德国Cuniberti教授综述：碳纳米管在5G物联网时代的应用

作为计算生态系统，物联网通过无线通信将所有内容与嵌入式电子设备连接。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用于计算的处理器。

图1. 碳基电子学的新兴应用。

碳纳米管已经用剪切力对齐并作为薄膜沉积到介电/金属基板上，用于制造微带贴片天线。与铜天线相比，射频通信的CNT天线的重量率为5％。基于CNT基天线可以集成到柔性且可穿戴设备中，用于信息传输和接收。基于碳纳米管的天线在10 GHz下显示出高辐射效率，与铜天线相当。

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。

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。

碳纳米管已经研究了近三十年，但具有特定结构和性质的SWCNT的生长仍然具有挑战性。近期生长特异性手术的进展表明催化剂设计和生长动力学是两个关键点。然而，手性控制增长的机制仍然不清楚。由于最近开发的先进原位技术，例如球差校正的环境TEM和X射线吸收谱，已经实现了关于催化剂和纳米管的原子缩放和动态信息。然而，CVD条件之间的关系依赖于SWCNT生长动力学，并以原位的方式揭示，其带来更复杂的机制。通过精确的催化剂设计和生长条件的调节，需要实现具有高纯度的手性SWCNT。从他们的细分市场克隆SWCNT的增长是有前途的;然而，增长效率和手性选择性的提高仍然存在两个挑战。实际上，在合成特定手性的控制仍然需要来自研究群体的持续的投入。此外，受控碳纳米管的异质结构成为与器件配置兼容性的新趋势。

在个人理论上，热力学中的熵驱动了手性碳纳米管的形成，其可以丰富合成参数的大数据和碳纳米管的结果特征。因此，大数据驱动的研究可以加速材料发现并反馈用于操作机器学习的硬件。

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。

已经在基于碳纳米管的电子设备上进行的突破，例如碳纳米管晶体管，透明导电膜，摩擦纳米料和电子皮肤。最近，已经报道了晶体管性能的致密半导体碳纳米管的对准，基于常规金属氧化物半导体配置超过硅技术。具有晶圆级均匀性的CNT晶体管的高积分密度可以优于传统的硅电子产品。最近，使用14000 cmos CNT晶体管进行了16位微处理器。此外，通过将冯诺依曼架构的完整单元结合到一个单个芯片，即基于CNT FET的逻辑电路的中央处理器，具有电阻性随机存取存储器的数据存储，输入，并输出。单壁碳纳米管的器件物理物理学在理论预测中实验证明了进展。

存储器和离子浮栅晶体管阵列的发展对基于碳纳米管的神经形态计算具有脱光。材料科学家，计算机工程师，神经科学家之间的合作非常需要展示可拉伸的软机器人和神经形态计算机系统。

如离子凝胶的可打印电介质可以在高性能柔性碳纳米管晶体管的制造上提供思路。此外，基于碳纳米管的柔性且可拉伸的电子产品继续惊艳社会和社区，具有更多的突破。

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卓越卓越。实际上，了解对碳纳米管的手性控制合成的理解推动了靠近其应用于工业批量生产的应用。