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臺(tái)式無掩膜直寫光刻助力一篇Nature!柔性可穿戴器件獲重要突破

更新時(shí)間:2024-06-24點(diǎn)擊次數(shù):360

臺(tái)式無掩膜直寫光刻助力一篇Nature!柔性可穿戴器件獲重要突破

文章名稱:High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits

期刊:Nature IF 64.8

文章DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-024-07096-7


【引言】


本征可拉伸的電子器件具有類似人類皮膚的機(jī)械性能,可用于連續(xù)生理監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)分析健康狀況,在自主醫(yī)療等領(lǐng)域擁有十分廣泛的應(yīng)用前景。然而,現(xiàn)有技術(shù)在電學(xué)性能、集成規(guī)模和功能性上存在一定的局限性。針對(duì)這些問題,斯坦福大學(xué)的相關(guān)課題組通過在材料選擇、制造工藝創(chuàng)新和電路設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行創(chuàng)新,利用小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3制備出了具有優(yōu)異性能的大規(guī)模集成的本征可拉伸的晶體管和相關(guān)器件。通過上述工藝,晶體管的集成規(guī)??蛇_(dá)每平方厘米100,000個(gè),在100%應(yīng)變條件下平均場(chǎng)效應(yīng)遷移率超過20 cm2/Vs,在5 V電壓條件下可產(chǎn)生約為2 μA/μm的高驅(qū)動(dòng)電流。值得注意的是,該工作在本征可拉伸電子器件上實(shí)現(xiàn)了具有1000多個(gè)晶體管的大規(guī)模集成電路?;诳衫祀娮悠骷闹苽洌n題組設(shè)計(jì)了一種具有高吞吐量能力,高刷新頻率的盲文識(shí)別系統(tǒng),以及LED顯示設(shè)備,展示了本征可拉伸晶體管的多功能性和實(shí)用性,為實(shí)現(xiàn)高度靈活、高性能的可拉伸電子設(shè)備提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以《High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits》為題,在國(guó)際SCI期刊《Nature》上發(fā)表。


本文中可拉伸的晶體管和相關(guān)器件均使用小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3制備。該系統(tǒng)克服了光刻工藝中需要掩膜板的難題,可以在非傳統(tǒng)基底上迅速實(shí)現(xiàn)高精度的光刻任務(wù),能夠滿足科研中對(duì)光刻的多樣化的需求。與此同時(shí),該設(shè)備還具備結(jié)構(gòu)緊湊(70 cm X 70 cm X 70 cm)、直寫速度高,分辨率高(XY:<1 μm)等特點(diǎn)。采用集成化設(shè)計(jì),全自動(dòng)控制,可靠性高,操作簡(jiǎn)便。憑借這些優(yōu)勢(shì),MicroWriter ML3為本研究晶體管和相關(guān)器件的成功制備提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。


臺(tái)式無掩膜直寫光刻助力一篇Nature!柔性可穿戴器件獲重要突破


小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3


【精彩圖文展示】



臺(tái)式無掩膜直寫光刻助力一篇Nature!柔性可穿戴器件獲重要突破

圖1.本征可拉伸,高性能類皮膚電子器件。a)本征可拉伸的傳感器的核心地位以及高性能要求的示意圖;b)高性能本征可拉伸電子器件的三維示意圖; c)在4寸硅片上制備高性能器件;d)在大尺寸柔性基底上制備可拉伸的電子器件;e)高密度傳感器(1000個(gè)晶體管)制備在一顆芝麻上。


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圖2. 本征可拉伸電子器件通過光刻進(jìn)行制備的流程圖。a)示意圖和b)本征可拉伸電子器件的實(shí)物圖;c)用于制備可拉伸電子器件的材料的示意圖;d)可拉伸電子器件的制備過程;e)制備圖案化碳納米管的流程示意圖;f)圖案化的碳納米管;g)PEDOT門;h)EGaln導(dǎo)線;i)絕緣層;j)絕緣層材料的絕緣特性;k)碳納米管的AFM;l)碳納米管傳感器的場(chǎng)效應(yīng)電子遷移率;m)在有無Pd納米顆粒條件下的大規(guī)模真核特性;n)有無Pd條件下的接觸電阻。



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圖3. 本征可拉伸電子器件的電學(xué)和力學(xué)特性;a)所制備的電子器件的光學(xué)照片;b)10082個(gè)晶體管,良率為99.37%; c)晶體管的電學(xué)特性;d)電子器件在未拉伸,100%拉伸和釋放拉伸后的情形; e)電子器件的電學(xué)性能隨著拉伸的變化;f)和g)電子管的輸出特性;h)本工作和以前工作的比較。


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圖4. 由晶體管所構(gòu)成的集成電路。a) 輸出增益電壓的改變;b) 驅(qū)動(dòng)電流的模擬結(jié)果;c)高密度集成電路的光學(xué)照片;d)電路構(gòu)成示意圖;e)高密度電路的測(cè)量結(jié)果;f)和g)大規(guī)模集成電路的示意圖;h) 527級(jí)環(huán)形振蕩器的輸出波形; i)本工作和報(bào)道工作的對(duì)比;j)三級(jí)慣性振蕩器的照片;k)10個(gè)振蕩器中,輸出最快的頻率圖譜;l)不同應(yīng)變條件下的震蕩頻率。


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圖5.可拉伸電子器件用于觸覺感知和LED顯示。a)感知傳感陣列的設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖;b)傳感器的光學(xué)照片;c)不同壓力下的電流和d)電壓;e)不同形狀觸壓下的電流;f)在插入金屬棒時(shí)的表現(xiàn);g)本工作和其他工作相比較的結(jié)果;h)在傳感器上按壓盲文SKIN的結(jié)果;i)LED顯示電路;j)作為L(zhǎng)ED顯示的結(jié)果。


【結(jié)論】


從論文中可以看出,研究人員基于碳納米管制備出了本征可拉伸的電子器件。通過制備方法的創(chuàng)新和設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了高性能本征可拉伸晶體管的高密度集成,為制備相關(guān)的可拉伸電子設(shè)備提供了新的研究思路和方法。



相關(guān)產(chǎn)品

1、小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

https://www.chem17.com/st166724/product_16839518.html



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