碳纳米管基柔性可拉伸电子器件的革命性突破——从高性能晶体管到神经形态系统的集成创新

《IEEE Open Journal on Immersive Displays》：Carbon Nanotube-Based Flexible and Stretchable Electronics

本刊推荐研究人员在柔性可拉伸电子器件领域取得重要突破。针对传统刚性电子设备在可穿戴应用中存在的机械适应性差、电性能与柔韧性难以兼顾等挑战，研究团队系统综述了碳纳米管(CNT)材料在薄膜晶体管(TFT)、互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路、人工神经形态电子和软传感器等方面的最新进展。研究表明，基于CNT的电子器件不仅实现了高载流子迁移率(>100000 cm2V?1s?1)和优异机械性能，更在超柔性环形振荡器(频率5 MHz)、单质3D集成电路和仿生突触器件等关键技术上取得突破，为下一代可穿戴健康监测和智能人机交互系统奠定了坚实基础。

　　

当我们憧憬未来可穿戴设备时，往往会想象到如同皮肤般柔软、能够无缝贴合人体曲线的智能电子设备。然而现实中的电子设备大多依然保持着坚硬的物理形态，这严重限制了它们在健康监测、医疗诊断和人机交互等领域的应用潜力。传统硅基半导体材料虽然电性能优异，但其固有的脆性和高加工温度使得制造真正柔性可拉伸的电子系统面临巨大挑战。

在这一背景下，碳纳米管(CNT)材料凭借其独特的力学和电学特性引起了研究人员的极大兴趣。这些由碳原子组成的纳米级管状结构不仅具有惊人的载流子迁移率（室温下可超过100000 cm2V?1s?1），还展现出与生俱来的柔韧性和机械稳定性。更重要的是，CNT可以通过低温溶液法加工，与柔性基底具有良好的兼容性，这为构建高性能柔性电子器件提供了理想平台。

在《IEEE Open Journal on Immersive Displays》上发表的最新综述文章中，研究人员系统梳理了碳纳米管基柔性可拉伸电子器件领域的关键进展。这项工作不仅详细阐述了从基础材料到系统集成的技术路线，更展示了CNT技术在推动下一代电子技术发展中的巨大潜力。

研究人员主要采用了材料合成与加工、器件制备与集成、系统验证等多种技术方法相结合的研究策略。通过溶液基纯化、化学气相沉积(CVD)等技术获得高纯度半导体型碳纳米管(S-CNT)；利用光刻、转印、喷墨打印等微纳加工技术构建器件结构；采用单质三维集成(monolithic 3D integration)等先进封装技术提高电路密度和性能。研究还涉及多种柔性/可拉伸基底材料（如聚酰亚胺、PDMS等）的表征与应用。

材料与柔性CNT-TFT制备

实现高性能柔性碳纳米管薄膜晶体管(CNT-TFT)的核心挑战在于如何在不使用高温工艺的前提下获得高质量的半导体通道。研究人员开发了多种创新性解决方案，其中转移技术表现出显著优势。通过使用水溶性牺牲层（如葡聚糖、聚乙烯醇）或有机溶剂可溶材料（如聚甲基丙烯酸甲酯），可以在刚性衬底上完成器件制备后，再将其转移到柔性基底上。

图1展示了材料纯化与器件优化的重要突破。Lei等人通过PFPD有机分选技术实现了纯度高达99.997%的S-CNT溶液，并利用自组装单分子层(SAM)技术有效减少了器件滞后现象。同时，双层封装策略（光刻胶层提供轻微p型掺杂，氧化铝层保护免受湿氧影响）使器件在4英寸面积上实现了1056个均匀高性能柔性CNT-TFT的集成。

直接在有源柔性基底上制造晶体管是另一条重要技术路线。Wang等人采用密度梯度离心法获得高纯度S-CNT通道，实现了有效迁移率达50 cm2V?1s?1的器件。而Zhang团队开发的超柔性CNT-TFT使用三层基底（聚对二甲苯-C、PVP和HfO?），能够在微小至124μm的弯曲半径下保持功能，展示了卓越的机械耐久性。

基于CNT-TFT的柔性集成电路

柔性电路的集成策略主要分为三类：仅使用p型CNT-TFT的单极伪CMOS电路集成、通过极性工程将CNT转换为n型的CMOS电路集成，以及将CNT与其他n型半导体结合的混合CMOS集成。

在伪CMOS集成方面，研究人员面临着静态功耗高和电路设计复杂的挑战。Huang等人开发了本质柔性的全碳晶体管，采用混合有机-无机介电层和CNT互连，实现了2mm弯曲半径和342.5的逆变器增益。最新进展中，亚180纳米厚双栅CNT-TFT在聚酰亚胺基底上表现出色，伪CMOS逆变器增益达160，差分放大器增益带宽积创纪录地达到1.83 MHz。

真正的CMOS技术因其低静态功耗、高抗噪能力和简化的电路设计而备受青睐。Tang团队通过无机氧化物钝化实现了n型CNT-TFT，环形振荡器电路频率达到17.6 MHz，级延迟低至5.7 ns，并可承受5mm弯曲半径。Zhang等人采用功函数工程，使用钪(Sc)和钯(Pd)分别调控电子和空穴注入，实现了"无掺杂"技术的高性能低功耗CMOS电路。

混合CMOS集成将p型CNT-TFT与n型非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)结合，充分发挥了两种材料的优势。Chen等人实现了高达501级的环形振荡器，振荡频率294 Hz，级延迟3.39 μs，展现了优异的器件均匀性和集成能力。

单质三维CMOS集成

为满足高集成度电路的需求，单质三维(M3D)集成技术应运而生。这种技术通过垂直堆叠多个有源层并互连，有效减少了电路面积，提高了集成密度，同时缩短了互连长度，降低了寄生电阻和电容。

Xie团队在刚性基底上演示了CNT-TFT的M3D电路集成，相比传统二维电路速度提升38%。在柔性M3D集成方面，Zhang团队开发了高密度、高性能、高柔性的CMOS电路，通过垂直堆叠CNT-TFT和a-IGZO-TFT优化了超过30%的电路面积。这种设计通过共享栅极和漏极，避免了易受弯曲应力影响的层间通孔，使电路在500μm弯曲半径下经受住了6000次循环测试。

静态随机存取存储器(SRAM)作为柔性系统中的关键部件，也受益于M3D集成技术。Zhang团队实现的超柔性M3D SRAM在保持操作中噪声容限达81.2%，增益为109.2，静态功耗低至3.15 μW，展现了优异的噪声抵抗能力和热稳定性。

可拉伸CNT-TFT的材料与制备

与仅能弯曲的柔性电子不同，可拉伸电子需要承受拉伸应变，这对材料选择和结构设计提出了更高要求。研究人员主要发展了三种基本方法：屈曲工程、刚度工程和本征可拉伸性工程。

屈曲工程利用预拉伸和材料压缩技术实现均匀应力分布，结合波浪形或蛇形几何构型使晶体管具备可拉伸功能。刚度工程则将不可拉伸的晶体管附着在可拉伸基底上，形成器件岛屿的混合可拉伸电子。而本征可拉伸性工程通过层层堆叠和图案化本征可拉伸材料来制造晶体管，无需额外的结构设计。

在本征可拉伸半导体材料中，半导体共轭聚合物和CNT备受关注。与聚合物半导体相比，半导体单壁碳纳米管(SWCNT)能够同时实现高电荷载流子迁移率和优异的机械灵活性。SWCNT通过管间连接形成渗流网络，电荷传输通过管间跳跃实现，而拉伸性则来自管的重排和位移。

可拉伸导体包括导电聚合物、液态金属和低维纳米材料。其中，金属性碳纳米管(M-CNT)因其成本效益和优异机械性能成为理想的导电填料。通过HNO?掺杂，金属性SWCNT薄膜的方块电阻可降至26 Ω/□，与氧化铟锡(ITO)和金属纳米线相当。

可拉伸介电材料是实现本征可拉伸晶体管的关键但具有挑战性的组成部分。离子凝胶和聚合物弹性体是最广泛使用的可拉伸介电材料。离子凝胶即使使用厚层也能提供显著电容，但面临漏电流大、湿度稳定性差等问题。聚合物弹性体介电材料因其透明度、可拉伸性和与室温旋涂工艺的兼容性而受到重视。

可拉伸晶体管的制备工艺

可拉伸晶体管的加工平台对其大规模制造至关重要。大多数可拉伸材料需要溶液法加工，这带来了层间混合、溶胀和起皱等挑战。转印和打印技术因此成为制备可拉伸晶体管的首选方法。

转印技术基于物理粘附和剥离，被广泛用于制造可拉伸晶体管。Chortos等人使用热塑性聚氨酯作为介电和基底，CNT作为沟道和电极材料，制备出了高度可拉伸的晶体管。这些晶体管在平行和垂直于沟道方向均能承受100%的应变，并在拉伸、弯曲和穿刺条件下保持电学性能。

针对可拉伸器件易受机械损伤的问题，自修复晶体管架构取得了重要进展。这些系统通常采用动态交联策略，利用氢键、金属-配体配位或π-π堆积等非共价相互作用，使半导体聚合物矩阵在断裂后能够自发重组。

打印技术与功能性液体墨水结合为可拉伸电子制造提供了另一条有前景的途径。Molina-Lopez等人使用全喷墨打印方法制造了本征可拉伸晶体管阵列，这些晶体管在环境条件下保持稳定性能，工作电压低至1V，迁移率高达30 cm2V?1s?1。基于电双层介电质的这些晶体管还表现出类似生物神经元的突触行为，在人机接口和可穿戴生物电子学中具有应用潜力。

基于CNT-TFT的可拉伸集成电路

CNT基可拉伸集成电路的发展经历了从基础电路模块到高度专业化集成系统的快速演进。2014年，研究人员展示了最早的可拉伸电路模块，包含CMOS逆变器和环形振荡器，在5V电源下增益达8.9，通过波浪构型在30%应变下保持稳定运行。

随后的研究推出了包含晶体管、浮栅存储器和逻辑门的集成可拉伸可穿戴系统。近年来，通过局部应变抑制层、差分读出电路和真空沉积弹性介电质等创新，可拉伸电子在应变弹性、精度传感和低电压操作等方面取得了显著突破。

Bao团队的最新成果标志着向临床可行可穿戴和植入式生物医学系统的变革性飞跃。他们实现了晶体管密度高达100000 cm?2、归一化跨导0.8μSμm?1、在5V漏电压下驱动电流2.0μAμm?1的本征可拉伸CNT-TFT阵列。这些阵列支持MHz速度集成电路（超过1000个晶体管）和超高密度传感器阵列（2500单元cm?2），性能可与传统刚性电子器件相媲美。

柔性与可拉伸人工神经形态电子

与传统冯·诺依曼计算架构不同，人脑是一种密度更高、效率更高、功能更强大的生物计算系统。受大脑计算能力启发，研究人员一直在探索"类脑计算"，主要分为算法加速和硬件实现两条路径。

人工突触是模拟神经元突触功能的电子组件，需要较低能量，提供更高的数据存储密度和更快的操作速度。这些设备表现出各种脉冲依赖性可塑性，如脉冲数依赖性可塑性(SNDP)、脉冲幅度依赖性可塑性(SADP)、配对脉冲促进(PPF)和脉冲时间依赖性可塑性(STDP)，以模拟生物突触的短时程增强(STP)和长时程增强(LTP)特性。

人工突触器件通常分为两端型和三端型。两端忆阻器被广泛研究，其顶电极作为突触前膜，底电极作为突触后膜，中间层模拟突触间隙，忆阻器的电导作为突触权重。Sun等人演示了基于CNT的忆阻晶体管，通过栅/漏电压控制动态模拟生物神经调节，实现可重构神经形态功能。

三端突触晶体管的结构与传统TFT类似，栅电极作为突触前膜，栅介电质作为突触间隙，沟道/源/漏作为突触后膜。与忆阻器相比，三端突触TFT提供更多可控测试参数，允许各种沟道电导调控模式和更全面的突触性能。

在通道材料选择方面，CNT因其高载流子迁移率、大比表面积、薄几何形状、独特电性能和快速响应时间而成为突触TFT的有前景材料。Kim等人使用网络化CNT开发了突触TFT，通过浮栅的捕获和释放机制模拟突触行为，使阵列能够执行无监督学习并提高模式识别准确性。

突触TFT的工作机制可分为电双层(EDL)效应、铁电偶极极化、电荷捕获、离子迁移和浮栅结构，涉及介电质和沟道材料之间的界面及其耦合效应。与最常见的SiO?介电层相比，高k材料用作介电层时可以增强栅电容，但其刚性限制了应用。

铁电FET表现出明确可控的电场驱动滞后特性，通过矫顽场的操纵可以有效模拟生物的长期和短期可塑性。Xia等人通过低温（<90°C）工艺演示了柔性CNT基铁电突触晶体管，实现了生物逼真突触可塑性，动态范围2000倍，电导状态360个，环境稳定性优异（240天）。该设备在神经网络模拟中实现了95.24%的准确手写数字识别，展示了在可穿戴神经形态计算和生物集成电子学中的潜力。

尽管在神经形态电子和可拉伸电子方面取得了显著进展，但由于可拉伸器件的高材料和要求，人工神经网络通常仍在刚性基底上实现。因此，仅有少数研究在可拉伸平台上演示了人工神经系统。

Lee等人结合光电探测器、基于有机纳米线的可拉伸突触晶体管和有机聚合物致动器来模拟人工神经肌肉系统。光电探测器监测入射光信号并将其输出为电压脉冲。经过突触晶体管处理后，这些信号产生仿生突触后电流，经跨导放大器放大后控制有机致动器的弯曲，模拟生物肌纤维对光刺激的收缩反应。

Lee等人开发了具有集成反馈功能的仿生可拉伸人工突触器件，其特征在于基于CNT的应变传感器通过离子凝胶界面互连，模拟调节肌肉运动的生物神经反馈机制。这种可拉伸人工神经系统由模仿本体感受器的应变传感器、模拟生物突触的有机人工突触以及将信号传递到腿部肌肉的水凝胶电极组成。该器件可以精确控制小鼠腿部运动，无需复杂的外部计算，与传统电刺激方法相比仅需十五分之一的功率。

柔性与可拉伸传感器

可穿戴传感器系统紧密模仿人体皮肤，能够通过模拟皮肤对外部刺激的反应来跟踪身体运动或健康信息，被称为"电子皮肤"。与基于刚性基板的传统传感器相比，电子皮肤具有柔软、舒适和易于贴合身体的优势，适用于实时监测关键生理参数。

柔性传感器设计用于电子皮肤应用主要检测物理和化学信号。其中，皮肤表面的压力和应变尤为重要。脉搏和血压是监测心血管健康的关键生物信号，而眼内压对于诊断青光眼至关重要。这些参数与压力和应变检测密切相关。

柔性机械传感器主要包括应变和压力传感器，可以基于各种原理实现。这些传感器通常分为四种类型：电阻式、电容式、压电式和摩擦电式。典型的电阻式传感器由弹性体基底和导电层组成。当器件发生机械变形时，导电层的固有电阻发生变化。通过分析这些电阻变化，可以检测物理信号。

CNT被广泛用于柔性和可拉伸机械传感器的设计。Yamada等人率先使用良好排列的SWCNT制造电阻式柔性应变传感器，展示了其在检测