Un élément de base de la technologie moderne, les inducteurs sont partout :téléphones portables, ordinateurs portables, radios, téléviseurs, voitures. Et étonnamment, ils sont essentiellement les mêmes aujourd'hui qu'en 1831, quand ils ont été créés pour la première fois par le scientifique anglais Michael Faraday.

La taille particulièrement grande des inducteurs fabriqués selon la conception de Faraday est un facteur limitant dans la livraison des appareils miniaturisés qui aideront à réaliser le potentiel de l'Internet des objets, qui promet de connecter les gens à quelque 50 milliards d'objets d'ici 2020. Cet objectif ambitieux devrait avoir un impact économique estimé entre 2,7 et 6,2 milliards de dollars par an d'ici 2025.

Maintenant, une équipe à l'UC Santa Barbara, dirigé par Kaustav Banerjee, professeur au Département de génie électrique et informatique, a adopté une approche basée sur les matériaux pour réinventer ce composant fondamental de l'électronique moderne. Les résultats apparaissent dans le journal Nature Électronique .

Banerjee et son équipe UCSB—auteur principal Jiahao Kang, Junkai Jiang, Xuejun Xie, Jae Hwan Chu et Wei Liu, tous les membres de son laboratoire de recherche en nanoélectronique ont travaillé avec des collègues de l'Institut de technologie de Shibaura au Japon et de l'Université Jiao Tong de Shanghai en Chine pour exploiter le phénomène d'inductance cinétique afin de démontrer un type d'inducteur fondamentalement différent.

Tous les inducteurs génèrent à la fois une inductance magnétique et cinétique, mais dans les conducteurs métalliques typiques, l'inductance cinétique est si petite qu'elle est imperceptible. "La théorie de l'inductance cinétique est connue depuis longtemps en physique de la matière condensée, mais personne ne l'a jamais utilisé pour les inducteurs, car dans les conducteurs métalliques conventionnels, l'inductance cinétique est négligeable, " expliqua Banerjee.

Contrairement à l'inductance magnétique, l'inductance cinétique ne dépend pas de la surface de l'inducteur. Plutôt, l'inductance cinétique résiste aux fluctuations de courant qui modifient la vitesse des électrons, et les électrons résistent à un tel changement selon la loi d'inertie de Newton.

Historiquement, à mesure que la technologie des transistors et des interconnexions qui les relient a évolué, les éléments sont devenus plus petits. Mais l'inducteur, qui dans sa forme la plus simple est une bobine métallique enroulée autour d'un matériau de noyau, a été l'exception.

"Les inductances sur puce basées sur l'inductance magnétique ne peuvent pas être réduites de la même manière que les transistors ou les interconnexions évoluent, parce que vous avez besoin d'une certaine surface pour obtenir un certain flux magnétique ou une valeur d'inductance, " a expliqué l'auteur principal Kang, qui a récemment terminé son doctorat. sous la supervision de Banerjee.

L'équipe de l'UCSB a conçu un nouveau type d'inducteur en spirale composé de plusieurs couches de graphène. Le graphène monocouche présente une structure de bande électronique linéaire et un temps de relaxation en quantité de mouvement (MRT) correspondant à quelques picosecondes ou plus par rapport à celui des conducteurs métalliques conventionnels (comme le cuivre utilisé dans les inducteurs traditionnels sur puce), qui va de 1/1000 à 1/100 de picoseconde. Mais le graphène monocouche a trop de résistance pour être appliqué sur un inducteur.

Cependant, le graphène multicouche offre une solution partielle en fournissant une résistance plus faible, mais les couplages intercouches font que sa MRT est insuffisamment petite. Les chercheurs ont surmonté ce dilemme avec une solution unique :ils ont inséré chimiquement des atomes de brome entre les couches de graphène - un processus appelé intercalation - qui a non seulement réduit davantage la résistance, mais a également séparé les couches de graphène juste assez pour les découpler essentiellement, l'extension de la MRT et ainsi l'augmentation de l'inductance cinétique.

L'inducteur révolutionnaire, qui fonctionne dans la gamme 10-50 GHz, offre une fois et demie la densité d'inductance d'une inductance traditionnelle, conduisant à une réduction d'un tiers de la surface tout en offrant une efficacité extrêmement élevée. Précédemment, une inductance élevée et une taille réduite avaient été une combinaison insaisissable.

"Il y a beaucoup de place pour augmenter encore la densité d'inductance en augmentant l'efficacité du processus d'intercalation, que nous explorons actuellement, " a déclaré le co-auteur Jiang.

"Nous avons essentiellement conçu un nouveau nanomatériau pour mettre en avant la" physique cachée "de l'inductance cinétique à température ambiante et dans une gamme de fréquences de fonctionnement ciblées pour les communications sans fil de nouvelle génération, " ajouta Banerjee.