Terahertzvågor och grafen leder vägen mot framtidens kommunikation

Dela
June 28, 2017, 10:00
Högskolan

​​Genom att utnyttja terahertzvågor i elektronik kan
framtidens datatrafik få en rejäl skjuts framåt. Hittills har
terahertzfrekvensen inte kunnat appliceras optimalt på dataöverföring,
men genom att använda grafen har forskare på Chalmers kommit ett steg
närmare ett möjligt paradigmskifte för elektronikbranschen.

Om bland annat detta kommer ett 60-tal unga forskare från hela världen lära sig mer när de samlas i Hindås 25-30 juni för att ta del i grafenskolan Graphene Study.
 
Det är EU:s Chalmersledda jättesatsning Graphene Flagship som anordnar skolan, som i år hålls på hemmaplan och fokuserar på elektroniska applikationer av det tvådimensionella materialet med de många överlägsna egenskaperna. Grafen är till exempel det tunnaste, starkaste och mest ledande materialet man idag känner till. Andrei Vorobiev, är forskare på avdelningen för terahertz- och millimetervågsteknik vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap - MC2 - och en av de många världsledande experter på området som kommer att föreläsa på Graphene Study.
 
– En av grafens speciella egenskaper är att elektronerna rör sig mycket fortare än i flertalet av de halvledande material som används idag. Tack vare det kan vi komma åt de höga frekvenser (upp till 1000 gånger högre än gigahertz) som terahertzvågorna rör sig i. Datakommunikationen blir då dels upp till tio gånger snabbare och kan överföra mycket större datamängder än vad som idag är möjligt, säger docent Andrei Vorobiev (t.h).
 
Forskarna på Chalmers var först i världen med att visa att en grafenbaserad transistor kunde ta emot och omvandla terahertzvågor, som i frekvens ligger mitt emellan mikrovågor och infrarött ljus, och resultaten publicerades i tidskriften IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Att grafen även är ett flexibelt material gör att tekniken öppnar dörrar för en mängd olika användningsområden. Sakernas Internet med uppkopplade, smarta vardagsföremål kommer att kräva snabb internetöverföring via lättintegrerade antenner och sensorer, som även kan fästas direkt på kroppen för hälsorelaterad eller medicinsk användning.
 
– Ett annat område där vi ser stor potential är säkerhetsskanning på till exempel flygplatser. Genom att en grafenbaserad terahertz-skanner är böjbar får man en mycket bättre upplösning och kan utvinna mer information än om skannerns yta är platt, säger Andrei Vorobiev.
 
Men trots framstegen så återstår mycket arbete innan färdiga elektroniska produkter når marknaden. Andrei Vorobiev och hans kollegor jobbar nu för att byta ut den kiselbas som grafenlagret monteras på, och som försämrar prestandan, mot andra tvådimensionella material som tvärtom ytterligare kan förstärka effekten. Och han hoppas att kunna inspirera de doktorander och unga forskare som deltar i årets grafenskola till att uppnå nya genombrott.
 
– De senaste femtio åren har all utveckling inom elektronik följt Moores lag som säger att för varje år applicerar man mer och mer funktioner på en allt mindre yta. Nu verkar det som vi har nått den fysiska gränsen för hur små de elektroniska kretsarna kan bli och vi måste hitta en annan princip för att komma vidare. Nya material kan vara en sådan väg och forskning på just grafen visar positiva resultat. Att som forskare bryta ny mark innebär en mängd svåra utmaningar, men i förlängningen kan vårt arbete komma att revolutionera framtidens kommunikationssätt och det är det som gör det så spännande, säger Andrei Vorobiev.

Den timglasformade 40 μm breda grafenfälteffekttransistorn, som syns i mitten av bilden, kan vara en nyckelkomponent i framtida höghastighets trådlösa kommunikationslänkar. Illustration: Michael A. Andersson, Yaxin Zhang and Jan Stake/Chalmers University of Technology

Foto på diskuterande deltagare:
Angelika Bernhofer

Foto på Andrei Vorobiev: Anna-Lena Lundqvist

 

De vetenskapliga publiceringarna:

Tidskriften IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 65 (1), 165-172: A 185–215-GHz Subharmonic Resistive Graphene FET Integrated Mixer on Silicon
Författare: Michael A Andersson, Yaxin Zhang och Jan Stake, samtliga Chalmers
 
Tidskriften IEEE Microwave and Wireless Components Letters 27 (2), 168-170: A W-band MMIC Resistive Mixer Based on Epitaxial Graphene FET
Författare: Omid Habibpour, Zhongxia Simon He, Niklas Rorsman och Herbert Zirath, samtliga Chalmers, samt Wlodek Strupinski, Tymoteusz Ciuk och Pawel Ciepielewski från polska Institute of Electronic Materials Technology

Läs också artikel i Elektroniktidningen >>>