探究硅制可降解電的可行性

有些科學家想制造出能存世幾百年甚至上千年的東西，有些科學家卻想讓他們制造出的東西快速消亡。日前，來自美國的一個科研團隊就想方設法地要讓看似經(jīng)久耐用的硅制電路在幾天甚至十幾個小時之內化為烏有。

他們將這種能夠在水或者生物質液體中存留一定時間而后發(fā)生分解的電路稱為“瞬時電路”。該技術將有望在生物醫(yī)學植入、可降解傳感器以及許多其他半導體設備領域獲得應用。

這項研究由美國伊利諾伊大學厄巴納—香檳分校的約翰·羅杰斯和塔夫斯大學的洛倫左·奧姆內托領銜，相關論文發(fā)表在《物理評論快報》上，他們對各種可溶性半導體材料的性能和溶解時間進行了分析。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世紀才能溶解，但硅薄片卻能在一個看似緩慢但仍能被人接受的時間內完成分解，這個速度大概是每天5—90納米。硅在水中溶解，會與水反應形成硅酸。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)學植入和環(huán)境監(jiān)測中進行應用。

在這項新的研究中，研究人員對二氧化硅和鎢的溶解特性進行了分析，這是他們用來制造場效應晶體管和環(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周的時間，二氧化硅組件的溶解速度從3個月到3年不等。

研究人員發(fā)現(xiàn)電子設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。通過顯微鏡觀察，他們發(fā)現(xiàn)，電路的溶解并不是按照一層一層的方式來進行的，而是有些地方的溶解速度更快。這是由于一些電路的機械結構更為脆弱，溶液更容易滲入其中。

雖然有機電子材料也能夠實現(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金屬氧化物半導體（CMOS）制造工藝能夠實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的特征。

羅杰斯稱，他們在此項研究中最大的一個發(fā)現(xiàn)是，制造傳統(tǒng)芯片的工廠完全能夠通過選材、設計以及加工工藝順序的改變生產(chǎn)瞬時電路。這將在很大程度上降低瞬時電路制造成本，縮短其技術轉化過程。

瞬時電子設備具有非常廣泛的應用領域，特別是在醫(yī)療領域當中。例如，它們可以被用來制造可以溶解的導管；用來監(jiān)測腎臟、心臟或肺的可生物降解的傳感器；術后用于監(jiān)測細菌感染的水溶性電子設備等。在用于環(huán)境監(jiān)測時，瞬時電路可以從遠程位置發(fā)送數(shù)據(jù)，任務完成后可降解到土壤當中，減少對環(huán)境帶來的污染。

羅杰斯說：“我們正在與一些工廠進行接觸，希望能一起制造出更先進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，相信在不久的將來上述設想都能夠成為現(xiàn)實。

編輯：jq