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柔性电子:自主创新引领未来的重要战略产业

   
来自:光明日报 发布日期:2019/10/30 8:15:49
柔性电子是在学科高度交叉融合基础上产生的颠覆性科学技术,能够突破经典硅基电子学的本征局限,可为后摩尔时代器件设计集成、能源革命、医疗技术变革等更新换代等提供创新引领,是我国自主创新引领未来产业发展的重要战略机遇。
  编者按

  随着现代科学技术的发展,在信息、新材料、新能源等领域,特别是交叉融合的方向,正涌现出一批具有重大影响,能够改变科技、经济、社会格局的颠覆性技术,能使一个国家在新一轮产业变革中赢得竞争优势。我国科学家应注重在信息、生命、材料和物质科学领域开展前沿探索,力争在更多战略性基础科学领域实现率先突破,在关键核心技术领域进行颠覆性创新。本期邀请亚太工程组织联合会主席、中国科学院院士黄维介绍颠覆性技术“柔性电子”。

  柔性电子是在学科高度交叉融合基础上产生的颠覆性科学技术,能够突破经典硅基电子学的本征局限,可为后摩尔时代器件设计集成、能源革命、医疗技术变革等更新换代等提供创新引领,是我国自主创新引领未来产业发展的重要战略机遇

  催刚为柔,独开生面:柔性源于材料

  柔性电子的优异性能首先得力于对有机或无机电子元器件材料性能的极致追求。核心元器件的“柔性”设计是柔性电子器件制备的关键。目前主要通过两种策略实现:

  其一,采用本征柔韧性的功能有机分子和聚合物材料作为柔性电子器件构筑单元。例如,在塑料(聚合物)基底上构筑的有机发光二极管(OLED)已被广泛应用于可弯折、可卷曲、轻薄显示屏幕诸如曲面电视、可折叠手机等。有机半导体材料和高分子聚合物材料可作为电子浆料适用于印刷电子技术,实现大批量、低成本、高效率的柔性电子器件加工与集成。未来柔性电子器件的加工与制造就像打印一个文件一样便捷。

  其二,通过材料的微结构设计实现刚性无机材料的柔性化。例如当材料的尺寸降低到微纳米尺度后,由于材料的微纳米效应,本身坚硬的材料将表现出可弯曲的柔韧特性。好比一张纸比一本书更容易实现弯折,一根弹簧比一根钢丝更具有伸缩性。基于该策略,近年来,科学家设计制造了“S型”金属微电路,并将其嵌入超薄硅胶材质形成柔性可拉伸集成电路。

  由于材料的厚度降低至纳米尺度后,材料的电学和力学性能将发生改变,理论研究和实验研究已经表明原子级厚度的二维材料在柔性电子领域具有广阔的应用前景。例如石墨烯已被验证可作为透明导电薄膜应用于柔性透明触摸屏。

  原子级厚度的硫族金属化合物兼具优良的柔韧性和可调控的电输运性能,使得该类材料可作为柔性电子元器件的关键组成单元,使高性能柔性电子的无机化和微型化成为可能。

  刚柔并济,崭露头角:材料决定器件

  柔性电子器件是柔性电子的主要体现形式之一。以柔性材料为基础,结合微纳米加工与集成技术,设计制造可实现逻辑放大、滤波、数据存储、信号反相、数字运算、传感等功能的新一代柔性电子元器件,是信息技术发展的迫切需求。柔性功能材料所具有的光、电、磁、热、力等独特的物理和化学性能,使得柔性电子器件可被广泛应用于柔性显示、数据加密、可穿戴感知等智能化电子系统。

  西北工业大学柔性电子研究院、南京工业大学先进材料研究院和南京邮电大学在有机电子学研究领域具有长期的工作基础,提出了有机半导体p-n能带调节理论,实现了动态自调节智能有机光电材料的设计、制备及器件应用;研制出了高性能的蓝光有机半导体器件,其中非掺杂型蓝光有机半导体器件效率达到国际先进水平;设计和加工了多套有机半导体器件制备与评价系统,建成了180毫米基板的OLED工艺中试线;开发了国内第一套有机半导体喷墨打印系统,首次进行了水溶性有机半导体薄膜的喷墨打印,使得大批量制备有机半导体薄膜成为可能;提出了传感器柔性化的新策略,发展了柔性衬底上微纳米加工技术,研制出了一系列新型高灵敏柔性健康传感器;设计了实现水溶性有机半导体传感材料的多种有效策略,开发了可对多种目标分析物具有超高灵敏度检测的水溶性有机半导体材料,构建了对多种重要分析物具有检测和成像功能的磷光生物探针和具有高特异性的“量子点-生物分子”复合探针,为疾病机理研究和疾病诊断提供了新的分析方法和成像技术;开发了世界上首例无金属、无重元素的纯有机半导体长余辉材料,发展了有机光电材料在数据加密和信息防伪领域的新应用;发现了体相异质结聚合物半导体存储技术,利用其动态特性和空间位阻功能化成功地实现了双稳态调控,开辟了存储器研究的新领域。

  上述研究成果,为智能柔性电子器件的设计与制造,提供了重要的理论指导。尽管我们在柔性电子领域已取得系列成果,但仍面临着诸多问题和挑战。通过新型柔性功能材料的设计合成和物性研究、高性能柔性电子器件的加工与集成,进一步认识柔性电子学的物理机制,对柔性电子学的理论完善和柔性电子产业的迅速发展具有重要支撑作用,同时也有利于推进我国在电子信息产业领域的转型升级。

  柔胜刚克,乘风破浪:器件跨越应用

  当前,电子信息产业仍然以刚性器件和系统为主。经过近百年的技术积累,刚性器件具有成熟的加工装备、高运行速度、高精确性、高稳定性等优点。然而,经典硅基电子学的局限性受摩尔定律的影响日益突出。柔性电子的诞生为经典电子学的发展提供了新的方向,触发了新形态电子设备的产生,也将使人们的日常生活发生革命性的变化。如可折叠、可卷曲、柔性显示器将改变现有图片和影视的呈现形式,使得手机、电视等消费电子产品的形态更加新颖和轻便。

  柔性电子皮肤可集成多种柔性传感器,通过优化柔性器件与生物中枢神经系统界面,帮助义肢实现感知功能,赋予机器人具有、甚至超越人类皮肤的智能仿生触觉功能。柔性健康传感器可以贴附于人体用来对体温、心率、心电、脑电波、血压、汗液和血液组分等健康参数持续检测,并对相关数据进行智能分析和存档,实现人体健康状况的评估与疾病的远程诊断。柔性健康监测系统,可随时随地持续监测人体健康状态。

  柔性电子具有轻薄、低能耗、好的生物相容性和可调控力学性能等,特征使得健康监测系统可长期贴附于人体皮肤而不影响人们的日常活动。智能穿戴设备可将应用软件和网络进行无线连接,实现远程办公和休闲的结合,也可实现诸如基于生理电监测的意念控制技术。可植入的柔性电子设备为复杂疾病的治疗,如帕金森、癫痫、抑郁症等提供了新的治疗手段。

  近年来,人工智能技术的发展推动了语音识别、机械控制和经济政策决策的精准化、智能化、高效化。柔性电子是人工智能的基础支撑,将引领和拓展人工智能技术在更多领域的应用。柔性人工神经形态芯片可实时模拟人类大脑进行学习与高速运算,从而满足人工智能技术对云计算等超强处理算法的硬件需求。柔性电子的智能化特质,使得其在未来信息技术中具有不可替代的作用。

  以柔克刚,决胜千里:应用定义未来

  老子《道德经》曰:“天下莫柔弱于水,而攻坚强者莫之能胜,以其无以易之。”面对西方国家对我国技术封锁与遏制,颠覆性科技创新是重要出路。我们应在碳基材料与光电过程结合的基础上,孕育以光电子产业为先导的柔性电子巨型产业,突破欧美长期把持的在硅基材料与电子过程结合基础上形成的微电子产业主导产业发展的格局,引领具有超高附加值特征的战略性、主导性和支柱性柔性电子产业发展,开创柔性电子定义的新时代。

  以柔性电子为核心,着力发展“饥饿科技”(FAMISHED),即柔性电子、人工智能、材料科学、泛物联网、空间科学、健康科学、能源科学和数据科学等八大关键核心科学技术与战略性新兴产业,是我国在颠覆性科技创新前沿领域开道超车的重要战略机遇。

  在国防科技创新和航空航天领域,武器装备的智能化和集成化已成为当前的发展趋势。柔性电子可融合智能材料、传感器、信息传输与处理等前沿技术,提升相关装备与系统的智能化水平,推动航空航天的发展,服务国防现代化建设。深入开展柔性电子领域的研究是驱动我国全面创新发展的新引擎。

  柔性电子是实践“人才强国战略”的重要途径之一。柔性电子的多学科高度交叉性,将打破传统学科间的壁垒,以创新的人才引进和培养方式,促进新兴前沿交叉学科的建设与发展。以柔性电子为契机,实施创新制度建设,凝聚海内外中华儿女智慧和力量,激发各类创新群体的人才引领示范作用、挖掘人才创新活力和潜能,为构筑人类命运的共同体作出新贡献。

  笔者认为,在新一轮科技革命和产业变革中,柔性电子是我国自主创新引领未来的重要战略机遇。应把握住发展柔性电子这一产业,立足于前瞻性基础研究,凝练提出重大科学问题,寻求重大理论突破,掌握核心关键技术,产出引领性原创成果,提高我国相关学科原始创新和自主创新能力。

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