インダクタの再発明

2018年2月21日

ジェームズ・バダム著、カリフォルニア大学サンタバーバラ校

現代技術の基本的な構成要素であるインダクタは、携帯電話、ラップトップ、ラジオ、テレビ、自動車などあらゆる場所にあります。 そして驚くべきことに、これらは英国の科学者マイケル・ファラデーによって初めて作成された 1831 年と今日でも本質的に同じです。

ファラデーの設計に従って作られたインダクタの特に大きなサイズは、2020年までに人々を約500億の物体に接続すると約束されているモノのインターネットの可能性を実現する小型デバイスを提供する際の制限要因となっている。この高い目標は期待されている。 2025 年までに年間 2.7 兆ドルから 6.2 兆ドルの経済効果があると推定されています。

現在、電気・コンピュータ工学科のカウスタフ・バナジー教授が率いるカリフォルニア大学サンタバーバラ校のチームは、現代エレクトロニクスのこの基本コンポーネントを再発明するために材料ベースのアプローチを採用した。 この研究結果は、Nature Electronics誌に掲載されました。

バナジー氏と彼の UCSB チーム（筆頭著者である Jiahao Kang、Junkai Jiang、Xuejun Xie、Jae Hwan Chu、Wei Liu は全員ナノエレクトロニクス研究室のメンバー）は、日本の芝浦工業大学および中国の上海交通大学の同僚と協力して、運動インダクタンスの現象を利用して、根本的に異なる種類のインダクタを実証します。

すべてのインダクタは磁気インダクタンスと運動インダクタンスの両方を生成しますが、一般的な金属導体では、運動インダクタンスは目立たないほど小さいです。 「動的インダクタンスの理論は物性物理学では古くから知られていましたが、従来の金属導体では動的インダクタンスは無視できるため、これをインダクタに利用する人は誰もいませんでした」とバナジー氏は説明した。

磁気インダクタンスとは異なり、運動インダクタンスはインダクタの表面積に依存しません。 むしろ、運動インダクタンスは電子の速度を変える電流変動に抵抗し、電子はニュートンの慣性の法則に従ってそのような変化に抵抗します。

歴史的に見て、トランジスタとそれらを接続する配線の技術が進歩するにつれて、素子は小さくなっていきました。 しかし、最も単純な形状のインダクタは、コア材料の周りに巻かれた金属コイルですが、例外でした。

「磁気インダクタンスに基づくオンチップ・インダクタは、トランジスタや相互接続のスケールと同じように小型化することはできません。特定の磁束またはインダクタンス値を得るには、ある程度の表面積が必要だからです」と、最近完成した論文の筆頭著者である Kang 氏は説明しました。彼の博士号バナジーの監督下で。

UCSB チームは、複数のグラフェン層で構成される新しい種類のスパイラル インダクターを設計しました。 単層グラフェンは線形の電子バンド構造を示し、それに対応して大きな運動量緩和時間 (MRT) を示します。これは、従来の金属導体 (従来のオンチップ インダクターで使用される銅など) の時間と比較して数ピコ秒以上であり、その範囲は 1/ 1000 ～ 1/100 ピコ秒。 しかし、単層グラフェンはインダクタに適用するには抵抗が大きすぎます。

ただし、多層グラフェンは抵抗を低くすることで部分的な解決策を提供しますが、層間結合により MRT が十分に小さくなりません。 研究者らは、独自の解決策でそのジレンマを克服した。彼らはグラフェン層の間に臭素原子を化学的に挿入した（インターカレーションと呼ばれるプロセス）。これにより、抵抗がさらに低下しただけでなく、本質的にグラフェン層を分離するのに十分な量だけグラフェン層が分離され、MRTが延長され、それによってMRTが増加した。運動インダクタンス。

10 ～ 50 GHz の範囲で動作するこの革新的なインダクタは、従来のインダクタの 1.5 倍のインダクタンス密度を提供し、面積を 3 分の 1 に削減すると同時に、非常に高い効率を実現します。 以前は、高インダクタンスと小型サイズの組み合わせはとらえどころのないものでした。

「インターカレーションプロセスの効率を高めることでインダクタンス密度をさらに高める余地は十分にあり、現在それを研究中です」と共著者のJiang氏は述べた。

「私たちは基本的に、次世代無線通信を対象とした室温および動作周波数範囲における運動インダクタンスのこれまでの『隠された物理学』を前進させるために、新しいナノ材料を設計しました」とバナジー氏は付け加えた。

詳しくは： Jiahao Kang et al. 次世代高周波エレクトロニクス用のオンチップインターカレートグラフェンインダクター、Nature Electronics (2018)。 DOI: 10.1038/s41928-017-0010-z

雑誌情報:ネイチャーエレクトロニクス

カリフォルニア大学サンタバーバラ校提供