将硅片的处理能力与塑料的柔韧性结合起来，就可获得可以卷曲的柔性芯片。它的秘密存在于奇特的边界层：有序向无序的过渡。
在南极洲冰冷的水中，冬天的比目鱼悠闲的游来游去，丝毫未觉察到位于地球另一侧实验室中的科学家已经对它们产生了浓厚的兴趣。比目鱼在海水中的表情是闲适的，人们对此感到迷惑不解：它身体血液中的水分子为什么没有结成冰呢？
比目鱼于严冬幸存下来的秘密就在于它身上拥有某种抗冻蛋白质——当 血液中无序的水分子向着有序结构的冰分子转化时，这种潜伏着的蛋白质就及时挺身而出，将冰分子结构破坏，正当比目鱼能够抑制血液凹处分子有序化的时候，研究人员也同时在尝试着对处于有序与无序两种材料边界处的情况作出了解，绘出图形并控制其变化。最终他们希望这将有助于研究人员想出更好的办法去保存冷冻食品或设计出对于指令具有非凡性质的材料。
不过，研究人员的首要目标是将硅片的处理能力与塑料的柔韧性结合起来，以便制造出一种廉价、能弯曲以及可随意处置的电子学器件。这一设想听起来好像很简单，但是在分子水平上，两种材料的性质却是截然相反的。塑料是聚合物链的无序缠结，而硅则由匀称的有序晶体构成。为了理解将二者结合在一起时所具有的性质，需要对有序与混沌相遇时发生的情况——在比目鱼血液中出现的恰恰是这种情况——作出鉴别。
如果研究人员确实能够使它们结合在一起，就可能导致某种类似药物包装的安全包装法，例如，为使供游戏用的聚合物显示屏不致损坏，当你用手指触摸屏幕时，有关健康或医疗劝告之类的信息就会出现。还有可卷曲起来放在口袋里供观光者使用的电子地图，或供在偏僻地区施工用的工程师手中的布线图等。然而这种塑料—硅结合体的应用远不止于显示屏之类：它们还能用于制造扬声器，话筒，以及新一代探测污染物质或诊断疾病的传感器。
对于如何大量制造塑料与硅片，我们已经熟知，只要再向前迈出一小步，就可以制造出廉价与可以任意处置的器件。传统电子元件大多以刚性形式出现，例如，大部分笔记本电脑显示屏是在玻璃与液晶聚合物之间夹人一层硅而构成。玻璃，其厚度约为100微米，起到绝缘体与支撑层作用。用蚀刻法将涂在玻璃层之上的硅层蚀刻出数千个微小的晶体管，这些晶体管可以对位于其上的液晶聚合物中的每个元件——象素——提供视频信号， 使之作出开、关运行，由此即可得到一幅视频图像。但厚玻璃层排除了可对这些器件作出折叠或弯曲处置的任何可能性，建造柔性电子学器件的明显方法就是去转变全部聚合物的结构。
研究人员已经于1994年利用薄层半导体聚合物制造出晶体管。问题在于，利用这种方法制造出的晶体管，电子在聚合物中的传播速度要比在硅中慢得多。所以，利用聚合物制造出的电子学器件，它的运行速度要比与之相当的硅装置慢数百倍，由此也就限制了它们的处理能力。
当前，世界上有两个研究小组已经掌握了一种制造柔性电子学器件的方法。纽约州伊萨卡康乃尔大学与位于旧金山附近的劳伦斯 · 利佛莫尔国家实验室的研究人员准备利用硅与聚合物去制造出一种原型电子学器件。他们的诀窍其实很简单，用一层塑料取代玻璃支撑物，并使位于其上的硅层变得如此之薄，以致整个电子学器件将是柔性的。
为了做到这一点，他们将一层约为50纳米厚的硅电路沉淀到柔性聚合物支撑体上。“我们将这一薄层硅铺在塑料层之上，使它仍能保持柔性”，康乃尔大学物理学家迈克尔 · 汤普森说。结果将获得一种可以像薄塑料那样弯曲的高速电子器件。最重要的是，它将向制造商们提供一种可大批量制造、价格又低廉的显示屏的能力。因为他们可以采用一种与印刷工业板类似的过程去一次“印”出数千米长的显示屏。这些显示屏将可被切割成任意形状。实际上，利佛莫尔实验室的研究人员对未来的聚合物一硅 器件抱有极大的热忱，他们将工作委托给于去年9月成立的一家称为FlexCs的公司，并希望将能大量生产柔性电路。
与此同时，美国国家科学基金会已允诺向以化学工程师波莱特 · 克兰西为首的康乃尔大学研究人员拨款170万美元，以便对进行这样一种研究提供支持：即当聚合物与硅相遇时会发生何种现象。汤普森对究竟如何去创造出这种原型器件仍没有完全的把握。“我们所从事的工作尚有不少变数，其最终目标是要找到某种工艺。我们还不清楚如何去做到这一点。”但是，他希望他们的研究工作将能提供某些答案。
在制造阶段，他们所要克服的最大困难之一是：你如何去处理好这两种性质截然不同的材料呢？“如果正在制造的是一种传统的柔性半导体器件，那么，它大约需要200个处理步骤”，克兰西说。“这些处理步骤中有相当一部分涉及在烘箱中对芯片进行粘连。这样做是为了使聚合物熔化。”这些高温处理步骤是必须的。为了制造一块硅半导体芯片，一种非晶硅层被首次作为支撑物来使用。但是，对于建造高速电子器件而言，非晶硅并不理想，因为电子不能在非晶硅的随机排列的原子中快速穿过。所以，在蚀刻前，必须将其转变为晶体硅。最简单的转变方式，是将它加热到800℃左右。当冷却时，它的原子就被准直成微小的晶体。为了制作出晶体管，也必须向晶体硅内掺入杂质。例如，将硼原子掺入硅，可提供额外的携带电流的电子或空穴，空穴对于传输信号也是必需的。另一方面，使这些掺杂剂进入硅的最好的方式是将材料加热到高温。但是，像塑料这一类聚合物，在120℃左右时就会熔化，所以，研究人员必须找到这样一种处理方法，即在加热硅的同时能保持聚合物处于冷却状态。
幸运的是，他们于去年找到了答案，即利用由高功率激光器发出的短光脉冲加热。当他们向在其上涂有40纳米厚的—层硅的聚合物片上发射持续时间为35亿分之一秒的紫外光脉冲时，他们发现大部分光被厚度达10纳米的表层硅吸收掉。尽管硅片层在瞬间达到1000℃左右，位于硅与聚合物之间的氧化硅薄层，其作用是形成有效的热障，可以使聚合物在激光加热下几乎没有熔化迹象。
研究人员还发现，激光脉冲束也可被用于驱使掺杂剂原子进入硅。他们的实验结果是获得一由数百个硅晶体管开关组成的柔性芯片，其线度约为10厘米。为了建造诸如交互式显示屏这一类器件，研究人员计划将聚合物象素层沉淀到硅片上部，每个象素都将受到位于其下的晶体管的控制。或者聚合物层对于触摸是敏感的，或者在聚合物中应包含有传感器设计，以便去拾取化学污染物的踪迹。当显示屏被触动时，传感器能产生电信号，接着电流流向晶体管，再后，晶体管即可作出或开、或关的动作，对信号作出处理。
尽管研究人员已经解决了某些难题，但仍有一些基本问题有待解决。如果要求这些器件能有效的工作，那么，电流就应当从硅层毫无阻碍地向聚合物流去，然后再返回。当电流平稳、快速地穿过硅晶体时，对于一个电子而言，向着聚合物层的运动就犹如一个冲击过程。聚合物链一般形成一缠结，与连在一起的一组绝缘套管相类似，并且在链与链之间留有较大缝隙，因而对电子的穿越形成障碍——电子 在聚合物中的迁移率要比在硅中的迁移率慢200倍左右。甚至从聚合物层开始穿越边界到达另一侧的硅层也是一个挑战。
简而言之，硅-聚合物芯片终究是—种应被撮合成的婚姻。那么，究竟怎样做才能使材料做到最佳结合呢？克兰西认为，改进硅-聚合物之间的关系涉及对边界，在这里混沌与有序相遇所发生状况的理解，而这一问题在比目鱼身上每天都发生着。没有一个人完全有把握知晓比目鱼的抗冰冻蛋白质是如何工作的。以某种方法，它们似乎能准确地定出正在形成中的冰晶的位置并将其包围起来——蛋白 质所发挥的作用犹如在有序的冰与无序的水分子之间筑起一道屏障。不过，人们还不清楚蛋白质本身的确切位置在何处，因为冰水界面显得模糊不清，要定义它是困难的。
基于此，克兰西费时多年对这一过程 的细节进行研究。在分子水平上她已经观察到鱼血液中冰晶的生长、解体与再生长的情况。她利用所获得的数据开发出一种计算机仿真模型，对有关蛋白质对晶体生长的抑制情况进行了模拟。当前，她正计划应用其模拟专长去描绘出有序与无序的存在图——当难以控制的聚合物与完好的有序晶体结合在一起时，“最终目 标是要围绕有序的建立获得一数学公式，"克兰西说。利用计算机模拟，她希望能够对聚合物膜部分进行仿真，并计划利用一“有序参数”去刻画它的特征。应当给出某些实质性东西对它的性质作出预言，由此可以告知研究人员如何理想地去建造一个电子学器件。
但是“有序”究竟意味着什么呢？你怎么做才能对既不是完全的有序，也不是完全的无序这样一种情况作出模拟呢？“当你把玩一块水晶，或将它沉入水中时，这些有序参数是很直观的，”克兰西说。在这里可引用教科书的定义：固体有着规则结构，由定义完美的原子或分子组成，它们的位置是可预言的。另一方面，液体分子是随机排列的，其方向也是随意的。可是无论如何，这些定义并不始终能被应用。例如，聚乙烯它既包含有序区域，又包含无序区域。“事实上你得到了非晶畴与结晶畴，它们通过某些相，这些相既不是晶体，也不是非晶体，互相连结起来；”联合研究小组聚合物模拟专家费尔南多 · 埃斯科韦多说，“这些区域对于理解秦合物性质很可能是重要的。”
众所周知，多晶硅就是由大量有序排列完美的晶体构成——在某一较小尺度上量现出有序，而在另一更大一些的尺度上则呈现出无序。所以，精确的模拟工作应该起到类似于显微镜的作用：它能够查看单个原子中的电子：但同时它也应将材料当作一个整体来查看——它的力学性质以及它对加热的反应。如果你想要将这两种材料粘连起来，交换电子，并且从那以后能一直幸存下来，那么，也必须对它们相遇的界面作出仿真。
强劲的挑战
对任何形式的仿真而言，它所需要计算的工作量都是非常巨大的。从前，当研究人员模拟聚合物结构时，他们是采用简单的经典模型去描述链的形成方式。这些模型可用于查看聚合物如何弯曲，或描绘出链上分子之间弯曲的角度。到目前为止，利用这些模型一直无法去发现由量子力学控制的诸如传导率这样一些变量。“采用任何其他不同于经典函数的模型去对粒子之间的作用力作出模拟，其计算上的工作量实在是过于巨大了，”克兰西解释说。不过，对于像硅这样一类半导体来讲，就有不同的情况了，“采用量子力学方法，可以对硅作出但定不变的模型。”这是由于，硅是作为电子学器件来使用的，所以人们对它的关注之处，仅在于移动电子穿过材料时所需要的能量如何。
换句话说，克兰西指出，“要按照与描述硅所用相同的方法去对聚合物的结构作出说明是困难的。”对这两种类型的材料，研究人员传统上采用分别模拟的方式：尚没有一种模型对于二者均适用。故克兰西求助于康乃尔大学的同事迈克尔 · 特特，他发展出一种对原子及电子的行为进行计算机仿真的方法，它涉及到量子力学所固有的精巧之处，可完全不必将仿真与一小群计算机关连起来。特特的理念是采用精巧近似法与平均策略。“对某些细节，你并不需要真正地去追究，”他说，“只要你能获得它们的平均精确度就可以了。”采用这—方法，特特发明一种计算机模拟方法，可以同时处理数百个原子，比传统处理方法要快上1000倍，而其精确度并没减少。“通常需要两年才能解决的问题，现在只需要一天或两天”，他说。特特可以将元素周期表中前面18个元素中的任何一个与希望与之起反应的任何新材料结合起来。幸运地是，这些元素涉及到硅、碳、氢、氧与氮：即新的聚合物-硅电子学器件中所包含的全部成分均被包括了进去。利用他开发出的近乎完美的仿真方法，特特与克兰西正在解开与聚合物-硅相结合有关的谜团。如果一切均能按计划实施的话，那么，一种全新的柔性电子学器件将呈现在人们面前。
不过其他一些研究人员对这一点尚未表示确信。卡文迪什实验室的理查德 · 弗兰德认为，聚合物-硅相结合实际上是将向未来真正的柔性电子学器件全塑料器件这一努力方向转移了开来。不过克兰西却相信，聚合物-硅电子学器件这一技术将赢得未来，对此所作出的预言一点也不早，“我们目前正在从事有关这一类元件的处理能力、可靠性、柔韧性以及可制造性诸方面的研究。”
[News Scientist，2000年1月29日]
