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中国研制纤维芯片成果再登顶刊!“头发丝里实现大规模集成电路”

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1月22日,国际权威学术期刊《自然》发表了一项来自中国研究团队的原创技术突破。研究人员突破传统硅基芯片范式,在一根比头发丝更细的纤维里构建起高密度集成电路,在国际上率先研制出“纤维芯片”。

这项原创研究成果来自聚合物分子工程全国重点实验室,复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系、先进材料实验室彭慧胜、陈培宁团队。该“纤维芯片”的信息处理能力与一些经典商业芯片相当,且具有高度柔软、适应拉伸扭曲等复杂形变、可编织等独特优势,有望为脑机接口、电子织物、虚拟现实等未来产业提供关键支撑。

此前,研究团队已经在国际上率先提出“纤维器件”新概念,并已创建30多种纤维器件,相关成果7次登上《自然》,部分技术转让给国内头部企业,率先建成发光纤维、纤维锂离子电池等产线,初步实现在汽车、服装等领域的应用。

但要实现纤维器件的更大规模化应用,必须攻克“芯片”的核心技术壁垒,包括空间限制、光刻适配以及稳定性挑战。

过去的芯片开发依托于硅基,如何在高分子材料上开发出芯片?为此,研究人员另辟蹊径,参考了“卷寿司”的想法,不局限于纤维表面,构建了螺旋式多层电路,极大提升了空间利用率。按实验室1微米光刻精度推算,1毫米长的纤维目前可集成1万个晶体管,与一些商业医用植入芯片相当;1米长纤维的晶体管集成量,可达到经典计算机中央处理器水平。在纤维内部构建螺旋式多层电路,理论上,1毫米长的纤维可集成约1万个晶体管。经过多年攻关,团队最终实现了每厘米10万个晶体管的集成密度。

更关键的是,其制备工艺与现有成熟光刻工艺有效兼容,为规模化制造打下基础。团队使用等离子刻蚀技术将其表面粗糙度降至1纳米以下,达到商业光刻要求,打破了“芯片只能刻在硅片上”的传统认知。

复旦大学纤维电子材料与器件研究院高分子科学系陈培宁教授表示:“我们希望这种新的研究思路能给芯片产业提供一种新的借鉴,有可能向另外一个赛道去发展。”他还称,未来可穿戴是一个重要的方向和领域,纤维是一个非常理想的载体。

“纤维芯片”并非为了取代传统硅基芯片,而是开辟了全新的应用路径,其优势在于极佳的柔韧性与集成度。这种新型芯片材料柔性极佳,能弯曲、拉伸、扭曲,甚至经得住十几吨卡车碾压,按工业标准水洗数十次后性能依然稳定,在100℃高温下也能正常工作。

基于“一根纤维就是一个微型电子系统”的设计理念,在单根纤维上就可集成供电、传感、显示、信号处理等功能。这意味着无需外接处理器,基于纤维芯片就能编织柔软、透气的电子织物。这为将来的商业化应用提供了极大的想象空间——比如未来的衣服可能变身“智能显示屏”,实现动态像素显示;在远程医疗机器人手术等场景中,纤维芯片还可制成智能触觉手套,精准模拟不同物体的力学触感,提升人机交互体验。

复旦大学先进材料实验室博士研究生王臻表示:“利用这种全柔性的纤维智能交互手套,可以在远程手术操作的时候,让医生手的触觉更加灵敏,不会受到硬质模块的干扰。以后脑机接口植入后,也不需要任何的外部设备,可以自主实现数据的收集、运算以及分析,最终和大脑形成闭环。”

这一芯片材料领域的突破也让医疗器械开发者为之惊喜。微光医疗创始人CEO朱锐对第一财经记者表示:“纤维芯片未来有望改变植入医疗器械的规则,把电路和信号传输集成到一个纤维材料上,将极致压缩体积,这是为生物体内器械植入量身打造的。”

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