登上Nature！更小更快、可拉伸的集成电路，灵敏度是人类指尖的10倍

灵敏度超人类指尖十倍，运行速度快 1000 倍，可点亮商用电脑显示器，甚至还能用于脑机接口......

最近，斯坦福大学化学工程系教授鲍哲南及其团队，带着更小更快的类皮肤可拉伸集成电路，登上了Nature。

据介绍，这是一种新的类肤集成电路设计和制造工艺，这种集成电路不仅运行速度快，且体积比早期版本小五倍。要知道，小型可穿戴或植入式电子设备也可以实现检测健康状况、诊断疾病等功能。

对此，鲍哲南表示，“我们已经取得了重大飞跃。可拉伸集成电路第一次变得足够小、足够快，足以满足许多应用的需要。我们希望这可以使可穿戴传感器以及植入式神经和肠道探针更加灵敏，操作更多传感器，并可能消耗更少的功率。”

小型可穿戴设备难题被解决

当前，可穿戴电子设备越来越与我们的生活密不可分。市场上的可穿戴设备大多为佩戴式，或者为非植入式。另一种则为小型可穿戴设备（植入式电子设备），其不仅可以实现检测健康状况、诊断疾病等功能，还可以为改进自主治疗提供机会。

但是，与非植入式的电子设备相比，植入式具有更高的技术门槛。设备需要在实现功能的同时，不加重或损坏周围的细胞，不仅需要在移动时与体内组织一起弯曲和拉伸，而且还需要足够柔软，以免造成组织的刮伤和损坏。

为此，鲍哲南团队在可拉伸电子学领域进行了一系列重要研究，主要涉及材料选择、制备工艺和器件结构等方面。他们使用了一系列先进的材料和制备技术，从而实现可拉伸电子器件的高性能和可靠性。

图｜可拉伸晶体管和电路在电子皮肤应用和高性能要求中的核心作用。

首先，在材料选择方面，研究团队采用了多种先进材料，包括碳纳米管（CNT）、聚合物、金属合金等。

这些材料在可拉伸电子学中具有重要的应用潜力，因为它们具有优异的可拉伸、导电性和机械性能，可以实现可拉伸器件的高性能和可靠性。其中，碳纳米管作为电极材料具有优异的导电性和机械强度，适用于制备高性能的可拉伸电子器件。

其次，在制备工艺方面，研究团队采用了旋涂、喷涂、光刻、热蒸发等。这些制备技术能够实现对材料的精确控制和器件结构的精密制备，从而确保器件具有良好的性能和稳定性。例如，他们利用旋涂和光刻技术，制备了高分辨率的电极图案，实现了器件的精确控制和高性能。

图｜可拉伸电子器件的三维图，由可拉伸基板、栅电极（底部电极）、栅极电介质、S/D电极、半导体、沟道封装、跨接电介质、顶部电极（互连）和顶部封装组成。

在器件结构方面，研究团队设计了多种创新性的可拉伸电子器件结构，包括晶体管、电极、互连等。这些器件结构能够实现对电子器件的功能性和性能的有效控制，从而实现了可拉伸电子器件的高性能和可靠性。例如，他们设计了一种新型的晶体管结构，利用碳纳米管作为电极材料，实现了器件的高导电性和稳定性。

图｜在 4 英寸晶圆上制造的高速电路单元。

效果究竟怎么样？

在此次工作中，研究团队首先对碳纳米管（CNT）进行了精细的处理，采用超声处理和离心纯化等方法，获得了均匀分散的 CNT 溶液。

随后，在柔性基底上，采用旋涂、喷涂等工艺制备薄膜。接着，利用光刻和蒸发沉积等工艺，制备柔性晶体管结构，并定义源漏电极和栅电极。

同时，研究人员通过喷涂或旋涂碳纳米管等导电材料，并采用热蒸发法沉积金属以降低接触电阻，制备了柔性电极。在互连方面，团队采用了光刻和金属蒸发等工艺，确定互连电极的形状和位置。

研究团队对以上器件进行了电学性能测试，包括测量晶体管和电极的电流-电压特性曲线、传导性能和导电性。

此外还进行了形变测试和稳定性测试，评估了器件在不同形变状态下的电学性能和稳定性。

实验结果表明，制备的柔性晶体管具有优异的电学性能，柔性电极展现出良好的导电性和柔韧性，柔性互连电极具有良好的导电性和可靠的连接性。

经过长时间的形变和稳定性测试，器件的电学性能基本保持不变，表明制备的柔性电子学器件十分稳定可靠。

图｜可拉伸的电子器件在大变形下的照片。

在一次新的可拉伸电子设计演示中，研究团队能够在一平方厘米的空间内装入2500多个传感器和晶体管，形成一个有源矩阵触觉阵列，其灵敏度是人类指尖的十倍以上。

研究人员表明，传感器阵列可以检测微小形状的位置和方向，或识别盲文中的整个单词。

“对于盲文，你通常一次只能感知一个字母，”鲍哲南实验室的博士后研究员、论文共同第一作者 Donglai Zhong 说，“有了如此高的分辨率，你只需轻轻一触，就能感知整个单词，甚至可能是整个句子。”

研究团队还利用他们的可拉伸电路驱动刷新率为 60 Hz 的微型 LED 显示屏，这是电脑或电视屏幕的典型刷新率。以前版本的可拉伸电路尺寸小，速度不够快，无法产生足够的电流来实现这一目标。

而在生物医学应用方面，研究团队认为，高密度、柔软、可适配的传感阵列可以让穿戴者大范围、高分辨率地感知人体信号，比如来自大脑和肌肉的信号。这可能会带来下一代高性能和生物兼容的脑机接口。

从实验室到成功应用到现实生活，这项研究已经做出了关键性的突破，然而，依然需要一些改进和优化。

例如，尽管已经采用了多种材料来制备柔性电子器件，但一些材料的选择十分受限；并且制备工艺的要求也很高，需要严格控制各种工艺参数，包括溶液浓度、旋涂速度、光刻曝光剂量等。

此外，柔性电子器件在长时间使用或受到外界环境条件变化的影响时，其性能稳定性可能会受到影响。特别是在实际应用场景下，如机械弯曲、环境湿度变化等情况下，器件的性能稳定性可能面临挑战。

在电子皮肤时代，想象力边界在哪里？

十多年来，鲍哲南团队始终致力于开发电子皮肤，并在可穿戴领域做出了很多创意十足的突破性研究。

例如，在 2022 年发表在 Nature 上的一篇研究中，鲍哲南团队介绍了一种极富弹性的可穿戴显示器，其最大亮度至少是手机的两倍，在拉伸至原有长度两倍时仍能正常工作。这种全聚合物薄膜可以粘在手臂或手指上，在弯曲或弯曲时不会撕裂，这将使可穿戴显示器直接附着在皮肤上。

其团队的一些更具想象力的研究，比如可拉伸生物相容性材料，可以像防晒喷雾一样被喷在手背上，其中的微型电子网络可以感知皮肤的拉伸和弯曲，这可以把手部运动和手势与各种日常任务联系起来，也许能够开辟一个属于隐形设备的时代。

在柔性电子学领域的不断探索和创新中，该研究展示了令人兴奋的成果和潜在应用前景。通过采用先进的材料、精密的制备工艺和创新的器件设计，研究团队成功地实现了柔性电子器件的小型化和高性能。

相信在不久的将来，柔性电子学将为诸多领域带来革命性的变革，实现更广泛的应用和社会价值。

参考链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07096-7