北大超薄柔性电子器件研究取得重要进展

集微网消息，据北京大学新闻网报道，大数据和物联网方兴未艾，令人们无时无刻地与数字世界互动。柔性可穿戴电子器件的发展有望彻底革新人与数字世界的交互方式，真正实现人体与数字世界的无缝对接。然而，当前柔性基底上的电子器件仍面临着诸多重大挑战，例如器件性能难以突破，传统的硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺与柔性电子器件不兼容，器件与人体的交互不够友好，等等；特别是如何在可共形贴敷于皮肤的超薄柔性衬底上实现高性能的CMOS器件与系统集成，是推动下一代服务于个人运动、健康、医疗监控的新型可穿戴技术的关键所在。

近日，北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室胡又凡研究员与彭练矛教授课题组针对超薄柔性电子器件的研究取得重要进展。他们利用碳纳米管网络薄膜作为沟道材料，在超薄柔性衬底上制备出高性能的CMOS电子器件，并成功地将传感集成系统应用于人体信息监测。

课题组充分利用碳纳米管电子器件可低温加工的优势，用金属钯和钪作为电极接触，分别注入电子和空穴，在超薄柔性基底上构建CMOS器件和电路，克服了传统硅基技术中柔性基底与高温掺杂工艺不兼容的问题。在低温条件下制备的CMOS器件性能对称，柔性基底上的最大跨导达到5.45 μS/μm，为现有文献报道的最优结果，与相同材料在刚性基底上所得到的性能相当，克服了一直以来存在的柔性基底加工环境对器件性能的限制。他们还首次在超薄柔性基底上实现5 MHz的电路振荡频率，进入射频识别（RFID）技术的高频工作范围——对于实现未来无线数据通信和能量传输来说，这是关键性的突破。器件加工采用与传统微电子工艺兼容的光刻工艺，从而保证了器件可规模制备。与此同时，课题组还在该超薄衬底上实现了碳管电路与湿度传感器的集成，可原位对传感信息进行数据处理。整个传感系统的整体厚度仅为4 μm（不足发丝的十分之一），可轻柔地贴敷在皮肤上，实现对皮肤出汗状况的监测。

这一研究充分体现出碳管电子器件在柔性电子学领域的独特优势和巨大应用潜力，也揭示出基于碳管电子器件的柔性电子皮肤有望成为下一代可穿戴电子器件，实现人体与数字世界的无缝交互。2018年2月初，相关工作以《超薄塑料薄膜上的高性能碳纳米管互补电子器件和集成传感系统》（High-performance carbon nanotube complementary electronics and integrated sensor systems on ultrathin plastic foil）为题，发表于材料学领域重要期刊《美国化学会▪纳米》（ACS Nano）（DOI: 10.1021/acsnano.7b09145）。信息学院博士研究生张恒为第一作者，胡又凡研究员与彭练矛教授为通讯作者。

上述研究工作得到“海外高层次人才引进计划”、国家自然科学基金、国家重点研发计划等支持。