工程师设计由六方氮化硼制成的新型纳米级快速开关忆阻器,可传送5G和6G无线电信号

德克萨斯州工程师设计了一种由六方氮化硼制成的新型纳米级快速开关忆阻器,可传送5G和6G无线电信号。

工程师设计由六方氮化硼制成的新型纳米级快速开关忆阻器,可传送5G和6G无线电信号
在金电极之间夹着一层原子薄的六边形氮化硼,作为5G和可能更高频率的路由开关。

原子薄二维材料可以做很多事情,但直到两年前,还没有人认为它们可以制造出优质的存储设备。然后,Deji Akinwande、Jack Lee和他们在UT Austin的团队进行了尝试。事实证明,将二硫化钼这样的二维材料夹在两个电极之间,就可以制造出忆阻器–一种可以将数据存储为电阻变化的两端设备。在上周报道的研究中,他们已经证明了这些 “原子电阻 “的一个非常重要的潜在应用–5G甚至未来的6G无线电的模拟射频开关。

蜂窝无线电会进行大量切换。它们必须在发射和接收之间进行切换,必须在不同的频率之间进行切换以防止干扰,还可能需要在不同相位的信号之间进行切换,以引导其数据光束。射频开关是相当高要求的设备,它需要的特性组合是很难得的。快速切换、低导通电阻、高偏移阻抗、小漏电,而这也是现在的开关所不具备的特性–在无电源情况下应该保持在原位。如果不需要让无线电开关保持通电,依赖电池的物联网系统就有可能持续更长的时间。这就是新型纳米级原子电阻开关现在可以做到的,不仅适用于5G频率,也适用于未来的6G频率。

忆阻器通常由两个电极组成,该两个电极夹着绝缘材料(例如氧化物材料)的柱子。器件以高阻态启动,防止电流通过。但将电压提高到足够高,氧化层中的氧被挤掉,形成导电通路。在这种状态下,设备现在可以轻松通过电流。反向高电压会将氧气放回原位,从而恢复其电阻。

工程师设计由六方氮化硼制成的新型纳米级快速开关忆阻器,可传送5G和6G无线电信号
单层的六边形氮化硼形成了一个纳米级开关

但这不可能是2D半导体中的情况,因为没有垂直方向形成导电通路。相反,Akinwande的研究小组发现,二维材料的晶格中某些自然产生的缺陷会产生这种效果。这些缺陷是原子的缺失。通常,二维材料上的电阻很高,但是在足够的电压下,来自电极的金原子会暂时移入空位,使材料导电。

原子电阻作用最初是用二硫化钼作为二维材料发现的。但对于射频开关来说,关机时必须强烈阻断信号,因此,该团队和他们在里尔大学的合作者转向了六方氮化硼(hBN),这是一种经过广泛研究的2D绝缘子。

射频开关的关键性能指标称为截止频率。它是通态电阻和非通态电容的组合,在一个好的开关中,这两者都应该是低的。截止频率的太赫兹值表明该设备是RF开关的理想选择,而实验性hBN设备的得分为129太赫兹。作为测试的一部分,该团队使用100太赫兹载波频率,以每秒8.5吉比特的速率传输实时高清视频,他们表示,这对于5G的流媒体需求来说,已经绰绰有余。在这个数据速率下,几秒钟内就可以下载几部电影。该研究团队在《自然电子》杂志上报告了相关研究成果。

对于5G频率,Akinwande正在探索商业化,以进一步开发纳米级开关。虽然该研究器件是在金刚石基板上使用金电极进行演示,但Akinwande表示,制作这些射频开关的工艺与晶圆代工厂使用的CMOS工艺兼容。他指出在几所大学和台积电所做的研究显示了hBN与硅的集成。

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

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