电子信息材料

陈弘达（中科院半导体所，北京 100083）

电子信息材料

陈弘达
（中科院半导体所，北京 100083）

1　前言

进入21世纪，整个世界正飞速地经历着前所未有的关键性历史转折。在度过了农业革命、工业革命之后，人类也迎来信息革命和知识经济时代。2049年是新中国100年华诞，可以毫不夸张的说，那时的中国已列入发达国家行列，我们的科学技术将跻身科技强国的前列，电子信息材料产业也将得到稳步、健康的发展。

未来几十年，随着科学技术的持续快速发展以及人类生活水平的不断提高，实现人与信息的有效融合从而加速社会信息化是科技的一大发展趋势。微纳电子进入后摩尔时代，集成电路不断向纵深发展，对支撑其产业发展的材料也将提出更高的要求；计算机正面临体系结构的变迁，存储架构发生变革，类脑存储技术将应运而生。与此同时，更加智能的、便携式的、柔性的、环保节能的、可穿戴的或可植入人体的电子产品也将逐渐融入人们的生活。新系统、新算法、新材料，以及互连网、物联网、云存储/计算等一系列新技术将使人类生活发生翻天覆地的变化。

可以想象，以“类脑”技术为核心，以传感技术、物联技术、通讯技术、能源技术、显示技术、全息技术、可穿戴技术以及精密驱动技术等为触角，2049年的人们可以在任意时间、任意地点进行即时的通信、交流、办公、管理、决策。家中的玻璃、镜面、墙面、台面等任何位置都会是信息操作与处理的平台。身在2049年的我们也都将拥有自己的芯片，就像现在的身份证一样。挥挥手就能自动锁门，摇摇头就能驾驶车辆，握握手就能传送文件，甚至毫不费力地追踪罪犯、定位逃犯，寻找目击证人和失踪人员。在金融领域，芯片一刷，就可以轻松支付，如果将个人数据，如护照信息等装在里面，旅行也将会变得更加简便。

随着电子信息材料科技的发展，2049，未来的中国，未来的世界，将是多么令人向往和憧憬啊！

2　今天的电子信息材料

所谓电子信息材料是指在微电子、光电子、新型元器件等基础电子信息产业中所使用的，能满足电子信息产业专门要求的一定规格的材料。它是电子信息产业发展的支柱，同时也是随着电子信息产业的发展而逐步发展起来的一个重要分支。目前，电子信息材料产业的发展规模和技术水平已经成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志，在国民经济中具有重要战略地位。特别是随着高新技术产业对新材料需求的增加，电子信息材料以每年20%至30%的速度增长。

电子信息材料品种多，用途广，涉及面宽，主要包括以单晶硅为代表的微电子材料；用于信息探测和传输的通信、传感材料；以磁存储和光盘存储为主的数据存储材料；及以激光材料、柔性显示材料为代表的光电子材料等。这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。

2.1微电子材料

1947年12月23日美国贝尔实验室的William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain发明了晶体管，标志着人类进入固体电子学时代。1958年9月12日美国德州仪器公司的Jack Kibby在锗衬底上将一个晶体管和其它元件集合在一起制造出第一块集成电路；1959年1月，美国仙童公司的Robert Nocye提出在硅芯片上集成几百个乃至成千上万个晶体管的想法，并在同年7月付诸实施。在今天看来，第一个晶体管和第一块集成电路就像两只“丑小鸭”，然而正是蕴含在它们背后的革命性思想奠定了微电子工业的基础，开启了人类进入信息技术时代的大门。也正因为如此，上述两项划时代的发明分别在1956年和2000年被授予诺贝尔物理学奖。1965年，Intel（英特尔）公司创始人之一Gordon Moore（戈登·摩尔）在《电子学杂志》（Electronics Magazine）撰文预言“半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍”，这被称为摩尔定律。后来，被微电子工业界普遍认可的摩尔定律表述为：“当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍”。在过去的近半个世纪中，微电子工业就是按上述摩尔定律快速发展的。得益于此，电子设备不断沿着速度更快、体积更小、价格更便宜和功能更完善的方向发展。目前，计算机已成为人们不可或缺的工具，而手机仅在我国的用户数就已超过6亿。毫无疑问，人类已经处于高度信息化的时代。从材料的角度来说，漫长的人类社会已经历了石器时代、青铜时代、铁器时代和钢铁时代，而今天的信息社会则是对应着“硅时代”。这是由于从上世纪五十年代开始，单晶硅作为基础材料一直支撑着微电子工业的快速发展。在今后的几十年中，以硅为代表的微电子材料仍将作为信息社会的物质基础，发挥不可替代的作用。

2.1.1微电子产业的发展

图2-1以计算机微处理器为例展示了微电子产业发展的历程。1958年集成电路的发明使微电子产业开始了飞速发展的历程。1966年美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列，为集成电路的发展奠定了坚实基础，具有里程碑意义。1970年1Kb MOS存储器芯片诞生，标志着集成电路进入大规模集成的时代。1971年Intel公司推出第一个采用MOS工艺的微处理器4004，这又是一个里程碑式的进展。MOS集成电路很快从小规模发展到中规模、大规模乃至超大规模集成电路。到1995年研制出1Gb DRAM，短短25年集成电路的集成度提高了6个数量级。

图2-1　以计算机微处理器为例的集成电路的发展历程

2003年Intel公司推出奔腾4E系列微处理器，使集成电路进入了亚微米时代。2007年基于全新45 nm high-k工艺的Intel酷睿2 E7/E8/E9上市。2009年Intel酷睿i系列创纪录地采用了领先的32 nm工艺。2012年Intel公司宣布了22 nm 3-D三栅晶体管（FinFET）技术，实现了历史性的技术突破。2014年Intel公司又发布了基于14 nm工艺的微处理器。在器件特征线宽不断减小的同时，计算机微处理器的集成度在不断提高，表现为晶体管的数目几乎每两年翻一番，如图2-2所示。可以说，集成电路的发展速度是其它任何产业都无法比拟的。

图2-2微处理器的晶体管数目随年份所呈现的几何级数增长

以集成电路为代表的微电子产业在2014年的经济规模已经超过3500亿美元，成为世界第一大高科技产业，带动了个人电脑、互连网、智能手机和社交网络的普及。微电子产业近50年的高速发展极大地改变了人类的生产和生活方式。可以毫不夸张地说，从各种民用工业到军事工业，从发展中国家到发达国家人民的生活，乃至全球经济，无不与微电子产业紧密地联系在一起了。

2.1.2单晶硅材料的发展

推动微电子产业发展的根本因素之一是单晶硅材料的不断发展。1950年贝尔实验室的Teal和Little利用Czochralski法（直拉法）生长了硅单晶，1952年贝尔实验室和西门子公司几乎同时发明垂直区熔法生长硅单晶。由于直拉硅单晶中含有氧杂质而具有高机械强度和内吸杂（吸除金属沾污）的功能，因此用于集成电路制造的硅单晶都是采用直拉法生长的。此外，相比于区熔法，直拉法更容易生长大直径硅单晶。事实上，在上世纪50年代的相当长一段时间里，人们无法得到无位错的直拉硅单晶，这是由于籽晶中存在的位错会延伸到后续生长的硅晶体中。直到1958年，美国通用电气公司的W.C.Dash创造性地提出“缩颈”工艺，即：在引晶后，将晶体的直径缩小到2mm左右，然后逐渐放肩使硅晶体长大，由此得到了第一根无位错硅单晶。十年后，Dash缩颈工艺开始在直拉法生长的硅单晶中被广泛采用，直到现在这个工艺仍然是生长无位错单晶硅的标准工艺。毫无疑问，Dash缩颈工艺为生产集成电路用硅单晶奠定了基础。

集成电路特征线宽的不断减小带来芯片上晶体管集成度的不断提高，单个芯片的面积随之增大（其增长速度远小于晶体管数目的增长速度）。一般而言，单一硅片上的芯片数目不小于1000时才会带来显著的经济效益。因此，伴随着集成电路特征线宽的不断减小，硅片的直径越来越大：从20世纪70年代的50-76mm、80年代的100-150mm、90年代的150-200mm增大到2000年后的200-300mm。目前，国际上已有领先的硅片制造商研发出450mm硅片，但有待集成电路制造的可行性验证。当集成电路的特征线宽分别达到0.35µm和130nm节点以后，微电子工业随之进入200mm和300mm硅片时代。相应地，对硅片质量的要求几乎有了根本性的变化，表现为：在晶体质量上，除了传统上对氧和碳的浓度、电阻率均匀性、位错密度和氧化诱生层错密度等有严格要求以外，新增了控制空洞型缺陷——晶体原生颗粒（COP）的要求；在几何参数上，为了满足越来越小的特征线宽所要求的光刻精度，对硅片的全局和局部平整度等几何参数的要求不断提高。除此之外，新增了硅片抛光表面纳米形貌（nano-topography）的要求（即：在若干平方毫米范围内的变化不超过20nm，如20nm@2×2mm2）以及微粗糙度（microroughness，在微米尺度内亚纳米级别的变化）的要求；在硅片洁净度上，可容忍的颗粒尺寸和数目更小、金属沾污的水平控制在1010cm-2乃至108cm-2以下；在硅片服役过程中的表现上，要求硅片具有更好的内吸杂（吸除金属沾污）的能力。因此，集成电路对200mm和300mm硅片生产所涉及的晶体生长、硅片加工、硅片清洗以及硅片热处理等诸方面都提出了近乎严苛的要求。也因此，200mm和300mm硅片是名副其实的高技术产品。目前，日本的硅片制造商（Shin-Etsu和SUMCO等）在这两大类硅片上占据的市场份额在60%以上，余下的份额主要由德国的Wacker Sitronic、美国的SunEdison和韩国的LGSiltron等公司占有，300mm硅片更是几乎被上述5家公司垄断。在国家科技重大专项的支持下，我国的若干厂家已开始批量生产200mm硅片，但要成为市场上的重要参与者还需走相当长的路。

进入200mm和300mm硅片时代，基于普通的无位错生长工艺所制造的硅片几乎难以满足180nm节点以后的集成电路的要求。因此，业界从晶体生长和缺陷工程出发开发了如下所述的多种高性能硅片，如：低COP（Low COP）硅片和无COP（COP-free）硅片；退火硅片（Annealed wafer）；掺氮硅片（Nitrogen-doped wafer）；魔幻洁净区（magic denuded zone，MDZⓇ）硅片等。总之，为了应对集成电路特征线宽不断减小带来的挑战，200 mm硅片尤其是300 mm硅片的制造理念与小尺寸硅片的相比发生了显著的变化。

2.1.3绝缘体上硅（Silicon-on-insulator，SOI）的发展现状

目前绝大部分CMOS集成电路是采用厚度为700-800 μm的硅片制造的，但实际上晶体管的工作区域只占表面微米左右的区域。硅片的其它部分只是起到机械支撑的作用，有时还会产生对器件的干扰寄生作用。SOI材料指的是在绝缘体上生长的单晶硅薄膜，其厚度在十纳米到几个微米之间，这里的绝缘体通常是指硅上生长的二氧化硅薄膜。在SOI上制造CMOS器件，显示出如下优点：①由于寄生电容的减小，SOI器件的运行速度与体硅器件相比提高了20-35%；②由于漏电流的减小，SOI器件的功耗与体硅器件相比减小35-70%；③没有闩锁效应；④衬底脉冲电流的干扰被抑制，软错误发生率低；⑤与现有硅工艺兼容，可减少13-20%的工序。

进入21世纪以来，全球SOI市场保持持续向上增长的态势，年复合增长率超过40%。利用SOI材料制备的芯片已经用于服务器、微处理器、打印设备、游戏设备、网络和存储设备以及诸如手表和汽车电子这样的超低功耗场合。近年来，各种移动智能终端如智能手机和平板电脑有力地推动了射频（RF）芯片的巨大市场需求，进一步为SOI材料提供了广阔的市场。IBM，STMicro和Tower Jazz等厂商提供RF SOI代工业务，代工业巨头TSMC和UMC更是跃跃欲试，欲在RF芯片代工领域一展身手，抢下更多的市场份额。全球已有接近三分之二的RF开关芯片采用SOI材料制造。Yole预计到2016年80%的手机开关芯片将采用SOI硅片。

目前，CMOS集成电路主要采用体硅和SOI材料制造，前者以Intel为代表，通过采用FinFET，已经将体硅工艺延续至14nm技术节点，并且有希望继续延续至7nm技术节点；后者以IBM、Globalfoundries以及STMicro等为代表。在面向22nm及以下技术节点的FD（全耗尽）-SOI技术中，FD平面MOSFET得到了广泛的应用。与体硅FinFET技术相比，FD-SOI技术由于功耗显著降低、与硅平面工艺更兼容、成本效益更高而成为RF等应用领域的优选方案。例如，22nm FD-SOI具有28nm High-k/ metal gate工艺类似的成本，但功耗降低70%，面积缩小20%。目前，28nm/22nm FD-SOI产业链的全球生态系统正在完善，从SOI材料、Foundry工艺、IP以及产品设计都有业界顶级公司（如：意法半导体、Globalfoundries、芯源、Imagination、Synopsys等）参与。不过，SOI材料能否在可预见的将来成为集成电路用的首选基础材料，还是取决于其在材料到器件全链条的制造成本上能否彻底胜出体硅材料。

2.1.4应变硅的兴起

随着CMOS器件尺寸的不断缩小，短沟道带来的二级效应逐渐显著，由此导致器件的驱动电流随尺寸缩小而提高的程度并没有理论预测的那样大。为改变这种局面，需要提高MOS晶体管沟道的载流子迁移率。通过引入应变来改变沟道的能带结构，从而提高载流子的迁移率是一种行之有效的方法。虽然可以采用虚拟SiGe衬底技术制备出全局应变硅片，但在集成电路制造中更多地是采用局部应变硅。从90 nm技术节点开始，在MOS晶体管沟道中引入应变，使用氮化硅层在nMOS晶体管中引入单轴张应变；在pMOS晶体管中利用SiGe源漏与Si沟道的晶格失配来引入单轴压应变；通过上述应变技术实现了nMOS与pMOS晶体管工作电流的显著提升，分别达到了1.45 mA/μm-1和0.8 mA/μm-1。在65 nm技术节点，通过第二代应变技术引入更大的应力，分别使pMOS与nMOS晶体管中的应变提高了60%与80%，进而实现更大的工作电流。

如图2-3所示，随着器件特征线宽的不断减小，必须引入新技术才能使晶体管的工作电流不断提升。从Intel公司的90 nm至32 nm工艺节点的晶体管来看，结构并没有发生大的变化，甚至沟道长度也只有略微的减小，其技术的进步主要体现在应变工艺以及High-k/金属栅工艺的改进。自90 nm技术节点以后，应力技术对工作电流的贡献显著增大。在45nm和32nm技术节点，应力技术对工作电流的贡献都明显大于高k/金属栅极技术的。其中，在32 nm节点，单轴压应变使pMOS晶体管的空穴迁移率提升了2.5倍。可以说，应力技术的发展是硅基CMOS晶体管的特征尺寸得以持续缩小的重要保证。在22 nm技术节点，源漏尺寸的进一步缩小要求应变技术发生新的变化，即：在3-D FinFET晶体管中SiGe源漏用来在pMOS晶体管中引入压应变，相应的Si：C源漏则用来在nMOS晶体管中引入张应变。

利用SOI硅片可以制备全局应变硅（Strained silicon on SOI，sSOI），它的制备方法有两种：①先通过Smart Cut等SOI技术在绝缘层上生长弛豫SiGe层（SiGeOnInsulator，SGOI），再在弛豫的SiGe上生长晶体硅薄层。显然，顶层的硅薄层中存在着张应变。通过调整SiGe的组分，可以调节顶硅层的应变。②先在硅片上外延组分渐变的SiGe层，再外延一层固定组分的驰豫SiGe层，最后外延一层应变Si层。将这一外延片作为源片，通过Smart Cut技术，就可以直接在绝缘层上仅保留应变硅层，而无驰豫的SiGe中间层。2006年7月，法国SOITEC公司宣布其应用于65nm节点以下的sSOI已上市，并成为业界首款量产的应变硅衬底。sSOI可用于制备网络处理、运算、游戏及无线等产业所需的器件，对这些器件来说，速度与极低的功耗显得十分重要。

图2-3　MOS晶体管的工作电流随各种新技术的引入而增长的情况

2.2存储器材料

存储技术是计算机体系中最重要的技术之一，与计算技术和传输技术共同构成了数字世界的基石。在摩尔定律的推动下，计算机处理器的性能稳步快速提升，在1975年至2005年的30年间，处理器主频提升了近4000倍，并向高集成度的多核技术发展，相比之下，存储技术的发展则要慢得多。由于存储性能始终是计算机发展的瓶颈，从某种意义上讲，计算机技术的发展又是围绕着存储技术的发展而逐步推进。存储领域的每一次技术突破都带来了数字世界的重大革新，也改变着人们的生活。

2.2.1存储技术的发展

1956年IBM公司制作出世界上第一块硬盘（HDD），大幅提升了数据的存储和访问速度，数据的复制也变得极为便捷迅速，从而解除了计算机软件规模的桎梏。大半个世纪过去了，硬盘仍然稳稳占据着主要存储介质的地位。同步动态随机存储（SDRAM）技术在计算机主存中的应用出现于上世纪90年代中期，单管即可实现一个存储单元的结构优势大幅度提升了主存的容量，软件运行空间的释放使得图形界面成为可能，与人的友好交互能力将计算机带入了千家万户。闪存（FLASH）技术最早在1984年由东芝公司的Fujio Masuoka发明。一方面，这种具有较大容量的芯片级存储技术使得嵌入式系统得以迅速发展，大量的智能电子设备出现；另一方面，闪存也一步步替代传统的软盘、光盘，2007年，戴尔公司第一次将以闪存为主要存储介质的固态硬盘（SSD）装到笔记本电脑中作为产品销售。高性能低功耗优势使得固态存储技术在市场中迅速崛起，近年来，高性能低功耗优势使得固态存储技术在市场中迅速崛起，全固态盘阵设备的推广应用和3D NAND量产技术的成熟加速了大数据时代来临的步伐。

时至今日，新的存储技术已初见端倪。仍然谨守摩尔定律的Intel公司已于2014年投资启动了10nm晶圆工厂的改造，半导体工艺已经全面进入了纳米尺度范围。这一技术的发展给了纳米功能材料以前所未有的机遇，为纳米器件的加工提供了成熟而稳定的生产手段。也正因如此，在性能遥遥领先的计算和传输技术对高性能存储的迫切需求推动下，以相变存储（PCRAM）技术为代表的一系列新型非易失存储技术几乎同时涌现。与PCRAM类似，忆阻器（ReRAM）、磁存储器（MRAM、STT-MRAM）等新技术均以新型纳米材料作为存储介质。这些同时具备高密度和高性能的非易失存储技术进一步打破了非易失存储的性能天花板，接近内存的数据访问速度和大容量的性能优点使得这些技术必将再一次改变计算机体系。2015年英特尔和美光公司宣布3D-Xpoint（3D-PCRAM技术）的量产标志着这一技术已基本成熟，我们已经站在了下一场变革的边缘。

2.2.2存储架构变革

在最初的intel 8086处理器问世时，并没有专门的芯片组概念，CPU与内存、IO系统由一个门列控制芯片连接构成主板核心部件。进入386时代后，双芯片结构的芯片组正式确立，按照它们在主板的不同位置，通常把两个芯片分别称作“北桥”和“南桥”。此后很长一段时间里，主板一直沿用了这种架构，其中靠近CPU的为北桥芯片，主要负责AGP显卡、内存等高速设备与CPU进行数据交换，而慢速的存储设备则通过南桥芯片的存储控制器引出连接。

在这种情况下，存储体系形成了由SRAM、DRAM、硬盘组成的层级结构，而从性能上看，这种层级结构并不理想，最主要缺陷在于DRAM和硬盘之间，不仅存在着纳秒级和毫秒级响应速度性能鸿沟，而且还有着易失和非易失、随机访问和块访问的功能性差异。这些差异使得存储在计算机体系中，形成内存和外存两种截然不同的使用方式。

自从2014年，三星、海力士等主流存储厂商相继宣布3D NAND量产后，成本的降低使得基于NAND FLASH技术的固态盘正式成为存储界的主力军。从性能上看，FLASH出现在存储层级结构中DRAM和硬盘之间，一举将非易失存储阵营的响应速度从毫秒级提高到微秒级，使得南北桥之间的性能鸿沟缩小，层级结构变得趋向完整。这种性能提升引发了大量新存储产品的研发，非易失存储设备开始出现在PCIe gen2/3甚至DDR3这些更为高速的总线上。然而低于十万次的写擦寿命和块操作模式仍然成为阻挡FLASH高歌猛进的窒碍，各厂商不得不利用各种缓冲及磨损均衡手段去解决产品的性能和可靠性问题。

如果说FLASH技术的成熟使得存储体系趋向更为完整，那么以PCRAM为代表的纳米存储技术的逐步成熟则直接撼动了存储体系的根本，原有的存储体系正面临着一场变革，而变革的导火索就是2015年7月底Intel和Micron联合宣布神秘的3D Xpoint技术的量产。纳米存储技术尚未正式登场就已经先声夺人。3D Xpoint基于相变存储技术加相变OTS开关组成存储单元，并可实现3D存储结构，7月公布了128 Gb试验芯片，速度与寿命是NAND的1000倍，密度是DRAM的10倍，并称其为1989年NAND闪存问世以来时隔25年存储器技术最大突破。将作为存储级内存（storage class memory）主流技术对未来新一代的计算机、服务器、大型数据中心产生革命性影响。

PCRAM技术将非易失存储的响应速度进一步由FLASH的微秒级提升到纳秒级，已经逼近了DRAM的性能。而同时具有非易失和随机访问特性使得内外存的界限彻底消失，对于存储体系来说，南北桥的架构已经失去存在的意义。这些变化意味着，从硬件体系上看，存在了数十年的内存和存储两大阵营即将融合，相应的，为内外存架构优化的包含内存管理和文件系统管理两个重要功能的操作系统软件体系也面临着重新定义。

2.2.3存储技术关键材料

（1）相变存储器材料

相变存储器一般指的是基于硫系化合物薄膜的随机存储器。相变存储器中最为核心的是以硫系化合物为基础的相变材料。可用于存储数据的相变材料中至少存在两种可明显区分的固体相结构，通常是非晶相（无序）和结晶相（有序）两种相态。非晶相和晶相两种状态微观结构上的巨大差异导致其光学性能电学性能之间都有非常明显的差别，于是就可以利用两种状态电学和光学性能上的差异来完成数据的存储。目前，关于相变材料有两个主要的应用方向：可擦写光学存储技术应用（CD，DVD，蓝光光盘）和新兴的相变存储技术。

（2）磁存储器材料

磁性随机存储器（MRAM）根据驱动方式不同可以分两种，一种是磁场驱动型的MRAM（Toggle MRAM），属于第一代MRAM；第二种是电流驱动型的MRAM（STT-MRAM），属于第二代MRAM。MRAM的核心存储单元主要由具有隧穿磁电阻效应的磁性隧道结（MTJ）构成。它是由两层铁磁层和绝缘势垒层构成“三明治”结构，其中一层铁磁层磁矩被钉扎不易改变方向，称为参考层，另一层铁磁层磁矩方向可以通过外磁场或电流较容易改变，称为自由层，中间为电子可以隧穿通过的1纳米量级厚度的绝缘势垒层。当两层铁磁层的磁矩处于平行或反平行排列时，隧道结的电阻不同，这两种不同的电阻态可以对应着信息存储中的“1”和“0”。

（3）铁电存储器材料

铁电存储器（FeRAM）是利用一种具有自发极化的铁电薄膜材料。该材料中的铁电畴可以随电场正、负极化方向而发生变化，并且在电场去除之后该极化方向仍然长时间得到保存。该正负两种不同电畴取向可以作为逻辑单元，非易失性存储“0”和“1”数据。由于铁电畴反转的矫顽电压决定了器件的读写电压，且矫顽电压会随着薄膜厚度的降低而几乎呈等比例地减小，因此该器件具有数据读写速度快、驱动电压低和存储密度高等优点。除此之外，它还有抗辐射等特殊性能，可用于空间和军事应用。在铁电存储器的应用中，铁电薄膜材料应达到以下要求：①铁电薄膜的剩余极化值较大，即存储器的电路系统可以识别较小面积的电容中的铁电畴的极化翻转电流；②铁电薄膜的介电常数较低，因为高介电常数会产生较大的线性位移电流，影响极化翻转电流的测量；③铁电薄膜极化翻转的矫顽电场越低越好，因为铁电存储器的操作读写电压需要尽量小，以减少能耗；④铁电薄膜的疲劳特性良好，即铁电薄膜可以在经历多次读写后仍具有稳定的剩余极化值；⑤铁电薄膜的保持特性优异，即在存储信息写入后能够长时间保持。目前，用于制造铁电存储器的典型铁电无机材料主要为PbZrxTi1-xO3（PZT），SrBi2Ta2O9（SBT）和（Bi，La）4Ti3O12（BLT）三种。然而与基于传统硅工艺的闪存（Flash memory）存储相比，现有的基于PZT、SBT等无机铁电材料的铁电存储器在高密度存储领域并未实现大规模商业化应用，原因主要在于其密度难以进一步提升。

（4）阻变存储材料

阻变存储器（RRAM）是利用金属-绝缘体-金属（MIM）结构中介质材料的可逆电致电阻转变效应来实现存储功能。RRAM以其单元尺寸小、器件结构简单、速度快、功耗低、数据保持和耐久力好、微缩性好、与主流CMOS技术兼容、易于三维集成等优点，成为重要的下一代存储技术，得到学术界的广泛关注，同时也引起了国际大公司和研究机构的青睐。阻变材料是阻变存储器中最关键的材料。很多材料都具有电阻转变特性，包括二元金属氧化物、三元钙钛矿结构氧化物、复杂氧化物、硫系化合物、有机聚合物等，而且与不同的电极材料进行组合会表现出多种不同的电阻转变机制。但存储性能是针对具体应用的多项指标的集合，包括数据保持时间、可擦写次数、与CMOS的兼容性和制造成本等，因此需要采用性能、制造性和微缩性都满足要求的材料体系。材料和结构对器件性能具有显著地影响，如阻变材料的制备方法及缺陷分布、电极材料类型、电极/阻变层界面等都会影响器件性能。目前，二元金属氧化物中HfOx、TaOx被认为是最有潜力的阻变材料。

（5）电荷俘获型存储器件用高-k氧化物介质

自1967年Sze和Kahng发明浮栅型存储器以来，浮栅型存储器逐步发展为非易失性存储器市场的主力军，几乎所有的闪存均基于浮栅技术。高密度、低功耗、快速存储是非易失性半导体存储器产业发展的需求。随着器件的不断小型化，浮栅型非易失性存储器逐渐接近其物理极限。隧穿层氧化物厚度的减小，使得浮栅型存储器面临着应力诱导泄漏电流（SILC）问题。传统的浮栅型存储器采用多晶硅浮栅层。由于多晶硅电荷俘获层具有良好的导电性，一旦隧穿层中出现一个缺陷，将导致浮栅存储层中所有电荷的损失。多晶硅-氧化硅-氮化物-氧化硅-硅衬（SONOS）型存储器和纳米晶存储器（NCM）是两种最受关注的替代传统浮栅型存储器的电荷俘获存储器。

SONOS型存储器采用一层富硅氮氧化（SixOyNz）电荷俘获层替代传统的浮栅层。相比浮栅型存储器，SONOS型存储器的优点在于其优越的疲劳特性。在SONOS型存储器中，电荷存储在Si3N4体内分立的缺陷中，因此隧穿氧化物中的单个缺陷不会导致所有存储电荷的流失。此外，与CMOS工艺的兼容，简单的制作工艺和低的芯片集成费用也是SONOS型存储器相比于浮栅型存储器的优势所在。尽管如此，随着集成电路技术节点的不断推进，SONOS型存储器仍然存在着诸多不足。譬如，部分俘获的电荷将被存储在SixOyNz的浅能级缺陷态上，这些被浅能级束缚的电荷会由于热激发等原因而发生逃逸，严重影响器件的保持性能、电荷存储能力、以及擦除饱和等，使得SONOS型器件不能满足非易失性半导体存储器持续发展的要求。新的改良方案不断被提出，其中重要的一环就是高-k氧化物材料的引入。

高-k氧化物用作电荷存储层介质可以采用分立式的纳米晶形式进行电荷存储，即高-k纳米晶存储器。这些高-k纳米晶主要包括具有高缺陷态密度的HfO2，CeO2，ZrO2及HfO2等二元氧化物以及TiAl2O5等伪二元氧化物纳米晶。高-k纳米晶一般是经高温退火从伪二元氧化物薄膜中析出来的。伪二元氧化物是由结晶温度不同的两种材料组成，譬如（ZrO2）x（SiO2）1-x，（HfO2）x（Al2O3）1-x等。当退火温度高于ZrO2或HfO2的结晶温度，而低于SiO2或Al2O3的结晶温度，ZrO2或HfO2纳米晶就会从薄膜中析出。通过控制退火条件，可以对纳米晶尺寸进行有效调控，从而调控高-k纳米晶存储器的电荷存储能力以及其他器件性能。

高-k氧化物用作电荷存储层介质还可以采用基于能带调控/界面调控的叠层型电荷存储层的形式。由不同高-k氧化物堆叠而成的纳米叠层结构替代传统的单层电荷存储层，譬如ZrO2/Al2O3、HfO2/ Al2O3等叠层结构。叠层氧化物可以控制电荷的存储区域，并能使电荷在一个方向隧穿容易，降低操作电压，同时反向泄漏困难，从而解决困扰电荷俘获存储器的FN编程的电荷保持特性差，而CHE编程存在擦写循环耐久性差的问题。

2.3信息材料与技术

2.3.1传感器材料

传感技术、计算机技术与通信技术被普遍认为是信息技术的三大支柱。在如今国家大力发展物联网、互联网+的背景下，5G接入、云存储、云计算等技术的发展将为信息技术提供越来越强大的互联接入与计算处理能力，而作为信息技术的关键一环，传感技术的高低将直接影响着人类获取外界各种物理量、化学量和生物量等自然信息的信息量和信息质量。传感器作为物联网络的边沿与“神经末梢”，亟待大力地发展。

传感器材料是传感器技术的重要基础，是传感器技术升级的重要支撑。随着材料科学的进步，传感器技术日臻成熟，其种类越来越多，除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料以外，光导纤维以及超导材料的开发，为传感器的发展提供了物质基础。例如，以硅为基体的许多半导体材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化，以及半导体光热探测器有灵敏度高、精度高、非接触性等特点。在敏感材料中，陶瓷材料、有机材料发展很快，可采用不同的配方混合原料，在精密调配化学成分的基础上，经过高精度成型烧结，得到对某一种或某几种气体具有识别功能的敏感材料，用于制成新型气体传感器。此外，高分子有机敏感材料，是近几年人们极为关注的具有应用潜力的新型敏感材料，可制成热敏、光敏、气敏、湿敏、力敏、离子敏和生物敏等传感器。传感器技术的不断发展，也促进了更新型材料的开发，如纳米材料等。美国NRC公司已开发出纳米ZrO2气体传感器，控制机动车辆尾气的排放，对净化环境效果很好，应用前景比较广阔。由于采用纳米材料制作的传感器，具有庞大的界面，能提供大量的气体通道，而且导通电阻很小，有利于传感器向微型化发展，随着科学技术的不断进步也将有更多的新型材料诞生。

2.3.2可见光通信

处于信息爆炸时代的人们，如果没有网络，就如鱼儿离开了水一样。通信已成为生活中的一个必需品，像衣食住行一样平常。而随着移动设备的普及，对无线通信技术的要求更是越来越高，高传输速率、易接入、高覆盖率等，无线通信技术已经在人们日益迫切的需求中逐渐完善，进入发展的顶峰。未来人们的生活将逐渐趋于智能化、绿色化，对无线通信也会有更高的需求，而可见光通信（Visible Light Communication，VLC）提供了一种全新的生活方式，那就是将照明与通信相结合，同时满足绿色环保无电磁污染的要求。

可见光通信存在已久，古时中国的烽火通信，19世纪贝尔发明的光电话，都是利用自然光作为传输媒介的一种可见光通信技术。可见光是指波长位于380nm和780nm之间的光，也就是频率为400THz到790THz的电磁波，如图2-4所示。

可见光通信技术是指利用发光二极管发出肉眼可见的高速明暗闪烁的信号来传输信息的无线光通信技术。英国爱丁堡大学的哈斯教授则于2011年率先提出了Li-Fi的概念，如图2-5所示，就是VLC技术的应用之一。

可见光通信与光纤通信、激光通信等都属于光通信。其中光纤通信为有线光通信，是当前应用最广泛的信号传输方式，如当前宽带电信系统中的光纤入户（FTTP-Fiber To The Premise）等。激光通信与可见光通信为两种主要的无线光通信技术。LED电光响应时间较短，可以通过灯的明和暗来实现高速调制，因而可以在照明的同时实现无线可见光通信。相比于激光通信，可见光通信可在传输信息的同时能提供照明，并且没有激光对人眼的伤害，具有极大的发展空间。结合了无线通信和光通信优势的可见光通信技术，已经在各大高校、科研单位、企业的研究部门中掀起了一番研究热潮，成为极具发展前景的无线通信技术。

图2-4　可见光频谱图

图2-5　哈斯教授提出的Li-Fi概念

可见光通信技术采用可见光作为无线通信的载体，与目前采用微波作为无线通信载体的手机、WiFi相比，有着独特的优势。概括来说有以下三点：

（1）频谱资源丰富

频谱资源是稀缺的紧俏资源。如图2-6所示，无线通信带宽的需求量指数增长而用于无线通信频谱资源的增长却很缓慢。在中国，无线频谱是由政府直接分配给运营商的，所以很多人对频谱资源蕴含的巨大价值很不敏感。而在欧洲很多国家，运营商的频谱资源是通过拍卖获得的，3G时代，欧洲的电信运营商们在频段拍卖会上豪掷千金，频频拍出让人瞠目结舌的天价。以德国电信为例，为了获得3G频段10MHz带宽，出价77亿美元，相当于1MHz的信号带宽，值24吨黄金。再如，由IEEE 802.ac协议规定的新一代WiFi，使用大致为5.1GHz到5.8GHz的电磁波承载信号，其带宽共计不到700MHz，而且还被分成了三段。而可见光频段频谱资源丰富，以可见光中的蓝光为例，其频率约为700THz，按照射频通信10%带宽的估算方法，可见光通信的物理带宽达到70THz，是目前WiFi可用带宽的约10000倍，并且不受无线电管理委员会的约束，使用无需授权。因此可见光通信在未来超宽带、超高速无线通信领域大有可为。

图2-6　无线通信带宽的需求量指数增长而用于无线通信频谱资源的增长缓慢

（2）系统容量大

为了实现人员密集区域的宽带大容量的无线通信，无线基站的发展方向是提高蜂窝小区的复用度，也就是通过增加基站数量来满足更多用户的需求。但是WiFi热点与移动通信的基站不同之处在于，WiFi热点缺少运营商的统一管理，增加WiFi热点的数量并不能缓解大量用户同时上网的难题。如同一间挤满人的教室，下课了同学们同时往门口挤，各不相让（挤出去的同学就可以上网），更多的同学堆在门口谁也出不去（挤在门口的同学就没法上网），如果仅仅增加一两个门，是不会消除堆积的情况的。电信运营商们为了解决这一问题，增加了一个指挥员（基站控制器），通过安排不同学号的学生依次通过来缓解这一问题。但是WiFi热点的特点是灵活自由，相互独立，从而无法统一管理，因此在大型的购物中心、图书馆、咖啡厅，仅仅通过增加热点数量，无法解决大量用户同时登陆的问题。而光的空间复用性比电的空间复用性要好，光无线小区具有天然的相互隔离性，相当于教室给每一个或者每两三个同学安排了一个固定的门。从而通过众多非常小的无线光通信小区实现超大量用户同时接入。如图2-7所示为可见光无线通信会议示范。

图2-7　可见光无线通信会议示范

（3）保密性强

可见光通信的信号通过可见光承载，能通过肉眼观察信号覆盖区域。改变灯罩的位置就可以灵活控制信号覆盖区域；拉上窗帘，就可以有效防止信息泄露，不用担心“第三只耳朵”偷走信息，给用户带来前所未有的安全感。因此，可见光通信在飞机、医院、战场无线电静默、保密会议等射频敏感领域也有着不可替代的作用，如图2-8所示。

2.3.3激光技术

激光是上世纪60年代发展出的一种新光源，具有方向性好、亮度高、单色性好等特点，随着科技的发展，激光已经逐渐深入应用到人类生活、生产的各个领域中，激光显示、激光加工技术、激光探测技术等应用技术成为21世纪科技研究与发展热点。

2.3.3.1 激光显示技术

激光显示技术是指采用激光作为显示光源，配合扫描技术或者投影显示技术，实现画面显示的一种手段。由于具有色域空间大、色彩丰富、更真实再现自然界多姿多彩的颜色世界、光源寿命长、节能环保等优点，成为国际显示领域的研发热点之一。激光显示的发展可追溯到上世纪60年代，受限于激光器发展水平，早期曾以气体激光器作为三基色光源，但气体激光器体积庞大，电光转换效率低，导致激光显示进展缓慢；到了上世纪90年代，全固态激光器的发展使激光显示技术进入研发阶段；本世纪以来，高端显示产品的研究则进一步推动激光显示进入快速发展阶段。国内外相关研究方面，中国工程院许祖彦院士课题组于2005年成功研发出60英寸、84英寸和140英寸等一系列激光显示原理样机；“北京中视中科”公司于2008年突破光源小型化、电源数字化和消散斑等关键技术，研制的激光显示产品成功用于激光数码影院。2012年，美国科视公司推出72000流明的激光电影样机，2014年推出激光数字电影放映系统。

图2-8　可见光通信在射频敏感领域有着不可替代的作用

2.3.3.2 激光加工技术

（1）激光切割技术

激光加工技术作为激光在工业生产中的重要应用是提高传统加工业生产能力的有效手段，其中最为典型的便是激光切割技术。由于其具有切割精度高、速度快、柔性好、适用范围广、噪音低等优点，能够有效弥补传统切割方法刀具磨损、工件变形、可切割的材料种类少、加工效率低的缺陷。目前它的应用比例已超过整个激光加工业的70%，应用的行业包括汽车制造业、航空航天制造业、化工设备制造业、电器与电子产品制造业、石油与冶金设备制造业、生物医药器械制造业等；切割对象主要有割缝筛管、CVD金刚石膜、PCR生物芯片储液池、冷轧汽车钢板、精密齿轮、电路基板云母片、血管内支架、液晶显示玻璃基板等；可切割的材料十分广泛，包括各种钢材、合金及高硬度、高熔点的非金属材料。

（2）激光焊接技术

激光焊接作为激光加工技术中当前应用广泛、最具发展潜力的技术之一，是一种运用激光束的辐射能量来实现高效焊接的工艺，其将激光束进行高度聚焦，在此基础上形成高能量的激光脉冲，利用该脉冲对材料进行加工，主要适用于在材料的微小区域进行焊接。当前，国外尤其是德国对多道填丝焊、异种金属焊和激光热丝焊等工艺的研究已经取得突破，国内与国外在激光焊接技术与工艺上还有一定差距。

（3）激光清洗技术

激光清洗技术是利用高能激光束对工件表面进行直接或间接作用，使工件表面要去除的污物产生振动、熔化、蒸发、燃烧等一系列物理化学变化，从而使得污染物脱离工件表面，达到清洁效果的工艺过程。激光清洗技术具有以下优点：无损性、精度高、效率高、绿色清洗，上述这些优点都是传统的清洗方法（化学清洗、机械清洗、超声波清洗等）很难达到的。国外的激光清洗应用广泛，从厚锈层到抛光表面微细颗粒都可以去除，涉及到机械工业、微电子工业与艺术品的保护等方面。激光清洗的设备也随之迅速发展，设备种类多，所用激光器的波长范围广。德国Cleanlaser公司近年来致力于研究可以实现塑胶射出模和橡胶硫化模具、线上、高温清洗的激光清洗设备。我国激光清洗技术的研究和设备的开发起步晚，与国外相比还存在明显的差距。所以国内成熟的激光清洗设备并不多，大部分还处于实验室研究阶段，其清洗效率和稳定性有待进一步的提高。

2.3.3.3 激光探测技术

激光探测技术在未来的医学、通信、前沿科学等领域中具有重要的应用。例如非接触式生理信号激光检测技术，星际空间激光通信，激光全息扫描等技术的发展将对人类的生活产生深远的影响。

（1）非接触式生理信号激光检测技术

采用光学容积描记法（PhotoPlethysmoGraphy，PPG）检测组织微血管中的血容量变化。血液容积脉搏波中包含有心搏功能、血液流动等诸多反映心血管系统功能的重要生理信息。PPG技术的基本形式只要求少量的光电组件：一个照亮组织的光源和一个用来测量与血液灌注相关的光强度变化信息的光电探测器。当一定波长的光束照射到皮肤表面时，由于皮肤、血液等对光的吸收或反射能力不同，且血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，从而使得光电探测器接收到的光强度随血液容积的改变呈脉动性变化，于是得到容积脉搏血流的变化信息。

（2）星际空间激光通信

无线激光通信（OWC），又称自由空间激光通信（FSO）。由于现代社会信息的日益膨胀，使信息传输容量剧增，现行的无线微波通信出现频带拥挤，资源缺乏现象。开发大容量、高码率的无线激光通信是未来空间通信发展的主要趋势。无线激光通信也称自由空间激光通信，它不使用光纤等导波介质，直接利用激光在大气或外太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像的高速双向传送，不仅包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信，还包括地面站的光通信。2013年，NASA利用激光束，将名画《蒙娜丽莎的微笑》传输到绕月飞行的“月球勘测轨道飞行器”上，这是人类首次利用激光在星际间进行图像数据传输。2001年4月，我国激光大气通信机在广西桂林研制成功。该通信机以半导体激光器为光源，用两套设备构成点对点无线通信系统，可传输多种速率的数据和图像，直线视距全天候通信距离达4千米，该激光大气通信机具有体积小、组网灵活、无电磁干扰、可靠性强等特点。

（3）激光全息扫描

激光全息术是利用光的干涉和衍射原理，将物体反射的光波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下使其再现，形成与原物体逼真的三维像。激光全息应用的主要方面有：①全息干涉计量：全息干涉能扩展到具有任意形状的三维漫反射表面的物体，是一种无接触的三维观测，且不论物体表面光洁度如何，都能相对分析测量到波长数量级的水平，同时它可以对一个物体在两个不同时刻的状态进行对比，从而可探测物体在一段时间内发生的任何变化。②计算全息：全息图能够显示的三维物体像的信息是记录在错综复杂的条纹中的。假如物体并不存在，而只知道光波的数学描述，也可以利用计算机，将模拟的干涉图样绘制和复制在透明胶片上，这种计算机合成的全息图称为计算全息图。③光全息存储：光全息存储不仅容量大，而且数据传输速率高，寻址时间短，比其它任何一种同时具有这些优点的信息存储技术更接近实用化阶段。④全息显微术：全息显微术主要有两种形式，一种是将全息技术和显微镜结合，称为全息显微镜；另一种是利用全息图本身的特性来进行放大，称为全息放大。⑤模压全息：它是建立在全息技术、计算机辅助成图技术、制版技术、表面物理、电化学，精密机械加工等多学科基础之上的一种精细加工技术。激光全息技术的发展能够开拓巨大的应用市场，关键在于技术创新，不断拓宽激光全息技术的应用领域，促进激光全息技术和应用的进一步发展。

2.3.4柔性印刷电子材料

柔性电子技术是将有机、无机材料电子器件制作在柔性、可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，以其独特的柔性、延展性，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。而印刷技术作为一种能够高效、低成本、大面积制造柔性电子器件的工艺，进一步地促进了柔性电子技术的发展，并产生了柔性印刷电子技术。柔性印刷电子技术是利用传统印刷技术在柔性衬底上制作电子器件与系统的技术，该技术有可能带来一场电子技术革命，已经引起了世界的广泛关注。美国《科学》杂志将有机电子技术进展列为2000年后的世界十大科技成果之一，与人类基因组草图、生物克隆技术等重大发现并列。由此可见，柔性印刷电子技术契合了未来的发展趋势。而且，随着当前可穿戴设备的兴起，意味着柔性印刷电子产业化的需求更为迫切，进而昭示柔性印刷电子产业将不仅仅是停留在概念、实验室领域，而是进入到产业化，也就意味着进入到业绩释放的产业周期。由于柔性印刷电子技术如此广阔的产业空间，越来越多的产业资本开始加盟柔性印刷电子产业。

印刷技术作为一种柔性电子制造技术真正受到关注是得益于过去数年中无机纳米材料的发展。纳米尺度的无机固体材料（纳米颗粒、纳米线、纳米管等）可以制成墨水或油墨，然后用传统的印刷方式制成图案。纳米材料本身的性质赋予这些图案电荷传输性能、介电性能或光电性能，从而形成各种半导体器件、光电与光伏器件，真正体现出印刷技术作为一种低成本柔性电子制造技术的优越性。柔性印刷电子开始成为一个独立的学科与技术领域。

不同于硅基微电子技术，柔性印刷电子技术具有两个硅基微电子技术所不具备的特点：①电子材料是通过印刷方法形成电子器件的；②电子器件的功能不依赖于衬底材料。由此形成的产品具有区别于硅基微电子芯片的鲜明特征，即大面积、柔性化、低成本。目前硅基集成电路制造中使用的最大衬底直径不超过300 mm，而印刷可以轻松地达到米级尺寸；采用塑料薄膜衬底材料，使无论是印刷制造的电子信息处理与显示系统，还是光伏转换或发光照明系统，都可以变得柔性可弯曲，或者透明化；印刷制造的可连续性与大批量化能力，以及基础材料与加工设备的廉价，使最后制成品的成本大大低于硅基微电子产品。柔性印刷电子技术虽然在性能上可能无法与硅基微电子技术媲美，但在成本上赢过硅基微电子技术。在大面积、柔性化等特色电子产品应用领域，柔性印刷电子技术有着硅基微电子技术无法取代的市场。

伴随着柔性印刷电子技术的发展，各种电子产品应运而生。柔性印刷电子产品目前正处于研发起步阶段，部分产品已经投放市场。从现在的研发趋势来看，柔性印刷电子技术在以下4个方面有着广泛的应用。

（1）薄膜太阳能电池

能源是全球高度关注的话题，能源短缺，环境污染给人类造成了极大的困惑。而柔性衬底薄膜太阳能电池是太阳能电池中的一种新品种，由于其还很难在太阳能转换效率上与单晶硅太阳能电池竞争，所以只有通过卷对卷大批量印刷制备技术才有可能降低成本，在绿色能源市场上占有一席之地。美国Konarka公司是国际上首先进行印刷有机光伏技术开发的公司。该公司经过多年开发终于在2008年向市场推出了基于柔性塑料衬底的光伏产品。由于有机光伏产品的低效率（3%左右，硅太阳能电池可以达到15%～20%）和低寿命（1年左右，硅太阳能电池是25年），目前主要是面向低端消费产品。例如，将有机薄膜太阳能电池做在背包壳上或户外帐篷表面，用于给笔记本电脑或手机充电。

一些无机薄膜太阳能电池也成功实现了柔性化与印刷制备。德国太阳能和氢能研究中心自2010年起开始柔性CIGS（铜铟镓硒）电池的连续生产工艺的开发研究。该中心研究人员利用丝网镀膜系统，成功在聚酰亚胺膜上制备柔性CIGS薄膜光伏，光电转换效率达到10.2%，大大高于目前有机薄膜光伏的转换效率。美国加州的Innovalight公司更是将纳米硅晶体制成墨水，通过丝网印刷方式制备薄膜太阳能电池，其光电转换效率可以达到目前硅单晶太阳能电池的水平（18%）。但制造成本大大低于硅单晶太阳能电池，并且可以实现大面积、大批量生产。可以看出，可印刷的无机光伏器件效率更高，寿命更长，比有机光伏更具有竞争力，能够更快进入市场。

（2）柔性显示器

柔性电子显示器是在柔性印刷电子技术平台上研发出来的全新产品。与传统平板显示器不同，这种显示器能够被反复的弯曲和折叠，因而给我们的生活带来极大的便利。例如，所有可视资料，包括各种书籍、报纸、杂志和视频文件都可以通过这种显示器来呈现，而且可以随时随地观看。尽管目前流行的MP4播放器和个人数字助理器（personal digital assistant，PDA）也能满足这样的使用需要，但其显示屏不能弯曲和折叠，只能在很小的屏幕范围内阅读和观看这些文字和视频，视觉效果受到极大的制约。相比而言，柔性电子显示器具有无可比拟的优势，它就像报纸一样，在需要时将其展开，使用完毕后将其卷曲甚至折叠，在保证携带方便的同时充分的兼顾了视觉效果。

柔性电子显示器的样品目前已研制成功，日本索尼公司和韩国三星公司都给出了相应的样品展示，相信离进入市场已为时不远。值得一提的是，柔性电子显示器采用更多的轻质有机材料取代无机材料，所以其重量比传统显示器轻，这种特性有利于提高其便携性。此外，高分子有机材料的使用为降低成本提供了可能性。另外，柔性电子显示器具有薄厚度的特点，其厚度可以远远小于目前流行的液晶显示器，所以柔性电子显示器的另一种名称就是纸状电子显示器（paper-like electronic display）。

（3）有机照明

照明是有机发光技术应用的一大领域。照明需要的是白光。将OLED显示器件的红、绿、蓝三基色复合成白光并提高发光效率，就构成了白光照明器件。在全球大力提倡节能减排，普遍推广固态LED照明的大趋势下，OLED照明以其轻薄和大面积的新颖特点得到照明业界的青睐。由于OLED是面光源，厚度可以在毫米量级，可以做在柔性衬底上，发光面积可以根据需要变化，这为装饰性照明设计提供了极大的发挥空间，可以根据建筑和室内环境特点设计出变化万千的照明灯具。2008年国际建筑与照明展会上只有5种基于OLED的照明产品，到2010年的展会已经增加到33种，参会商也由5家增加到11家。目前OLED白光的发光效率已经逼近100 lm/W，超过普通荧光灯的发光效率。随着OLED发光效率的进一步提高，成本进一步下降，未来OLED白光照明将不仅仅是用来做装饰性照明，而是进入大众化消费市场。

OLED照明的发光材料同样可以制备成溶液，并通过印刷方式做在塑料等柔性衬底上。柔性印刷电子技术为OLED照明光源提供了新的设计自由度。美国通用电气公司（GE）的科学家在2008年就实现了卷对卷制备发绿光的OLED薄膜。2010年GE公司与Konica Minolta公司在利用溶液化材料制造白光OLED技术方面取得突破性进展，实现55 lm/W的发光效率，为下一步全印刷制造白光OLED奠定了基础。

（4）电子器件与电路

薄膜太阳能电池、柔性电子显示器、有机照明虽然都可以通过印刷方法制备，但并不是严格意义上的柔性印刷电子，因为“电子”的特点并不明显。严格意义上的柔性印刷电子是通过印刷技术在柔性衬底上制备电子器件与电路，包括印刷晶体管、印刷存储器件、印刷电池、印刷导线、印刷天线等与电子电路有关的各种有源与无源器件，是印刷制造技术取代传统电子制造技术，以体现柔性印刷电子的大面积、柔性化、低成本的关键。

由于有机半导体材料本身的局限性，溶液法或印刷制备的晶体管难以达到真空蒸发小分子材料的性能。因此，长久以来有机电子器件基本上是真空蒸发制备的，而非印刷。真正为柔性印刷电子技术的发展带来契机的是无机纳米材料墨水的发展。以射频识别标签（RFID）为例，在2003-2008年间有多篇论文报道了利用有机晶体管（蒸发制备）制作RFID的研究工作，但没有一例商业化的成功案例。真正拿到商业订单的是美国Kovio公司在2008年开发的基于纳米硅墨水的喷墨打印的RFID产品。由于目前印刷的纳米硅墨水需要较高的烘烤温度，该RFID是喷墨打印在不锈钢片衬底上的，虽然实现了柔性化，但还没有实现塑料化。韩国顺天大学则通过卷对卷凹版印刷碳纳米管与纳米银油墨的方法制备出基于塑料衬底的RFID。印刷的半导体材料是碳纳米管墨水，导体材料是纳米银墨水，这两种材料的烘烤温度在150℃以下，因此可以制备在塑料薄膜衬底上。

3　面向2049的电子信息材料

2049年，中国已列入发达国家行列，我们的科学技术跻身科技强国的前列，电子信息材料产业将得到稳步、健康的发展。其中，微纳电子进入后摩尔时代，对支撑其产业发展的材料也将提出更高的要求。存储架构发生变革，新的存储技术、存储材料将应运而生。同时，更加智能化、柔性化、多元化的信息材料与技术也将逐渐融入人们的生活。

3.1微纳电子产业及材料的发展趋势

自上世纪七十年代开始，微电子产业按摩尔定律发展了近半个世纪。目前，器件的特征尺寸已经接近10nm。基于硅材料的CMOS技术在速度、功耗、集成度和制造成本等多方面受到了材料的基本物理特性、制造成本乃至经济运行规律等多方面的严峻挑战。国际学术界和工业界普遍认为处在“后摩尔时代”的微纳电子工业有如图3-1所示的三大发展趋势。

（1）延续摩尔定律（More Moore）

一方面，通过CMOS器件的特征尺寸继续不断缩小，以提高集成度。另一方面，通过新材料的应用和器件结构的创新来提高集成电路的性能。

（2）扩展摩尔定律（More than Moore）

通过追求系统集成的功能多样化，即：在数字信号处理功能的基础上集成模拟、射频、传感、高压大功率甚至生物等功能，来达到电子系统的小型化。

图3-1　后摩尔时代微纳电子工业的发展方向

（3）超越CMOS （Beyond CMOS）

根据2013年ITRS（国际半导体技术蓝图）制定的发展路线图，预计到2025年逻辑器件产业的技术代将前进至1.8nm节点，那时逻辑器件和随机存储器的半间距仅为10nm。硅CMOS器件几乎将达到性能极限。在这种情况下，有必要探索新材料、新原理和结构的器件如：量子、自旋电子和分子器件等。

进入后摩尔时代，对支撑微纳电子工业发展的材料也提出了更高的要求。根据上述微纳电子工业的发展趋势，重点介绍关键材料的发展趋势。

3.1.1基础材料—单晶硅

在可预见的将来甚至到2050年，单晶硅片仍将是微纳电子工业的基础材料。据2013年ITRS预测，450mm硅片将于2018年进入量产。然而，从目前的实际来看，该预测可能过于乐观。事实上，ITRS已经几次延后450mm硅片量产的预计时间。到2015年，包括国际排名第一的日本Shin-Etsu公司在内的国际领先硅片制造商都没有公开宣称已经生产450mm硅片。从历史上来看，从200mm硅片时代向300mm硅片时代的过渡也因为若干原因（更主要的是经济方面的原因）延后了几年。450mm硅片的规模生产在技术上提出了更大的挑战，主要表现为：①在晶体生长方面，由于直径的增大带来的更大热应力和由于生长速率的降低所导致的更长生长时间就给单晶的无位错生长带来更大的困难；在空洞型缺陷和氧沉淀等缺陷的控制以及杂质分布均匀性的控制等方面也面临更大的困难。②在硅片加工方面，特征尺寸仅为几纳米的集成电路制造所需的光刻精度对硅片的全局和局部平整度、抛光表面的纳米形貌等方面提出了苛刻的要求。③在硅片清洗方面，需要去除尺寸更小的颗粒以及痕量金属沾污，同时还需在埃尺度上控制微区粗糙度。④硅片退火时由于自重产生位错滑移线的机会显著增加。可见，450mm硅片的生产在技术上的难度远远超过300mm硅片的。另外，前者所面临的经济方面的挑战也是前面几代硅片所不能比拟的。事实上，能否尽早进入450mm硅片时代更多地取决于后续的集成电路制造能否顺利实现技术换代以及能否在生产成本上比300mm硅片时代更具优势。尽管面临着各种各样的困难和问题，微纳电子产业终归将进入450mm硅片时代，并将持续相当长的时间。也许，由于技术上、更多地是由于经济上的原因，450mm硅片时代将延续至2050年。可以预计，半导体材料在信息技术上仍将扮演基础材料的角色，450mm、300mm甚至200mm硅片在2050年前仍将起着十分重要的作用。其中，300 mm和450mm硅片在延续和扩展摩尔定律的进程中扮演重要的角色，即使进入超越CMOS时代，它们仍有可能是必不可少的衬底材料。

3.1.2逻辑电路的主体材料

由于MOS晶体管的短沟道带来的二级效应，对传统平面器件而言，通过不断缩小器件的尺寸来提高性能的方法遇到了越来越大的困难，严重制约了集成度的进一步提升。为了提高MOS晶体管的开态电流，需采用具有高迁移率的沟道材料，如：锗（Ge）和Ⅲ-Ⅴ族半导体。

实际上，Ge是最早被用于制造晶体管的半导体材料，至20世纪50年代中叶才被Si取代。2000年以后，晶体管的持续发展对载流子迁移率提出了更高的要求，Ge作为高迁移率沟道材料又一次得到了重视和研究。Ge的电子和空穴有效质量要小于Si，因此Ge具有较高的电子和空穴迁移率。如表3-1所示，Ge在可能的新沟道材料中具有最高的空穴迁移率，达到了Si的4倍；它的电子迁移率也达到了Si的3倍左右。利用Ge可以同时实现高迁移率沟道的nMOS与pMOS晶体管。重要的是，Si和Ge同属于Ⅳ族材料，Ge器件工艺上基本可以与Si器件工艺兼容。近年来，硅基Ge晶体管的研究取得了很好的进展，如：p沟道的Ge FinFET、具有较高电子和空穴迁移率沟道的MOSFET、多栅极Ge晶体管等。尽管取得了长足的发展，硅基Ge晶体管的仍然有一些问题有待解决，主要包括：Ge基晶体管的界面态密度较大，约是Si的10倍左右；对于n 型Ge，很难实现低电阻的金属半导体接触；实际得到的Ge基晶体管中的电子迁移率远低于理论值；Ge基晶体管的短沟道效应控制、应变技术和多栅极结构在Ge基晶体管上的应用；同时实现高性能的nMOS与pMOS，在Ge上实现CMOS电路。

表3-1　常用半导体材料的性质

以III-V族半导体为沟道材料的高电子迁移率晶体管（HEMT）问世以来，就以超高的截止频率和最大频率以及良好的光电特性，在通讯和光电子领域被广泛应用。Intel公司预测基于III-V族半导体的MOS器件有可能会在11nm技术节点后的高性能射频电路中有很好的应用前景。自1965年美国射频公司报道了第一个GaAs MOS晶体管以来，科学家们一直致力于改善III-V族半导体与介质的界面问题。由于没有理想的栅氧化层，III-V族沟道材料的NMOS器件一直无法实现真正应用。随着原子层淀积（ALD）、分子束外延（MBE）等技术的不断成熟，已经具备了在III-V族半导体材料上生长超薄高k介电材料，形成高质量的MOS界面的能力。从已报道的III-V族化合物半导体MOS器件来看，其性能明显优于同尺寸的硅基CMOS器件。

到7nm技术节点时，对FinFET技术而言，栅极或许将丧失对沟道的控制能力。所以到7nm技术节点时，改变沟道材料是一种可能的延伸FinFET工艺的途径。从目前的态势来看，在7nm技术节点时III-V族材料可能会被应用于沟道。现有的硅基FinFET结构在7nm时电子迁移率会退化，而III-V族半导体材料由于有较高的低场电子迁移率，成为nMOS晶体管理想的沟道材料；Ge材料则以其较高的低场空穴迁移率，成为pMOS晶体管理想的沟道材料。高迁移率的FinFET也面临着一些挑战，如何集成不同的材料和器件结构是其中的关键问题。业内正在开发一种替换硅鳍的工艺，III-V族的FinFET将最有可能用来替代硅鳍的技术。比利时微电子研究中心（IMEC）在300mm硅晶圆上首次实现III-V族化合物半导体与硅材料整合的3D FinFET，如图3-2所示。该晶圆级制程通过沟槽结构与外延工艺等的创新，以InGaAs与InP等材料在3D FinFET上取代硅鳍，同时还能适应8%的晶格失配。IMEC这一新制程的目标是希望能持续将CMOS晶体管特征尺寸微小至7nm及其以下，以及实现射频CMOS器件与CMOS光电器件的混合。由此可以预见，到7nm技术节点时，将非常有可能采用III-V族半导体材料。如何获得高的空穴迁移率、消除费米能级钉扎效应和形成高质量的欧姆接触是III-V族半导体材料用于制备MOS晶体管面临的主要挑战。在硅上生长III-V族半导体材料，还面临着如何降低位错和反相晶畴密度的问题。

到7nm节点以下，CMOS器件的结构可能出现转折点。考虑到静电控制问题，很有可能在水平阵列中采用环栅纳米线MOS晶体管和隧穿MOS晶体管结构，如图3-3所示。环栅MOS晶体管结构可以避免FinFET中沟道宽度的变化而引起的迁移率损失。在环栅的硅纳米线晶体管中，硅纳米线沟道被栅极包围，这使器件具有更好的静电控制能力和亚阈值特性。当硅纳米线沟道很薄时，施加足够的栅极电压可以使整个沟道耗尽，从而提升器件的开关比。另外，仿真结果表明：环栅MOS晶体管在等比例缩小上也很具优势，可以缩小到与沟道直径相同的尺度。

图3-2　IMC在300mm硅晶圆制造的III-V FinFET晶体管

图3-3　环栅纳米线晶体管和隧穿晶体管的结构示意图

随着集成电路的发展，单块芯片上集成的器件越来越多，而单个器件的尺寸也越来越小。单块芯片上器件的增多必然导致动态功耗的增加；同时，单个器件尺寸的缩小引起漏电流的增加，进而引起单块芯片静态功耗的增加。为了降低芯片功耗，一方面需要减小器件的漏电流，另一方面需要降低器件的亚阈值摆幅。隧穿晶体管，由于其亚阈值摆幅小于60mv/dec、Vdd＜5V、功耗很低，且其制备工艺与现在的半导体工艺兼容，被认为可能是7nm技术节点以后可采用的器件。与传统MOS晶体管相比，隧穿晶体管能够获得更陡峭的开关特性、更低的驱动电压和更小的漏电流。但是，由于隧穿晶体管是利用隧穿效应工作的，因而其导通电流要比传统MOS晶体管的低很多。为了解决这个问题，采用禁带宽度更小的III-V族化合物半导体代替硅来实现隧穿晶体管，以缩小隧穿区的宽度，从而增大导通电流。

总之，环栅MOS晶体管以及隧穿MOS晶体管为7nm技术节点及之后的CMOS技术的发展提供了两条可能的途径。进入这一阶段，硅、锗和III-V族化合物半导体的纳米线将成为MOS晶体管的沟道材料，这时将面临如下挑战：如何在所需的位置和方向上可控地生长纳米线；生长纳米线所需的催化剂不能在沟道和源漏区中引入深能级，需与CMOS工艺匹配；如何实现沟道和源漏区的掺杂；如何使硅上纳米线获得高的电子和空穴迁移率；如何形成环栅结构；如何形成欧姆接触等等。

3.1.3硅基光电集成

几十年来，随着集成电路一直遵循摩尔定律发展，微处理器的工作速度不断攀升。但是，传统的电互连技术使得微处理器时钟频率的进一步提高遭遇瓶颈。在集成电路中，电子之间的强相互作用虽然使晶体管擅长开关和信号处理，但同时也带来噪声，并增加信号传输中的衰减（尤其是在高频的情形下），从而影响信息处理能力。此外，在电互连导体表面会产生电磁场，从而导致信号的串扰、干扰及衰减，这都会增加能耗，且随着频率的增加而增加。因此，在电互连的框架下微处理器将越来越难以满足高性能计算机在大规模并行处理和低能耗方面日益提高的要求。为了突破这一局面，将电子技术与光子技术结合起来势在必行。光子之间相互作用很弱，这虽然限制了光计算方面的应用，但可以减少光通道之间的噪声、衰减和串扰。显然，微纳电子技术和光子技术的集成将充分发挥两者的优势，有望增强芯片的并行处理能力并降低其能耗。

未来的高性能计算机运算速度如果要达到每秒百亿亿次量级，那么处理器之间的通信带宽必须达到Tb/s量级。如此大的带宽只能通过光互连的方式才能实现。图3-4展示了IBM所构想的未来高性能计算机中，如何利用光互连来实现芯片内部和芯片间高速低功耗数据通信。

如图所示，包含了多个核的处理器层、存储层以及光网络层将通过三维封装的方式进行集成。对于每一个处理器核，IBM希望能在十几平方毫米乃至更小的面积内通过波分复用的方式为其集成上带宽为1Tb/s的光收发模块。需要进行传输和交换的信号通过光发射模块转换到光域后，进入光网络层进行路由。根据路由信息，光信号或者进入下一个核；或者被传输到芯片外部进行片间通信。每个处理器核上的光接收模块将信号从光域转换到电域进行处理。该光互连芯片中需要的核心光子器件包括调制器，探测器和激光器。围绕这几个器件，近年来展开了大量的研究，并取得了一系列的突破。

图3-4　IBM提出的光互连芯片的架构示意图

调制器的作用是将电信号转化为光信号。由于晶格的中心对称性，硅不具有电光效应，因此目前硅基高速电光调制主要是基于载流子色散效应，即通过调节硅波导中载流子的浓度来改变材料的折射率。采用较多的结构是在SOI波导中植入一个PN结，通过反向偏置PN结改变载流子耗尽区的宽度即可实现电光调制。例如：我国中科院半导体所报道了基于这种结构的马赫-曾德尔（MZ）调制器，通过行波调制方式，调制速率高达70Gb/s。基于载流子耗尽型调制器的光发射模块和各种高阶的调制格式已经开始进入实用阶段。

探测器的作用是将入射高速光信号转化为电信号。光通信所采用的光波长范围是在1.3μm和1.5μm附近的近红外波段，但硅不能用于探测这两个波段的光信号。为解决这一问题，锗材料被引入到硅基光路之中。锗探测器在制备技术上和CMOS 工艺完全兼容，已成为目前最为成功的硅基光电探测器。2012年报道了120GHz带宽、0.8 A/W 响应度及4μA暗电流的波导型锗探测器。2013年报道了带宽高达60GHz的波导耦合型PIN结构锗硅探测器。

硅基激光器一直是硅光子学中最有挑战性的部分。由于硅是间接带隙半导体，因此不能用于光源，但国内外的研究学者一直没有放弃在硅上制备激光器的努力。从多孔硅的室温发光、纳米硅发光、稀土离子掺杂发光，再到最近几年硅基拉曼激光器、III-V族硅混合激光器、锗硅激光器和纳米激光器等等，每一次的进步都引起极大的关注。以上众多的硅基发光方案中，目前最为成熟的是采用混合方式集成的片上光源，即利用键合工艺将III-V族材料转移到SOI基底上。III-V族材料提供增益，而硅波导则形成谐振腔提供反馈。光在III-V有源层和硅波导层间的耦合可以通过使用倏逝波耦合或绝热锥形过渡区实现。目前报道的谐振腔结构主要有分布式反馈（DFB）、分布布拉格反射（DBR）和DBR与微环组合三种结构。这三种结构中，最有优势的是DBR与微环组合所构成的谐振腔，它可使激光输出功率达到mW级以上，并且结构十分灵活。一些复杂的激光器结构如：波长可调谐激光器、多波长激光器，均可通过DBR与微环组合所构成的谐振腔来实现。除了通过以键合方式制作的混合集成激光器以外，还有一种是将半导体放大器（SOA）与硅波导端面耦合而形成的外腔激光器，它的工艺复杂程度可以显著降低，该类型的激光器输出功率可以高达20mW。必须指出，即使是目前最成熟的混合集成方案，在寿命、效率、热稳定性、与CMOS工艺的兼容性、集成度等方面还无法完全满足光互连的需求。若能实现III-V激光器与硅光子芯片的单片集成，即在SOI上生长高质量的III-V外延层并制作激光器，必将极大地推进硅基光电集成的进程。

从目前硅基光电集成取得的进展来看，SOI材料将是很好的平台。III-V族半导体的纳米线和量子点等将在激光器方面发挥重要作用，它们如何高质量地生长在SOI材料上并在此基础上制备高效率的激光器将是一个重要的研究领域。另外，新兴的二维材料如石墨烯也在光电集成中显示出诱人的应用前景。近年来，基于石墨烯的超快探测器（响应时间仅几十飞秒）和可与硅集成的、在热稳定性和光带宽等方面均优于传统硅调制器的石墨烯调制器都已有报道。显然，如何在硅基上大面积且可控地生长高质量的二维材料是材料科学家们面临的挑战。

3.1.4超越CMOS时代的材料

随着硅CMOS集成电路的特征线宽向亚10nm推进，MOS晶体管沟道中的电子数将达到个位数的量级，这时器件的工作将面临稳定性差、噪声、互连寄生电容导致低速、传输中界面和其它缺陷引起电子丢失等各方面的问题。另外，硅中施主附近的局域化电子的波尔半径已接近器件的沟道宽度，这使得源/漏间隧道电流增加，这也成为传统CMOS集成电路的主要问题。在这种情况下，探索新材料、新原理器件并实现集成是超越CMOS的必然之路，其主要研究方向为：

（1）量子器件。当器件的尺寸和电子波长可以比拟时，量子效应如：量子隧穿效应、量子干涉效应、库仑阻塞效应等就显示出重要性。基于这些效应，可以发展出不同类型的量子器件，如单电子晶体管、量子元胞自适应器件、量子存储器等。事实上，1958年江崎（Esaki）就利用量子隧穿效应制备了Ge隧道二极管。1970年代后，基于化合物半导体的超晶格和多量子阱在发光二极管和半导体激光器中起着决定性的作用。因此，可以预计Ge、Si和以GaAs为代表的化合物半导体仍将在未来的量子器件中发挥重要作用，这些材料的量子点和量子线等将成为各种量子器件的基本载体。此外，以碳纳米管为代表的纳米材料也完全有可能在量子器件中找到实际的应用。如何实现半导体量子点、量子线和碳纳米管等量子材料的完全可控生长将是材料领域的长期努力方向。显然，基于这些量子材料的器件制备技术在复杂性和困难程度上都将前所未有。

（2）半导体自旋电子学。电子（空穴）具有电荷和自旋两种禀性。常规的电子学器件仅仅是利用电荷禀性来控制电子（空穴）的运动而产生各种功能，而自旋电子学则是将电荷和自旋这两种禀性综合利用起来，实现新功能器件。在过去的近二十年中，基于金属磁性材料的自旋电子学的标志性成果就是巨磁阻硬盘，在计算机中已经并将继续发挥重要作用。而半导体自旋电子学尚未得到实际应用。从长远来看，基于半导体自旋电子学有可能形成集存储、探测、逻辑和通信等多种功能于一体的芯片。自旋相互作用的能量在毫电子伏特级，因此自旋电子学芯片的功耗可以很低。利用电子的自旋自由度作为信息的载体或量子位，有望应用于量子信息和量子计算方面。稀磁半导体材料是自旋电子学的物质基础，而具备室温及以上的居里温度则是这类材料能否得到实际应用的关键。掺杂磁性离子的宽禁带半导体如GaP、GaN，ZnO和TiO2等在自旋电子学中有潜在的应用。然而，这些稀磁半导体的磁性起源问题到目前为止尚未真正弄清楚，因而还没有彻底解决稀磁半导体制备的可控性和重复性等关键问题。

（3）分子器件。达到仅若干纳米尺度的另外一个方法就是使用分子作为电子器件。分子器件的天然优势在于在其特征尺寸为1-10nm的电活性结构无需复杂和高成本的光刻技术来实现，其分子的形成和沉积仅需通过化学方法来完成并有可能消除制造公差。以有机半导体分子为代表的各种功能分子将在未来的分子器件中发挥重要作用。

3.2新存储技术与新型存储器材料

存储技术在信息科技中发挥着不可替代的作用，是信息社会的重要基础之一。随着大数据时代的到来，互连网+、云存储等战略新兴产业在改变世界的同时，对信息存储不断提出新的技术要求。

3.2.1类脑存储与新存储技术

在过去的三十年中，摩尔定律为计算机以微缩为主导的发展模式提供了强大的推动力，然近年来，由于微缩对工艺的挑战已经越来越大，这种传统的微缩越来越难以维继，预计在未来20年内将抵达其各自的物理微缩极限。然而远在此之前，为微缩所付出的昂贵的研发成本、设计成本和生产成本等代价很可能导致摩尔定律的提前终结。当摩尔定律逐渐失效的时候，如何继续提高计算机的性能将是一个巨大的挑战。另一方面，面向数值计算的冯·诺依曼计算机体系结构也面临着发展瓶颈。由于处理器和存储器是分离的，它们之间的数据交换受限于通信总线的能力。在处理大型复杂问题上，编程困难且能耗高。同时，传统的计算机系统不具备自我学习和进化性，只能执行预定义好的算法，导致在很多情况下，结果难以令人满意。与之相对，在视觉识别、逻辑推理和决策等领域，无论是在速度、能耗、还是准确性上，人脑仍遥遥领先当前的计算机。

以相变存储技术为代表的新型存储技术，其存储机理与传统存储完全不同，也为类脑存储计算实现方案提供了新的思路，具体表现在以下几个方面：

（1）新存储技术以纳米功能材料作为存储技术，通过材料结构变化实现信息存储，无需电荷维持，容量的提升不会带来显著的功耗负担，为类脑计算提供低能耗硬件支持。

（2）新存储技术读写速度快，延时低，且支持随机访问，相比其它存储介质能够更为高效的支持并行计算和数据处理。

（3）新存储技术基于纳米材料的结构进行信息存储，不受电荷限制和隧道效应影响，存储单元的微缩能力强，有利于构建大容量、高复杂度的存储网络。

（4）新存储技术多以电阻值为存储状态表征关键参数，通过对阻值的有效控制更容易形成多值存储或非数字信息存储，与大脑的记忆方式更为接近。

（5）新存储技术提供非硅材料的存储单元选通方法，有利于3D堆叠结构的加工和应用，因而对构建复杂存储网络体系具有独特的优势。

（6）新存储技术对CMOS工艺的兼容性好，集成能力强，可以与计算逻辑紧密融合，对计算存储一体、高并行度计算的支持也是其它存储技术难以比拟的。

从这些新的特性可以看出，新存储技术使得处理器和存储器的融合成为可能，有望实现冯·诺依曼计算机体系结构的突破。

3.2.2嵌入式存储技术

随着传感技术和通信技术的迅速发展，物联网已逐渐从传统的互联网中分离出来，成为大数据时代成长最为迅速的产业之一。大量的传感器将实时产生大量的数据，这些数据源源不断的产生不仅给传输网络造成了压力，同时对后端数据整合处理服务器的性能也是提出了更为苛刻的要求。更重要的是，有很大比例的传感器前端设备没有固定的电源支持，难以维持稳定的数据采集和传输。后端集中式物联网体系结构对传输性能的要求过于苛刻，且难以保证体系的环境交互性和互操作性，在这种需求下，前端设备需要有一定的数据存储能力和数据处理能力。更高的系统性能要求和更低的功耗需求使得新的非易失存储技术在该领域有了不可替代的作用，具体表现在如下几个方面：

（1）嵌入式数据存储

物联网前端设备由于有苛刻的体积和功耗需求，因此常常采用集成度高，且功耗低的微控制器作为主要工作芯片，新的非易失存储相对NAND FLASH来说跟CMOS工艺兼容好，而又有相当的存储密度，可以方便的嵌入到微控制器中，作为较大容量的数据存储介质，提升物联网前端本地数据存储能力。

（2）高性能数据随机访问能力支持数据本地处理

现有的计算架构中，数据必须保存在可随机访问的DRAM、SRAM等易失存储介质中才能够被处理器或控制器用来做数据处理。由于新的非易失存储支持随机访问，能够被微控制器直接寻址，因此不必将数据复制到易失存储器中，可以直接用来当做工作内存使用，良好支持数据本地处理，提升系统的运行效率。

（3）系统极低功耗运行

易失存储器存储需要电源支持，消耗电能大，非易失存储在不使用时可以直接下电，有效节省电能消耗。另外，由于新的非易失存储技术支持代码原位执行，和数据高速随机访问，无需擦除，因此很容易实现即时休眠和唤醒，大幅度降低微控制器的运行时间，可以有效降低系统整体的功耗。

（4）本地存储减轻传输压力

由于传感器前端本地拥有存储和数据处理的能力，因此，数据不必实时回传至后端，显著降低了传输的带宽和稳定性要求。本地存储与本地数据处理能力的结合，使得传感器前端更为“智能化”，能够接受其它前端或设备的指令并作出反馈和响应，数据传输多只涉及命令和结果的传输，在提高系统灵活性的同时，也减轻了传输的压力。

由此可以看出，嵌入式新存储技术也在物联网的实施过程中起着十分重要的作用，二者相互支撑将加速这两种新技术的实用化和普及应用。

3.2.3新型存储器材料

FLASH存储技术从概念提出至今已逾40年，如今它正面临着达到物理极限的挑战，难以胜任更低功耗、更高密度和更快速度的信息存储。在此情况下，若干新原理存储器应运而生，阻性存储器、相变存储器、STTMRAM（自旋转移矩磁随机存储器）是典型代表。其中，基于电子自旋的STTMRAM作为新一代的MRAM，将是取代DRAM和SRAM的主要内存技术；2015年1月的市场分析认为，一旦其成本降低，STTMRAM最早将于2018年开始逐步替代DRAM。而基于双稳态电阻转换的阻性存储器（RRAM）作为集动态/静态随机存储器和浮栅存储器功能为一体的通用存储器，是NAND技术后的下一代非易失性存储（NVM）技术；据2015年市场报告预计，1Tb的RRAM产品有望在2018年问世，一旦如此，RRAM技术将于2020年前全面进入海量存储器市场。目前，业界普遍认为RRAM是非易失性存储器下一轮竞赛中的领先者。

（1）氧化还原型阻性存储器及其材料

该类存储器包括两类，即：基于金属阳离子行为的EMB或CBRAM（电化学金属化桥存储器，有的也称之为可编程金属化单元PMC）和基于氧阴离子的VCM（valence change memory，价态改变型存储器）。

图3-5　Micron发布的27nm技术的16 Gb Cu CBRAM

EMB阻性存储器通常采用活性电极-离子导体-惰性电极系统，电化学活性材料如Ag或Cu可制成活性电极，惰性电极采用W或Pt等，离子导体可以是固体电解质薄膜（如：银硫系化合物Ag2S和 Cu2S等），也可以是氧化物（如ZrO2）。其中的导电细丝或金属化桥的形成依赖于活性金属的电化学反应。这类RAM技术可满足固态硬盘，嵌入式非易失性存储器等多样市场需求。2012年，已经有基于EMB的串行非易失性存储器商业产品问世。2015年2月，Micron发布了采用27 nm技术制造的 16 Gb的Cu CBRAM芯片（见图3-5）。

此外，EMB RRAM备受关注的是其电化学反应调控的可重构开关，它不仅可以作为突触元件应用于人工神经网络技术（见图3-6），而且与其它系统的集成能够提供更为丰富的功能。例如：2014年报道了一种集成了阻性存储器的超级电容器系统，其放电过程的稳定性获得大幅提升。

依赖于氧阴离子（或氧空位）的VCM阻性存储器根据阻态转变行为又分为金属氧化物双极型（MO-BF）RRAM和金属氧化物单极型（MO-UF）RRAM两类。前者一般采用双层氧化物结构，其中至少一层是非化学计量比的氧化物薄膜，例如可商业化的Ta2O5-x/tao2-x结构。2012年，松下展示了一个8 Mb的taoxRRAM，它具有 8.2 ns的写入脉冲速度和443 Mb/s的速率。2013年初，东芝公司发布了与24nm CMOS相集成的32Gb RRAM存储器。同年7月，松下推出了第一款替代EEPROM的商用8位微控制器，它采用了集成taoxRRAM的0.18微米CMOS处理器。另一类MO-UF RRAM也被称作为热化学存储器（TCM），采用的介质材料为niox、hfox等，电极一般选用tin、Pt和W等。与前述存储结构不同，MO-UF器件不依赖结构上的不对称性来实现阻性存储，而且其写/擦电压极性相同，因此在制备小尺寸存储阵列方面具有优势，此外，其单一电压极性的编程方式也大大简化了电路。

图3-6　基于Ag2S忆阻器的类突触记忆强化功能

（2）铁电隧道结（FTJ）存储器及其材料

常见的铁电隧道结采用金属/超薄铁电薄膜/金属这样的三明治结构，几纳米厚的铁电层作为电子隧穿势垒，其自发极化翻转使得势垒高度发生明显变化，从而在隧道结中获得高、低两个电阻态。铁电极化的快速翻转能力使得铁电隧道结阻性存储器在快速度、低功耗等方面有得天独厚的优势，比如：其读电压通常仅为100 mv，写操作的能量可以降低到10 fj/bit。FTJ因受限于低的隧穿电阻开关比一度遭遇技术瓶颈，后来通过巧妙设计铁电异质结构跨越了这一障碍，2013年报道了一种新结构的batio3FTJ存储器，将其中一端的金属电极用铁电半导体替代，从而实现铁电自发极化翻转对势垒高度和宽度的同时调控，获得异常增强的隧道结电阻开关比。而且，此类铁电异质结构的阻态取决于铁电畴结构，通过微结构调控能够实现可控的准连续阻态变化，这是实现人工认知的关键环节。采用FTJ可以执行“类脑”的编码、训练、识别等功能。

（3）Mott存储器及其材料

利用Mott绝缘体材料在外界刺激（光、热、电）下发生金属态-绝缘态转变从而实现双稳态存储。VO2和nbo2是其中的代表性材料，这些材料不但具有刺激依赖的电阻调控能力，而且能够获得刺激依赖的电容调控，因此可以执行多环节、跨领域的复杂任务。2009年Science报道的谐振频率即时可调的谐振器，正是利用了VO2Mott忆容器对电容的调控特性。2014年美国UC Berkley报道了一种集成了Mott存储器的可扭转的人工微肌肉系统，该系统利用了VO2忆阻器对电阻的即时调控特性，对扭矩和转速进行实时控制（见图3-7）。这种人工微肌肉系统使具有反馈、响应和自适应等能力的未来智能机器人成为可能。

图3-7　集成了VO2Mott忆阻器的可扭转的人工微肌肉系统

（4）聚合物阻性存储器

该类存储器充分发挥了聚合物材料可弯曲与可延展性以及易于图案化加工的特点，能够与电子皮肤系统无缝对接，在可穿戴设备领域有得天独厚的优势，使可穿戴通讯、处理与存储技术成为现实。此外，柔性阻性存储器在医疗诊断领域也崭露头角。2014年Nature Nanotechnology报道了阻变存储器件与药物缓释器件集成的电子皮肤系统（如图3-8所示）。

该系统利用传感元件实时监控患者的生理体征，通过阻性存储元件对数据进行保存、对比并反馈至药物释放驱动元件，使可穿戴的诊疗及保健系统不再只是科幻作品中的想象。

图3-8　阻变存储器件与药物缓释器件集成的电子皮肤系统

3.3信息材料的发展方向

3.3.1多功能及智能化的传感器材料

多功能及智能化传感材料涉及多种学科的技术融合。例如在同一芯片上，或将众多同一类型的传感材料做成单个传感器件并集成为一维线型、二维阵列（面）型传感器，因而具备单一器件所不具备的功能，例如时序检测；或者将不同敏感机理的材料通过适当的复合工艺，使之成为一种对不同参数敏感的材料。

智能化传感材料可以与微处理器进行片上集成，不但能够执行信息采集、信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。如分布式实时探测、网络探测和多信号探测材料。由智能传感材料构成的传感系统不仅可包括传感器、变送器，还可包括执行器。与传统的传感器相比，智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节，能够对所测的数值及其误差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判断，能够借助于一览表对非线性信号进行线性化处理，借助于软件滤波器滤波数字信号。

其次，随着信息技术的不断发展，信息量激增，要求捕获和处理信息种类、精度不断增加，对于传感器性能指标的要求也越来越高；随着智能穿戴设备的发展、物联网技术的进步，传统的大体积弱功能传感器很难满足上述要求，因此，传感材料也向高灵敏度、微小型化发展。例如高灵敏的半导体敏感材料，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高、可高度片上集成以及成本低等优点。

就目前的技术发展预测，微型传感器已经不仅仅用于军工、航天等传统高技术领域，而且在大众日常生活中产生巨大应用，如医疗、通信、健康、家居等方面，如图3-9所示。目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度、加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等。

图3-9　微型传感器的应用

3.3.2可见光通信在未来发展中的关键技术

3.3.2.1 发射、接收带宽拓展技术及其集成

通信产品林林总总，描述通信协议的文字更是千言万语说不清，不过万变不离其中，通信离不开发射和接收。可见光通信系统发送模块由调制电路、LED驱动电路、LED光源组成。接收模块包括光学透镜、光电探测放大电路和解调电路组成。

根据照明的需要，目前大部分用于照明的LED灯都采用了蓝光管芯激发黄色YAG荧光粉的发光方案。受到荧光粉余辉迟滞效应的影响，如果在数据发送端和接收端不加任何处理，直接用该系统作为收发链路，则通信速率一般不会大于5Mbps。这个通信速度显然和可见光通信的优点——宽带高速极为不相称。为了突破这一速率瓶颈，在发送端，需要对发送信息进行“预加重”，即让传递信息频域部分，低频的幅度相对小，高频的幅度相对大，弥补荧光型LED难以发送高频信息的不足；同时在接收端，采用“前均衡”，即在放大电路中，让高频部分增益更高，低频的增益相对低，从而进一步拓展收发链路的带宽。如图3-10为可见光通信的物理层收发链路图。

要让这一系统进入千家万户，成为大众生活的一部分，小型化是不可或缺的。可见光通信是光路和电路的混合系统，在发送端，涉及到信号预加重处理和LED的功率驱动；在接收端，涉及到透镜聚焦和光电转换及信号处理。如何把这一系统集成在手机、汽车大灯里，也是亟待解决的问题。

图3-10　可见光通信的物理层收发链路

3.3.2.2 编码与调制

1824年，英国的彼德马克罗格特在《移动物体的视觉暂留现象》中发表了他的“视觉暂留理论”。人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，而当光的作用结束后，视觉形象却并不立即消失，会保持一段时间，这种残留的视觉称“后像”，而视觉的这一现象称为“视觉暂留”。光作用在视网膜上，人的视神经有一段反应时间，因此，当物体快速运动时，即使影像消失，人眼依然能保留其影像0.1～0.4秒左右的时间。中国的走马灯便是视觉暂留现象的运用。日常生活中也有许多视觉暂留的现象，如小孩玩的激光笔，当你用激光笔在空中快速划动，正对着你的人能看到你在空中作的“画”，划动的速度越快，看到的画就越完整。而视觉暂留最典型的应用是动画和电影。电影和动画原本都是一幅幅单独的画面，当多幅画面连续快速放映时，由于上一幅画面在人眼视网膜上的影像能持续一段时间，因此下一幅画面出现时能刚好与上一幅画面衔接上，就形成了连续的动作。

可见光通信之所以能够将照明和通信相结合，也要归功于这种视觉暂留现象。LED具有快速通断的特性，能够被高速调制，当利用光强来进行信号调制时，即使灯光在闪烁——以便传输调制信号，由于人眼的视觉暂留效应，当灯光处于灭的状态时，只要上一刻的光在视网膜上的影像还未消退，就无法察觉，从而形成灯光亮度“稳定”的错觉。像动画和电影的制作一样，LED灯的“稳定照明”也是需要满足一定条件的。LED灯具在发送信息时，需要保持“明”（代表二进制的“1”），暗（代表二进制的“0”）的相对稳定，不出现过长的“明”或“暗”，保证照度稳定，人眼也会感觉更为舒适。

在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽，就可以采用频分复用的方法。特别是要实现类似于基站或者WiFi热点等一对多的应用，复用技术必不可少。此外，在宽带无线通信系统中，影响高速信息传输的最主要一类干扰是频率选择性干扰。它表现为对信号的某些频率成分衰减严重，而对另外一些频率成分有较高的增益。为克服这类衰落，一个很自然的想法是在信道上划分多个子信道，使每一个子信道的频率特性都近似于平坦，使用这些独立的子信道传输信号并在接收机中予以合并，以实现信号的频率分集，这就是多载波调制的基本思想。

正交频分复用（OFDM）系统就是这样一种多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干个子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。将OFDM技术应用到可见光通信系统中，可以很明显的提高可见光通信系统的数据传输速率，对抗可见光通信对于遮挡和干扰敏感等缺点。

3.3.2.3 应用软件

将可见光通信系统与物联网、智能家居、智慧城市结合，离不开终端应用软件。以可见光室内定位为例，移动终端需要把重力感应器给出人脸朝向、手机陀螺仪给出加速度方向以及手机摄像头抓拍的场景，综合考虑，通过优化导航算法，实现智能导航。室内LED定位导航系统需要在iOS或Android平台上进行开发，还要对手机摄像头参数进行设置，以便在iOS或Android平台正确解码，并且使用图像处理进行精确定位，结合手机惯性导航技术，与灯光定位导航进行补偿定位。可靠易用的终端软件，是可见光通信培养用户习惯、进入大众日常生活不可或缺的一环。

3.3.3激光技术的多元化、广泛化应用

3.3.3.1 显示方面

在激光显示方向中，小体积、高亮度激光光源是激光显示研究的核心，未来在小体积、高功率、高亮度半导体激光源技术上的突破，将推动激光显示的快速发展。超大屏幕激光显示技术代表着显示技术未来发展的趋势和主流方向，是未来激光显示领域竞争的焦点。

3.3.3.2 材料加工方面

激光应用于材料加工方向之激光切割技术在未来发展趋势主要包括：①高速、高精度激光切割，实现真正意义上的飞行切割技术；②厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割：随着可用于激光切割的激光器功率的增大，激光切割正从轻工业薄板的钣金加工向着重工业厚板切割方向发展；③三维立体多轴数控激光切割机，正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向发展，其应用范围将会愈来愈大。

激光焊接以其独特的优势将在高精细焊接领域独占鳌头，解决目前无法解决的特殊材料及不同材料间的连接问题，重新定义结构设计理念，在装备制造中，彻底打破材料件的选择局限性，如我们可以将金属与非金属实现材料间的连接，有机材料与无机材料间的连接，彻底打破人们的传统思维理念。

未来的激光清洗从研究应用领域上仍会朝着以下三个主要方面发展：①更精密清洗，清除精细基底表面微米、纳米级，甚至更小尺寸的污染物，使其达到很高的洁净度，例如，清洗电子线路板、半导体元件、硅片等；②清洗大型物体，例如清洗大型雕塑、建筑物、文物等；③用于在线清洗，例如飞机脱漆、清洗汽车轮胎模具等。

3.3.3.3 激光探测方面

激光探测技术中，PPG技术可应用于多种商用医疗设备，如脉搏血氧仪、血管诊断和beat-to-beat数字血压测量系统。低成本、操作简便，无创性，性能稳定、安全无交叉感染等许多优点，将使其不仅在医院的临床检测、监护中得到广泛应用，而且也可用于社区和家庭的医疗保健。由于该技术还可配备网络设备，使其具有联网扩展功能，从而可以用来组建家庭社区和医院的医疗网络，这将会在未来物联网中的智能医疗的发展中占据着重要地位。另外，它还可应用于航天员的生理参数检测，在这些方面将都会有很好的应用前景。

另外，随着激光全息技术本身的进步和与计算机、数码摄像机、CCD器件、新型液晶显示屏、空间光调制器、因特网和自动化控制技术的不断综合运用，激光全息技术的发展能够开拓出更多的应用领域和更加巨大的应用市场，人们设想的全息电影、全息摄像机、全息放映机等等，也许将来会不断变成现实。

3.4柔性印刷电子材料快速发展

新世纪以来，尤其是新世纪的第二个十年以来，柔性电子技术蓬勃发展，而由此发展起来的柔性电子设备，亦是方兴未艾。智能可穿戴设备便是重要的应用。柔性电子设备已在新型能源设备，疾病预防与治疗，智能手机，大尺寸显示屏幕，航空航天等领域崭露头角。柔性可携带储能电池，柔性超级电容器已有初步的产品；生物可兼容的柔性传感器，在心脏疾病监测，脉搏感应，脑电波探测等发挥了初步作用；风靡一时的小米手环，由于其物美价廉，可以说是走入国人生活的第一款可穿戴设备，主要功能包括查看运动量，监测睡眠质量，智能闹钟唤醒等，还可以通过云端识别更多的运动项目；早前美国谷歌公司推出的谷歌眼镜，苹果公司的智能手表等也在市场上引起了不小的反响；有机发光二极管，也在显示发光领域得到了初步的应用；在航天领域，柔性电子设备由于形状可控、节省空间也已得到了一些应用。

伴随柔性印刷电子技术的发展，未来也将会有越来越多传统电子设备实现柔性化、智能化、可穿戴化、人体可适用性等等，走入人类社会的方方面面，从而改变人类的生活方式。具体表现在如下几个方面：

（1）柔性材料类别、性能得到进一步开发，柔性显示技术得到广泛发展

目前在印刷电子领域，常用的柔性材料通常为有机材料，包括PI（聚酰亚胺），PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯），PEN（聚乙烯奈），PEI（聚醚酰亚胺），透明导电聚酯等等。2049年，现有有机材料的性能，将会得到极大的提高。例如目前有机半导体迁移率最大值1cm2V-1s-1，到时我们可开发出媲美单晶硅迁移率103cm2V-1s-1的有机半导体。当前的研究热点柔性材料，石墨烯，硫化钼等二维材料，碳纳米管，纳米线等一维材料将走向成熟。而且新型的无机柔性材料也将会进入我们的应用领域。

得益于有机发光二级管等材料技术的发展，未来30年，柔性显示技术必将得到深入而广泛的发展，也将会不仅仅限于有机材料，呈现多元化，智能化的特点。柔性显示屏幕将走入市场，甚至成为显示屏幕的主流产品。比如制作大尺寸的柔性显示屏幕，日常柔性电子产品的显示屏等。

（2）印刷电路的性能得到极大提高

印刷电路是实现柔性电子技术走向应用的关键。相比于极其复杂，动辄成本上亿美元的硅基集成电路制造产业，印刷电路是一种低成本印刷制造电路的方法。而限制印刷电路性能的是它的有机印刷材料，其电学性能往往很难达到制作电路或者元器件的要求。新型无机纳米材料，高性能碳纳米管，高性能石墨烯等应用为印刷材料，是解决这一问题的重要途径。到2049年，随着新材料的研发使用，我们有理由相信，2049年印刷电路的性能，将能满足制作复杂电路的要求。

（3）新型能源设备将会出现

2049年，随着柔性印刷电子技术的发展，将会出现许多使用效率高，空间占有率高，便携式的新型能源设备。比如我们可以将柔性的太阳能电池，制作成大树的形状，从而来提高采光效率；可以将柔性电池，柔性电容器等制作在衣服上；可以用人类走路，心脏跳动等机械运动来发电。同时，在航空领域也有着重要的应用，卫星在升空阶段可以将柔性太阳能电池卷曲，到达指定轨道后，再将电池展开。这种柔性太阳能电池比现阶段的硅基太阳能电池板，更省空间，能制作更大表面积的太阳能电池。锂电池，电容器的柔性化，可便于我们携带，甚至可以将我们衣服的某一部分制作为电池，从而方便使用。

（4）可穿戴智能设备成为人们生活的一部分

前文提到目前市场上颇具影响力的小米手环，谷歌眼镜等，到2049年，随着柔性印刷电子技术发展成熟，将会有更多，更成熟，人体适用性更好的智能可穿戴设备走入人类生活的方方面面。例如有了柔性化便携化的电脑，人们像携带现在纸张一样的对待电脑，这样就可以随时随办公，摆脱办公室的束缚；柔性化的手机，我们可以卷起来放在兜里，甚至直接贴在衣服上；我们还可以利用太阳能，制作柔性可穿戴的发电机，将自身运动产生的机械能，转化为电能；其他一些常用电子设备也可实现柔性化，例如压力传感器，气敏传感器，光电探测器等等。新型的柔性便携电子产品，将改变人们的日常生活。

（5）电子产业的颠覆性革命

到2049年，得益于柔性印刷电子技术的发展，众多的电子产品均可实现柔性化，可穿戴化，这就改变了他们的传统形态。而这些电子产品的更新换代，将会引发电子产业的颠覆性革命，产生巨大的市场前景。从而引发新型的产业形式，促进就业，有利于国民经济的发展。可以毫不夸张的说，这将会是第五次信息技术革命的重要组成部分。

4　未来的电子信息材料与人类生活

随着科学技术的持续快速发展以及人类生活水平的不断提高，实现人与信息的有效融合从而加速社会信息化是未来科技的一大发展趋势。集成电路将不断向纵深发展；视听产品进一步向数字化、网络化发展；通信技术仍将继续向宽带化、无线化、IP化、融合化发展，通信与网络融合的趋势进一步明显；计算机正面临体系结构的变迁，持续向高性能、网络化和智能化的方向演进；显示器件大屏幕、高清晰、平板化、低辐射、低能耗及轻薄化已成趋势；更加新型的、智能的、便携式的、高速的、环保节能的、可穿戴的或可植入人体的电子产品不断涌现，电子信息技术应用领域也将不断扩展。同时，各种新材料在众多新一代整机需求的驱动下将蓬勃发展。可以说，未来电子信息科技将使人类生活发生翻天覆地的变化。

4.1电子信息材料与技术改变人类生活

（1） 高性能计算机与类脑存储

微纳电子技术在后摩尔时代的不断发展将可能使未来的芯片汇集计算、存储、通信和信息处理等多种功能，推动计算技术发生革命性的变化。高性能计算机（超级服务器）的性能在未来近40年中将再增长1～10亿倍，预计2020年运算速度将达到每秒1018次，2040年可能达到1021次，2050年达到1024次。高端客户机的速度将在2020年达到1012次，2040年达到1014次，2050年达到1017次。计算机性能在数量级上的不断提升对人类社会的正面影响是不言而喻的，大到制定国民经济的发展规划、小到个人所得到的各种服务信息如天气预报等，在合理性和精确度上都将得到极大的改善。

在大数据技术迅猛发展的今天，“冯·诺依曼瓶颈”对数据传输效率的限制日益凸显。而借鉴大脑处理信息原理的“类脑”技术，则可跳出冯·诺依曼框架，实现运算处理与存储相融合。“类脑”芯片一旦实现，它的功率可能只有几十瓦，却能拥有媲美超级计算机的运算速度。2014年IBM研制的尖峰神经元电路可谓迈出了重要一步（如图4-1所示），它能够每秒处理30帧400×240像素的影像，而芯片仅需63毫瓦的功耗。“类脑”技术还使具有仿生“感知-编码-处理-反馈-反应”能力的智能传感系统成为现实。高精度的压力传感器、光传感器等技术满足了电子皮肤、人造视网膜等系统对感受器功能的要求，与“类脑”人工神经网络相集成，将会使这些感知系统具有反馈、自适应、自主学习等高级功能。

图4-1　IBM研制的TrueNorth架构的尖峰神经元电路

（2）智能芯片与人体健康

随着生物相容性传感器和柔性材料技术的发展，电子芯片植入人类身体不再只是停留于电影幻想中，人类的感官修复也不再是梦想。可以感受温度、压力、风速、紫外线的智能皮肤，不仅可以用于修复受损部位，在正常人体的某些部位植入（例如手腕），可以代替目前使用的智能手环，皮肤的温度灵敏度可以精确到0.01度，体温计只属于博物馆。人工视网膜不仅可以看到可见光波段，也能像红外摄像机一样具有也是功能。而探测波段则可根据客户的要求定制。配合高灵敏度的人工耳蜗材料，“顺风耳、千里眼”不再是神话。这些想法听起来有些疯狂，但不可否认的是，不远的将来，如图4-2，植入芯片会像打防疫针一样变得稀松平常。

图4-2　植入我们身体中的芯片

另外，随着医疗水平的提高，植入柔性的医疗电子器件与相应组织器官将具有更高的结合度，使其更贴近、更适合柔性组织器官的结构。从植入式心脏起搏器、植入式心房除颤器，到用于帕金森病、癫痫、老年痴呆等神经系统疾病治疗的植入式脑起搏器及电极等，这将为治疗心脑系统疾病及人类健康做出重要贡献。

（3）便捷的电子服装

未来的人类只需一套服装，这套服装的颜色、形状、尺寸可以按照需求自由变换。电子服装还能检测外界的温度、湿度等环境参数来智能调节衣服的不同功能来维持人体处于最佳状态。另外，自清洁功能和高寿命也是电子衣的一大亮点。电子服装还能够监控人们的健康状况，制造衣服所需的纤维都是导电体，这种服装还可以作为孕妇装，用来时时检测胎儿的心跳和胎动；老年人还可以利用这种服装随时随地监测血压和脉搏等。

（4）随处可见的柔性显示系统

未来的柔性显示材料具有可弯曲、超轻薄、低功耗、高耐用以及便携性等优势，满足可穿戴设备对于屏幕显示的需求。就像图4-3中的柔性显示屏和触摸屏的规模化生产，使得薄如蝉翼的显示屏可以任意方向和弧度进行弯曲，甚至卷起来或者折叠，同时还兼备优质的显示效果。未来的眼镜、配饰、智能手表、健康监视腕带等可穿戴设备将成为继电视、电脑、手机之后的第四平台，成为信息娱乐与社交分享、医疗及军用等领域的主流。这些可穿戴设备不仅自身具备计算和存储功能，还可连接手机等各类终端成为便携式的配件。

图4-3　柔性屏幕手机

（5）车联网与人工智能汽车

智能汽车与无人驾驶应用的场景非常复杂，为保证无人驾驶的安全，对行车环境中目标距离与速度探测的维度与广度要求更高，需要激光传感技术犹如“雷达”一般进行360度无死角的监测。但是激光光束的方向性非常好，只能实现某一直线路径上的测量，所以未来的无人驾驶汽车的激光测距测速装置应该是全息的，并能快速灵活转动的，从而快速实时地扫描行车环境中一定范围内各种目标的距离与速度。全息激光能够帮助无人驾驶汽车快速构建一张局域的行车环境的拓扑，并实时更新，通过自身控制反馈系统以及云端的计算决策系统实现汽车的智能驾驶与应急反应。同时相邻汽车的行车环境拓扑与驾驶策略是可以相互交换的，从而减少了单一汽车需要测量的数据量，并能为智能汽车构建一张更为复杂的行车环境拓扑（如图4-4），更多的数据量将帮助无人驾驶汽车不仅仅具有对于突发状况的应急响应能力，更加能够预判危险的发生从而提早避免。

另外，把可见光通信技术和智能交通系统结合，形成智能交通信号灯、智能制动信号灯、智能日间行车灯和智能照明大灯，辅助车辆驾驶，让前车和后车能相互“通话”，也是未来车联网一个值得期待的发展方向，交通状况、路面信息、车辆定位、是否会发生碰撞等这些信息，可以通过LED灯光闪烁在车辆间传递，甚至可应用在自动驾驶系统当中。

图4-4　人工智能汽车系统

（6）“拍一拍”室内定位

相信很多人都有在大型地下车场焦急的找车经历。有了可见光室内定位，每一个停车场的照明灯，就相当于一个广播电台，不停的广播自己的位置信息：“我在车场的东南角”、“我在本层南区中央”。车主停车后，打开手机APP，用手机摄像头拍一下附近的照明灯，就记录下了停车位置信息；逛完商场后，进入车场，打开手机APP，就近拍一下照明灯，于是手机软件给出了去往停车位置的最近路线。同样这项技术也可用于大型购物中心的商铺导航，只要打开APP，就近拍一下商场的景观灯，于是室内导航软件带顾客去想去的商铺。如图4-5，可见光通信，帮助每个人拥有超人的方向感。

图4-5　可见光通信与室内定位

（7）LiFi—人口密集区、射频敏感区高速保密通信

可见光通信是一种“看得见”的无线通信方式，如图4-6所示，相比于传统的射频通信，可见光通信具有自己独特的优势：速度更高、容量更大、使用更安全。基于可见光的点对点通信速率2014年已经达到500Mbps实时传输和5.6Gbps的非实时传输；可见光通信系统的小区密度大，故系统总容量很大；传输信息的LED光为可见光，用户可通过自己的眼睛判断透镜和灯罩是否已经按照自己的需要限制了通信灯光的覆盖范围，确保信号不外泄。此外，因为可见光通信无电磁干扰，可应用于医疗、航空、矿井等特殊领域，在电磁敏感区域及电磁屏蔽区域均可以应用。可见光对人体无电磁伤害，是一种绿色环保的通信方式。传统的无线通信在人多时容易造成“网络塞车”，而对于可见光通信来说，只有站在同一盏灯下的人才会共用带宽，只要有多盏LED灯存在，上网将不再“拥挤”。

图4-6　可见光通信与传统无线通信应用方式对比

（8）多样的无线通信

海洋是当今时代各国资源开发，科技发展，领土维权的战略高地。海底观测网络，是海洋调查、海洋勘探的重要技术手段。而作为其技术支撑的水下声、光传感器和潜航器在快速发展的同时，对信号传递带宽的要求也越来越高。而海水对于目前常用的无线通讯载体——射频电磁波，有着强烈的衰减作用，目前水下无线通信主要依靠声波和超长波，但是这两种载体均存在带宽受限的问题。因此水下可见光通信技术有着巨大的比较优势。特别是海水对蓝绿光（400 - 580nm）的吸收和散射最小，形成通信窗口区。如图4-7为水下可见光无线通讯收发模块和演示装置。

图4-7　水下可见光无线通讯收发模块和演示装置

水下可见光通信具有探测精度高、方向性好，易于保密等特点。当被应用到海底传感器网络时，水下可见光通信能够满足大量监测数据传输的要求，通过先进的调制与编码技术，它的传输速率可达Gbps级别，使得视频、图片和音频等大容量数据的传输变得可能。

相比之下，未来利用激光也可能实现无线通信。目前在无线激光通信领域，人们已经初步实现了地球到月球之间的空间图像数据传输。随着激光技术以及激光探测、大气传输等相关技术的不断发展，在三十多年后的2049年，无线激光通信系统将在以下几个方面给未来社会带来巨大变革：首先，在地球上，人与人之间的电信号通信将被无线激光通信所取代，无论身处地球的哪个角落，与其他人之间的通信都不再是一个难题，不会存在如今通信过程中所要考虑的“有没有信号”的顾虑。另外，这种激光通信形式也不会受到自然条件及恶劣天气的影响，即使受到自然灾难的侵袭，激光通信信号也不会被中断。这在救灾抢险以及军工、国防等方面显得尤为重要，为地球上人们的生活提供最大限度的保障。其次，在其它星球之间，尽管所处的环境各不相同，但通过无线激光通信的信号传播，无论身处哪个星球，都可以利用此技术实现信息的及时沟通，并且通过立体图像、视频等多种通讯方式的传播，人们可以身临其境的了解到其它星球之间的状况，为星际探索提供便利的条件。

（9）激光带来的“视觉盛宴”和便捷生活

3D显像技术大多数利用了人双眼的视觉差和光学幻象。超大屏幕激光影院以及家庭影院的普及应用可以提供更震撼、逼真的表现力。到2049年，可能通过激光技术实现只有科幻电影中采用的3D立体显示效果一种新型显示系统，观众不需要配戴任何的头载式辅助装置，就能够提供一种全像3D立体显示与真实的观赏体验，实现无需特制眼镜，就可以看到在空间悬浮的立体影像的投射型3D显示屏。

相反，激光投影仪却可以做的很袖珍，装在口袋里或者扣在衣服上，方便携带，工作人员出差再也不用背个笔记本电脑了，有袖珍型激光投影仪在，可以随时随地实现投影功能。袖珍型激光投影仪产品虽然只有MP4播放器般大小的身材，却可以在墙上投影出20至40英寸的画面。相信在2049年，其独特的魅力将掀起一股可穿戴便携式袖珍型激光投影仪浪潮，拥有美好前景和广阔的应用空间。并且采用激光投影技术也可以做成激光鼠标，让用户可以在桌面上直接空手操作，而不是通过操控传统鼠标来控制设备。使用时会在桌面上投影出正方形的空间，用户能够使用类似于触控板的丰富手势操作。同时宽敞的空间设计，用户可以随意进行放大或者缩小操作而不受任何限制。这款激光鼠标的重量仅为几十克，可放在口袋或者背包里，非常便携小巧并且能耗超小，堪称移动办公中最重要的环节。

此外，3D激光全息手机是可穿戴技术的一种。可穿戴设备通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能，将会对我们的生活、感知带来很大的转变。3D激光全息技术的突飞猛进，使得人可以在不戴3D眼镜的情况下，看到带有立体效果的影视节目，并在全视角内都能看到3D立体效果。人们在手机上玩游戏，手指可以不触碰屏幕的情况下，挥手做切西瓜等动作，手机屏幕上的西瓜等就可以随之切开。这让人们不得不感叹：这实在是太神奇。

（10）超强的激光加工技术

首先，在日常生活领域，每家每户都有小型的激光切割机，利用激光取代目前所用的金属刀具。激光切割速度快，效率高，省时省力，在加工处理一些较难用刀具切割食材、较硬纸板、金属板时，极大地方便了人们的使用。在服装行业中，利用激光代替剪刀来裁剪衣物，通过电脑控制来实现激光精确的移动，大大地提高了生产效率及解放了人力物力。在农业应用中，利用剪刀剪羊毛效率低，而利用激光剪羊毛则极大地解决了这一问题；激光收割庄稼，一扫就是一大片，效率比收割机高出许多，而且方便，不需要人力一直驾驶这收割机。与此同时，科幻电影“星球大战”中的激光剑得以问世，可以随声携带，方便便捷，随时随地的切割现在无法及时处理的坚硬物体。

其次，随着激光焊接技术的不断成熟，激光焊接技术已经被利用到生产生活的很多领域如钢铁、汽车、船舶、航空航天等制造加工业。比如在汽车覆盖件生产中运用激光焊接技术。在制造钢铁时，利用双面激光焊接达到样品结合的目的。激光焊接技术也可以在其他行业如医药生物行业、电子工业中应用。激光焊接因其吻合速度快、卫生、高效的特点，已被应用于牙医、生殖医学、神经医学等临床诊治。而随着电子元件的越来越小，激光焊接的高效迅速、热影响区小等优点在电子工业中的作用就显而易见了。未来，大容量大功率的激光器的研制仍将继续，而激光焊接工艺的精细化研究（比如复合激光焊接、双焦点激光焊接等）也必将激发出激光焊接技术更强大的应用潜力。

此外，随着激光清洗技术的不断发展，激光清洗技术也将会应用于目前人类难以解决的各种领域，如激光清洗可以用于核物理领域的材料清洗、以及上至宇宙太空的材料清洗，下至海底地下的物质清洗。

总而言之，随着电子信息材料科技的发展，在未来世界，人与物之间、物与物之间的信息交流方式会达到一个我们难以想象的便捷程度。无论是我们的衣、食、住、行还是通讯交流，亦或是医疗保健，都将发生翻天覆地的变化。

4.2未来场景

场景1：不剪脚趾甲的后果

某一天，当你沉浸在跑酷游戏中的时候，放置在抽屉的携带敏感材料的指甲钳发话了，它突然占据了你的手机屏幕，弹出以下提示：你已经五个星期没剪脚趾甲了！你觉得很烦，随手将这个提示关掉，继续游戏。

第二天早上，你正在浴室洗脸，又有一则消息出现在浴室的镜子上面：“现在已经到夏天，你还想不想穿凉鞋了？赶快剪脚趾甲！”你可能继续无视他的提醒，关掉屏幕，洗完脸上班去了。

可别小看指甲钳的耐心，它还会不断絮叨“喂，你的脚趾甲真的很长哦，该修理一下了”、“你今天没觉得袜子有点紧吗？”、“你不怕真菌感染吗？”……

两周之后，你收到一封邮件，是一位足病专家给你发来的预约邮件，让你某天去他门诊。而此时，你的指甲钳又发话了：你真得了真菌感染啊？我知道一种治疗这个的药，你可以去试试……

场景2：刀子的忧伤

今天晚上，你要下厨给自己做点特别的，你取出切菜刀时，它不乐意了。在电冰箱上一个屏幕上，菜刀向你抱怨道：“你真的要用我来切菜吗？你知道我有多久没有磨了吗？”

你觉得菜刀说的很有道理，放下菜刀，后来索性就出去吃饭。接下来的一周，你的邮箱被各种推销菜刀的邮件堆满了，你看了几个，但还是犹豫不决。直到某天早上，你发现一大波可以磨刀的机器人站在你房门前……

场景3：酒瓶与酒杯的阴谋

医生早已建议你必须少喝酒。可某天，你还是习惯性的拿出酒瓶和酒杯，它们俩早已知道你的意图。

酒瓶发威了，它启动瓶塞控制机制，让你死活打不开瓶塞。接着，整个瓶子颜色变成浅黄色，一行黑色警示文字出现在瓶子上面：“喝这种液体可能会损害你的健康！”

倘若你关闭了这种提示，瓶塞非常简单的就打开了。此时，酒杯出场了，酒杯两面各有一款屏幕，一面是广告页面，另一面则是健康提醒和问候。

杯子会很自然的辨别出你喝的是什么酒，在问候页面，你会看到以下信息：这真是好酒啊，配上鸡肉和沙拉会更好哦！不妨把看看杯子另一面有有哪些更好地搭配吧！

场景4：你需要一个什么样的床

物联网时代，床依然是人类最好的朋友。想想吧，每天辛苦一天工作之后，回家躺在床上的感觉是多么的自在，只是，未来的床，会变得极其聪明。

你的床非常详细地记录了你体重变化，它会在你变重对你进行惩罚，比如第二天的闹钟就是：你该减肥了，胖子！

你的床会收集你身体的每一个数据，通过云端强大的处理功能，得出你的身体状况，假如结论是你身体不好，那么你第二天起床之后就会收到床发来的电子邮件，一般来说，邮件内容是向你推荐各种药品，甚至帮你预约好了门诊医生。

场景5：我的一天

早上上班之前，我们会与可穿戴式移动终端，智能眼镜或者衣物上的柔性屏幕，通过语音交流获知今天的天气与空气质量。而未来无所不在的激光气体传感装置为每一个人提供的将是更为丰富详尽并且私人定制的空气质量报告，人们可以随时了解本街区甚至办公室的空气质量，并提前命令办公室的空气净化系统开始工作，每个人将动态获知办公环境的空气净化进程。这时您已经坐上了智能汽车，智能语音系统询问您的目的地并快速地根据云端实时的城市交通数据将最佳的行车路线与预计耗时推送到智能汽车的前车窗之上，这时您只用轻松地回复确认智能汽车将开启自动驾驶模式。智能汽车一旦进入自动驾驶模式，其车顶的全息激光测速测距装置将不停地进行扫描构建安全车距以内的行车环境的三维拓扑，这些数据汇聚到云端，将与您同一区域内的其他车辆的三维拓扑数据共同计算并决策局域车联网的行车策略。行驶过程中人们可以通过前车窗的屏幕与部门同事开电视电话会议，讨论项目进展与今天的工作计划；或者您可以观看城市的早间新闻，这时新闻中播报了一条紧急消息，城市某化工厂危险化工品泄露，幸好激光气体传感系统及时响应报警，机器人消防队快速赶到现场化解了险情，并未造成重大的人员伤亡与财产损失。不知不觉中，智能汽车已将您安全送达目的地，提示您行车用时与能耗。未来的汽车使用的将是绿色能源，电动汽车、太阳能汽车等等，城市中任何行驶的交通工具如若排放有害气体将被激光气体传感系统检测并警告。

5　电子信息材料产业发展的若干建议

电子信息产业是划时代的战略性高科技产业，电子信息产业涉及通信、计算机、显示等诸多行业，其涵盖面之广，发展之迅速远远超过历史上的其他产业。面对全球信息化浪潮的迅猛冲击和影响，电子信息材料的发展机遇与挑战共存。为此，无论个体还是国家，各行还是各业都应发挥各自的作用，共同努力，实现美好的未来生活。

5.1微电子材料方面

（1）进一步落实相关产业政策，推动产业发展

为鼓励集成电路产业的发展，国家陆续出台了相关的优惠政策，包括《国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》（国发[2011]4号）等，希望有关部门能够加快制定惠及微电子材料的相关实施细则，调动微电子材料企业创新发展积极性；同时，对于国产产品出口和国外产品进口税费做动态调整，推动产业健康、可持续发展。

（2）采取切实措施促进微电子材料产品的市场推广

经过近年发展，国内集成电路产业链雏形已形成，部分集成电路制造企业在试用国产材料方面发挥了重要的扶持作用，但是，还需要研究制订普惠政策并采取切实措施，如建立国产微电子材料应用保险基金，降低集成电路企业使用国产材料承担的风险，促进全行业多用、快用国产材料，形成全行业重视国内产业链、优先选择国内材料供应商协同发展的良性局面，为微电子材料产业发展创造必要的市场环境。

（3）引导行业整合和国内外并购发展

通过市场竞争选择具有技术、团队、管理、资金等综合优势、且公司战略与国家目标契和的企业作为种子公司，通过市场机制引导国内优势产业资源整合，解决目前产业规模小、经营产品同质问题；同时，利用全球集成电路产业链变革的时机，引导企业实施海外并购，快速做大企业规模。

（4）集中资源扶持龙头企业

加强国家相关部门和产业组织合作与协同，将微电子材料领域的科技和产业扶持资金重点投向龙头企业，并依托龙头企业构建产学研合作平台，提高产业技术创新能力，增强龙头企业的核心竞争力，加快培育进入国际同行前列的世界级企业。

（5）强化人才引进和国际合作

除了继续引进技术开发类国际高端人才之外，重点关注企业管理、市场开拓、国际并购等人才引进，并与培养本土创新团队相结合支撑产业技术创新和规模化发展；注重与国际领先的研究机构、高校、国际半导体制造企业、国际微电子材料同行等全方位的合作，开发先进技术和产品、交换知识产权、加快产品进入国际市场的速度。

5.2存储技术与材料方面

新的存储技术将持续影响未来30年的计算机技术发展，我们更应该把握住这次难得的技术交替所带来的发展机遇，保证关键技术研究的投入，具体如下。

（1）加大相变存储材料的研究

相变材料已经成功在光存储和存储器上实现应用，但是相变材料如何在纳秒甚至皮秒内实现非晶态和晶态的可逆相变仍然未有定论。由于非晶态原子排列是无序的，传统晶体学的理论和结构研究方法已不适用，因而对相变材料的非晶态没有一个清晰的认识。相变材料从非晶到晶态转变过程中的微观结构演化是很重要的，目前也没有有效的方法可以给出相变过程详细的原子结构变化，而这些则是寻找新型高性能相变材料，研制自主知识产权的高速、低功耗、长寿命相变存储器件的重要理论支持。因此，应加大对相变存储材料的基础结构研究。

（2）高密度驱动阵列器件模型与可微缩性的研究

1D1R（1个二极管和1个可逆电阻）是实现高密度存储器的最佳途径，研究4F2外延双沟道隔离二极管阵列的纳米尺寸效应和器件可微缩性，阐明下一代PCRAM的性能趋势，有望在高密度、低功耗、工艺简单和与CMOS工艺兼容性好等方面发挥优势。

（3）基于相变存储单元的高速测试系统研究

随着相变存储器向高速、低功耗的发展，现有的测试系统很难满足相变存储单元的测试要求，因此，研究出基于相变存储单元的高速测试系统，解决纳米相变存储单元测试中的若干问题就尤为重要。

（4）低功耗高可靠介质复合型电阻存储器的基础研究

相变存储器依靠相变材料在晶态和非晶态之间的转变，转变过程中需要大量原子的打乱和重排，如此大规模的原子移动一定程度上可能造成材料高低阻值在一定范围内的不确定和一定的阻值分布现象。电致阻变存储器能克服阻值不稳定和电阻分布的缺点，但由于独特的缺陷俘获机制使得其可同时生成多种导电通道形态，而相变存储器高低阻值区分度很好，也可以弥补电致阻变存储器的不足。因此将两种阻值转变效应复合，在充分利用二者优势的同时可以有效弥补各自的缺点，从而形成一种低功耗高可靠的存储器件。因此，应通过未来几年的研究，掌握该介质复合型电阻存储器件关键工艺参数和制备技术，为未来3D存储提供技术储备。

（5）支持存储内计算的芯片及设备研究

随着近年来数据的爆发性增长，海量数据的处理已经使得处理器不堪重负。将数据处理工作从处理器中转移到存储设备内，使计算和存储间的数据传输距离最短，同时将服务器主机的处理器从大量的数据处理任务中解放出来，已经是目前存储领域重点研究的内容。新存储器件相比传统存储技术更为适合并行计算，将存储和计算逻辑紧密结合，形成具有数据处理功能的存储芯片，因此，还应重点研究支持存储内计算的下一代存储设备。

（6）针对类脑存储器的研究

生物技术、纳米技术、信息技术和认知科学乃至心理学正相互渗透，各个学科正以前所未有的速度交叉和融合。从国内外的研究现状和技术发展的趋势看，现在正是发展类脑计算机的黄金时机。

5.3传感技术与未来物联网的发展方面

物联网传感器建设是一种“智慧全球”式的飞跃，大到国家与军事的战略需要，小到人民生活的方方面面，在这个过程中，对科研人员的工作环境，建立健全科技体制，一定有积极地推动作用。针对传感技术与未来物联网的发展，不同主体应该积极地从自身角度出发促进科技的进步，推动国家的发展，从而改善老百姓的生活品质。

（1）政府方面，一方面基于现有的国民经济发展水平与需求，另一方面从更为长远的角度出发，广泛征集意见与建议，设立一批具有长远发展目标与长期经济效益的科技研究课题，比如气体传感网络、车联网等。政府专项目标应是明确的，即科学研究最终能转换成老百姓生活中实际的科技体验，能创造实在的经济价值；政府专项投资应是长期的，因为构想中无论气体传感网络或是车联网都存在许多技术难点与商用障碍，项目在预研前期如果能很好的论证其广泛意义与研究可行性，政府应当持续的推动项目的发展与前进。

（2）行业方面，应努力建立好与政府、与科研机构良好的沟通渠道。科学研究大致分为两种类型，一种为基础研究与前沿探索，业界不能立马发现其经济效应，但为促进科研的多样性、独立性与发展潜力，政府与行业是应当鼓励其发展的；另一种，也许更为重要的是，一批三到五年内具有重大经济、军事应用价值的研究方向，就需要业界与政府、科研单位从各自的角度出发，认真探讨不同技术的发展意义、价值与潜力，重点投资一些有实际技术价值与应用前景的方向，并通过业界与科研界的合作交流，帮助一些较为成熟的科研成果快速地进行成果转化。

（3）科研方面，应努力发展一批具有世界领先水平的科学成果与技术成果，适应社会的发展，找准自身的定位，集中精力解决一些国家发展遇到的关键性技术，比如新型材料与结构的激光器、探测器，适合未来物联网需求的激光传感技术。同时科研机构需要积极地为国家的发展建言献策，与行业之间做好交流与合作，努力培养国家未来的高科技人才，为普通老百姓做好科普宣传工作。

（4）公众方面，鼓励充分利用国家与社会提供的良好的学习与教育机会，提升自己的科学素养，营造一个良好的科技兴国的社会氛围。

5.4可见光通信方面

安全无疑是我们首要考虑的问题，随着白光LED的普及，人们开始关注白光LED对人眼是否安全。蓝光激发型荧光LED光谱中，含有大量蓝光成分。已有实验证实，大量不规则高能短波蓝光引起视网膜黄斑萎缩，进而引起视力严重衰退。因此，荧光型白光LED是否会导致人眼黄斑病变率的提高，是人们关注的热点。不过，随着新型电致白光LED材料的成熟，在保护眼睛的同时，也会给可见光通信技术带来机遇，例如：更宽的带宽，更便捷可靠的调制方式。

此外用户习惯培养也是需要考虑的问题。目前可见光通信技术仍然停留在实验室成果阶段，离进入应用，可能还有相当长一段路要走。而可见光通信最终能否被用户接受，成为人们日常生活的一部分，还是取决于它能不能扬长避短，和手机拍照、家用照明、汽车大灯天然结合，以及人们无限的想象力：汽车间依靠LED车灯来“对话”；飞机乘客利用头顶LED阅读灯上网；超清网络电视通过氛围灯联网；在大型购物中心里由环境灯导航，去想去的地方……

5.5激光技术发展方面

未来几十年是激光技术发展最关键的时期，我国激光技术发展面临着重要历史机遇，在跻身世界显示强国的过程中面对激烈的国际竞争，仍有严峻的挑战。我国激光器水平与国外激光器水平的总体差距较大，激光器在输出功率、不同频率的输出能量、光束质量、覆盖波长等指标还有较大提升的空间，国内激光器的研制状况呈现良莠不齐的状态，激光产品化能力不足，高端的激光加工成套装备几乎全部依赖进口。面对未来人们对激光技术提高生产力、改善生活水平的巨大需求，我国急需针对激光产业发展的共性关键技术问题，引导企业、高校、科研院所共同参，推动协同创新，实现共性关键技术突破，建立创新的、国际化的开放性公共研发平台，打破国内高端激光装备几乎全部依赖进口的局面。

5.6柔性印刷电子材料方面

为推动我国柔性印刷电子科技发展，我们应贯彻落实创新驱动发展战略，以增强柔性印刷电子产业技术自主创新能力为目标，以制造业跨越发展的重大需求为导向，以集成优化产业技术创新资源配置为基础，以密切产学研合作机制为重要手段，充分发挥科研院所、企业、高校，特别是中科院院所技术创新资源的作用，打造贯穿产业链的产学研用创新平台，有效提升我国柔性印刷电子产业创新能力。培养一批技术创新领军人才，攻克一批制约行业发展的技术瓶颈，建设一批产业共性基础技术的应用研发基地，为实现中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变，完成2049年中国将跻身世界科技强国前列这一宏伟目标。

第一，把握好产业实际需求和全球技术发展趋势的关系。

在柔性印刷电子产业领域，我国与世界先进水平还处在同一水平线上，这就需要综合考虑长、短期发展目标，一方面在先进技术上适当进行超前布局，踏准科技进步节奏，突破国际专利壁垒和知识产权封锁；另一方面，也要基于国内产业发展的实际需求，集合上下游力量开发共性技术，以推动产业链的整体发展。如建立国产印刷电子装备应用示范基地，通过设备和工艺的协同创新，为推进设备的大生产应用起到了关键作用。

第二，把握好研发平台与企业、高校院所的关系。

在一些重大技术领域，我国科研力量还相对薄弱，因此柔性印刷电子研发平台必须集聚各方力量。在技术创新过程中，研发平台、企业内部研发机构、高校或科研院所这三者，理论上有很明确的分工；但实际情况中，昂贵的研发设施往往需要巨大的投入，而相关人才却很稀缺，因此，研发平台的建设需要与高校、特别是企业形成研发设备开放共享机制，研发平台重点配置企业等尚不具备的高端关键设备和必要的研发设施。在人才方面，三方也要建立相互间合理的流动机制，研发平台要对企业、高校及院所开放，吸引各路人才前来工作，并通过多方联合培养机制加快形成兼具国际化视野和产业经验的技术队伍。

第三，把握好培育创新能力和市场化运作的关系。

以市场化的运作机制加快成果转化，并形成可持续发展能力。而培育创新能力，要求获得长期持续的投入，不断形成和产生有突出价值的创新成果，完善市场化机制，加快应用和转化的速度，在服务战略性新兴产业的同时，形成良性循环的可持续发展态势。促进形成高效的技术成果产业化和转移机制。打通基础研究、应用开发和产业化链条，实现创新成果的快速转化和产业化，促进科技与经济结合。

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本文引用格式：陈弘达.电子信息材料[J]. 新型工业化，2015，5（11）：34-70.