探究硅制可降解電的可行性

有些科學(xué)家想制造出能存世幾百年甚至上千年的東西，有些科學(xué)家卻想讓他們制造出的東西快速消亡。日前，來(lái)自美國(guó)的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)就想方設(shè)法地要讓看似經(jīng)久耐用的硅制電路在幾天甚至十幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)化為烏有。

他們將這種能夠在水或者生物質(zhì)液體中存留一定時(shí)間而后發(fā)生分解的電路稱為“瞬時(shí)電路”。該技術(shù)將有望在生物醫(yī)學(xué)植入、可降解傳感器以及許多其他半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

這項(xiàng)研究由美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校的約翰·羅杰斯和塔夫斯大學(xué)的洛倫左·奧姆內(nèi)托領(lǐng)銜，相關(guān)論文發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，他們對(duì)各種可溶性半導(dǎo)體材料的性能和溶解時(shí)間進(jìn)行了分析。研究表明，硅這種在今天的電子元件中最常見的半導(dǎo)體也能溶于水。

研究人員發(fā)現(xiàn)，雖然大塊的硅需要上百年甚至幾個(gè)世紀(jì)才能溶解，但硅薄片卻能在一個(gè)看似緩慢但仍能被人接受的時(shí)間內(nèi)完成分解，這個(gè)速度大概是每天5—90納米。硅在水中溶解，會(huì)與水反應(yīng)形成硅酸。而硅酸具有生物相容性和環(huán)境友好的特征，因此完全可以在生物醫(yī)學(xué)植入和環(huán)境監(jiān)測(cè)中進(jìn)行應(yīng)用。

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員對(duì)二氧化硅和鎢的溶解特性進(jìn)行了分析，這是他們用來(lái)制造場(chǎng)效應(yīng)晶體管和環(huán)形振蕩器的材料。在生物相容的條件下——溫度37攝氏度，pH值7.4，用鎢制成的部件溶解速度大約是1周的時(shí)間，二氧化硅組件的溶解速度從3個(gè)月到3年不等。

研究人員發(fā)現(xiàn)電子設(shè)備的溶解速度與材料的厚度、溶液中離子的類型、濃度，以及制造二氧化硅原始基板的沉積方法相關(guān)。通過(guò)顯微鏡觀察，他們發(fā)現(xiàn)，電路的溶解并不是按照一層一層的方式來(lái)進(jìn)行的，而是有些地方的溶解速度更快。這是由于一些電路的機(jī)械結(jié)構(gòu)更為脆弱，溶液更容易滲入其中。

雖然有機(jī)電子材料也能夠?qū)崿F(xiàn)可生物降解，但基于硅的電子器件具有性能更好以及使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的特征。

羅杰斯稱，他們?cè)诖隧?xiàng)研究中最大的一個(gè)發(fā)現(xiàn)是，制造傳統(tǒng)芯片的工廠完全能夠通過(guò)選材、設(shè)計(jì)以及加工工藝順序的改變生產(chǎn)瞬時(shí)電路。這將在很大程度上降低瞬時(shí)電路制造成本，縮短其技術(shù)轉(zhuǎn)化過(guò)程。

瞬時(shí)電子設(shè)備具有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在醫(yī)療領(lǐng)域當(dāng)中。例如，它們可以被用來(lái)制造可以溶解的導(dǎo)管；用來(lái)監(jiān)測(cè)腎臟、心臟或肺的可生物降解的傳感器；術(shù)后用于監(jiān)測(cè)細(xì)菌感染的水溶性電子設(shè)備等。在用于環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，瞬時(shí)電路可以從遠(yuǎn)程位置發(fā)送數(shù)據(jù)，任務(wù)完成后可降解到土壤當(dāng)中，減少對(duì)環(huán)境帶來(lái)的污染。

羅杰斯說(shuō)：“我們正在與一些工廠進(jìn)行接觸，希望能一起制造出更先進(jìn)的可降解電路和傳感器，讓具備水溶性的聚合物電路基底成為可能，相信在不久的將來(lái)上述設(shè)想都能夠成為現(xiàn)實(shí)。

編輯：jq