后摩尔定律时代推动了碳基电子晶体管的快速发展。5G通信和云计算促进了基于碳纳米管的场效应晶体管在电子设备中的应用。本文将重点关注碳基电子领域的最新研究热点，包括高频晶体管、生物医学传感器和制动器、脑机接口、柔性逻辑器件和能量存储器。未来机会的前景有望吸引科学家和工程师进入碳基电子领域的新兴研究领域。

Applications of Carbon Nanotubes in the Internet of Things Era

Jinbo Pang*, Alicja Bachmatiuk, Feng Yang, Hong Liu, Weijia Zhou, Mark H. Rümmeli, Gianaurelio Cuniberti* 

Nano-Micro Letters (2021)13: 191

本文亮点

1.在碳纳米管晶体管、RF电路和能量存储设备方面，物联网相关电子技术的最新进展。

2.讨论了碳基电子技术在医疗、健康和生物医学设备中的应用，包括传感、数据处理器和致动器。

3.介绍了晶圆级碳纳米管的制备前景以及用于预测材料合成和性能的机器学习策略。

内容简介

德国德累斯顿技术大学的Cuniberti研究小组总结了碳纳米管在碳基电子领域的最新研究进展。首先，它列出了碳纳米管在物联网时代新兴电子设备中的应用，如高频晶体管和传感器。此外，用于人工肌肉的脑-计算机接口和致动器促进了碳基电子技术在生物医学工程中的应用。其次，基于大数据和机器学习方法，提出了纳米碳材料制备工艺优化和性能预测的趋势。最后，展望了碳基电子的未来研究机遇。

图文导读

1. 碳基电子学在物联网中的应用

在芯片中集成更多晶体管将有助于提高电路性能，以满足物联网的要求，物联网具有5G通信、云计算和轻量化消费电子产品的新兴趋势。事实上，目前可用的高频电子器件晶体管依赖于三种材料，即硅基互补金属氧化物半导体、GaAs和碳纳米管。前两种材料不符合RF晶体管的严格要求。因此，基于碳纳米管的晶体管为后摩尔时代提供了有效的解决方案。

作为一个计算生态系统，物联网通过无线通信将所有内容与嵌入式电子设备连接起来。在物联网系统（图1）中，传感器首先获取物理和环境变量，处理电信号，并将信息无线上传到处理器进行计算。

图1. 碳基电子学的新兴应用

已经提出了基于碳纳米管的随机存取存储器，用于通过处理器提高读取/写入速率。此外，已经为数据存储的非易失性存储器开发了复合材料。输入设备使用键盘，操纵杆和触摸板开始涌现。同时，基于CNT驱动电极和亮度来证明诸如显示器的输出装置。出现基于碳纳米管的模拟电路。此外，基于CNT的太赫兹成像系统提供了工业产品的非破坏性检测。

基于碳纳米管的随机存取存储器（RAM）已被提出用于通过处理器提高读/写速率。此外，还开发了用于数据存储的非易失性存储器的复合材料。使用键盘、操纵杆和触摸板的输入设备开始出现。同时，基于CNT驱动电极和亮度来证明显示器等输出器件。基于碳纳米管的模拟电路出现了。此外，基于CNT的太赫兹成像系统提供工业产品的无损检测。

图2. 基于碳纳米管的人工智能的系统集成，包括物联网传感，数据处理和应激响应。

2. 总结与展望

碳纳米管已经研究了近三十年，但具有特定结构和性能的SWCNTS的生长仍然具有挑战性。生长特异性手术的最新进展表明，催化剂设计和生长动力学是两个关键点。然而，手性控制生长的机制仍不清楚。基于最近开发的先进原位技术，如环境TEM和X射线吸收光谱的球面像差校正，已经获得了催化剂和纳米管的原子尺度和动态信息。然而，CVD条件之间的关系取决于SWCNT的生长动力学，并在原位揭示，这导致了更复杂的机制。精确的催化剂设计和生长条件调节需要高纯度手性SWCNT。克隆SWCNT的生长前景广阔；然而，对生长效率和手性选择性的提高仍存在两个挑战。在实践中，合成特定手性的控制仍然需要研究界的持续投入。此外，受控碳纳米管的非均匀结构已成为与器件配置兼容的新趋势。

在个体理论中，热力学中的熵驱动手性碳纳米管的形成，这可以丰富合成参数的大数据以及由此产生的碳纳米管特性。因此，大数据驱动的研究可以加速材料发现，并反馈到用于操作机器学习的硬件中。

图3. 新兴的机器学习算法，用于获得碳纳米管合成的性质，质量和生长速率以及晶圆级碳纳米管合成的目标。

碳纳米管的物理和化学性质仍然是一个热门话题。首先，单手性单壁碳纳米管的机械性能仍然非常令人感兴趣，即非常长的疲劳寿命。事实上，非接触式声学共振检测能够实现现场疲劳测试。此外，碳纳米束已达到超过80GPa的高拉伸强度。

基于碳纳米管的电子器件的突破，如碳纳米管晶体管、透明导电膜、摩擦纳米材料和电子皮肤。最近，已经报道了基于硅技术上的常规MOS配置的致密半导体碳纳米管的排列的晶体管特性。具有晶片级均匀性的CNT晶体管的高积分密度优于传统的硅电子器件。最近，使用14000个cmos CNT晶体管实现了16位微处理器。此外，通过将冯·诺依曼体系结构的完整单元组合成单个芯片，即中央处理单元的基于CNT FET的逻辑电路，以及用于数据存储、输入和输出的电阻式随机存取存储器。单壁碳纳米管的器件物理已经在理论预测中得到了实验证明。

存储器和离子浮栅晶体管阵列的发展剥夺了基于碳纳米管的神经形态计算的潜力。需要材料科学家、计算机工程师和神经科学家之间的合作来演示可拉伸的软机器人和神经形态计算机系统。

离子凝胶等可印刷电介质可以为高性能柔性碳纳米管晶体管的制造提供见解。此外，基于碳纳米管的柔性和可拉伸电子产品继续以更多的突破让社会和社区感到惊奇。

总之，碳纳米管在电子、生物传感、人工智能和物联网方面表现出巨大的优势。事实上，了解碳纳米管的手性合成已经使其应用更接近于工业化大规模生产。