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摘要近日,北京大學(xué)電子學(xué)院胡又凡課題組充分利用碳納米管薄膜材料優(yōu)異的電學(xué)性能和極薄的物理特性,通過襯底工藝優(yōu)化,實現(xiàn)了厚度僅為125nm的柔性聚酰亞胺薄膜襯底。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著柔性可穿戴電子的快速進步和發(fā)展,柔性電子開始對很多新的應(yīng)用領(lǐng)域進行賦能,比如先進的健康監(jiān)測管理平臺、運動數(shù)據(jù)實時監(jiān)測,以及個性化的診療平臺。這些新的應(yīng)用需要柔性電子器件和系統(tǒng)提供對用戶更友好的界面,可以與人體的器官表面實現(xiàn)緊密而無感的交互,能夠適應(yīng)人體器官表面復(fù)雜的形狀。通過減薄柔性器件的厚度,可以降低彎曲剛度,形成更好的共形接觸,并提升彎折情況下工作的可靠性。但是,將柔性器件的厚度減薄到亞微米水平會帶來諸多挑戰(zhàn)。除此之外,柔性薄膜電子器件在厚度減薄的同時還需要保證足夠的電學(xué)性能,否則難以勝任對生理信號進行采集和處理的任務(wù)。
 
  近日,北京大學(xué)電子學(xué)院胡又凡課題組充分利用碳納米管薄膜材料優(yōu)異的電學(xué)性能和極薄的物理特性,通過襯底工藝優(yōu)化,實現(xiàn)了厚度僅為125nm的柔性聚酰亞胺薄膜襯底;通過引入氧化釔雙柵結(jié)構(gòu),提升了器件的電學(xué)性能,具有8.96μSμm-1的跨導(dǎo)和127cm2 V-1s-1的遷移率,并對雙柵器件的各層材料厚度進行設(shè)計,優(yōu)化了器件的機械應(yīng)力中性面,實現(xiàn)了總厚度亞180nm的兼具極薄物理厚度和優(yōu)異電學(xué)性能的柔性碳納米管薄膜晶體管,并且器件在小于10μm的曲率半徑重復(fù)彎折下,器件性能損失小于10%,體現(xiàn)了良好的機械穩(wěn)定性。
 
  圖1. A) 貼敷于指關(guān)節(jié)的極薄柔性碳納米管器件照片,標尺1 cm;B) 雙柵柔性薄膜碳納米管晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖;C) 器件的截面透射電子顯微鏡圖,標尺100 nm,20 nm;D) 器件疊層示意圖;E) 器件的轉(zhuǎn)移特性曲線圖;F) 器件的跨導(dǎo)特性曲線圖;G) 器件的輸出特性曲線圖
 
  課題組基于高性能的柔性碳納米管器件,實現(xiàn)了高性能的柔性碳納米管差分放大器,在5V的工作電壓下,該差分放大器具有43dB的增益,13dB的帶寬,實現(xiàn)了目前柔性差分放大電路中最高的1.83MHz增益帶寬積,可以對較高頻的肌電信號實現(xiàn)原位放大處理。
 
圖片2.jpg
  圖2. A) 柔性差分放大器的顯微鏡圖,標尺100 μm;B) 差分放大電路結(jié)構(gòu)示意圖;C) 柔性差分放大器的差模信號輸入和輸出波形圖;D) 柔性差分放大器的增益和相移波特圖;E) 肌電信號放大前后波形圖;F) 不同材料的柔性差分放大電路增益和帶寬對比
 
  在國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃等項目的支持下,上述工作以題為《亞180nm厚超共形接觸的高性能碳納米管雙柵晶體管和差分放大器》于9月6日發(fā)表于《科學(xué)·前沿》(Science Advances, 10, eadq6022)。北京大學(xué)電子學(xué)院博士生王譽儒為第一作者,長聘副教授胡又凡為通訊作者。這一系列成果擴展了極薄柔性電子器件和電路的性能,為開發(fā)未來的具有優(yōu)異人機交互特性、輕量化和多功能超薄電子系統(tǒng)提供了新的思路。

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