“纖維芯片”橫空出世！上?？蒲袌F(tuán)隊(duì)將芯片集成于高分子纖維之中
聚合物分子工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以及復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院、高分子科學(xué)系、先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室的彭慧勝、陳培寧團(tuán)隊(duì)，在國際上率先成功研制出“纖維芯片”。該芯片的信息處理能力可與部分經(jīng)典商業(yè)芯片相媲美，同時(shí)具備高度柔軟、能夠適應(yīng)拉伸扭曲等復(fù)雜形變、可編織等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望為腦機(jī)接口、電子織物、虛擬現(xiàn)實(shí)等未來產(chǎn)業(yè)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。北京時(shí)間1月22日零時(shí)，這項(xiàng)突破傳統(tǒng)硅基芯片范式的原創(chuàng)性成果，正式發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
柔性時(shí)代催生“纖維芯片”需求
纖維，是推動(dòng)人類文明不斷進(jìn)步的關(guān)鍵材料。5000年前，蠶絲編織開啟了織物文明的篇章；19世紀(jì)，金屬纖維的出現(xiàn)催生了電氣革命；20世紀(jì)60年代，石英纖維的應(yīng)用開辟了光纖通信的新時(shí)代。
近幾十年間，纖維器件更是憑借發(fā)電、儲(chǔ)能、顯示等功能，深刻改變了人們的生活方式。然而長期以來，纖維系統(tǒng)只能通過外接硬質(zhì)芯片來實(shí)現(xiàn)信息處理，這不僅導(dǎo)致電路連接復(fù)雜且不穩(wěn)定，還大大降低了穿戴的舒適性。
“人體屬于軟組織，未來的腦機(jī)接口等新興領(lǐng)域需要適配柔軟的電子系統(tǒng)?！迸砘蹌偃绱吮硎尽ｍ樦@一方向，研究團(tuán)隊(duì)跳出傳統(tǒng)芯片的硅基研究范式，提出了一個(gè)全新設(shè)想：能否把芯片“裝”進(jìn)柔軟纖細(xì)的纖維里？
這個(gè)看似“天馬行空”的想法，實(shí)則源于團(tuán)隊(duì)長期深耕該領(lǐng)域的底氣。此前，研究團(tuán)隊(duì)突破了電子器件傳統(tǒng)的“三明治”結(jié)構(gòu)范式，在國際上率先提出“纖維器件”的新概念，至今已成功創(chuàng)建30多種纖維器件，相關(guān)成果7次登上《自然》期刊，部分技術(shù)已轉(zhuǎn)讓給國內(nèi)頭部企業(yè)，并率先建成發(fā)光纖維、纖維鋰離子電池等生產(chǎn)線，初步實(shí)現(xiàn)在汽車、服裝等領(lǐng)域的應(yīng)用。
但要實(shí)現(xiàn)纖維器件更大規(guī)模的應(yīng)用，就必須攻克“芯片”這一核心難題。
堪比在頭發(fā)絲上“雕花”的研發(fā)難度
將芯片制作到纖維內(nèi)部，其難度堪比在頭發(fā)絲上“雕花”。
第一個(gè)難關(guān)是空間限制。纖維屬于曲面結(jié)構(gòu)，每厘米的表面積僅為0.01 - 0.1平方厘米，要在如此狹小的空間內(nèi)集成大量電子元件幾乎是不可能的。團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，不再局限于纖維表面，而是向纖維內(nèi)部空間挖掘潛力，構(gòu)建螺旋式多層電路，以最大化利用纖維內(nèi)部空間。按照實(shí)驗(yàn)室1微米的光刻精度推算，1毫米長的纖維目前可集成1萬個(gè)晶體管，這與一些商業(yè)醫(yī)用植入芯片的集成量相當(dāng)；而1米長纖維的晶體管集成量，甚至可達(dá)到經(jīng)典計(jì)算機(jī)中央處理器的水平。
第二個(gè)難關(guān)是光刻適配問題。傳統(tǒng)芯片依賴硅晶圓平整的表面，而構(gòu)成纖維基底的彈性高分子材料表面就像“崎嶇山地”，無法直接進(jìn)行光刻。團(tuán)隊(duì)采用等離子刻蝕技術(shù)，將其表面粗糙度降至1納米以下，達(dá)到了商業(yè)光刻的要求，打破了“芯片只能刻在硅片上”的傳統(tǒng)認(rèn)知。
第三個(gè)難關(guān)是穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。彈性高分子材料難以承受光刻過程中溶劑的侵蝕，電路層也無法抵御纖維彎曲、拉伸時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變。于是，團(tuán)隊(duì)在襯底上鍍了一層致密的聚合物膜，就像給電路穿上了“堅(jiān)硬盔甲”，確保纖維芯片在復(fù)雜變形下仍能穩(wěn)定工作。
經(jīng)過5年的集中攻關(guān)，再加上此前數(shù)年的探索積累，團(tuán)隊(duì)最終實(shí)現(xiàn)了每厘米10萬個(gè)晶體管的集成密度。更關(guān)鍵的是，其制備工藝與現(xiàn)有成熟的光刻工藝能夠有效兼容，為規(guī)?；圃斓於嘶A(chǔ)。
“量身定制”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)
歐盟戰(zhàn)略報(bào)告預(yù)估，智能纖維和織物領(lǐng)域未來的全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到萬億歐元級(jí)別?！拔覀儾⒎且〈杌酒?，而是希望嘗試一條新的技術(shù)路徑?！标惻鄬庍@樣說道。
與傳統(tǒng)芯片相比，纖維芯片的優(yōu)勢(shì)可謂是“量身定制”。
它具有極佳的柔性，能夠彎曲、拉伸、扭曲，甚至經(jīng)得住十幾噸卡車的碾壓，按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水洗數(shù)十次后性能依然穩(wěn)定，在100℃的高溫下也能正常工作。
它能夠?qū)崿F(xiàn)“一根纖維就是一個(gè)微型電子系統(tǒng)”，在單根纖維上就可以集成供電、傳感、顯示、信號(hào)處理等多種功能，例如無需外接模塊就能完成觸控顯示。
一根纖維即可構(gòu)成一個(gè)微型電子系統(tǒng)
在腦機(jī)接口等關(guān)鍵領(lǐng)域，纖維芯片展現(xiàn)出了更為獨(dú)特的價(jià)值。目前的腦機(jī)接口技術(shù)中，神經(jīng)電極普遍需要連接硬質(zhì)的外部信號(hào)處理模塊。而纖維芯片憑借與腦組織相當(dāng)?shù)娜彳浱匦?，通過構(gòu)建“檢測(cè) - 處理 - 反饋”的閉環(huán)功能，有望實(shí)現(xiàn)更高效的信號(hào)檢測(cè)和實(shí)時(shí)干預(yù)，為腦科學(xué)研究和腦神經(jīng)疾病的診斷治療提供全新工具。
此外，無需外接處理器，基于纖維芯片就能編織出柔軟、透氣的電子織物。未來，衣服或許能變身“智能顯示屏”，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)像素顯示；在遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人手術(shù)等場(chǎng)景中，纖維芯片還可制成智能觸覺手套，精準(zhǔn)模擬不同物體的力學(xué)觸感，從而提升人機(jī)交互體驗(yàn)。
纖維芯片可制作成智能觸覺手套
交叉學(xué)科培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才
論文共同第一作者、博士研究生王臻，原本是高分子材料專業(yè)出身，剛接觸這一課題時(shí)對(duì)集成電路幾乎一無所知，“但空白也意味著沒有框架限制，我們可以大膽地去想象。”
另一位第一作者陳珂，最初只是想著盡快畢業(yè)，卻在拆解難題的過程中發(fā)現(xiàn)了前所未有的樂趣。
值得一提的是，復(fù)旦大學(xué)的交叉學(xué)科環(huán)境和濃厚氛圍，讓學(xué)生能夠跳出單一專業(yè)的框架。2023年，復(fù)旦大學(xué)成立了纖維電子材料與器件研究院，有效整合了化學(xué)、材料、信息、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科力量，搭建起“化學(xué)合成—器件構(gòu)建—微納集成—中試驗(yàn)證”的全鏈條研究平臺(tái)。在這里，不同專業(yè)的師生可以充分互動(dòng)交流，不經(jīng)意間或許就能碰撞出創(chuàng)新的火花。
作者：黃海華
編輯：朱文瑩
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原標(biāo)題：《“纖維芯片”來了！上?？茖W(xué)家團(tuán)隊(duì)把芯片“織”入高分子纖維內(nèi)》
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