短短的一根柔软纤维上可集成十万个甚至更多的晶体管，集成电路由此不再是以块状或片状形态出现，而是以一维的线状形态出现。复旦大学彭慧胜/陈培宁团队突破传统集成电路硅基研究范式，率先通过设计多层旋叠架构，在弹性高分子纤维内实现了大规模集成电路，即“纤维芯片”，有望开辟柔性集成电路新方向。
“纤维芯片”具有良好的信息处理能力，相较传统芯片，具有更优异的柔性，可耐受弯曲、拉伸、扭曲等复杂形变，如承受1毫米半径弯曲、20%拉伸形变、180°/厘米扭转等变形，甚至在经过水洗、高低温、卡车碾压后，仍能保持性能稳定。
新的纤维芯片有望为脑机接口、电子织物、虚拟现实等新兴产业变革发展提供有力支撑。相关成果于北京时间1月22日凌晨以《基于多层旋叠架构的纤维集成电路》为题发表于国际顶刊《自然》。
为纤维器件“匹配”纤维芯片
过去几十年，纤维器件相继被赋予发电、储能、显示、感知等功能，有望推动信息、能源、医疗等重要领域变革发展，甚至催生电子织物等新产业。这也被多个国家和地区列为国家级创新领域，全球市场规模未来有望达万亿欧元级别。
将纤维器件集成得到多功能纤维电子系统，是实现规模应用的必经之路。但目前，纤维系统通常连接硬质块状芯片，与其柔软、可适应复杂变形等应用要求存在根本矛盾，这也成为整个领域面临的一个重要挑战。
纤维芯片结构示意图
复旦大学团队在国际上率先提出“纤维器件”概念，已创建出具有发电、储能、发光、显示、生物传感等功能的30多种新型纤维器件，相关成果七次登上《自然》，获授权国内外发明专利120多项，部分成果已初步实现产业应用。
在持续深耕研究过程中，团队意识到，要实现纤维器件的大规模应用，必须要将不同功能的纤维器件集成在一起，形成纤维电子系统，并赋予其信息交互功能。也正是因此，团队在10多年前就提出“纤维芯片”的概念并开启研究。
成卷的纤维芯片和装有纤维芯片的器件图（袁婧 摄）
此次，团队终于通过在柔软、弹性的高分子纤维内建立多层旋叠架构设计思想，实现微型电子器件高集成密度，有望摆脱对硅基芯片电路的依赖。
纤维发光图
据成果通讯作者之一、复旦大学陈培宁教授介绍，通过设计多层螺旋架构，按照目前实验室级1微米的光刻精度预测，长度为1毫米的“纤维芯片”可集成数万个晶体管，其信息处理能力可与一些医疗植入芯片相当；若“纤维芯片”长度扩展至1米，其集成晶体管数量有望提升至百万级别，达到经典计算机中央处理器的晶体管集成水平。如果光刻精度达到纳米级的话，集成数量将更高。
破解三方面难题，实现零的突破
值得一提的是，团队跳出“仅利用纤维表面”的惯性思维，提出多层旋叠架构的设计思想，即在纤维内部构建多层集成电路，形成螺旋式旋叠结构，从而最大化地利用纤维内部空间。这也是在国际上首次实现纤维芯片制备零的突破。
多层电路内部结构图
据介绍，实现这一设想的挑战非常大，主要面临三方面难题。首先，集成电路光刻对衬底的平整度要求，但常用弹性高分子表面在微观尺度极不平整，粗糙度为几十纳米，相当于在坑坑洼洼的软泥地上盖高楼；其次，目前光刻过程中用到多种极性溶剂，弹性高分子与这些溶剂接触后极易发生溶胀；同时，集成电路中的很多功能组分，如半导体、金属导电通路等，很难承受纤维拉伸、扭曲等复杂变形中所引起的局部应变集中，极易引发电路结构脆裂和性能快速失效。
卡车碾压稳定测试
为此，团队通过多年攻关，探索出了系统解决方案，发展出可在弹性高分子上直接进行光刻高密度集成电路的制备路线。值得一提的是，团队所发展的制备方法，与目前芯片产业中的成熟光刻制造工艺高效兼容，通过研制原型装置，设计标准化制备流程，初步实现了“纤维芯片”的实验室级规模化制备。
多学科协同，走通设想到产品之路
据中科院院士、复旦大学纤维材料与器件研究院和高分子科学系彭慧胜教授介绍，这项工作涉及材料合成制备、电子器件构建、电路设计集成和生物应用等多个不同学科。团队所依托的纤维电子材料与器件研究院，近年来已经形成了一支多学科交叉研究队伍。此外，得益于复旦大学的多学科优势，这项工作还得到了来自校内聚合物分子工程全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院、生物医学工程与技术创新学院、电镜中心和中山医院等团队的通力协作。
装有纤维芯片的用于虚拟现实领域的概念产品（袁婧 摄）
未来，围绕“纤维芯片”研究，团队期望继续与来自不同学科的学者一起协同攻关，在规模化制备和应用方面，团队已建立了自主知识产权体系，期待与产业界加强合作，推动实现更广领域高质量应用，为我国集成电路产业自立自强贡献力量。
该研究得到国家自然科学基金委、科技部、上海市科委等项目支持。复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系、先进材料实验室教授彭慧胜、陈培宁为本论文通讯作者，博士研究生王臻、陈珂和博士后施翔为共同第一作者。
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