未來網高校頻道1月20日訊(記者 楊子健 通訊員 黃文）近日，合肥工業大學國家示範性微電子學院黃文教授以唯一第一作者的身份在國際著名刊物Science子刊 — Science Advances(科學進展)發表長篇研究型論文- 「Monolithic mTesla Level Magnetic Induction by Self-Rolled-up Membrane Technology（基於自捲曲薄膜技術的單片毫特斯拉級磁感應）」，在國際上首次提出並驗證了一種在晶片上獲得毫特斯拉至特斯拉量級強磁場的平臺性方法，並且該方法與常規半導體平面工藝技術完全兼容。此外，作為技術驗證，論文中展示了基於這個平臺實現的電感量高達微亨量級、最大工作頻率超過500MHz的單片功率電感器，其體積僅為相同電感量片外功率電感器的數百分之一，其示意圖如圖1所示。由於這項工作對包括微電子學、生物學及電磁學在內的許多科學工程研究領域都具有潛在的重要應用價值，得到了國際微電子及材料學領域權威專家的高度評價。
圖1 晶圓上使用半導體平面工藝製作的三維自捲曲磁流體芯功率電感器陣列示意圖
該成果提出了兩個重要的集成電路技術突破。其一是實現了片上高密度三維線圈，如圖2(A)所示；其二是利用毛細效應實現了磁流體芯的集成, 如圖2(B)所示。 圖2(A)是實際製作的片上功率電感器的掃描電子顯微鏡照片，其中的插圖展示了多圈空芯的結構特徵。這個結構是由晶片上長度高達釐米量級，厚度近200納米銅薄膜，以高達近1毫米每分鐘的捲曲速度從單側向另一側自行捲曲組裝而成，其內徑僅為140微米。由於圈數的增加對佔用晶片面積增加的影響很小，因此極易形成類似於片外功率電感器那樣的高密度線圈。圖2(B)是磁流體集成到空芯結構操作過程的截圖，圖中以氧化鐵納米顆粒為導磁材料的磁流體已經被快速吸入高密度線圈的中空結構裡。由於磁流體的特殊性質，這種磁流體芯的功率電感器工作頻率比相同電感量片外功率電感器高几十上百倍，並且磁芯可重構。圖2(C)是自捲曲功率電感器與一美分硬幣(基本相當於一角人民幣硬幣大小)的對比，可見自捲曲功率電感器比一顆芝麻還小，肉眼很難識別。圖2(D)展示了實際製作在藍寶石襯底上的自捲曲功率電感器陣列。僅作為驗證器件，這個平臺技術已經表現出對實現高頻功率微系統的重要意義。這一強磁場片上平臺在物理、化學、生物學和電磁學等多個領域還有巨大的潛在應用價值。
圖2 三維自捲曲磁流體芯功率電感器實物。A.樣品的掃描電子顯微鏡照片；B.磁流體芯集成過程的光學顯微鏡照片；C.與一美分硬幣的大小對比；D.在藍寶石襯底上的三維自捲曲磁流體芯功率電感器陣列手機拍攝照片。
黃文教授作為該項工作的牽頭人，聯合了全球多家著名高校科研團隊共22名研究人員參與研究，包括美國伊利諾伊大學香檳分校、美國史丹福大學及荷蘭特溫特大學等共7家署名單位。其中，合肥工業大學微電子學院為國內排名1、總排名第2的署名單位。黃文教授團隊桑磊副教授及電物學院研究生於皓天參與了此項工作。該項工作受到了中國自然科學基金、合肥工業大學「黃山學者」特聘教授計劃、美國自然科學基金及美國能源部基金的資助。
黃文教授博士畢業於美國伊利諾伊大學香檳分校，現受聘為合肥工業大學「黃山學者」特聘教授，在該校國家示範性微電子學院開展摺疊薄膜納米電子技術方向的研究，主要應用於微波/功率晶片和微系統上，在該研究領域取得了一系列系統性研究成果，目前在國際頂級刊物以第一作者或主要合作者身份便已經發表論文9篇，包括Science封面論文1篇、Science Advances論文1篇、Nature Electronics 論文2篇（其中1篇為當期網站封面論文）、Nature Materials封面論文1篇、National Science Review論文1篇、Nano Letters論文3篇；已獲得美國發明專利授權7項；並參與編寫即將由Wiley出版社出版的該領域專著1本。