Σχεδιασμός ολοκληρωμένων κυκλωμάτων γραφενίου χαμηλής ισχύος
Authors: Μωυσίδης Σάββας 
Published: December 2021

Κατά την έναρξη της έρευνας, διαπιστώθηκε η μεταβολή της αντίστασης των αγωγών του γραφενίου όταν αλλάζει η διεύθυνση της ροής των ηλεκτρονίων. Δηλαδή μπορεί να προκύψει μηδενική αγωγιμότητα γύρω από την στάθμη Fermi με μία διακλάδωση στην νανοταινία γραφενίου με την οποία προκύπτουν δομές τύπου L ή T. Η ιδιότητα αυτή οδήγησε στoν σχεδιασμό και την προσομοίωση των τριών βασικών λογικών πυλών AND, OR και NOT οι οποίες είναι κατασκευασμένες από νανοταινίες γραφενίου. Από την εργασία αυτή διαπιστώθηκε ότι ο συνδυασμός των Χαμιλτονιανών στενού δεσμού με τις μη-ισορροπημένες συναρτήσεις Green (NEGF) είναι η κατάλληλη μέθοδος για τον σχεδιασμό και την προσομοίωση νανοηλεκτρονικών διατάξεων και κυκλωμάτων γραφενίου. Το γεγονός ότι οι τάσεις που χρησιμοποιούνται για να αναπαραστήσουν τα λογικά «0» και «1» είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με τις τάσεις των κυκλωμάτων CMOS επιτρέπει τον σχεδιασμό και την κατασκευή υβριδικών κυκλωμάτων γραφενίου/CMOS. Ιδιαιτέρως σημαντικό συμπέρασμα είναι ότι τα κυκλώματα γραφενίου θα μπορούν να ενσωματωθούν μέσα σε βιολογικό ιστό και θα μπορούν να συνδεθούν με κυκλώματα CMOS τα οποία μπορούν να βρίσκονται μακριά από τον ιστό. Επιπλέον, η δομή και των τριών πυλών γραφενίου είναι παρόμοια, επειδή αποτελείται από τρεις ή δύο παράλληλους κλάδους νανοταινίας με άκρα zigzag που συγκλίνουν σε έναν κλάδο τύπου armchair. Αυτή η ιδιότητα θα διευκολύνει εξαιρετικά την κατασκευή λογικών πυλών γραφενίου και ψηφιακών κυκλωμάτων γραφενίου. Ορίζοντας λοιπόν την κατάλληλη επαναχρησιμοποιούμενη δομή των λογικών πυλών γραφενίου, μειώθηκε σημαντικά ο παραμετρικός χώρος για την κατασκευή και την ανάπτυξή τους. Ακόμη, εμπλουτίστηκε η ομάδα των πυλών με τον σχεδιασμό και την προσομοίωση της πύλης πλειοψηφίας γραφενίου. Αυτή χαρακτηρίζεται από την ιδιότητα της καθολικότητας και εξαιτίας της ιδιαίτερης φύσης της μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνη ή να αντικαταστήσει τις βασικές πύλες στα κυκλώματα. Οι υπολογισμοί των αγωγιμοτήτων των λογικών πυλών γραφενίου έδειξαν ότι τα ψηφιακά κυκλώματα γραφενίου απαιτούν πολύ χαμηλή ισχύ για την λειτουργία τους, πράγμα που οφείλεται στην πολύ μεγάλη ευκινησία των φορέων. Μελετήθηκαν σχεδιάστηκαν και προσομοιώθηκαν τρεις καινοτόμες νανοηλεκτρονικές διατάξεις που αποτελούνται από μία νανοταινία γραφενίου με μαγνητικές επαφές. Επεκτάθηκε η μέθοδος NEGF για να συμπεριλάβει την επίδραση των μαγνητικών επαφών στην λειτουργία των διατάξεων. Προσομοιώθηκαν οι λειτουργίες των διατάξεων και υπολογίστηκε αναλυτικά ο παραμετρικός χώρος που περιλαμβάνει το δυναμικό της άνω πύλης, το δυναμικό της κάτω πύλης και την γωνία μεταξύ των μαγνητικών πολώσεων των επαφών. Επιπλέον μελετήθηκε η εξάρτηση της αγωγιμότητας των διατάξεων από το πλάτος της νανοταινίας γραφενίου, το οποίο είναι μία πρόσθετη παράμετρος, αφού διατάξεις με διαφορετικά πλάτη μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο ίδιο κύκλωμα. Ακόμη μελετήθηκε η επίδραση των ατελειών του πλέγματος του γραφενίου στην απόδοση των διατάξεων. Τα αποτελέσματά έδειξαν ότι οι προτεινόμενες διατάξεις έχουν έναν ασυνήθιστα πλούσιο παραμετρικό χώρο και μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως δομικός λίθος για μία ποικιλία νανοηλεκτρονικών διατάξεων και κυκλωμάτων. Αναπτύχθηκε ένα πλήρες εργαλείο σχεδιασμού και προσομοίωσης νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων γραφενίου το οποίο διαθέτει λειτουργική διεπαφή χρήστη και δόθηκαν οι οδηγίες χρήσης. Το γραφένιο είναι ένα νέο υλικό με εξαιρετικές ηλεκτρονικές ιδιότητες και μπορεί να αποτελέσει το υλικό κατασκευής και ανάπτυξης νέων νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Η μέθοδος NEGF επιτρέπει την ανάπτυξη εργαλείων αυτοματοποιημένου σχεδιασμού των νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων γραφενίου, κατ΄ αναλογία με τα εργαλεία αυτοματοποιημένου σχεδιασμού κυκλωμάτων CMOS. Επίσης είναι δυνατή η ανάπτυξη υβριδικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων γραφενίου/CMOS.