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Ein Graphenkondensator könnte das Internet der Dinge revolutionieren

Ein Graphenkondensator könnte das Internet der Dinge revolutionieren

Forscher der Eidgenössischen Polytechnischen Schule von Lausanne (EPFL) in der Schweiz haben einen einstellbaren Graphenkondensator entwickelt, der könnte die Geschwindigkeit und Effizienz von drahtlosen Kommunikationssystemen erheblich steigern. Das System, das bei sehr hohen Frequenzen mit beispiellosen Ergebnissen arbeitet, könnte erreichen das Internet der Dinge revolutionieren.


Es gibt viele Arten der drahtlosen Kommunikation: Mobiltelefone mit 4G- oder 5G-Konnektivität, GPS-Geräte und Computer, die über Bluetooth verbunden sind, tragbare Sensoren usw.; und sie arbeiten alle in verschiedenen Frequenzbändern. Um mit mehreren Plattformen arbeiten zu können, müssen angeschlossene Geräte einen großen Frequenzbereich unterstützen, ohne aufgrund von Hardware übermäßiges Volumen zu gewinnen.

Heutzutage sind die meisten tragbaren drahtlosen Systeme mit rekonfigurierbaren Schaltkreisen ausgestattet, die ihre Antenne so einstellen können, dass sie Daten in verschiedenen Frequenzbändern senden und empfangen. Das Problem ist, dass die heute verfügbaren Technologien wie MEMS und MOS, die Silikon oder Metalle verwenden, Bei hohen Frequenzen funktionieren sie nicht gut. Und genau hier können Daten viel schneller übertragen werden.

Deshalb die Entdeckung der EPFL-Forscher es ist so interessant, weil ermöglicht es Schaltungen, sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen zu arbeiten; und mit beispielloser Effizienz.

Die neue Graphenlösung, die im Nanoelectronic Devices Laboratory entwickelt wurde, soll die einstellbaren Kondensatoren ersetzen, die in allen drahtlosen Geräten vorhanden sind. Das Gerät "konfiguriert" die Schaltkreise auf verschiedene Frequenzen um, so dass sie in einem weiten Bereich von Frequenzbändern arbeiten können. Darüber hinaus erfüllt es andere Anforderungen, die von MEMS-Kondensatoren und MOS nicht abgedeckt werden:

  • Gute Leistung bei hohen Frequenzen
  • Eine winzige Größe (ca. 0,05 cm).
  • Und die Fähigkeit, es mit geringen Leistungsstufen einzustellen.

Der von den EPFL-Forschern entwickelte Graphenkondensator:

  • Es ist kompatibel mit herkömmlichen Schaltungen
  • Verbraucht sehr wenig Energie
  • Und über 2,1 GHz übertrifft es seine Konkurrenten leicht.

"Die Oberfläche eines herkömmlichen MEMS-Systems müsste tausendmal größer sein, um seinen Kapazitätswert zu erreichen", sagte Clara Moldovan, Hauptautorin der Studie.

Wie der Graphenkondensator funktioniert

Quelle: EPFL

Die Entdeckung der EPFL-Forscher basiert auf einer intelligenten Sandwichstruktur.

"Als Graphen vor mehr als 10 Jahren entdeckt wurde, sorgte es für Aufsehen", bemerkte der Moldauer. „Es wurde als wundersames Material angesehen, weil es ein sehr guter elektrischer und thermischer Leiter ist sowie flexibel, leicht, transparent und widerstandsfähig. Die Forscher stellten jedoch fest, dass es schwierig ist, sich in elektronische Systeme zu integrieren, da seine Atomdicke ihm einen hohen effektiven Widerstand verleiht. “

Die Sandwich-ähnliche Struktur nutzt die Tatsache aus, dass sich ein zweidimensionales Elektronengas in einem Quantentopf wie eine Quantenkapazität verhalten kann. Dies liegt daran, dass es dem Pauli-Ausschlussprinzip folgt, wonach eine bestimmte Energiemenge erforderlich ist, um eine Quantentopfwelle mit Elektronen zu füllen. Die Quantenkapazität kann leicht in Graphenschichten mit einem Atom gemessen werden. Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass sie durch Variieren der Ladungsdichte in Graphen mit einer sehr niedrigen Spannung einstellbar ist.

"Durch Anlegen einer Spannung können wir unsere Kondensatoren auf eine bestimmte Frequenz einstellen, genauso wie ein Radio so eingestellt ist, dass es verschiedene Sender einstellt", sagte Moldawier.

Hauptvorteile und Anwendungen des neuen Graphenkondensators

Neben den bereits erwähnten Vorteilen ist der neue Kondensator kann starr oder flexibel sein, was seine möglichen Anwendungen erheblich erhöht.

  • Durch den Betrieb mit hohen Frequenzen wird der Datenfluss zwischen angeschlossenen Geräten verbessert
  • Dies könnte die Lebensdauer von Batterien verlängern
  • Dies wird zu immer kompakteren Geräten führen
  • In seinem flexiblen Zustand kann es leicht an Sensoren verwendet werden, die an der Kleidung oder direkt am menschlichen Körper angebracht sind.

Trotz alledem Laut EPFL-Forschern wird Graphen Silizium nicht ersetzen wie im Laufe der Jahre immer wieder gesagt wurde, Aber die ultimative Technologie wird ein Hybrid sein das kombiniert Graphen mit fortschrittlichen Siliziumtechnologien.

Der Grund dafür ist, dass Graphen in der Elektronik in Kombination mit Silizium-Funktionsblöcken am effektivsten ist.

Nach den Ergebnissen der Untersuchung scheint kein Zweifel daran zu bestehen, dass Graphen eingebaut wird Es könnte die drahtlose Kommunikation und damit das Internet der Dinge und intelligente Städte revolutionieren.

Die Forschung wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht Nanoletter.

Quelle: EPFL

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