Los nanotubos de carbono superan el límite de la electrónica flexible

Durante las últimas décadas, el escalado agresivo de los transistores fabricados en obleas rígidas de silicio ha impulsado constantemente el rendimiento de la electrónica personal y las supercomputadoras. Para aplicaciones emergentes como análisis en tiempo real e Internet de las cosas (IoT), se necesitan circuitos lógicos y sensores de alto rendimiento hechos en sustratos flexibles o no convencionales para permitir la verdadera computación en el borde. Estos son varios ejemplos de áreas de crecimiento donde los nanomateriales flexibles, como los nanotubos de carbono (CNT), podrían ofrecer muchas ventajas atractivas sobre el silicio rígido, como el bajo costo, la baja potencia, la fabricación de gran área o incluso la producción de rollo a rollo. Aunque los CNT han sido ampliamente considerados como candidatos superiores para la electrónica flexible debido a su alta movilidad, sus aplicaciones prácticas se han visto limitadas por el menor rendimiento de los transistores de película delgada (TFT) de CNT flexibles en comparación con los construidos sobre sustratos rígidos (como la oblea de silicio). o vidrio). Por ejemplo, los circuitos integrados CNT flexibles normalmente exhiben un funcionamiento a baja velocidad con retardos de puerta lógica de más de 1 microsegundo. Sin embargo, esta situación podría cambiar con los nuevos avances en IBM Research.

CNT flexible Circuitos integrados CMOS con retrasos de etapa inferiores a 10 nanosegundos. En la imagen:Un oscilador de anillo CMOS flexible de 5 etapas hecho sobre un sustrato de poliimida. (Figuras 1b y 4a en "Circuitos integrados CMOS flexibles basados ​​en nanotubos de carbono con retrasos de etapa por debajo de 10 ns", publicados en Nature Electronics.)

En un artículo de revista reciente, Circuitos integrados CMOS flexibles basados ​​en nanotubos de carbono con retrasos de etapa inferiores a 10 ns, publicado en Nature Electronics , demostramos que los TFT CNT de alto rendimiento y los circuitos integrados complementarios se pueden fabricar sobre sustratos flexibles. Aprovechando la investigación de décadas sobre electrónica de carbono en IBM, hemos abordado varios desafíos clave en la fabricación de electrónica CNT flexible de alto rendimiento, incluida la pureza y densidad de CNT semiconductores, una técnica de dopaje confiable de tipo n para lógica complementaria, también como rendimiento del proceso y variación en sustratos flexibles. En general, los TFT flexibles de CNT fabricados han mostrado un rendimiento de vanguardia, destacado por las altas densidades de corriente (> 17 mA / mm), grandes relaciones de ENCENDIDO / APAGADO de corriente (> 10 ⁶ ), pendientes pequeñas por debajo del umbral (<200 mV / dec), movilidades elevadas (~ 50 cm ² / Vs) y también una excelente flexibilidad:cuando se envuelven en un dedo, los TFT flexibles aún pueden funcionar sin degradación del rendimiento.

Integrando todas las piezas juntas, dimos un paso más para demostrar el oscilador de anillo CMOS de alta velocidad, un circuito de referencia estándar en cualquier tecnología lógica. El oscilador de anillo CMOS funcional de 5 etapas presenta retrasos de etapa de solo 5,7 nanosegundos, lo que muestra una mejora de casi 1000 veces con respecto al trabajo anterior con nanotubos de carbono. También representa el oscilador de anillo flexible más rápido jamás fabricado con nanomateriales, incluidos CNT, polímeros orgánicos, semiconductores de óxido y nanocristales. El rendimiento superior y la demostración del nivel de integración aquí resaltan el potencial de usar CNT para aplicaciones futuras como IoT, computación perimetral, pantallas y sensores flexibles, donde nuestro trabajo proporciona un enfoque útil para construir sistemas flexibles escalables, de bajo costo y de alta velocidad. electrónica.

Flexible integrado sensor de presión con una matriz activa de CNT TFT. En la imagen:el mapeo actual de un sensor de presión CNT flexible se asemeja a la forma de los sellos de palabra “CNT”. (Figura 4b en "Sensor de presión flexible de alto rendimiento para áreas grandes con matriz activa de nanotubos de carbono para piel electrónica", publicado en Nano Letters).

Un ejemplo de tales aplicaciones se presenta en otro artículo de revista, Sensor de presión flexible de alto rendimiento de área grande con matriz activa de nanotubos de carbono para piel electrónica, publicado recientemente en Nano Letters . En este trabajo, se demuestra un sensor de presión flexible integrado con una matriz activa de 16 × 16 CNT TFT para imitar la funcionalidad de detección de presión táctil de la piel humana. El sensor de presión flexible totalmente integrado puede funcionar dentro de un rango de voltaje pequeño de 3 V y muestra un rendimiento excelente con una alta resolución espacial de 4 mm, una respuesta más rápida que la piel humana (<30 milisegundos) y una excelente precisión en la detección de objetos complejos en ambos planos. y superficies curvas. Tenemos la esperanza de que nuestro trabajo pueda allanar el camino para la futura integración de la piel electrónica de alto rendimiento en robótica inteligente y soluciones protésicas.

Acerca del autor

El Dr. Jianshi Tang obtuvo su doctorado en Ingeniería Eléctrica en la Universidad de California, Los Ángeles, donde estudió el dispositivo y la física de varios nanomateriales de baja dimensión, como nanocables semiconductores, aislantes topológicos y nanoestructuras magnéticas. Después de eso, se unió al Centro de Investigación IBM Thomas J. Watson en 2015 como Investigador Postdoctoral, y luego fue ascendido a Miembro del Personal de Investigación, para perseguir aún más su sueño de desarrollar nanomateriales y nanoelectrónica en tecnologías viables que puedan ser potencialmente adoptadas en las industrias de semiconductores. . Su trabajo actual en IBM implica el desarrollo de componentes electrónicos de nanotubos de carbono de alto rendimiento y también la exploración de varios enfoques de hardware para lograr una computación neuromórfica energéticamente eficiente.