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《哈工大柔性电子和热管理课题组:石墨烯纳米片基超薄柔性机械手》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2019-07-10

  • 成果简介

    柔性驱动器有别于普通驱动器，不但能够将能量转换为机械能，实现驱动，而且具有柔性的特点，在人造肌肉、柔性机器人、微型机器手臂等领域具有广阔的应用前景。

    近日，哈尔滨工业大学柔性电子与热管理课题组与中国航天科技集团西安微电子技术研究所和澳大利亚新南威尔士大学合作，利用石墨烯极低的平面热膨胀系数以及具有电热效应的特点，共同研制了基于石墨烯纳米片的超薄型柔性机械手（驱动器）。该柔性机械手（驱动器）的厚度小于0.2mm，具有双层结构，能够实现低电压驱动弯曲，并用来制备柔性手指、柔性手掌、柔性章鱼爪等器件，实现物质抓取和举起等动作。该项目的创新点在于：1）通过界面工程实现了石墨烯纳米片在复合膜中的取向分布，从而让复合膜具有了良好的导电性和很小的平面膨胀系数；2）能够通过电压（3-48V）的精细控制实现柔性驱动器的定量弯曲；3）加工工艺简单、高效，可规模化生产。相关成果发表于期刊Carbon上（Electro-thermally driven flexible robot arms based on stacking-controlled graphite nanocomposites, 2019, 152: 873-881, https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.06.075），王华涛副教授和吴韬教授为论文的共同通讯作者。

  • 原文来源：http://www.cailiaoniu.com/179872.html
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  • 《石墨烯研发新成果：超薄柔性微处理器》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：姜山
    • 发布时间：2017-04-19
    • 微处理器，是当代电子工业的核心器件。无论是智能手表、智能手机、智能家电等消费电子产品，还是超级计算机、汽车引擎控制、数控机床、导弹精确制导等都高精尖技术产品，都离不开微处理器的作用。下面就随嵌入式小编一起来了解一下相关内容吧。 　　微处理器，一般由一片或几片大规模集成电路组成，能读取和执行指令，与外界存储器和逻辑部件交换数据，是微型计算机的核心运算控制部分。 　　如今，微处理器制造所用的材料基本上全是硅。而硅材料的瓶颈如主要有以下两方面：一是性能瓶颈，现在硅材料的半导体芯片，性能增速放缓，且接近物理极限。二是不具有柔性，硅材料无法应用于柔性电子领域。 石墨烯研发新成果：超薄柔性微处理器 　　二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料，例如石墨烯、氮化硼、过渡族金属化合物(二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨)、黑磷等等。 　　二维材料，一般由一层或者几层原子组成，我们之前重点关注的石墨烯就是一种著名的二维材料。除此以外，和石墨烯类似的一些材料，例如过渡性金属双硫属化合物也属于二维材料，它们不仅尺寸小、轻薄、柔软，最重要是具有优秀的半导体特性，十分适用于柔性电子设备。 石墨烯研发新成果：超薄柔性微处理器 　　维也纳技术大学光子研究所的 Thomas Mueller 博士一直致力于二维材料的研究，他认为二维材料是未来制造微处理器和其它集成电路的理想候选材料。而二硫化钼(MoS2)，由钼原子和硫原子组成，只有三个原子的厚度，就是这样一种二维材料。 　　所以，他领导维也纳技术大学的科研团队和欧盟石墨烯旗舰项目的科研人员合作，制造出了一种由二维材料二硫化钼MoS2组成的晶体管。115个这样的晶体管构成了一种新型微处理器。目前，这种微处理器能够进行一比特的逻辑运算，而未来有望拓展至多比特运算。 　　MoS2的薄度意味着晶体管具有高响应性。 Mueller说：“原则上，为晶体管提供薄材料是有利的。材料越薄，晶体管通道的静电控制越好，功耗越小。 　　目前为止，MoS2微处理器是由二维材料制成的最先进的电路之一。运行简单程序的测试表明，该微处理器具有优秀的信号质量，和较低的功耗，并且获取正确的运算结果。 　　这种超薄的MoS2 晶体管尺寸很小，而且具有柔性，有利于制造成柔性电子设备，例如可穿戴设备和智能硬件等等，广泛应用于物联网领域。 　　对此，Thomas Mueller 博士认为：“总体来说，成为一种柔材料将会带来新型应用。其中一个可能是将这些处理器电路和由MoS2制成的光线发射器相结合，从而制造出柔性显示设备和电子纸张，或者将它们集成进智能传感器的逻辑电路中。” 　　现代的微处理器，一般由硅制成，它们在单颗芯片上具有几百万个晶体管，所以说这种由MoS2 制成的只有115个晶体管的设备，显得十分简单。但是，Mueller 博士研究小组中的博士研究生 Stefan Wachter 认为：“尽管，这和目前基于硅的工业标准相比来说，显得很逊色。但是它成为这个领域研究中的一项重要突破。现在我们已经有了概念验证，原则上，没有理由看不到未来的进展。” 　　这个芯片只是展示了这项新技术的早期成果，我们可以相信未来它会具有更大的成果。对于团队下一步的计划，Mueller 解释说：“我们的目标是实现更大的电路，可以利用有用的操作完成更多的任务。我们想要在更小尺寸的单个芯片上，完成完整的八比特设计，或者更多的比特。”但是由于设计和制造，这个目标将面临挑战，所以Stefan Wachter 说：“增加更多的比特，当然会使得每件事都会变得更加复杂。例如，增加仅仅一个比特，就会将电路的复杂性增加两倍。” 　　未来展望： 　　二维材料例如二硫化钼，虽然有望成为硅的替代品。但是，对于制造更加复杂的电路来说，这些电路需要几千甚至几百万个晶体管，暂时还无法依靠这项新技术。毕竟，生产二维材料以及进一步处理二维材料的工艺，目前仍然处于初级阶段。所以，目前它只是一种对于硅半导体技术的补充性技术。 　　对此，Mueller博士解释道：“我们的电路或多或少是在实验室中用手工做成的，这样复杂的设计显然超出了我们的能力范围。每个晶体管必须按照计划运行，以使得处理器能够作为一个整体来工作。”另外，未来提高多级设计工艺，将是开发 MoS2 微处理器的高产量生产方案的重要一步。因为在所有因素中，传输大区域、双层MoS2到晶圆上，会带来很高的失败率。所以，维也纳技术大学的Dmitry Polyushkin 认为：“我们的方案在于将工艺提高到一个点，我们可以通过几万个晶体管，可靠地生产芯片。例如，直接在芯片上生长，这将会避免转移过程。这样可以带来更高的产量，让我们可以生产更加复杂的电路。” 　　研究人员认为，未来几年，这项技术将会有各种各样新的工业应用，柔性电子便是一个例子，例如医疗传感器和柔性显示器。因为，二维材料相比于传统的硅材料，具有更强的机械柔性。
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  • 《基于碳纳米管的柔性集成电路》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-10-14
    • 柔性集成电路作为信息处理的核心单元，是实现全柔性电子系统的重要组成部分，由于其应用形式的扩展，与现有的混合柔性系统（部分或全部基于刚性硅片）相比具有优势，更好的适应性，以及在生物/非生物界面操作的能力。最终集成系统的可交付功能在很大程度上取决于柔性集成电路的信息处理能力，这在很大程度上取决于其性能和集成规模。此外，随着柔性电子系统在便携式，可穿戴或远程形式且电源受限的应用中变得越来越受欢迎，柔性集成电路的功耗变得至关重要，因为它们会消耗系统中的大量能量。由于在热预算较低且工作环境复杂的柔性基板上的制造环境受到限制（从机械和电气条件的角度来看），因此，寻求具有高性能，合理的集成规模和低功耗的柔性集成电路非常具有挑战性，但是对于高级的，完全灵活的系统而言，这是必需的。生物相容性，可降解性和可配置性等其他特征将为柔性集成电路增加价值，并为柔性电子产品引入非常规形式和新的可交付成果。 本文，北京大学胡又凡课题组在《 Acc. Mater. Res》期刊发表了“Flexible Integrated Circuits Based on Carbon Nanotubes”的论文，该文献总结了过去五年我们在发展碳纳米管基柔性集成电路方面所做的努力。作为制造下一代芯片的有希望的候选材料，碳纳米管集成电路在性能和功耗方面已经显示出其优越性，我们通过材料优化、器件设计、加工技术开发，将这些进步扩展到一种灵活的形式，我们从简单介绍碳纳米管的特性入手，揭示其作为下一代电子器件沟道材料的内在优势。接下来，我们讨论了我们开发的制造方法，通过直接制造或转移工艺在柔性基板上构建集成电路，以保持这些优势并使电路适合不同的应用环境。然后，介绍了不同形式和特性的碳纳米管基柔性集成电路，包括： （1）在超薄高性能衬底上植入互补金属氧化物半导体电路， （2） 具有生物集成能力和低功耗的可转移集成电路； （3）高产量、高均匀性的可降解集成电路； （4）多功能可配置集成电路。还介绍了用这些电路构成的集成柔性传感器系统。 最后，我们以对碳纳米管在柔性集成电路和新型电子产品中所面临的挑战和新机遇的概述来结束这篇文章。 图1.具备功能的柔性IC的CNT的关键属性 图2.（a）在柔性基板上直接制造器件的过程。 （b）CAED实验装置的示意图。 （c）照片显示了用电子设备制造的超薄聚对二甲苯基板的分层过程。比例尺，1厘米。平均分层速度 （d）施加电压， （e）NaCl浓度 （f）硅片倾斜角的函数。 （h）照片显示用金电线沉积的PI，PMMA和SEBS薄膜分层。 图3.（a）CNT CMOS结构的截面图。 （b）在分层之后测量的100个p型TFT和100个n型TFT 的V th的传递特性和统计分布。（d）在卷制前后的TFT的转印特性。插图：正在滚动的系统照片。比例尺，200μm。 （e）典型CMOS反相器的VTC。 （f）随着V dd的增加，三级RO的振荡频率变化。插图：RO的照片。比例尺，100μm。（g）附着在皮肤上以进行汗液监测的集成传感器系统的照片。比例尺，1厘米。 （h）集成传感器系统的电路图和（i）频率-湿度曲线。 图4.（a）转移到任意非常规衬底上的器件和IC。 （b）I 开 / I 关和（c）I 关 / W对100个已转移设备的统计分布。插图（c）：V th的统计分布。 （d）100个逆变器的VTC。插图：电路图。 （e）这些逆变器的峰值分布和最低功耗。 （f）全加法器的光学图像和（g）输入-输出特性。 图5.（a）基于CNT薄膜的可降解器件的晶圆级制造。 （b）转移前晶片上10个芯片的空间分布， （c）这些芯片的器件良率。 （d）芯片10中100个TFT的传输特性。 （e）V th的对应统计分布。 （f）不同转移码片之间的V th统计。 （g）附着在植物叶片上的传感平台的光学图像和电路图。比例尺，1厘米。 （h）实时监测模拟生态系统。 （i）一系列图像显示了人工降雨下感应平台的退化过程。比例尺，1厘米。 图6.（a）DMG设备的剖视图。 （b）不同V ds下典型DMG设备的传输特性。插图：DMG设备（红色曲线）和NG设备（蓝色曲线）的示意性能带结构。 （c）DMG和NG设备之间的I off / W比较。 （d）二极管配置下典型DMG设备和NG设备的I – V曲线。 （e）78种DMG设备的整流比的统计分布。 （f）具有两个DMG器件和一个电阻器的可配置柔性IC的等效电路图， （g）光学图像和（h）动态输入-输出特性 碳纳米管作为一种非常有前途的下一代芯片的候选材料，在柔性集成电路中的应用也显示出了其优越性，这不仅体现在它们所获得的高性能上，与刚性衬底上的同类产品相匹配，而且还表现出所需的兼容性和适应性适合各种新兴应用。对于构造用于处理模拟信号的电路，要求器件具有大跨导（以获得更好的放大能力），寄生电容/电阻小（用于提高采样率和采样速度），器件之间的参数偏差可忽略不计。在数字电路的构造中，为了使电路具有更好的抗噪声能力，扇形输入/扇出、正确的时序逻辑输出和级联能力等问题越来越受到重视。使更强大的柔性集成电路能够构建完全灵活的集成系统，将释放出柔性电子的真正力量，它可以在各种应用领域提供突破，例如先进的监测、诊断和治疗形式。
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