弹性电路打破了柔性电子的记录

DONGLAI ZHONG, JIANCHENG LAI AND YUYA NISHIO/BAO GROUP IN STANFORD UNIVERSITY

据悉，新开发的本征可拉伸电路的速度是以前本征可拉伸电子器件的数千倍，晶体管的数量是以前的20倍。斯坦福大学开发这种电路的研究人员已经证明了它们在皮肤状盲文阅读传感器阵列中的应用，他们说这种阵列比人类指尖更敏感。

一般来说，柔性电子器件（https://spectrum.ieee.org/electronic-skin-chipless-batteryless）有潜力用于任何需要与软材料相互作用的应用，例如佩戴在身体上或植入体内的设备。这些应用可能包括皮肤计算机（https://spectrum.ieee.org/skin-circuits）、软体机器人（https://spectrum.ieee.org/soft-robotics）和脑机接口（https://spectrum.ieee.org/a-braincomputing-interface-that-lasts-for-weeks0。

然而，传统的电子器件是由诸如硅和金属之类的刚性材料制成的。将电子元件放置在塑料薄膜上可以使其具有足够的柔性以弯曲；然而，斯坦福大学化学工程教授Zhenan Bao表示，这种设备的拉伸程度通常只有正常尺寸的1%左右。

先前的研究已经探索了如何用碳纳米管和银纳米线等固有可拉伸材料制造电子产品。但到目前为止，可拉伸电子产品的表现令人沮丧。

Bao和她的同事们现在已经开发出了本征可拉伸的晶体管和电路，创造了多项新纪录。其研究成果于3月13日发表在《自然》杂志上（https://www.nature.com/articles/s41586-024-07096-7）。

新器件具有高纯度半导体碳纳米管通道、金属钯涂层碳纳米管电极和高导电性可拉伸镓铟合金互连。该设计的主要目标是减少限制晶体管（https://spectrum.ieee.org/tag/transistor）速度的寄生电容和互连电阻等因素。

研究人员制造了一个约28平方毫米大小的集成电路，拥有1056个晶体管、528个逻辑门（https://spectrum.ieee.org/quantum-and-gate），工作速度超过1兆赫。以前的本征可拉伸的电子器件最多能为每个电路提供54个晶体管和14个逻辑门，工作速度仅为330赫兹。

此外，新的可拉伸晶体管表现出场效应迁移率——电荷在器件中流动的速度，这有助于控制晶体管的开关速度——平均每秒超过20平方厘米/伏，即使拉伸到正常尺寸的两倍。研究人员说，这使得电子性能是以前可拉伸电子产品的20倍。

在5伏的电源电压下，晶体管还显示出每微米约2毫安的驱动电流，这也影响晶体管的开关速度。这比现有的可拉伸装置好40多倍。总而言之，这些新型晶体管的性能大致与最先进的柔性晶体管一样好，这些晶体管将碳纳米管、金属氧化物或多晶硅与塑料膜结合在一起。

为了展示这种新型电子产品的实际应用，研究人员构建了一个8平方毫米的触觉传感器阵列，可以贴在人的手指上阅读盲文（https://en.wikipedia.org/wiki/Braille）。该阵列的每个像素只有200微米宽，排列成10乘20像素的网格。换句话说，该阵列每平方厘米拥有2500个传感器，这是人类指尖机械受体密度的10倍多。

该阵列传感器的密集配置使其能够识别直径小于1毫米的三角形、圆形和矩形等形状。Bao说：“可拉伸传感器阵列可以集成到假肢和矫形设备中，以提供压力分布、肌肉活动和关节运动的反馈。可拉伸传感器阵列也可用于手势识别和运动跟踪的人机界面。”

这种新的电子设备还可以帮助驱动刷新率超过60赫兹的LED阵列，这是计算机或电视屏幕的典型刷新率。即使扭曲或拉伸，晶体管阵列仍然可以显示数字、字母和符号。Bao说，这将实现的一个可能的应用是可穿戴设备的可拉伸显示器，它“可以符合身体轮廓，为用户提供实时信息和通知，同时保持舒适，而不限制日常生活”。

新电路采用的材料和工艺可以与现有的制造方法配合使用。Bao指出，如果不对制造工艺进行额外的微调，工业制造商就无法制造新电路，但工具已经到位。

未来研究的一个方向是找到更好的电子产品包装方法。Bao说，这将有助于实现稳定的运营和更长的使用寿命。