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

期刊：Nature IF 64.8

文章DOI：//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械性能，可用于連續生理監測，實時分析健康狀況，在自主醫療等領域擁有十分廣泛的應用前景。然而，現有技術在電學性能、集成規模和功能性上存在一定的局限性。針對這些問題，斯坦福大學的相關課題組通過在材料選擇、制造工藝創新和電路設計等方面進行創新，利用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3制備出了具有優異性能的大規模集成的本征可拉伸的晶體管和相關器件。通過上述工藝，晶體管的集成規模可達每平方厘米100,000個，在100%應變條件下平均場效應遷移率超過20 cm2/Vs，在5 V電壓條件下可產生約為2 μA/μm的高驅動電流。值得注意的是，該工作在本征可拉伸電子器件上實現了具有1000多個晶體管的大規模集成電路。基于可拉伸電子器件的制備，課題組設計了一種具有高吞吐量能力，高刷新頻率的盲文識別系統，以及LED顯示設備，展示了本征可拉伸晶體管的多功能性和實用性，為實現高度靈活、高性能的可拉伸電子設備提供了重要的技術基礎。相關研究內容以《High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits》為題，在國際SCI期刊《Nature》上發表。

本文中可拉伸的晶體管和相關器件均使用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3制備。該系統克服了光刻工藝中需要掩膜板的難題，可以在非傳統基底上迅速實現高精度的光刻任務，能夠滿足科研中對光刻的多樣化的需求。與此同時，該設備還具備結構緊湊（70 cm X 70 cm X 70 cm）、直寫速度高，分辨率高（XY：<1 μm）等特點。采用集成化設計，全自動控制，可靠性高，操作簡便。憑借這些優勢，MicroWriter ML3為本研究晶體管和相關器件的成功制備提供了關鍵技術支持。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

【精彩圖文展示】

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個晶體管）制備在一顆芝麻上。

圖2. 本征可拉伸電子器件通過光刻進行制備的流程圖。a）示意圖和b）本征可拉伸電子器件的實物圖；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效應電子遷移率；m）在有無Pd納米顆粒條件下的大規模真核特性；n）有無Pd條件下的接觸電阻。

圖3. 本征可拉伸電子器件的電學和力學特性；a）所制備的電子器件的光學照片；b)10082個晶體管，良率為99.37%； c)晶體管的電學特性；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。

圖4. 由晶體管所構成的集成電路。a) 輸出增益電壓的改變；b) 驅動電流的模擬結果；c)高密度集成電路的光學照片；d)電路構成示意圖；e)高密度電路的測量結果；f)和g)大規模集成電路的示意圖；h) 527級環形振蕩器的輸出波形； i)本工作和報道工作的對比；j)三級慣性振蕩器的照片；k)10個振蕩器中，輸出最快的頻率圖譜；l)不同應變條件下的震蕩頻率。

圖5.可拉伸電子器件用于觸覺感知和LED顯示。a）感知傳感陣列的設計圖和實物圖；b）傳感器的光學照片；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）在插入金屬棒時的表現；g）本工作和其他工作相比較的結果；h）在傳感器上按壓盲文SKIN的結果；i）LED顯示電路；j）作為LED顯示的結果。

【結論】

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。通過制備方法的創新和設計，實現了高性能本征可拉伸晶體管的高密度集成，為制備相關的可拉伸電子設備提供了新的研究思路和方法。

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1、小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3