Углеродные нанотрубки обеспечивают рекордную гибкость и скорость в электронике

Последние несколько десятилетий безупречное масштабирование транзисторов на жестких кремниевых вейферах драйвило беспрецедентные выигрыши в производительности для персональных гаджетов и высококонечных вычислений. Однако الناشивающие области вроде real-time edge аналитики и Интернета вещей требуют высокопроизводительной логики и сенсоров, способных конформироваться к изогнутым поверхностям, roll-to-roll мануфактурингу и низкопотребляющей операции. Гибкие наноматериалы — особенно углеродные нанотрубки (CNT) — предлагают убедительную комбинацию высокой подвижности носителей, низкой стоимости и масштабируемости, которая может превзойти конвенциональный кремний в этих областях. Однако до недавнего времени CNT тонкопленочные транзисторы (TFT) на гибких субстратах отставали от своих жестких собратьев, с задержками логических гейтов превышающими 1 мкс. Этот разрыв сужается благодаря прорывам из IBM Research.

Гибкие CNT CMOS интегральные схемы с суб-10 нс задержками стадий. Изображено: гибкий 5-стадийный CMOS кольцевой осциллятор, сделанный на полиимидном субстрате. (Рисунки 1b и 4a в «Flexible CMOS integrated circuits based on carbon nanotubes with sub‑10 ns stage delays», опубликованном в Nature Electronics)

В нашей недавней публикации, Flexible CMOS integrated circuits based on carbon nanotubes with sub‑10 ns stage delays (Nature Electronics), мы показываем, что высокопроизводительные CNT TFTы и комплементарная логика могут быть реализованы на гибких платформах. Строя на десятилетиях IBM исследования в углеродной электронике, мы решили основные вызовы, ограничивавшие гибкие CNT устройства: достижение чистой, плотно упакованной полупроводниковой CNT сети; разработка надежного n-типа допирования для комплементарных схем; и обеспечение высокого процессного выхода и униформальности на гнущихся субстратах. Полученные гибкие CNT TFTы доставляют отраслевые лидирующие фигуры достоинства — плотности тока превышающие 17 мА/мм, ON/OFF отношения выше 10⁶, субпороговые склоны под 200 мВ/дек, подвижности около 50 см²/Вс — и сохраняют производительность даже при намотке на палец.

Используя эти достижения, мы построили бенчмарк 5-стадийный CMOS кольцевой осциллятор, работающий с задержкой стадии всего 5.7 нс — почти тысячекратное улучшение над ранней CNT работой и самый быстрый гибкий кольцевой осциллятор, сообщенный на сегодня по всем наноматериальным платформам, включая органики, оксиды и нанокристаллы. Эта веха демонстрирует, что CNT могут лежать в основе высокоскоростной логики на гнущихся субстратах, открывая двери к IoT edge вычислениям, гибким дисплеям и сенсорным сетям, комбинирующим низкую стоимость с беспрецедентной производительностью.

Интегрированный гибкий датчик давления с активной матрицей CNT TFT. Изображено: карта тока гибкого CNT датчика давления напоминает форму штампов слова «CNT». (Рисунок 4b в «Large‑area high‑performance flexible pressure sensor with carbon nanotube active matrix for electronic skin», опубликованном в Nano Letters)

В комплементарном исследовании, Large‑area high‑performance flexible pressure sensor with carbon nanotube active matrix for electronic skin (Nano Letters), мы фabриковали 16×16 CNT TFT массив, имитирующий тактильное восприятие человеческой кожи. Полностью интегрированный сенсор работает всего на 3 В, достигает пространственного разрешения 4 мм, реагирует менее чем за 30 мс — быстрее биологической кожи — и точно детектирует сложные формы на плоских и изогнутых поверхностях. Эти результаты иллюстрируют практичность CNT-базированной электронной кожи для умной робототехники, протезирования и интерфейсов человек-машина следующего поколения.

Об авторе

Д-р Цзяньши Тан получил PhD в Electrical Engineering от Университета Калифорнии, Лос-Анджелес, где он исследовал физику низкоразмерных наноматериалов таких как полупроводниковые нанопроводы, топологические изоляторы и магнитные наноструктуры. В 2015 он присоединился к IBM Thomas J. Watson Research Center как постдок и позже был повышен до Research Staff Member. Текущий фокус д-ра Тана — высокопроизводительная CNT электроника и энергоэффективные нейроморфные вычисления, с целью перевода наноматериальных прорывов в промышленно жизнеспособные технологии.