IBM สร้างวงจรรวมวงจรแรกโดยใช้กราฟีน (Graphene)

รูปภาพ: AAAS/Science

9 มิถุนายน 2554 - นักวิจัยจาก IBM ได้สร้างวงจรรวมโดยใช้กราฟีนทรานซิสเตอร์ (Graphene Transistor) นับเป็นก้าวที่สำคัญที่จะข้ามขีดจำกัดของซิลิคอน และเส้นทางที่มีประสิทธิภาพสู่อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถยืดหยุ่นได้ (Flexible Electronics)

วงจรนี้ สร้างบนแผ่นเวเฟอร์ซึ่งทำจาก Silicon Carbide (SiC) ประกอบไปด้วยทรานซิสเตอร์ประเภท FET (Field Effect Transistor) ซึ่งทำจากกราฟีน (โครงสร้างแบบหนึ่งของคาร์บอน (Carbon) มีลักษณะเหมือนตะข่าย มีความหนาเพียงหนึ่งอะตอม และสามารถนำไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี) นักวิจัยกล่าวว่า กราฟีนมีคุณสมบัติในการใช้สร้างทรานซิสเตอร์ที่ทำงานที่ความเร็วระดับ terahertz (1,000 GHz) ซึ่งวันหนึ่งอาจจะมาแทนที่ซิลิคอนที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน
นักวิจัยหลายกลุ่มได้สร้างทรานซิสเตอร์จากกราฟีน นักวิจัยทีม IBM นำโดย Phaedon Avouris ที่ Thomas J. Watson Research Center ได้แสดงทรานซิสเตอร์ที่ทำงานอยู่ที่ 100 GHz ให้เห็นเมื่อปีที่ผ่านมา ซึ่งนี่เป็นตัวเลขที่มากกว่าทรานซิสเตอร์ที่ผลิตจากซิลิคอนเดิมเป็นเท่าตัวเมื่อเทียบจากขนาดที่เท่ากัน แต่ Keith Jenkins หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับงานวิจัยกล่าวว่า ทรานซิสเตอร์โดยตัวมันเองไม่มีประโยชน์ จนกว่ามันจะถูกนำไปต่อกับอะไร

วงจรที่ทีมนักวิจัยผลิตขึ้นมาเป็นวงจร mixer คลื่นความถี่วิทยุ (ชิ้นส่วนสำคัญในวิทยุ ทำหน้าที่ในการหาผลต่างของความถี่ 2 ความถี่) Jenkins พูดว่า "วงจรนี้เป็นวงจรที่พบได้ทั่วไป มันถูกสร้างขึ้นมาเพื่อพิสูจน์แนวคิด ไม่ได้ถูกออกแบบมาเพื่อใช้ในเชิงธุรกิจ สามารถรับมือกับความถี่ได้สูงถึง 10 GHz และแน่นอนว่า เราสามารถทำให้มันไวได้มากขึ้นกว่านี้ได้อีกมาก ความเร็วที่วงจรทำงานอยู่นี้ไม่ใช่ขีดจำกัดของมันแต่อย่างใด"


ส่วนยากของ FET ที่ผลิตจากกราฟีนคือ การนำมันมาต่อพ่วงกับอุปกรณ์อื่นๆ ซึ่งอย่างแรกโลหะที่ส่วนอื่นๆใช้ (จำพวก อลูมิเนี่ยม, ทอง, พาลาเดียม) ไม่สามารถเกาะจับกราฟีนได้ดีนัก อย่างที่สองคือ กราฟีนมีความหนาเพียงหนึ่งอะตอม ซึ่งทำให้มีโอกาสเสียหายได้ในขั้นตอนการผลิต วิธีหนึ่งในการแก้ปัญหานี้คือ การสร้างกราฟีนไปบนแผ่นเวเฟอร์ที่ทำจาก Silicon Carbide แล้วเคลือบอีกทีด้วยสารโพลีเมอร์ PMMA ซึ่งจะทำให้กราฟีนปลอดภัยจากขั้นตอนการผลิต และสามารถล้างออกได้เมื่อไม่ใช้

หนึ่งในจุดเด่นสำคัญของกราฟีนคือ การทำงานของมันไม่ได้รับผลกระทบมากนักจากอุณหภูมิ ในช่วง 27 °C to 127 °C นั่นหมายความว่า วงจรที่ทำจากกราฟีนไม่จำเป็นต้องได้รับการออกแบบเผื่อในกรณีอุณหภูมิมีการเปลี่ยนแปลง ทำให้วงจรซับซ้อนน้อยลง และยังลดต้นทุนการผลิตวงจรลง

Tomás Palacios วิศวกรไฟฟ้าจาก MIT ได้พูดถึงวงจรที่ผลิตออกมานี้ว่า "เป็นผลงานที่ดี แม้มันยังต้องได้รับการปรับปรุงอีกหลายๆ ด้าน แต่มันก็ได้แสดงให้เห็นถึงก้าวที่สำคัญไปสู่วงจรที่ใช้งานได้"

ทีมจาก IBM ได้เล็งเห็นถึงวิธีในการปรับปรุงความสามารถของมัน อย่างเช่น การใช้ Dielectric layer ที่บางขึ้นในทรานซิสเตอร์ Jenkins ยังกล่าวไว้อีกว่า ขณะนี้ทีมยังมองหาวัสดุใหม่ที่สามารถยึดติดกับกราฟีนได้ดีขึ้น เพราะวัสดุอะไรก็ตามที่สัมผัสกับมันมีโอกาสที่จะสูญเสียคุณสมัติในการนำอิเล็กตรอน ชิ้นส่วนชิ้นต่อไปที่เขาจะสร้างคือ ตัวขยายสัญญาณจากกราฟีน แม้ว่าคุณสมบัติทางไฟฟ้าของตัววัสดุเองจะทำให้งานท้าทายยิ่งขึ้น

Jenkins พูดว่า "มันยังคงต้องใช้เวลาอีกหลายปีกว่าเทคโนโลยีจากกราฟีนจะเข้ามาแทนที่วงจรที่ผลิตจากซิลิคอนในปัจจุบัน แต่จากงานวิจัยที่มีให้เห็นออกมา แสดงให้เห็นถึงความเร็วของมัน ซ้ำยังมีคุณสมบัติที่เหนือกว่าซิลิคอนอย่างเช่น แข็งแรง โปร่งใส บิดตัวได้ ซึ่งทำให้การผลิตวงจรอิเล็กโทรนิกส์ที่สามารถยืดหยุ่นได้เข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้น ตัวอย่างการประยุกต์ใช้เช่น โทรศัพท์มือถือที่ปักไปบนเสื้อ ตัวรับสัญญาณ GPS บนชุดทหาร" Palaios กล่าว "ความเป็นไปได้ที่น่าสนใจของกราฟีนคือ การนำมันไปรวมกับอุปกรณ์หรือวงจรอื่นๆ ได้บนทุกพื้นผิว ตั้งแต่พลาสติกจนถึงซิลิคอน และแก้ว จากสิ่งนี้เราสามารถใช้วงจรจากกราฟีนได้ทุกหนทุกแห่ง"

source: http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/first-graphene-integrated-circuit