ابتكر باحثون في برنامج بحوث “جرافين فلاجشيب” Graphene Flagship تقنية تصنيع على مستوى الرقاقة تتيح تطبيق عملية التكامل مع شرائح السيليكون بفضل قوالب الجرافين ذات البلورات الأحادية.
ويأتي هذا الإنجاز بالتزامن مع الحاجة الملحة إلى مزيد من الاتصالات الموثوقة أكثر من أي وقت مضى، ومع إدراك المختصين لمحدودية الأجهزة التقليدية فيما يتعلق بالحجم والتكلفة واستهلاك الطاقة على نحو خاص، وتأثيرها المباشر على انبعاثات الغازات الدفيئة، فضلاً عن قدرة الجرافين على هذه المشكلة وتغيير مستقبل النطاق العريض.
يعتبر هذا العمل الذي تم نشره في مجلة ACS Nano المرموقة مثالاً رائعاً عن التعاون الذي أبرمته منظومة جرافين فلاجشيب Graphene Flagship مع مجموعة من المؤسسات الشريكة مثل مركز الصناعات والتقنيات الجديد CNIT و معهد إيتاليانو دي تيكنولوجيا في إيطاليا IIT ومركز كامبريدج جرافين في المملكة المتحدة وشركة CamGraphIC التابعة لجرافين فلاجشيب. كما كشفت شركة INPHOTEC إلى جانب الباحثين في معهد Tecip في إيطاليا عن تقنية تصنيع درات متكاملة للأجهزة الضوئية القائمة على الجرافين. وقد عزز برنامج جرافين فلاجشيب Graphene Flagship التعاون بين الأوساط الأكاديمية والقطاعات الرائدة بهدف تطوير نماذج ومنتجات تقنية عالية المستوى من خلال الاعتماد على حزم عمل متكاملة على مستوى الرقاقة ومشاريع الأبحاث مثل Metrograph.
تم التوصل إلى تقنية التصنيع الجديدة من خلال استخدام صفيحات الجرافين ذات البلورات الأحادية، وبهذا الصدد، قالت كاميلا كوليتي، منسقة مختبرات الجرافين في المعاهد الهندية للتكنولوجيا، والمشرفة المساعدة على الدراسة: “عادةً، عندما نهدف إلى تحقيق تكامل على مستوى الرقاقة نقوم بزراعة طبقة جرافين بحجم الرقاقة ثم نقلها إلى السيليكون. إن نقل طبقة جرافين بسماكة ذرة فوق الرقاقات والحفاظ على سلامتها وجودتها يشكل تحدياً كبيراً. كما تضمن تقنية بذور الكريستال والزراعة والنقل المعتمدة في هذا العمل إنتاج جرافين بقدرة توصيل فائقة. وهذا ما يعتبر ميزة مهمة بالنسبة تصنيع الأجهزة الضوئية مثل أجهزة الموديليتور”.
- اقرأوا أيضاً: مقدمة في التقانة النانوية
تشير التقديرات أنه بحلول عام 2023 سيشهد العالم أكثر من 28 مليار جهاز متصل تعتمد معظمها على تقنيات الاتصال في الجيل الخامس 5G.، وهو ما يشكل تحدياتٍ تتطلب ابتكار تقنيات جديدة من أجل ضمان عمل هذه الأجهزة بكفاءةٍ عالية. يقول ماركو رومانيولي من معهد CNIT، والمشرف المساعد على الدراسة: “هناك حدود لإمكانيات السيليكون والجرمانيوم عند استخدامهما لوحدها، لكن الجرافين يمتلك العديد من الميزات. تسمح لنا هذه المنهجية بالحصول على أكثر من 12 ألف بلورة جرافين في رقاقة واحدة بما يطابق التكوين الدقيق والترتيب الذي نحتاجه للأجهزة الضوئية التي تدعم الجرافين”. كما تتوافق العملية مع أنظمة التصنيع الآلي الحالية، والتي ستسرع من قبول وتطبيق هذه على الصناعة.
وحسب دورية “نيتشر كوميونيكيشنز Nature Communications”، استخدم باحثون من CNIT ومعهد إيتالياتو دي تيكنولوجيا IIT ونوكيا و INPHOTEC و Tecip هذه المنهجية لإثبات التجربة العملية، وقال كوليتي بهذا الصدد: “استخدمنا تقنيتنا لتصميم كواشف ضوئية عالية السرعة من الجرافين. ستعمل هذه التطورات مجتمعةً على دفع عجلة تصنيع الأجهزة الضوئية القائمة على الجرافين إلى الأمام”.
تقدم الأجهزة الضوئية التي تدعم الجرافين باقةً من الميزات؛ إذ إنها تمتص الفوتونات الضوئية ضمن مجالٍ واسع يمتد من طيف الأشعة فوق البنفسجية حتى طيف الأشعة تحت الحمراء، ما يسمح بإنشاء اتصالات ذات مجال حزمة واسع. ويمكن أن تمتلك أجهزة الجرافين قدرة توصيل فائقة للحاملات- الإلكترونات والثقوب- ما يتيح نقل بيانات بشكل يفوق أداء أسرع شبكات الإنترنت؛ أي أكثر من 100 جيجابت في الثانية.
يعد تقليل احتياجات الطاقة اللازمة لأنظمة الاتصالات وأنظمة تبادل البيانات أمراً أساسياً لتوفير حلول أكثر استدامة. تتولى تقنيات الاتصالات والمعلومات في الوقت الحاضر مسؤولية انبعاث ما يقارب 4% من الغازات الدفيئة، بالمقارنة مع البصمة الكربونية لقطاع الطيران والتي قد تزداد بنسبة تقارب 14% بحلول عام 2040. يتيح الجرافين تحويل كل الطاقة الضوئية إلى إشارات كهربائية مما يقلل من استهلاك الطاقة ويرفع مستويات الكفاءة.
وحول هذا الموضوع، قال فرانك كوبينز، المسؤول عن قسم الفوتونات والإلكترونات الضوئية في مشروع جرافين فلاجشيب Graphene Flagship: “إنها المرة الأولى الذي تتم عملية تكامل الجرافين عالي الجودة على مستوى الرقاقة. يثمر هذا العمل عن معدلات امتصاص عالية الكفاءة والسرعة، ومن شأن هذه الإنجازات المذهلة إنتاج أجهزة الجرافين العاملة بتقنية الجيل الخامس قريباً جداً”.
وأضافت أندريا سي فيراري، رئيسة قسم العلوم والتكنولوجيا ورئيسة لجنة الإدارة لدى جرافين فلاجشيب Graphene Flagship: “يعتبر هذا العمل إنجازاً مذهلاً بالنسبة لجرافين فلاجشيب، فقد أثمر التعاون الوثيق بين الشركاء الأكاديميين ورواد القطاع عن تطوير عملية تكامل الجرافين على مستوى الرقاقة”.
تم نشر نتائج البحث الجديد ضمن ورقة علمية في مجلة نيتشر للاتصالات Nature Communications.
المصدر: [Phys.org]
