Les nanotubes de carbone offrent une flexibilité et une vitesse record dans l'électronique

Depuis quelques décennies, la mise à l'échelle sans relâche des transistors sur wafers de silicium rigides a conduit à des gains de performance sans précédent pour les gadgets personnels et le calcul haute performance. Pourtant, des domaines émergents tels que l'analytique en temps réel en périphérie et l'Internet des objets exigent une logique haute performance et des capteurs qui peuvent se conformer à des surfaces courbes, à la fabrication rouleau-à-rouleau et à une opération basse consommation. Les nanomatériaux flexibles — notamment les nanotubes de carbone (CNT) — offrent une combinaison convaincante de haute mobilité des porteurs, faible coût et évolutivité qui pourrait surpasser le silicium conventionnel dans ces domaines. Cependant, jusqu'à récemment, les transistors à film mince (TFT) à base de CNT sur substrats flexibles étaient à la traîne par rapport à leurs homologues rigides, avec des délais de portes logiques dépassant 1 µs. Cet écart se réduit grâce aux percées d'IBM Research.

Circuits intégrés CMOS flexibles à base de CNT avec délais d'étage sous 10 ns. Photo : oscillateur en anneau CMOS flexible 5 étages sur substrat polyimide. (Figures 1b et 4a dans « Flexible CMOS integrated circuits based on carbon nanotubes with sub‑10 ns stage delays », publié dans Nature Electronics)

Dans notre publication récente, Flexible CMOS integrated circuits based on carbon nanotubes with sub‑10 ns stage delays (Nature Electronics), nous montrons que des TFT CNT haute performance et une logique complémentaire peuvent être réalisés sur des plateformes flexibles. S'appuyant sur des décennies de recherche d'IBM en électronique carbone, nous avons relevé les défis fondamentaux qui limitaient les dispositifs CNT flexibles : obtenir un réseau de CNT semiconducteurs pur et densément compacté ; développer une méthode robuste de dopage n-type pour circuits complémentaires ; et assurer un haut rendement et uniformité sur substrats flexibles. Les TFT CNT flexibles résultants offrent des figures de mérite leaders — densités de courant dépassant 17 mA/mm, rapports ON/OFF supérieurs à 10⁶, pentes de sous-seuil sous 200 mV/déc, mobilités près de 50 cm²/Vs — et maintiennent les performances même enroulés autour d'un doigt.

Tirant parti de ces avancées, nous avons construit un oscillateur en anneau CMOS 5 étages de référence fonctionnant à un délai d'étage de seulement 5,7 ns — une amélioration près de mille fois par rapport aux travaux CNT antérieurs et l'oscillateur en anneau flexible le plus rapide rapporté à ce jour sur toutes les plateformes nanomateriaux, y compris organiques, oxydes et nanocristaux. Cette étape démontre que les CNT peuvent soutenir une logique haute vitesse sur substrats flexibles, ouvrant la voie à l'informatique en périphérie IoT, aux affichages flexibles et aux réseaux de capteurs alliant faible coût et performance inégalée.

Capteur de pression flexible grande surface avec matrice active de TFT CNT. Photo : cartographie de courant d'un capteur de pression flexible CNT ressemble à la forme de tampons « CNT ». (Figure 4b dans « Large‑area high‑performance flexible pressure sensor with carbon nanotube active matrix for electronic skin », publié dans Nano Letters)

Dans une étude complémentaire, Large‑area high‑performance flexible pressure sensor with carbon nanotube active matrix for electronic skin (Nano Letters), nous avons fabriqué un réseau 16×16 de TFT CNT qui imite la détection tactile de la peau humaine. Le capteur entièrement intégré fonctionne à seulement 3 V, atteint une résolution spatiale de 4 mm, répond en moins de 30 ms — plus rapide que la peau biologique — et détecte avec précision des formes complexes sur surfaces planes et courbes. Ces résultats illustrent la praticité de la peau électronique à base de CNT pour la robotique intelligente, les prothèses et les interfaces homme-machine de prochaine génération.

À propos de l'auteur

Le Dr Jianshi Tang a obtenu son doctorat en génie électrique de l'Université de Californie, Los Angeles, où il a étudié la physique des nanomatériaux de faible dimension tels que les nanofils semi-conducteurs, les isolants topologiques et les nanostructures magnétiques. En 2015, il a rejoint le centre de recherche IBM Thomas J. Watson en tant que chercheur postdoctoral et a été promu plus tard au poste de Research Staff Member. Le focus actuel du Dr Tang est l'électronique CNT haute performance et le calcul neuromorphique économe en énergie, dans le but de traduire les percées nanomateriaux en technologies industriellement viables.