Grafenowe bramki logiczne

Włoscy oraz amerykańscy naukowcy jako pierwsi na świecie skonstruowali bramki logiczne oparte na grafenie, działające w temperaturze pokojowej. Zdaniem badaczy ich praca stanowi ważny krok w kierunku rozwoju grafenowych urządzeń logicznych.

Grafen – „krzem przyszłości”

Aby kontynuować trend w wytwarzaniu coraz bardziej wydajnych komputerów, układy elektroniczne muszą być zdolne do wykonywania operacji logicznych w coraz to krótszym czasie. Ograniczeniem obecnie stosowanych układów krzemowych jest niska ruchliwość elektronów, czyli szybkość, z jaką elektrony przemieszczają się w danym materiale. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie grafenu, często określanego mianem „krzemu przyszłości”, charakteryzującego się unikalnymi właściwościami elektrycznymi obejmującymi m.in. bardzo wysoką ruchliwość nośników ładunku.

Pierwszy układ scalony bazujący na grafenie został skonstruowany w 2009 roku przez grupę naukowców z Politecnico di Milano w Como (Włochy) kierowaną przez Romana Sordan. Chociaż układ ten był w pełni funkcjonalny, nie nadawał się jednak do powszechnego użytku. Przeszkodę stanowiła metoda otrzymywania grafenu (rozłupywanie grafenu), która nie mogła (i wciąż nie może) zostać przeniesiona na skalę przemysłową. Ponadto, układ ten nie mógł działać w oparciu o dopasowane napięciowo sygnały elektryczne. „Bez takiego dopasowania (…), bramki logiczne nie będą mogły pracować kaskadowo tj. jedna bramka nie będzie w stanie wyzwolić następnej, w związku z czym wykonywanie skomplikowanych funkcji logicznych nie będzie mogło być zrealizowane”, wyjaśnił Sordan.

Praca grupy Sordano przyczyniła się do wytężonych badań przeprowadzanych przez wiele zespołów badawczych na świecie, mających na celu opracowanie techniki wytwarzania sygnałów elektrycznych kompatybilnych z urządzeniami grafenowymi. Mimo upływu ponad trzech lat, najlepsze z dotychczas opracowanych urządzeń pracuje tylko w niskich temperaturach i bazuje na „odłupywanym” grafenie.

Pierwsze bramki logiczne z grafenu

W obecnej pracy do budowy inwertera (układ negacji) skorzystano z grafenu otrzymywanego metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (ta metoda otrzymywania grafenu może zostać z powodzeniem przeniesiona na skalę przemysłową). Urządzenie to jest zdolne do pracy z wykorzystaniem dopasowanych napięciowo sygnałów elektrycznych oraz może pracować w temperaturze pokojowej. Ale to nie wszystkie jego zalety. „Wzmocnienie napięciowe naszego urządzenia kształtuje się na poziomie 5,3 i jak do tej pory jest to najwyższa wartość wzmocnienia jaką udało się uzyskać dla urządzeń bazujących na grafenie wytworzonych metodą osadzania z fazy gazowej”, powiedział Sordan. „Dla porównania układ skonstruowany przez nas w 2009 roku posiadał wzmocnienie równe 0,04”.

„W przeszłości środowisko naukowe wykazywało pewne wątpliwości dotyczące możliwości stosowania grafenowych bramek logicznych w rzeczywistych aplikacjach”, powiedział Sordan. „Nasza praca pokazała jednak, że grafenowe bramki logiczne mogą z powodzeniem pracować w normalnych warunkach oraz, że bramki te mogą być stosowane w najróżniejszych aplikacjach.”

Obecnie wysiłki naukowców koncentrują się nad ograniczeniem strat mocy w grafenowych bramkach, które skutecznie uniemożliwiają ich zastosowanie w układach małej mocy.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com