荷叶集能

陈号天北京大学微电子学与固体电子学专业博士研究生

习近平总书记在十九大报告中指出，“创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑。要瞄准世界科技前沿，强化基础研究，实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。”

微电子学是现代电子产品的核心，信息产业的基石，芯片虽然仅有指甲盖大小，但它体现了人类最先进的科学技术水平。从设计、制造到封装，一片微电子芯片需要技术密集的工艺线与高度的国际协作才能完成。

北京大学微纳电子学研究院的历史，可以追溯到1956年我国著名物理学家、半导体技术的奠基人黄昆院士在北大创建的我国第一个半导体专业。近年来，在全体师生的共同努力下，学院打破了多项国际垄断技术壁垒，成果列入国际半导体技术路线指南；提出的相关国际标准成为首个中国提出的微机电领域的标准。学院还重视产学研并举，通过与中芯国际等企业的合作，将科研成果推向了产业化，为我国实现自主知识产权的超低功耗集成电路产业技术发展奠定了重要基础。

作为一名微电子专业的同学，自入学伊始，我便将这份荣耀的历史与当代青年的责任扛在肩头。加入张海霞教授课题组之后，我的研究方向聚焦在微型能量采集器件的设计和加工上。能源问题是困扰全球的关键问题，许多科学家致力于水能、风能等可再生能源的收集与应用。而在宏观能量之外，人们生活中还布满了微型能量，比如人们日常的行走、运动，都是能量的消耗。如果能将这部分微小能源收集起来，积少成多，就有机会实现低功耗电子设备的能源供给。要想实现这一切，就离不开微电子学科的设计与加工技术。

针对日益增长的可穿戴电子设备，我提出可设计一种手环状的能量采集器，用于便携式电子设备能量供给。器件整体具有柔性，可以像腕带一样佩戴在手腕上，随着人行走时的挥臂，器件内部的液体流动划过双螺旋电极，在摩擦起电效应和静电感应的作用下，可以在两个电极之间产生交流电，将人体运动的能量转化为电能。为实现能量采集器为商业电子元件供能，如何提高能量转化效率是关键，具体来说，就是如何实现液体在器件内部迅速、流畅地运动。

在尝试过不同的材料之后，我突发奇想地想到了自然界出名的“荷叶效应”。水滴落在荷叶上后，会弹起并立即滚落下去，形成“大珠小珠落玉盘”的奇妙现象，其潜藏的科学原理在于荷叶表面密布着肉眼难以观察的微小结构，这种复杂多样的微纳米结构正是我们微电子行业加工制作芯片技术的基础。于是，我决心用专业手段来复制自然界的这一奇妙现象。

为弄清楚荷叶疏水的原因，我每天清晨去学校湖边采集荷叶。通过显微镜观察荷叶表面结构，我利用十几道微电子工艺复制了这一仿生结构，然而性能都不及荷叶。之后，我又重新对荷叶进行了更为细致的观察，发现在荷叶的微米结构之下还有更小的纳米结构，我想这应该就是解决问题的关键了。为了全面复制荷叶中微纳米复合的结构，我采用的微电子工艺从十几道增加到了几十道。最终，我做出的微纳结构大大增强了能量采集器的转化效率，使设计的器件不仅仅局限于概念创新阶段，更为其走向实用奠定了基础。

最终，我的研究成果被微电子领域内的顶级会议IEEE MEMS接收，获得了业内专家学者的认可。

陈号天北京大学微电子学与固体电子学专业博士研究生习近平总书记在十九大报告中指出，“创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑。要瞄准世界科技前沿，强化基础研究，实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。”微电子学是现代电子产品的核心，信息产业的基石，芯片虽然仅有指甲盖大小，但它体现了人类最先进的科学技术水平。从设计、制造到封装，一片微电子芯片需要技术密集的工艺线与高度的国际协作才能完成。北京大学微纳电子学研究院的历史，可以追溯到1956年我国著名物理学家、半导体技术的奠基人黄昆院士在北大创建的我国第一个半导体专业。近年来，在全体师生的共同努力下，学院打破了多项国际垄断技术壁垒，成果列入国际半导体技术路线指南；提出的相关国际标准成为首个中国提出的微机电领域的标准。学院还重视产学研并举，通过与中芯国际等企业的合作，将科研成果推向了产业化，为我国实现自主知识产权的超低功耗集成电路产业技术发展奠定了重要基础。作为一名微电子专业的同学，自入学伊始，我便将这份荣耀的历史与当代青年的责任扛在肩头。加入张海霞教授课题组之后，我的研究方向聚焦在微型能量采集器件的设计和加工上。能源问题是困扰全球的关键问题，许多科学家致力于水能、风能等可再生能源的收集与应用。而在宏观能量之外，人们生活中还布满了微型能量，比如人们日常的行走、运动，都是能量的消耗。如果能将这部分微小能源收集起来，积少成多，就有机会实现低功耗电子设备的能源供给。要想实现这一切，就离不开微电子学科的设计与加工技术。针对日益增长的可穿戴电子设备，我提出可设计一种手环状的能量采集器，用于便携式电子设备能量供给。器件整体具有柔性，可以像腕带一样佩戴在手腕上，随着人行走时的挥臂，器件内部的液体流动划过双螺旋电极，在摩擦起电效应和静电感应的作用下，可以在两个电极之间产生交流电，将人体运动的能量转化为电能。为实现能量采集器为商业电子元件供能，如何提高能量转化效率是关键，具体来说，就是如何实现液体在器件内部迅速、流畅地运动。在尝试过不同的材料之后，我突发奇想地想到了自然界出名的“荷叶效应”。水滴落在荷叶上后，会弹起并立即滚落下去，形成“大珠小珠落玉盘”的奇妙现象，其潜藏的科学原理在于荷叶表面密布着肉眼难以观察的微小结构，这种复杂多样的微纳米结构正是我们微电子行业加工制作芯片技术的基础。于是，我决心用专业手段来复制自然界的这一奇妙现象。为弄清楚荷叶疏水的原因，我每天清晨去学校湖边采集荷叶。通过显微镜观察荷叶表面结构，我利用十几道微电子工艺复制了这一仿生结构，然而性能都不及荷叶。之后，我又重新对荷叶进行了更为细致的观察，发现在荷叶的微米结构之下还有更小的纳米结构，我想这应该就是解决问题的关键了。为了全面复制荷叶中微纳米复合的结构，我采用的微电子工艺从十几道增加到了几十道。最终，我做出的微纳结构大大增强了能量采集器的转化效率，使设计的器件不仅仅局限于概念创新阶段，更为其走向实用奠定了基础。最终，我的研究成果被微电子领域内的顶级会议IEEE MEMS接收，获得了业内专家学者的认可。

文章来源：《微电子学与计算机》 网址: http://www.wdzxyjsjzz.cn/qikandaodu/2020/1216/445.html