它是現(xiàn)代電子工業(yè)的物質基礎和大國技術競賽焦點
它堪稱信息技術自主可控、安全可靠的“守護神”
它在通信、空間、能源、國防等領域應用前景廣闊
去年底，2020中國電子材料產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展大會在廣州舉行。中國工程院屠海令等5名院士與全國電子材料領域專家，圍繞5G網(wǎng)絡、集成電路、新型顯示等產(chǎn)業(yè)鏈，展開“電子材料發(fā)展需求”專題研討，再次引起人們對電子新材料的關注。
所謂電子材料，是指具有能量與信號發(fā)射、吸收、轉換、傳輸、存儲、顯示或處理等功能特性的一類材料，包括導電材料、半導體材料、磁性材料、光電子材料、新能源材料等。
如果把電子裝備比作人的軀體，那么各類電子材料就像是這一軀體的器官、血肉與神經(jīng)系統(tǒng)，直接決定了電子裝備的功能。隨著電子信息技術和新材料技術的發(fā)展，一批電子新材料應運而生。
寬禁帶半導體材料：高功率電子器件的“核芯”
半導體材料是導電性能介于導體和絕緣體之間、導電性能隨環(huán)境變化而發(fā)生顯著改變的一類電子材料。
上世紀中葉，科學家首先使用硅基半導體材料，制備出半導體晶體管和集成電路，拉開了信息時代序幕。之后，在數(shù)十年的發(fā)展過程中，先后誕生了四代半導體材料。其中，第三代半導體材料具有寬禁帶的物理特性，性能優(yōu)勢明顯，在高功率電子器件、射頻芯片、光電探測器等領域得到廣泛應用。
禁帶寬度是衡量半導體材料能帶結構差異的參數(shù)，對半導體材料工作溫度、導電性和光電性等有決定性影響。具有寬禁帶特性的半導體材料，抗擊穿能力強、熱導率及電子飽和速率高，可在高溫和強輻射環(huán)境下穩(wěn)定工作，在大量應用場景中，表現(xiàn)出比傳統(tǒng)一、二代半導體材料更強的適用性。
例如，具有寬禁帶特性的半導體材料氮化鎵，已被用于手機快充充電器的主控芯片中，使體積較小的便攜式手機充電器，輕松將充電功率提升至30瓦以上，從而有效改善智能手機用戶的日常使用體驗。
類似技術還被應用在新能源汽車、光伏逆變器、艦船全電推進系統(tǒng)等領域。使用寬禁帶半導體制造的高功率射頻器件，也在小到手機終端、民用網(wǎng)絡基礎設施，大到有源相控陣雷達、衛(wèi)星通信模塊中得到大量應用。
此外，寬禁帶半導體制成的光電二極管，對紫外光的選擇性探測能力極佳，因此被用來制成高靈敏度的紫外探測器。如戰(zhàn)斗機上用于識別來襲導彈羽煙的紫外告警裝置等。
發(fā)展中的第四代半導體材料，涵蓋了超寬禁帶和超窄禁帶兩類半導體材料。其中，超寬禁帶半導體材料主要包括氧化鎵、氮化鋁、金剛石等材料。超寬禁帶半導體材料展現(xiàn)出比寬禁帶半導體材料更加突出的特性優(yōu)勢，具備滿足相關領域未來發(fā)展需求的潛質。
柔性顯示材料：讓世間萬物皆“顯形”
顯示材料能把電子設備內部的電信號轉化為人眼可識別的光信號，是承載信息傳遞和人機交互功能的重要媒介。
顯示材料的發(fā)展，經(jīng)歷了CRT時代的陰極射線熒光粉、LCD時代的液晶面板、LED/OLED時代的發(fā)光二極管/有機發(fā)光二極管陣列等一系列過程。其中，OLED技術使用的有機發(fā)光二極管材料，具有自發(fā)光特性，除傳統(tǒng)的剛性玻璃襯底外，還能使用塑料等柔性材料作為襯底。因此，可在滿足小型化、輕薄化需求的同時，實現(xiàn)顯示器件的柔性化。
目前，柔性顯示以OLED為主流技術途徑，其發(fā)展經(jīng)歷了三個階段——
一是“曲面”階段。也就是將柔性OLED器件壓合在具有固定曲率的玻璃基底上，獲得具有一定弧度的曲面顯示屏幕。這類曲面屏雖然利用了柔性OLED器件的可彎曲性，但屏幕本身無法自由彎曲或折疊，因此還不是嚴格意義上的柔性顯示。
二是“折疊”階段。即除了使用柔性OLED器件外，基底材料也選用柔性材料，結合剛性的外部承載結構和可轉動的鉸鏈機構設計，整個顯示屏幕能沿鉸鏈轉動翻折。目前，世界上已有多個廠家推出搭載折疊顯示屏幕的手機和筆記本電腦等電子設備。除了產(chǎn)生讓人驚艷的視覺效果外，這些智能移動終端設備還兼具了小屏設備的便攜性和大屏設備的易用性。但受限于現(xiàn)有柔性顯示材料的強度、韌度、耐用性和可靠性問題，折疊屏還不能做到完全的自由彎曲，同時存在易起折痕、易受劃傷等問題。
三是“揉卷”階段。在這一階段，顯示屏幕將獲得和紙張、布料相媲美的可變形能力和極佳的耐用性，實現(xiàn)真正的全柔性顯示。已有廠家在近期展示了這種薄如蟬翼、可自由揉卷的全柔性顯示器件樣品。
未來，如能解決好控制器件、供能器件、集成電路等其他關鍵器件的柔性化問題，基于全柔性顯示器件獲得具有同樣特性的顯示設備，將引發(fā)智能終端設備形態(tài)和功能的革命，讓人們的日常生活更加五彩繽紛。
超導材料：確保電子暢通無“攔截”
1911年，荷蘭物理學家卡末林·昂內斯在研究低溫下金屬電阻變化規(guī)律時意外發(fā)現(xiàn)，將水銀冷卻到-270℃左右時，水銀的電阻突然消失了。
卡末林·昂內斯將這種低溫下導體電阻突變?yōu)榱愕默F(xiàn)象稱為“超導”，并將使導體進入超導態(tài)的溫度稱為超導臨界溫度。之后，科學家又發(fā)現(xiàn)超導態(tài)下材料具有完全抗磁性，即材料內部沒有磁場。具有這種神奇特性的電子材料，就是超導材料。
超導材料的發(fā)現(xiàn)，引起人們極大興趣。從最簡單應用設想來看，如果用超導材料取代導體材料制成電線，能使遠距離電能傳輸?shù)膿p耗降低到忽略不計。然而，諸如水銀的超導臨界溫度低至-270℃左右，難以得到實際應用。
隨后，科學家致力于提升超導材料的超導臨界溫度，取得了令人矚目的成就。尤其是成功獲得了超導臨界溫度在液氮溫度（-196.56℃）以上的超導材料，從而開啟了超導材料實用化進程。這些借助廉價而豐富的液氮即可進入超導態(tài)的超導材料，被稱為高溫超導材料。
高溫超導材料用途廣泛，包括超導發(fā)電、超導輸電、超導儲能、超導磁懸浮等。人類探索可控核聚變技術的托卡馬克核聚變實驗裝置，也安裝了高溫超導材料制成的超導線圈，用以產(chǎn)生約束高溫等離子體的強大磁場。
多年來，研究超導材料的科學家還有一個夢想，就是獲得在室溫下呈現(xiàn)超導態(tài)的超導材料，即室溫超導材料。通過大量實驗嘗試和驗證，科學家在液氮溫度的基礎上，艱難提升著超導材料的超導臨界溫度，目前已有材料在極高壓強環(huán)境下表現(xiàn)出室溫超導特性。
電磁超材料：微觀結構讓其很“另類”
傳統(tǒng)材料的性能設計和優(yōu)化過程，像烹飪一道菜肴，確定菜譜、選好食材之后，通過不斷調整火候和調料配比，可讓菜品呈現(xiàn)不同的口感和風味。然而，這種方法難以突破材料固有物理屬性的限制。
那么，能否通過一種手段突破這一限制呢？答案是肯定的。科學家通過對材料微觀尺度上的結構進行人工定制，就能讓材料在宏觀尺度上表現(xiàn)出天然材料無法具備的反常物理性質，如負折射率、負介電常數(shù)、負磁導率等。這種借由特定微觀結構獲得超常電磁特性的特種復合材料，就是電磁超材料。
電磁超材料在原子、分子層面上，與天然材料并無本質區(qū)別，但具有幾何尺寸大于原子、分子直徑而小于電磁波波長的人造微觀結構。這些微觀結構，針對不同的電磁波，具有特定的響應行為。通過對微觀結構形態(tài)和排布規(guī)律的精確調控，電磁超材料可表現(xiàn)出既和天然材料差異巨大、又具有高度可設計性的物理性質。這使得電磁超材料在無線通信、電磁隱身、超分辨率成像等技術領域，具有極高應用價值。
電磁超材料最為引人注目的應用設想是制作“隱身衣”——通過合理設計電磁超材料的電磁參數(shù)，可使電磁波從目標表面覆蓋的一層電磁超材料中繞射而過，從而實現(xiàn)目標隱身。
由于可見光也是一種電磁波，如果把電磁超材料的工作頻段設計為可見光頻段，那么就能得到神奇的光學“隱身衣”。該技術已在理論和實驗中得到初步驗證，在軍用偽裝隱身材料領域或將發(fā)揮重要作用。
此外，電磁超材料還能為傳統(tǒng)電子材料的性能革新提供新思路。即通過調控組分來優(yōu)化材料本身性能的同時，實現(xiàn)材料微觀結構的可控制備，以提升材料的綜合性能。
來源：《解放軍報》
