世界首款纖維芯片問世！復旦大學開年頂刊

復旦大學團隊成功在柔軟的高分子纖維內制造出大規模集成電路，創造出世界首款“纖維芯片”。

據復旦大學公眾號介紹，今天凌晨，國際頂級學術期刊《自然》主刊發表了復旦大學彭慧勝/陳培寧團隊的最新研究成果《基于多層旋疊架構的纖維集成電路》，團隊成功在柔軟的高分子纖維內制造出大規模集成電路，創造出世界首款“纖維芯片”。有望為腦機接口、電子織物、虛擬現實等新興產業提供強有力的技術支撐。

據介紹，傳統芯片的光刻工藝普遍依賴平整的硅晶圓襯底，而纖維不僅具有曲面結構，表面積極小，用于制備纖維器件的彈性高分子基底，也很難耐受光刻過程中的各類極性溶劑。

同時還要保證在拉伸、扭轉等變形中保持電路穩定。

復旦團隊跳出僅利用纖維表面的慣性思維，提出多層旋疊架構的設計思路，即在纖維內部構建多層集成電路，形成螺旋式旋疊結構，從而最大化地利用纖維內部空間。

經過近五年時間，團隊先后攻克了高分子表面平整化、耐溶劑侵蝕、形變下電路穩定等多個技術難題，最終成功制備出具有信息處理功能的“纖維芯片”。

這款“纖維芯片”不僅保持了纖維柔軟、可編織的本征特性，更實現了電阻、電容、二極管、晶體管等電子元件的高精度互連，光刻精度達到了實驗室級光刻機最高水平。這意味著，基于“纖維芯片”，未來可將發光、傳感等模塊直接集成在一根纖維上，形成無需外接設備的全閉環系統，甚至實現自供能。

“在彈性高分子上做高密度集成電路，好比在坑坑洼洼的軟泥地上蓋高樓，還要讓高樓經得起拉伸扭曲。”回憶研發歷程，陳培寧道出了兩大核心挑戰。

首先是表面平整度。傳統硅基芯片的襯底粗糙度非常低，而常用彈性高分子的表面粗糙度一般在幾十納米，微觀上極度凹凸不平。團隊嘗試了多種方法，最終通過等離子刻蝕技術，成功將彈性高分子表面粗糙度降至1納米以下，“相當于把軟泥地打磨平整，為蓋樓打下了地基。”

其次是溶劑侵蝕和結構穩定。光刻過程中使用的多種極性溶劑會讓彈性高分子材料發生溶脹變形，導致前期制備的平整表面功虧一簣。經過多種嘗試，團隊最終鎖定了一類叫做聚對二甲苯的高分子材料，通過沉積工藝，它可以在彈性襯底表面形成致密膜層，形成“硬-軟異質結構”，不僅有效抵御溶劑侵蝕，還能減小電路層應變，確保結構穩定，如同給電路層穿上了“防護衣”。

“我們的制備方法可以與現有光刻工藝兼容，有望高效對接產業。”陳培寧介紹，團隊通過研制原型裝置，建立了標準化制備路線，初步實現“纖維芯片”的實驗室級規模化制備。制備出的“纖維芯片”可承受1毫米半徑彎曲、20%拉伸形變，水洗、卡車碾壓后性能依然穩定。

這款“纖維芯片”的問世，正逐步打破柔性電子領域長期存在的“功能集成難、環境適應性差”的瓶頸。

面對這一柔性電子領域的難題，研究團隊創新性地采用常見的熱塑性薄膜為基底，此材料遇熱收縮，可緊密包裹物體。為解決普通金屬在收縮中易斷裂的問題，團隊又研制出具有高導電性和良好流動性的半液態金屬材料，通過自主打印技術在平面薄膜上“繪制”出電路。通過該技術，平面電路在約70攝氏度的溫水或熱風處理后，無論是圓潤的蘋果、飛機的機翼，還是靈活的手指，都能按照預先設計的“變形藍圖”快速自適應貼合。在具身智能領域，研究團隊依靠此項技術已成功為機器人手臂、頭部定制了貼合觸覺傳感器陣列，讓機器人擁有了靈敏的“電子皮膚”。他們還開發了集成壓力與溫度傳感器的“智能手套”，讓機器人可以通過“摸一摸”來識別物體。

*聲明：本文系原作者創作。文章內容系其個人觀點，我方轉載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認同，如有異議，請聯系后臺。