Nanotube karbon mendorong batas elektronik fleksibel

Selama beberapa dekade terakhir, penskalaan transistor yang agresif yang dibuat pada wafer silikon kaku terus meningkatkan kinerja elektronik pribadi dan superkomputer. Untuk aplikasi baru seperti analitik real-time dan Internet of Things (IoT), sirkuit logika kinerja tinggi dan sensor yang dibuat pada substrat yang fleksibel atau tidak konvensional diperlukan untuk memungkinkan komputasi yang sebenarnya di edge. Ini adalah beberapa contoh area berkembang di mana bahan nano fleksibel, seperti karbon nanotube (CNT), dapat menawarkan banyak keuntungan menarik dibandingkan silikon kaku, seperti biaya rendah, daya rendah, fabrikasi area besar atau bahkan produksi roll-to-roll. Meskipun CNT telah secara luas dianggap sebagai kandidat unggul untuk elektronik fleksibel karena mobilitasnya yang tinggi, aplikasi praktisnya telah dibatasi oleh kinerja yang lebih rendah dari transistor film tipis CNT fleksibel (TFT) dibandingkan dengan yang dibangun di atas substrat kaku (seperti wafer silikon). atau kaca). Misalnya, sirkuit terpadu CNT fleksibel biasanya menunjukkan operasi kecepatan rendah dengan penundaan gerbang logika lebih dari 1 mikrodetik. Namun, situasi ini dapat diubah dengan kemajuan baru dalam Riset IBM.

CNT Fleksibel Sirkuit terintegrasi CMOS dengan penundaan tahap di bawah 10 nanodetik. Foto:Osilator cincin CMOS 5-tahap fleksibel yang dibuat di atas substrat polimida. (Gambar 1b dan 4a dalam “Sirkuit terintegrasi CMOS Fleksibel berdasarkan karbon nanotube dengan penundaan tahap di bawah 10 ns”, diterbitkan di Nature Electronics.)

Dalam artikel jurnal baru-baru ini, sirkuit terpadu CMOS Fleksibel berdasarkan karbon nanotube dengan penundaan tahap di bawah 10 ns, diterbitkan di Nature Electronics , kami menunjukkan bahwa TFT CNT berkinerja tinggi dan sirkuit terintegrasi komplementer dapat dibuat pada substrat fleksibel. Dengan penelitian selama puluhan tahun tentang elektronik karbon di IBM, kami telah mengatasi beberapa tantangan utama dalam pembuatan elektronik CNT fleksibel berkinerja tinggi, termasuk kemurnian dan kepadatan CNT semikonduktor, teknik doping tipe-n yang andal untuk logika komplementer, serta sebagai hasil proses dan variasi pada substrat fleksibel. Secara keseluruhan, TFT CNT fleksibel yang dibuat telah menunjukkan kinerja canggih, disorot oleh kepadatan arus yang tinggi (>17 mA/mm), rasio ON/OFF arus yang besar (>10 ⁶ ), lereng subthreshold kecil (<200 mV/des), mobilitas tinggi (~50 cm ² /Vs) dan juga fleksibilitas yang sangat baik—saat membungkus jari, TFT fleksibel tetap dapat bekerja tanpa penurunan kinerja.

Mengintegrasikan semua bagian bersama-sama, kami kemudian mengambil satu langkah lebih jauh untuk mendemonstrasikan osilator cincin CMOS berkecepatan tinggi—sirkuit benchmark standar dalam teknologi logika apa pun. Osilator cincin CMOS 5 tahap fungsional menunjukkan penundaan tahap hingga hanya 5,7 nanodetik, menunjukkan peningkatan hampir 1000X dibandingkan pekerjaan tabung nano karbon sebelumnya. Ini juga merupakan osilator cincin fleksibel tercepat yang pernah dibuat dengan bahan nano termasuk CNT, polimer organik, semikonduktor oksida, dan kristal nano. Performa superior dan demonstrasi tingkat integrasi di sini menyoroti potensi penggunaan CNT untuk aplikasi masa depan seperti IoT, edge computing, display dan sensor fleksibel, di mana pekerjaan kami menyediakan pendekatan yang berguna untuk membangun fleksibel yang dapat diskalakan, berbiaya rendah, dan berkecepatan tinggi. elektronik.

Fleksibel terintegrasi sensor tekanan dengan matriks aktif TFT CNT. Foto:Pemetaan sensor tekanan CNT fleksibel saat ini menyerupai bentuk cap kata "CNT". (Gambar 4b dalam “Sensor tekanan fleksibel berperforma tinggi area besar dengan matriks aktif karbon nanotube untuk kulit elektronik”, diterbitkan di Nano Letters.)

Contoh aplikasi tersebut disajikan dalam artikel jurnal lain, Sensor tekanan fleksibel kinerja tinggi area besar dengan matriks aktif karbon nanotube untuk kulit elektronik, baru-baru ini diterbitkan di Nano Letters . Dalam karya ini, sensor tekanan fleksibel terintegrasi ditunjukkan dengan matriks aktif 16x16 CNT TFT untuk meniru fungsi penginderaan tekanan taktil dari kulit manusia. Sensor tekanan fleksibel yang terintegrasi penuh dapat beroperasi dalam rentang tegangan kecil 3 V, dan menunjukkan kinerja luar biasa yang menampilkan resolusi spasial tinggi 4 mm, respons lebih cepat daripada kulit manusia (<30 milidetik), dan akurasi luar biasa dalam merasakan objek kompleks di kedua bidang datar. dan permukaan melengkung. Kami berharap bahwa pekerjaan kami dapat membuka jalan bagi integrasi masa depan kulit elektronik berkinerja tinggi dalam robotika pintar dan solusi prostetik.

Tentang penulis

Dr. Jianshi Tang memperoleh gelar PhD di bidang Teknik Elektro di University of California, Los Angeles, di mana ia mempelajari perangkat dan fisika dari berbagai bahan nano berdimensi rendah, seperti kawat nano semikonduktor, isolator topologi, dan struktur nano magnetik. Setelah itu, ia bergabung dengan Pusat Penelitian IBM Thomas J. Watson pada tahun 2015 sebagai Peneliti Pascadoktoral, dan kemudian dipromosikan menjadi Anggota Staf Peneliti, untuk lebih mengejar mimpinya mengembangkan nanomaterial dan nanoelektronika menjadi teknologi yang layak dan berpotensi diadopsi di industri semikonduktor. . Pekerjaannya saat ini di IBM melibatkan pengembangan elektronik karbon nanotube kinerja tinggi dan juga mengeksplorasi berbagai pendekatan perangkat keras untuk mencapai komputasi neuromorfik hemat energi.