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柔性電子:自主創新引領未來的重要戰略產業

光明日報 2019/10/28 13:36:26

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中玻網】隨著現代科學技術的發展,在信息、新材料、新能源等領域,特別是交叉融合的方向,正涌現出一批具有重大影響,能夠改變科技、經濟、社會格局的顛覆性技術,能使一個國家在新一輪產業變革中贏得競爭優勢。我國科學家應注重在信息、生命、材料和物質科學領域開展前沿探索,力爭在更多戰略性基礎科學領域實現率先突破,在關鍵核心技術領域進行顛覆性創新。本期邀請亞太工程組織聯合會主席、中國科學院院士黃維介紹顛覆性技術“柔性電子”。

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  柔性電子是在學科高度交叉融合基礎上產生的顛覆性科學技術,能夠突破經典硅基電子學的本征局限,可為后摩爾時代器件設計集成、能源革命、醫療技術變革等更新換代等提供創新引領,是我國自主創新引領未來產業發展的重要戰略機遇。

  催剛為柔,獨開生面:柔性源于材料

  柔性電子的優異性能首先得力于對有機或無機電子元器件材料性能的追求。核心元器件的“柔性”設計是柔性電子器件制備的關鍵。目前主要通過兩種策略實現:

  其一,采用本征柔韌性的功能有機分子和聚合物材料作為柔性電子器件構筑單元。例如,在塑料(聚合物)基底上構筑的有機發光二極(OLED)已被廣泛應用于可彎折、可卷曲、輕薄顯示屏幕諸如曲面電視、可折疊手機等。有機半導體材料和高分子聚合物材料可作為電子漿料適用于印刷電子技術,實現大批量、低成本、高效率的柔性電子器件加工與集成。未來柔性電子器件的加工與制造就像打印一個文件一樣便捷。

  其二,通過材料的微結構設計實現剛性無機材料的柔性化。例如當材料的尺寸降低到微納米尺度后,由于材料的微納米效應,本身堅硬的材料將表現出可彎曲的柔韌特性。好比一張紙比一本書更容易實現彎折,一根彈簧比一根鋼絲更具有伸縮性。基于該策略,近年來,科學家設計制造了“S型”金屬微電路,并將其嵌入超薄硅膠材質形成柔性可拉伸集成電路。

  由于材料的厚度降低至納米尺度后,材料的電學和力學性能將發生改變,理論研究和實驗研究已經表明原子級厚度的二維材料在柔性電子領域具有廣闊的應用前景。例如石墨烯已被驗證可作為透明導電薄膜應用于柔性透明觸摸屏。

  原子級厚度的硫族金屬化合物兼具優良的柔韌性和可調控的電輸運性能,使得該類材料可作為柔性電子元器件的關鍵組成單元,使高性能柔性電子的無機化和微型化成為可能。

  剛柔并濟,嶄露頭角:材料決定器件

  柔性電子器件是柔性電子的主要體現形式之一。以柔性材料為基礎,結合微納米加工與集成技術,設計制造可實現邏輯放大、濾波、數據存儲、信號反相、數字運算、傳感等功能的新一代柔性電子元器件,是信息技術發展的迫切需求。柔性功能材料所具有的光、電、磁、熱、力等獨特的物理和化學性能,使得柔性電子器件可被廣泛應用于柔性顯示、數據加密、可穿戴感知等智能化電子系統。

  西北工業大學柔性電子研究院、南京工業大學先進材料研究院和南京郵電大學在有機電子學研究領域具有長期的工作基礎,提出了有機半導體p-n能帶調節理論,實現了動態自調節智能有機光電材料的設計、制備及器件應用;研制出了高性能的藍光有機半導體器件,其中非摻雜型藍光有機半導體器件效率達到國際先進水平;設計和加工了多套有機半導體器件制備與評價系統,建成了180毫米基板的OLED工藝中試線;開發了國內第1套有機半導體噴墨打印系統,首次進行了水溶性有機半導體薄膜的噴墨打印,使得大批量制備有機半導體薄膜成為可能;提出了傳感器柔性化的新策略,發展了柔性襯底上微納米加工技術,研制出了一系列新型高靈敏柔性健康傳感器;設計了實現水溶性有機半導體傳感材料的多種有效策略,開發了可對多種目標分析物具有超高靈敏度檢測的水溶性有機半導體材料,構建了對多種重要分析物具有檢測和成像功能的磷光生物探針和具有高特異性的“量子點-生物分子”復合探針,為疾病機理研究和疾病診斷提供了新的分析方法和成像技術;開發了世界上首例無金屬、無重元素的純有機半導體長余輝材料,發展了有機光電材料在數據加密和信息防偽領域的新應用;發現了體相異質結聚合物半導體存儲技術,利用其動態特性和空間位阻功能化成功地實現了雙穩態調控,開辟了存儲器研究的新領域。

  上述研究成果,為智能柔性電子器件的設計與制造,提供了重要的理論指導。盡管我們在柔性電子領域已取得系列成果,但仍面臨著諸多問題和挑戰。通過新型柔性功能材料的設計合成和物性研究、高性能柔性電子器件的加工與集成,進一步認識柔性電子學的物理機制,對柔性電子學的理論完善和柔性電子產業的迅速發展具有重要支撐作用,同時也有利于推進我國在電子信息產業領域的轉型升級。

  柔勝剛克,乘風破浪:器件跨越應用

  當前,電子信息產業仍然以剛性器件和系統為主。經過近百年的技術積累,剛性器件具有成熟的加工裝備、高運行速度、高準確性、高穩定性等優點。然而,經典硅基電子學的局限性受摩爾定律的影響日益突出。柔性電子的誕生為經典電子學的發展提供了新的方向,觸發了新形態電子設備的產生,也將使人們的日常生活發生革命性的變化。如可折疊、可卷曲、柔性顯示器將改變現有圖片和影視的呈現形式,使得手機、電視等消費電子產品的形態更加新穎和輕便。

  柔性電子皮膚可集成多種柔性傳感器,通過優化柔性器件與生物中樞神經系統界面,幫助義肢實現感知功能,賦予機器人具有、甚至超越人類皮膚的智能仿生觸覺功能。柔性健康傳感器可以貼附于人體用來對體溫、心率、心電、腦電波、血壓、汗液和血液組分等健康參數持續檢測,并對相關數據進行智能分析和存檔,實現人體健康狀況的評估與疾病的遠程診斷。柔性健康監測系統,可隨時隨地持續監測人體健康狀態。

  柔性電子具有輕薄、低能耗、好的生物相容性和可調控力學性能等,特征使得健康監測系統可長期貼附于人體皮膚而不影響人們的日常活動。智能穿戴設備可將應用軟件和網絡進行無線連接,實現遠程辦公和休閑的結合,也可實現諸如基于生理電監測的意念控制技術。可植入的柔性電子設備為復雜疾病的治療,如帕金森、癲癇、抑郁癥等提供了新的治療手段。

  近年來,人工智能技術的發展推動了語音識別、機械控制和經濟政策決策的精準化、智能化、高效化。柔性電子是人工智能的基礎支撐,將引領和拓展人工智能技術在更多領域的應用。柔性人工神經形態芯片可實時模擬人類大腦進行學習與高速運算,從而滿足人工智能技術對云計算等超強處理算法的硬件需求。柔性電子的智能化特質,使得其在未來信息技術中具有不可替代的作用。

  以柔克剛,決勝千里:應用定義未來

  老子《道德經》曰:“天下莫柔弱于水,而攻堅強者莫之能勝,以其無以易之。”面對西方國家對我國技術封鎖與遏制,顛覆性科技創新是重要出路。我們應在碳基材料與光電過程結合的基礎上,孕育以光電子產業為先導的柔性電子巨型產業,突破歐美長期把持的在硅基材料與電子過程結合基礎上形成的微電子產業主導產業發展的格局,引領具有超高附加值特征的戰略性、主導性和支柱性柔性電子產業發展,開創柔性電子定義的新時代。

  以柔性電子為核心,著力發展“饑餓科技”(FAMISHED),即柔性電子、人工智能、材料科學、泛物聯網、空間科學、健康科學、能源科學和數據科學等八大關鍵核心科學技術與戰略性新興產業,是我國在顛覆性科技創新前沿領域開道超車的重要戰略機遇。

  在國防科技創新和航空航天領域,武器裝備的智能化和集成化已成為當前的發展趨勢。柔性電子可融合智能材料、傳感器、信息傳輸與處理等前沿技術,提升相關裝備與系統的智能化水平,推動航空航天的發展,服務國防現代化建設。深入開展柔性電子領域的研究是驅動我國全面創新發展的新引擎。

  柔性電子是實踐“人才強國戰略”的重要途徑之一。柔性電子的多學科高度交叉性,將打破傳統學科間的壁壘,以創新的人才引進和培養方式,促進新興前沿交叉學科的建設與發展。以柔性電子為契機,實施創新制度建設,凝聚海內外中華兒女智慧和力量,激發各類創新群體的人才引領示范作用、挖掘人才創新活力和潛能,為構筑人類命運的共同體作出新貢獻。

  筆者認為,在新一輪科技革命和產業變革中,柔性電子是我國自主創新引領未來的重要戰略機遇。應把握住發展柔性電子這一產業,立足于前瞻性基礎研究,凝練提出重大科學問題,尋求重大理論突破,掌握核心關鍵技術,產出引領性原創成果,提高我國相關學科原始創新和自主創新能力。

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