基于生物材料的可持续集成微纳光子学展望

随着电子电路在速度和能效上逼近根本极限，摩尔定律一路推进的势头正在放缓。许多研究者认为，出路在于光子学——用光而非电子来处理和传输信息。但如今的光子芯片仍依赖主导电子学的刚性无机半导体。一个由国际研究团队领衔的新综述提出，光子学的未来或许不是“制造”出来的，而是“生长”出来的。

这篇发表于《Advanced Functional Materials》的综述梳理了集成生物光子学这一快速扩展的领域：生物材料与光子器件的结合。作者指出，荧光蛋白、DNA、丝素蛋白和叶绿素等生物材料不只是环保替代品；它们还带来合成材料所缺乏的独特能力，包括基因可编程性、自组装，以及与活体组织无缝对接的能力。

作者写道：“生物材料最有效的方式，不是整体取代无机半导体，而是作为功能专门化的组件，以其独特的理化特性补充常规平台。”

综述重点列举了生物材料已经展现竞争力的若干方向。

光波导：丝素蛋白和DNA-CTMA通道波导在可见光和通信窗口内的光损耗低于1 dB/cm，可与传统聚合物媲美。它们能用CMOS兼容工艺制备，柔韧性也足以用于可穿戴和植入式传感器。

光源：基于工程化荧光蛋白的生物混合LED发光效能约130 lm/W，工作寿命超过150天，性能与稀土荧光粉LED相当。这类器件已在探索用于新生儿黄疸光疗和伤口愈合。

生物激光器：利用丝素蛋白和mCherry荧光蛋白，已实现全固态、蛋白基回音壁模式激光器。虽然仍处早期，这类激光器有望用于细胞内传感和高多重细胞标记。

光电探测器：将细菌视紫红质或荧光蛋白与碳纳米管、石墨烯结合的混合器件，可获得由蛋白吸收指纹决定的光谱选择性，响应度最高达7×10³ A/W。

光电忆阻器：基于叶绿素、丝素蛋白和碳点的器件可模拟突触可塑性，实现存内计算和图像预处理，每次事件能耗低至0.25飞焦。

尽管有这些进展，商业化之路远非坦途。综述指出，稳定性、可扩展性和制造兼容性是核心瓶颈。

蛋白在40–50°C以上会变性，而多数生物材料在标准半导体制造所用的溶剂、等离子体和热处理下会降解。目前正在开发封装策略、化学交联和基因工程来缓解这些问题，但面向生物光子集成的标准化协议和工艺设计套件几乎仍不存在。

作者总结说：“基于生物材料制造混合光子器件的全集成技术已经初现曙光。这为设计基于混合微纳结构的光子集成电路铺平了道路，这类电路以生物物理原理运行，并能带来独特的生物集成优势。”

综述呼吁在多个方向协同发力：开发CMOS兼容的生物图案化方法，建立标准化表征规范，并创建可供学术和工业代工厂采用的开源设计套件。在这些工具出现之前，全集成生物光子芯片的愿景仍将是一个长期目标，但它正变得越来越触手可及。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1002/adfm.78822