國(guó)防科普加油站（9）電子新材料：為信息時(shí)代“奠基”

去年底，“2020中國(guó)電子材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展大會(huì)”在廣州市舉行。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)鏈對(duì)電子材料發(fā)展需求等議題開展研討，又一次引起人們對(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)的發(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材料，包括導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、壓電與鐵電材料、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身體，那么各類電子材料就構(gòu)成了這具軀體的器官、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)的發(fā)展和新材料技術(shù)的革新，一批電子新材料已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，催生了一系列新技術(shù)、新產(chǎn)品，將有力推動(dòng)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為用戶帶來(lái)耳目一新的使用體驗(yàn)。

寬禁帶半導(dǎo)體材料：高功率電子器件的“核芯”

半導(dǎo)體材料是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間且導(dǎo)電性能隨環(huán)境（如光照、電場(chǎng)、溫度等）發(fā)生顯著改變的一類電子材料。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，拉開了信息時(shí)代的序幕。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，擁有一系列引人注目的性能優(yōu)勢(shì)，在高功率電子器件、射頻芯片、光電探測(cè)器等領(lǐng)域得到了廣泛應(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)體材料的工作溫度、導(dǎo)電性和光電性等有決定性的影響。具有寬禁帶特性的半導(dǎo)體材料具有抗擊穿能力強(qiáng)、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高等特點(diǎn)，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)體材料更優(yōu)的適用性。例如，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)充電器也能告別“五伏一安”，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)用戶的日常使用體驗(yàn)。類似的技術(shù)還被應(yīng)用在新能源汽車、光伏逆變器、艦船全電推進(jìn)系統(tǒng)等領(lǐng)域中。而使用寬禁帶半導(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)星通訊模塊中得到大量應(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，還被用來(lái)制作高靈敏度的紫外探測(cè)器，比如戰(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。

發(fā)展中的第四代半導(dǎo)體材料則涵蓋了超寬禁帶和超窄禁帶兩類半導(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)體材料具有比寬禁帶半導(dǎo)體材料更加突出的特性優(yōu)勢(shì)，具有滿足相關(guān)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展需求的潛質(zhì)。在解決現(xiàn)有的材料制備和生產(chǎn)工藝問(wèn)題之后，超寬禁帶半導(dǎo)體材料有望進(jìn)一步促進(jìn)電子器件的高功率化、小型化、高可靠性化和低成本化發(fā)展。

圖1：用寬禁帶半導(dǎo)體材料的有源相控陣?yán)走_(dá)

柔性顯示材料：讓世間萬(wàn)物皆“顯形”

著名科幻小說(shuō)《三體·黑暗森林》中有這樣一段描寫：主人公經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間“冬眠”后在未來(lái)世界醒來(lái)，發(fā)現(xiàn)在未來(lái)世界中顯示屏隨處可見，墻體、地面、桌面、沙發(fā)、衣服、紙巾盒都擁有了顯示功能。能夠?qū)⑦@一幻想變成現(xiàn)實(shí)的電子材料就是柔性顯示材料。

顯示材料能夠把電子設(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)光二極管陣列的過(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)的剛性玻璃襯底之外，還能使用塑料等柔性材料作為襯底，因此可以在滿足小型化、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器件之外，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)，使整個(gè)顯示屏幕可沿鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)翻折。目前，已有多個(gè)廠家推出了搭載折疊顯示屏幕的手機(jī)和筆記本電腦設(shè)備。除了產(chǎn)生讓人驚艷的視覺效果之外，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、易受劃傷的問(wèn)題。三是“揉卷”階段。在這一階段，顯示屏幕將獲得能和紙張、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)，如果能解決好控制器件、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，科幻小說(shuō)中的場(chǎng)景將會(huì)走入現(xiàn)實(shí)，讓人們的日常生活更加五彩繽紛。

圖2：使用柔性顯示材料的柔性屏幕

超導(dǎo)材料：確保電子暢通無(wú)“阻礙”

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)：將水銀冷卻到零下270攝氏度左右時(shí)，水銀的電阻突然消失了。他將這種低溫下導(dǎo)體電阻突變?yōu)榱愕默F(xiàn)象稱為“超導(dǎo)”，并將使導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的溫度稱為超導(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)，這一現(xiàn)象又被稱為邁斯納效應(yīng)。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)引起了人們的極大興趣。單從最簡(jiǎn)單應(yīng)用設(shè)想來(lái)看，如果能夠用超導(dǎo)材料取代導(dǎo)體材料制作電線，就能使遠(yuǎn)距電能傳輸?shù)膿p耗降低到可忽略不計(jì)。然而，水銀的超導(dǎo)臨界溫度低至零下270攝氏度左右，接近液氦的溫度，難以得到實(shí)際應(yīng)用。隨后，科學(xué)家們致力于提升超導(dǎo)材料的超導(dǎo)臨界溫度，成功獲得了超導(dǎo)臨界溫度在液氮溫度（零下196.56攝氏度）以上的超導(dǎo)材料，從而開啟了超導(dǎo)材料的實(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)材料被稱為高溫超導(dǎo)材料。高溫超導(dǎo)材料具有廣闊的用途，包括超導(dǎo)發(fā)電、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁懸浮等等。人類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)線圈，用來(lái)產(chǎn)生約束高溫等離子體的強(qiáng)大磁場(chǎng)。

然而，高溫超導(dǎo)材料的“高溫”終究是相對(duì)液氦的“低溫”而言的。百余年來(lái)，研究超導(dǎo)材料的科學(xué)家們始終擁有一個(gè)終極夢(mèng)想，那就是獲得在室溫下就呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)材料，即室溫超導(dǎo)材料。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)嘗試和驗(yàn)證，各國(guó)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。有關(guān)資料顯示，近年來(lái)，中國(guó)、德國(guó)、美國(guó)科學(xué)家在這方面已取得一系列技術(shù)突破，已有材料在極高壓強(qiáng)環(huán)境下表現(xiàn)出了室溫超導(dǎo)特性。隨著研究的不斷深入，超導(dǎo)材料的超導(dǎo)臨界溫度還會(huì)得到進(jìn)一步提升，所需的壓強(qiáng)環(huán)境也將不再苛刻?；蛟S在未來(lái)的某一天，室溫超導(dǎo)材料將成功進(jìn)入應(yīng)用階段，為人類帶來(lái)翻天覆地的變化。

電磁超材料：微觀結(jié)構(gòu)讓其很“另類”

傳統(tǒng)材料的性能設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程，就像烹飪一道菜肴，確定菜譜、選好主材之后，通過(guò)不斷調(diào)整火候和調(diào)料配比，就可以讓菜品呈現(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。例如，光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折射，這是由于不同介質(zhì)材料的折射率不同導(dǎo)致的。由于天然材料的折射率始終為正，因此入射光和折射光位于法線異側(cè)。那么，是否存在一種手段能夠突破這一限制呢？

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)出天然材料不可能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沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，但具有幾何尺寸大于原子分子而小于電磁波波長(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，電磁超材料可以表現(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)線通信、電磁隱身、超分辨率成像等技術(shù)領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

電磁超材料最為引人注目的應(yīng)用設(shè)想是“隱身衣”。通過(guò)合理設(shè)計(jì)電磁超材料的電磁參數(shù)，可以使電磁波從目標(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)的隱身。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(shè)計(jì)為可見光頻段，那么就能得到和《哈利·波特》中“隱身斗篷”一樣神奇的光學(xué)“隱身衣”。該技術(shù)已在理論和實(shí)驗(yàn)中得到了初步驗(yàn)證，可在軍用偽裝隱身材料領(lǐng)域發(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(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，進(jìn)一步提升材料的綜合性能。(作者：王握文、寧凡明、顧 瑩，來(lái)源：國(guó)防科技大學(xué)“科普中國(guó)”共建基地)