復旦團隊全球首創“纖維芯片”！開辟柔性集成電路新方向，成果登《自然》

短短的一根柔軟纖維上可集成十萬個甚至更多的晶體管，集成電路由此不再是以塊狀或片狀形態出現，而是以一維的線狀形態出現。復旦大學彭慧勝/陳培寧團隊突破傳統集成電路硅基研究范式，率先通過設計多層旋疊架構，在彈性高分子纖維內實現了大規模集成電路，即“纖維芯片”，有望開辟柔性集成電路新方向。

“纖維芯片”具有良好的信息處理能力，相較傳統芯片，具有更優異的柔性，可耐受彎曲、拉伸、扭曲等復雜形變，如承受1毫米半徑彎曲、20%拉伸形變、180°/厘米扭轉等變形，甚至在經過水洗、高低溫、卡車碾壓后，仍能保持性能穩定。

新的纖維芯片有望為腦機接口、電子織物、虛擬現實等新興產業變革發展提供有力支撐。相關成果于北京時間1月22日凌晨以《基于多層旋疊架構的纖維集成電路》為題發表于國際頂刊《自然》。

為纖維器件“匹配”纖維芯片

過去幾十年，纖維器件相繼被賦予發電、儲能、顯示、感知等功能，有望推動信息、能源、醫療等重要領域變革發展，甚至催生電子織物等新產業。這也被多個國家和地區列為國家級創新領域，全球市場規模未來有望達萬億歐元級別。

將纖維器件集成得到多功能纖維電子系統，是實現規模應用的必經之路。但目前，纖維系統通常連接硬質塊狀芯片，與其柔軟、可適應復雜變形等應用要求存在根本矛盾，這也成為整個領域面臨的一個重要挑戰。

纖維芯片結構示意圖

復旦大學團隊在國際上率先提出“纖維器件”概念，已創建出具有發電、儲能、發光、顯示、生物傳感等功能的30多種新型纖維器件，相關成果七次登上《自然》，獲授權國內外發明專利120多項，部分成果已初步實現產業應用。

在持續深耕研究過程中，團隊意識到，要實現纖維器件的大規模應用，必須要將不同功能的纖維器件集成在一起，形成纖維電子系統，并賦予其信息交互功能。也正是因此，團隊在10多年前就提出“纖維芯片”的概念并開啟研究。

成卷的纖維芯片和裝有纖維芯片的器件圖（袁婧 攝）

此次，團隊終于通過在柔軟、彈性的高分子纖維內建立多層旋疊架構設計思想，實現微型電子器件高集成密度，有望擺脫對硅基芯片電路的依賴。

纖維發光圖

據成果通訊作者之一、復旦大學陳培寧教授介紹，通過設計多層螺旋架構，按照目前實驗室級1微米的光刻精度預測，長度為1毫米的“纖維芯片”可集成數萬個晶體管，其信息處理能力可與一些醫療植入芯片相當；若“纖維芯片”長度擴展至1米，其集成晶體管數量有望提升至百萬級別，達到經典計算機中央處理器的晶體管集成水平。如果光刻精度達到納米級的話，集成數量將更高。

破解三方面難題，實現零的突破

值得一提的是，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想，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。這也是在國際上首次實現纖維芯片制備零的突破。

多層電路內部結構圖

據介紹，實現這一設想的挑戰非常大，主要面臨三方面難題。首先，集成電路光刻對襯底的平整度要求，但常用彈性高分子表面在微觀尺度極不平整，粗糙度為幾十納米，相當于在坑坑洼洼的軟泥地上蓋高樓；其次，目前光刻過程中用到多種極性溶劑，彈性高分子與這些溶劑接觸后極易發生溶脹；同時，集成電路中的很多功能組分，如半導體、金屬導電通路等，很難承受纖維拉伸、扭曲等復雜變形中所引起的局部應變集中，極易引發電路結構脆裂和性能快速失效。

卡車碾壓穩定測試

為此，團隊通過多年攻關，探索出了系統解決方案，發展出可在彈性高分子上直接進行光刻高密度集成電路的制備路線。值得一提的是，團隊所發展的制備方法，與目前芯片產業中的成熟光刻制造工藝高效兼容，通過研制原型裝置，設計標準化制備流程，初步實現了“纖維芯片”的實驗室級規模化制備。

多學科協同，走通設想到產品之路

據中科院院士、復旦大學纖維材料與器件研究院和高分子科學系彭慧勝教授介紹，這項工作涉及材料合成制備、電子器件構建、電路設計集成和生物應用等多個不同學科。團隊所依托的纖維電子材料與器件研究院，近年來已經形成了一支多學科交叉研究隊伍。此外，得益于復旦大學的多學科優勢，這項工作還得到了來自校內聚合物分子工程全國重點實驗室、集成電路與微納電子創新學院、生物醫學工程與技術創新學院、電鏡中心和中山醫院等團隊的通力協作。

裝有纖維芯片的用于虛擬現實領域的概念產品（袁婧 攝）

未來，圍繞“纖維芯片”研究，團隊期望繼續與來自不同學科的學者一起協同攻關，在規模化制備和應用方面，團隊已建立了自主知識產權體系，期待與產業界加強合作，推動實現更廣領域高質量應用，為我國集成電路產業自立自強貢獻力量。

該研究得到國家自然科學基金委、科技部、上海市科委等項目支持。復旦大學纖維電子材料與器件研究院、高分子科學系、先進材料實驗室教授彭慧勝、陳培寧為本論文通訊作者，博士研究生王臻、陳珂和博士后施翔為共同第一作者。

原標題：《復旦團隊全球首創“纖維芯片”！開辟柔性集成電路新方向，成果登《自然》》

欄目主編：樊麗萍

本文作者：文匯報 姜澎