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文章名稱：High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits
期刊：Nature IF 64.8
文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07096-7
【引言】
本征可拉伸的電子器件具有類似人類皮膚的機(jī)械性能，可用于連續(xù)生理監(jiān)測，實(shí)時(shí)分析健康狀況，在自主醫(yī)療等領(lǐng)域擁有十分廣泛的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有技術(shù)在電學(xué)性能、集成規(guī)模和功能性上存在一定的局限性。針對這些問題，斯坦福大學(xué)的相關(guān)課題組通過在材料選擇、制造工藝創(chuàng)新和電路設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行創(chuàng)新，利用小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3制備出了具有優(yōu)異性能的大規(guī)模集成的本征可拉伸的晶體管和相關(guān)器件。通過上述工藝，晶體管的集成規(guī)?？蛇_(dá)每平方厘米100,000個，在100%應(yīng)變條件下平均場效應(yīng)遷移率超過20 cm2/Vs，在5 V電壓條件下可產(chǎn)生約為2 μA/μm的高驅(qū)動電流。值得注意的是，該工作在本征可拉伸電子器件上實(shí)現(xiàn)了具有1000多個晶體管的大規(guī)模集成電路。基于可拉伸電子器件的制備，課題組設(shè)計(jì)了一種具有高吞吐量能力，高刷新頻率的盲文識別系統(tǒng)，以及LED顯示設(shè)備，展示了本征可拉伸晶體管的多功能性和實(shí)用性，為實(shí)現(xiàn)高度靈活、高性能的可拉伸電子設(shè)備提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究內(nèi)容以《High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits》為題，在國際SCI期刊《Nature》上發(fā)表。
本文中可拉伸的晶體管和相關(guān)器件均使用小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3制備。該系統(tǒng)克服了光刻工藝中需要掩膜板的難題，可以在非傳統(tǒng)基底上迅速實(shí)現(xiàn)高精度的光刻任務(wù)，能夠滿足科研中對光刻的多樣化的需求。與此同時(shí)，該設(shè)備還具備結(jié)構(gòu)緊湊（70 cm X 70 cm X 70 cm）、直寫速度高，分辨率高（XY：<1 μm）等特點(diǎn)。采用集成化設(shè)計(jì)，全自動控制，可靠性高，操作簡便。憑借這些優(yōu)勢，MicroWriter ML3為本研究晶體管和相關(guān)器件的成功制備提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。
小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3
【精彩圖文展示】
圖1.本征可拉伸，高性能類皮膚電子器件。a)本征可拉伸的傳感器的核心地位以及高性能要求的示意圖；b)高性能本征可拉伸電子器件的三維示意圖； c)在4寸硅片上制備高性能器件；d)在大尺寸柔性基底上制備可拉伸的電子器件；e)高密度傳感器（1000個晶體管）制備在一顆芝麻上。
圖2. 本征可拉伸電子器件通過光刻進(jìn)行制備的流程圖。a）示意圖和b）本征可拉伸電子器件的實(shí)物圖；c）用于制備可拉伸電子器件的材料的示意圖；d）可拉伸電子器件的制備過程；e）制備圖案化碳納米管的流程示意圖；f）圖案化的碳納米管；g）PEDOT門；h）EGaln導(dǎo)線；i）絕緣層；j）絕緣層材料的絕緣特性；k）碳納米管的AFM；l）碳納米管傳感器的場效應(yīng)電子遷移率；m）在有無Pd納米顆粒條件下的大規(guī)模真核特性；n）有無Pd條件下的接觸電阻。
圖3. 本征可拉伸電子器件的電學(xué)和力學(xué)特性；a）所制備的電子器件的光學(xué)照片；b)10082個晶體管，良率為99.37%； c)晶體管的電學(xué)特性；d)電子器件在未拉伸，100%拉伸和釋放拉伸后的情形； e)電子器件的電學(xué)性能隨著拉伸的變化；f)和g)電子管的輸出特性；h)本工作和以前工作的比較。
圖4. 由晶體管所構(gòu)成的集成電路。a) 輸出增益電壓的改變；b) 驅(qū)動電流的模擬結(jié)果；c)高密度集成電路的光學(xué)照片；d)電路構(gòu)成示意圖；e)高密度電路的測量結(jié)果；f)和g)大規(guī)模集成電路的示意圖；h) 527級環(huán)形振蕩器的輸出波形； i)本工作和報(bào)道工作的對比；j)三級慣性振蕩器的照片；k)10個振蕩器中，輸出最快的頻率圖譜；l)不同應(yīng)變條件下的震蕩頻率。
圖5.可拉伸電子器件用于觸覺感知和LED顯示。a）感知傳感陣列的設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖；b）傳感器的光學(xué)照片；c）不同壓力下的電流和d）電壓；e）不同形狀觸壓下的電流；f）在插入金屬棒時(shí)的表現(xiàn)；g）本工作和其他工作相比較的結(jié)果；h）在傳感器上按壓盲文SKIN的結(jié)果；i）LED顯示電路；j）作為LED顯示的結(jié)果。
【結(jié)論】
從論文中可以看出，研究人員基于碳納米管制備出了本征可拉伸的電子器件。通過制備方法的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高性能本征可拉伸晶體管的高密度集成，為制備相關(guān)的可拉伸電子設(shè)備提供了新的研究思路和方法。
相關(guān)產(chǎn)品
1、小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3