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我的第一部5G手机|六方氮化硼：似乎是5G RF开关的首选材料


翻译自——spectrum
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 。

我的第一部5G手机|六方氮化硼：似乎是5G RF开关的首选材料
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【我的第一部5G手机|六方氮化硼：似乎是5G RF开关的首选材料】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 。

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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 。


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