Углеродные нанотрубки расширяют границы гибкой электроники

За последние десятилетия агрессивное масштабирование транзисторов, изготовленных на жестких кремниевых пластинах, неуклонно повышало производительность персональной электроники и суперкомпьютеров. Для новых приложений, таких как аналитика в реальном времени и Интернет вещей (IoT), необходимы высокопроизводительные логические схемы и датчики, изготовленные на гибких или нетрадиционных подложках, чтобы обеспечить истинные вычисления на периферии. Это несколько примеров растущих областей, где гибкие наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки (УНТ), могут предложить много привлекательных преимуществ по сравнению с жестким кремнием, например, низкая стоимость, низкое энергопотребление, изготовление на больших площадях или даже производство рулонов. Хотя УНТ широко рассматриваются как лучшие кандидаты для гибкой электроники из-за их высокой мобильности, их практическое применение ограничено более низкими характеристиками гибких тонкопленочных транзисторов (ТПТ) с УНТ по сравнению с транзисторами, построенными на жестких подложках (например, кремниевых пластинах). или стекло). Например, гибкие интегральные схемы CNT обычно демонстрируют низкоскоростную работу с задержками логического элемента более 1 микросекунды. Однако эту ситуацию можно изменить с помощью новых достижений в IBM Research.

Гибкая CNT Интегральные схемы CMOS с задержкой каскада менее 10 наносекунд. На фото:гибкий 5-каскадный кольцевой КМОП-генератор на полиимидной подложке. (Рисунки 1b и 4a в «Гибкие интегральные схемы КМОП на основе углеродных нанотрубок с задержкой каскада менее 10 нс», опубликованные на сайте Nature Electronics.)

В недавней журнальной статье «Гибкие КМОП интегральные схемы на основе углеродных нанотрубок с задержкой каскада менее 10 нс», опубликованной на Nature Electronics , мы демонстрируем, что высокопроизводительные тонкопленочные транзисторы с углеродными нанотрубками и дополнительные интегральные схемы могут быть изготовлены на гибких подложках. На основе многолетних исследований углеродной электроники в IBM мы решили несколько ключевых проблем при производстве высокопроизводительной гибкой электроники УНТ, включая чистоту и плотность полупроводниковых УНТ, надежную технику легирования n-типа для дополнительной логики, а также как выход процесса и вариации на гибких подложках. В целом, изготовленные гибкие CNT TFT продемонстрировали самые современные характеристики, подчеркнутые высокой плотностью тока (> 17 мА / мм), большим коэффициентом включения / выключения тока (> 10 ⁶ ), небольшие подпороговые уклоны (<200 мВ / дек), высокие подвижности (~ 50 см ² / Vs), а также отличную гибкость - гибкие TFT-дисплеи могут работать без потери производительности.

Объединив все части вместе, мы сделали еще один шаг, чтобы продемонстрировать высокоскоростной кольцевой генератор CMOS - стандартную схему для тестирования в любой логической технологии. Функциональный 5-каскадный кольцевой генератор CMOS демонстрирует задержку каскада всего до 5,7 наносекунд, демонстрируя почти 1000-кратное улучшение по сравнению с предыдущими работами с углеродными нанотрубками. Он также представляет собой самый быстрый гибкий кольцевой генератор, когда-либо сделанный из любых наноматериалов, включая УНТ, органические полимеры, оксидные полупроводники и нанокристаллы. Превосходная производительность и демонстрация уровня интеграции подчеркивают потенциал использования CNT для будущих приложений, таких как Интернет вещей, периферийные вычисления, гибкие дисплеи и датчики, где наша работа обеспечивает полезный подход для создания масштабируемых, недорогих и высокоскоростных гибких электроника.

Интегрированный гибкий датчик давления с активной матрицей из УНТ TFT. На фото:текущее отображение гибкого датчика давления CNT по форме напоминает штамп со словом «CNT». (Рисунок 4b в «Высокопроизводительный гибкий датчик давления большой площади с активной матрицей из углеродных нанотрубок для электронной оболочки», опубликованный в Nano Letters.)

Пример такого применения представлен в другой журнальной статье «Высокопроизводительный гибкий датчик давления большой площади с активной матрицей из углеродных нанотрубок для электронной кожи», недавно опубликованной на Nano Letters . В этой работе демонстрируется интегрированный гибкий датчик давления с активной матрицей из 16 × 16 CNT TFT, чтобы имитировать функциональные возможности восприятия тактильного давления кожи человека. Полностью интегрированный гибкий датчик давления может работать в небольшом диапазоне напряжений 3 В и демонстрирует превосходные характеристики с высоким пространственным разрешением 4 мм, более быстрым откликом, чем человеческая кожа (<30 миллисекунд), и отличной точностью при обнаружении сложных объектов на обеих плоских поверхностях. и криволинейные поверхности. Мы надеемся, что наша работа проложит путь к будущей интеграции высокоэффективной электронной кожи в интеллектуальную робототехнику и протезные решения.

Об авторе

Д-р Цзяньши Тан получил докторскую степень в области электротехники в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, где изучал устройство и физику различных низкоразмерных наноматериалов, таких как полупроводниковые нанопровода, топологические изоляторы и магнитные наноструктуры. После этого он присоединился к исследовательскому центру IBM Thomas J. Watson Research Center в 2015 году в качестве постдокторанта, а затем был повышен до научного сотрудника, чтобы продолжить свою мечту о разработке наноматериалов и наноэлектроники в жизнеспособные технологии, которые потенциально могут быть приняты в полупроводниковой промышленности. . Его текущая работа в IBM включает разработку высокопроизводительной электроники на основе углеродных нанотрубок, а также изучение различных аппаратных подходов для достижения энергоэффективных нейроморфных вычислений.