芯片是現(xiàn)代電子技術(shù)的基石。目前，其信息處理能力依賴于在硅片上構(gòu)建的高密度晶體管集成電路。為了追求更強(qiáng)的算力，人類沿著摩爾定律不斷推進(jìn)制程工藝，推動(dòng)了多個(gè)產(chǎn)業(yè)變革。隨著可穿戴設(shè)備、電子織物、腦機(jī)接口等新興領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，人們希望能發(fā)展出不同于硬質(zhì)硅基芯片的新型柔性信息處理器件，以有效滿足電子設(shè)備柔性化、輕量化、微型化的應(yīng)用需求。
復(fù)旦大學(xué)彭慧勝/陳培寧團(tuán)隊(duì)打破傳統(tǒng)芯片硅基研究范式，成功在柔軟、彈性的高分子纖維內(nèi)，制造出大規(guī)模集成電路，創(chuàng)造出一種全新的信息處理器——纖維芯片。與傳統(tǒng)芯片相比，這種新型芯片具有高度柔軟、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)等新興產(chǎn)業(yè)變革發(fā)展提供有力支撐。相關(guān)成果于1月22日發(fā)表于《自然》主刊。
芯片從“硬質(zhì)”變“軟線”
在智能可穿戴設(shè)備方興未艾的今天，一個(gè)主要矛盾長(zhǎng)期存在：我們的身體和衣物是柔軟的，而賦予它們“智能”的核心部件——芯片卻是硬質(zhì)的。這導(dǎo)致最終的智能織物、植入式設(shè)備都難以擺脫“外掛”硬質(zhì)信息處理模塊的尷尬。
能不能把信息處理功能直接“整合”進(jìn)纖維內(nèi)部？彭慧勝/陳培寧團(tuán)隊(duì)將目光投向了芯片本身。他們提出一個(gè)大膽設(shè)想：能否讓芯片的形態(tài)，從“硬片”變?yōu)椤败浘€”？
然而，要將數(shù)以萬(wàn)計(jì)的晶體管集成到細(xì)如發(fā)絲且需隨意彎折的纖維里，其難度無(wú)異于在頭發(fā)里建造一座“微型城市”。這項(xiàng)工作幾乎沒(méi)有先例可循，團(tuán)隊(duì)如同在“無(wú)人區(qū)”中進(jìn)行探索。
如何在細(xì)如發(fā)絲的纖維上實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的信息處理功能，而又不影響其柔軟、可拉伸、可編織的本性？這是纖維電子領(lǐng)域公認(rèn)的“硬骨頭”。
研究團(tuán)隊(duì)跳出了“僅在纖維表面做文章”的慣性思維，提出了“多層旋疊架構(gòu)”的設(shè)計(jì)思路。按照這一設(shè)計(jì)思路，在纖維內(nèi)部構(gòu)建多層集成電路，形成螺旋立體結(jié)構(gòu)，就可以最大化利用纖維的內(nèi)部空間。
基于這一架構(gòu)，研究人員預(yù)測(cè)，即便以目前實(shí)驗(yàn)室級(jí)的光刻精度，在一根一米長(zhǎng)的纖維芯片中，晶體管集成數(shù)量也有望達(dá)到百萬(wàn)級(jí)別，這一集成數(shù)量將超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)中央處理器的晶體管集成水平。
“軟泥地”上蓋“高樓”
有了設(shè)計(jì)藍(lán)圖，還需克服一系列“施工”難題。傳統(tǒng)的芯片光刻工藝依賴于高度平整、穩(wěn)定的硅晶圓襯底，而彈性高分子纖維的表面在微觀上較為粗糙，呈現(xiàn)“坑坑洼洼”的形態(tài)，并且接觸到光刻工藝中常用的溶劑時(shí)容易發(fā)生溶脹和變形。同時(shí)，其結(jié)構(gòu)也難以承受復(fù)雜形變所帶來(lái)的破壞。因此，要完成“施工”相當(dāng)于在“軟泥地”上蓋“高樓”。
為此，研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)5年攻關(guān)，成功開發(fā)出一種能在彈性高分子材料上直接光刻高密度集成電路的制備路線。他們首先采用等離子刻蝕技術(shù)，降低纖維表面粗糙度，使其達(dá)到商用光刻所需的平整度。隨后，他們?cè)诶w維基底上沉積一層致密的聚對(duì)二甲苯納米薄膜。這層薄膜如同給電路穿上了一件“柔性盔甲”，既能有效抵御溶劑侵蝕，又能與彈性基底共同構(gòu)成“軟—硬交替”的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以分散電路層在形變時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，從而確保電路即使在彎曲、拉伸乃至卡車碾壓后，性能依然保持穩(wěn)定。
據(jù)介紹，團(tuán)隊(duì)在纖維中實(shí)現(xiàn)了每厘米10萬(wàn)個(gè)晶體管的高密度集成，通過(guò)晶體管與電阻、電容等電子元件的高效互聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路運(yùn)算等功能。
更關(guān)鍵的是，這種制備方法與目前芯片制造工藝可有效兼容。“我們的制備方法與主流光刻工藝兼容，已經(jīng)可以在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)成卷、可規(guī)模化的制備?！睆?fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院研究員陳培寧展示著一卷纖維芯片介紹。這意味著，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室的原創(chuàng)突破走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用具備良好工藝基礎(chǔ)。
有望構(gòu)建智能織物系統(tǒng)
纖維芯片的創(chuàng)制，有望為纖維電子系統(tǒng)集成提供新路徑，推動(dòng)智能實(shí)現(xiàn)從“嵌入”到“織入”的轉(zhuǎn)變。
最直觀的應(yīng)用場(chǎng)景在于電子織物?！拔磥?lái)，我們的手機(jī)或電腦是不是可以就是一件衣服？”陳培寧展望道，直接編織集成發(fā)電、儲(chǔ)能、傳感、顯示與信息處理功能的纖維，有望構(gòu)建出全柔性、透氣、可穿著的智能織物系統(tǒng)。
在腦機(jī)接口領(lǐng)域，纖維芯片的優(yōu)勢(shì)也十分突出。傳統(tǒng)腦機(jī)接口的電極陣列需要外接信號(hào)處理模塊，這限制了其植入的微創(chuàng)性和長(zhǎng)期安全性?；诶w維芯片技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)已能在直徑僅50微米的纖維上，同時(shí)集成高密度傳感/刺激電極陣列和信號(hào)預(yù)處理電路?！耙簿褪钦f(shuō)，它能在植入腦內(nèi)的同時(shí)，原位完成神經(jīng)信號(hào)的高靈敏度感知與初步處理。”團(tuán)隊(duì)成員、復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院博士研究生王臻說(shuō)。
在成果發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，團(tuán)隊(duì)還展示了一款集成纖維芯片的觸覺(jué)手套。它外觀與普通手套無(wú)異，但可以精準(zhǔn)模擬握持不同物體的真實(shí)觸感。“這為元宇宙交互、遠(yuǎn)程精細(xì)手術(shù)操作提供了新的可能?！眻F(tuán)隊(duì)成員、復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院博士研究生陳珂介紹。
“未來(lái)，團(tuán)隊(duì)期望繼續(xù)與來(lái)自不同學(xué)科的學(xué)者一起協(xié)同攻關(guān)，通過(guò)合成制備先進(jìn)半導(dǎo)體材料，進(jìn)一步提升器件集成密度，提升信息處理性能，滿足更復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景需求。在規(guī)?；苽浜蛻?yīng)用方面，團(tuán)隊(duì)已建立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，期待與產(chǎn)業(yè)界加強(qiáng)合作，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)更廣領(lǐng)域的高質(zhì)量應(yīng)用?！标惻鄬幷f(shuō)。
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