纸基碳纳米管CMOS晶体管与集成电路领域取得重要进展

近年来，随着物联网概念的兴起，电子产品不断向轻薄化、柔性化、功能化和超低功耗的方向发展，纸基电子技术和特种功能电子电路在时代的召唤下应运而生。与传统电子器件相比，纸基电子器件具有重量轻、可回收和可生物降解等优点，有望发展环境友好型电子器件。另外，纸基衬底辐照俘获电荷少，抗辐照强，同时有望构建特种应用电子器件。因此，基于纸基实现具有特殊应用的超低功耗电路具有重要研究意义。但是目前研究所报道的纸基电子器件功能单一，多为传感器或单极型晶体管，低功耗纸基CMOS场效应晶体管与单元门电路仍难以实现。

近日，北京大学张志勇课题组与中国科学院苏州纳米所赵建文课题组合作，利用碳纳米管开关比高、化学稳定性好、机械强度高、准一维结构等优势，利用丝网印刷结合掺杂技术在纸质基底上制备了碳纳米管薄膜晶体管。团队发展了两种重要的调节器件的技术，第一，通过在原始p型晶体管上印刷环氧胺层，将其转化成n型晶体管，第二，通过调节碳纳米管薄膜的打印次数，有效控制晶体管的阈值和跨导。基于以上技术基础，首次在纸基衬底上构建了增强型碳纳米管CMOS晶体管，并基于此制备了多种印刷电路。所构建的纸基CMOS反相器能够实现0.2 V超低工作电压，0.0124 pW/μm的超低功耗和2 Mrad的抗辐照能力，这些性能展示了纸基碳纳米管集成电路在环境友好型电子学与抗辐照电子学等领域的应用前景。

图1：印刷增强型纸基碳纳米管晶体管

图2：超低功耗纸基CMOS反相器和NAND电路

图3：纸基抗辐照CMOS电路

相关成果以题为《利用纸基增强型碳纳米管晶体管制备的超低功耗和抗辐照互补金属氧化物半导体电子器件》（“Ultralow-power and radiation-tolerant complementary metal-oxide-semiconductor electronics utilizing enhancement-mode carbon nanotube transistors on paper substrates”）的论文，于8月27日在线发表于《先进材料》（Adv.Mater.2022, 2204066），中国科学院苏州纳米所王欣与北京大学电子学院朱马光博士为共同第一作者，北京大学电子学院张志勇教授与中国科学院苏州纳米所赵建文研究员为共同通讯作者。

本工作得到了科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持，上述成果充分展示了碳纳米管材料在低功耗以及抗辐照特性的巨大优势，有望应用于低功耗可穿戴物联网器件以及深空探测等领域。

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