荷葉集能

陳號天

習(xí)近平總書記在十九大報告中指出，“創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，是建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的戰(zhàn)略支撐。要瞄準世界科技前沿，強化基礎(chǔ)研究，實現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破。”

微電子學(xué)是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心，信息產(chǎn)業(yè)的基石，芯片雖然僅有指甲蓋大小，但它體現(xiàn)了人類最先進的科學(xué)技術(shù)水平。從設(shè)計、制造到封裝，一片微電子芯片需要技術(shù)密集的工藝線與高度的國際協(xié)作才能完成。

北京大學(xué)微納電子學(xué)研究院的歷史，可以追溯到1956年我國著名物理學(xué)家、半導(dǎo)體技術(shù)的奠基人黃昆院士在北大創(chuàng)建的我國第一個半導(dǎo)體專業(yè)。近年來，在全體師生的共同努力下，學(xué)院打破了多項國際壟斷技術(shù)壁壘，成果列入國際半導(dǎo)體技術(shù)路線指南;提出的相關(guān)國際標準成為首個中國提出的微機電領(lǐng)域的標準。學(xué)院還重視產(chǎn)學(xué)研并舉，通過與中芯國際等企業(yè)的合作，將科研成果推向了產(chǎn)業(yè)化，為我國實現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)的超低功耗集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

作為一名微電子專業(yè)的同學(xué)，自入學(xué)伊始，我便將這份榮耀的歷史與當(dāng)代青年的責(zé)任扛在肩頭。加入張海霞教授課題組之后，我的研究方向聚焦在微型能量采集器件的設(shè)計和加工上。能源問題是困擾全球的關(guān)鍵問題，許多科學(xué)家致力于水能、風(fēng)能等可再生能源的收集與應(yīng)用。而在宏觀能量之外，人們生活中還布滿了微型能量，比如人們?nèi)粘５男凶摺⑦\動，都是能量的消耗。如果能將這部分微小能源收集起來，積少成多，就有機會實現(xiàn)低功耗電子設(shè)備的能源供給。要想實現(xiàn)這一切，就離不開微電子學(xué)科的設(shè)計與加工技術(shù)。

針對日益增長的可穿戴電子設(shè)備，我提出可設(shè)計一種手環(huán)狀的能量采集器，用于便攜式電子設(shè)備能量供給。器件整體具有柔性，可以像腕帶一樣佩戴在手腕上，隨著人行走時的揮臂，器件內(nèi)部的液體流動劃過雙螺旋電極，在摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)的作用下，可以在兩個電極之間產(chǎn)生交流電，將人體運動的能量轉(zhuǎn)化為電能。為實現(xiàn)能量采集器為商業(yè)電子元件供能，如何提高能量轉(zhuǎn)化效率是關(guān)鍵，具體來說，就是如何實現(xiàn)液體在器件內(nèi)部迅速、流暢地運動。

在嘗試過不同的材料之后，我突發(fā)奇想地想到了自然界出名的“荷葉效應(yīng)”。水滴落在荷葉上后，會彈起并立即滾落下去，形成“大珠小珠落玉盤”的奇妙現(xiàn)象，其潛藏的科學(xué)原理在于荷葉表面密布著肉眼難以觀察的微小結(jié)構(gòu)，這種復(fù)雜多樣的微納米結(jié)構(gòu)正是我們微電子行業(yè)加工制作芯片技術(shù)的基礎(chǔ)。于是，我決心用專業(yè)手段來復(fù)制自然界的這一奇妙現(xiàn)象。

為弄清楚荷葉疏水的原因，我每天清晨去學(xué)校湖邊采集荷葉。通過顯微鏡觀察荷葉表面結(jié)構(gòu)，我利用十幾道微電子工藝復(fù)制了這一仿生結(jié)構(gòu)，然而性能都不及荷葉。之后，我又重新對荷葉進行了更為細致的觀察，發(fā)現(xiàn)在荷葉的微米結(jié)構(gòu)之下還有更小的納米結(jié)構(gòu)，我想這應(yīng)該就是解決問題的關(guān)鍵了。為了全面復(fù)制荷葉中微納米復(fù)合的結(jié)構(gòu)，我采用的微電子工藝從十幾道增加到了幾十道。最終，我做出的微納結(jié)構(gòu)大大增強了能量采集器的轉(zhuǎn)化效率，使設(shè)計的器件不僅僅局限于概念創(chuàng)新階段，更為其走向?qū)嵱玫於嘶A(chǔ)。

最終，我的研究成果被微電子領(lǐng)域內(nèi)的頂級會議IEEE MEMS接收，獲得了業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的認可。

責(zé)任編輯：曹曉晨