【儀表網 研發快訊】柔性電子技術是一項跨學科融合的顛覆性科學技術，突破了傳統硅基電子器件的固有局限，為后摩爾時代的器件設計與集成、能源革命、醫療技術變革、人機交互等領域提供了創新驅動，將強有力地支撐未來智慧生活的實現。特別是多功能柔性集成電路的發展，為人與物體及環境之間的信息處理、交互以及深度融合奠定了堅實基礎，加速了萬物互聯(IoE)時代的到來。然而，現階段基于有機半導體、氧化銦鎵鋅、碳納米管以及非晶硅/多晶硅等材料的柔性電子器件，在遷移率、界面質量、制造產率以及大面積器件的均勻性和可重復性等方面仍面臨諸多技術瓶頸，限制了其實用化進程。
 

　　在此背景下，二維半導體材料憑借其卓越的電學性能、優異的機械柔性以及良好的生物兼容性，為柔性集成電路的研發提供了全新思路。目前，基于二維半導體的柔性集成電路主要實現了基本邏輯門和環形振蕩器，其最大集成規模僅為24個薄膜晶體管，這使其僅能支持簡單運算，在電路規模和功能性方面與實際應用需求仍存在顯著差距。為進一步挖掘柔性二維集成電路的潛能，亟需顯著提升器件的集成規模，并在單芯片上實現組合邏輯與時序邏輯電路的多功能數字電子系統集成，從而使數百至數千個晶體管協同工作成為可能。
 

　　近年來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心N07課題組和松山湖材料實驗室二維材料團隊聯合在柔性二維電子器件研究方面取得了一系列重要進展。基于二維半導體材料的柔性電子器件不僅展現出高性能與低功耗的優勢，還在柔性顯示驅動和人工視網膜等領域顯示出廣闊的應用潛力[Nat. Electron. 3, 711 (2020); Nat. Commun. 14, 3633 (2023); Nano Lett. 23, 9333–9339 (2023); Nano Lett. 17, 991–999 (2023)]。在最新研究中，博士研究生彭雅琳和崔晨陽在中國科學院物理研究所張廣宇研究員、杜羅軍特聘研究員、松山湖材料實驗室李娜特聘研究員的指導下，通過協同優化器件加工工藝，基于二硫化鉬薄膜首次在國際上成功實現了中規模的二維柔性集成電路的制備。利用阻抗調制技術，分別實現了增強型與耗盡型晶體管，設計開發了具有穩定軌到軌操作和優異噪聲容限的NMOS反相器。在此基礎上，構建了組合邏輯與時序邏輯共存的數字電路系統，包括半加器、鎖存器、觸發器以及由112個晶體管組成的中規模時鐘分頻器，為柔性數字集成電路的實際應用奠定了堅實的基礎。
 

　　上述研究成果以“Medium-scale Flexible Integrated Circuits Based on 2D Semiconductors”為題發表在Nature Communications 15, 10833 (2024)。本工作由中國科學院物理研究所N07課題組和松山湖材料實驗室二維材料團隊聯合完成。彭雅琳博士(已畢業)和崔晨陽博士為該論文的共同第一作者，中國科學院物理研究所張廣宇研究員、杜羅軍特聘研究員、松山湖材料實驗室李娜特聘研究員為該論文的通訊作者。該研究受到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委及廣東省基礎與應用基礎研究重大項目等科研項目的資助支持。
 

圖. 協同優化二硫化鉬柔性中規模集成電路展示。