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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Scientific research on carbon nanotube-based analog integrated circuits with stretching ability

Research Project

Project/Area Number 20H00243
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

大野 雄高  名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (10324451)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Keywordsフレキシブルエレクトロニクス / アナログ回路 / 演算増幅器 / カーボンナノチューブ / 薄膜
Outline of Annual Research Achievements

1. フレキシブルCNTアナログ集積回路の実証
前年度に確立したCNTアナログ回路設計プラットフォームを用い、ばらつき耐性の高い差動増幅器をプラスチックフィルム上に試作した。特に、反転増幅器を実現するための利得の高い差動増幅器を実現する場合に、素子ばらつきによって入力換算オフセット電圧が発生し、出力信号に歪みが発生するが、これを抑制する新たな差動増幅回路を考案し、その有効性をシミュレーションと実験と両面から実証した。この新回路については特許出願を行った。また、回路設計において得られたシミュレーション結果と作製した回路の特性が良い一致を示し、本研究で開発した設計手法の有効性を示した。
2. 演算増幅器の設計と試作
前述の差動増幅器に、電源回路やレベルシフト回路、シングルエンド化回路を集積し、高性能演算増幅器をCNTを用いて初めて実現した。低電圧動作性と高利得を併せ持ち、既報の薄膜トランジスタによる演算増幅器の中で最も高性能であった。これを用いて負帰還の非反転増幅回路を構築することにより、素子ばらつきに依存せず、高均一かつ高安定性をもつフレキシブル増幅回路を実証した。この結果はCNTデバイスの長年の課題であった素子ばらつきと不安定性の問題に対し、解を与えるインパクトのある成果である。
3. 高密度・高均一CNT薄膜形成技術の構築
CNT薄膜トランジスタの高性能化を目指し、高均一でバンドル形成のないCNT薄膜を成膜する浸漬堆積法を開発した。ここで、CNT同士がバンドル化することを防ぎつつ、CNTを基板表面に吸着させることが重要であるが、イオン強度の調整によりデバイ長を制御することにより、それを実現できることを見出した。浸漬堆積法により成膜したCNT薄膜は従来の吸引濾過・転写法と比較して、非常に均一かつ高密度であり、オンオフ比が低下することなく電流密度の大幅な向上を実現した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

高性能フレキシブルアナログ回路について、設計プラットフォームの構築とその有効性の実証、作製プロセスの構築と回路動作実証、伸縮可能な集積回路の作製技術の構築と実証など、当初計画の研究項目を完遂している。特に重要な成果として、CNT素子の長年の課題であった素子ばらつきや安定性の問題を新規考案の回路によって解決し、高性能かつ高安定のCNTアナログ回路を実現した点が挙げられる。さらに、実証したCNTアナログ回路が低電圧動作性や低消費電力性、動作速度などの全ての性能指標において、酸化物半導体や有機半導体を用いたフレキシブル回路より優れており、本研究の優位性を顕著に示した点が挙げられる。
これに加えて、CNT薄膜成膜技術や素子構造の見直しを継続的に実施し、RFIDなどへの応用が現実的となる60 MHzを超える動作速度をもつフレキシブルCNT薄膜トランジスタを実現するなど、当初計画にない成果も挙がっている。

Strategy for Future Research Activity

本研究の最終目標である伸縮基材上へのモノリシック集積によるウェアラブルセンサシステムの構築と動作実証を前倒しして進める。伸縮する基材上に、電気化学センサと増幅回路、A/D変換回路、RFフロントエンドをモノリシックに集積し、動作を確認することにより本研究の有効性を示す。なお、これまでの研究のなかで、生体信号の検出において、CNT薄膜トランジスタのノイズが問題となる可能性が明らかとなっており、新たに低ノイズ化の研究課題を追加して実施する。特に、低周波ノイズの起源を明らかにするとともに、それに基づき素子構造を検討し低ノイズ化を実現する。

  • Research Products

    (21 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 11 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] アアルト大学(フィンランド)

    • Country Name
      FINLAND
    • Counterpart Institution
      アアルト大学
  • [Journal Article] PMMA/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> bilayer passivation for suppression of hysteresis in chemically doped carbon nanotube thin-film transistors2022

    • Author(s)
      Tan Fu Wen、Hirotani Jun、Kishimoto Shigeru、Ohno Yutaka
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 61 Pages: 034002~034002

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac5264

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In situ monitoring of the electrical property of carbon nanotube thin film in floating catalyst chemical vapor deposition2022

    • Author(s)
      Oshima Hisayoshi、Iwase Katsunori、Ohno Yutaka
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 61 Pages: 038002~038002

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac4a5e

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In-plane dual-electrode triboelectric nanogenerator based on differential surface functionalization2022

    • Author(s)
      Matsunaga Masahiro、Hirotani Jun、Ohno Yutaka
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 15 Pages: 027006~027006

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac4d07

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Temperature dependence of Raman shift in defective single-walled carbon nanotubes2022

    • Author(s)
      Endo Masanori、Uchiyama Haruki、Ohno Yutaka、Hirotani Jun
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 15 Pages: 025001~025001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac4678

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Carbon Nanotube-Based Nanomechanical Receiver for Digital Data Transfer2021

    • Author(s)
      Funayama Keita、Tanaka Hiroya、Hirotani Jun、Shimaoka Keiichi、Ohno Yutaka、Tadokoro Yukihiro
    • Journal Title

      ACS Applied Nano Materials

      Volume: 4 Pages: 13041~13047

    • DOI

      10.1021/acsanm.1c02563

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tunable carbon nanotube diode with varying asymmetric geometry2021

    • Author(s)
      Funayama Keita、Hirotani Jun、Miura Atsushi、Tanaka Hiroya、Ohno Yutaka、Tadokoro Yukihiro
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 11 Pages: 075212~075212

    • DOI

      10.1063/5.0058300

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of electrochemical functionalization of single-walled carbon nanotube electrodes in flexible enzymatic biofuel cells2021

    • Author(s)
      Momaya Divyang、Ohno Yutaka
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60 Pages: 068002~068002

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac0261

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Simple and highly efficient intermittent operation circuit for triboelectric nanogenerator toward wearable electronic applications2021

    • Author(s)
      Kawaguchi Atsushi、Uchiyama Haruki、Matsunaga Masahiro、Ohno Yutaka
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 14 Pages: 057001~057001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abf405

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Carbon nanotube-based nanomechanical receiver for digital data transfer2022

    • Author(s)
      K. Funayama, H. Tanaka, J. Hirotani, K. Shimaoka, Y. Ohno, and Y. Tadokoro
    • Organizer
      The 62nd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Design and fabrication of flexible analog/digital mixed-signal circuits based on carbon nanotube thin film transistors2021

    • Author(s)
      Y. Ohno
    • Organizer
      11th A3 Symposium on Emersing Materials: Nanomaterials for Electronics, Energy and Environment
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Carbon nanotube-based flexible electronics2021

    • Author(s)
      Y. Ohno
    • Organizer
      The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Design and fabrication of flexible analog/digital mixed-signal circuits based on carbon nanotube thin film transistors2021

    • Author(s)
      T. Kashima and Y. Ohno
    • Organizer
      The International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Carbon nanotube technologies for flexible electronics2021

    • Author(s)
      Y. Ohno
    • Organizer
      34th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Carbon Nanotube-based Analog/Digital Mixed-signal Integrated Circuits for Flexible Sensors2021

    • Author(s)
      T. Kashima and Y. Ohno
    • Organizer
      The 11th International Conference on Flexible and Printed Electronics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] カーボンナノチューブの半導体応用の展開2021

    • Author(s)
      大野雄高
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Invited
  • [Presentation] CNT薄膜を用いた透明・伸縮性を有する摩擦帯電型発電シート2021

    • Author(s)
      大野雄高
    • Organizer
      新たな環境発電技術の研究開発動向
    • Invited
  • [Presentation] カーボンナノチューブ関連の最近の動向について2021

    • Author(s)
      大野雄高
    • Organizer
      SDRJ 2021年度 第3回BC・MtM合同委員会
    • Invited
  • [Presentation] Carbon nanotube-based stretchable and transparent triboelectric nanogenerator toward wearable electronics2021

    • Author(s)
      松永正広,川口敦司,廣谷潤,大野雄高
    • Organizer
      第31回日本MRS年次大会
    • Invited
  • [Presentation] カーボンナノチューブのフレキシブル電子デバイス応用2021

    • Author(s)
      大野雄高
    • Organizer
      第15回ナノカーボン実用化WG 特別講演会
    • Invited
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 演算増幅回路2021

    • Inventor(s)
      大野雄高, 鹿嶋大雅
    • Industrial Property Rights Holder
      大野雄高, 鹿嶋大雅
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      PCT/JP2021/014143
    • Overseas

URL: 

Published: 2022-12-28  

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