Nanotubos de carbono ultrapassam o limite da eletrônica flexível

Nas últimas décadas, o dimensionamento agressivo de transistores feitos em wafers de silício rígidos impulsionou continuamente o desempenho de eletrônicos pessoais e supercomputadores. Para aplicações emergentes, como análises em tempo real e Internet das Coisas (IoT), circuitos lógicos de alto desempenho e sensores feitos em substratos flexíveis ou não convencionais são necessários para permitir a verdadeira computação na borda. Esses são vários exemplos de áreas de cultivo onde nanomateriais flexíveis, como nanotubos de carbono (CNTs), podem oferecer muitas vantagens atraentes sobre o silício rígido, como baixo custo, baixo consumo de energia, fabricação em grandes áreas ou mesmo produção rolo a rolo. Embora os CNTs tenham sido amplamente considerados como candidatos superiores para eletrônicos flexíveis devido à sua alta mobilidade, suas aplicações práticas foram limitadas pelo desempenho inferior dos transistores de película fina de CNT flexíveis (TFTs) em comparação com aqueles construídos em substratos rígidos (como pastilha de silício ou vidro). Por exemplo, os circuitos integrados CNT flexíveis geralmente exibem operação de baixa velocidade com atrasos de porta lógica de mais de 1 microssegundo. No entanto, essa situação pode ser alterada com os novos avanços no IBM Research.

CNT flexível Circuitos integrados CMOS com atrasos de estágio de sub-10 nanossegundos. Na foto:Um oscilador de anel CMOS flexível de 5 estágios feito em um substrato de poliimida. (Figuras 1b e 4a em "Circuitos integrados CMOS flexíveis baseados em nanotubos de carbono com atrasos de estágio sub-10 ns", publicado na Nature Electronics.)

Em um artigo de jornal recente, Circuitos integrados flexíveis de CMOS baseados em nanotubos de carbono com atrasos de estágio sub-10 ns, publicado na Nature Electronics , demonstramos que CNT TFTs de alto desempenho e circuitos integrados complementares podem ser fabricados em substratos flexíveis. Aproveitando a pesquisa de décadas sobre eletrônica de carbono na IBM, abordamos vários desafios importantes na fabricação de eletrônica CNT flexível de alto desempenho, incluindo pureza e densidade de CNTs semicondutores, técnica confiável de dopagem tipo n para lógica complementar, também como rendimento e variação do processo em substratos flexíveis. No geral, os TFTs de CNT flexíveis fabricados têm mostrado desempenho de última geração, destacado pelas altas densidades de corrente (> 17 mA / mm), grandes relações ON / OFF de corrente (> 10 ⁶ ), pequenas inclinações subliminares (<200 mV / dec), altas mobilidades (~ 50 cm ² / Vs) e também excelente flexibilidade - ao envolver em um dedo, os TFTs flexíveis ainda podem funcionar sem degradação de desempenho.

Integrando todas as peças, demos um passo adiante para demonstrar o oscilador em anel CMOS de alta velocidade - um circuito de referência padrão em qualquer tecnologia lógica. O oscilador de anel CMOS funcional de 5 estágios exibe atrasos de estágio de apenas 5,7 nanossegundos, mostrando uma melhoria de quase 1000X em relação ao trabalho anterior com nanotubos de carbono. Ele também representa o oscilador de anel flexível mais rápido já feito com quaisquer nanomateriais, incluindo CNTs, polímeros orgânicos, semicondutores de óxido e nanocristais. O desempenho superior e a demonstração de nível de integração aqui destacam o potencial do uso de CNTs para aplicações futuras, como IoT, computação de ponta, telas e sensores flexíveis, onde nosso trabalho fornece uma abordagem útil para construir escalonável, de baixo custo e flexível de alta velocidade eletrônicos.

Integrado flexível sensor de pressão com uma matriz ativa de CNT TFTs. Na foto:o mapeamento atual de um sensor de pressão CNT flexível assemelha-se ao formato de carimbos de palavras “CNT”. (Figura 4b em "Sensor de pressão flexível de alto desempenho de grande área com matriz ativa de nanotubo de carbono para pele eletrônica", publicado na Nano Letters.)

Um exemplo de tais aplicações é apresentado em outro artigo de jornal, Sensor de pressão flexível de grande área de alto desempenho com matriz ativa de nanotubo de carbono para pele eletrônica, publicado recentemente em Nano Letters . Neste trabalho, um sensor de pressão flexível integrado é demonstrado com uma matriz ativa de 16 × 16 CNT TFTs para imitar a funcionalidade de detecção de pressão tátil da pele humana. O sensor de pressão flexível totalmente integrado pode operar em uma pequena faixa de voltagem de 3 V e mostra um desempenho excelente com alta resolução espacial de 4 mm, resposta mais rápida do que a pele humana (<30 milissegundos) e excelente precisão na detecção de objetos complexos em ambos os planos e superfícies curvas. Temos esperança de que nosso trabalho possa pavimentar o caminho para a integração futura de pele eletrônica de alto desempenho em robótica inteligente e soluções protéticas.

Sobre o autor

O Dr. Jianshi Tang obteve seu PhD em Engenharia Elétrica na University of California, Los Angeles, onde estudou o dispositivo e a física de vários nanomateriais de baixa dimensão, como nanofios semicondutores, isoladores topológicos e nanoestruturas magnéticas. Depois disso, ele se juntou ao IBM Thomas J. Watson Research Center em 2015 como um pesquisador de pós-doutorado e, posteriormente, foi promovido a Research Staff Member, para prosseguir com seu sonho de desenvolver nanomateriais e nanoeletrônica em tecnologias viáveis ​​que podem ser potencialmente adotadas em indústrias de semicondutores . Seu trabalho atual na IBM envolve o desenvolvimento de componentes eletrônicos de nanotubos de carbono de alto desempenho e também a exploração de várias abordagens de hardware para obter computação neuromórfica com eficiência energética.