Koolstof nanobuisjes verleggen de limiet van flexibele elektronica

In de afgelopen decennia heeft de agressieve schaling van transistors gemaakt op harde siliciumwafels de prestaties van persoonlijke elektronica en supercomputers gestaag verbeterd. Voor opkomende toepassingen zoals realtime analyse en Internet of Things (IoT) zijn hoogwaardige logische circuits en sensoren gemaakt op flexibele of onconventionele substraten nodig om de echte berekening aan de rand mogelijk te maken. Dit zijn verschillende voorbeelden van groeigebieden waar flexibele nanomaterialen, zoals koolstofnanobuisjes (CNT's), veel aantrekkelijke voordelen kunnen bieden ten opzichte van stijf silicium, zoals lage kosten, laag vermogen, fabricage op grote oppervlakken of zelfs roll-to-roll-productie. Hoewel CNT's algemeen worden beschouwd als superieure kandidaten voor flexibele elektronica vanwege hun hoge mobiliteit, zijn hun praktische toepassingen beperkt door de lagere prestaties van flexibele CNT dunne-filmtransistors (TFT's) in vergelijking met die gebouwd op stijve substraten (zoals siliciumwafers). of glas). Flexibele CNT-geïntegreerde schakelingen vertonen bijvoorbeeld typisch een werking op lage snelheid met logische poortvertragingen van meer dan 1 microseconde. Deze situatie kan echter veranderen met de nieuwe ontwikkelingen in IBM Research.

Flexibele CNT CMOS-geïntegreerde schakelingen met fasevertragingen van minder dan 10 nanoseconden. Afgebeeld:een flexibele 5-traps CMOS-ringoscillator gemaakt op een polyimidesubstraat. (Figuur 1b en 4a in "Flexibele CMOS-geïntegreerde schakelingen op basis van koolstofnanobuisjes met vertragingen van minder dan 10 ns", gepubliceerd op Nature Electronics.)

In een recent tijdschriftartikel, Flexibele CMOS-geïntegreerde schakelingen op basis van koolstofnanobuisjes met vertragingen van minder dan 10 ns, gepubliceerd op Nature Electronics laten we zien dat hoogwaardige CNT TFT's en complementaire geïntegreerde schakelingen kunnen worden gefabriceerd op flexibele substraten. Voortbouwend op het decennialange onderzoek naar koolstofelektronica bij IBM, hebben we verschillende belangrijke uitdagingen aangepakt bij de fabricage van hoogwaardige flexibele CNT-elektronica, waaronder zuiverheid en dichtheid van halfgeleidende CNT's, betrouwbare n-type dopingtechniek voor complementaire logica, evenals als procesopbrengst en variatie op flexibele substraten. Over het algemeen hebben de gefabriceerde flexibele CNT TFT's state-of-the-art prestaties laten zien, gemarkeerd door de hoge stroomdichtheden (>17 mA/mm), grote stroom AAN/UIT-verhoudingen (>10 ⁶ ), kleine hellingen onder de drempel (<200 mV/dec), hoge mobiliteiten (~50 cm ² /Vs) en ook uitstekende flexibiliteit:wanneer ze om een ​​vinger worden gewikkeld, kunnen de flexibele TFT's nog steeds werken zonder prestatieverlies.

Door alle onderdelen samen te voegen, gingen we nog een stap verder om de high-speed CMOS-ringoscillator te demonstreren - een standaard benchmarkcircuit in elke logische technologie. De functionele 5-traps CMOS-ringoscillator vertoont fasevertragingen tot slechts 5,7 nanoseconden, wat een bijna 1000X verbetering laat zien ten opzichte van eerder werk met koolstofnanobuisjes. Het vertegenwoordigt ook de snelste flexibele ringoscillator die ooit is gemaakt met nanomaterialen, waaronder CNT's, organische polymeren, oxidehalfgeleiders en nanokristallen. De demonstratie van superieure prestaties en integratie op dit niveau benadrukt het potentieel van het gebruik van CNT's voor toekomstige toepassingen zoals IoT, edge computing, flexibele displays en sensoren, waarbij ons werk een nuttige benadering biedt om schaalbare, goedkope en snelle flexibele elektronica.

Geïntegreerde flexibele druksensor met een actieve matrix van CNT TFT's. Afgebeeld:de huidige afbeelding van een flexibele CNT-druksensor lijkt op de vorm van "CNT" -woordstempels. (Figuur 4b in "Grote krachtige flexibele druksensor met koolstof nanobuis actieve matrix voor elektronische huid", gepubliceerd op Nano Letters.)

Een voorbeeld van dergelijke toepassingen wordt gepresenteerd in een ander tijdschriftartikel, High-area high-performance flexibele druksensor met koolstof nanobuis actieve matrix voor elektronische huid, onlangs gepubliceerd op Nano Letters . In dit werk wordt een geïntegreerde flexibele druksensor gedemonstreerd met een actieve matrix van 16 × 16 CNT TFT's om de tactiele druksensorfunctionaliteit van de menselijke huid na te bootsen. De volledig geïntegreerde flexibele druksensor kan werken binnen een klein spanningsbereik van 3 V en vertoont uitstekende prestaties met een hoge ruimtelijke resolutie van 4 mm, snellere respons dan de menselijke huid (<30 milliseconden) en uitstekende nauwkeurigheid bij het detecteren van complexe objecten op beide platte en gebogen oppervlakken. We hebben goede hoop dat ons werk de weg kan effenen voor toekomstige integratie van hoogwaardige elektronische huid in slimme robotica en prothetische oplossingen.

Over de auteur

Dr. Jianshi Tang behaalde zijn doctoraat in elektrotechniek aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, waar hij het apparaat en de fysica van verschillende laagdimensionale nanomaterialen bestudeerde, zoals halfgeleider nanodraden, topologische isolatoren en magnetische nanostructuren. Daarna trad hij in 2015 toe tot het IBM Thomas J. Watson Research Center als postdoctoraal onderzoeker, en werd later gepromoveerd tot onderzoeksstaflid, om zijn droom na te jagen om nanomaterialen en nano-elektronica te ontwikkelen tot levensvatbare technologieën die mogelijk kunnen worden toegepast in de halfgeleiderindustrieën . Zijn huidige werk bij IBM omvat het ontwikkelen van hoogwaardige elektronica voor koolstofnanobuisjes en het verkennen van verschillende hardwarebenaderingen om energie-efficiënte neuromorfische computers te bereiken.