“纤维芯片”突破硅基范式:复旦在高分子纤维内实现大规模集成电路并登《自然》

长期以来,纤维器件的发展面临一个根本性矛盾。

一方面,纤维器件因其柔软、透气、可编织等特性,在信息、能源、医疗等领域展现出巨大应用潜力,可被赋予发电、储能、显示、感知等多种功能。

另一方面,现有纤维系统必须依赖连接硬质块状芯片来实现信息处理,这与纤维本身的柔软性和适应复杂变形的要求存在根本冲突,成为制约整个领域发展的关键瓶颈。

复旦大学科研团队经过长期研究,深刻认识到这一问题的本质。

他们意识到,纤维器件的大规模应用必须遵循与智能手机、计算机等电子设备相同的发展逻辑,即将不同功能的纤维器件集成在一起,形成具有信息交互功能的纤维电子系统。

这一认识促使团队提出了"纤维芯片"的创新概念,即在柔软、弹性的高分子纤维内部实现高密度集成电路。

实现这一目标的技术难度极大。

首先,纤维的曲面结构和有限的表面积构成了严重制约。

每厘米长度的纤维仅有0.01至0.1平方厘米的表面积,远低于传统硅基平面衬底,难以集成足够数量的电子元件以实现高效信息处理。

其次,半导体和金属导电通路在纤维拉伸、扭曲等复杂变形过程中容易产生局部应变集中,极易导致电路结构脆裂和性能快速失效。

为突破这些瓶颈,复旦团队跳出了"仅利用纤维表面"的传统思维,创新性地提出了多层旋叠架构设计方案。

这一方案通过在纤维内部构建多层集成电路,形成螺旋式旋叠结构,最大化地利用纤维内部空间。

按照目前实验室级1微米的光刻精度计算,长度为1毫米的纤维芯片可集成1万个晶体管,其信息处理能力可与植入式起搏器芯片相当。

若纤维芯片长度扩展至1米,集成晶体管数量有望达到百万级别,超越经典计算机中央处理器的集成水平。

在制备工艺上,团队经过5年攻关,发展出了可在弹性高分子上直接进行光刻高密度集成电路的完整制备路线。

关键创新包括两个方面:一是采用等离子刻蚀方法对弹性高分子表面进行平整化处理,将粗糙度降至1纳米以下,达到商业光刻要求,光刻精度达到实验室级光刻机的最高水平。

二是在弹性衬底上设计一层致密的聚对二甲苯纳米膜层,形成"硬-软模量异质结构",既能有效抵御光刻过程中的溶剂侵蚀,又能显著减小纤维复杂变形过程中的电路层应变,确保电路结构和功能的长期稳定性。

这一制备方法与现有芯片产业的成熟光刻工艺高效兼容,具有良好的产业化前景。

纤维芯片的成功研制,为脑机接口、电子织物、虚拟现实等新兴产业的变革发展提供了关键技术支撑。

相比传统硬质芯片,纤维芯片具有高度柔软、可适应复杂形变、可编织等独特优势,有望在可穿戴设备、生物医疗、智能纺织品等领域实现广泛应用。

值得注意的是,复旦团队在纤维器件领域已有深厚积累。

过去多年,他们率先提出"纤维器件"概念,创建出具有发电、储能、发光、显示、生物传感等功能的30多种新型纤维器件,相关成果7次发表在《自然》杂志上,获授权国内外发明专利120多项。

此次纤维芯片的突破,是这一系列创新工作的重要延伸和升华。

从莱卡纤维改变服装产业,到碳纤维重塑航空制造,材料创新始终推动着产业变革。

纤维芯片的突破不仅标志着我国在柔性电子领域实现从跟跑到领跑的转变,更预示着"电子织物"可能成为继智能手机后的下一代人机交互界面。

当科技突破与产业需求在纤维尺度相遇,或将编织出更具想象力的未来图景。