新型電感器：尺寸更小，性能更佳！

導讀

近日，美國加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB ）的科研團隊採用了一種基於材料的方案，徹底改造了現代電子設備的基礎元件：電感器，使之尺寸更小，性能更佳。

背景

作為現代電子技術的基本元件之一，電感器（inductor）是一種能夠把電能轉化為磁能而存儲起來的元件。如今，它幾乎無處不在，手機、筆記本電腦、收音機、電視、汽車中都能發現它的身影。令人吃驚地是，今天電感器的樣子，仍與1831年英國科學家邁克爾·法拉第剛發明它時的樣子差不多。

如今，物聯網蓬勃發展，2020年全球將有500億設備聯網，2025年物聯網帶來的經濟影響每年約在2.7萬億到6.2萬億美元之間。因此，電子設備小型化成為了不可阻擋的趨勢。然而，根據法拉第的設計而製成的電感器，由於體積龐大，成為了電子設備小型化的重要制約因素。

創新

近日，美國加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB ）的科研團隊，由該校電氣和計算機工程系教授 Kaustav Banerjee 帶領，採用了一種基於材料的方案，徹底改造了現代電子設備的基礎元件：電感器。

下圖顯示的是夾層的多層石墨烯電感器（中間藍色螺旋）。背景圖像顯示的是它的前身。

（圖片來源：Peter Allen）

研究成果發表於《自然電子》（Nature Electronics）雜誌。Banerjee 與他的UCSB 團隊（領導作者 Jiahao Kang、Junkai Jiang、Xuejun Xie、Jae Hwan Chu、Wei Liu，所有這些人都是他納米電子研究實驗室的成員）與日本芝浦工業大學、中國上海交通大學的同事們展開合作，利用了動態電感現象，演示了一種完全不同的電感器。

技術

所有電感器都會產生勵磁電感和動態電感，但是在典型的金屬導體中，動態電感非常小，無法被察覺到。 Banerjee 解釋道：「在凝聚態物質物理中，動態電感理論聞名已久，但是沒人將它應用於電感器，因為在傳統的金屬導體中，動態電感幾乎可以忽略。」

與勵磁電感不同，動態電感並不取決於電感器的表面區域。相反，動態電感會抵制改變電子速度的電流波動，根據牛頓慣性定律，電子會抵制這種變化。

歷史上，隨著晶體管以及連接晶體管的互連線技術的進展，元件變得更小。但是，電感器卻是一個例外，它還處於最簡單的形式：圍繞著核心材料的金屬線圈。

近期在 Banerjee 指導下完成博士學位的論文領導作者 Kang 表示：「基於勵磁電感的位於晶元上的電感器，無法與晶體管或者互聯線一樣變得更小，因為你需要一定量的表面積，從而獲取特定的磁通量或者電感值。」

UCSB 團隊設計了一種新型螺旋電感，它由多層石墨烯製成。單層石墨烯具有一種線性的電子能帶結構，以及相對較長的動量弛豫時間（MRT），幾皮秒或者更高，而傳統的金屬電感器（例如位於晶元上的傳統電感器中使用的銅）的動量弛豫時間範圍是從1/1000 皮秒到 1/100 皮秒。但是，對於在電感器應用來說，單層石墨烯的電阻太高。

（圖片來源：參考資料【2】）

然而，多層石墨烯的電阻更低，從而提供了部分解決方案。但是，層與層之間的耦合會導致它的MRT無法足夠的小。研究人員通過一個獨特的解決方案，突破了這一困境。他們通過化學方法，將溴原子加入到石墨烯層之間，該過程也稱為「插層」（intercalation ），這樣不僅降低了電阻，而且也將石墨烯層分的足夠開，從而可以解耦它們，不僅延長了MRT，並且增加了動態電感。

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

這種具有顛覆性意義的電感器，工作在（10-50 GHz）的範圍內，其電感密度是傳統電感器的1.5倍，從而使得面積減少三分之一，同時保持極高的效率。在這之前，高電感和小尺寸難以兼得。

論文合著者 Jiang 表示：「通過提高插層工藝的效率來進一步提高電感密度，仍然有許多空間，我們現在也正在拓展。」

Banerjee 補充道：「從根本上說，我們設計了一種新型納米材料，利用了動態電感的『隱藏物理效應』，使它可工作於室溫條件以及下一代無線通信系統使用的一系列工作頻率。」

關鍵字

物聯網、通信、電感

參考資料

【1】http://www.news.ucsb.edu/2018/018717/reinventing-inductor

【2】Jiahao Kang, Yuji Matsumoto, Xiang Li, Junkai Jiang, Xuejun Xie, Keisuke
Kawamoto, Munehiro Kenmoku, Jae Hwan Chu, Wei Liu, Junfa Mao, Kazuyoshi
Ueno, Kaustav Banerjee. On-chip intercalated-graphene inductors for next-generation radio frequency electronics. Nature Electronics, 2018; 1 (1): 46 DOI: 10.1038/s41928-017-0010-z

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