【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著柔性可穿戴電子的快速進(jìn)步和發(fā)展，柔性電子開(kāi)始對(duì)很多新的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行賦能，比如先進(jìn)的健康監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及個(gè)性化的診療平臺(tái)。這些新的應(yīng)用需要柔性電子器件和系統(tǒng)提供對(duì)用戶更友好的界面，可以與人體的器官表面實(shí)現(xiàn)緊密而無(wú)感的交互，能夠適應(yīng)人體器官表面復(fù)雜的形狀。通過(guò)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(huì)帶來(lái)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(shí)還需要保證足夠的電學(xué)性能，否則難以勝任對(duì)生理信號(hào)進(jìn)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(guò)襯底工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了厚度僅為125nm的柔性聚酰亞胺薄膜襯底；通過(guò)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(duì)雙柵器件的各層材料厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化了器件的機(jī)械應(yīng)力中性面，實(shí)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(jī)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(biāo)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(biāo)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(shí)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(shí)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(duì)較高頻的肌電信號(hào)實(shí)現(xiàn)原位放大處理。
 

　　圖2. A) 柔性差分放大器的顯微鏡圖，標(biāo)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(hào)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(hào)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(duì)比
 

　　在國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)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(yù)儒為第一作者，長(zhǎng)聘副教授胡又凡為通訊作者。這一系列成果擴(kuò)展了極薄柔性電子器件和電路的性能，為開(kāi)發(fā)未來(lái)的具有優(yōu)異人機(jī)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。