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【学科前瞻三十年】

马伟:大力发展有机电子,牢牢紧抓新兴产业战略机遇

来源:交大新闻网 日期 2020-10-09 10:52 点击:

2017年,西安交通大学入选“双一流”大学A类建设高校名单,材料学院材料科学与工程学科入选“世界一流学科”建设名单。2019年,金属材料强度国家重点实验室评估优秀。当前是实现材料科学与工程学科建设成为世界一流学科目标的关键时期,材料物理与化学方向作为材料学科的重要组成部分,努力发展自身在能源材料、高分子材料从合成制备、器件设计到结构性能表征方面的优势,不遗余力地支持材料科学与工程学科的建设与发展,推动材料科学与工程学科早日建设成为“世界一流学科”。我个人的主要研究方向是有机半导体材料,这是近十几年的材料科学领域的重要新兴研究方向,目前国内外已经有越来越多的课题组开展相关研究。实际上,在新一轮科技革命和产业变革中,柔性电子是我国自主创新、引领未来的重要战略机遇。我们应牢牢把握住柔性电子产业,立足于前瞻性基础研究,凝练提出重大科学技术问题,掌握核心关键技术,产出引领性原创成果,提高我国相关学科理论创新和技术创新能力,为国家服务。下面我结合自己的研究经历,主要从有机半导体技术的研究意义、如何大力发展有机柔性半导体技术来谈谈自己的看法。

一、有机电子的重要意义与发展愿景

有机电子是将有机半导体电子器件制作在柔性/可延性塑料基板上的新兴电子技术,以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺,在能源、信息、医疗、国防等领域具有广泛应用前景,将作为新一代半导体产品对未来人类生产生活带来革命性的改变。有机电子技术的核心是利用有机小分子或者高分子材料的半导体特性以及掺杂导电特性,结合微纳米加工技术,实现包括有机发光二极管(OLED)、有机太阳能电池(OPV)、有机电子晶体管(OFET)、有机电化学晶体管(OECT)、有机光电探测器、有机热传导发电机(OTEG)、有机可变电阻式存储器(OReRAM)等多种高性能半导体器件。相比硅或其他无机半导体材料,有机材料具有灵活性、伸缩性和柔软性(“软电子”)设备的潜力,可弯曲、扭曲,并和任何表面曲线相符合。设想新型整片(非组装)曲面电子设备,以及未来智能手机可像一张地图一样折叠,这就要求屏幕、处理器、电池等核心电子组件必须是柔性的。此外有机材料是碳基材料,具有更好的生物相容性,这是无机材料不可能超越的优势。因此,有机电子“天生”适用于生物电子领域,例如生物传感器、人造皮肤、人造眼睛等。

柔性电子在多种战略性新兴产业,尤其在新能源产业、节能环保产业、新一代信息技术产业、新材料产业、生物产业领域可发挥重要作用。在过去的二十年中,国际各个著名研究机构例如剑桥大学、德国马普研究所等,都建立了柔性电子研究中心,对有机电子材料制备、机理研究、器件设计与应用等方面开展了大量的基础研究工作,并取得了一定进展。与此同时,有机电子技术同样引起了我国研究人员的高度关注与重视,我国在有机电子的多个研究方向正处于世界前沿,各个研究机构例如中国科学院化学所、清华大学、华南理工大学、西北工业大学等对相关研究与产业化始终非常支持。经过多年发展,OLED已经进入产业化阶段,相比LCD背发光源,OLED的自发光屏更轻更薄,同时OLED可屏幕可以实现可弯曲屏幕,赋予新一代产品更多的设计可能性,已经在华为手机、OPPO手机曲面屏上使用。同时,随着新型高效率光敏聚合物的研究开发、有机聚合物形貌调控研究、OPV器件物理研究,OPV的能量转换效率已经达到18%,接近硅电池和钙钛矿太阳能电池的效率。然而,为了实现高效率OPV模组,其能量转换效率还需要再提高。除了能量转换率的问题,OPV的另一个重要不足时稳定性较差,这限制了其潜在的产业化应用。OFET的性能相比传统无机晶体管还有明显差距,主要是由于有机材料的电学性能,例如电荷迁移率,远低于无机半导体。其他的有机电子器件种类中,例如OECT、OReRAM、OTEG等,现阶段仍处于初步探索阶段,距离产业应用还有很长一段距离。

尽管有机半导体和有机电子器件的相关研究已经持续了二三十年并取得了一定进展,相关理论仍需进一步的探索。学界普遍认为,有机电子未来的发展整体方向是:1)完成以硅为基础的电子产品不能完成的事情,扩大电子产品的功能性和便捷性。例如基于有机电子的伸缩性和生物相容性特点的生物电子器件,如人造皮肤,可植入脑机接口等等,更多的、更具创新性的研究方向和领域亟待开发。2)使用更多的资源友好和高效节能的工艺制造方式。相比传统无机导体,有机电子器件可以通过溶液旋涂法制备,同时对制备环境的清洁度要求也低于传统无机半导体。因此,有机半导体器件的生产成本可以远远低于无机器件。高性能的有机半导体器件需要对有机材料和器件中分子设计的理论、电荷迁移、电子自旋和迁移、光学性热电效应等有深入的理解。未来有机电子器件会集成光学、电学、磁学等多方面的性能。现阶段,有机电子学的研究仍在发展中,有关有机材料的电子结构、电子迁移、能量传递、光电转换机理等仍然处于探索阶段,还没有形成公认合理的理论模型。3)有机材料在分子结构设计上的多样性是其相对于无机材料的一个重要优点,但是如何更好地根据需要设计满足要求的分子还缺乏有力的理论指导。另外,进一步提高有机材料的稳定性、不断探索新的器件结构和薄膜制备技术也将是有机电子学面临的长期课题。

二、有机电子的未来发展方向

在综合分析了有机电子的现状和挑战之后,笔者认为未来的有机电子发展将集中在以下方面:

在学术研究方面:1.基础研究。1)对有机高分子材料、小分子材料分子结构与功能的理论研究,从而为研究特定性能器件提供必备的材料支持。2)目前有机电子研究主要集中在电荷传输方面,包括电荷的分离和高效率的传输,实际上低效率的电荷传输仍然是制约有机电子现有的电子性能的重要原因。因此需要进一步研究并提高电荷分离效率、电荷传输效率,从而提高多种有机电子器件的性能。3)有机电子不仅要研究电荷传输,电子自旋与传输特性、热电效应,光学效应等多方面的基础特性都应进一步深入研究。伴随着有机电子材料和器件的深入理解,不仅可以提高现有器件性能,也可以基于这些特性来创造更多功能型、创新型的器件。4)提高有机材料稳定性的问题,为实现产业化应用做好准备。5)研究新型有机电子器件结构,提高器件性能。

2.表征分析技术。应当进一步的开发新型的结构表征方法和技术,现有的分析技术大多是有机电子器件的整体性能表征、或者是表层表征。未来需要在纳米尺度上,对于有机分子的结构和排列进行更清晰的调控,从而为高性能器件制备提供指导。

3.制备技术。1)首先应当大力应当发展材料制备的上下游企业,因为目前我国材料科学的很多研究材料都是从国外公司购买的,这很明显地制约了我们的发展,而且很可能因为国际关系的变化而受到影响。因此,要鼓励材料上下游企业与研究机构合作,共同开发,提升起各种企业的研究能力。2)另一方面,要大力发展资源友好和高效节能的工艺制造方式,充分利用有机材料可溶液制备的优势和柔性的优势,降低生产成本,推进商业化应用。3)发展三维/多维的的制备技术,为有机器件的集成化,例如ReRAM和芯片制备,提供足够的理论和技术支持。

4.交叉学科发展。有机电子的生物相容性,在生物电子方面的应用有得天独厚的潜力。除此之外,有机电子在信息通信方面也有很大的优势。例如人工智能芯片可利用有机电子掺杂或者离子混合掺杂改变其导电特性的的性能,实现有机晶体管与存储器的集成。因此在相关基础有机电子元器件研究的同时,应当注意在交叉学科应用的技术研究,和相关领域研究人员保持密切合作关系,从而打开研究思路,优势互补,实现更多的创新空间。笔者认为,有机电子的交叉应用绝不仅限于生物电子和通信信息通讯,而是有着更广阔的天空亟待优秀的科研和工程工作者发现和发展。

在产业价值方面:1.开发新型高性能产品,实现相关产品的深化应用,造福人类生活。要注意相关产业链的发展,包括材料分子合成与制备、器件制备、封装、测试,以及特异性功能器件设计,占据国际产业链的核心位置。

2.人才培养。伴随着有机电子产业的发展,研究人员、技术人员的会得到进一步的锻炼。更重要地是,在有机电子发展过程中会培养很多批优秀学生,从而在未来的几十年内不光是向科研机构、同时向全社会相关产业输送人才,使得中国在有机电子产业方面牢牢的抓住创新发展机会,领跑国际。

三、有机电子产业中的现状与发展建议

随着国家和各个高校研究机构对有机电子产业越加重视,大力引进高层次科研人员,并对相关硬件软件设施提供政策支持,使得我国有机电子研究发展迅速。以OPV为例,近年来,我国的研发的高性能有机太阳能电池多次突破世界纪录,新型的电池材料设计和形貌控制方面也处于国际领先地位。然而,我们需要清楚地认识到,在基础理论研究方面,我们与国际最领先的研究机构仍然存在一定的距离。普遍而言,国内研究机构把更多的精力集中在材料功能和工艺优化等方面,追求更高的电器件性能,而对于有机材料基础电学、光学等研究则进展较慢。国家应当大力支持有机柔性半导体技术产业的发展、有机柔性半导体相关方向的高校基础研究,在基础研究方面投入更多的资金和精力,避免始终追随别人的脚步,努力赶超和领先国际水平,让国内科研机构在有机电子科研技术的上下游都成长为真正的领头羊。

我们应该认识到有机电子的深入研究与发展,要同时重视技术创新和基础创新。这需要学科的深度交叉,需要有物理、化学、器件制备、先进表征技术等等相关方面协同合作的领域。理论分析、材料制备、材料表征、研究器件制备这几个环节缺一不可。因此,我们需要充分利用西安交通大学这个平台,全校各个研究所实施深入合作,充分利用中国西部科技创新港这个吸引人才的平台,积极开展“丝绸之路”青年科技论坛,广邀在有机柔性半导体领域国外有突出科研业绩的青年科学家参加,作为高层次人才引进并全力支持他们发展,把国外那些先进的有机柔性半导体技术引进国内广泛引进国外高层次人才,提高材料学科硬实力,同时认真踏实弘扬西迁精神,做好科研。学科建设和人才引进不仅仅集中在有机电子学科,要协同发展其他相关的学科,例如物理、化学、生物等,提高学科上下游的整体硬实力,为进一步的理论创新研究和技术创新打好基础,争取取得有国际影响的、原创性的学术成果,以及对国家产业发展产生重大影响的应用成果。对于博士研究生和本科生,应当进一步加强基础研究的培养,鼓励学生攻克创新难题,必须要紧在打好理论基础的同时,也要能够紧追科学学科发展前沿,这需要在本科生和研究生培养制度上有创新,让学生能够学以致用,享受前沿研究的乐趣,建立和培养一支适应国际竞争的创新人才队伍。

个人简介:马伟,西安交通大学材料学院教授。2005年获得华南理工大学材料科学与工程专业本科学位;在法国萨瓦大学获得硕士学位,法国巴黎第六大学获得博士学位后,在法国巴黎高等师范学院和美国北卡州立大学从事博士后研究。马伟从事聚合物太阳电池凝聚态结构精细解析及高效可拉伸大面积器件制备。近年,面向纳米结构精细化表征的国际前沿和新型光伏能源器件开发的国家重大需求,围绕多组分无序聚合物共混体系结构表征困难带来的聚合物太阳电池形貌优化盲目等难题深入开展研究。

马伟自2015年入职西安交通大学以来以第一/通讯作者在Nature Energy,Nature Communication, Adv. Mater.,J. Am. Chem. Soc.等著名期刊发表研究论文80篇,总论文数为200余篇。受邀为Nature MaterialsMatter发表“观点&新闻”评述性论文,受邀在Acc. Chem. Res.Joule等杂志发表邀请综述8篇。五年内SCI引用总数20000余次,H因子64。其中,ESI高被引论文总共40余篇,ESI热点论文10余篇,入选科睿唯安全球高被引科学家(2018-交叉学科,2019-材料学科),陕西省科技创新团队负责人。

文字:材料学院 马伟
编辑:朱凡煜

 
 
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