鮑哲南最新研究登上Nature！靈敏度超人類指尖，可點亮電腦顯示器

靈敏度超人類指尖十倍，運行速度快 1000 倍，可點亮商用電腦顯示器，甚至還能用於腦機接口......

剛剛，斯坦福大學化學工程系教授鮑哲南及其團隊，帶着更小更快的類皮膚可拉伸集成電路，登上了今日 Nature。

據介紹，這是一種新的類膚集成電路設計和製造工藝，這種集成電路不僅運行速度快，且體積比早期版本小五倍。要知道，小型可穿戴或植入式電子設備也可以實現檢測健康狀況、診斷疾病等功能。

對此，鮑哲南表示，“我們已經取得了重大飛躍。可拉伸集成電路第一次變得足夠小、足夠快，足以滿足許多應用的需要。我們希望這可以使可穿戴傳感器以及植入式神經和腸道探針更加靈敏，操作更多傳感器，並可能消耗更少的功率。”

小型可穿戴設備難題被解決

當前，可穿戴電子設備越來越與我們的生活密不可分。市場上的可穿戴設備大多爲佩戴式，或者爲非植入式。另一種則爲小型可穿戴設備（植入式電子設備），其不僅可以實現檢測健康狀況、診斷疾病等功能，還可以爲改進自主治療提供機會。

但是，與非植入式的電子設備相比，植入式具有更高的技術門檻。設備需要在實現功能的同時，不加重或損壞周圍的細胞，不僅需要在移動時與體內組織一起彎曲和拉伸，而且還需要足夠柔軟，以免造成組織的刮傷和損壞。

爲此，鮑哲南團隊在可拉伸電子學領域進行了一系列重要研究，主要涉及材料選擇、製備工藝和器件結構等方面。他們使用了一系列先進的材料和製備技術，從而實現可拉伸電子器件的高性能和可靠性。

圖｜可拉伸晶體管和電路在電子皮膚應用和高性能要求中的核心作用。

首先，在材料選擇方面，研究團隊採用了多種先進材料，包括碳納米管（CNT）、聚合物、金屬合金等。

這些材料在可拉伸電子學中具有重要的應用潛力，因爲它們具有優異的可拉伸、導電性和機械性能，可以實現可拉伸器件的高性能和可靠性。其中，碳納米管作爲電極材料具有優異的導電性和機械強度，適用於製備高性能的可拉伸電子器件。

其次，在製備工藝方面，研究團隊採用了旋塗、噴塗、光刻、熱蒸發等。這些製備技術能夠實現對材料的精確控制和器件結構的精密製備，從而確保器件具有良好的性能和穩定性。例如，他們利用旋塗和光刻技術，製備了高分辨率的電極圖案，實現了器件的精確控制和高性能。

圖｜可拉伸電子器件的三維圖，由可拉伸基板、柵電極（底部電極）、柵極電介質、S/D電極、半導體、溝道封裝、跨接電介質、頂部電極（互連）和頂部封裝組成。

在器件結構方面，研究團隊設計了多種創新性的可拉伸電子器件結構，包括晶體管、電極、互連等。這些器件結構能夠實現對電子器件的功能性和性能的有效控制，從而實現了可拉伸電子器件的高性能和可靠性。例如，他們設計了一種新型的晶體管結構，利用碳納米管作爲電極材料，實現了器件的高導電性和穩定性。

圖｜在 4 英寸晶圓上製造的高速電路單元。

效果究竟怎麼樣？

在此次工作中，研究團隊首先對碳納米管（CNT）進行了精細的處理，採用超聲處理和離心純化等方法，獲得了均勻分散的 CNT 溶液。

隨後，在柔性基底上，採用旋塗、噴塗等工藝製備薄膜。接着，利用光刻和蒸發沉積等工藝，製備柔性晶體管結構，並定義源漏電極和柵電極。

同時，研究人員通過噴塗或旋塗碳納米管等導電材料，並採用熱蒸發法沉積金屬以降低接觸電阻，製備了柔性電極。在互連方面，團隊採用了光刻和金屬蒸發等工藝，確定互連電極的形狀和位置。

研究團隊對以上器件進行了電學性能測試，包括測量晶體管和電極的電流-電壓特性曲線、傳導性能和導電性。

此外還進行了形變測試和穩定性測試，評估了器件在不同形變狀態下的電學性能和穩定性。

實驗結果表明，製備的柔性晶體管具有優異的電學性能，柔性電極展現出良好的導電性和柔韌性，柔性互連電極具有良好的導電性和可靠的連接性。

經過長時間的形變和穩定性測試，器件的電學性能基本保持不變，表明製備的柔性電子學器件十分穩定可靠。

圖｜可拉伸的電子器件在大變形下的照片。

在一次新的可拉伸電子設計演示中，研究團隊能夠在一平方釐米的空間內裝入2500多個傳感器和晶體管，形成一個有源矩陣觸覺陣列，其靈敏度是人類指尖的十倍以上。

研究人員表明，傳感器陣列可以檢測微小形狀的位置和方向，或識別盲文中的整個單詞。

“對於盲文，你通常一次只能感知一個字母，”鮑哲南實驗室的博士後研究員、論文共同第一作者 Donglai Zhong 說，“有了如此高的分辨率，你只需輕輕一觸，就能感知整個單詞，甚至可能是整個句子。”

研究團隊還利用他們的可拉伸電路驅動刷新率爲 60 Hz 的微型 LED 顯示屏，這是電腦或電視屏幕的典型刷新率。以前版本的可拉伸電路尺寸小，速度不夠快，無法產生足夠的電流來實現這一目標。

而在生物醫學應用方面，研究團隊認爲，高密度、柔軟、可適配的傳感陣列可以讓穿戴者大範圍、高分辨率地感知人體信號，比如來自大腦和肌肉的信號。這可能會帶來下一代高性能和生物兼容的腦機接口。

從實驗室到成功應用到現實生活，這項研究已經做出了關鍵性的突破，然而，依然需要一些改進和優化。

例如，儘管已經採用了多種材料來製備柔性電子器件，但一些材料的選擇十分受限；並且製備工藝的要求也很高，需要嚴格控制各種工藝參數，包括溶液濃度、旋塗速度、光刻曝光劑量等。

此外，柔性電子器件在長時間使用或受到外界環境條件變化的影響時，其性能穩定性可能會受到影響。特別是在實際應用場景下，如機械彎曲、環境溼度變化等情況下，器件的性能穩定性可能面臨挑戰。

在電子皮膚時代，想象力邊界在哪裡？

十多年來，鮑哲南團隊始終致力於開發電子皮膚，並在可穿戴領域做出了很多創意十足的突破性研究。

例如，在 2022 年發表在 Nature 上的一篇研究中，鮑哲南團隊介紹了一種極富彈性的可穿戴顯示器，其最大亮度至少是手機的兩倍，在拉伸至原有長度兩倍時仍能正常工作。這種全聚合物薄膜可以粘在手臂或手指上，在彎曲或彎曲時不會撕裂，這將使可穿戴顯示器直接附着在皮膚上。

其團隊的一些更具想象力的研究，比如可拉伸生物相容性材料，可以像防曬噴霧一樣被噴在手背上，其中的微型電子網絡可以感知皮膚的拉伸和彎曲，這可以把手部運動和手勢與各種日常任務聯繫起來，也許能夠開闢一個屬於隱形設備的時代。

在柔性電子學領域的不斷探索和創新中，該研究展示了令人興奮的成果和潛在應用前景。通過採用先進的材料、精密的製備工藝和創新的器件設計，研究團隊成功地實現了柔性電子器件的小型化和高性能。

相信在不久的將來，柔性電子學將爲諸多領域帶來革命性的變革，實現更廣泛的應用和社會價值。