【編者按】隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在信息、新材料、新能源等領(lǐng)域，特別是交叉融合的方向，正涌現(xiàn)出一批具有重大影響，能夠改變科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)格局的顛覆性技術(shù)，能使一個(gè)國(guó)家在新一輪產(chǎn)業(yè)變革中贏得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。我國(guó)科學(xué)家應(yīng)注重在信息、生命、材料和物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展前沿探索，力爭(zhēng)在更多戰(zhàn)略性基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)率先突破，在關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新。本期邀請(qǐng)亞太工程組織聯(lián)合會(huì)主席、中國(guó)科學(xué)院院士黃維介紹顛覆性技術(shù)“柔性電子”。
柔性電子是在學(xué)科高度交叉融合基礎(chǔ)上產(chǎn)生的顛覆性科學(xué)技術(shù)，能夠突破經(jīng)典硅基電子學(xué)的本征局限，可為后摩爾時(shí)代器件設(shè)計(jì)集成、能源革命、醫(yī)療技術(shù)變革等更新?lián)Q代等提供創(chuàng)新引領(lǐng)，是我國(guó)自主創(chuàng)新引領(lǐng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇。
催剛為柔，獨(dú)開(kāi)生面：柔性源于材料
柔性電子的優(yōu)異性能首先得力于對(duì)有機(jī)或無(wú)機(jī)電子元器件材料性能的極致追求。核心元器件的“柔性”設(shè)計(jì)是柔性電子器件制備的關(guān)鍵。目前主要通過(guò)兩種策略實(shí)現(xiàn)：
其一，采用本征柔韌性的功能有機(jī)分子和聚合物材料作為柔性電子器件構(gòu)筑單元。例如，在塑料（聚合物）基底上構(gòu)筑的有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）已被廣泛應(yīng)用于可彎折、可卷曲、輕薄顯示屏幕諸如曲面電視、可折疊手機(jī)等。有機(jī)半導(dǎo)體材料和高分子聚合物材料可作為電子漿料適用于印刷電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大批量、低成本、高效率的柔性電子器件加工與集成。未來(lái)柔性電子器件的加工與制造就像打印一個(gè)文件一樣便捷。
其二，通過(guò)材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)剛性無(wú)機(jī)材料的柔性化。例如當(dāng)材料的尺寸降低到微納米尺度后，由于材料的微納米效應(yīng)，本身堅(jiān)硬的材料將表現(xiàn)出可彎曲的柔韌特性。好比一張紙比一本書(shū)更容易實(shí)現(xiàn)彎折，一根彈簧比一根鋼絲更具有伸縮性?；谠摬呗裕陙?lái)，科學(xué)家設(shè)計(jì)制造了“S型”金屬微電路，并將其嵌入超薄硅膠材質(zhì)形成柔性可拉伸集成電路。
由于材料的厚度降低至納米尺度后，材料的電學(xué)和力學(xué)性能將發(fā)生改變，理論研究和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)表明原子級(jí)厚度的二維材料在柔性電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如石墨烯已被驗(yàn)證可作為透明導(dǎo)電薄膜應(yīng)用于柔性透明觸摸屏。
原子級(jí)厚度的硫族金屬化合物兼具優(yōu)良的柔韌性和可調(diào)控的電輸運(yùn)性能，使得該類(lèi)材料可作為柔性電子元器件的關(guān)鍵組成單元，使高性能柔性電子的無(wú)機(jī)化和微型化成為可能。
剛?cè)岵?jì)，嶄露頭角：材料決定器件
柔性電子器件是柔性電子的主要體現(xiàn)形式之一。以柔性材料為基礎(chǔ)，結(jié)合微納米加工與集成技術(shù)，設(shè)計(jì)制造可實(shí)現(xiàn)邏輯放大、濾波、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信號(hào)反相、數(shù)字運(yùn)算、傳感等功能的新一代柔性電子元器件，是信息技術(shù)發(fā)展的迫切需求。柔性功能材料所具有的光、電、磁、熱、力等獨(dú)特的物理和化學(xué)性能，使得柔性電子器件可被廣泛應(yīng)用于柔性顯示、數(shù)據(jù)加密、可穿戴感知等智能化電子系統(tǒng)。
西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院、南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院和南京郵電大學(xué)在有機(jī)電子學(xué)研究領(lǐng)域具有長(zhǎng)期的工作基礎(chǔ)，提出了有機(jī)半導(dǎo)體p-n能帶調(diào)節(jié)理論，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)智能有機(jī)光電材料的設(shè)計(jì)、制備及器件應(yīng)用；研制出了高性能的藍(lán)光有機(jī)半導(dǎo)體器件，其中非摻雜型藍(lán)光有機(jī)半導(dǎo)體器件效率達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；設(shè)計(jì)和加工了多套有機(jī)半導(dǎo)體器件制備與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，建成了180毫米基板的OLED工藝中試線；開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)第一套有機(jī)半導(dǎo)體噴墨打印系統(tǒng)，首次進(jìn)行了水溶性有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的噴墨打印，使得大批量制備有機(jī)半導(dǎo)體薄膜成為可能；提出了傳感器柔性化的新策略，發(fā)展了柔性襯底上微納米加工技術(shù)，研制出了一系列新型高靈敏柔性健康傳感器；設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)水溶性有機(jī)半導(dǎo)體傳感材料的多種有效策略，開(kāi)發(fā)了可對(duì)多種目標(biāo)分析物具有超高靈敏度檢測(cè)的水溶性有機(jī)半導(dǎo)體材料，構(gòu)建了對(duì)多種重要分析物具有檢測(cè)和成像功能的磷光生物探針和具有高特異性的“量子點(diǎn)－生物分子”復(fù)合探針，為疾病機(jī)理研究和疾病診斷提供了新的分析方法和成像技術(shù)；開(kāi)發(fā)了世界上首例無(wú)金屬、無(wú)重元素的純有機(jī)半導(dǎo)體長(zhǎng)余輝材料，發(fā)展了有機(jī)光電材料在數(shù)據(jù)加密和信息防偽領(lǐng)域的新應(yīng)用；發(fā)現(xiàn)了體相異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)，利用其動(dòng)態(tài)特性和空間位阻功能化成功地實(shí)現(xiàn)了雙穩(wěn)態(tài)調(diào)控，開(kāi)辟了存儲(chǔ)器研究的新領(lǐng)域。
上述研究成果，為智能柔性電子器件的設(shè)計(jì)與制造，提供了重要的理論指導(dǎo)。盡管我們?cè)谌嵝噪娮宇I(lǐng)域已取得系列成果，但仍面臨著諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。通過(guò)新型柔性功能材料的設(shè)計(jì)合成和物性研究、高性能柔性電子器件的加工與集成，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)柔性電子學(xué)的物理機(jī)制，對(duì)柔性電子學(xué)的理論完善和柔性電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展具有重要支撐作用，同時(shí)也有利于推進(jìn)我國(guó)在電子信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
柔勝剛克，乘風(fēng)破浪：器件跨越應(yīng)用
當(dāng)前，電子信息產(chǎn)業(yè)仍然以剛性器件和系統(tǒng)為主。經(jīng)過(guò)近百年的技術(shù)積累，剛性器件具有成熟的加工裝備、高運(yùn)行速度、高精確性、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。然而，經(jīng)典硅基電子學(xué)的局限性受摩爾定律的影響日益突出。柔性電子的誕生為經(jīng)典電子學(xué)的發(fā)展提供了新的方向，觸發(fā)了新形態(tài)電子設(shè)備的產(chǎn)生，也將使人們的日常生活發(fā)生革命性的變化。如可折疊、可卷曲、柔性顯示器將改變現(xiàn)有圖片和影視的呈現(xiàn)形式，使得手機(jī)、電視等消費(fèi)電子產(chǎn)品的形態(tài)更加新穎和輕便。
柔性電子皮膚可集成多種柔性傳感器，通過(guò)優(yōu)化柔性器件與生物中樞神經(jīng)系統(tǒng)界面，幫助義肢實(shí)現(xiàn)感知功能，賦予機(jī)器人具有、甚至超越人類(lèi)皮膚的智能仿生觸覺(jué)功能。柔性健康傳感器可以貼附于人體用來(lái)對(duì)體溫、心率、心電、腦電波、血壓、汗液和血液組分等健康參數(shù)持續(xù)檢測(cè)，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和存檔，實(shí)現(xiàn)人體健康狀況的評(píng)估與疾病的遠(yuǎn)程診斷。柔性健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可隨時(shí)隨地持續(xù)監(jiān)測(cè)人體健康狀態(tài)。
柔性電子具有輕薄、低能耗、好的生物相容性和可調(diào)控力學(xué)性能等，特征使得健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可長(zhǎng)期貼附于人體皮膚而不影響人們的日?；顒?dòng)。智能穿戴設(shè)備可將應(yīng)用軟件和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程辦公和休閑的結(jié)合，也可實(shí)現(xiàn)諸如基于生理電監(jiān)測(cè)的意念控制技術(shù)。可植入的柔性電子設(shè)備為復(fù)雜疾病的治療，如帕金森、癲癇、抑郁癥等提供了新的治療手段。
近年來(lái)，人工智能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了語(yǔ)音識(shí)別、機(jī)械控制和經(jīng)濟(jì)政策決策的精準(zhǔn)化、智能化、高效化。柔性電子是人工智能的基礎(chǔ)支撐，將引領(lǐng)和拓展人工智能技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。柔性人工神經(jīng)形態(tài)芯片可實(shí)時(shí)模擬人類(lèi)大腦進(jìn)行學(xué)習(xí)與高速運(yùn)算，從而滿足人工智能技術(shù)對(duì)云計(jì)算等超強(qiáng)處理算法的硬件需求。柔性電子的智能化特質(zhì)，使得其在未來(lái)信息技術(shù)中具有不可替代的作用。
以柔克剛，決勝千里：應(yīng)用定義未來(lái)
老子《道德經(jīng)》曰：“天下莫柔弱于水，而攻堅(jiān)強(qiáng)者莫之能勝，以其無(wú)以易之。”面對(duì)西方國(guó)家對(duì)我國(guó)技術(shù)封鎖與遏制，顛覆性科技創(chuàng)新是重要出路。我們應(yīng)在碳基材料與光電過(guò)程結(jié)合的基礎(chǔ)上，孕育以光電子產(chǎn)業(yè)為先導(dǎo)的柔性電子巨型產(chǎn)業(yè)，突破歐美長(zhǎng)期把持的在硅基材料與電子過(guò)程結(jié)合基礎(chǔ)上形成的微電子產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的格局，引領(lǐng)具有超高附加值特征的戰(zhàn)略性、主導(dǎo)性和支柱性柔性電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展，開(kāi)創(chuàng)柔性電子定義的新時(shí)代。
以柔性電子為核心，著力發(fā)展“饑餓科技”（FAMISHED），即柔性電子、人工智能、材料科學(xué)、泛物聯(lián)網(wǎng)、空間科學(xué)、健康科學(xué)、能源科學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)等八大關(guān)鍵核心科學(xué)技術(shù)與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)在顛覆性科技創(chuàng)新前沿領(lǐng)域開(kāi)道超車(chē)的重要戰(zhàn)略機(jī)遇。
在國(guó)防科技創(chuàng)新和航空航天領(lǐng)域，武器裝備的智能化和集成化已成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。柔性電子可融合智能材料、傳感器、信息傳輸與處理等前沿技術(shù)，提升相關(guān)裝備與系統(tǒng)的智能化水平，推動(dòng)航空航天的發(fā)展，服務(wù)國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)。深入開(kāi)展柔性電子領(lǐng)域的研究是驅(qū)動(dòng)我國(guó)全面創(chuàng)新發(fā)展的新引擎。
柔性電子是實(shí)踐“人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略”的重要途徑之一。柔性電子的多學(xué)科高度交叉性，將打破傳統(tǒng)學(xué)科間的壁壘，以創(chuàng)新的人才引進(jìn)和培養(yǎng)方式
，促進(jìn)新興前沿交叉學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展。以柔性電子為契機(jī)，實(shí)施創(chuàng)新制度建設(shè)，凝聚海內(nèi)外中華兒女智慧和力量，激發(fā)各類(lèi)創(chuàng)新群體的人才引領(lǐng)示范作用、挖掘人才創(chuàng)新活力和潛能，為構(gòu)筑人類(lèi)命運(yùn)的共同體作出新貢獻(xiàn)。
筆者認(rèn)為，在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，柔性電子是我國(guó)自主創(chuàng)新引領(lǐng)未來(lái)的重要戰(zhàn)略機(jī)遇。應(yīng)把握住發(fā)展柔性電子這一產(chǎn)業(yè)，立足于前瞻性基礎(chǔ)研究，凝練提出重大科學(xué)問(wèn)題，尋求重大理論突破，掌握核心關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)出引領(lǐng)性原創(chuàng)成果，提高我國(guó)相關(guān)學(xué)科原始創(chuàng)新和自主創(chuàng)新能力。
