石墨烯集成電路工作原理解析

美國IBM公司的科學家研制出了首款由石墨烯圓片制成的集成電路，向開發(fā)石墨烯計算機芯片前進了一步?？茖W家們認為，這項突破可能預示著，未來可用石墨烯圓片來替代硅晶片

石墨烯介紹

石墨烯是一種二維晶體，人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。石墨烯的最新發(fā)現(xiàn)是人們在防腐蝕方面最有效的方法。常用的聚合物涂層很容易被刮傷，降低了保護性能；而石墨烯來做保護膜，顯著延緩了金屬的腐蝕速度，更加堅固抗損傷。石墨烯不僅是電子產(chǎn)業(yè)的新星，應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)的前途也不可限量。其應(yīng)用方向：海洋防腐、金屬防腐、重防腐等領(lǐng)域。石墨烯具有良好的導熱、導電性能。然而利用石墨烯其研制生產(chǎn)的柔性石墨烯散熱薄膜能幫助現(xiàn)有筆記本電腦、智能手機、LED顯示屏等，石墨烯能有助于大大提升散熱性能。

石墨烯內(nèi)部結(jié)構(gòu)

石墨烯內(nèi)部碳原子的排列方式與石墨單原子層一樣以sp2雜化軌道成鍵，并有如下的特點：碳原子有4個價電子，其中3個電子生成sp2鍵，即每個碳原子都貢獻一個位于pz軌道上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌道與平面成垂直方向可形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態(tài)。研究證實，石墨烯中碳原子的配位數(shù)為3，每兩個相鄰碳原子間的鍵長為1.42×10-10米，鍵與鍵之間的夾角為120°。除了σ鍵與其他碳原子鏈接成六角環(huán)的蜂窩式層狀結(jié)構(gòu)外，每個碳原子的垂直于層平面的pz軌道可以形成貫穿全層的多原子的大π鍵（與苯環(huán)類似），因而具有優(yōu)良的導電和光學性能。

3d石墨烯集成電路工作原理

IBM研究者們研發(fā)的這種全新方法完全顛覆了傳統(tǒng)的硅集成電路的生產(chǎn)流程。這種新方法把石墨烯晶體管當做集成電路生產(chǎn)步驟中的最后一步，這樣就保留了石墨烯裝置的原有性能。多平臺石墨烯無線電頻率接收器包含有三個石墨烯晶體管、四個感應(yīng)器、兩個電容器和兩個電阻器。電路中的組成部分被整合成0.6平方毫米的區(qū)域，并且在200毫米的硅生產(chǎn)線上進行組裝，這種石墨烯集成電路生產(chǎn)線具有前所未有的復雜性，并且具有最高的硅CMOS器件生產(chǎn)能力。這種新的生產(chǎn)方法同時也使硅CMOS主干上3D異質(zhì)整合成為可能。

在任何的無線通信系統(tǒng)中，接收器是非常關(guān)鍵的組成部分。此集成電路工作狀態(tài)消耗的能量小于20mW，在多重GHz頻率下，此集成電路中的接收器是所有石墨烯無線頻率集成電路中轉(zhuǎn)換效率最高的。測試發(fā)現(xiàn)，在4.3GHz的信號強度下，他們成功地接收和儲存“I、B、M”這三個信號，并且沒有任何失真，從而證實了石墨烯集成電路在目前無線通訊領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。