【复材资讯】彭练矛院士团队，碳纳米管又有新应用

摘要：北京大学彭练矛院士，胡又凡等人提出了一种基于碳纳米管（CNT）的可重构柔性互补电路，通过可逆电静电掺杂技术实现场效应晶体管（TFT）的P/N极性配置。初始器件为常规P型薄膜晶体管（TFT），通过在通道区域覆盖Y₂O₃钝化层后施加和移除聚合物掺杂层来实现极性配置

北京大学彭练矛院士，胡又凡等人提出了一种基于碳纳米管（CNT）的可重构柔性互补电路，通过可逆电静电掺杂技术实现场效应晶体管（TFT）的P/N极性配置。初始器件为常规P型薄膜晶体管（TFT），通过在通道区域覆盖Y₂O₃钝化层后施加和移除聚合物掺杂层来实现极性配置。该方法具有高性能、良好的P/N对称性、大规模均匀性、非易失性和稳健稳定性等特点。

基于此，构建了CMOS反相器、基本电路元件（如二极管、整流器和逻辑门）以及可重构CMOS电路模块，能够实现NAND、NOR、XOR和XNOR四种不同功能，展示了在硬件安全和自适应监测等领域的应用潜力。相关研究成果以“Reconfigurable Flexible Complementary Circuits Based on Polarity-Configurable Carbon Nanotube Transistors” 为题发表于ACS Nano。

柔性电子技术在显示、智能传感和医疗监测等领域发展迅速，其功能的可配置性成为满足多样化应用场景的关键需求。在互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑电路中，通过调节场效应晶体管的P/N极性可以实现功能配置。低维材料的固有双极性为通过选择性注入载流子来配置晶体管极性提供了可能。此前的研究中，通过多层异质堆叠、可编程逻辑阵列（PLA）以及特殊结构设计或材料的可配置/可编程器件等方式实现了功能配置，但在CMOS电路中，通过操纵晶体管极性来实现配置的策略受到后制造工艺的限制。

主要内容

本文的核心内容是提出一种基于碳纳米管（CNT）的可重构柔性互补电路，通过可逆电静电掺杂技术实现场效应晶体管（TFT）的P/N极性配置。研究团队首先在柔性聚酰亚胺（PI）基底上制备了初始为P型的CNT-TFT器件，并通过在通道区域覆盖Y₂O₃钝化层后施加和移除聚合物掺杂层来实现极性转换。

实验结果表明，该方法不仅能够实现高性能的P型和N型TFT，还具有良好的P/N对称性、大规模均匀性、非易失性和稳健稳定性。基于此，研究团队进一步构建了CMOS反相器、二极管、整流器和逻辑门等基本电路元件，并设计了一个可重构CMOS电路模块，能够实现NAND、NOR、XOR和XNOR四种不同功能。

实验细节概括

实验中，研究团队首先在2英寸重掺杂硅片上旋涂2微米厚的PI薄膜，并在350°C下退火1小时，随后通过原子层沉积（ALD）在PI表面生长5纳米厚的HfO₂层以改善表面粘附性。接着，通过光刻、电子束蒸发和标准剥离工艺定义了栅极电极和互连线路。然后，在通道区域沉积20纳米厚的HfO₂作为栅极介质，并通过蘸涂工艺在基底上沉积均匀的CNT薄膜。

在沉积过程中，将基底固定在蘸涂机上，垂直浸入和从CNT溶液中抽出，控制速度为200毫米/分钟。随着CNT溶液的溶剂（氯仿）在抽出过程中快速蒸发，随机取向的CNT被留在基底表面，密度约为每微米30根。随后，通过光刻和反应离子刻蚀去除通道外的多余CNT。接着，通过光刻、电子束蒸发和剥离工艺制备源极和漏极电极（0.3纳米Ti、30纳米Pd和30纳米Au）。最后，在通道区域沉积8纳米厚的Y，并通过类似的图案工艺和热氧化形成10纳米厚的Y₂O₃钝化层。

为了实现极性转换，研究团队制备了聚合物掺杂层，由水溶性聚合物聚乙烯醇（PVA）和少量聚乙烯亚胺（PEI，质量分数4.0%）组成。通过光刻、旋涂和剥离工艺将聚合物掺杂层施加到选定的通道区域。实验结果表明，施加聚合物掺杂层后，TFT展现出显著的N型特性，且与P型特性相比具有良好的对称性。通过移除聚合物掺杂层，TFT的极性可以恢复为P型。此外，研究团队还对器件的稳定性进行了测试，发现经过80°C烘烤3分钟的聚合物层可以在8周内保持N型性能基本不变，并在16周内保持稳定。

· 提出了一种基于碳纳米管（CNT）的可重构柔性互补电路，通过可逆电静电掺杂技术实现场效应晶体管（TFT）的P/N极性配置，解决了传统CMOS电路中极性固定的问题。

· 通过在通道区域覆盖Y₂O₃钝化层后施加和移除聚合物掺杂层，实现了极性转换，同时保持了高性能、良好的P/N对称性、大规模均匀性、非易失性和稳健稳定性。

· 构建了基本电路元件（如CMOS反相器、二极管、整流器和逻辑门）以及可重构CMOS电路模块，能够实现NAND、NOR、XOR和XNOR四种不同功能，展示了在硬件安全和自适应监测等领域的应用潜力。

结论

本文通过可逆电静电掺杂技术实现了基于碳纳米管（CNT）的可重构柔性互补电路，展示了高性能、良好的P/N对称性、大规模均匀性、非易失性和稳健稳定性等特点。基于此，构建了CMOS反相器、二极管、整流器和逻辑门等基本电路元件，并设计了一个可重构CMOS电路模块，能够实现NAND、NOR、XOR和XNOR四种不同功能。该技术为构建具有可配置功能的复杂集成电路提供了新的可能性，尤其在硬件安全和自适应监测等领域具有广阔的应用前景。

图1：极性可配置的碳纳米管薄膜晶体管（CNT-TFT）及其掺杂机制。（a）在柔性聚酰亚胺（PI）衬底上的极性可配置CNT-TFT和互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的示意图。（b）配置为p型和n型CNT-TFT的横截面图，以及（c）相应的光学图像。比例尺，100微米（c）。（d）沟道中碳纳米管薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。比例尺，500纳米。（e）剥离后的超薄电子箔照片及其贴合在人体皮肤上的共形贴合情况（插图）。背景是北京大学校徽，已获得北京大学授权在此展示。（f）通过拟合平带电压（VFB）和聚酰亚胺厚度（tpoly）进行电荷表征。插图：堆叠电容器结构的横截面图。

图2：通过可逆地施加和去除掺杂层来配置的、沟道长度为50微米、沟道宽度为100微米的可配置碳纳米管薄膜晶体管（CNT-TFT）的表征。（a）刚制造出来、掺杂后和未掺杂状态下CNT-TFT的转移特性，（b）输出特性。（c）掺杂后的CNT-TFT在16周内的稳定性表征。（d）36个CNT-TFT在掺杂前后的转移特性。（e）阈值电压（Vth）、（f）开关电流比（Ion/Ioff）和（g）开态电流（Ion）的统计分布，以及这些薄膜晶体管的高斯曲线拟合。（h）在固定曲率半径为3毫米的循环弯曲测试中，p型和n型CNT-TFT的转移特性。

图3：反相器、二极管和整流器的基本可重构电路元件。（a）由两个可配置的碳纳米管薄膜晶体管（CNT-TFT）组成的互补金属氧化物半导体（CMOS）反相器的电压传输特性（VTC）曲线和电压增益。插图：反相器的电路图。（b）与（a）中相同的反相器的噪声容限。（c）配置为p型和n型的碳纳米管二极管的I-V特性。插图：二极管的电路图。（d）配置为p型和n型的桥式整流器的输入-输出特性。