(Phys.org) —Los investigadores de IBM han construido el circuito integrado completamente funcional más avanzado del mundo hecho de grafeno a escala de oblea, un material semiconductor novedoso que tiene el potencial de mejorar los dispositivos inalámbricos actuales a un precio más económico, Comunicaciones de alta velocidad. El hito de la nanotecnología abre nuevas aplicaciones de circuitos y dispositivos electrónicos basados ​​en carbono más allá de lo que es posible con los chips de silicio actuales.

Las propiedades eléctricas únicas del grafeno han estimulado un tremendo esfuerzo de investigación a nivel mundial para aprovechar este nuevo material que es particularmente adecuado para la tecnología inalámbrica. o radiofrecuencia (RF), comunicaciones. Con el crecimiento de las aplicaciones de big data, Los dispositivos móviles de mayor rendimiento se vuelven más importantes para transmitir y recibir conjuntos de datos cada vez mayores de manera más eficiente. Los circuitos basados ​​en grafeno podrían permitir dispositivos móviles como teléfonos inteligentes, tabletas o dispositivos electrónicos portátiles para transmitir cargas de datos mucho más rápidas entre sí y a su entorno, de una manera más rentable y energéticamente eficiente en comparación con las soluciones tecnológicas tradicionales.

El grafeno es uno de los nanomateriales electrónicos más delgados y consta de una sola capa de átomos de carbono empaquetados en una estructura de panal. Posee sobresalientes eléctricos, óptico, propiedades mecánicas y térmicas que lo hacen potencialmente menos costoso y más eficiente energéticamente en aplicaciones de dispositivos. La integración de dispositivos de RF de grafeno en la tecnología de silicio de bajo costo de hoy en día podría ser una forma de permitir comunicaciones inalámbricas generalizadas que permitan que cosas como sensores inteligentes y etiquetas RFID envíen señales de datos a distancias significativas.

La fabricación de un verdadero circuito integrado es un desafío porque las dimensiones atómicas de una hoja de grafeno pueden dañarse fácilmente durante el flujo de fabricación de los circuitos integrados convencionales. Líder en la investigación de la ciencia y la tecnología del grafeno, IBM demostró una "prueba de concepto" en 2011 mostrando al mundo que era posible construir un circuito integrado de grafeno analógico con un mezclador de frecuencia de banda ancha. Sin embargo, el rendimiento del transistor de grafeno se degradó inevitablemente debido a los duros procesos de fabricación. Desde entonces, Los científicos de IBM se han centrado en mejorar el rendimiento de los dispositivos adecuados para las comunicaciones inalámbricas modernas.

Utilizando un nuevo enfoque que aprovecha los procesos de fabricación convencionales de CMOS de silicio, un equipo de investigadores de IBM ha resuelto este problema y ha fabricado y probado el primer receptor de RF de grafeno multietapa del mundo, el circuito integrado de grafeno más sofisticado hasta la fecha. Para demostrar una verdadera funcionalidad, los investigadores pudieron transmitir un mensaje de texto, como el que enviaría y recibiría en su teléfono inteligente, utilizando el circuito integrado de grafeno, mostrando las letras "I-B-M".

El rendimiento demostrado es 10, 000 veces mejor que los esfuerzos informados anteriormente para los circuitos integrados de grafeno y es un gran paso adelante en la realización de una verdadera tecnología de grafeno, lo que potencialmente proporcionará sistemas de comunicación inalámbrica de mayor rendimiento y menor costo.

"Esta es la primera vez que alguien ha mostrado dispositivos y circuitos de grafeno para realizar funciones de comunicación inalámbrica modernas comparables a la tecnología de silicio", dijo Supratik Guha. Director de Ciencias Físicas, IBM Research.

El avance también es un hito importante para el programa Graphene Open Manufacturing, financiado por DARPA, e informado en un artículo publicado hoy en la revista, Comunicaciones de la naturaleza .

Cómo funciona

El nuevo enfoque desarrollado por los investigadores de IBM invierte completamente el flujo de fabricación de circuitos integrados de silicio convencional, dejando los transistores de grafeno como el último paso de la fabricación de circuitos integrados, que preserva el rendimiento del dispositivo de grafeno. El circuito integrado del receptor de RF de grafeno de múltiples etapas consta de 3 transistores de grafeno, 4 inductores, 2 condensadores, y 2 resistencias. Todos los componentes del circuito están completamente integrados en un área de 0,6 mm2 y fabricados en una línea de producción de silicio de 200 mm (u 8 pulgadas). mostrando la complejidad sin precedentes del circuito de grafeno y la mayor compatibilidad del proceso CMOS de silicio. El nuevo enfoque también permite la posible integración 3D heterogénea con una columna vertebral CMOS de silicio.

Los receptores son uno de los componentes clave de cualquier sistema de comunicación inalámbrica. Los circuitos consumiendo menos de 20 mW de potencia para funcionar, también demostró la mayor ganancia de conversión de todos los circuitos de RF de grafeno a una frecuencia de múltiples GHz. Recibieron y restauraron con éxito el texto digital ("I-B-M") transmitido en una señal de 4,3 GHz sin ninguna distorsión, mostrando la viabilidad de utilizar circuitos integrados de grafeno en las comunicaciones inalámbricas de GHz actuales.