学术大牛养成记：John Rogers谈科研经验

【题记】John Rogers是柔性电子领域炙手可热的领军人物，美国最年轻的两院院士，几年前请他来北大做过讲座，非常轰动，他的科研经验值得学习，特别是坚持每天早上五点前到办公室开始工作这一点，勤奋是成功的第一要素，古今中外概莫能外！

【John A. Rogers简介】美国最年轻的两院院士，麦肯阿瑟天才奖获得者。

1995年在麻省理工学院(MIT)获得了物理化学博士学位，之后曾在Bell实验室担任凝聚态物理研究组组长。

从2003年始，在伊利诺伊大学香槟分校担任化学工程系教授。

从2016年9月份开始，担任西北大学生物集成电子中心的教授兼主任。

访谈：John A. Rogers谈科研经验

Energist 能源学人

近日，能源学人受到Nature会议——柔性电子与未来展望会议方的邀请，对柔性电子领域的顶级学者John Rogers教授进行了专访。

能源学人：您在科研中如何获得原创性的灵感或者想法？

Rogers教授：我不知道，都是来自于上帝（哈哈......）。不过做有些事情肯定可以增加获得灵感的概率。第一，多与学者交流，参加学术会议，比如这个自然柔性电子会议。与同行交流可以获得帮助和灵感。多听听该领域的挑战，多思考解决方法。比如，对于柔性电子这一多学科交叉领域，一个人很难在很多领域都成为专家，所以团队以及人员合作都非常重要。我对柔性电子在医疗保健方面的应用很感兴趣，那么与医生、护士、病人交流，可以知道医院里是怎么回事，柔性电子可以用在哪里。有时当你弄懂问题的同时也就有答案了，同时还可以帮你找到新的科学研究课题。第二，建设好的团队。有时学生、博士后也会有他们自己的想法，这时你可以在他们想法的基础上得到更好的想法。通常一个好的想法并不是从某一个单一的想法得到的。每一个想法可以给出一个闪光点，这样很多想法叠加在一起，就可以得到很大的进展。如何在科研中获得好的创新想法，是一个很有趣的问题，也不太好回答，这些是对我们来说很好的途径。

能源学人：请谈一谈柔性电子在活体应用方面的未来展望

Rogers教授：我们曾从诊所和病人那里了解到这一领域还有很多方面需要改进。电子器件在活体应用方面有诸多优点，比如成本更低，效率更高，可以在医院外面使用，等等。目前的可穿戴柔性电子器件主要是测试物理信号，比如运动、应力、温度等，都是生物物理方面的。但是在身体化学方面的检测做的还不够好，所以生物化学传感器仍然是一个巨大的领域需要发展。比如，怎样无损检测血液中的化学成分，仍然需要新的技术、新的想法和新的传感器。当然，最终的电子器件是要既能检测生物物理信号，也要能够检测化学信号，这样才能更确切的知道活体的健康状况。不过我觉得没有哪种传感器可以一次就把所有的信号都检测出来，我们需要同时做很多次检测。这是未来硬件方面的一个挑战。除此之外，Rogers教授觉得数据分析、机器学习、人工智能将能从这些大量的检测结果给出一个健康评估，这也将是一项巨大挑战。怎样从这些精确的检测里得到有用的信息非常重要，不过这些不是我所擅长的，希望将来能够跟软件工程师、硬件工程师一起合作。

能源学人：您曾在贝尔实验室的工作过，这一段的经历对您科研有何影响？

Rogers教授：贝尔实验室的工作经历对我很有价值，因为贝尔实验室建立了一套如何做有影响力科研的成功模式，可以说贝尔实验室对科学家来说是有史以来最成功的实验室。这个从贝尔实验室获得诺贝尔奖的科学家的数量，以及贝尔实验室在电信、晶体管、太阳能电池、激光、CCD相机等等很多新技术领域的影响都可以证明。在我的实验室，我们尽力做到贝尔实验室的模式。我们从对基础科学问题的解决过程中发现新的创新性技术，比如新的测试、新的潜能等。贝尔实验室研究晶体管，因为他们想得到更好的转换器。他们研究半导体完全是从纯科学问题出发的，然后看科学问题可带来什么样的技术。

我们实验室也会研究很多科学问题，但我们对新技术也很感兴趣。从另一方面说，研究经费是来自于纳税人，我们希望我们的研究成果能提升健康医疗水平。我们所做的不是对已有技术的改进，而是从事基于科学问题的新技术、新发现。另外，贝尔实验室非常注重合作。一般在大学里，每个教授都是自己拥有独立实验室。而在贝尔实验室，做材料、物理、电子工程等方面的研究者们都在一起工作。我觉得这是一种非常有效的工作模式，所以我们实验室通常比其他实验室与外界有更多的合作。我们的工作属于多学科交叉领域，实验室有学材料科学的、生物工程的、力学的、物理的、化学的等等各个领域的，所以我们实验室也像一个小的贝尔实验室。关于如何在多学科交叉领域取得成果，我建议每个人都建立自己的类似T型的知识体系，在某一方面深入研究，然后在其它方面有所涉猎，这样大家合作更容易取得大的突破。

能源学人：能否谈谈您对2018年自然柔性电子会议的期待？

Rogers教授：通常，科学讨论能够带来新的想法和研究方向。一方面，像自然柔性电子会议，这样的一个国际会议，把不同方向的科学家聚集在一起，可以展示柔性电子不同方面的想法和发展，并有可能产生新的研究方向、改进的材料技术等。特别是这个会议，把中国、美国、德国、英国等不同国家的科学家聚集在一起，不仅是多学科，而且是很国际化，这非常有利于合作，有利于解决健康医疗方面的问题。另一方面，因为这个会议是在中国举办的，那么全球都会知道中国在柔性电子方面的投入，希望这也会给其他国家起到示范带头的作用。在柔性电子方面的研究不仅仅是学术问题，也一定会带来新的商业化技术。由于中国强大的制造能力，那么中国在柔性电子方面的投入，将不仅带动科学的发展，更会在一个很高的层面促进商业化技术的实现，并使其全球化。我个人非常期待看到中国在柔性电子方面的领头作用。我曾参观中国杭州和日本的柔性电子研究中心以及企业的时候，感到很震惊。并且这次会议后，会议结束后，我将会再次前往杭州，希望寻求更多的产业合作。

Nature/Science“钉子户”- John A. Rogers

John A Rogers的研究包括关于纳米和分子规模材料的基础、制造和应用，以及特殊电子和光子器件的图形化技术，其重点是生物集成和仿生系统。其中，他的研究团队着重于理解并且以色带、导线、薄膜、管或其它相关的形式，开拓对柔性材料例如聚合物、液晶、生物组织以及它们与特殊微纳米材料的复合物的有趣特性的利用。这些工作结合了多学科的基础研究与前瞻性的工程，用于生物和生物集成技术、适形电子、纳米光子结构、微流器件、微机电系统等所有前沿技术的柔性材料。这些工作是高度交叉的，涉及到多个学科，并且结合了几乎所有传统技术研究领域的专长。

【近10年Nature/Science文章简介】 

1、Bio-inspired / Bio-integrated electronics (Electronic eyes, cardiac / neural monitors)
1.1. Bio-inspired electronics，仿生电子

基于可压缩硅光电器件的半球形电子眼相机（Nature，2008）

突破性技术：仿人眼的电子眼实现了曲面化。人眼是一种卓越的成像设备，具有许多吸引人的设计特点。其中突出的是半球形几何结构，类似于在许多其他生物系统中发现的几何结构，它利用简单、少量外围元件成像光学实现了宽视场和低像差。以往方法所制造的这种成像系统具有固有的平面特性，难以实现曲面结构。这是因为平面转化半球形首先要克服的是机械应力，而且这一应力远远超过目前电子材料所能够承受的拉伸极限。作者巧妙地绕过这一限制，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）先做出半球形的弹性体模子（曲率半径1cm），然后将模子周围向外用力拉伸成平面状态并用夹具固定。随后放上硅光电探测器焦平面阵列（电子眼的核心部件，每个硅器件之间是相连的，并有一定的间距。）并用粘结剂固定。最后解开夹具，由于收缩力的存在，PDMS会重新变成半球形，硅焦平面阵列也会随着PDMS而变形成半球形，如此即可形成人造电子眼。

图1.半球形电子眼（doi:10.1038/nature07113）

受节肢动物眼睛启发设计的数码相机（Nature，2013）

突破性技术：这种电子眼所捕捉的影像更清晰真实。仿人眼的半球形电子眼在2008年刚发过science，时隔5年，Rogers组又有了新突破。之前是利用多个电子组件构建了一只眼，现在通过模仿节肢动物的研究（比如工蚁、蜻蜓、螳螂），利用多个“小眼”组成了一只大眼。每个小眼捕捉的影像整合在一起后，整体影像会更加完整、真实、像素高等等。

图2.(a)仿节肢动物眼的电子眼，(b)仿人眼的半球形电子眼。（doi:10.1038/nature12083）

1.2. Bio-integrated electronics，生物集成电子

表皮电子组件（Science，2011）

突破性技术：将电子器件高度集成到活体表皮。如图3A电子组件包括电生理、温度和应变传感器，以及晶体管、发光二极管、光电探测器、射频电感器、电容器、振荡器和整流二极管，另外太阳能电池和无线线圈来提供电源。用于射频（RF）通信的线圈和设备（例如高频电感器、电容器、振荡器和天线）全部集成在薄(~30mm)表面上，透气弹性片基于具有低杨氏模量的改性聚酯制成。该组件可用于测量心脏，大脑和骨骼肌产生的电信号，身体状况可以随时知道。

图3.表皮电子组件（DOI: 10.1126/science.1206157）

一种物理瞬态形式的硅电子器件（Science，2012）

突破性技术：电子组件可被活体吸收（想一想电路那些非常“硬”，金属类的东西怎么可能被活体吸收，太不可思议了吧！）

表皮组件仿佛对Rogers不再有那么高的挑战性，他们把目光转移到了可植入组件。这种器件突出的特点就是：通过水解和/或代谢作用，可被活体自然地吸收。也就是这些器件发挥完作用后，不用再将其取出，它可自行消失。这将来对做外科手术的病人来说无疑是一个非常好的消息。

图4.电子组件在活体内的消失过程。（DOI: 10.1126/science.1226325）

可注射、细胞尺度的光电子学及其在无线光遗传学中的应用（Science，2013）

突破性技术：将电子组件接入活体大脑，控制活体行为。表皮器件玩的不够嗨，植入器件也不够酷，Rogers组竟然对活体大脑发起了进攻，通过将电子组件接入活体大脑，对自由移动的动物进行完全无线和复杂编程的行为控制。这些超薄、机械兼容、生物相容性组件在哺乳动物脑软组织中的微创操作能力预示了它在其它器官系统的应用，在生物医学科学和工程中具有广泛的应用前景。（DOI: 10.1126/science.1232437）

可适用于大脑的硅电子传感器（Nature，2016）

突破性技术：可生物降解的传感器应用拓展到了活体的重要器官：大脑。在2012年的Science上，Rogers团队报道了可被活体吸收的电子组件，但仅限于皮下组织。4年后的Nature上，他们把这一技术拓展到了活体大脑上。如果说之前的技术是“过家家”，这次可就是玩“真把式”了。我们知道人的一些大的外科手术都是涉及重要器官（心脏、大脑等等）的，不仅仅皮下组织那么简单了。

现代临床医学的许多程序依赖于使用电子植入物来治疗从急性冠状动脉到创伤性损伤的各种情况。然而，标准的永久性电子硬件成了感染的病灶（医学用语，指机体上发生病变的部分），产生的细菌在体内迁移并引发免疫病理导致的组织损伤。所以，怎么把病灶去掉对于术后病人的身体恢复和健康至关重要。

图5.电子组件在实验老鼠大脑处的示意图。（doi:10.1038/nature16492）

用于皮肤的传感器、电路和无线电软微流体组件（Science，2014）

图6.用于皮肤的传感器、电路和无线电软微流体组件。对比2011年的那篇Science，这次的越玩越高端，越玩越复杂。（DOI: 10.1126/science.1250169）

2、Solid state lighting and photovoltaics (Assemblies of μ-ILEDs and μ-solar cells)

用于可变形和半透明显示器的无机发光二极管印刷组件（Science，2009）

突破性技术：帮助无机发光二极管（ILED）“屌丝逆袭”，使其组件可以实现大面积，不限形，高分辨率制造。有机发光二极管（OLED）由于具有相对较高的刷新率、对比度、功率效率等优点而迅速成为了背光液晶的有力替代品。无机发光二极管（ILED）也可以做成显示器，但目前只能用于一些超低面积、低分辨率格式（广告牌显示）的显示器中。Rogers组开发出了一种制造微型无机发光二极管（LED）以及将它们组装和互连成非常规显示/照明系统的方法。基于印刷的组装方法可以将这些器件沉积在玻璃、塑料或橡胶基板上，以任意的空间布局。这些LED的薄几何形状使它们能够通过传统的平面处理技术互连。以这种方式形成的显示器、照明元件和相关系统可以表现出非常有意思的机械和光学性能。

图7.无机发光二极管印刷组件。（DOI: 10.1126/science.1175690）

使用可释放多层外延组件的GaAs光伏和光电子器件（Nature，2010）

突破性技术：让GaAs太阳能电池制备更加简单易得。砷化镓半导体材料具有很高的电子迁移率、宽禁带、直接带隙，消耗功率低的特性。与传统的硅材料相比，它的电子迁移率约为硅材料的5.7倍。硅电池的理论光电转换效率大概为23%，而单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。已知技术中最常见的是外延剥离，将GaAs太阳能电池从生长衬底中分离出来，以降低其成本或重量。尽管不断取得进展，但光伏外延剥离技术仍然是一个研究课题，即使已经历经30多年，但仍没有实现商业化。

图8.GaAs太阳能电池制备流程。（doi:10.1038/nature09054）

3、Semiconductor nanomaterials (Tubes, Wires, Ribbons and Sheets)

可伸缩折叠硅集成电路（Science，2008）

突破性技术：不管怎么被虐，电路依旧活跃。现在是智能手机时代，但它还是一个很“硬”的电子器件，包括现在的iWatch、谷歌眼镜、VR。但在未来，我们就要进入一个新的时代，即弹性电子、人造皮肤的“软”时代，手机等电子器件将更加便携甚至无处不在。但这些都需要“软”的柔性电路作为基础支撑，无论其怎么受到蹂躏（拉伸、折叠等等），器件的性能不会衰减或者失效。

图9.被扭曲的硅集成电路。（DOI: 10.1126/science.1154367）

微/纳米材料经过压缩屈曲组装成复杂的三维结构（Science，2015）

以往都是玩二维的材料，这次玩出了新花样，各种各样的三维结构！他们可以让步生物学中复杂的三维（3D）结构（例如，细胞骨架网，神经回路和脉管系统网络）自然形成。该过程可以用任何能够控制，大规模尺寸变化的基板实现。与半导体和光子学行业中可用的最先进材料（例如，单晶无机物），制造方法（例如，光刻）和处理技术（例如，蚀刻，沉积）的兼容性提供了实现复杂3D电子的许多可能。

图10.各种各样的三维结构微/纳米材料。（DOI: 10.1126/science.1260960）

4、Carbon Transistors (SWNT arrays for RF, graphene)

柔性塑料基板上的中尺度碳纳米管薄膜集成电路（Nature，2008）

突破性技术：有望取代替代现有硅基集成电路的碳纳米管集成电路。

摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。但摩尔定律近些年逐渐有了失灵的迹象。从芯片的制造来看，7nm就是硅材料芯片的物理极限。

半导体碳纳米管具有超高的载流子迁移率和极小的直径，是构建亚10nm场效应晶体管和集成电路的理想沟道材料。理论研究表明，与传统的半导体器件和集成电路相比，在10nm技术节点以下，碳纳米管器件和集成电路在速度、功耗方面具有巨大优势，因此被认为是未来最有可能替代现有硅基CMOS（互补金属氧化物半导体）集成电路、延续摩尔定律的信息器件技术之一。

图11.柔性塑料基板上的中尺度碳纳米管薄膜集成电路示意图（doi:10.1038/nature07110）

国际著名柔性电子学专家John Rogers北大讲学

2016年10月28日上午，来自美国西北大学的John A. Rogers教授在北京大学二教101教室举行了以“Transient Electronics”为主题的科研讲座，本次讲座由信息科学技术学院微电子学研究院张海霞教授筹办主持，现场有来自北京大学、清华大学、中科院纳米能源所等十余所高校近400名师生共同参与。

Rogers教授首先介绍了可降解材料的选取，通过简单的化学反应，可以定时定量的降解各种材料，力争实现一个完全生物可降解的电子系统，之后，重点展示了这些可降解的瞬态电子器件在生物医学领域的应用，可以与植入式器件集成，为智能医疗提供了一个很好的解决思路，最后，介绍了三维电子结构的组装制备过程，通过衬底拉伸与固定端点释放过程，辅助复杂的力学仿真，可以准确的制备各种三维立体的瞬态电子器件，扩展了应用范围与器件维度，引发现场同学的思索。

讲座同时采用网络直播的方式，4000多名分散在中国乃至世界各地的师生同步收看了直播并参与了提问互动，网络及现场同学提问采用微信留言形式，大家提问踊跃，Rogers教授也对同学们的每个问题进行了深入浅出的解答。讲座结束后，有很多同学留在现场与Rogers教授热烈讨论，收获了灵感开阔了视野，希望大家敢于突破、潜心科研，收获精彩的人生！