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曹覺先團隊和丁力團隊在碳基器件5G毫米波應用領域的研究進展

來源：湘潭大學      2023-08-30
導讀：近日，湘潭大學湖南先進傳感與信息技術創新研究院曹覺先教授和丁力副研究員團隊在納米材料領域國際著名期刊《美國化學學會—納米》（ACS Nano，IF=18.027）發表了題為“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，湘潭大學為論文的第一單位。
碳納米管被認為是下一代優異的半導體材料。由于其超高的載流子遷移率、飽和速度以及準一維結構，在射頻電子學當中表現出巨大的潛力，近些年來受到廣泛關注。混頻器作為無線通訊的重要模塊，在射頻系統中扮演著重要角色，由于其他新型納米材料工作的混頻器表現出工作頻段低，變頻增益小等問題，不能滿足當下5G毫米波通訊的要求。針對這一問題，該團隊通過合理設計器件結構：多指結構（提高開態電流及跨導）、特征尺寸（柵長）縮減至50nm、柵介質（氧化鉿）縮減至5nm（增強柵控）、帶有空間間隙的頂柵結構（降低寄生電容）、優化工藝等，顯著提高了碳基混頻器的工作頻段及變頻增益。

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該文報道的碳基混頻器在18-40GHz的頻段內，具有-12.7~-17dB的變頻增益，在30GHz（5G mmWave）工作頻段下，其變頻增益能夠優于-13dB,表征線性度的三階截距點和1dB壓縮點分別為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）能夠達到約7dB,且3dB帶寬超過40GHz。該工作展現了碳基放大器和混頻器在所有納米材料中的最優性能，為接下來碳基在5G mmWave的應用奠定了基礎。論文得到國家重點研發計劃以及國家自然科學基金的資助。
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湖南先進傳感與信息技術創新研究院成立于2018年，由湘潭大學與北京大學合作共建，是集人才培養、科學研究、技術開發、成果轉移轉化于一體，治理結構完善、運行機制靈活、有別于現有機構的“實驗區”。研究院團隊由中國科學院彭練矛院士領銜，包括國家級人才在內的11名學術帶頭人、5名教授、2名副教授、12位優秀博士、14名實驗室工程技術人員、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領域，團隊在唐氏綜合癥篩查、肝癌檢測、無創血糖監測等生物傳感和甲烷、氫氣、甲醛等氣體傳感器件及其相關技術方面取得重要成果，并已研制全球首條碳基傳感芯片示范線，推進相關核心技術產業化。
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02739


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