На протяжении последних десятилетий инженеры-электронщики по всему миру пытались разработать устройства, которые обеспечили бы еще более быструю связь между устройствами, потребляя при этом меньше энергии. Чтобы соответствовать требованиям технологии беспроводной связи шестого поколения (6G), эти устройства должны работать на частотах выше 100 гигагерц (ГГц).
До сих пор разработка гибких электронных компонентов, способных работать на таких высоких частотах при низком энергопотреблении, была непростой задачей. Один из перспективных подходов к созданию таких устройств предполагает использование углеродных нанотрубок (УНТ) — чрезвычайно тонких цилиндрических структур с превосходными электрическими и термическими свойствами.
Исследователи из Пекинского и Стэнфордского университетов недавно разработали новые гибкие транзисторы на основе углеродных нанотрубок с низким энергопотреблением, которые работают на частотах выше 100 ГГц. Эти транзисторы, представленные в статье, опубликованной в Nature Electronics, потенциально могут помочь ускорить обмен данными между будущими смартфонами, датчиками, носимыми и другими гибкими устройствами.
«Эта работа была вдохновлена стремлением создать беспроводные системы будущего, которые будут не только более быстрыми, но и гибкими, лёгкими и подходящими для устройств, ориентированных на человека, таких как носимые или встроенные в тело устройства», — рассказал Tech Xplore Юфань Ху, один из старших авторов статьи. «Углеродные нанотрубки уже продемонстрировали отличные радиочастотные (РЧ) характеристики на жестких подложках, поэтому мы увидели в гибкой РЧ-электронике на основе углеродных нанотрубок перспективное решение для удовлетворения этой потребности, но нам нужно устранить тепловые ограничения, которые обычно возникают в гибкой электронике».
Транзисторы, созданные исследователями, изготовлены на тонкой и гибкой полиамидной подложке, что позволяет им изгибаться и принимать форму неплоских поверхностей. Важно отметить, что при испытаниях на изгиб устройства сохранили большую часть своих высокоскоростных радиочастотных характеристик.
Ключевой проблемой при разработке транзисторов меньшего размера, работающих на частотах выше 100 ГГц, является нагрев. В частности, при уменьшении размеров транзистора его внутренняя температура может значительно повышаться, особенно если он изготовлен из гибких материалов, которые проводят тепло хуже, чем кремний.
«Мы решили эту проблему с помощью новой электротермической совместной разработки, в рамках которой мы оптимизировали структуру и материалы транзистора, чтобы сбалансировать его высокочастотные характеристики и теплоотдачу, — объяснил Эрик Поп, один из старших авторов статьи. — Например, более толстые контакты улучшают охлаждение, но могут ухудшить высокочастотные характеристики, поэтому тщательный поиск компромисса был ключевой частью разработки».
В ходе предварительных испытаний новые радиочастотные транзисторы разработанные учеными, показали многообещающие результаты. В частности, они обеспечили пиковую частоту отсечки по усилению тока в 152 ГГц и пиковую частоту отсечки по усилению мощности в 102 ГГц при низком энергопотреблении — менее 200 мВт на мм−1.
«Гибкие подложки гораздо хуже удерживают тепло, чем жесткий кремний, что затрудняет создание высокопроизводительной гибкой электроники, — считают исследователи. — Таким образом, ключевым выводом этой работы стало то, что при проектировании высокопроизводительных схем на гибких подложках нельзя игнорировать тепловое проектирование. Его необходимо учитывать на этапе разработки устройства. Это позволило нам впервые создать гибкие транзисторы, работающие на частоте выше 100 ГГц при низком энергопотреблении».
В будущем новая стратегия проектирования, предложенная этой исследовательской группой, может быть адаптирована и использована для разработки других электронных компонентов на основе углеродных нанотрубок с низким энергопотреблением, совместимых с технологиями беспроводной связи следующего поколения.