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• 它是現(xiàn)代電子工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)和大國(guó)技術(shù)競(jìng)賽焦點(diǎn) 

• 它堪稱(chēng)信息技術(shù)自主可控、安全可靠的“守護(hù)神” 

• 它在通信、空間、能源、國(guó)防等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊 

去年底，2020中國(guó)電子材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展大會(huì)在廣州舉行。中國(guó)工程院屠海令等5名院士與全國(guó)電子材料領(lǐng)域?qū)＜?，圍繞5G網(wǎng)絡(luò)、集成電路、新型顯示等產(chǎn)業(yè)鏈，展開(kāi)“電子材料發(fā)展需求”專(zhuān)題研討，再次引起人們對(duì)電子新材料的關(guān)注。 

所謂電子材料，是指具有能量與信號(hào)發(fā)射、吸收、轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲(chǔ)、顯示或處理等功能特性的一類(lèi)材料，包括導(dǎo)電材料、半導(dǎo)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(lèi)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(shù)和新材料技術(shù)的發(fā)展，一批電子新材料應(yīng)運(yùn)而生。 

寬禁帶半導(dǎo)體材料：高功率電子器件的“核芯” 

半導(dǎo)體材料是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間、導(dǎo)電性能隨環(huán)境變化而發(fā)生顯著改變的一類(lèi)電子材料。 

上世紀(jì)中葉，科學(xué)家首先使用硅基半導(dǎo)體材料，制備出半導(dǎo)體晶體管和集成電路，拉開(kāi)了信息時(shí)代序幕。之后，在數(shù)十年的發(fā)展過(guò)程中，先后誕生了四代半導(dǎo)體材料。其中，第三代半導(dǎo)體材料具有寬禁帶的物理特性，性能優(yōu)勢(shì)明顯，在高功率電子器件、射頻芯片、光電探測(cè)器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 

禁帶寬度是衡量半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)差異的參數(shù)，對(duì)半導(dǎo)體材料工作溫度、導(dǎo)電性和光電性等有決定性影響。具有寬禁帶特性的半導(dǎo)體材料，抗擊穿能力強(qiáng)、熱導(dǎo)率及電子飽和速率高，可在高溫和強(qiáng)輻射環(huán)境下穩(wěn)定工作，在大量應(yīng)用場(chǎng)景中，表現(xiàn)出比傳統(tǒng)一、二代半導(dǎo)體材料更強(qiáng)的適用性。 

例如，具有寬禁帶特性的半導(dǎo)體材料氮化鎵，已被用于手機(jī)快充充電器的主控芯片中，使體積較小的便攜式手機(jī)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(jī)用戶(hù)的日常使用體驗(yàn)。 

類(lèi)似技術(shù)還被應(yīng)用在新能源汽車(chē)、光伏逆變器、艦船全電推進(jìn)系統(tǒng)等領(lǐng)域。使用寬禁帶半導(dǎo)體制造的高功率射頻器件，也在小到手機(jī)終端、民用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，大到有源相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信模塊中得到大量應(yīng)用。 

此外，寬禁帶半導(dǎo)體制成的光電二極管，對(duì)紫外光的選擇性探測(cè)能力極佳，因此被用來(lái)制成高靈敏度的紫外探測(cè)器。如戰(zhàn)斗機(jī)上用于識(shí)別來(lái)襲導(dǎo)彈羽煙的紫外告警裝置等。 

發(fā)展中的第四代半導(dǎo)體材料，涵蓋了超寬禁帶和超窄禁帶兩類(lèi)半導(dǎo)體材料。其中，超寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體材料展現(xiàn)出比寬禁帶半導(dǎo)體材料更加突出的特性?xún)?yōu)勢(shì)，具備滿(mǎn)足相關(guān)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展需求的潛質(zhì)。 

柔性顯示材料：讓世間萬(wàn)物皆“顯形” 

顯示材料能把電子設(shè)備內(nèi)部的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為人眼可識(shí)別的光信號(hào)，是承載信息傳遞和人機(jī)交互功能的重要媒介。 

顯示材料的發(fā)展，經(jīng)歷了CRT時(shí)代的陰極射線(xiàn)熒光粉、LCD時(shí)代的液晶面板、LED/OLED時(shí)代的發(fā)光二極管/有機(jī)發(fā)光二極管陣列等一系列過(guò)程。其中，OLED技術(shù)使用的有機(jī)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(mǎn)足小型化、輕薄化需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)顯示器件的柔性化。 

目前，柔性顯示以O(shè)LED為主流技術(shù)途徑，其發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段——

一是“曲面”階段。也就是將柔性O(shè)LED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(lèi)曲面屏雖然利用了柔性O(shè)LED器件的可彎曲性，但屏幕本身無(wú)法自由彎曲或折疊，因此還不是嚴(yán)格意義上的柔性顯示。 

二是“折疊”階段。即除了使用柔性O(shè)LED器件外，基底材料也選用柔性材料，結(jié)合剛性的外部承載結(jié)構(gòu)和可轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)顯示屏幕能沿鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)翻折。目前，世界上已有多個(gè)廠家推出搭載折疊顯示屏幕的手機(jī)和筆記本電腦等電子設(shè)備。除了產(chǎn)生讓人驚艷的視覺(jué)效果外，這些智能移動(dòng)終端設(shè)備還兼具了小屏設(shè)備的便攜性和大屏設(shè)備的易用性。但受限于現(xiàn)有柔性顯示材料的強(qiáng)度、韌度、耐用性和可靠性問(wèn)題，折疊屏還不能做到完全的自由彎曲，同時(shí)存在易起折痕、易受劃傷等問(wèn)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(shí)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(lái)，如能解決好控制器件、供能器件、集成電路等其他關(guān)鍵器件的柔性化問(wèn)題，基于全柔性顯示器件獲得具有同樣特性的顯示設(shè)備，將引發(fā)智能終端設(shè)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(dǎo)材料：確保電子暢通無(wú)“攔截” 

1911年，荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂內(nèi)斯在研究低溫下金屬電阻變化規(guī)律時(shí)意外發(fā)現(xiàn)，將水銀冷卻到-270℃左右時(shí)，水銀的電阻突然消失了。 

卡末林·昂內(nèi)斯將這種低溫下導(dǎo)體電阻突變?yōu)榱愕默F(xiàn)象稱(chēng)為“超導(dǎo)”，并將使導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的溫度稱(chēng)為超導(dǎo)臨界溫度。之后，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)下材料具有完全抗磁性，即材料內(nèi)部沒(méi)有磁場(chǎng)。具有這種神奇特性的電子材料，就是超導(dǎo)材料。 

超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，引起人們極大興趣。從最簡(jiǎn)單應(yīng)用設(shè)想來(lái)看，如果用超導(dǎo)材料取代導(dǎo)體材料制成電線(xiàn)，能使遠(yuǎn)距離電能傳輸?shù)膿p耗降低到忽略不計(jì)。然而，諸如水銀的超導(dǎo)臨界溫度低至-270℃左右，難以得到實(shí)際應(yīng)用。 

隨后，科學(xué)家致力于提升超導(dǎo)材料的超導(dǎo)臨界溫度，取得了令人矚目的成就。尤其是成功獲得了超導(dǎo)臨界溫度在液氮溫度（-196.56℃）以上的超導(dǎo)材料，從而開(kāi)啟了超導(dǎo)材料實(shí)用化進(jìn)程。這些借助廉價(jià)而豐富的液氮即可進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)材料，被稱(chēng)為高溫超導(dǎo)材料。 

高溫超導(dǎo)材料用途廣泛，包括超導(dǎo)發(fā)電、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁懸浮等。人類(lèi)探索可控核聚變技術(shù)的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，也安裝了高溫超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)線(xiàn)圈，用以產(chǎn)生約束高溫等離子體的強(qiáng)大磁場(chǎng)。

多年來(lái)，研究超導(dǎo)材料的科學(xué)家還有一個(gè)夢(mèng)想，就是獲得在室溫下呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)材料，即室溫超導(dǎo)材料。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)嘗試和驗(yàn)證，科學(xué)家在液氮溫度的基礎(chǔ)上，艱難提升著超導(dǎo)材料的超導(dǎo)臨界溫度，目前已有材料在極高壓強(qiáng)環(huán)境下表現(xiàn)出室溫超導(dǎo)特性。 

電磁超材料：微觀結(jié)構(gòu)讓其很“另類(lèi)” 

傳統(tǒng)材料的性能設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程，像烹飪一道菜肴，確定菜譜、選好食材之后，通過(guò)不斷調(diào)整火候和調(diào)料配比，可讓菜品呈現(xiàn)不同的口感和風(fēng)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(guò)一種手段突破這一限制呢？答案是肯定的?？茖W(xué)家通過(guò)對(duì)材料微觀尺度上的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(wú)法具備的反常物理性質(zhì)，如負(fù)折射率、負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率等。這種借由特定微觀結(jié)構(gòu)獲得超常電磁特性的特種復(fù)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(wú)本質(zhì)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(zhǎng)的人造微觀結(jié)構(gòu)。這些微觀結(jié)構(gòu)，針對(duì)不同的電磁波，具有特定的響應(yīng)行為。通過(guò)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和排布規(guī)律的精確調(diào)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(shè)計(jì)性的物理性質(zhì)。這使得電磁超材料在無(wú)線(xiàn)通信、電磁隱身、超分辨率成像等技術(shù)領(lǐng)域，具有極高應(yīng)用價(jià)值。 

電磁超材料最為引人注目的應(yīng)用設(shè)想是制作“隱身衣”——通過(guò)合理設(shè)計(jì)電磁超材料的電磁參數(shù)，可使電磁波從目標(biāo)表面覆蓋的一層電磁超材料中繞射而過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)隱身。 

由于可見(jiàn)光也是一種電磁波，如果把電磁超材料的工作頻段設(shè)計(jì)為可見(jiàn)光頻段，那么就能得到神奇的光學(xué)“隱身衣”。該技術(shù)已在理論和實(shí)驗(yàn)中得到初步驗(yàn)證，在軍用偽裝隱身材料領(lǐng)域或?qū)l(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(guò)調(diào)控組分來(lái)優(yōu)化材料本身性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)材料微觀結(jié)構(gòu)的可控制備，以提升材料的綜合性能。

來(lái)源：《解放軍報(bào)》