电子新材料:信息时代的“基石”

2021-03-19 10:48:13 来源:解放军报
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国防科技大学空天科学学院张为军教授为您讲述——

电子新材料:信息时代的“基石”

■解放军报记者王握文 通讯员宁凡明 顾莹

●它是现代电子工业的物质基础和大国技术竞赛焦点

●它堪称信息技术自主可控、安全可靠的“守护神”

●它在通信、空间、能源、国防等领域应用前景广阔

电子新材料:信息时代的“基石”

外军使用宽禁带半导体材料研制的有源相控阵雷达。

去年底,2020中国电子材料产业技术发展大会在广州举行。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,展开“电子材料发展需求”专题研讨,再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、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躯体,那么各类电子材料就像是这一躯体的器官、血肉与神经系统,直接决定了电子装备的功能。随着电子信息技术和新材料技术的发展,一批电子新材料应运而生。

宽禁带半导体材料:高功率电子器件的“核芯”

半导体材料是导电性能介于导体和绝缘体之间、导电性能随环境变化而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,性能优势明显,在高功率电子器件、射频芯片、光电探测器等领域得到广泛应用。

禁带宽度是衡量半导体材料能带结构差异的参数,对半导体材料工作温度、导电性和光电性等有决定性影响。具有宽禁带特性的半导体材料,抗击穿能力强、热导率及电子饱和速率高,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、二代半导体材料更强的适用性。

例如,具有宽禁带特性的半导体材料氮化镓,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,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。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、卫星通信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,因此被用来制成高灵敏度的紫外探测器。如战斗机上用于识别来袭导弹羽烟的紫外告警装置等。

发展中的第四代半导体材料,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展现出比宽禁带半导体材料更加突出的特性优势,具备满足相关领域未来发展需求的潜质。

柔性显示材料:让世间万物皆“显形”

显示材料能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等一系列过程。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外,还能使用塑料等柔性材料作为衬底。因此,可在满足小型化、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,整个显示屏幕能沿铰链转动翻折。目前,世界上已有多个厂家推出搭载折叠显示屏幕的手机和笔记本电脑等电子设备。除了产生让人惊艳的视觉效果外,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、易受划伤等问题。

三是“揉卷”阶段。在这一阶段,显示屏幕将获得和纸张、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,让人们的日常生活更加五彩缤纷。

超导材料:确保电子畅通无“拦截”

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-270℃左右时,水银的电阻突然消失了。

卡末林·昂内斯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。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,引起人们极大兴趣。从最简单应用设想来看,如果用超导材料取代导体材料制成电线,能使远距离电能传输的损耗降低到忽略不计。然而,诸如水银的超导临界温度低至-270℃左右,难以得到实际应用。

随后,科学家致力于提升超导材料的超导临界温度,取得了令人瞩目的成就。尤其是成功获得了超导临界温度在液氮温度(-196.56℃)以上的超导材料,从而开启了超导材料实用化进程。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。

高温超导材料用途广泛,包括超导发电、超导输电、超导储能、超导磁悬浮等。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,用以产生约束高温等离子体的强大磁场。

多年来,研究超导材料的科学家还有一个梦想,就是获得在室温下呈现超导态的超导材料,即室温超导材料。通过大量实验尝试和验证,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,目前已有材料在极高压强环境下表现出室温超导特性。

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,像烹饪一道菜肴,确定菜谱、选好食材之后,通过不断调整火候和调料配比,可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。

那么,能否通过一种手段突破这一限制呢?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无法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,与天然材料并无本质区别,但具有几何尺寸大于原子、分子直径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,具有极高应用价值。

电磁超材料最为引人注目的应用设想是制作“隐身衣”——通过合理设计电磁超材料的电磁参数,可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,那么就能得到神奇的光学“隐身衣”。该技术已在理论和实验中得到初步验证,在军用伪装隐身材料领域或将发挥重要作用。

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,以提升材料的综合性能。

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