碳纳米管突破了柔性电子产品的极限

在过去的几十年里，在刚性硅晶片上制造的晶体管的积极扩展稳步提高了个人电子产品和超级计算机的性能。对于实时分析和物联网 (IoT) 等新兴应用，需要在灵活或非常规基板上制造的高性能逻辑电路和传感器，以实现真正的边缘计算。这些是生长领域的几个例子，在这些领域，碳纳米管 (CNT) 等柔性纳米材料可以提供许多优于刚性硅的吸引人的优势，例如低成本、低功耗、大面积制造甚至卷对卷生产。尽管碳纳米管因其高迁移率而被广泛认为是柔性电子产品的优良候选物，但与构建在刚性基板（如硅晶片）上的柔性碳纳米管薄膜晶体管（TFT）相比，它们的实际应用受到了限制。或玻璃）。例如，柔性 CNT 集成电路通常表现出低速运行，逻辑门延迟超过 1 微秒。然而，这种情况可能会随着 IBM Research 的新进展而改变。

灵活的CNT具有亚 10 纳秒级延迟的 CMOS 集成电路。图示：在聚酰亚胺基板上制作的灵活 5 级 CMOS 环形振荡器。 （图 1b 和 4a，“基于具有亚 10 ns 级延迟的碳纳米管的柔性 CMOS 集成电路”，发表在 Nature Electronics 上。）

在最近的期刊文章中，基于具有亚 10 ns 级延迟的碳纳米管的柔性 CMOS 集成电路，发表在 Nature Electronics ，我们证明了可以在柔性基板上制造高性能 CNT TFT 和互补集成电路。凭借 IBM 对碳电子长达数十年的研究，我们解决了高性能柔性 CNT 电子制造中的几个关键挑战，包括半导体 CNT 的纯度和密度、用于互补逻辑的可靠 n 型掺杂技术，以及作为柔性基板的工艺良率和变化。总体而言，制造的柔性 CNT TFT 显示出最先进的性能，突出表现为高电流密度 (>17 mA/mm)、大电流开/关比 (>10 ⁶ )、小亚阈值斜率 (<200 mV/dec)、高迁移率 (~50 cm ² /Vs) 以及出色的灵活性——当包裹在手指上时，柔性 TFT 仍然可以正常工作，而不会降低性能。

将所有部分集成在一起，然后我们进一步展示了高速 CMOS 环形振荡器——任何逻辑技术中的标准基准电路。功能性 5 级 CMOS 环形振荡器的级延迟低至 5.7 纳秒，与之前的碳纳米管工作相比，性能提高了近 1000 倍。它还代表了有史以来最快的柔性环形振荡器，由任何纳米材料制成，包括碳纳米管、有机聚合物、氧化物半导体和纳米晶体。此处卓越的性能和集成级演示突出了将 CNT 用于未来应用的潜力，例如物联网、边缘计算、柔性显示器和传感器，我们的工作提供了一种有用的方法来构建可扩展、低成本和高速的柔性电子产品。

集成灵活具有 CNT TFT 有源矩阵的压力传感器。图示：柔性 CNT 压力传感器的电流映射类似于“CNT”字戳的形状。 （Nano Letters 发表的“大面积高性能柔性压力传感器，用于电子皮肤的碳纳米管有源矩阵”中的图 4b。）

最近发表在 Nano Letters 上的另一篇期刊文章“具有用于电子皮肤的碳纳米管有源矩阵的大面积高性能柔性压力传感器用于电子皮肤”中介绍了此类应用的一个示例。 .在这项工作中，展示了一个集成的柔性压力传感器，它具有 16×16 CNT TFT 的有源矩阵，以模拟人类皮肤的触觉压力传感功能。全集成柔性压力传感器可在 3 V 的小电压范围内工作，表现出卓越的性能，具有 4 mm 的高空间分辨率，比人体皮肤更快的响应（<30 毫秒），以及在平面上感应复杂物体的出色精度和曲面。我们希望我们的工作可以为未来将高性能电子皮肤集成到智能机器人和假肢解决方案铺平道路。

关于作者

汤建士博士在加州大学洛杉矶分校获得电气工程博士学位，在那里他研究了各种低维纳米材料的器件和物理，如半导体纳米线、拓扑绝缘体和磁性纳米结构。之后，他于 2015 年加入 IBM Thomas J. Watson 研究中心担任博士后研究员，后来晋升为研究人员，以进一步追求将纳米材料和纳米电子学开发成可用于半导体行业的可行技术的梦想.他目前在 IBM 的工作涉及开发高性能碳纳米管电子设备，并探索各种硬件方法来实现节能的神经形态计算。