - et fonctionnent dans différentes bandes de fréquences. Pour travailler sur plusieurs plateformes, les objets connectés doivent être compatibles avec toute une gamme de fréquences sans être alourdis par un matériel excessif.

Le plus portable, les systèmes sans fil sont actuellement équipés de circuits reconfigurables qui peuvent ajuster l'antenne pour transmettre et recevoir des données dans les différentes bandes de fréquences. Le seul problème est que les technologies actuellement disponibles comme MEMS et MOS, utilisant du silicium ou du métal, ne fonctionnent pas bien à hautes fréquences. Et c'est là que les données peuvent voyager beaucoup plus rapidement.

Des chercheurs de l'EPFL ont mis au point une solution accordable à base de graphène qui permet aux circuits de fonctionner à la fois à basse et à haute fréquence avec une efficacité sans précédent. Leurs travaux ont été publiés dans Nanolettres .

La nouvelle solution à base de graphène, qui a été développé au Laboratoire des dispositifs nanoélectroniques, est conçu pour remplacer les condensateurs accordables, qui peuvent être trouvés dans tous les appareils sans fil. Le nouveau dispositif « règle » les circuits sur différentes fréquences afin qu'ils puissent fonctionner sur une large gamme de bandes de fréquences. Il répond également à d'autres besoins que ni les condensateurs MEMS ni MOS ne peuvent :de bonnes performances à haute fréquence, la miniaturisation et la possibilité d'être réglé en utilisant une faible énergie.

Les chercheurs de l'EPFL ont surmonté ces obstacles avec un condensateur à base de graphène compatible avec les circuits traditionnels. L'appareil consomme très peu d'énergie et, au-dessus de 2,1 GHz, surpasse facilement ses concurrents et a un design miniaturisé. "La surface d'un système MEMS conventionnel devrait être mille fois plus grande pour obtenir la valeur de capacité, ", a déclaré Clara Moldave.

Comment ça marche?

La percée des chercheurs repose sur une structure sandwich intelligente qui prend en compte les caractéristiques uniques du graphène. "Lorsque le graphène a été découvert il y a plus de 10 ans, ça a fait beaucoup de bruit, " a déclaré moldave. " C'était considéré comme un matériau miracle :c'est un très bon conducteur électrique et thermique et il est flexible, poids léger, transparent et solide. Mais les chercheurs ont découvert qu'il était difficile à intégrer dans les systèmes électroniques car son épaisseur atomique lui confère une résistance efficace élevée."

La structure en forme de sandwich tire parti du fait qu'un gaz bidimensionnel d'électrons dans un puits quantique peut se comporter comme une capacité quantique. C'est parce qu'il suit le principe d'exclusion de Pauli, selon laquelle une certaine quantité d'énergie est nécessaire pour remplir un puits quantique d'électrons. La capacité quantique peut être facilement mesurée dans une couche de graphène à un seul atome, et le principal avantage est qu'il est accordable en faisant varier la densité de charge dans le graphène avec une très faible tension.

"C'est en appliquant une tension que l'on peut 'accorder' nos condensateurs à une fréquence donnée, tout comme régler une radio pour obtenir différentes stations, " dit le moldave, l'auteur principal de l'article.

De nombreux avantages

Le dispositif des chercheurs de l'EPFL, qui ne mesure que quelques centaines de micromètres (environ 0,05 cm) de long et de large, peut être rigide ou flexible, est facilement miniaturisé, et consomme très peu d'énergie. Les applications potentielles sont nombreuses. En plus d'améliorer le flux de données entre les appareils connectés, cela pourrait prolonger la durée de vie de la batterie et conduire à des appareils toujours plus compacts. Dans son état souple, il pourrait être facilement utilisé dans des capteurs placés dans des vêtements ou directement sur le corps humain. "Nos résultats confirment que le graphène pourrait véritablement révolutionner l'avenir des communications sans fil, ", a déclaré le moldave.

La technologie finale sera un hybride dans lequel le graphène sera associé à des technologies avancées de silicium. "Certains ont affirmé que le graphène remplacerait un jour la technologie du silicium, " a déclaré Adrian Ionescu, le chef du Nanolab. "Mais en réalité, Le graphène est plus efficace dans le domaine de l'électronique lorsqu'il est combiné avec des blocs de silicium fonctionnels. »