石墨烯集成电路工作原理解析

发表于 2018-02-02 14:11:56 收藏 已收藏
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石墨烯集成电路工作原理解析

发表于 2018-02-02 14:11:56

美国IBM公司的科学家研制出了首款由石墨烯圆片制成的集成电路,向开发石墨烯计算机芯片前进了一步。科学家们认为,这项突破可能预示着,未来可用石墨烯圆片来替代硅晶片

石墨烯介绍

石墨烯是一种二维晶体,人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。石墨烯的最新发现是人们在防腐蚀方面最有效的方法。常用的聚合物涂层很容易被刮伤,降低了保护性能;而石墨烯来做保护膜,显著延缓了金属的腐蚀速度,更加坚固抗损伤。石墨烯不仅是电子产业的新星,应用于传统工业的前途也不可限量。其应用方向:海洋防腐、金属防腐、重防腐等领域。石墨烯具有良好的导热、导电性能。然而利用石墨烯其研制生产的柔性石墨烯散热薄膜能帮助现有笔记本电脑、智能手机、LED显示屏等,石墨烯能有助于大大提升散热性能。

石墨烯集成电路工作原理解析

石墨烯内部结构

石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键,并有如下的特点:碳原子有4个价电子,其中3个电子生成sp2键,即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子,近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键,新形成的π键呈半填满状态。研究证实,石墨烯中碳原子的配位数为3,每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10-10米,键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外,每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键(与苯环类似),因而具有优良的导电和光学性能。

石墨烯集成电路工作原理解析

3d石墨烯集成电路工作原理

IBM研究者们研发的这种全新方法完全颠覆了传统的硅集成电路的生产流程。这种新方法把石墨烯晶体管当做集成电路生产步骤中的最后一步,这样就保留了石墨烯装置的原有性能。多平台石墨烯无线电频率接收器包含有三个石墨烯晶体管、四个感应器、两个电容器和两个电阻器。电路中的组成部分被整合成0.6平方毫米的区域,并且在200毫米的硅生产线上进行组装,这种石墨烯集成电路生产线具有前所未有的复杂性,并且具有最高的硅CMOS器件生产能力。这种新的生产方法同时也使硅CMOS主干上3D异质整合成为可能。

石墨烯集成电路工作原理解析

在任何的无线通信系统中,接收器是非常关键的组成部分。此集成电路工作状态消耗的能量小于20mW,在多重GHz频率下,此集成电路中的接收器是所有石墨烯无线频率集成电路中转换效率最高的。测试发现,在4.3GHz的信号强度下,他们成功地接收和储存“I、B、M”这三个信号,并且没有任何失真,从而证实了石墨烯集成电路在目前无线通讯领域应用的可行性。

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