电子学院胡又凡课题组在超共形接触的高性能碳管器件和放大电路研究中取得重要进展

随着柔性可穿戴电子的快速进步和发展，柔性电子开始对很多新的应用领域进行赋能，比如先进的健康监测管理平台、运动数据实时监测，以及个性化的诊疗平台。这些新的应用需要柔性电子器件和系统提供对用户更友好的界面，可以与人体的器官表面实现紧密而无感的交互，能够适应人体器官表面复杂的形状。通过减薄柔性器件的厚度，可以降低弯曲刚度，形成更好的共形接触，并提升弯折情况下工作的可靠性。但是，将柔性器件的厚度减薄到亚微米水平会带来诸多挑战。除此之外，柔性薄膜电子器件在厚度减薄的同时还需要保证足够的电学性能，否则难以胜任对生理信号进行采集和处理的任务。

近日，北京大学电子学院胡又凡课题组充分利用碳纳米管薄膜材料优异的电学性能和极薄的物理特性，通过衬底工艺优化，实现了厚度仅为125nm的柔性聚酰亚胺薄膜衬底；通过引入氧化钇双栅结构，提升了器件的电学性能，具有8.96μSμm^-1的跨导和127cm² V^-1s^-1的迁移率，并对双栅器件的各层材料厚度进行设计，优化了器件的机械应力中性面，实现了总厚度亚180nm的兼具极薄物理厚度和优异电学性能的柔性碳纳米管薄膜晶体管，并且器件在小于10μm的曲率半径重复弯折下，器件性能损失小于10%，体现了良好的机械稳定性。

图1. A) 贴敷于指关节的极薄柔性碳纳米管器件照片，标尺1 cm；B) 双栅柔性薄膜碳纳米管晶体管的结构示意图；C) 器件的截面透射电子显微镜图，标尺100 nm，20 nm；D) 器件叠层示意图；E) 器件的转移特性曲线图；F) 器件的跨导特性曲线图；G) 器件的输出特性曲线图

课题组基于高性能的柔性碳纳米管器件，实现了高性能的柔性碳纳米管差分放大器，在5V的工作电压下，该差分放大器具有43dB的增益，13dB的带宽，实现了目前柔性差分放大电路中最高的1.83MHz增益带宽积，可以对较高频的肌电信号实现原位放大处理。

图2. A) 柔性差分放大器的显微镜图，标尺100 μm；B) 差分放大电路结构示意图；C) 柔性差分放大器的差模信号输入和输出波形图；D) 柔性差分放大器的增益和相移波特图；E) 肌电信号放大前后波形图；F) 不同材料的柔性差分放大电路增益和带宽对比

在国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的支持下，上述工作以题为《亚180nm厚超共形接触的高性能碳纳米管双栅晶体管和差分放大器》于9月6日发表于《科学·前沿》（Science Advances, 10, eadq6022）。北京大学电子学院博士生王誉儒为第一作者，长聘副教授胡又凡为通讯作者。这一系列成果扩展了极薄柔性电子器件和电路的性能，为开发未来的具有优异人机交互特性、轻量化和多功能超薄电子系统提供了新的思路。