【儀表網 研發快訊】隨著柔性可穿戴電子的快速進步和發展，柔性電子開始對很多新的應用領域進行賦能，比如先進的健康監測管理平臺、運動數據實時監測，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提供對用戶更友好的界面，可以與人體的器官表面實現緊密而無感的交互，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。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異的電學性能和極薄的物理特性，通過襯底工藝優化，實現了厚度僅為125nm的柔性聚酰亞胺薄膜襯底；通過引入氧化釔雙柵結構，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，優化了器件的機械應力中性面，實現了總厚度亞180nm的兼具極薄物理厚度和優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%，體現了良好的機械穩定性。
 

　　圖1. A) 貼敷于指關節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構示意圖；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) 差分放大電路結構示意圖；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，為開發未來的具有優異人機交互特性、輕量化和多功能超薄電子系統提供了新的思路。