Les nanotubes de carbone repoussent les limites de l'électronique flexible

Au cours des dernières décennies, la mise à l'échelle agressive des transistors fabriqués sur des plaquettes de silicium rigides a régulièrement amélioré les performances de l'électronique personnelle et des superordinateurs. Pour les applications émergentes telles que l'analyse en temps réel et l'Internet des objets (IoT), des circuits logiques et des capteurs hautes performances fabriqués sur des substrats flexibles ou non conventionnels sont nécessaires afin de permettre le véritable calcul à la périphérie. Il s'agit de plusieurs exemples de domaines en croissance où les nanomatériaux flexibles, comme les nanotubes de carbone (CNT), pourraient offrir de nombreux avantages intéressants par rapport au silicium rigide, tels qu'un faible coût, une faible puissance, une fabrication sur de grandes surfaces ou même une production rouleau à rouleau. Bien que les NTC aient été largement considérés comme des candidats supérieurs pour l'électronique flexible en raison de leur grande mobilité, leurs applications pratiques ont été limitées par les performances inférieures des transistors à couche mince (TFT) flexibles NTC par rapport à ceux construits sur des substrats rigides (tels que les plaquettes de silicium ou verre). Par exemple, les circuits intégrés CNT flexibles présentent généralement un fonctionnement à faible vitesse avec des retards de porte logique de plus de 1 microseconde. Cependant, cette situation pourrait changer avec les nouvelles avancées d'IBM Research.

CNT flexible Circuits intégrés CMOS avec des retards d'étage inférieurs à 10 nanosecondes. Sur la photo :un oscillateur en anneau CMOS flexible à 5 étages fabriqué sur un substrat en polyimide. (Figures 1b et 4a dans "Flexible CMOS Integrated Circuits based on carbon nanotubes with sub-10 ns stage delays", publié sur Nature Electronics.)

Dans un article de journal récent, Flexible CMOS Integrated Circuits based on carbon nanotubes with sub-10 ns stage delays, publié sur Nature Electronics , nous démontrons que des TFT CNT hautes performances et des circuits intégrés complémentaires peuvent être fabriqués sur des substrats flexibles. S'appuyant sur des décennies de recherche sur l'électronique au carbone chez IBM, nous avons relevé plusieurs défis clés dans la fabrication d'électronique CNT flexible haute performance, notamment la pureté et la densité des CNT semi-conducteurs, une technique de dopage fiable de type n pour une logique complémentaire, ainsi que comme le rendement du processus et la variation sur les substrats flexibles. Dans l'ensemble, les TFT CNT flexibles fabriqués ont montré des performances de pointe, mises en évidence par les densités de courant élevées (>17 mA/mm), les grands rapports ON/OFF de courant (>10 ⁶ ), petites pentes sous le seuil (<200 mV/dec), mobilités élevées (~50 cm ² /Vs) et également une excellente flexibilité :lorsqu'ils sont enroulés sur un doigt, les TFT flexibles peuvent toujours fonctionner sans dégradation des performances.

En intégrant toutes les pièces ensemble, nous avons ensuite fait un pas de plus pour démontrer l'oscillateur en anneau CMOS à grande vitesse, un circuit de référence standard dans n'importe quelle technologie logique. L'oscillateur en anneau CMOS fonctionnel à 5 ​​étages présente des retards d'étage jusqu'à seulement 5,7 nanosecondes, montrant une amélioration de près de 1000 fois par rapport aux travaux précédents sur les nanotubes de carbone. Il représente également l'oscillateur à anneau flexible le plus rapide jamais fabriqué avec des nanomatériaux, notamment des CNT, des polymères organiques, des semi-conducteurs d'oxyde et des nanocristaux. Les performances supérieures et la démonstration de niveau d'intégration soulignent ici le potentiel d'utilisation des CNT pour de futures applications telles que l'IoT, l'informatique de pointe, les écrans flexibles et les capteurs, où notre travail fournit une approche utile pour créer des flexibles évolutifs, à faible coût et à grande vitesse. électronique.

Flexible intégré capteur de pression à matrice active de CNT TFT. Sur la photo :la cartographie actuelle d'un capteur de pression CNT flexible ressemble à la forme des tampons de mots « CNT ». (Figure 4b dans « Capteur de pression flexible haute performance de grande surface avec matrice active de nanotubes de carbone pour peau électronique », publié sur Nano Letters.)

Un exemple de telles applications est présenté dans un autre article de revue, Large-area high-performance flexible pressure sensor with carbon nanotube active matrix for electronic skin, récemment publié sur Nano Letters . Dans ce travail, un capteur de pression flexible intégré est démontré avec une matrice active de 16 × 16 CNT TFT pour imiter la fonctionnalité de détection de pression tactile de la peau humaine. Le capteur de pression flexible entièrement intégré peut fonctionner dans une petite plage de tension de 3 V et affiche de superbes performances avec une résolution spatiale élevée de 4 mm, une réponse plus rapide que la peau humaine (<30 millisecondes) et une excellente précision dans la détection d'objets complexes à la fois sur plat et surfaces courbes. Nous espérons que nos travaux ouvriront la voie à l'intégration future d'une peau électronique haute performance dans la robotique intelligente et les solutions prothétiques.

À propos de l'auteur

Le Dr Jianshi Tang a obtenu son doctorat en génie électrique à l'Université de Californie à Los Angeles, où il a étudié le dispositif et la physique de divers nanomatériaux de faible dimension, tels que les nanofils semi-conducteurs, les isolants topologiques et les nanostructures magnétiques. Après cela, il a rejoint le centre de recherche IBM Thomas J. Watson en 2015 en tant que chercheur postdoctoral, et a ensuite été promu membre du personnel de recherche, pour poursuivre son rêve de développer les nanomatériaux et la nanoélectronique en technologies viables qui peuvent être potentiellement adoptées dans les industries des semi-conducteurs. . Son travail actuel chez IBM consiste à développer une électronique à nanotubes de carbone haute performance et à explorer diverses approches matérielles pour réaliser un calcul neuromorphique économe en énergie.