突破核心技术 赋能显示产业

杜月娇

显示产业是产值数千亿美元的大产业，与半导体一样，被视为体现国家核心竞争力的产业。在多年的发展下，我国显示产业规模于2020年已经达到世界第一。但这一成绩背后仍面临着一系列技术困境，材料问题便是其中的主要痛点之一。

显示技术特别是在薄膜晶体管（Thin-Film Transistor，TFT）技术领域，核心生产设备几乎依赖进口，核心材料如靶材、电子气体、光刻胶等对国外的依赖度也在90%以上。这种“大而不强”的局面极大制约了我国新型显示领域的产业安全。因此，突破TFT的迁移率和稳定性瓶颈，实现核心材料和器件结构的源头创新，打通TFT技术领域“源头创新—工程技术—产业应用”的循环对我国新型显示产业发展具有非常重要的战略意义。

大国博弈，是核心科研技术的博弈。在半导体材料与器件、柔性电子的研究中砥砺前行20余载，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室研究员兰林锋积累了丰富的理论基础与材料设计经验。为进一步探索新型氧化物半导体材料及器件在OLED显示、柔性显示、透明显示及印刷显示中的应用，他与研究团队突破领域局限，做出了一系列落地生根的科研成果，为我国显示产业突破现实困境作出了积极贡献。

结缘物理，面向国家所需

判天地之美，析万物之理。从小，兰林锋就在数学、物理方面展现出极大的天赋。高中时期，兰林锋就曾参加全国物理竞赛，并获得了福建省第十名的好成绩。高中毕业后，他顺利考入华南理工大学物理科学与技术学院光电信息与应用专业，并在此开始了自己的科研逐梦之旅。

21世纪初，计算机产业在世界范围内发展迅速。因此，本科阶段的兰林锋除却在光电信息与应用专业进行系统学习，还另外辅修了计算机专业。通过对当时的社会环境进行剖析及对相关学术资料进行查询，兰林锋了解到：材料是国民工业的核心需求，掌握材料就是掌握未来。因此，在本科毕业后保送研究生时，他毅然决然选择了材料物理与化学专业进行攻读。

“来这里不单是学习，更要干出一番成果来。”时至今日，研究生导师彭俊彪教授的谆谆嘱咐仍不时在兰林锋的脑海中回响。当时，他听了这些话，便意识到自己不能停留在过去仅限“理解课本知识”的状态，而是要进一步理论结合实践，做出有实际应用价值的创新成果来。从本科到博士，兰林锋在华南理工大学度过了自己科研生涯的关键成长时期，并最终于2010年7月获得材料物理与化学专业博士学位。毕业后，他由于在AMOLED显示方面的突出成绩获得留校资格，之后任职于华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，在这里继续自己的科研创新征程。

探索创新，

成功制备柔性氧化物材料

近些年来，随着显示屏幕往更大尺寸、更高解析度、更低能耗等方向不断发展，对TFT的电流驱动能力的要求也越来越高。氧化物半导体材料因其载流子迁移率高、制备温度低、电学均匀性好、对可见光透明和成本低等优势，被认为是最适合驱动有机发光二极管的TFT有源材料之一，在显示驱动、三维集成电路、存储器、大功率器件、柔性电子、阵列传感器等方面展现了广阔的应用前景。其中，TFT在显示中的应用最广泛。

事实上，早在2008年，博士时期的兰林锋就开始进行氧化物（基于ZnO）TFT的研究。当时国内很少人研究氧化物TFT，所以没有公司提供掺杂氧化物的靶材，在做靶材方面需要费尽周折。但兰林锋还是和研究团队突破重重困难，在实验中发现了稀土离子与氧空位电子的温度互补偿效应，据此发明了稀土掺杂的氧化物半导体材料体系Ln-IZO，解决了氧化物TFT在光热及偏压下面临的阈值电压严重漂移问题，打通了TFT阵列制备工艺，制备出国内首块氧化物TFT阵列基板。在此之后，他又继续相关研究并参与筹建广州新视界光电科技有限公司，开始在科研与市场中向更深处迈进。

长期以来，TFT的绝缘层介电材料（如SiO2、SiNx等）通常采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备，用干法刻蚀图形化。PECVD是传统的非晶硅（a-Si：H）TFT产线中最昂贵的真空设备之一，而且要用到易燃、易爆、有毒特种气体，管控复杂。此外，PECVD制备介电层时需要较高的温度，与大多透明塑料衬底的低耐温性不兼容。另外，由于氧化物半导体属于离子化合物，而SiO2和SiNx属于共价化合物，它们之间的界面接触较差，影响器件性能。

为了攻克这一问题，兰林锋和研究团队通过一系列探索，成功发展了一种可弯曲的高k介电薄膜（AlOx：Nd）及其室温电化学制备技术，实现了低成本和高性能的全溅射制备的柔性氧化物TFT，无需PECVD和干法刻蚀，具有巨大成本优势。在此之后，他们又成功研制出了氧自由基辅助的新型低温氧化物电子墨水，并提出了一种氧化物TFT通用的“溶剂印刷”技术，解决了氧化物TFT叠层、跨线、跨不同表面印刷时墨滴流变行为差异问题，在国际上首次实现了全印刷的氧化物TFT阵列，并首次实现了基于印刷氧化物TFT的AMQLED字符显示。而印刷氧化物TFT的稳定性则意味着其朝平板显示实际应用迈出了重要一步。

产业应用，将研究造福社会

学以致用，研以致远。“能把理论研究成果最终付诸应用，是我终生奋斗的目标。”兰林锋说。但他深知：实验室所研发出来的科研成果，和产线上所生产的东西是截然不同的。在这样一个知识爆炸，各学科之间联系愈加紧密的时代，生产线上发生任何微小的改变，都会牵一发而动全身。“所以我们一直致力于让材料性能满足相关要求的同时，让产线的改动变得越来越少。”兰林锋说。

自2005年，兰林锋开始从事半导体材料与器件、柔性电子领域的研究。至今，他已和研究团队在这一领域前行十几载。从零开始进行科研攻关，最开始摆在兰林锋及其科研团队面前的是近百个科研问题，而越到后边他们所面临的问题也会愈加艰难。十几年来，他们突破重重阻碍，一直在进行相关技术的研发工作。“将研究成果成功应用到三维集成电路领域，使中国在相关技术方面不再受制于人”便是支撑他们砥砺前行的最大信念。

宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。在研究中，兰林锋和团队研究成功发现了四价稀土离子在氧化物半导体中的电荷转移跃迁效应及其对光热稳定性的改善作用，并据此开发出高迁移率、高稳定性的Pr4+/Tb4+掺杂的氧化物半导体材料（Ln-Oxide）。根据产业实践，Ln-Oxide成功实现了驱动AMOLED显示、透明显示和柔性显示。在科研成果的支撑下，近期TCL华星光电还成功推出了基于Ln-Oxide的14“FHD Notebook”，而这也是其产业应用的全新突破。除此之外，Ln-Oxide还在三维DRAM存储器也展现出了极大应用前景。

伴随着中国大陆显示产业的崛起，全球显示产业竞争格局正在发生改变。目前，中国已经跃升成为全球最大的液晶面板生产地，并持续跟进OLED、Micro LED、激光显示等新型显示技术。

在这一背景下，兰林锋及其科研团队深感使命在肩。在国家优秀青年科学基金项目的支撑下，现如今他和研究团队正在步履不停，开展用于可拉伸显示的可拉伸TFT关键材料和器件研究，从TFT的结构组成出发，利用前期的工作基础，分别研发柔性可拉伸电极、半导体和绝缘层材料，结合印刷制备技术，实现可以驱动有机发光二极管显示（OLED）的可拉伸印刷TFT陣列，为可拉伸显示的驱动技术探索出一条有效路径。

科技的发展瞬息万变，但始终不变的是兰林锋心中的科研蓝图。“未来，我们的终极目标就是做成像衣服一样，不受任何表面限制、不受任何应力拉伸限制的可穿戴材料，并将其在产业中进行应用。”兰林锋说。以梦为马，他和研究团队还将继续扎根在我国显示产业领域，披荆斩棘、创新前行。

（责编：张闻）