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后摩爾定律時(shí)代推動(dòng)了碳基電子晶體管的快速發(fā)展。5G通信和云計(jì)算促進(jìn)了基于碳納米管的場(chǎng)效應(yīng)晶體管在電子設(shè)備中的應(yīng)用。本文將重點(diǎn)關(guān)注碳基電子領(lǐng)域的最新研究熱點(diǎn)，包括高頻晶體管、生物醫(yī)學(xué)傳感器和制動(dòng)器、腦機(jī)接口、柔性邏輯器件和能量存儲(chǔ)器。未來(lái)機(jī)會(huì)的前景有望吸引科學(xué)家和工程師進(jìn)入碳基電子領(lǐng)域的新興研究領(lǐng)域。

Applications of Carbon Nanotubes in the Internet of Things Era

Jinbo Pang*, Alicja Bachmatiuk, Feng Yang, Hong Liu, Weijia Zhou, Mark H. Rümmeli, Gianaurelio Cuniberti* 

Nano-Micro Letters (2021)13: 191

本文亮點(diǎn)

1.在碳納米管晶體管、RF電路和能量存儲(chǔ)設(shè)備方面，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)電子技術(shù)的最新進(jìn)展。

2.討論了碳基電子技術(shù)在醫(yī)療、健康和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中的應(yīng)用，包括傳感、數(shù)據(jù)處理器和致動(dòng)器。

3.介紹了晶圓級(jí)碳納米管的制備前景以及用于預(yù)測(cè)材料合成和性能的機(jī)器學(xué)習(xí)策略。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

德國(guó)德累斯頓技術(shù)大學(xué)的Cuniberti研究小組總結(jié)了碳納米管在碳基電子領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。首先，它列出了碳納米管在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代新興電子設(shè)備中的應(yīng)用，如高頻晶體管和傳感器。此外，用于人工肌肉的腦-計(jì)算機(jī)接口和致動(dòng)器促進(jìn)了碳基電子技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用。其次，基于大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，提出了納米碳材料制備工藝優(yōu)化和性能預(yù)測(cè)的趨勢(shì)。最后，展望了碳基電子的未來(lái)研究機(jī)遇。

圖文導(dǎo)讀

1. 碳基電子學(xué)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

在芯片中集成更多晶體管將有助于提高電路性能，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的要求，物聯(lián)網(wǎng)具有5G通信、云計(jì)算和輕量化消費(fèi)電子產(chǎn)品的新興趨勢(shì)。事實(shí)上，目前可用的高頻電子器件晶體管依賴于三種材料，即硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體、GaAs和碳納米管。前兩種材料不符合RF晶體管的嚴(yán)格要求。因此，基于碳納米管的晶體管為后摩爾時(shí)代提供了有效的解決方案。

作為一個(gè)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)無(wú)線通信將所有內(nèi)容與嵌入式電子設(shè)備連接起來(lái)。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（圖1）中，傳感器首先獲取物理和環(huán)境變量，處理電信號(hào)，并將信息無(wú)線上傳到處理器進(jìn)行計(jì)算。

圖1. 碳基電子學(xué)的新興應(yīng)用

已經(jīng)提出了基于碳納米管的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，用于通過(guò)處理器提高讀取/寫(xiě)入速率。此外，已經(jīng)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的非易失性存儲(chǔ)器開(kāi)發(fā)了復(fù)合材料。輸入設(shè)備使用鍵盤(pán)，操縱桿和觸摸板開(kāi)始涌現(xiàn)。同時(shí)，基于CNT驅(qū)動(dòng)電極和亮度來(lái)證明諸如顯示器的輸出裝置。出現(xiàn)基于碳納米管的模擬電路。此外，基于CNT的太赫茲成像系統(tǒng)提供了工業(yè)產(chǎn)品的非破壞性檢測(cè)。

基于碳納米管的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）已被提出用于通過(guò)處理器提高讀/寫(xiě)速率。此外，還開(kāi)發(fā)了用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的非易失性存儲(chǔ)器的復(fù)合材料。使用鍵盤(pán)、操縱桿和觸摸板的輸入設(shè)備開(kāi)始出現(xiàn)。同時(shí)，基于CNT驅(qū)動(dòng)電極和亮度來(lái)證明顯示器等輸出器件。基于碳納米管的模擬電路出現(xiàn)了。此外，基于CNT的太赫茲成像系統(tǒng)提供工業(yè)產(chǎn)品的無(wú)損檢測(cè)。

圖2. 基于碳納米管的人工智能的系統(tǒng)集成，包括物聯(lián)網(wǎng)傳感，數(shù)據(jù)處理和應(yīng)激響應(yīng)。

2. 總結(jié)與展望

碳納米管已經(jīng)研究了近三十年，但具有特定結(jié)構(gòu)和性能的SWCNTS的生長(zhǎng)仍然具有挑戰(zhàn)性。生長(zhǎng)特異性手術(shù)的最新進(jìn)展表明，催化劑設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)是兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。然而，手性控制生長(zhǎng)的機(jī)制仍不清楚。基于最近開(kāi)發(fā)的先進(jìn)原位技術(shù)，如環(huán)境TEM和X射線吸收光譜的球面像差校正，已經(jīng)獲得了催化劑和納米管的原子尺度和動(dòng)態(tài)信息。然而，CVD條件之間的關(guān)系取決于SWCNT的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，并在原位揭示，這導(dǎo)致了更復(fù)雜的機(jī)制。精確的催化劑設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)條件調(diào)節(jié)需要高純度手性SWCNT。克隆SWCNT的生長(zhǎng)前景廣闊；然而，對(duì)生長(zhǎng)效率和手性選擇性的提高仍存在兩個(gè)挑戰(zhàn)。在實(shí)踐中，合成特定手性的控制仍然需要研究界的持續(xù)投入。此外，受控碳納米管的非均勻結(jié)構(gòu)已成為與器件配置兼容的新趨勢(shì)。

在個(gè)體理論中，熱力學(xué)中的熵驅(qū)動(dòng)手性碳納米管的形成，這可以豐富合成參數(shù)的大數(shù)據(jù)以及由此產(chǎn)生的碳納米管特性。因此，大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究可以加速材料發(fā)現(xiàn)，并反饋到用于操作機(jī)器學(xué)習(xí)的硬件中。

圖3. 新興的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，用于獲得碳納米管合成的性質(zhì)，質(zhì)量和生長(zhǎng)速率以及晶圓級(jí)碳納米管合成的目標(biāo)。

碳納米管的物理和化學(xué)性質(zhì)仍然是一個(gè)熱門(mén)話題。首先，單手性單壁碳納米管的機(jī)械性能仍然非常令人感興趣，即非常長(zhǎng)的疲勞壽命。事實(shí)上，非接觸式聲學(xué)共振檢測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)疲勞測(cè)試。此外，碳納米束已達(dá)到超過(guò)80GPa的高拉伸強(qiáng)度。

基于碳納米管的電子器件的突破，如碳納米管晶體管、透明導(dǎo)電膜、摩擦納米材料和電子皮膚。最近，已經(jīng)報(bào)道了基于硅技術(shù)上的常規(guī)MOS配置的致密半導(dǎo)體碳納米管的排列的晶體管特性。具有晶片級(jí)均勻性的CNT晶體管的高積分密度優(yōu)于傳統(tǒng)的硅電子器件。最近，使用14000個(gè)cmos CNT晶體管實(shí)現(xiàn)了16位微處理器。此外，通過(guò)將馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的完整單元組合成單個(gè)芯片，即中央處理單元的基于CNT FET的邏輯電路，以及用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、輸入和輸出的電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。單壁碳納米管的器件物理已經(jīng)在理論預(yù)測(cè)中得到了實(shí)驗(yàn)證明。

存儲(chǔ)器和離子浮柵晶體管陣列的發(fā)展剝奪了基于碳納米管的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的潛力。需要材料科學(xué)家、計(jì)算機(jī)工程師和神經(jīng)科學(xué)家之間的合作來(lái)演示可拉伸的軟機(jī)器人和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

離子凝膠等可印刷電介質(zhì)可以為高性能柔性碳納米管晶體管的制造提供見(jiàn)解。此外，基于碳納米管的柔性和可拉伸電子產(chǎn)品繼續(xù)以更多的突破讓社會(huì)和社區(qū)感到驚奇。

總之，碳納米管在電子、生物傳感、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，了解碳納米管的手性合成已經(jīng)使其應(yīng)用更接近于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。