【學科前瞻三十年】 馬偉:大力發展有機電子,牢牢緊抓新興產業戰略機遇

2017年,西安交通大學入選“雙一流”大學A類建設高校名單,材料學院材料科學與工程學科入選“世界一流學科”建設名單。2019年,金屬材料強度國家重點實驗室評估優秀。當前是實現材料科學與工程學科建設成為世界一流學科目標的關鍵時期,材料物理與化學方向作為材料學科的重要組成部分,努力發展自身在能源材料、高分子材料從合成制備、器件設計到結構性能表征方面的優勢,不遺余力地支持材料科學與工程學科的建設與發展,推動材料科學與工程學科早日建設成為“世界一流學科”。我個人的主要研究方向是有機半導體材料,這是近十幾年的材料科學領域的重要新興研究方向,目前國內外已經有越來越多的課題組開展相關研究。實際上,在新一輪科技革命和產業變革中,柔性電子是我國自主創新、引領未來的重要戰略機遇。我們應牢牢把握住柔性電子產業,立足于前瞻性基礎研究,凝練提出重大科學技術問題,掌握核心關鍵技術,產出引領性原創成果,提高我國相關學科理論創新和技術創新能力,為國家服務。下面我結合自己的研究經歷,主要從有機半導體技術的研究意義、如何大力發展有機柔性半導體技術來談談自己的看法。

一、有機電子的重要意義與發展愿景

有機電子是將有機半導體電子器件制作在柔性/可延性塑料基板上的新興電子技術,以其獨特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝,在能源、信息、醫療、國防等領域具有廣泛應用前景,將作為新一代半導體產品對未來人類生產生活帶來革命性的改變。有機電子技術的核心是利用有機小分子或者高分子材料的半導體特性以及摻雜導電特性,結合微納米加工技術,實現包括有機發光二極管(OLED)、有機太陽能電池(OPV)、有機電子晶體管(OFET)、有機電化學晶體管(OECT)、有機光電探測器、有機熱傳導發電機(OTEG)、有機可變電阻式存儲器(OReRAM)等多種高性能半導體器件。相比硅或其他無機半導體材料,有機材料具有靈活性、伸縮性和柔軟性(“軟電子”)設備的潛力,可彎曲、扭曲,并和任何表面曲線相符合。設想新型整片(非組裝)曲面電子設備,以及未來智能手機可像一張地圖一樣折疊,這就要求屏幕、處理器、電池等核心電子組件必須是柔性的。此外有機材料是碳基材料,具有更好的生物相容性,這是無機材料不可能超越的優勢。因此,有機電子“天生”適用于生物電子領域,例如生物傳感器、人造皮膚、人造眼睛等。

柔性電子在多種戰略性新興產業,尤其在新能源產業、節能環保產業、新一代信息技術產業、新材料產業、生物產業領域可發揮重要作用。在過去的二十年中,國際各個著名研究機構例如劍橋大學、德國馬普研究所等,都建立了柔性電子研究中心,對有機電子材料制備、機理研究、器件設計與應用等方面開展了大量的基礎研究工作,并取得了一定進展。與此同時,有機電子技術同樣引起了我國研究人員的高度關注與重視,我國在有機電子的多個研究方向正處于世界前沿,各個研究機構例如中國科學院化學所、清華大學、華南理工大學、西北工業大學等對相關研究與產業化始終非常支持。經過多年發展,OLED已經進入產業化階段,相比LCD背發光源,OLED的自發光屏更輕更薄,同時OLED可屏幕可以實現可彎曲屏幕,賦予新一代產品更多的設計可能性,已經在華為手機、OPPO手機曲面屏上使用。同時,隨著新型高效率光敏聚合物的研究開發、有機聚合物形貌調控研究、OPV器件物理研究,OPV的能量轉換效率已經達到18%,接近硅電池和鈣鈦礦太陽能電池的效率。然而,為了實現高效率OPV模組,其能量轉換效率還需要再提高。除了能量轉換率的問題,OPV的另一個重要不足時穩定性較差,這限制了其潛在的產業化應用。OFET的性能相比傳統無機晶體管還有明顯差距,主要是由于有機材料的電學性能,例如電荷遷移率,遠低于無機半導體。其他的有機電子器件種類中,例如OECT、OReRAM、OTEG等,現階段仍處于初步探索階段,距離產業應用還有很長一段距離。

盡管有機半導體和有機電子器件的相關研究已經持續了二三十年并取得了一定進展,相關理論仍需進一步的探索。學界普遍認為,有機電子未來的發展整體方向是:1)完成以硅為基礎的電子產品不能完成的事情,擴大電子產品的功能性和便捷性。例如基于有機電子的伸縮性和生物相容性特點的生物電子器件,如人造皮膚,可植入腦機接口等等,更多的、更具創新性的研究方向和領域亟待開發。2)使用更多的資源友好和高效節能的工藝制造方式。相比傳統無機導體,有機電子器件可以通過溶液旋涂法制備,同時對制備環境的清潔度要求也低于傳統無機半導體。因此,有機半導體器件的生產成本可以遠遠低于無機器件。高性能的有機半導體器件需要對有機材料和器件中分子設計的理論、電荷遷移、電子自旋和遷移、光學性熱電效應等有深入的理解。未來有機電子器件會集成光學、電學、磁學等多方面的性能?,F階段,有機電子學的研究仍在發展中,有關有機材料的電子結構、電子遷移、能量傳遞、光電轉換機理等仍然處于探索階段,還沒有形成公認合理的理論模型。3)有機材料在分子結構設計上的多樣性是其相對于無機材料的一個重要優點,但是如何更好地根據需要設計滿足要求的分子還缺乏有力的理論指導。另外,進一步提高有機材料的穩定性、不斷探索新的器件結構和薄膜制備技術也將是有機電子學面臨的長期課題。

二、有機電子的未來發展方向

在綜合分析了有機電子的現狀和挑戰之后,筆者認為未來的有機電子發展將集中在以下方面:

在學術研究方面:

1.基礎研究。1)對有機高分子材料、小分子材料分子結構與功能的理論研究,從而為研究特定性能器件提供必備的材料支持。2)目前有機電子研究主要集中在電荷傳輸方面,包括電荷的分離和高效率的傳輸,實際上低效率的電荷傳輸仍然是制約有機電子現有的電子性能的重要原因。因此需要進一步研究并提高電荷分離效率、電荷傳輸效率,從而提高多種有機電子器件的性能。3)有機電子不僅要研究電荷傳輸,電子自旋與傳輸特性、熱電效應,光學效應等多方面的基礎特性都應進一步深入研究。伴隨著有機電子材料和器件的深入理解,不僅可以提高現有器件性能,也可以基于這些特性來創造更多功能型、創新型的器件。4)提高有機材料穩定性的問題,為實現產業化應用做好準備。5)研究新型有機電子器件結構,提高器件性能。

2.表征分析技術。應當進一步的開發新型的結構表征方法和技術,現有的分析技術大多是有機電子器件的整體性能表征、或者是表層表征。未來需要在納米尺度上,對于有機分子的結構和排列進行更清晰的調控,從而為高性能器件制備提供指導。

3.制備技術。1)首先應當大力應當發展材料制備的上下游企業,因為目前我國材料科學的很多研究材料都是從國外公司購買的,這很明顯地制約了我們的發展,而且很可能因為國際關系的變化而受到影響。因此,要鼓勵材料上下游企業與研究機構合作,共同開發,提升起各種企業的研究能力。2)另一方面,要大力發展資源友好和高效節能的工藝制造方式,充分利用有機材料可溶液制備的優勢和柔性的優勢,降低生產成本,推進商業化應用。3)發展三維/多維的的制備技術,為有機器件的集成化,例如ReRAM和芯片制備,提供足夠的理論和技術支持。

4.交叉學科發展。有機電子的生物相容性,在生物電子方面的應用有得天獨厚的潛力。除此之外,有機電子在信息通信方面也有很大的優勢。例如人工智能芯片可利用有機電子摻雜或者離子混合摻雜改變其導電特性的的性能,實現有機晶體管與存儲器的集成。因此在相關基礎有機電子元器件研究的同時,應當注意在交叉學科應用的技術研究,和相關領域研究人員保持密切合作關系,從而打開研究思路,優勢互補,實現更多的創新空間。筆者認為,有機電子的交叉應用絕不僅限于生物電子和通信信息通訊,而是有著更廣闊的天空亟待優秀的科研和工程工作者發現和發展。

在產業價值方面:

1.開發新型高性能產品,實現相關產品的深化應用,造福人類生活。要注意相關產業鏈的發展,包括材料分子合成與制備、器件制備、封裝、測試,以及特異性功能器件設計,占據國際產業鏈的核心位置。

2.人才培養。伴隨著有機電子產業的發展,研究人員、技術人員的會得到進一步的鍛煉。更重要地是,在有機電子發展過程中會培養很多批優秀學生,從而在未來的幾十年內不光是向科研機構、同時向全社會相關產業輸送人才,使得中國在有機電子產業方面牢牢的抓住創新發展機會,領跑國際。

三、有機電子產業中的現狀與發展建議

隨著國家和各個高校研究機構對有機電子產業越加重視,大力引進高層次科研人員,并對相關硬件軟件設施提供政策支持,使得我國有機電子研究發展迅速。以OPV為例,近年來,我國的研發的高性能有機太陽能電池多次突破世界紀錄,新型的電池材料設計和形貌控制方面也處于國際領先地位。然而,我們需要清楚地認識到,在基礎理論研究方面,我們與國際最領先的研究機構仍然存在一定的距離。普遍而言,國內研究機構把更多的精力集中在材料功能和工藝優化等方面,追求更高的電器件性能,而對于有機材料基礎電學、光學等研究則進展較慢。國家應當大力支持有機柔性半導體技術產業的發展、有機柔性半導體相關方向的高?;A研究,在基礎研究方面投入更多的資金和精力,避免始終追隨別人的腳步,努力趕超和領先國際水平,讓國內科研機構在有機電子科研技術的上下游都成長為真正的領頭羊。

我們應該認識到有機電子的深入研究與發展,要同時重視技術創新和基礎創新。這需要學科的深度交叉,需要有物理、化學、器件制備、先進表征技術等等相關方面協同合作的領域。理論分析、材料制備、材料表征、研究器件制備這幾個環節缺一不可。因此,我們需要充分利用西安交通大學這個平臺,全校各個研究所實施深入合作,充分利用中國西部科技創新港這個吸引人才的平臺,積極開展“絲綢之路”青年科技論壇,廣邀在有機柔性半導體領域國外有突出科研業績的青年科學家參加,作為高層次人才引進并全力支持他們發展,把國外那些先進的有機柔性半導體技術引進國內廣泛引進國外高層次人才,提高材料學科硬實力,同時認真踏實弘揚西遷精神,做好科研。學科建設和人才引進不僅僅集中在有機電子學科,要協同發展其他相關的學科,例如物理、化學、生物等,提高學科上下游的整體硬實力,為進一步的理論創新研究和技術創新打好基礎,爭取取得有國際影響的、原創性的學術成果,以及對國家產業發展產生重大影響的應用成果。對于博士研究生和本科生,應當進一步加強基礎研究的培養,鼓勵學生攻克創新難題,必須要緊在打好理論基礎的同時,也要能夠緊追科學學科發展前沿,這需要在本科生和研究生培養制度上有創新,讓學生能夠學以致用,享受前沿研究的樂趣,建立和培養一支適應國際競爭的創新人才隊伍。

個人簡介

馬偉,西安交通大學材料學院教授。2005年獲得華南理工大學材料科學與工程專業本科學位;在法國薩瓦大學獲得碩士學位,法國巴黎第六大學獲得博士學位后,在法國巴黎高等師范學院和美國北卡州立大學從事博士后研究。馬偉從事聚合物太陽電池凝聚態結構精細解析及高效可拉伸大面積器件制備。近年,面向納米結構精細化表征的國際前沿和新型光伏能源器件開發的國家重大需求,圍繞多組分無序聚合物共混體系結構表征困難帶來的聚合物太陽電池形貌優化盲目等難題深入開展研究。

馬偉自2015年入職西安交通大學以來以第一/通訊作者在Nature Energy,Nature Communication, Adv. Mater.,J. Am. Chem. Soc.等著名期刊發表研究論文80篇,總論文數為200余篇。受邀為Nature Materials和Matter發表“觀點&新聞”評述性論文,受邀在Acc. Chem. Res.和Joule等雜志發表邀請綜述8篇。五年內SCI引用總數20000余次,H因子64。其中,ESI高被引論文總共40余篇,ESI熱點論文10余篇,入選科睿唯安全球高被引科學家(2018-交叉學科,2019-材料學科),陜西省科技創新團隊負責人。

來源:交大新聞網

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