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@美国四院院士的四小时工作法 | Rogers专访( 四 )


关于合作与团队
Q: 您跟黄永刚教授可能从2005年就开始合作 ， 直到今天 。 您和他的组合在学术圈既闻名又多产 。 一开始是怎样的契机促成了这样的合作关系？
我们初次接触是他还在UIUC任教的时候 。 那是在实验室里 ， 一次偶然的机会我们发现把薄膜硅条贴到轻微预拉伸的弹性基底表面再释放预拉伸应变 ， 薄膜硅条会在弹性基底表面形成高度周期性的波浪状结构 。 很快我们就意识到利用该结构可以使得硅基集成电路不仅可以具有柔性 ， 更可以具有可延展性 。 波浪状结构里既有材料问题 ， 如薄膜硅条与弹性基底之间界面本质 ， 界面处的粘附化学机制以及如何将它应用到电子器件中；又有很明确的力学问题 ， 如波浪状结构是如何形成的 ， 进一步承受机械变形时结构几何形态将如何变化 。 另一个关于PDMS图章上微结构塌陷的问题 ， 来自于软光刻过程 。 这两个问题共同性在于自然的学科交叉性 ， 永刚对里面力学理论的部分感兴趣 ， 而我对其中非常规的材料系统以及软硬材料集成应用到复合材料和电子器件的部分感兴趣 。 他开始对这两个系统建立相应理论模型 ， 即图章塌陷以及硅条带在硅胶上的屈曲 。 那是一种很好的互动 。
我和他有非常相似的地方 ， 包括工作节奏和科研思路 ， 个人之间具有一种天然的契合感 。 科研上我们紧密合作且互补 ， 我的课题组擅长实验 ， 他的组擅长理论分析 。 在此基础上 ， 我们的学生也莫名合得来 ， 合作非常顺利 。 由于各方面都很自然地契合 ， 从开始到现在我们一直合作得很好 。 2004-2005年之间 ， 我们共同发表了第一篇文章 ， 到现在 ， 我们可能已经共同发表了200-250篇文章 ， 而且还在继续 。 这是一段很棒的关系 。

@美国四院院士的四小时工作法 | Rogers专访
本文插图

Rogers教授与美国西北大学黄永刚教授的合影
Q: 黄永刚教授曾经形容你们之间的关系像是 “Happily Married Couple”？
是的 ， 形容得很好 。 我们骨子里就很像 。 我也说不清 ， 就是非常相似 。

@美国四院院士的四小时工作法 | Rogers专访
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Q: 所以波浪状硅条结构是首先在实验中发现还是先有理论预测？
先有实验 。 准确说是一次实验“事故” 。 当时 ， 我们正研究基于硅薄膜的柔性电子器件 ， 我们成功从硅晶圆片表面制备出很薄的硅薄膜、硅条带和硅线 ， 实现各种可弯曲的柔性硅形态 。 但它们只停留在硅晶圆片表面是不够的 。 我们需要把它们从硅晶圆片上拿下来 ， 集成塑料或橡胶薄膜上 。 从那时沿用至今的转移方法是 ， 利用钻蚀把硅纳米结构从硅晶圆片上部分游离 ， 再用软图章和硅纳米结构形成物理接触 ， 靠软图章表面黏性将硅纳米结构从硅基片上撕起来形成一个“蘸有硅墨水的印章” ， 再印制到目标基底表面 。 通常在这个过程中 ， 硅条在硅晶圆片上和图章上都保持平直 ， 印制到目标基底表面后也是平直状态 。 然而 ， 手工操作印制有时会在软图章中引入微小应变 。 带有微小拉应变的软图章抬起硅条后应变释放 ， 图章恢复到初始形态 ， 图章表面硅条受压发生失稳屈曲 ， 形成波浪状的几何形态 。
这一现象最早被一个观察力敏锐的博士后在转印实验中注意到 。 他发现这种情况下印制成功率极低 ， 就把实验失败的硅条和图章放到显微镜下观察 ， 结果发现不能成功印制的原因在于形成波浪状几何形貌后 ， 硅条与目标基底之间只在波峰处接触 ， 导致接触面积减小 ， 粘附力不够实现硅条转移 。 在他拍摄的显微镜照片中 ， 我们观察到非常漂亮 ， 非常有规律的波浪状结构 ， 我们意识到一定发生了系统性变化 。 这种结构使得转印过程印制困难 ， 但换个角度看 ， 它开创了一个实现可延展硅的全新机理 。 那次实验“事故”和后续跟永刚的讨论奠定了今天无机柔性电子的基础 。


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