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曹覺先團(tuán)隊和丁力團(tuán)隊在碳基器件5G毫米波應(yīng)用領(lǐng)域的研究進(jìn)展
來源：湘潭大學(xué) 2023-08-30
導(dǎo)讀：近日，湘潭大學(xué)湖南先進(jìn)傳感與信息技術(shù)創(chuàng)新研究院曹覺先教授和丁力副研究員團(tuán)隊在納米材料領(lǐng)域國際著名期刊《美國化學(xué)學(xué)會—納米》（ACS Nano，IF=18.027）發(fā)表了題為“Aligned Carbon Nanotubes-Based Radiofrequency Transistors for Amplitude Amplification and Frequency Conversion at Millimeter Wave Band”的文章。論文第一作者為研究院2020級碩士研究生錢佳樂，曹覺先教授和丁力副研究員為共同通訊作者，湘潭大學(xué)為論文的第一單位。
碳納米管被認(rèn)為是下一代優(yōu)異的半導(dǎo)體材料。由于其超高的載流子遷移率、飽和速度以及準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)，在射頻電子學(xué)當(dāng)中表現(xiàn)出巨大的潛力，近些年來受到廣泛關(guān)注。混頻器作為無線通訊的重要模塊，在射頻系統(tǒng)中扮演著重要角色，由于其他新型納米材料工作的混頻器表現(xiàn)出工作頻段低，變頻增益小等問題，不能滿足當(dāng)下5G毫米波通訊的要求。針對這一問題，該團(tuán)隊通過合理設(shè)計器件結(jié)構(gòu)：多指結(jié)構(gòu)（提高開態(tài)電流及跨導(dǎo)）、特征尺寸（柵長）縮減至50nm、柵介質(zhì)（氧化鉿）縮減至5nm（增強(qiáng)柵控）、帶有空間間隙的頂柵結(jié)構(gòu)（降低寄生電容）、優(yōu)化工藝等，顯著提高了碳基混頻器的工作頻段及變頻增益。該文報道的碳基混頻器在18-40GHz的頻段內(nèi)，具有-12.7~-17dB的變頻增益，在30GHz（5G mmWave）工作頻段下，其變頻增益能夠優(yōu)于-13dB,表征線性度的三階截距點(diǎn)和1dB壓縮點(diǎn)分別為25dBm和8dBm。同時，該工作也表征了碳基器件作為放大器的潛力，其正向功率增益（S21）能夠達(dá)到約7dB,且3dB帶寬超過40GHz。該工作展現(xiàn)了碳基放大器和混頻器在所有納米材料中的最優(yōu)性能，為接下來碳基在5G mmWave的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。論文得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃以及國家自然科學(xué)基金的資助。湖南先進(jìn)傳感與信息技術(shù)創(chuàng)新研究院成立于2018年，由湘潭大學(xué)與北京大學(xué)合作共建，是集人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化于一體，治理結(jié)構(gòu)完善、運(yùn)行機(jī)制靈活、有別于現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的“實(shí)驗(yàn)區(qū)”。研究院團(tuán)隊由中國科學(xué)院彭練矛院士領(lǐng)銜，包括國家級人才在內(nèi)的11名學(xué)術(shù)帶頭人、5名教授、2名副教授、12位優(yōu)秀博士、14名實(shí)驗(yàn)室工程技術(shù)人員、100余名博士及碩士研究生。圍繞碳基集成電路和新型傳感器為代表的新一代信息技術(shù)領(lǐng)域，團(tuán)隊在唐氏綜合癥篩查、肝癌檢測、無創(chuàng)血糖監(jiān)測等生物傳感和甲烷、氫氣、甲醛等氣體傳感器件及其相關(guān)技術(shù)方面取得重要成果，并已研制全球首條碳基傳感芯片示范線，推進(jìn)相關(guān)核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02739
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