碳纳米管赋能电子器件创纪录柔韧度与速度
过去几十年，刚性硅晶圆上晶体管不懈缩放驱动个人设备与高端计算性能前所未有的增益。然而实时边缘分析、物联网等新兴领域需高性能逻辑与传感器适应曲面、卷对卷制造、低功耗运行。柔性纳米材料——特别是碳纳米管（CNTs）——提供高载流子迁移率、低成本、可扩展性的诱人组合，有望在上述领域超越传统硅。然而直到最近，柔性衬底上CNT薄膜晶体管（TFTs）仍落后于刚性对应物，逻辑门延迟超1微秒。得益于IBM Research突破，这一鸿沟正在缩小。
柔性CNT CMOS集成电路亚10ns级延迟。图为聚酰亚胺衬底制备的柔性5级CMOS环振荡器。（“基于碳纳米管的亚10ns级延迟柔性CMOS集成电路”，发表于Nature Electronics，图1b与4a）
近期发表于Nature Electronics的论文Flexible CMOS integrated circuits based on carbon nanotubes with sub‑10 ns stage delays中，我们展示高性能CNT TFTs与互补逻辑可在柔性平台实现。基于IBM数十年碳电子研究积淀，我们攻克限制柔性CNT器件的核心挑战：实现纯净、密集半导体CNT网络；开发稳健n型掺杂实现互补电路；确保弯曲衬底上高工艺良率与均匀性。所得柔性CNT TFTs交付行业领先指标——电流密度超17mA/mm，开关比>10⁶，亚阈值摆幅<200mV/dec，迁移率近50cm²/Vs——甚至缠绕手指仍保持性能。
借此进展，我们构建基准5级CMOS环振荡器，级延迟仅5.7ns——较早期CNT工作提升近千倍，为所有纳米材料平台（含有机、氧化物、纳米晶体）中最快柔性环振荡器。此里程碑证明CNTs可支撑柔性衬底高速逻辑，为IoT边缘计算、柔性显示、传感器网络开启大门，融合低成本与无与伦比性能。
集成柔性压力传感器含CNT TFT有源矩阵。图示：柔性CNT压力传感器电流映射呈“CNT”文字印章形状。（“基于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”，发表于Nano Letters，图4b）
配套研究Large‑area high‑performance flexible pressure sensor with carbon nanotube active matrix for electronic skin（Nano Letters）中，我们制备16×16 CNT TFT阵列模拟人类皮肤触觉感知。全集成传感器仅3V驱动，空间分辨率4mm，响应<30ms——快于生物皮肤——精准检测平面与曲面复杂形状。结果展示CNT基电子皮肤在智能机器人、假肢、下一代人机交互的实用性。
作者简介
Jianshi Tang博士获UCLA电气工程博士，研究低维纳米材料物理——半导体纳米线、拓扑绝缘体、磁性纳米结构。2015年入职IBM Thomas J. Watson研究中心博士后，后晋升研究员。Tang博士现聚焦高性能CNT电子与节能神经形态计算，致力将纳米材料突破转化为工业可行技术。
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