在一根比頭發(fā)絲還細(xì)的纖維中構(gòu)建高密度集成電路，這一曾被視為大膽設(shè)想的技術(shù)，如今已成為現(xiàn)實(shí)。復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)硅基芯片的集成電路研究路徑，成功研制出全球首創(chuàng)的“纖維芯片”，相關(guān)研究成果今天正式發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》主刊上。

記者看到，這段細(xì)如發(fā)絲的纖維，正是復(fù)旦大學(xué)彭慧勝、陳培寧團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。研究團(tuán)隊(duì)在一厘米長(zhǎng)度的纖維內(nèi)，集成了20至30個(gè)可獨(dú)立控制的發(fā)光像素點(diǎn)，每一個(gè)像素的亮度和點(diǎn)位都可以進(jìn)行程序化調(diào)控。更重要的是，這種纖維芯片無(wú)需依賴外部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所有發(fā)光控制都能在僅約4厘米的纖維內(nèi)部完成。

復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室博士生王臻介紹說(shuō)，纖維芯片未來(lái)還可以進(jìn)一步集成傳感和儲(chǔ)能功能，實(shí)現(xiàn)“自供能”的完整電子系統(tǒng)?！昂罄m(xù)可以在纖維內(nèi)部加入觸覺傳感等模塊，讓它在提供能量的同時(shí)，具備感知和信息處理能力?！?/p>

傳統(tǒng)芯片的信息處理能力，依賴于大量微型電子元件通過高度互連形成的集成電路。但長(zhǎng)期以來(lái)，纖維電子系統(tǒng)主要依靠外部連接的硬質(zhì)塊狀芯片，這與纖維本身柔軟、可彎折、適應(yīng)復(fù)雜形變的應(yīng)用需求存在根本矛盾。

破解這一難題的關(guān)鍵，在于跳出“只利用纖維表面”的傳統(tǒng)思路。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了多層旋疊架構(gòu)設(shè)計(jì)，在柔性高分子材料內(nèi)部構(gòu)建多層集成電路結(jié)構(gòu)，使纖維不再只是“載體”，而成為真正的集成系統(tǒng)。

王臻表示，相比單純利用纖維表面，這種設(shè)計(jì)可利用的空間提升了100倍以上。研究團(tuán)隊(duì)在5微米的加工精度下，實(shí)現(xiàn)了每厘米纖維集成約10萬(wàn)根晶體管的密度，達(dá)到了硅基芯片中超大規(guī)模集成電路的水平。

這一突破性成果，不僅為可穿戴設(shè)備、智能織物等應(yīng)用提供了全新技術(shù)路徑，也為未來(lái)柔性電子系統(tǒng)的發(fā)展打開了新的想象空間。

相比于傳統(tǒng)芯片，“纖維芯片”具有優(yōu)異的柔性，可耐受彎曲、拉伸、扭曲等復(fù)雜形變，如承受1毫米半徑彎曲、30%拉伸形變、180°/厘米扭轉(zhuǎn)等變形，甚至在經(jīng)過水洗、高低溫、卡車碾壓后，仍能正常工作。

專家表示，“纖維芯片”并不是要取代傳統(tǒng)的硅基芯片，而是在探索一條全新的技術(shù)路徑。復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院教授陳培寧指出，相比傳統(tǒng)的硅基或硬質(zhì)芯片，纖維芯片的優(yōu)勢(shì)在于其獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)和良好的柔性特征，能夠適應(yīng)彎折、拉伸等復(fù)雜形變環(huán)境。

芯片做進(jìn)纖維里，技術(shù)難度究竟有多高呢？可以這樣說(shuō)，相當(dāng)于在頭發(fā)絲里“雕花”。

纖維是曲面結(jié)構(gòu)，且每厘米的表面積僅0.01到0.1平方厘米。復(fù)旦研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，不局限于纖維表面，而是構(gòu)建螺旋式多層電路，最大化利用了纖維內(nèi)部空間。按實(shí)驗(yàn)室1微米光刻精度推算，1毫米長(zhǎng)的纖維目前可集成1萬(wàn)個(gè)晶體管，與一些商業(yè)醫(yī)用植入芯片相當(dāng)。

另外，傳統(tǒng)芯片依賴硅晶圓的平整表面，而構(gòu)成纖維基底的彈性高分子材料表面像“崎嶇山地”，無(wú)法直接光刻。

團(tuán)隊(duì)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)到商業(yè)光刻要求，打破了“芯片只能刻在硅片上”的傳統(tǒng)認(rèn)知。

而第三個(gè)難關(guān)，是穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)，要讓纖維芯片在復(fù)雜變形下仍能穩(wěn)定工作。

復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室博士生陳珂介紹，纖維芯片在結(jié)構(gòu)上具備出色的柔韌性和可靠性。她表示，團(tuán)隊(duì)圍繞彎曲和彎折這一核心工況，對(duì)樣品進(jìn)行了上萬(wàn)次甚至十萬(wàn)次的反復(fù)測(cè)試，纖維芯片依然能夠穩(wěn)定工作，性能未出現(xiàn)明顯衰減。

在更極端的條件下，研究人員還對(duì)纖維芯片進(jìn)行了重載測(cè)試。即便在一輛重達(dá)15.6噸的大型卡車碾壓之后，其關(guān)鍵性能仍然保持不變，顯示出良好的機(jī)械耐受性和應(yīng)用潛力。

歷時(shí)5年集中攻關(guān)，再加上此前數(shù)年的探索積累，最終，復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了每厘米10萬(wàn)個(gè)晶體管的集成密度。更關(guān)鍵的是，其制備工藝與現(xiàn)有成熟光刻工藝有效兼容，為規(guī)?；圃齑蛳禄A(chǔ)。

由于其特殊的柔韌性，纖維芯片和傳統(tǒng)芯片相比，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。比如，額可以編織成柔軟、透氣的電子織物。在遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人手術(shù)等場(chǎng)景中，纖維芯片做成的智能觸覺手套，可以精準(zhǔn)模擬不同物體的力學(xué)觸感。

而在腦機(jī)接口等關(guān)鍵領(lǐng)域，纖維芯片就更能展現(xiàn)獨(dú)特價(jià)值了。復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室教授陳培寧表示，與以往主要承擔(dān)單一傳感功能的植入式器件不同，纖維芯片有望將完整的閉環(huán)功能集成在一根纖維中，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全柔性系統(tǒng)植入，從而直接在大腦內(nèi)部構(gòu)建信息交互通路，有望實(shí)現(xiàn)更高效的信號(hào)檢測(cè)和實(shí)時(shí)干預(yù)。

目前，研究團(tuán)隊(duì)在持續(xù)提升“纖維芯片”性能的同時(shí)，也正以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，加快與跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)及產(chǎn)業(yè)界的協(xié)同合作，推動(dòng)科研成果從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)希望在腦機(jī)接口、電子織物、虛擬現(xiàn)實(shí)等多個(gè)前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，讓這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)以更廣泛、更高質(zhì)量的方式融入未來(lái)生活。