登上Nature！更小更快、可拉伸的集成電路，靈敏度是人類指尖的10倍

靈敏度超人類指尖十倍，運(yùn)行速度快 1000 倍，可點(diǎn)亮商用電腦顯示器，甚至還能用于腦機(jī)接口......

最近，斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系教授鮑哲南及其團(tuán)隊(duì)，帶著更小更快的類皮膚可拉伸集成電路，登上了Nature。

據(jù)介紹，這是一種新的類膚集成電路設(shè)計(jì)和制造工藝，這種集成電路不僅運(yùn)行速度快，且體積比早期版本小五倍。要知道，小型可穿戴或植入式電子設(shè)備也可以實(shí)現(xiàn)檢測健康狀況、診斷疾病等功能。

對此，鮑哲南表示，“我們已經(jīng)取得了重大飛躍?？衫旒呻娐?strong>第一次變得足夠小、足夠快，足以滿足許多應(yīng)用的需要。我們希望這可以使可穿戴傳感器以及植入式神經(jīng)和腸道探針更加靈敏，操作更多傳感器，并可能消耗更少的功率。”

小型可穿戴設(shè)備難題被解決

當(dāng)前，可穿戴電子設(shè)備越來越與我們的生活密不可分。市場上的可穿戴設(shè)備大多為佩戴式，或者為非植入式。另一種則為小型可穿戴設(shè)備（植入式電子設(shè)備），其不僅可以實(shí)現(xiàn)檢測健康狀況、診斷疾病等功能，還可以為改進(jìn)自主治療提供機(jī)會(huì)。

但是，與非植入式的電子設(shè)備相比，植入式具有更高的技術(shù)門檻。設(shè)備需要在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，不加重或損壞周圍的細(xì)胞，不僅需要在移動(dòng)時(shí)與體內(nèi)組織一起彎曲和拉伸，而且還需要足夠柔軟，以免造成組織的刮傷和損壞。

為此，鮑哲南團(tuán)隊(duì)在可拉伸電子學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了一系列重要研究，主要涉及材料選擇、制備工藝和器件結(jié)構(gòu)等方面。他們使用了一系列先進(jìn)的材料和制備技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)可拉伸電子器件的高性能和可靠性。

圖｜可拉伸晶體管和電路在電子皮膚應(yīng)用和高性能要求中的核心作用。

首先，在材料選擇方面，研究團(tuán)隊(duì)采用了多種先進(jìn)材料，包括碳納米管（CNT）、聚合物、金屬合金等。

這些材料在可拉伸電子學(xué)中具有重要的應(yīng)用潛力，因?yàn)樗鼈?strong>具有優(yōu)異的可拉伸、導(dǎo)電性和機(jī)械性能，可以實(shí)現(xiàn)可拉伸器件的高性能和可靠性。其中，碳納米管作為電極材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，適用于制備高性能的可拉伸電子器件。

其次，在制備工藝方面，研究團(tuán)隊(duì)采用了旋涂、噴涂、光刻、熱蒸發(fā)等。這些制備技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對材料的精確控制和器件結(jié)構(gòu)的精密制備，從而確保器件具有良好的性能和穩(wěn)定性。例如，他們利用旋涂和光刻技術(shù)，制備了高分辨率的電極圖案，實(shí)現(xiàn)了器件的精確控制和高性能。

圖｜可拉伸電子器件的三維圖，由可拉伸基板、柵電極（底部電極）、柵極電介質(zhì)、S/D電極、半導(dǎo)體、溝道封裝、跨接電介質(zhì)、頂部電極（互連）和頂部封裝組成。

在器件結(jié)構(gòu)方面，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多種創(chuàng)新性的可拉伸電子器件結(jié)構(gòu)，包括晶體管、電極、互連等。這些器件結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對電子器件的功能性和性能的有效控制，從而實(shí)現(xiàn)了可拉伸電子器件的高性能和可靠性。例如，他們設(shè)計(jì)了一種新型的晶體管結(jié)構(gòu)，利用碳納米管作為電極材料，實(shí)現(xiàn)了器件的高導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。

圖｜在 4 英寸晶圓上制造的高速電路單元。

效果究竟怎么樣？

在此次工作中，研究團(tuán)隊(duì)首先對碳納米管（CNT）進(jìn)行了精細(xì)的處理，采用超聲處理和離心純化等方法，獲得了均勻分散的 CNT 溶液。

隨后，在柔性基底上，采用旋涂、噴涂等工藝制備薄膜。接著，利用光刻和蒸發(fā)沉積等工藝，制備柔性晶體管結(jié)構(gòu)，并定義源漏電極和柵電極。

同時(shí)，研究人員通過噴涂或旋涂碳納米管等導(dǎo)電材料，并采用熱蒸發(fā)法沉積金屬以降低接觸電阻，制備了柔性電極。在互連方面，團(tuán)隊(duì)采用了光刻和金屬蒸發(fā)等工藝，確定互連電極的形狀和位置。

研究團(tuán)隊(duì)對以上器件進(jìn)行了電學(xué)性能測試，包括測量晶體管和電極的電流-電壓特性曲線、傳導(dǎo)性能和導(dǎo)電性。

此外還進(jìn)行了形變測試和穩(wěn)定性測試，評(píng)估了器件在不同形變狀態(tài)下的電學(xué)性能和穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備的柔性晶體管具有優(yōu)異的電學(xué)性能，柔性電極展現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性和柔韌性，柔性互連電極具有良好的導(dǎo)電性和可靠的連接性。

經(jīng)過長時(shí)間的形變和穩(wěn)定性測試，器件的電學(xué)性能基本保持不變，表明制備的柔性電子學(xué)器件十分穩(wěn)定可靠。

圖｜可拉伸的電子器件在大變形下的照片。

在一次新的可拉伸電子設(shè)計(jì)演示中，研究團(tuán)隊(duì)能夠在一平方厘米的空間內(nèi)裝入2500多個(gè)傳感器和晶體管，形成一個(gè)有源矩陣觸覺陣列，其靈敏度是人類指尖的十倍以上。

研究人員表明，傳感器陣列可以檢測微小形狀的位置和方向，或識(shí)別盲文中的整個(gè)單詞。

“對于盲文，你通常一次只能感知一個(gè)字母，”鮑哲南實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員、論文共同第一作者 Donglai Zhong 說，“有了如此高的分辨率，你只需輕輕一觸，就能感知整個(gè)單詞，甚至可能是整個(gè)句子?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)還利用他們的可拉伸電路驅(qū)動(dòng)刷新率為 60 Hz 的微型 LED 顯示屏，這是電腦或電視屏幕的典型刷新率。以前版本的可拉伸電路尺寸小，速度不夠快，無法產(chǎn)生足夠的電流來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

而在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，高密度、柔軟、可適配的傳感陣列可以讓穿戴者大范圍、高分辨率地感知人體信號(hào)，比如來自大腦和肌肉的信號(hào)。這可能會(huì)帶來下一代高性能和生物兼容的腦機(jī)接口。

從實(shí)驗(yàn)室到成功應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活，這項(xiàng)研究已經(jīng)做出了關(guān)鍵性的突破，然而，依然需要一些改進(jìn)和優(yōu)化。

例如，盡管已經(jīng)采用了多種材料來制備柔性電子器件，但一些材料的選擇十分受限；并且制備工藝的要求也很高，需要嚴(yán)格控制各種工藝參數(shù)，包括溶液濃度、旋涂速度、光刻曝光劑量等。

此外，柔性電子器件在長時(shí)間使用或受到外界環(huán)境條件變化的影響時(shí)，其性能穩(wěn)定性可能會(huì)受到影響。特別是在實(shí)際應(yīng)用場景下，如機(jī)械彎曲、環(huán)境濕度變化等情況下，器件的性能穩(wěn)定性可能面臨挑戰(zhàn)。

在電子皮膚時(shí)代，想象力邊界在哪里？

十多年來，鮑哲南團(tuán)隊(duì)始終致力于開發(fā)電子皮膚，并在可穿戴領(lǐng)域做出了很多創(chuàng)意十足的突破性研究。

例如，在 2022 年發(fā)表在 Nature 上的一篇研究中，鮑哲南團(tuán)隊(duì)介紹了一種極富彈性的可穿戴顯示器，其最大亮度至少是手機(jī)的兩倍，在拉伸至原有長度兩倍時(shí)仍能正常工作。這種全聚合物薄膜可以粘在手臂或手指上，在彎曲或彎曲時(shí)不會(huì)撕裂，這將使可穿戴顯示器直接附著在皮膚上。

其團(tuán)隊(duì)的一些更具想象力的研究，比如可拉伸生物相容性材料，可以像防曬噴霧一樣被噴在手背上，其中的微型電子網(wǎng)絡(luò)可以感知皮膚的拉伸和彎曲，這可以把手部運(yùn)動(dòng)和手勢與各種日常任務(wù)聯(lián)系起來，也許能夠開辟一個(gè)屬于隱形設(shè)備的時(shí)代。

在柔性電子學(xué)領(lǐng)域的不斷探索和創(chuàng)新中，該研究展示了令人興奮的成果和潛在應(yīng)用前景。通過采用先進(jìn)的材料、精密的制備工藝和創(chuàng)新的器件設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)成功地實(shí)現(xiàn)了柔性電子器件的小型化和高性能。

相信在不久的將來，柔性電子學(xué)將為諸多領(lǐng)域帶來革命性的變革，實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用和社會(huì)價(jià)值。

參考鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07096-7