Only Perception: 石墨烯可導致速度更快的晶片（倍頻器）

2009-04-03

石墨烯可導致速度更快的晶片（倍頻器）

Graphene could lead to faster chips
http://www.physorg.com/news156698836.html

March 19th, 2009 By David Chandler

(PhysOrg.com) -- 在 MIT 的新研究發現可導致微晶片以比現在標準矽晶片還要更快的速度運作，使得手機與其他通訊系統能更快傳送資料。

這種超快晶片的關鍵是使用一種稱為石墨烯（graphene，石墨薄片）的材料，純碳的一種形態，首度在 2004 年被確認。在其他單位的研究者已經使用單層原子厚的碳原子製來製造原型電晶體與其他簡單裝置，不過 MIT 的最新結果能夠開啟一系列的新應用。

MIT 研究者打早出一款實驗性質的石墨烯晶片，稱為倍頻器（frequency multiplier），意味著它能獲得某進入電子訊號的某一頻率 -- 例如，決定一電腦晶片能以多快速度運算的時脈速度 -- 並產生一輸出訊號，為該頻率的倍增。在此例中，MIT 石墨烯晶片能使一電磁訊號的頻率加倍。

倍頻器廣泛用於無線電通訊與其他應用中。不過現存系統需要許多元件，產生了「雜訊」，需要過濾以及消耗大量電力，有鑑於此，這種新石墨烯系統只需要單一一個電晶體，並產生，以高效率的方式，一種純淨的輸出，完全不需要過濾。

這些發現將在 Electron Device Letters 四月號的一篇論文，以及本週 American Physical Society 會議的一場演講中，由 Tomas Palacios（MIT 電機工程與電腦科學矽助教授）以及 Microsystems Technology Laboratories 的核心成員報告。這項研究由 Palacios 與該系助教授 Jing Kong 還有兩位他的朋友 Han Wang 與 Daniel Nezich 所完成。

"在電子學中我們一直試圖增加頻率，" Palacios 說，以便製造，例如「愈來愈快的電腦」以及能以高速率傳送資料的手機。"要產生高於 4 或 5 GHz 的頻率很難，" 他說，但新的石墨烯技術能導致範圍在 500 - 1000 GHz 的實用系統。

"從 2004 年起，研究者已嘗試為這種材料尋找用途，" 他說。"我相信這種應用對於高頻通訊與電子學將有極大的影響。" 藉由運行一系列使頻率加倍的晶片，應能獲得比現在可行的頻率還高許多倍的頻率。

然而這項研究仍在實驗室階段，Palacios 說，因為它絕大部份是基於相對標準的晶片處理技術，他認為，要將它發展到一種能商業化生產的階段，"也許還需要一年，最多到二年的研究。" 目前這個計畫部份由 MIT Institute for Soldier Nanotechnology 以及由 Interconnect Focus Center 這個計畫所資助，而且根據 Palacios 表示，它已經引起 "許多其他聯邦政府單位與主要晶片製造公司" 的關注。

石墨烯，與更為人所知的巴克球及奈米碳管相關，那些亦由單層原子厚的碳薄片構成。不過在這些材料中，碳薄片被捲成管狀或球狀。雖然物理學家長久以來懷疑此材料的平坦薄片在理論上應當可能，不過某些人質疑它是否能在真實世界中穩定存在。

"在今日的物理學中，石墨烯，可以說是最有趣的主題，" Palacios 說。它是有史以來所發現最強健的材料，且有一些無比的電氣特性，例如「遷移率（mobility）」-- 電子能在此材料中開始移動的輕鬆程度，一種在電子學中運用的關鍵 -- 是矽（電腦晶片標準材料）的 100 倍。

使石墨烯能成廣泛使用的關鍵因素是一種能製造充分數量的完美方法。這種材料最初的確認，以及絕大部份的早期研究都是基於「膠帶技術」的使用，Palacios 解釋。這涉及拿一坨石墨，在上面貼一張膠帶，把它削下來，然後將它鋪在矽晶圓或其他材料上。

不過 Kong 已正在開發一種直接生成整片石墨烯晶圓的方法，這將使得這種材料對於電子學而言有實用價值。Kong 以及 Palacios 的小組目前症研究將此倍頻器轉移到這些新的石墨烯晶圓上。

"石墨烯將在未來電子學中扮演一種關鍵的角色，" Palacios 說。"我們只需要確認正確的裝置能充分發揮它的卓越特性。倍頻器可能會是其中一種。"

※ 相關報導：

＊ Graphene Frequency Multipliers
http://dx.doi.org/10.1109/LED.2009.2016443

Kong, J. Nezich, D. Palacios, T. Wang, H.
Electron Device Letters, 2009
doi: 10.1109/LED.2009.2016443

In this letter, the ambipolar transport properties of graphene flakes have been used to fabricate full-wave signal rectifiers and frequency-doubling devices. By correctly biasing an ambipolar graphene field-effect transistor in common-source configuration, a sinusoidal voltage applied to the transistor gate is rectified at the drain electrode. Using this concept, frequency multiplication of a 10-kHz input signal has been experimentally demonstrated. The spectral purity of the 20-kHz output signal is excellent, with more than 90% of the radio-frequency power in the 20-kHz frequency. This high efficiency, combined with the high electron mobility of graphene, makes graphene-based frequency multipliers a very promising option for signal generation at ultrahigh frequencies.