Kohlenstoff-Nanoröhren erweitern die Grenzen der flexiblen Elektronik

In den letzten Jahrzehnten hat die aggressive Skalierung von Transistoren auf starren Siliziumwafern die Leistung von Personal Electronics und Supercomputern stetig gesteigert. Für neue Anwendungen wie Echtzeitanalyse und Internet of Things (IoT) werden leistungsstarke Logikschaltungen und Sensoren auf flexiblen oder unkonventionellen Substraten benötigt, um echte Berechnungen am Edge zu ermöglichen. Dies sind einige Beispiele für Wachstumsbereiche, in denen flexible Nanomaterialien wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) viele attraktive Vorteile gegenüber starrem Silizium bieten könnten, wie beispielsweise niedrige Kosten, geringer Stromverbrauch, großflächige Fertigung oder sogar Rolle-zu-Rolle-Produktion. Obwohl CNTs aufgrund ihrer hohen Mobilität weithin als überlegene Kandidaten für flexible Elektronik angesehen wurden, wurden ihre praktischen Anwendungen durch die geringere Leistung flexibler CNT-Dünnschichttransistoren (TFTs) im Vergleich zu denen auf starren Substraten (wie Siliziumwafern) eingeschränkt oder Glas). Beispielsweise zeigen flexible integrierte CNT-Schaltungen typischerweise einen langsamen Betrieb mit Logikgatterverzögerungen von über 1 Mikrosekunde. Diese Situation könnte jedoch mit den neuen Fortschritten in IBM Research geändert werden.

Flexibles CNT Integrierte CMOS-Schaltungen mit Stufenverzögerungen von unter 10 Nanosekunden. Im Bild:Ein flexibler 5-stufiger CMOS-Ringoszillator auf einem Polyimid-Substrat. (Abbildungen 1b und 4a in „Flexible CMOS Integrated Circuits based on carbon nanotubes with sub-10 ns stage delays“, veröffentlicht auf Nature Electronics.)

In einem kürzlich erschienenen Zeitschriftenartikel, Flexible CMOS Integrated Circuits based on Carbon Nanotubes with sub-10 ns stage delays, veröffentlicht auf Nature Electronics zeigen wir, dass Hochleistungs-CNT-TFTs und komplementäre integrierte Schaltkreise auf flexiblen Substraten hergestellt werden können. Aufbauend auf der jahrzehntelangen Forschung zur Kohlenstoffelektronik bei IBM haben wir uns mehreren zentralen Herausforderungen bei der Herstellung flexibler Hochleistungs-CNT-Elektronik gestellt, darunter Reinheit und Dichte halbleitender CNTs, zuverlässige n-Dotierungstechnik für komplementäre Logik als Prozessausbeute und Variation auf flexiblen Substraten. Insgesamt haben die hergestellten flexiblen CNT-TFTs eine hochmoderne Leistung gezeigt, die durch die hohen Stromdichten (>17 mA/mm) und die großen Strom-EIN/AUS-Verhältnisse (>10 ⁶ ), kleine Steigungen unterhalb der Schwelle (<200 mV/dec), hohe Mobilitäten (~50 cm ² /Vs) und auch ausgezeichnete Flexibilität – wenn sie auf einen Finger gewickelt werden, können die flexiblen TFTs immer noch ohne Leistungseinbußen arbeiten.

Durch die Integration aller Teile gingen wir dann einen Schritt weiter, um den Hochgeschwindigkeits-CMOS-Ringoszillator zu demonstrieren – eine Standard-Benchmark-Schaltung in jeder Logiktechnologie. Der funktionale 5-stufige CMOS-Ringoszillator weist Stufenverzögerungen von nur 5,7 Nanosekunden auf, was eine fast 1000-fache Verbesserung gegenüber früheren Arbeiten mit Kohlenstoffnanoröhren darstellt. Es stellt auch den schnellsten flexiblen Ringoszillator dar, der jemals aus Nanomaterialien hergestellt wurde, einschließlich CNTs, organische Polymere, Oxidhalbleiter und Nanokristalle. Die hier gezeigte überragende Leistung und Integrationsebene unterstreicht das Potenzial der Verwendung von CNTs für zukünftige Anwendungen wie IoT, Edge-Computing, flexible Displays und Sensoren, bei denen unsere Arbeit einen nützlichen Ansatz zum Aufbau skalierbarer, kostengünstiger und flexibler Hochgeschwindigkeitslösungen bietet Elektronik.

Integriert flexibel Drucksensor mit einer aktiven Matrix von CNT-TFTs. Im Bild:Das aktuelle Mapping eines flexiblen CNT-Drucksensors ähnelt der Form von „CNT“-Wortstempeln. (Abbildung 4b in „Large-area high-performance flexible pressure sensor with carbon nanotube active matrix for electronic skin“, veröffentlicht auf Nano Letters.)

Ein Beispiel für solche Anwendungen wird in einem anderen Zeitschriftenartikel vorgestellt, der kürzlich auf Nano Letters veröffentlicht wurde . In dieser Arbeit wird ein integrierter flexibler Drucksensor mit einer aktiven Matrix von 16×16 CNT-TFTs demonstriert, um die taktile Drucksensorfunktion der menschlichen Haut nachzuahmen. Der vollständig integrierte flexible Drucksensor kann in einem kleinen Spannungsbereich von 3 V betrieben werden und zeigt eine hervorragende Leistung mit hoher räumlicher Auflösung von 4 mm, schnellerer Reaktion als die menschliche Haut (<30 Millisekunden) und ausgezeichneter Genauigkeit bei der Erfassung komplexer Objekte auf beiden Ebenen und gewölbte Oberflächen. Wir hoffen, dass unsere Arbeit den Weg für die zukünftige Integration von hochleistungsfähiger elektronischer Haut in intelligente Roboter- und Prothetiklösungen ebnen kann.

Über den Autor

Dr. Jianshi Tang promovierte in Elektrotechnik an der University of California, Los Angeles, wo er die Vorrichtung und Physik verschiedener niederdimensionaler Nanomaterialien wie Halbleiter-Nanodrähte, topologische Isolatoren und magnetische Nanostrukturen studierte. Danach wechselte er 2015 als Postdoc am IBM Thomas J. Watson Research Center und wurde später zum Research Staff Member befördert, um seinen Traum weiterzuverfolgen, Nanomaterialien und Nanoelektronik zu tragfähigen Technologien zu entwickeln, die potenziell in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden können . Seine derzeitige Arbeit bei IBM umfasst die Entwicklung von Hochleistungselektronik aus Kohlenstoffnanoröhren und die Erforschung verschiedener Hardwareansätze, um energieeffizientes neuromorphes Computing zu erreichen.