【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用領域進行賦能，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，能夠適應人體器官表面復雜的形狀。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性能，否則難以勝任對生理信號進行采集和處理的任務。
 

　　近日，北京大學電子學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)，提升了器件的電學性能，具有8.96μSμm-1的跨導和127cm2 V-1s-1的遷移率，并對雙柵器件的各層材料厚度進行設計，優(yōu)化了器件的機械應力中性面，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·前沿》(Science Advances, 10, eadq6022)。北京大學電子學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。