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后摩爾定律時代推動了碳基電子晶體管的快速發(fā)展。5G通信和云計算促進了基于碳納米管的場效應晶體管在電子設(shè)備中的應用。本文將重點關(guān)注碳基電子領(lǐng)域的最新研究熱點，包括高頻晶體管、生物醫(yī)學傳感器和制動器、腦機接口、柔性邏輯器件和能量存儲器。未來機會的前景有望吸引科學家和工程師進入碳基電子領(lǐng)域的新興研究領(lǐng)域。

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

本文亮點

1.在碳納米管晶體管、RF電路和能量存儲設(shè)備方面，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)電子技術(shù)的最新進展。

2.討論了碳基電子技術(shù)在醫(yī)療、健康和生物醫(yī)學設(shè)備中的應用，包括傳感、數(shù)據(jù)處理器和致動器。

3.介紹了晶圓級碳納米管的制備前景以及用于預測材料合成和性能的機器學習策略。

內(nèi)容簡介

德國德累斯頓技術(shù)大學的Cuniberti研究小組總結(jié)了碳納米管在碳基電子領(lǐng)域的最新研究進展。首先，它列出了碳納米管在物聯(lián)網(wǎng)時代新興電子設(shè)備中的應用，如高頻晶體管和傳感器。此外，用于人工肌肉的腦-計算機接口和致動器促進了碳基電子技術(shù)在生物醫(yī)學工程中的應用。其次，基于大數(shù)據(jù)和機器學習方法，提出了納米碳材料制備工藝優(yōu)化和性能預測的趨勢。最后，展望了碳基電子的未來研究機遇。

圖文導讀

1. 碳基電子學在物聯(lián)網(wǎng)中的應用

在芯片中集成更多晶體管將有助于提高電路性能，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的要求，物聯(lián)網(wǎng)具有5G通信、云計算和輕量化消費電子產(chǎn)品的新興趨勢。事實上，目前可用的高頻電子器件晶體管依賴于三種材料，即硅基互補金屬氧化物半導體、GaAs和碳納米管。前兩種材料不符合RF晶體管的嚴格要求。因此，基于碳納米管的晶體管為后摩爾時代提供了有效的解決方案。

作為一個計算生態(tài)系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)通過無線通信將所有內(nèi)容與嵌入式電子設(shè)備連接起來。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（圖1）中，傳感器首先獲取物理和環(huán)境變量，處理電信號，并將信息無線上傳到處理器進行計算。

圖1. 碳基電子學的新興應用

已經(jīng)提出了基于碳納米管的隨機存取存儲器，用于通過處理器提高讀取/寫入速率。此外，已經(jīng)為數(shù)據(jù)存儲的非易失性存儲器開發(fā)了復合材料。輸入設(shè)備使用鍵盤，操縱桿和觸摸板開始涌現(xiàn)。同時，基于CNT驅(qū)動電極和亮度來證明諸如顯示器的輸出裝置。出現(xiàn)基于碳納米管的模擬電路。此外，基于CNT的太赫茲成像系統(tǒng)提供了工業(yè)產(chǎn)品的非破壞性檢測。

基于碳納米管的隨機存取存儲器（RAM）已被提出用于通過處理器提高讀/寫速率。此外，還開發(fā)了用于數(shù)據(jù)存儲的非易失性存儲器的復合材料。使用鍵盤、操縱桿和觸摸板的輸入設(shè)備開始出現(xiàn)。同時，基于CNT驅(qū)動電極和亮度來證明顯示器等輸出器件?；谔技{米管的模擬電路出現(xiàn)了。此外，基于CNT的太赫茲成像系統(tǒng)提供工業(yè)產(chǎn)品的無損檢測。

圖2. 基于碳納米管的人工智能的系統(tǒng)集成，包括物聯(lián)網(wǎng)傳感，數(shù)據(jù)處理和應激響應。

2. 總結(jié)與展望

碳納米管已經(jīng)研究了近三十年，但具有特定結(jié)構(gòu)和性能的SWCNTS的生長仍然具有挑戰(zhàn)性。生長特異性手術(shù)的最新進展表明，催化劑設(shè)計和生長動力學是兩個關(guān)鍵點。然而，手性控制生長的機制仍不清楚?；谧罱_發(fā)的先進原位技術(shù)，如環(huán)境TEM和X射線吸收光譜的球面像差校正，已經(jīng)獲得了催化劑和納米管的原子尺度和動態(tài)信息。然而，CVD條件之間的關(guān)系取決于SWCNT的生長動力學，并在原位揭示，這導致了更復雜的機制。精確的催化劑設(shè)計和生長條件調(diào)節(jié)需要高純度手性SWCNT?？寺WCNT的生長前景廣闊；然而，對生長效率和手性選擇性的提高仍存在兩個挑戰(zhàn)。在實踐中，合成特定手性的控制仍然需要研究界的持續(xù)投入。此外，受控碳納米管的非均勻結(jié)構(gòu)已成為與器件配置兼容的新趨勢。

在個體理論中，熱力學中的熵驅(qū)動手性碳納米管的形成，這可以豐富合成參數(shù)的大數(shù)據(jù)以及由此產(chǎn)生的碳納米管特性。因此，大數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究可以加速材料發(fā)現(xiàn)，并反饋到用于操作機器學習的硬件中。

圖3. 新興的機器學習算法，用于獲得碳納米管合成的性質(zhì)，質(zhì)量和生長速率以及晶圓級碳納米管合成的目標。

碳納米管的物理和化學性質(zhì)仍然是一個熱門話題。首先，單手性單壁碳納米管的機械性能仍然非常令人感興趣，即非常長的疲勞壽命。事實上，非接觸式聲學共振檢測能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場疲勞測試。此外，碳納米束已達到超過80GPa的高拉伸強度。

基于碳納米管的電子器件的突破，如碳納米管晶體管、透明導電膜、摩擦納米材料和電子皮膚。最近，已經(jīng)報道了基于硅技術(shù)上的常規(guī)MOS配置的致密半導體碳納米管的排列的晶體管特性。具有晶片級均勻性的CNT晶體管的高積分密度優(yōu)于傳統(tǒng)的硅電子器件。最近，使用14000個cmos CNT晶體管實現(xiàn)了16位微處理器。此外，通過將馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的完整單元組合成單個芯片，即中央處理單元的基于CNT FET的邏輯電路，以及用于數(shù)據(jù)存儲、輸入和輸出的電阻式隨機存取存儲器。單壁碳納米管的器件物理已經(jīng)在理論預測中得到了實驗證明。

存儲器和離子浮柵晶體管陣列的發(fā)展剝奪了基于碳納米管的神經(jīng)形態(tài)計算的潛力。需要材料科學家、計算機工程師和神經(jīng)科學家之間的合作來演示可拉伸的軟機器人和神經(jīng)形態(tài)計算機系統(tǒng)。

離子凝膠等可印刷電介質(zhì)可以為高性能柔性碳納米管晶體管的制造提供見解。此外，基于碳納米管的柔性和可拉伸電子產(chǎn)品繼續(xù)以更多的突破讓社會和社區(qū)感到驚奇。

總之，碳納米管在電子、生物傳感、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。事實上，了解碳納米管的手性合成已經(jīng)使其應用更接近于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。