德国Cuniberti教授综述:碳纳米管在5G物联网时代的应用

Applications of Carbon Nanotubes in the Internet of Things Era

Jinbo Pang*, Alicja Bachmatiuk, Feng Yang, Hong Liu, Weijia Zhou, Mark H. Rümmeli, Gianaurelio Cuniberti*

Nano-Micro Letters (2021)13: 191

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00721-4

本文亮点

1. 在碳纳米管晶体管、射频电路和能量存储器件等方面更新了物联网相关电子学的进展
2. 讨论了碳基电子学在医养健康和生物医学设备的应用,包括感知、数据处理器和执行器。
3. 介绍了晶圆级碳纳米管的制备前景,以及用于预测材料合成及性质的机器学习策略。
内容简介

后摩尔定律时代已经推动了碳基电子学晶体管的快速发展。诚然,5G通信和云计算刺激了碳纳米管基场效应晶体管在电子设备中的应用研究。在本篇观点中,将读者带入碳基电子学研究中的最新热点研究,包括高频晶体管、生物医学传感器和制动器、脑机接口和柔性逻辑设备和能量存储器。对未来机会的展望,有望吸引科学家和工程师进入碳基电子学中新兴的研究领域。德国德累斯顿工业大学Cuniberti课题组概述了碳基电子学碳纳米管研究的最新进展:首先列出了碳纳米管在物联网时代新兴电子器件中的应用,例如高频晶体管和传感器。而且,脑机界面和用于人工肌肉的致动器助推了碳基电子学在生物医学工程应用。接下来,基于大数据和机器学习方法给出了碳纳米材料的制备工艺优化和特性预测的趋势。最后,提出了碳基电子学未来的研究机会。

图文导读

I 碳基电子学在物联网中的应用

芯片中更多晶体管的集成有助于改进的电路性能,以满足物联网的要求,这具有5G通信,云计算和轻量级消费电子产品的新兴趋势。实际上,目前可用的高频电子器件晶体管依赖于三种类型的材料,即基于Si的互补金属氧化物半导体,GaAs和碳纳米管。前两种类型的材料不符合射频晶体管的严格要求。因此,基于碳纳米管的晶体管为后摩尔的时代提供了有效的解决方案。

作为计算生态系统,物联网通过无线通信将所有内容与嵌入式电子设备连接。在物联网系统(图1)中,传感器首先获取物理和环境变量,处理电信号,并将信息无线上传到用于计算的处理器。

图1. 碳基电子学的新兴应用。

碳纳米管已经用剪切力对齐并作为薄膜沉积到介电/金属基板上,用于制造微带贴片天线。与铜天线相比,射频通信的CNT天线的重量率为5%。基于CNT基天线可以集成到柔性且可穿戴设备中,用于信息传输和接收。基于碳纳米管的天线在10 GHz下显示出高辐射效率,与铜天线相当。

已经提出了基于碳纳米管的随机存取存储器,用于通过处理器提高读取/写入速率。此外,已经为数据存储的非易失性存储器开发了复合材料。输入设备使用键盘,操纵杆和触摸板开始涌现。同时,基于CNT驱动电极和亮度来证明诸如显示器的输出装置。出现基于碳纳米管的模拟电路。此外,基于CNT的太赫兹成像系统提供了工业产品的非破坏性检测。

图2. 基于碳纳米管的人工智能的系统集成,包括物联网传感,数据处理和应激响应。

II 总结与展望

碳纳米管已经研究了近三十年,但具有特定结构和性质的SWCNT的生长仍然具有挑战性。近期生长特异性手术的进展表明催化剂设计和生长动力学是两个关键点。然而,手性控制增长的机制仍然不清楚。由于最近开发的先进原位技术,例如球差校正的环境TEM和X射线吸收谱,已经实现了关于催化剂和纳米管的原子缩放和动态信息。然而,CVD条件之间的关系依赖于SWCNT生长动力学,并以原位的方式揭示,其带来更复杂的机制。通过精确的催化剂设计和生长条件的调节,需要实现具有高纯度的手性SWCNT。从他们的细分市场克隆SWCNT的增长是有前途的;然而,增长效率和手性选择性的提高仍然存在两个挑战。实际上,在合成特定手性的控制仍然需要来自研究群体的持续的投入。此外,受控碳纳米管的异质结构成为与器件配置兼容性的新趋势。

在个人理论上,热力学中的熵驱动了手性碳纳米管的形成,其可以丰富合成参数的大数据和碳纳米管的结果特征。因此,大数据驱动的研究可以加速材料发现并反馈用于操作机器学习的硬件。

图3. 新兴的机器学习算法,用于获得碳纳米管合成的性质,质量和生长速率以及晶圆级碳纳米管合成的目标。

碳纳米管的物理和化学性质仍然是热门话题。首先,单个手性单壁碳纳米管的机械性能仍然具有很大的兴趣,即超长抗疲劳寿命。实际上,非接触式声学共振检查使原位疲劳测试能够。此外,通过碳纳米管束已经实现了超过80 GPa的高拉伸强度。

已经在基于碳纳米管的电子设备上进行的突破,例如碳纳米管晶体管,透明导电膜,摩擦纳米料和电子皮肤。最近,已经报道了晶体管性能的致密半导体碳纳米管的对准,基于常规金属氧化物半导体配置超过硅技术。具有晶圆级均匀性的CNT晶体管的高积分密度可以优于传统的硅电子产品。最近,使用14000 cmos CNT晶体管进行了16位微处理器。此外,通过将冯诺依曼架构的完整单元结合到一个单个芯片,即基于CNT FET的逻辑电路的中央处理器,具有电阻性随机存取存储器的数据存储,输入,并输出。单壁碳纳米管的器件物理物理学在理论预测中实验证明了进展。

存储器和离子浮栅晶体管阵列的发展对基于碳纳米管的神经形态计算具有脱光。材料科学家,计算机工程师,神经科学家之间的合作非常需要展示可拉伸的软机器人和神经形态计算机系统。

如离子凝胶的可打印电介质可以在高性能柔性碳纳米管晶体管的制造上提供思路。此外,基于碳纳米管的柔性且可拉伸的电子产品继续惊艳社会和社区,具有更多的突破。

总之,碳纳米管在电子,生物传感,人工智能和物联网方面表现出巨大的卓越卓越。实际上,了解对碳纳米管的手性控制合成的理解推动了靠近其应用于工业批量生产的应用。

作者简介

Gianaurelio Cuniberti

本文通讯作者

德国德累斯顿工业大学 教授

主要研究领域

(1) 低维纳米材料的建模和运输现象,例如纳米线、二维材料石墨烯等的电子结构和电子输运性质的计算,以及器件性能的预测;(2) 分子生物传感:自下而上的组装、生物传感器与微流控的结合与临床应用;(3) 传感器的自组网,组成类神经元网络,进行通信与接口的协同作用;(4) 分子生物电子学:从介观到分子系统的热量和电荷迁移。

主要研究成果

近年来在碳纳米管、硅纳米线、硼纳米管、石墨烯、和金属有机框架材料等传感材料的设计理论、关键合成、基础应用等方面做出了较大贡献。在包括Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Electronics, Advanced Materials, Nature Communications, Nano Letters, Physical Review Letters, 等学术期刊上发表SCI文章429余篇,其中,一作或通讯作者文章近255篇,文章总被引次数超过16010次,H因子为66。主持经费3000万欧元,包含欧盟项目,德国研究基金委(DFG), 德国教育与研究部(BMBF),大众基金会等,入选欧洲科学院院士(elected member of the European Academy of Sciences)。聘任材料科学系、物理系教授(在德累斯顿工业大学的双学科聘任教授,目前仅有两位)。所领导的研究团队孵化公司3家高科技公司(包含quantUP、smartNT、biconex等),涉及大数据智能编码、高纯度碳纳米管生产、电镀薄膜等领域。

Email: g.cuniberti@tu-dresden.de

逄金波

本文第一作者

济南大学 副研究员

主要研究领域

二维材料的晶圆级可控合成和范德华异质结构筑及其在电子、光电子器件上的应用;碳纳米材料的电子、光电子学应用。

主要研究成果

近年来在碳纳米管、石墨烯、过渡金属硫属化合物(二硒化钨)和贵金属硫属化合物(硫化铂、二硒化钯)等信息材料的设计理论、关键合成、基础应用等方面做出了较大贡献。以项目负责人承担国家自然科学基金、山东省自然科学基金等多项课题。在包括 Adv. Energy Mater., ACS Nano, Chem. Soc. Rev., InfoMat, Appl. Energy, Adv. Opt. Mater., Solar RRL等学术期刊上发表SCI文章50余篇,被引2530余次,H因子为25,获授权发明专利1项。

Email: ifc_pangjb@ujn.edu.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

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