国防科普加油站（9）电子新材料：为信息时代“奠基”

去年底，“2020中国电子材料产业技术发展大会”在广州市举行。中国工程院屠海令等5名院士与全国电子材料领域专家，围绕5G网络、集成电路、新型显示等产业链对电子材料发展需求等议题开展研讨，又一次引起人们对电子新材料的关注。

所谓电子材料，是指具有能量与信号的发射、吸收、转换、传输、存储、显示或处理等功能特性的一类材料，包括导电材料、半导体材料、压电与铁电材料、磁性材料、光电子材料、新能源材料等。

如果把电子装备比作人的身体，那么各类电子材料就构成了这具躯体的器官、血肉与神经系统，直接决定了电子装备的功能。随着电子信息技术的发展和新材料技术的革新，一批电子新材料已经走出实验室，催生了一系列新技术、新产品，将有力推动电子信息产业发展，为用户带来耳目一新的使用体验。

宽禁带半导体材料：高功率电子器件的“核芯”

半导体材料是指导电性能介于导体和绝缘体之间且导电性能随环境（如光照、电场、温度等）发生显著改变的一类电子材料。上世纪中叶，科学家首先使用硅基半导体材料制备出半导体晶体管和集成电路，拉开了信息时代的序幕。之后,在数十年的发展过程中先后诞生了四代半导体材料。其中，第三代半导体材料具有宽禁带的物理特性，拥有一系列引人注目的性能优势，在高功率电子器件、射频芯片、光电探测器等领域得到了广泛应用。

禁带宽度是衡量半导体材料能带结构差异的参数，对半导体材料的工作温度、导电性和光电性等有决定性的影响。具有宽禁带特性的半导体材料具有抗击穿能力强、热导率高、电子饱和速率高等特点，可在高温和强辐射环境下稳定工作，在大量应用场景中表现出比传统一、二代半导体材料更优的适用性。例如，氮化镓已被用于手机快充充电器的主控芯片中，使体积较小的便携式手机充电器也能告别“五伏一安”，轻松将充电功率提升至30瓦以上，从而有效改善智能手机用户的日常使用体验。类似的技术还被应用在新能源汽车、光伏逆变器、舰船全电推进系统等领域中。而使用宽禁带半导体制造的高功率射频器件，也在小到手机终端、民用网络基础设施，大到有源相控阵雷达、卫星通讯模块中得到大量应用。此外，宽禁带半导体制成的光电二极管对紫外光的选择性探测能力极佳，还被用来制作高灵敏度的紫外探测器，比如战斗机上用于识别来袭导弹羽烟的紫外告警装置。

发展中的第四代半导体材料则涵盖了超宽禁带和超窄禁带两类半导体材料，其中超宽禁带半导体材料主要包括氧化镓、氮化铝、金刚石等材料。超宽禁带半导体材料具有比宽禁带半导体材料更加突出的特性优势，具有满足相关领域未来发展需求的潜质。在解决现有的材料制备和生产工艺问题之后，超宽禁带半导体材料有望进一步促进电子器件的高功率化、小型化、高可靠性化和低成本化发展。

图1：用宽禁带半导体材料的有源相控阵雷达

柔性显示材料：让世间万物皆“显形”

著名科幻小说《三体·黑暗森林》中有这样一段描写：主人公经过长时间“冬眠”后在未来世界醒来，发现在未来世界中显示屏随处可见，墙体、地面、桌面、沙发、衣服、纸巾盒都拥有了显示功能。能够将这一幻想变成现实的电子材料就是柔性显示材料。

显示材料能够把电子设备内部的电信号转化为人眼可识别的光信号，是承载信息传递和人机交互功能的重要媒介。显示材料的发展经历了CRT时代的阴极射线荧光粉、LCD时代的液晶面板、LED/OLED时代的发光二极管/有机发光二极管阵列的过程。其中，OLED技术使用的有机发光二极管材料具有自发光特性，除传统的刚性玻璃衬底之外，还能使用塑料等柔性材料作为衬底，因此可以在满足小型化、轻薄化需求的同时实现显示器件的柔性化。

目前，柔性显示以OLED为主流技术途径，其发展经历了三个阶段。一是“曲面”阶段，也就是将柔性OLED器件压合在具有固定曲率的玻璃基底上，获得具有一定弧度的曲面显示屏幕。这类曲面屏虽然利用了柔性OLED器件的可弯曲性，但屏幕本身无法自由弯曲或折叠，因此还不是严格意义上的柔性显示。二是“折叠”阶段，即除了使用柔性OLED器件之外，基底材料也选用柔性材料，结合刚性的外部承载结构和可转动的铰链机构设计，使整个显示屏幕可沿铰链转动翻折。目前，已有多个厂家推出了搭载折叠显示屏幕的手机和笔记本电脑设备。除了产生让人惊艳的视觉效果之外，这些智能移动终端设备还兼具了小屏设备的便携性和大屏设备的易用性。但受限于现有柔性显示材料的强度、韧度、耐用性和可靠性问题，折叠屏还不能做到完全的自由弯曲，同时存在易起折痕、易受划伤的问题。三是“揉卷”阶段。在这一阶段，显示屏幕将获得能和纸张、布料相媲美的可变形能力和极佳的耐用性，实现真正的全柔性显示。已有厂家在近期展示了这种薄如蝉翼、可自由揉卷的全柔性显示器件样品。

未来，如果能解决好控制器件、供能器件、集成电路等其他关键器件的柔性化问题，基于全柔性显示器件获得具有同样特性的显示设备，将引发智能终端设备形态和功能的革命，科幻小说中的场景将会走入现实，让人们的日常生活更加五彩缤纷。

图2：使用柔性显示材料的柔性屏幕

超导材料：确保电子畅通无“阻碍”

1911年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯在研究低温下金属电阻变化规律时,意外发现：将水银冷却到零下270摄氏度左右时，水银的电阻突然消失了。他将这种低温下导体电阻突变为零的现象称为“超导”，并将使导体进入超导态的温度称为超导临界温度。之后，科学家又发现超导态下材料具有完全抗磁性，即材料内部没有磁场，这一现象又被称为迈斯纳效应。具有这种神奇特性的电子材料就是超导材料。

超导材料的发现引起了人们的极大兴趣。单从最简单应用设想来看，如果能够用超导材料取代导体材料制作电线，就能使远距电能传输的损耗降低到可忽略不计。然而，水银的超导临界温度低至零下270摄氏度左右，接近液氦的温度，难以得到实际应用。随后，科学家们致力于提升超导材料的超导临界温度，成功获得了超导临界温度在液氮温度（零下196.56摄氏度）以上的超导材料，从而开启了超导材料的实用化进程。这些借助廉价而丰富的液氮即可进入超导态的超导材料被称为高温超导材料。高温超导材料具有广阔的用途，包括超导发电、超导输电、超导储能、超导磁悬浮等等。人类探索可控核聚变技术的托卡马克核聚变实验装置，也安装了高温超导材料制成的超导线圈，用来产生约束高温等离子体的强大磁场。

然而，高温超导材料的“高温”终究是相对液氦的“低温”而言的。百余年来，研究超导材料的科学家们始终拥有一个终极梦想，那就是获得在室温下就呈现超导态的超导材料，即室温超导材料。通过大量的实验尝试和验证，各国科学家在液氮温度的基础上艰难提升着超导材料的超导临界温度。有关资料显示，近年来，中国、德国、美国科学家在这方面已取得一系列技术突破，已有材料在极高压强环境下表现出了室温超导特性。随着研究的不断深入，超导材料的超导临界温度还会得到进一步提升，所需的压强环境也将不再苛刻。或许在未来的某一天，室温超导材料将成功进入应用阶段，为人类带来翻天覆地的变化。

电磁超材料：微观结构让其很“另类”

传统材料的性能设计和优化过程，就像烹饪一道菜肴，确定菜谱、选好主材之后，通过不断调整火候和调料配比，就可以让菜品呈现不同的口感和风味。然而，这种方法难以突破材料固有物理属性的限制。例如，光从一种介质斜射入另一种介质时会发生折射，这是由于不同介质材料的折射率不同导致的。由于天然材料的折射率始终为正，因此入射光和折射光位于法线异侧。那么，是否存在一种手段能够突破这一限制呢？

答案是肯定的。科学家通过对材料微观尺度上的结构进行人工定制，就能让材料在宏观尺度上表现出天然材料不可能具备的反常物理性质，如负折射率、负介电常数、负磁导率等。这种借由特定微观结构获得超常电磁特性的特种复合材料就是电磁超材料。

电磁超材料在原子、分子层面上与天然材料并没有本质区别，但具有几何尺寸大于原子分子而小于电磁波波长的人造微观结构，这些微观结构针对不同的电磁波具有特定的响应行为。通过对微观结构形态和排布规律的精确调控，电磁超材料可以表现出既和天然材料差异巨大、又具有高度可设计性的物理性质。这使得电磁超材料在无线通信、电磁隐身、超分辨率成像等技术领域具有极高的应用价值。

电磁超材料最为引人注目的应用设想是“隐身衣”。通过合理设计电磁超材料的电磁参数，可以使电磁波从目标表面覆盖的一层电磁超材料中绕射而过，从而实现目标的隐身。由于可见光也是一种电磁波，如果把电磁超材料的工作频段设计为可见光频段，那么就能得到和《哈利·波特》中“隐身斗篷”一样神奇的光学“隐身衣”。该技术已在理论和实验中得到了初步验证，可在军用伪装隐身材料领域发挥重要作用。

此外，电磁超材料还能为传统电子材料的性能革新提供新思路，即通过调控组分来优化材料本身性能的同时，实现材料微观结构的可控制备，进一步提升材料的综合性能。(作者：王握文、宁凡明、顾 莹，来源：国防科技大学“科普中国”共建基地)

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