Dispozitive nanoelectronice bazate pe grafene pentru aplicatii in domeniul frecventelor inalte

Proiect: "Dispozitive nanoelectronice bazate pe grafene pentru aplicatii in domeniul frecventelor inalte";
Acronim: GRAFENE-RF;
Program: IDEI;
Perioada de desfasurare: 2011-2015;
Director proiect: DR. MIRCEA DRAGOMAN (INCD Microtehnologie, Bucuresti) mircea[dot]dragoman[at]imt[dot]ro

Grafena este un monostrat de grafit cu o grosime de numai 0,34 nm . Acesta este format din atomi de carbon într -o stare de hibridizare sp2 , aranjate astfel încât fiecare atom de carbon este legat covalent la alti trei. Grafena este varianta bidimensională a grafitului; este formata dintr-un aranjament planar (bidimensional) de atomi de carbon dispusi într-o rețea hexagonală. [1]. Grafena este întâlnită în multe materiale pe bază de carbon . Un exemplu simplu este grafitul , care este format dintr- un număr foarte mare de monostraturi de grafena puse unele peste altele. Un alt exemplu este nanotuburi de carbon (CNT) , care reprezinta o foaie de grafena  indoita intr-un tub. Grafena reprezinta un cristal bidimensional, si un gaz 2D nativ de particule încărcate electric . In multe dispozitive , grafena este depusa pe un strat subtire de SiO2 cu o grosime tipică de 300 nm, care este crescut pe un substrat de siliciu dopat . În această configuratie , substratul de Si actioneaza ca un backgate, ce permite schimbarea nivelului de energie Fermi în graphena și produce o densitate superficială de sarcină în funcție direct de tensiune de poarta adică poarta indusă poate fi văzută ca rezultat dintr-o dopaj electric, analog dopajului chimic tipic pentru dispozitive semiconductoare . Astfel, în graphena electronii și golurile sunt induse electric prin aplicarea unui camp pozitiv sau o tensiune negativă pe o poarta . După depunerea grafenei pe structura Si/SiO2, electrozii sunt realizati pe grafena pentru a pune în aplicare anumite dispozitive . Grafena a fost izolata pentru prima data in 2004, folosind exfolierea mecanica a grafitului pirolitic foarte ordonat - ( HOPG ), cu o bandă adezivă , urmată de eliberarea foliilor de grafena pe Si/SiO2 după îndepărtarea benzii adezive [2]. HOPG este o structură 3D formata din folii subtiri de grafena dispuse vertical . Fragmente de HOPG exfoliat sunt proiectate să cadă direct pe interfața Si/SiO₂ și sunt imobilizate pe Si/SiO₂ datorită forțelor Van der Waals .
Acest lucru pare a fi un mod rudimentar de a obține grafena, dar chiar și acum este aplicata cu succes pentru a obține folii de grafena cu dimensiuni de până la 1 mm având o densitate scăzută a defectelor de structura. Metoda de fabricație descrisă mai sus a fost însoțită de o altă descoperire importantă în ceea ce privește vizibilitatea grafenei [3] . Grafena este vizibila cu un microscop optic, dacă lumina alba incidenta este filtrată printr-un filtru verde, albastru sau un alt tip filtru în funcție de grosimea de SiO₂ [4]. În aceste condiții, grafena a fost văzuta cu ajutorul unui microscop simplu, așa cum se poate observa din figura de mai jos. Deși există, în prezent, o multitudine de metode de a vizualiza grafena [5], grafena monostrat și alte nanostructuri formate din straturi succesive de grafena, cum ar fi din două straturi, tristrat, sau mai multe straturi de grafena , sunt destul de bine distins cu un microscop optic utilizând reflexie și spectroscopie optica, și chiar grosimile lor pot fi determinate cu precizie mare [6]

Imaginea optica a grafenei monostrat si bistrat

Grafena este un material descoperit in 2004, dar a fost dezvoltat rapid în nanolectronica, cum ar fi tranzistori, celule solare, sau de detectare (de exemplu, ecrane tangibile). [ 7 ], [ 8 ], [ 9]. Datorita faptulului că proprietățile fizice impresionante demonstrate de grafena ( mobilitatea electronilor care este cel puțin cu un ordin de mărime mai mare decat a Si și care poate ajunge la 106 cm2/Vs în grafenele suspendate sau grafene depuse pe hexagonala BN, drumul liber mediu , la temperatura camerei este de 0,3 mm, Modulul Young mai mare decât 1TPa - cel mai puternic material cunoscut vreodată, îndoire de 15-20% ceea ce face foarte atractiv pentru dispozitive electronice flexibile și NEMS ) și este compatibil cu tehnicile de prelucrare uzuale bazate pe litografie și tehnologia de semiconductoare in camera alba. Datorită acestor proprietăți  exista programe speciale dedicate grafenei numit, de asemenea, ca "material minune" ( Marea Britanie, SUA , Germania , Spania , Coreea de Sud etc.), marile companii, cum ar fi IBM, Bosch, Nokia, Thales au început să lucreze pentru dispozitive de grafena și UE va lansa un program de pilot pe grafen în 2013 , cu un buget urias.

Deci, acest proiect ar putea duce la evoluții impresionante în ceea ce privește cooperarea și proiecte internaționale. Prin urmare, scopul principal al acestui proiect este de a explora aplicatiile grafenei în nanoelectronica la frecvențe înalte pentru a conecta fizica grafenei de problemele actuale in comunicații, o zonă care este foarte slab tratată până în prezent . Proiectul va explora grafena pentru dispozitivele de comunicații ultrarapide mai mult de 40 GHz . Similar cu celebrul legea Moore, legea Edholm prevede că nevoia de lărgimi de bandă mai mari în comunicații fără fir se va dubla la fiecare 18 luni. Astăzi, pentru rețelele LAN fără fir , frecvențele purtătoare sunt în jur de 5 GHz și ratele de date sunt 110-200 Mb/s. Cu toate acestea, în conformitate cu legislația Edholm , rate de date wireless în jurul 1-5 Gb / s sunt necesare în câțiva ani de acum. Acest lucru înseamnă că frecvențele purtătoare de comunicații fără fir ar trebui să devină mai mare de 60 GHz . Cu toate acestea, în acest lățime de bandă dispozitivele și circuitele capabile să formeze o legătură fără fir, la temperatura camerei sunt foarte rare . Această limitare se datorează ratei relativ mare de dispersie de încărcare și mobilități reduse relative întâlnite în semiconductori la temperatura camerei. Astfel, în câțiva ani, cererea în permanentă creștere pentru comunicații fără fir ultrarapide va fi pe deplin mulțumit utilizarea tehnologiilor semiconductoare existente.
Pentru a rezolva această problema, ne propunem o soluție radicală, care constă în utilizarea altor materiale și configurații de circuit pentru a îndeplini tendințele clare indicate de lege Edholm. Mai precis, ne propunem pentru a proiecta, fabrica și realiza dispozitive, cum ar fi ghiduri de undă coplanare, multiplicatori si detectoare care lucrează dincolo de 60 GHz si care formează emițătoare de emitere/ receptie, componente cheie ale unei legături de comunicare și toate bazate pe grafena, care are proprietati electrice, termice miniaturizate și proprietățile mecanice depăsind orice material cunoscut. Rezultatele noastre initiale au la baza acestor dispozitive inovatoare.