斯坦福大学鲍哲南院士团队Science:全新光化学技术高效、经济生产可拉伸集成电路,或将催生全新可穿戴和可植入产品
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撰文:吴婷婷
说起可穿戴设备的发展,科学家们一直致力于材料研制,例如体积缩小、类人皮肤、防止脱落等新优点。这些电子材料使可穿戴电子产品变得柔软和可拉伸,然而,这一领域的另一个方面似乎少有突破 —— 那就是电子皮肤的 “集成电路”。
可穿戴设备或身体植入产品要想发挥功能,必然需要内部嵌入的集成电路与各种材料相适应。然而事实上,当前集成电路的制作普遍集中在常见硬性基片之上,仍然缺乏能够用于类皮肤和弹性电路的微纳米制造方法。
不过,有这样一支团队,近 20 年磨一剑,终于在这一领域取得重要成果!近日,斯坦福大学鲍哲南院士研究团队提出了一种单片光学微光刻工艺,成功在人造电子皮肤上打印出可随意拉伸、弯曲且不影响性能的电路。研究人员在小至 1 平方厘米的可拉伸电路中,挤压嵌入超过 40000 个晶体管,密度达到了当前其他弹性晶体管的 100 倍以上。
相关研究论文以 “Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits” 为题,已于近日发表于科学期刊 Science 上。
而上述过程的实现,离不开的就是光刻技术(photolithography)。1822 年,法国人 Nicephore Niepce 发明了光刻技术,并成功将一种刻蚀在油纸上的图案复刻下来。到了今天,光刻技术早已被应用于半导体行业,并成为集成电路最重要的加工工艺。
光刻技术的基本原理是,利用光刻机发出的光照射在刻有图案(即电路)的掩膜之上,再经过缩图透镜,最后光线到达涂有光刻胶的薄片,光刻胶见光后会发生性质变化,从而使掩膜上的图形复印到薄片上,于是薄片具有电子线路图的作用。可以说光刻的作用类似照相机照相,不过照相机拍摄的照片是印在底片上,而光刻刻的不是照片﹐而是电路图和其他电子元件。
而现在,鲍哲南院士团队成功将光刻技术进行改良,开发出适用于这些类人皮肤软性材料的全新光化学技术。首先,研究人员着重改良传统的光刻技术中光刻胶(即溶解剂)的分布,通过降低被光照区域材料的溶解度,直接 “一步到位”,使软性基片材料即使在溶解剂显影过程之后,也能不被侵蚀,得以保留。
而后,研究人员尝试使用该技术,成功在 1 平方厘米的可拉伸电路中嵌入超过 40000 个晶体管(而且该团队认为这个数字还可以继续扩大到两倍)。虽然该数字与硬性硅芯片的数十亿个晶体管还相去甚远,但它足以为皮肤传感器、可植入生物电子产品创建简单的电路,可谓意义非凡。
最后制造出的柔性集成电路可以轻易拉伸、折叠、弯曲和扭转,每次都轻松弹回之前的样子,毫无故障。
对此,论文的共同第一作者、博士后研究员 Yu-Qing Zheng 表示:“我们的方法将弹性晶体管的密度提高到迄今为止其他弹性晶体管的 100 倍以上。它在晶体管中具有出色的均匀性,而且不会牺牲电子或机械性能。”
为此,研究团队挖掘出该工艺的另一大优势 —— 由于基于现有的光刻技术,如今只需要稍微改动,新的光学微光刻工艺就可以直接使用现成的、制造固体硅芯片的设备来批量制造出软性集成电路。这一特点大大简化了该技术向商业化过渡的进程。
不仅如此,该团队经过严密的试验,证明了使用新工艺生产出的柔性电路,其电气性能与当前计算机显示器所用晶体管大致相同,因此完全可用于实际应用中。在性能测试中,将柔性集成电路横、纵向分别拉伸至原始尺寸的两倍时,新打印出的材料没有出现裂缝或分层情况。最重要的是,其功能也没有受到影响 —— 即使经过 1000 次重复拉伸,晶体管依然保持稳定。
正如该论文共同第一作者、博士后研究员 Yuxin Liu 所说:“我们的工艺效率更高,并且能够比刚性电路更经济高效地生产出可拉伸集成电路。”
参考资料:https://science.sciencemag.org/content/373/6550/88https://techxplore.com/news/2021-07-chemistry-enables-technology-stretchable-bendable.html
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