来自西安的青年科学家突破芯片材料极限,发明可拉伸微芯片,让高性能半导体材料“软”下来|专访

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来自西安的青年科学家突破芯片材料极限,发明可拉伸微芯片,让高性能半导体材料“软”下来|专访
麻省理工科技评论 2020-07-10

2020-07-10

材料研究,应该从应用出发。
芯片 科学
材料研究,应该从应用出发。

中国芯片的尴尬局面,一定程度上也有芯片材料的“锅”。

近日刚刚上榜《麻省理工科技评论》2020 年度全球 “35 岁以下科技创新 35 人” 榜单(TR35)的王思泓告诉 DeepTech,芯片制备过程中离不开材料,其涉及到的材料还非常广。

从硅的晶圆加工,再到芯片光刻时用的光刻胶、薄膜沉积需要的靶材等,都属于材料范畴。而中国目前在上述领域的市场占有率相对较低,因此只有加快研发,才能在知识产权和专利方面有所突破。

目前,王思泓是芝加哥大学分子工程学院的助理教授,曾经师从美国国家工程院院士鲍哲南和中国科学院外籍院士王中林。这个 33 岁的青年,已经以第一作者身份在《自然》《科学》等顶级期刊上发表 24 篇论文,他对于材料在芯片制备中的作用,有着深刻的理解。

王思泓表示,对于芯片制造来说,材料起着承上启下的作用。要把一个材料吃透,或者提供出在性能上有突破的材料设计,需要对基础物理和基础化学,有非常深入的理解。

另一方面,材料作为重要的技术支撑,可以成为芯片研发的核心突破口。对于很多材料学家来说,要想把研究真正做得可以解决实际问题,就不能局限于做出新材料本身,而是在研究立项时就从实际应用出发,去寻找到当前应用最需要解决的技术瓶颈。

对于材料学家来说,并非材料做出来、发了论文就万事大吉,其也最好参与到应用过程中。因为在应用过程中,还会发现新的问题,只有凭借这些反馈,才能进一步去优化材料的设计,从而把材料和技术真正结合起来。

科学家突破芯片材料极限,让高性能半导体材料“软”下来

图 | 王思泓(来源:受访者供图)

如今在采访中侃侃而谈的王思泓,对化学的热爱可以追溯到初中。初三暑假时,王思泓找来高中所有的数理化教材,用一个暑假自学全部高中数理化。

高中时,王思泓进入西安最好的高中之一西工大附属中学读书。2005 年高考,王思泓以陕西高考应届考生理科第一名的成绩,考入清华大学材料系。

于此同时,他的爱好也没有落下,小学毕业时就已取得钢琴七级证书,在清华读书期间他还是合唱队队员。谈及为何如此自律,他说母亲是大学教授,学习兴趣得以从小就培养起来。

从高中考入清华大学学习材料专业,到考上佐治亚理工大学读直博,再到去斯坦福大学做博士后研究,最后落脚芝加哥大学分子工程学院。

这位辗转中国北京、美国东南部、美国西部和美国中部的青年,尽管在美国已经生活十年有余,国籍依然是中国,他在采访中没有 “冒” 出哪怕一个英语单词,他说中文是他不能忘却的母语。

而王思泓本次上榜 TR35 的理由是“开发的可拉伸微芯片,使各种新设备成为可能”。从 2015 年进入斯坦福大学开始,他开始了长达五年的芯片研究,并以第一作者的身份在《科学》和《自然》上发表两篇相关论文。

可拉伸微芯片,给芯片应用带来更多可能

含王思泓在内,共有七八位斯坦福研究人员参与上述研究。除此以外,韩国三星集团对该项目提供了资金支持和人员支持。

王思泓认为,三星作为国际领先的半导体企业,敢于在应用前景不明确的情况下,给高校研究队伍出钱出力,其拥有的高远视野,是中国厂商应该学习的。

据他介绍,当时三星共计支持斯坦福六个课题组,涵盖材料研发、器件设计、能源、材料力学模拟、电路设计和产品设计等。

所有课题组的技术综合起来,为的是最终做出能投入市场的新型电子产品。当时,三星还会定期跟斯坦福的技术团队开会了解进展,同时提供来自三星的建议和反馈。

以论文来倒推可拉伸微芯片的研究进展来看,2017 年,王思泓以第一共同作者的身份,在《科学》杂志发表题为《通过纳米受限效应实现高度可拉伸的聚合物半导体膜》(Highly stretchable polymer semiconductor films through the nanoconfinement effect)的论文。

科学家突破芯片材料极限,让高性能半导体材料“软”下来

图 | 高度可拉伸的聚合物半导体膜原理图 (来源:《通过纳米受限效应实现高度可拉伸的聚合物半导体膜》)

这篇论文的主要亮点,在于解决了材料方面的限制。王思泓认为,没有半导体,一切电子电路都无从谈起。而传统半导体主要以硅为材料,但是硅非常脆弱,几乎不能承受机械形变。

尽管在弯曲性能上,半导体高分子比硅晶体表现更佳。但要想达到橡胶一样的弹性,仍旧非常困难。因为其面临着材料结构上的限制。

具体来说,高性能半导体材料一般得具备高致密、高规则度的晶体排布,但从材料的基本力学特性上来说,这种排布方式无法承受大规模形变。

综合来说,在此之前的研究主要面临的难点是,当时,尚无任何半导体材料能在提供实际应用所需要的电学特性的同时,达到与人体紧密结合所需要的弹性形变能力。

为解决上述难题,王思泓和团队运用高分子纳米受限效应,使高分子半导体内部的分子链交互作用的状态、及其排列状态产生巨变。同时这一变化,还不会影响高分子半导体的电学特性。

在此情况下,高分子半导体依然可以拥有和硅半导体一样的电学特性,但材料长度却达到原来的两倍。这种弹性形变能力,会给器件功能的发展,提供更多的可能性。

上述工作,是王思泓研究的第一个过程。对他和团队来说,搞定了材料问题,只是完成了整个技术路线图的第一步,还远远不够,为此他们开始第二项研究。

科学家突破芯片材料极限,让高性能半导体材料“软”下来

图 | 王思泓在实验室

第二项研究的成果,王思泓以第一作者身份,撰写论文并发表在《自然》上,此次研究的亮点在于,材料性能得以真正发挥。

王思泓总结称,想让材料真正发挥性能,就必须放到器件里,甚至放到更复杂的、小型化的、且可以大规模制造的器件中,然后再把这些器件连接成不同的电路设计,从而实现各种功能。

确定好思路后,第二步便是设计器件,即把高可靠、高密度的器件阵列和电路制造出来。具体到材料使用上,该团队用到的材料,全部是高分子材料,这完全迥别于传统半导体工业用的无机材料。

高分子材料和无机材料,在物理和化学特性上,存在着巨大差异。所以当前传统电子工艺使用的微加工技术,在基于高分子材料的可拉伸器件上,根本无法适用。

因此他们必须开发出一套新的器件设计和制造技术,才能进一步支撑整个领域向前发展,也才能让材料真正走向更丰富的实际应用中。

后来,王思泓基于对高分子材料物理化学特性的深刻理解,为晶体管中的每一个可拉伸材料组件,开发出独特的图形化方法,并实现了这些加工步骤之间的相互兼容性,以及对不同材料选择的普适性。

最终,他们发展出一套全新的专门为可拉伸高分子材料设计的器件微加工工艺,最终得出世界第一个高产率、高密度的可拉伸高分子晶体管阵列,并用它实现出一系列的集成电路原件。

用高分子做更多的器件

博士后出站后,王思泓在芝加哥大学的工作,仍以高分子研究为主,只是不在局限于晶体管,而是扩展到人体交互器件上。

这种器件,主要使用纳米材料。目前,他已经开发出一种名为 “纳米发电机” 的设备,该设备可以利用人体能量为设备供能,从而让设备摆脱电池的寿命限制。

王思泓做的这种纳米发电机,主要基于摩擦起电的原理。打个比方,太阳能电池是把光能转化为电能,即新能源发电方式。而纳米发电机,是把人类运动所产生的能量转化成电能。

事实上,不管是人体表面的肢体运动,还是人体内部的器官运动,人类总归是在不断运动的,所以这是很有效的能量来源。

但截止目前,这种能量的利用率很低。而王思泓研究发现,人类能量的一个很重要的利用方向,便是和可植入的器件来共建产品,特别是共建需要长期植入的器件,比如心脏起搏器。

当前的可植入器件,唯一可用的能量方式就是电池,比如锂离子电池等。手机或者电脑等器件在使用电池时,总有把电量耗光的时候。

并且,这种电池不像体外设备那样,可以随时充电或换新电池,而如果能从人体提取体内现有能量,并把其转化成电能,就能源源不断地给电学设备供电。

如此便能解决电子器件、和电子系统在人体上长期兼容工作的问题。在此之前,这是业界一直尚未攻克的技术瓶颈。

如何让电子电学的器件技术和人体达到长期稳定的结合,并能进行稳定的工作,也是王思泓研究的核心主题。

数码产品要充电,必须插在电源上。但是人体内没有插头,所以人体能量无法直接给数码产品供电。

但是配上纳米发电机以后,就相当于给电池造出一个蓄水池,用电时就相当于蓄水池在放水,充电时则是人体利用体内能量转化成的电能,在给蓄水池补水。

科学家突破芯片材料极限,让高性能半导体材料“软”下来

图 | 纳米发电机的应用

近年来,纳米发电机已经获得长足的发展,其已经可以用在收集各种各样的能量上,比如环境能量和机械能量。

不同的能量来源,所需要的纳米发电机,在器件设计上也不一样。而 “纳米发电机” 这一技术已经可以做到,对所有无规律机械能,如环境能量或人体能量,都采取有效的收集方式,并把它们转化为能量,最终投入应用。

纳米发电机的发明,在于利用纳米材料制备出小型纳米器件,并用其实现电能转化。其中用到很多纳米材料的合成、制备、表征,然后再加上器件的集成。

截止目前,王思泓累计发布 58 篇论文。在他看来,从芯片材料到纳米材料,材料天地大有可为。

这位来自西安古都的青年专家,虽然身在海外,但时常回国、并在国内高校分享经验。在美国工作,永远不是这位中国80后、对祖国技术发展做贡献的限制。

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