Nanotube Karbon Menghasilkan Fleksibilitas dan Kecepatan Rekaman dalam Elektronika
Selama beberapa dekade terakhir, skalabilitas transistor yang tak kenal lelah pada wafers silikon kaku telah menghasilkan peningkatan kinerja yang tak tertandingi untuk perangkat pribadi dan komputasi high-end. Namun, bidang yang sedang muncul seperti analitik edge real-time dan Internet of Things memerlukan logika dan sensor berkinerja tinggi yang dapat menyesuaikan permukaan berkelok, manufaktur roll-to-roll, dan operasi daya rendah. Nanomaterial fleksibel—terutama nanotube karbon (CNT)—menawarkan kombinasi yang menarik dari mobilitas pembawa muatan tinggi, biaya rendah, dan skalabilitas yang dapat melebihi silikon konvensional di bidang ini. Namun, hingga akhir-akhir ini, transistor tipis-film CNT (TFT) pada substrat fleksibel telah tertinggal dibandingkan setara kaku, dengan keterlambatan gerbang logika melebihi 1 µs. Kesenjangan ini semakin menyempit berkat terobosan dari IBM Research.
Sirkuit terintegrasi CMOS CNT fleksibel dengan keterlambatan tahap sub-10 ns. Ditampilkan: ring oscillator CMOS 5 tahap fleksibel yang dibuat pada substrat poliamid. (Gambar 1b dan 4a dalam “Flexible CMOS integrated circuits based on carbon nanotubes with sub-10 ns stage delays”, diterbitkan di Nature Electronics)
Dalam publikasi terbaru kami, Flexible CMOS integrated circuits based on carbon nanotubes with sub-10 ns stage delays (Nature Electronics), kami menunjukkan bahwa CNT TFT berkinerja tinggi dan logika komplementer dapat direalisasikan pada platform fleksibel. Berdasarkan penelitian IBM selama beberapa dekade dalam elektronika karbon, kami mengatasi tantangan inti yang telah membatasi perangkat CNT fleksibel: mencapai jaringan CNT semikonduktor murni dan padat; mengembangkan metode doping n-tipe yang andal untuk sirkuit komplementer; dan memastikan hasil proses serta keseragaman yang tinggi pada substrat yang dapat dibengkokkan. CNT TFT fleksibel yang dihasilkan memberikan angka unggulan terdepan industri—densitas arus melebihi 17 mA/mm, rasio ON/OFF di atas 10⁶, kemiringan sub-ambang di bawah 200 mV/dec, mobilitas mendekati 50 cm²/Vs—dan mempertahankan kinerja bahkan ketika dibungkus di sekitar jari.
Memanfaatkan kemajuan ini, kami membangun ring oscillator CMOS 5 tahap sebagai acuan yang beroperasi dengan keterlambatan tahap hanya 5,7 ns—perbaikan hampir seribu kali dibanding pekerjaan CNT sebelumnya dan ring oscillator fleksibel tercepat yang dilaporkan hingga saat ini di seluruh platform nanomaterial, termasuk organik, oksida, dan nanokristal. Tonggak ini menunjukkan bahwa CNT dapat mendasari logika berkecepatan tinggi pada substrat yang dapat dibengkokkan, membuka pintu untuk komputasi edge IoT, layar fleksibel, dan jaringan sensor yang menggabungkan biaya rendah dengan kinerja yang tak tertandingi.
Sensor tekanan fleksibel terintegrasi dengan matriks aktif CNT TFT. Ditampilkan: pemetaan arus sensor tekanan CNT fleksibel mirip bentuk cap kata “CNT”. (Gambar 4b dalam “Large-area high-performance flexible pressure sensor with carbon nanotube active matrix for electronic skin”, diterbitkan di Nano Letters)
Dalam studi komplementer, Large-area high-performance flexible pressure sensor with carbon nanotube active matrix for electronic skin (Nano Letters), kami memproduksi array CNT TFT 16×16 yang meniru indra sentuhan kulit manusia. Sensor terintegrasi sepenuhnya beroperasi pada hanya 3 V, mencapai resolusi spasial 4 mm, merespons dalam kurang dari 30 ms—lebih cepat dari kulit biologis—dan secara akurat mendeteksi bentuk kompleks pada permukaan datar dan berkelok. Hasil ini menggambarkan praktikalitas kulit elektronik berbasis CNT untuk robotika pintar, prosesa, dan antarmuka manusia-mesin generasi berikutnya.
Tentang penulis
Dr. Jianshi Tang mendapatkan PhD dalam Teknik Elektro dari University of California, Los Angeles, di mana ia menyelidiki fisika nanomaterial berdimensi rendah seperti nanowire semikonduktor, insulator topologis, dan nanostruktur magnetik. Pada 2015 ia bergabung dengan IBM Thomas J. Watson Research Center sebagai peneliti pasca sarjana dan kemudian dipromosi menjadi Staf Penelitian. Fokus saat ini Dr. Tang adalah elektronika CNT berkinerja tinggi dan komputasi neuromorfik hemat energi, dengan tujuan menerjemahkan terobosan nanomaterial menjadi teknologi yang layak secara industri.
