【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】柔性電子技術(shù)是一項(xiàng)跨學(xué)科融合的顛覆性科學(xué)技術(shù)，突破了傳統(tǒng)硅基電子器件的固有局限，為后摩爾時(shí)代的器件設(shè)計(jì)與集成、能源革命、醫(yī)療技術(shù)變革、人機(jī)交互等領(lǐng)域提供了創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，將強(qiáng)有力地支撐未來智慧生活的實(shí)現(xiàn)。特別是多功能柔性集成電路的發(fā)展，為人與物體及環(huán)境之間的信息處理、交互以及深度融合奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，加速了萬物互聯(lián)(IoE)時(shí)代的到來。然而，現(xiàn)階段基于有機(jī)半導(dǎo)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(zhì)量、制造產(chǎn)率以及大面積器件的均勻性和可重復(fù)性等方面仍面臨諸多技術(shù)瓶頸，限制了其實(shí)用化進(jìn)程。
 

　　在此背景下，二維半導(dǎo)體材料憑借其卓越的電學(xué)性能、優(yōu)異的機(jī)械柔性以及良好的生物兼容性，為柔性集成電路的研發(fā)提供了全新思路。目前，基于二維半導(dǎo)體的柔性集成電路主要實(shí)現(xiàn)了基本邏輯門和環(huán)形振蕩器，其最大集成規(guī)模僅為24個(gè)薄膜晶體管，這使其僅能支持簡(jiǎn)單運(yùn)算，在電路規(guī)模和功能性方面與實(shí)際應(yīng)用需求仍存在顯著差距。為進(jìn)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(guī)模，并在單芯片上實(shí)現(xiàn)組合邏輯與時(shí)序邏輯電路的多功能數(shù)字電子系統(tǒng)集成，從而使數(shù)百至數(shù)千個(gè)晶體管協(xié)同工作成為可能。
 

　　近年來，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心N07課題組和松山湖材料實(shí)驗(yàn)室二維材料團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在柔性二維電子器件研究方面取得了一系列重要進(jìn)展。基于二維半導(dǎo)體材料的柔性電子器件不僅展現(xiàn)出高性能與低功耗的優(yōu)勢(shì)，還在柔性顯示驅(qū)動(dòng)和人工視網(wǎng)膜等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)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(yáng)在中國(guó)科學(xué)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(shí)驗(yàn)室李娜特聘研究員的指導(dǎo)下，通過協(xié)同優(yōu)化器件加工工藝，基于二硫化鉬薄膜首次在國(guó)際上成功實(shí)現(xiàn)了中規(guī)模的二維柔性集成電路的制備。利用阻抗調(diào)制技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型與耗盡型晶體管，設(shè)計(jì)開發(fā)了具有穩(wěn)定軌到軌操作和優(yōu)異噪聲容限的NMOS反相器。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了組合邏輯與時(shí)序邏輯共存的數(shù)字電路系統(tǒng)，包括半加器、鎖存器、觸發(fā)器以及由112個(gè)晶體管組成的中規(guī)模時(shí)鐘分頻器，為柔性數(shù)字集成電路的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
 

　　上述研究成果以“Medium-scale Flexible Integrated Circuits Based on 2D Semiconductors”為題發(fā)表在Nature Communications 15, 10833 (2024)。本工作由中國(guó)科學(xué)院物理研究所N07課題組和松山湖材料實(shí)驗(yàn)室二維材料團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成。彭雅琳博士(已畢業(yè))和崔晨陽(yáng)博士為該論文的共同第一作者，中國(guó)科學(xué)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委及廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目等科研項(xiàng)目的資助支持。
 

圖. 協(xié)同優(yōu)化二硫化鉬柔性中規(guī)模集成電路展示。