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六方氮化硼:似乎是5G RF开关的首选材料

在金电极之间夹着一层原子薄的六方氮化硼层,可以作为传输5G甚至更高频率的开关。

An atom-thin layer of hexagonal boron nitride sandwiched between gold electrodes acts as a swtich to route 5G and possibly higher frequencies.

德克萨斯州的工程师设计了一种类似记忆体的非挥发性的2D六方氮化硼开关。

原子数量级的二维材料在很多方面都很有用,但直到两年前,还没有人想到它们能制造出更好的存储设备。Deji Akinwande, Jack Lee和他们在UT Austin的团队尝试了一下。事实证明,把像二硫化钼这样的2D材料夹在两个电极之间就形成了记忆器——一种通过改变电阻存储数据的双端设备。在上周的研究报告中,他们已经证明了这些“原子电阻器”的一个非常重要的潜在应用——模拟射频开关,适用于5G甚至未来的6G无线电。

蜂窝无线电做了很多转换。他们必须在不同频率之间进行切换以防止干扰,还必须在不同相位的信号之间进行切换以控制数据光束。射频开关是一种要求很高的设备,需要一种很难获得的特性组合。快速开关,低电阻,高离阻抗,泄漏小,这是今天的开关所没有的,它们应该在没有电源的情况下保持原位。如果不用开着收音机开关,依靠电池的物联网系统可能会使用更久。这就是新的纳米级原子电阻器开关现在所能做的,不仅是为5G频率,而且也为未来可能的6G频率。

忆阻器通常由两个电极夹在绝缘材料柱(如氧化物材料)中组成。该装置在高电阻状态下启动,阻止电流通过。但是如果将电压提高到足够高的程度,氧就会从氧化物中挤出来,形成一条导电通道。在这种状态下,设备现在很容易通过电流。相反方向的高电压会把氧放回原位,恢复它的电阻。

A single layer of hexagonal boron nitride forms a nanoscale switch.

一层六方的氮化硼形成了纳米级的开关。

由于二维半导体中没有垂直维度来形成导电路径,所以这种情况不会发生。相反,Akinwande的研究小组发现,二维材料晶格中某些自然产生的缺陷会产生这种效果。这些缺陷就是原子的缺失。通常,二维材料的电阻很高,但如果有足够的电压,电极上的金原子会暂时移到空隙中,使材料具有导电性。Akinwande 介绍:“基本上,它就像Airbnb。他们只是在租房子,”一个强大的反向电压会将金阶层推出。

原子反应最初是用二硫化钼作为二维材料发现的。但是对于RF开关来说,当关闭时必须强烈地阻止信号,“你真正需要的是一个绝缘体,”因此,该团队和他们在里尔大学的合作者转向六方氮化硼(hBN),这是一种被广泛研究的二维绝缘体。

Akinwande:“通常当人们使用hBN时,他们使用了好几层。”但随着时间的推移,他的团队能够用0.3纳米厚的材料层制造出开关。“人们对这一结果感到震惊。“关键是产生hBN时不能有任何大到足以让电流通过的缺陷。“它必须几乎完美。”

RF开关的关键优点在于它的截止频率。它是通态电阻和断态电容的组合,在一个良好的开关中,两者都应该是低的。截止频率的赫兹值表明该设备是射频开关的良好选择,实验的hBN设备得分为129太赫兹。作为测试的一部分,该团队使用100千兆赫的载波频率,以每秒8.5千兆赫的速度传输实时高清视频。他们介绍,这个频率足以满足5G的流媒体需求。在这个数据速率下,几秒钟就可以下载几部电影。他们将研究结果发表在《自然电子》杂志上。

对于5G频率,Akinwande正在探索商业化,以进一步开发纳米级开关。尽管研究设备是在金刚石衬底上使用金电极进行演示的,Akinwande表示制造这些RF开关的过程与代工厂使用的CMOS过程是兼容的。他指出,几所大学和台积电的研究显示,hBN与硅可以集成在一起。

对于6G频率,预计将包括太赫兹范围内的频率(300至3000 GHz),UT Austin团队正计划进行新的实验室测量。

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