前言

碳基奈米材料特在軟硬度、光學特性、電學特性、表面特性等方面的優勢較其他材料更加顯著，這導致其在光電器件領域、感測器件領域、柔性智慧系統領域等發展中具有較高應用價值與較大發展空間。且隨著近些年碳基奈米電子器件與積體電路研究的不斷深入，已取得一定成就，為積體電路可持續創新發展提供了材料與技術支撐。但值得注意的是，碳基奈米電子器件和積體電路在實際應用中也存在諸多挑戰，我們應對其給予清晰、正確認知，從而能夠根據發展現狀與形勢，加強研究，不斷最佳化與完善相關技術，推動碳基奈米電子器件和積體電路最佳化發展。

一、碳基奈米積體電路的分析

積體電路是指在一定技術、方法、手段的科學應用下將電路中所有元器件、導向整合到一塊或幾小塊組成的半導體晶片中。相對於傳統電路而言，積體電路體積更小、重量更輕、成本更低、效能更高。在資訊化時代、網際網路時代、新媒體時代背景下，隨著大資料處理技術、人工智慧技術、

5G通訊技術等高速發展與普及應用，對積體電路的需求與要求不斷提高。矽基積體電路已經無法滿足實際需求。這就需要積極探索新型積體電路，不斷改進、完善、最佳化積體電路效能。碳基奈米材料的興起則為整合短路創新與可持續發展提供了材料與技術支援，為晶片事業發展提供更多可能。例如，以DLSA自組裝理論、DNA奈米自組裝理論為指導，能夠將碳奈米管溶液提純到99。9999%。同時，在製備過程中晶圓能夠和碳奈米管溶液液麵進行一維方向接觸，實現碳奈米管以100~200根/μm的密度定向排列。

此外，碳奈米管排列時，能夠將取向角與直徑控制分別控制在8°左右與（1。4±0。2）nm左右。該方法操作下得到的碳奈米管可有效滿足碳基奈米積體電路製備需求。隨著對碳基奈米管、碳基奈米電子元件、碳基奈米積體電路研究的不斷深入，碳基奈米積體電路已經從互補金氧半導體逐漸發展碳奈米管計算機，碳基奈米積體電路的效能始終在不斷提高。相繼向世界展示了首臺由碳奈米管場效應電晶體、晶圓等材料構件的碳奈米管計算機；由矽基邏輯電路、電阻隨機儲存器、碳奈米管邏輯電路組成的三維積體電路；碳奈米管場效應電晶體與電阻隨機儲存器構成的超微計算奈米系統；以互補型金氧半導體為主要材料構成的微處理器。Shulaker團隊的研究充分證實碳基奈米材料在積體電路研究中具有廣泛應用價值，隨著碳奈米管場效應晶體管制備水平的不斷提高，碳基奈米積體電路可實現大規模生產並應用到多個領域中促進其科學化發展。

二、碳基奈米電子器件與積體電路的應用表現

（一）數字積體電路

數字積體電路是目前資訊系統應用較為廣泛的積體電路，是基於數字邏輯設計進行數字訊號處理的微信電子構件，根據其規模大小可將其分為SSI電路、MSI電路、LSI電路、ULSI電路以及GSI電路。早期研究中多透過柵極調控方式製備具有簡單邏輯功能的SSI電路，後隨著碳奈米管溶液提純水平的提高以及碳奈米管陣列製備方法的日益成熟，高效能MSI、LSI、ULSI、GSI電路得以實現。例如，採用溶液離心提純方法制備高純度半導體性碳奈米管溶液，形成碳奈米管網路薄膜，並製作成數字積體電路。

（二）光電積體電路

光電積體電路是將光功能器件、電功能器件等整合到單片上的電子器件或將整合的光電子元件引入到電路中形成的電子器件。在光電訊號處理中發揮著至關重要的作用。將碳基奈米材料應用到光電積體電路中可獲取超出傳統材料的效果。以往所用半導體材料受材料本身特性影響，很難和光功能器件整合應用到單片中，而碳基奈米材料具有較好的光學特性，就碳奈米管而言，屬於直接帶隙半導體，能夠製備高效能電致發光、光致發光器件，滿足光電積體電路需求。將碳奈米管溶液提純處理後製備成半導體碳奈米管薄膜，利用該材料製備的電子器件能夠實現光伏倍增。此外，採用整合技術將碳奈米管互補金氧半導體和光電器件相結合，利於高效能光電積體電路平臺開發。

（三）電化學感測器

碳

基奈米材料的諸多特性決定其在感測器研發領域具有較高應用價值，能夠滿足不同場景對感測器設計與實用的需求，從而讓碳基奈米材料技術以感測器為媒介在眾多領域中發光發熱。例如，在氣體環境中碳奈米管對氧氣、氮氣、二氧化氮、一氧化碳等具有較高敏感性，根據這一特徵可利用碳奈米管制備向相應感測器，用以識別與判斷現實環境中的氣體型別與濃度。又如，碳基奈米材料電化學活性優異，能夠與某些物質電化學行為產生較好的催化效應，加之碳基奈米材料粒徑小，適應能力強，以此作為電化學感測器電極材料，可有效提高電化學感測器效能，推動其在環境監測、醫療健康監測、食品安全檢測等方面的有效應用。圖2則是基於碳基奈米材料應用的電化學感測器在健康資訊監測中的應用，感測器安裝到牙齒中，蒐集口腔內唾液資訊，透過唾液成分檢測，實現疾病有效識別與診斷。

（四）碳基射頻器件

射頻器件屬於無線通訊裝置基礎構件，側重於二進位制訊號、無線電磁波訊號、電磁波訊號之間的有效轉換。基於近些年無線通訊事業的高速發展，對射頻器件提出了更高要求。因此，加強射頻器件研究具有非常重要的現實意義。碳基奈米材料由於電容較小、遷移率較高，在射頻器件效能改進方面具有較強優勢。例如，以金屬鋁為底柵電極，將高純度碳奈米管溶液置於鋁表面的氧化層表面，透過碳奈米管與金屬的沉積接觸，製備碳基射頻器件，提高射頻器件截止頻率。又如，以石英為襯底材料，採用陣列碳奈米管晶體管制備射頻器件，能夠將其本徵截止頻率提高30~120GHz。

（五）智慧整合系統

碳基奈米材料除具備優秀的電學效能外，也具備較好的力學效能、

光學效能，這使其在柔性電子器件製備中具有廣闊應用前景。目前，基於碳基奈米材料的柔性電子器件除柔性壓力感測系統外，也有柔性可穿戴化學感測系統、柔性智慧化整合感測系統等。就柔性可穿戴化學感測系統而言，能夠在無創或微創前提下對人體組織液進行檢測，根據人體組織液蘊含的資訊，評估人體健康狀況。

三、碳基奈米電子器件與積體電路的技術挑戰

（一）效能挑戰

碳基奈米電子器件雖然具有較強的環境適應能力，但在未封裝條件下，容易受多因素影響發生效能改變問題，從而降低碳基奈米電子器件使用穩定性、可靠性、安全性。與此同時，積體電路，尤其是大規模、超大規模積體電路系統，對均一性具有較高要求。目前所掌握的碳基奈米積體電路技術，尚不能很好地兼顧積體電路所有效能，在一定程度上制約了碳基奈米積體電路均一性提高。因此，在未來研究中需要給予碳基奈米電子器件與積體電路穩定性、均一性高度重視，不斷攻克效能難關。

（二）成本挑戰

碳基奈米電子器件與積體電路製備的關鍵在於碳奈米管陣列薄膜製備，而要想實現碳奈米管陣列薄膜大規制作產，需要解決效能、工藝、成本之間的矛盾。目前，碳奈米管溶液的提純率可達到99。9999%以上，密度可達到200根/μm左右，能夠基本滿足大規模積體電路需求，但要想獲得穩定的高效能超大規模整合短路，碳奈米管溶液的純度需要繼續提高2到3各級別。就目前工藝而言，要想達到這一要求需要投入更高的成本，花費更多的時間。這導致碳基奈米電子器件與積體電路產量降低。因此，如何實現碳基奈米電子器件與積體電路大規模低成本製作是我們需要面臨的一個挑戰。

（三）標準挑戰

電子器件、積體電路不通，對碳基奈米材料的要求也不同。要想促進碳基奈米電子器件與積體電路穩定、健康、長久發展，必須加強相關標準建立。例如碳奈米管半導體純度標準、碳奈米管長度分佈標準、積體電路襯底材料選用標準等。但目前，關於碳基奈米電子器件與積體電路的標準體系尚未有效建立。對此，在未來發展過程中，需要加強此方面的研究力度，積極、科學構建規範化工藝流程與電子器件製作標準。

結語

隨著碳基奈米電子器件與積體電路技術水平的不斷提高以及人們對其工作原理認識的不斷加深，其應用範圍不斷擴大，應用價值日益提高。以下是碳基奈米電子器件與積體電路較為常見的幾種應用表現。