蒙城，是安徽省亳州市的一個(gè)下屬縣，也是莊子的故里。2012 年，來(lái)自該縣蒙城一中的楊權(quán)三以 677 分的高考成績(jī)，成為全市理科第一，后就讀于清華大學(xué)“錢學(xué)森力學(xué)班”。這是國(guó)家“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗(yàn)計(jì)劃”唯一定位于工科基礎(chǔ)的試驗(yàn)班。

2021 年，在“柔性電子之父”、美國(guó)西北大學(xué)“五院院士”約翰·羅杰斯（John A. Rogers）教授課題組，楊權(quán)三獲得了機(jī)械系的博士學(xué)位。

圖 | 楊權(quán)三（來(lái)源：楊權(quán)三）

目前，他在麻省理工學(xué)院（MIT）做博后研究，師從生物工程系教授愛(ài)德華·博伊登（Edward S. Boyden）和機(jī)械工程系教授彼得·蘇（Peter T.C. So），主要研發(fā)三維微納加工技術(shù)，以為光學(xué)、材料、和生物等研究提供反應(yīng)場(chǎng)所。對(duì)于更長(zhǎng)遠(yuǎn)的打算，其表示：“如果有合適的機(jī)會(huì)，我希望入職國(guó)內(nèi)的職位?！?/p>

時(shí)隔十年，回望當(dāng)初全市第一的高考成績(jī)，楊權(quán)三說(shuō)：“來(lái)到大學(xué)后，還是意識(shí)到了自身的很多不足。身邊有太多優(yōu)秀的人，而且優(yōu)秀得各不相同。不過(guò)無(wú)論是學(xué)習(xí)、科研、或是生活，并非爭(zhēng)到第一才是好的。依照自己的興趣，做自己喜歡的事，收獲自己努力后的成果，這也是很開(kāi)心的?！?/p>

而在前不久，其擔(dān)任第一作者的新論文發(fā)表在 Nature Electronics 上。研究中，他把微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, microelectromechanical systems）成功帶入可降解電子器件的“大家庭”中。不過(guò)，距離真正應(yīng)用高性能高集成的可降解電子器件，依然有很長(zhǎng)的路要走。

他表示：“在接下來(lái)幾年里，我們希望把這個(gè) concept 傳遞給其他研究者，吸引MEMS 的研究者和 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的研究者，可降解柔性電子領(lǐng)域進(jìn)行的思維碰撞，為邁向高性能、高集度的可降解芯片而努力?！?/p>

（來(lái)源：Nature Electronics volume 5, pages526–538 (2022)）

1、把微機(jī)電系統(tǒng)引入瞬態(tài)電子器件“大家庭”

概括來(lái)說(shuō)，此次工作解決了領(lǐng)域內(nèi)存在多年的重大挑戰(zhàn)。瞬態(tài)電子技術(shù)，也叫可降解電子技術(shù)。鑒于在醫(yī)療健康和環(huán)境保護(hù)方面的重要意義，它在近十年內(nèi)獲得了大量關(guān)注。

在醫(yī)療健康方面，當(dāng)將其植入體內(nèi)后，瞬態(tài)電子會(huì)在特定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)持續(xù)發(fā)揮功能。待病人康復(fù)后，可在體內(nèi)自行降解并被吸收，無(wú)需進(jìn)行二次手術(shù)來(lái)取出器件，避免了二次手術(shù)引起的感染風(fēng)險(xiǎn)，也降低了醫(yī)療成本。

在環(huán)境保護(hù)方面，瞬態(tài)電子可以自行在環(huán)境中降解，從根本上降低了電子垃圾/電子廢物對(duì)于當(dāng)今環(huán)境的損害。

近幾年來(lái)，學(xué)界在瞬態(tài)電子技術(shù)上取得了重大進(jìn)步，通過(guò)它人們也在電路和半導(dǎo)體器件上實(shí)現(xiàn)了重大突破。

然而，要想真正實(shí)現(xiàn)與商用成熟產(chǎn)品相媲美的瞬態(tài)電子器件，就要解決一個(gè)重大難題：即如何把微機(jī)電系統(tǒng)引入到瞬態(tài)電子器件的“大家庭”中來(lái)。

在移動(dòng)電子領(lǐng)域，MEMS 器件起著至關(guān)重要的作用。全球范圍之內(nèi)，每年大約有 300 億個(gè)微機(jī)電器件被生產(chǎn)出來(lái)。然而，到目前為止并沒(méi)有任何關(guān)于瞬態(tài)微機(jī)電系統(tǒng)的報(bào)道，這主要是因?yàn)槲C(jī)電系統(tǒng)通常采用單微米級(jí)別的三維硅基的懸浮結(jié)構(gòu)，通過(guò)這些懸浮的三維機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

常見(jiàn)案例有手機(jī)里的加速度計(jì)、陀螺儀、諧振器等。這些結(jié)構(gòu)本身就十分具有挑戰(zhàn)性，把這些結(jié)構(gòu)和材料變成可降解的并實(shí)現(xiàn)相似的性能，更是難上加難。

然而，只有把微機(jī)電 MEMS 系統(tǒng)引入瞬態(tài)電子器件庫(kù)，才能真正借助瞬態(tài)電子的技術(shù)平臺(tái)，來(lái)制備與商用成熟產(chǎn)品相媲美的器件。

除了 MEMS 器件的本身難點(diǎn)之外，MEMS 的封裝也是領(lǐng)域內(nèi)“曠日持久”的一個(gè)重大難題。因此，要想做出可降解的功能型 MEMS，還得同時(shí)針對(duì)可降解 MEMS，研發(fā)封裝材料和封裝策略。

故在該研究中，主要難點(diǎn)有三：

其一，在材料和器件結(jié)構(gòu)層次：如何尋找到合適的可降解材料和策略，來(lái)構(gòu)建高性能微機(jī)電系統(tǒng)；

其二，在轉(zhuǎn)印和集成策略層次：如何將這些可降解 MEMS 和之前被研發(fā)出來(lái)的可降解 IC（IC, integrated circuits）/CMOS 集成在一起，來(lái)構(gòu)建一套柔性的可降解系統(tǒng)；

其三，封裝材料和策略層次：如何對(duì)脆弱的可降解 MEMS 進(jìn)行封裝，以便在環(huán)境保護(hù)和醫(yī)療健康方面實(shí)現(xiàn)安全使用。

在材料和器件結(jié)構(gòu)層次上，楊權(quán)三所在課題組此前發(fā)現(xiàn)，硅的微米級(jí)乃至納米級(jí)的薄膜，可以在體內(nèi)或者環(huán)境中緩慢降解，因而用于 MEMS 的單晶/多晶硅，故可被認(rèn)定為一種可降解材料。

除了硅這個(gè)核心材料，他和同事采用氮化硅、二氧化硅作為絕緣層，同時(shí)使用鎢和鉬作為導(dǎo)電層，所有這些材料都可以被降解。

在轉(zhuǎn)印和集成策略層次上，為了制備高性能的可降解電子器件，研究小組在工業(yè)化成熟的硅基基底上進(jìn)行了器件制備。

然后，利用各向異性的刻蝕將 MEMS 器件下面的硅除去，讓 MEMS 器件變成懸浮狀，僅留下四條氮化硅條帶連接周圍的、未被刻蝕的硅基底。

之后，通過(guò)課題組自研的轉(zhuǎn)印工藝，利用聚二甲基矽氧烷（PDMS，Polydimethylsiloxane）將可降解的微機(jī)電系統(tǒng)，轉(zhuǎn)移到可降解的柔性聚合物基底上。接著，再通過(guò)相似的工藝轉(zhuǎn)印 CMOS，這樣就能制備出來(lái)柔性 MEMS-CMOS 集成的可降解芯片。

（來(lái)源：Nature Electronics volume 5, pages526–538 (2022)）

在封裝材料和策略層次上，MEMS 在環(huán)境和體內(nèi)的工作有三大難點(diǎn)：

第一，當(dāng) MEMS 在環(huán)境里或者在體內(nèi)，由于組織器官的摩擦以及血液組織液的流動(dòng)，十分容易被損壞。而 MEMS 因此產(chǎn)生的無(wú)機(jī)碎片的幾何尺寸，處于單微米的尺度上，很容易對(duì)細(xì)胞和組織產(chǎn)生損壞；

第二，對(duì)于一些接觸式的 MEMS 器件比如粘度計(jì)，核心硅基結(jié)構(gòu)需要一直浸沒(méi)在生物組織液里來(lái)測(cè)量其濃度，難點(diǎn)在于如何讓核心結(jié)構(gòu)在接觸組織液的同時(shí)，長(zhǎng)期保護(hù)核心硅基結(jié)構(gòu)；

第三，也是所有生物電子器件都會(huì)遇到的難題，即如果穩(wěn)定地把器件固定在生物組織的某一個(gè)特定位置上，從而進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的精確測(cè)量？

針對(duì)于這些挑戰(zhàn)，楊權(quán)三分別針對(duì)非接觸式和接觸式的可降解 MEMS，開(kāi)發(fā)出兩套可降解的封裝系統(tǒng)。對(duì)于非接觸式的 MEMS，比如加速度計(jì)或者陀螺儀，他和所在團(tuán)隊(duì)采用可降解的生物蠟來(lái)作為堅(jiān)固的器件封裝，從而讓 MEMS 器件能夠穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)天之久。

針對(duì)于接觸式的 MEMS 比如黏性計(jì)，這些器件需要一直接觸到生物組織或者生物液體。為此，他和同事采用可降解的可注射粘性水凝膠作為封裝材料。

說(shuō)到這里楊權(quán)三表示：“值得一提的是，這個(gè)封裝材料/界面也是我之前主導(dǎo)的一項(xiàng)研究課題，2021 年發(fā)表于 Nature Materials?！?/p>

這一封裝材料有三大優(yōu)勢(shì)：（1）可同時(shí)防止由于損壞或者降解導(dǎo)致的硅基碎片在體內(nèi)到處流動(dòng)，以避免損傷其他組織和器官；（2）對(duì)于大多數(shù)分子和蛋白質(zhì)，水凝膠可起到快速滲透作用，故能保證水凝膠封裝內(nèi)的液體成分和水凝膠外的液體成分是相似的，這樣既能保護(hù)封裝內(nèi)的 MEMS 器件，也能確保 MEMS 器件接觸到生物組織液，從而進(jìn)行精確的測(cè)量；（3）可以把器件牢牢地粘在組織表面達(dá)數(shù)周之久。以上優(yōu)勢(shì)可分別解決前面的三個(gè)難點(diǎn)。

近日，相關(guān)論文以《生態(tài)和生物可吸收的微機(jī)電系統(tǒng)》（Ecoresorbable and bioresorbable microelectromechanical systems）為題發(fā)表在 Nature Electronics上 [1]，并成為當(dāng)期封面論文。楊權(quán)三擔(dān)任第一作者，美國(guó)西北大學(xué)“五院院士”約翰·羅杰斯（John A. Rogers）、以及同課題組的 Jan-Kai Chang 博士擔(dān)任共同通訊作者。

（來(lái)源：Nature Electronics volume 5, pages526–538 (2022)）

投稿過(guò)程中，該論文獲得了如下評(píng)價(jià)：“這是一篇由該領(lǐng)域的世界領(lǐng)導(dǎo)者（撰寫）的關(guān)于可降解 MEMS 的系統(tǒng)性論文，內(nèi)容的展示是杰出的”“整篇論文用系統(tǒng)全面的實(shí)驗(yàn)證明了整套可降解 MEMS 體系的可行性。整套技術(shù)細(xì)節(jié)都是魯棒的、準(zhǔn)確的、精準(zhǔn)的，幾乎沒(méi)有技術(shù)批評(píng)的余地”。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Electronics volume）

期刊編輯還邀請(qǐng)?jiān)搱F(tuán)隊(duì)寫了一篇 research briefing 來(lái)補(bǔ)充性地介紹此次工作 [2], 同時(shí) Nature Electronics的編輯也對(duì)該論文發(fā)表了 editorial（社論）[3]。

“期刊每月只有一篇 editorial，在里面編輯高度贊揚(yáng)了我們的工作通過(guò)把 MEMS 引入到了可降解電子器件的家族中來(lái)，同時(shí)有望解決電子垃圾這個(gè)重大挑戰(zhàn)?！睏顧?quán)三表示。

圖 | 關(guān)于此次論文的社論（來(lái)源：Nature Electronics volume）

2、將生產(chǎn)高性能、高集成度的可降解 MEMS/CMOS 芯片

如前所述，楊權(quán)三本科就讀于清華大學(xué)錢學(xué)森力學(xué)班，期間主要學(xué)習(xí)力學(xué)和機(jī)械。讀博期間師從 John A. Rogers 教授后，他十分想把力學(xué)和機(jī)械的知識(shí)，帶到可降解電子器件領(lǐng)域。

后來(lái)，他把想法告訴了導(dǎo)師。其表示：“聽(tīng)完我的陳述后，John A. Rogers 教授說(shuō)，那我們就做可降解的微機(jī)電系統(tǒng) MEMS！”

事實(shí)上，該課題組一直十分想把 MEMS 帶入可降解電子器件領(lǐng)域內(nèi)，但是做可降解 MEMS 不僅需要電子、材料、化學(xué)和生物集成方面的研究，也需要精通機(jī)械和力學(xué)。

對(duì)此楊權(quán)三說(shuō)道：“這個(gè)研究算是站在巨人的肩膀上取得的成功，當(dāng)時(shí)我組內(nèi)的師兄 Jan-Kai Chang 研發(fā)出一套轉(zhuǎn)印工藝，可將高性能可降解的 CMOS 器件轉(zhuǎn)印到可降解柔性基底上，為我們 MEMS 的轉(zhuǎn)印工藝奠定了基礎(chǔ)。在他的耐心幫助下，我們改進(jìn)了整個(gè)工藝，并將改進(jìn)后的工藝用到了脆弱的 MEMS 系統(tǒng)上?！?/p>

在可降解的封裝策略上，以上兩種封裝策略也是基于之前楊權(quán)三的工作來(lái)構(gòu)建的 [4-5]。再加上該團(tuán)隊(duì)有著靠譜的醫(yī)學(xué)合作方，愿意把其想法付諸實(shí)施并一起探討問(wèn)題，所以項(xiàng)目整體進(jìn)展得還算順利。

（來(lái)源：Nature Electronics volume 5, pages526–538 (2022)）

接下來(lái)，他和同事將結(jié)合高性能可降解 MEMS 和 CMOS 器件，制備出復(fù)雜的高度集成化的可降解芯片，在性能上達(dá)到與商用產(chǎn)品類似；同時(shí)，也將研發(fā)生態(tài)可持續(xù)的工藝，以便制備可降解的電子芯片。

此外，楊權(quán)三也將繼續(xù)探索可降解電子器件在醫(yī)療和環(huán)保上的應(yīng)用。和此次論文同期發(fā)布的，還有其作為共同一作在 Science 上發(fā)表的論文 [6]。在 Science 論文里，他和同事提出了生物可吸收的柔性神經(jīng)冷卻裝置，能以快速可逆的方式通過(guò)冷凍周圍神經(jīng)來(lái)阻斷疼痛信號(hào)。

他最后表示：“我們的目標(biāo)是在近五年內(nèi)利用可持續(xù)綠色的制備方法，生產(chǎn)出高性能、高集成度的可降解 MEMS/CMOS 芯片，以減輕病人的手術(shù)痛苦、以及減少環(huán)境中的電子垃圾?！?/p>

審核編輯 黃昊宇