電子信息材料

陳弘達(dá)（中科院半導(dǎo)體所，北京 100083）

電子信息材料

陳弘達(dá)
（中科院半導(dǎo)體所，北京 100083）

1　前言

進(jìn)入21世紀(jì)，整個(gè)世界正飛速地經(jīng)歷著前所未有的關(guān)鍵性歷史轉(zhuǎn)折。在度過了農(nóng)業(yè)革命、工業(yè)革命之后，人類也迎來信息革命和知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代。2049年是新中國(guó)100年華誕，可以毫不夸張的說，那時(shí)的中國(guó)已列入發(fā)達(dá)國(guó)家行列，我們的科學(xué)技術(shù)將躋身科技強(qiáng)國(guó)的前列，電子信息材料產(chǎn)業(yè)也將得到穩(wěn)步、健康的發(fā)展。

未來幾十年，隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展以及人類生活水平的不斷提高，實(shí)現(xiàn)人與信息的有效融合從而加速社會(huì)信息化是科技的一大發(fā)展趨勢(shì)。微納電子進(jìn)入后摩爾時(shí)代，集成電路不斷向縱深發(fā)展，對(duì)支撐其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的材料也將提出更高的要求；計(jì)算機(jī)正面臨體系結(jié)構(gòu)的變遷，存儲(chǔ)架構(gòu)發(fā)生變革，類腦存儲(chǔ)技術(shù)將應(yīng)運(yùn)而生。與此同時(shí)，更加智能的、便攜式的、柔性的、環(huán)保節(jié)能的、可穿戴的或可植入人體的電子產(chǎn)品也將逐漸融入人們的生活。新系統(tǒng)、新算法、新材料，以及互連網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云存儲(chǔ)/計(jì)算等一系列新技術(shù)將使人類生活發(fā)生翻天覆地的變化。

可以想象，以“類腦”技術(shù)為核心，以傳感技術(shù)、物聯(lián)技術(shù)、通訊技術(shù)、能源技術(shù)、顯示技術(shù)、全息技術(shù)、可穿戴技術(shù)以及精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)等為觸角，2049年的人們可以在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)進(jìn)行即時(shí)的通信、交流、辦公、管理、決策。家中的玻璃、鏡面、墻面、臺(tái)面等任何位置都會(huì)是信息操作與處理的平臺(tái)。身在2049年的我們也都將擁有自己的芯片，就像現(xiàn)在的身份證一樣。揮揮手就能自動(dòng)鎖門，搖搖頭就能駕駛車輛，握握手就能傳送文件，甚至毫不費(fèi)力地追蹤罪犯、定位逃犯，尋找目擊證人和失蹤人員。在金融領(lǐng)域，芯片一刷，就可以輕松支付，如果將個(gè)人數(shù)據(jù)，如護(hù)照信息等裝在里面，旅行也將會(huì)變得更加簡(jiǎn)便。

隨著電子信息材料科技的發(fā)展，2049，未來的中國(guó)，未來的世界，將是多么令人向往和憧憬?。?/p>

2　今天的電子信息材料

所謂電子信息材料是指在微電子、光電子、新型元器件等基礎(chǔ)電子信息產(chǎn)業(yè)中所使用的，能滿足電子信息產(chǎn)業(yè)專門要求的一定規(guī)格的材料。它是電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支柱，同時(shí)也是隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的一個(gè)重要分支。目前，電子信息材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模和技術(shù)水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要戰(zhàn)略地位。特別是隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對(duì)新材料需求的增加，電子信息材料以每年20%至30%的速度增長(zhǎng)。

電子信息材料品種多，用途廣，涉及面寬，主要包括以單晶硅為代表的微電子材料；用于信息探測(cè)和傳輸?shù)耐ㄐ?、傳感材料；以磁存?chǔ)和光盤存儲(chǔ)為主的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)材料；及以激光材料、柔性顯示材料為代表的光電子材料等。這些基礎(chǔ)材料及其產(chǎn)品支撐著通信、計(jì)算機(jī)、信息家電與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.1微電子材料

1947年12月23日美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain發(fā)明了晶體管，標(biāo)志著人類進(jìn)入固體電子學(xué)時(shí)代。1958年9月12日美國(guó)德州儀器公司的Jack Kibby在鍺襯底上將一個(gè)晶體管和其它元件集合在一起制造出第一塊集成電路；1959年1月，美國(guó)仙童公司的Robert Nocye提出在硅芯片上集成幾百個(gè)乃至成千上萬(wàn)個(gè)晶體管的想法，并在同年7月付諸實(shí)施。在今天看來，第一個(gè)晶體管和第一塊集成電路就像兩只“丑小鴨”，然而正是蘊(yùn)含在它們背后的革命性思想奠定了微電子工業(yè)的基礎(chǔ)，開啟了人類進(jìn)入信息技術(shù)時(shí)代的大門。也正因?yàn)槿绱耍鲜鰞身?xiàng)劃時(shí)代的發(fā)明分別在1956年和2000年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1965年，Intel（英特爾）公司創(chuàng)始人之一Gordon Moore（戈登·摩爾）在《電子學(xué)雜志》（Electronics Magazine）撰文預(yù)言“半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍”，這被稱為摩爾定律。后來，被微電子工業(yè)界普遍認(rèn)可的摩爾定律表述為：“當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍”。在過去的近半個(gè)世紀(jì)中，微電子工業(yè)就是按上述摩爾定律快速發(fā)展的。得益于此，電子設(shè)備不斷沿著速度更快、體積更小、價(jià)格更便宜和功能更完善的方向發(fā)展。目前，計(jì)算機(jī)已成為人們不可或缺的工具，而手機(jī)僅在我國(guó)的用戶數(shù)就已超過6億。毫無疑問，人類已經(jīng)處于高度信息化的時(shí)代。從材料的角度來說，漫長(zhǎng)的人類社會(huì)已經(jīng)歷了石器時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代和鋼鐵時(shí)代，而今天的信息社會(huì)則是對(duì)應(yīng)著“硅時(shí)代”。這是由于從上世紀(jì)五十年代開始，單晶硅作為基礎(chǔ)材料一直支撐著微電子工業(yè)的快速發(fā)展。在今后的幾十年中，以硅為代表的微電子材料仍將作為信息社會(huì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，發(fā)揮不可替代的作用。

2.1.1微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

圖2-1以計(jì)算機(jī)微處理器為例展示了微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷程。1958年集成電路的發(fā)明使微電子產(chǎn)業(yè)開始了飛速發(fā)展的歷程。1966年美國(guó)RCA公司研制出CMOS集成電路，并研制出第一塊門陣列，為集成電路的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有里程碑意義。1970年1Kb MOS存儲(chǔ)器芯片誕生，標(biāo)志著集成電路進(jìn)入大規(guī)模集成的時(shí)代。1971年Intel公司推出第一個(gè)采用MOS工藝的微處理器4004，這又是一個(gè)里程碑式的進(jìn)展。MOS集成電路很快從小規(guī)模發(fā)展到中規(guī)模、大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路。到1995年研制出1Gb DRAM，短短25年集成電路的集成度提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖2-1　以計(jì)算機(jī)微處理器為例的集成電路的發(fā)展歷程

2003年Intel公司推出奔騰4E系列微處理器，使集成電路進(jìn)入了亞微米時(shí)代。2007年基于全新45 nm high-k工藝的Intel酷睿2 E7/E8/E9上市。2009年Intel酷睿i系列創(chuàng)紀(jì)錄地采用了領(lǐng)先的32 nm工藝。2012年Intel公司宣布了22 nm 3-D三柵晶體管（FinFET）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了歷史性的技術(shù)突破。2014年Intel公司又發(fā)布了基于14 nm工藝的微處理器。在器件特征線寬不斷減小的同時(shí)，計(jì)算機(jī)微處理器的集成度在不斷提高，表現(xiàn)為晶體管的數(shù)目幾乎每?jī)赡攴环鐖D2-2所示?？梢哉f，集成電路的發(fā)展速度是其它任何產(chǎn)業(yè)都無法比擬的。

圖2-2微處理器的晶體管數(shù)目隨年份所呈現(xiàn)的幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)

以集成電路為代表的微電子產(chǎn)業(yè)在2014年的經(jīng)濟(jì)規(guī)模已經(jīng)超過3500億美元，成為世界第一大高科技產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)了個(gè)人電腦、互連網(wǎng)、智能手機(jī)和社交網(wǎng)絡(luò)的普及。微電子產(chǎn)業(yè)近50年的高速發(fā)展極大地改變了人類的生產(chǎn)和生活方式?？梢院敛豢鋸埖卣f，從各種民用工業(yè)到軍事工業(yè)，從發(fā)展中國(guó)家到發(fā)達(dá)國(guó)家人民的生活，乃至全球經(jīng)濟(jì)，無不與微電子產(chǎn)業(yè)緊密地聯(lián)系在一起了。

2.1.2單晶硅材料的發(fā)展

推動(dòng)微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本因素之一是單晶硅材料的不斷發(fā)展。1950年貝爾實(shí)驗(yàn)室的Teal和Little利用Czochralski法（直拉法）生長(zhǎng)了硅單晶，1952年貝爾實(shí)驗(yàn)室和西門子公司幾乎同時(shí)發(fā)明垂直區(qū)熔法生長(zhǎng)硅單晶。由于直拉硅單晶中含有氧雜質(zhì)而具有高機(jī)械強(qiáng)度和內(nèi)吸雜（吸除金屬沾污）的功能，因此用于集成電路制造的硅單晶都是采用直拉法生長(zhǎng)的。此外，相比于區(qū)熔法，直拉法更容易生長(zhǎng)大直徑硅單晶。事實(shí)上，在上世紀(jì)50年代的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們無法得到無位錯(cuò)的直拉硅單晶，這是由于籽晶中存在的位錯(cuò)會(huì)延伸到后續(xù)生長(zhǎng)的硅晶體中。直到1958年，美國(guó)通用電氣公司的W.C.Dash創(chuàng)造性地提出“縮頸”工藝，即：在引晶后，將晶體的直徑縮小到2mm左右，然后逐漸放肩使硅晶體長(zhǎng)大，由此得到了第一根無位錯(cuò)硅單晶。十年后，Dash縮頸工藝開始在直拉法生長(zhǎng)的硅單晶中被廣泛采用，直到現(xiàn)在這個(gè)工藝仍然是生長(zhǎng)無位錯(cuò)單晶硅的標(biāo)準(zhǔn)工藝。毫無疑問，Dash縮頸工藝為生產(chǎn)集成電路用硅單晶奠定了基礎(chǔ)。

集成電路特征線寬的不斷減小帶來芯片上晶體管集成度的不斷提高，單個(gè)芯片的面積隨之增大（其增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)小于晶體管數(shù)目的增長(zhǎng)速度）。一般而言，單一硅片上的芯片數(shù)目不小于1000時(shí)才會(huì)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，伴隨著集成電路特征線寬的不斷減小，硅片的直徑越來越大：從20世紀(jì)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，國(guó)際上已有領(lǐng)先的硅片制造商研發(fā)出450mm硅片，但有待集成電路制造的可行性驗(yàn)證。當(dāng)集成電路的特征線寬分別達(dá)到0.35μm和130nm節(jié)點(diǎn)以后，微電子工業(yè)隨之進(jìn)入200mm和300mm硅片時(shí)代。相應(yīng)地，對(duì)硅片質(zhì)量的要求幾乎有了根本性的變化，表現(xiàn)為：在晶體質(zhì)量上，除了傳統(tǒng)上對(duì)氧和碳的濃度、電阻率均勻性、位錯(cuò)密度和氧化誘生層錯(cuò)密度等有嚴(yán)格要求以外，新增了控制空洞型缺陷——晶體原生顆粒（COP）的要求；在幾何參數(shù)上，為了滿足越來越小的特征線寬所要求的光刻精度，對(duì)硅片的全局和局部平整度等幾何參數(shù)的要求不斷提高。除此之外，新增了硅片拋光表面納米形貌（nano-topography）的要求（即：在若干平方毫米范圍內(nèi)的變化不超過20nm，如20nm@2×2mm2）以及微粗糙度（microroughness，在微米尺度內(nèi)亞納米級(jí)別的變化）的要求；在硅片潔凈度上，可容忍的顆粒尺寸和數(shù)目更小、金屬沾污的水平控制在1010cm-2乃至108cm-2以下；在硅片服役過程中的表現(xiàn)上，要求硅片具有更好的內(nèi)吸雜（吸除金屬沾污）的能力。因此，集成電路對(duì)200mm和300mm硅片生產(chǎn)所涉及的晶體生長(zhǎng)、硅片加工、硅片清洗以及硅片熱處理等諸方面都提出了近乎嚴(yán)苛的要求。也因此，200mm和300mm硅片是名副其實(shí)的高技術(shù)產(chǎn)品。目前，日本的硅片制造商（Shin-Etsu和SUMCO等）在這兩大類硅片上占據(jù)的市場(chǎng)份額在60%以上，余下的份額主要由德國(guó)的Wacker Sitronic、美國(guó)的SunEdison和韓國(guó)的LGSiltron等公司占有，300mm硅片更是幾乎被上述5家公司壟斷。在國(guó)家科技重大專項(xiàng)的支持下，我國(guó)的若干廠家已開始批量生產(chǎn)200mm硅片，但要成為市場(chǎng)上的重要參與者還需走相當(dāng)長(zhǎng)的路。

進(jìn)入200mm和300mm硅片時(shí)代，基于普通的無位錯(cuò)生長(zhǎng)工藝所制造的硅片幾乎難以滿足180nm節(jié)點(diǎn)以后的集成電路的要求。因此，業(yè)界從晶體生長(zhǎng)和缺陷工程出發(fā)開發(fā)了如下所述的多種高性能硅片，如：低COP（Low COP）硅片和無COP（COP-free）硅片；退火硅片（Annealed wafer）；摻氮硅片（Nitrogen-doped wafer）；魔幻潔凈區(qū)（magic denuded zone，MDZ?）硅片等。總之，為了應(yīng)對(duì)集成電路特征線寬不斷減小帶來的挑戰(zhàn)，200 mm硅片尤其是300 mm硅片的制造理念與小尺寸硅片的相比發(fā)生了顯著的變化。

2.1.3絕緣體上硅（Silicon-on-insulator，SOI）的發(fā)展現(xiàn)狀

目前絕大部分CMOS集成電路是采用厚度為700-800 μm的硅片制造的，但實(shí)際上晶體管的工作區(qū)域只占表面微米左右的區(qū)域。硅片的其它部分只是起到機(jī)械支撐的作用，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生對(duì)器件的干擾寄生作用。SOI材料指的是在絕緣體上生長(zhǎng)的單晶硅薄膜，其厚度在十納米到幾個(gè)微米之間，這里的絕緣體通常是指硅上生長(zhǎng)的二氧化硅薄膜。在SOI上制造CMOS器件，顯示出如下優(yōu)點(diǎn)：①由于寄生電容的減小，SOI器件的運(yùn)行速度與體硅器件相比提高了20-35%；②由于漏電流的減小，SOI器件的功耗與體硅器件相比減小35-70%；③沒有閂鎖效應(yīng)；④襯底脈沖電流的干擾被抑制，軟錯(cuò)誤發(fā)生率低；⑤與現(xiàn)有硅工藝兼容，可減少13-20%的工序。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，全球SOI市場(chǎng)保持持續(xù)向上增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，年復(fù)合增長(zhǎng)率超過40%。利用SOI材料制備的芯片已經(jīng)用于服務(wù)器、微處理器、打印設(shè)備、游戲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備以及諸如手表和汽車電子這樣的超低功耗場(chǎng)合。近年來，各種移動(dòng)智能終端如智能手機(jī)和平板電腦有力地推動(dòng)了射頻（RF）芯片的巨大市場(chǎng)需求，進(jìn)一步為SOI材料提供了廣闊的市場(chǎng)。IBM，STMicro和Tower Jazz等廠商提供RF SOI代工業(yè)務(wù)，代工業(yè)巨頭TSMC和UMC更是躍躍欲試，欲在RF芯片代工領(lǐng)域一展身手，搶下更多的市場(chǎng)份額。全球已有接近三分之二的RF開關(guān)芯片采用SOI材料制造。Yole預(yù)計(jì)到2016年80%的手機(jī)開關(guān)芯片將采用SOI硅片。

目前，CMOS集成電路主要采用體硅和SOI材料制造，前者以Intel為代表，通過采用FinFET，已經(jīng)將體硅工藝延續(xù)至14nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，并且有希望繼續(xù)延續(xù)至7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)；后者以IBM、Globalfoundries以及STMicro等為代表。在面向22nm及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)的FD（全耗盡）-SOI技術(shù)中，F(xiàn)D平面MOSFET得到了廣泛的應(yīng)用。與體硅FinFET技術(shù)相比，F(xiàn)D-SOI技術(shù)由于功耗顯著降低、與硅平面工藝更兼容、成本效益更高而成為RF等應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)選方案。例如，22nm FD-SOI具有28nm High-k/ metal gate工藝類似的成本，但功耗降低70%，面積縮小20%。目前，28nm/22nm FD-SOI產(chǎn)業(yè)鏈的全球生態(tài)系統(tǒng)正在完善，從SOI材料、Foundry工藝、IP以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)都有業(yè)界頂級(jí)公司（如：意法半導(dǎo)體、Globalfoundries、芯源、Imagination、Synopsys等）參與。不過，SOI材料能否在可預(yù)見的將來成為集成電路用的首選基礎(chǔ)材料，還是取決于其在材料到器件全鏈條的制造成本上能否徹底勝出體硅材料。

2.1.4應(yīng)變硅的興起

隨著CMOS器件尺寸的不斷縮小，短溝道帶來的二級(jí)效應(yīng)逐漸顯著，由此導(dǎo)致器件的驅(qū)動(dòng)電流隨尺寸縮小而提高的程度并沒有理論預(yù)測(cè)的那樣大。為改變這種局面，需要提高M(jìn)OS晶體管溝道的載流子遷移率。通過引入應(yīng)變來改變溝道的能帶結(jié)構(gòu)，從而提高載流子的遷移率是一種行之有效的方法。雖然可以采用虛擬SiGe襯底技術(shù)制備出全局應(yīng)變硅片，但在集成電路制造中更多地是采用局部應(yīng)變硅。從90 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)開始，在MOS晶體管溝道中引入應(yīng)變，使用氮化硅層在nMOS晶體管中引入單軸張應(yīng)變；在pMOS晶體管中利用SiGe源漏與Si溝道的晶格失配來引入單軸壓應(yīng)變；通過上述應(yīng)變技術(shù)實(shí)現(xiàn)了nMOS與pMOS晶體管工作電流的顯著提升，分別達(dá)到了1.45 mA/μm-1和0.8 mA/μm-1。在65 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，通過第二代應(yīng)變技術(shù)引入更大的應(yīng)力，分別使pMOS與nMOS晶體管中的應(yīng)變提高了60%與80%，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更大的工作電流。

如圖2-3所示，隨著器件特征線寬的不斷減小，必須引入新技術(shù)才能使晶體管的工作電流不斷提升。從Intel公司的90 nm至32 nm工藝節(jié)點(diǎn)的晶體管來看，結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生大的變化，甚至溝道長(zhǎng)度也只有略微的減小，其技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在應(yīng)變工藝以及High-k/金屬柵工藝的改進(jìn)。自90 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以后，應(yīng)力技術(shù)對(duì)工作電流的貢獻(xiàn)顯著增大。在45nm和32nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力技術(shù)對(duì)工作電流的貢獻(xiàn)都明顯大于高k/金屬柵極技術(shù)的。其中，在32 nm節(jié)點(diǎn)，單軸壓應(yīng)變使pMOS晶體管的空穴遷移率提升了2.5倍?？梢哉f，應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展是硅基CMOS晶體管的特征尺寸得以持續(xù)縮小的重要保證。在22 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，源漏尺寸的進(jìn)一步縮小要求應(yīng)變技術(shù)發(fā)生新的變化，即：在3-D FinFET晶體管中SiGe源漏用來在pMOS晶體管中引入壓應(yīng)變，相應(yīng)的Si：C源漏則用來在nMOS晶體管中引入張應(yīng)變。

利用SOI硅片可以制備全局應(yīng)變硅（Strained silicon on SOI，sSOI），它的制備方法有兩種：①先通過Smart Cut等SOI技術(shù)在絕緣層上生長(zhǎng)弛豫SiGe層（SiGeOnInsulator，SGOI），再在弛豫的SiGe上生長(zhǎng)晶體硅薄層。顯然，頂層的硅薄層中存在著張應(yīng)變。通過調(diào)整SiGe的組分，可以調(diào)節(jié)頂硅層的應(yīng)變。②先在硅片上外延組分漸變的SiGe層，再外延一層固定組分的馳豫SiGe層，最后外延一層應(yīng)變Si層。將這一外延片作為源片，通過Smart Cut技術(shù)，就可以直接在絕緣層上僅保留應(yīng)變硅層，而無馳豫的SiGe中間層。2006年7月，法國(guó)SOITEC公司宣布其應(yīng)用于65nm節(jié)點(diǎn)以下的sSOI已上市，并成為業(yè)界首款量產(chǎn)的應(yīng)變硅襯底。sSOI可用于制備網(wǎng)絡(luò)處理、運(yùn)算、游戲及無線等產(chǎn)業(yè)所需的器件，對(duì)這些器件來說，速度與極低的功耗顯得十分重要。

圖2-3　MOS晶體管的工作電流隨各種新技術(shù)的引入而增長(zhǎng)的情況

2.2存儲(chǔ)器材料

存儲(chǔ)技術(shù)是計(jì)算機(jī)體系中最重要的技術(shù)之一，與計(jì)算技術(shù)和傳輸技術(shù)共同構(gòu)成了數(shù)字世界的基石。在摩爾定律的推動(dòng)下，計(jì)算機(jī)處理器的性能穩(wěn)步快速提升，在1975年至2005年的30年間，處理器主頻提升了近4000倍，并向高集成度的多核技術(shù)發(fā)展，相比之下，存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展則要慢得多。由于存儲(chǔ)性能始終是計(jì)算機(jī)發(fā)展的瓶頸，從某種意義上講，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展又是圍繞著存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而逐步推進(jìn)。存儲(chǔ)領(lǐng)域的每一次技術(shù)突破都帶來了數(shù)字世界的重大革新，也改變著人們的生活。

2.2.1存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展

1956年IBM公司制作出世界上第一塊硬盤（HDD），大幅提升了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問速度，數(shù)據(jù)的復(fù)制也變得極為便捷迅速，從而解除了計(jì)算機(jī)軟件規(guī)模的桎梏。大半個(gè)世紀(jì)過去了，硬盤仍然穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)著主要存儲(chǔ)介質(zhì)的地位。同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)（SDRAM）技術(shù)在計(jì)算機(jī)主存中的應(yīng)用出現(xiàn)于上世紀(jì)90年代中期，單管即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)大幅度提升了主存的容量，軟件運(yùn)行空間的釋放使得圖形界面成為可能，與人的友好交互能力將計(jì)算機(jī)帶入了千家萬(wàn)戶。閃存（FLASH）技術(shù)最早在1984年由東芝公司的Fujio Masuoka發(fā)明。一方面，這種具有較大容量的芯片級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)使得嵌入式系統(tǒng)得以迅速發(fā)展，大量的智能電子設(shè)備出現(xiàn)；另一方面，閃存也一步步替代傳統(tǒng)的軟盤、光盤，2007年，戴爾公司第一次將以閃存為主要存儲(chǔ)介質(zhì)的固態(tài)硬盤（SSD）裝到筆記本電腦中作為產(chǎn)品銷售。高性能低功耗優(yōu)勢(shì)使得固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)在市場(chǎng)中迅速崛起，近年來，高性能低功耗優(yōu)勢(shì)使得固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)在市場(chǎng)中迅速崛起，全固態(tài)盤陣設(shè)備的推廣應(yīng)用和3D NAND量產(chǎn)技術(shù)的成熟加速了大數(shù)據(jù)時(shí)代來臨的步伐。

時(shí)至今日，新的存儲(chǔ)技術(shù)已初見端倪。仍然謹(jǐn)守摩爾定律的Intel公司已于2014年投資啟動(dòng)了10nm晶圓工廠的改造，半導(dǎo)體工藝已經(jīng)全面進(jìn)入了納米尺度范圍。這一技術(shù)的發(fā)展給了納米功能材料以前所未有的機(jī)遇，為納米器件的加工提供了成熟而穩(wěn)定的生產(chǎn)手段。也正因如此，在性能遙遙領(lǐng)先的計(jì)算和傳輸技術(shù)對(duì)高性能存儲(chǔ)的迫切需求推動(dòng)下，以相變存儲(chǔ)（PCRAM）技術(shù)為代表的一系列新型非易失存儲(chǔ)技術(shù)幾乎同時(shí)涌現(xiàn)。與PCRAM類似，憶阻器（ReRAM）、磁存儲(chǔ)器（MRAM、STT-MRAM）等新技術(shù)均以新型納米材料作為存儲(chǔ)介質(zhì)。這些同時(shí)具備高密度和高性能的非易失存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)一步打破了非易失存儲(chǔ)的性能天花板，接近內(nèi)存的數(shù)據(jù)訪問速度和大容量的性能優(yōu)點(diǎn)使得這些技術(shù)必將再一次改變計(jì)算機(jī)體系。2015年英特爾和美光公司宣布3D-Xpoint（3D-PCRAM技術(shù)）的量產(chǎn)標(biāo)志著這一技術(shù)已基本成熟，我們已經(jīng)站在了下一場(chǎng)變革的邊緣。

2.2.2存儲(chǔ)架構(gòu)變革

在最初的intel 8086處理器問世時(shí)，并沒有專門的芯片組概念，CPU與內(nèi)存、IO系統(tǒng)由一個(gè)門列控制芯片連接構(gòu)成主板核心部件。進(jìn)入386時(shí)代后，雙芯片結(jié)構(gòu)的芯片組正式確立，按照它們?cè)谥靼宓牟煌恢茫ǔ０褍蓚€(gè)芯片分別稱作“北橋”和“南橋”。此后很長(zhǎng)一段時(shí)間里，主板一直沿用了這種架構(gòu)，其中靠近CPU的為北橋芯片，主要負(fù)責(zé)AGP顯卡、內(nèi)存等高速設(shè)備與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而慢速的存儲(chǔ)設(shè)備則通過南橋芯片的存儲(chǔ)控制器引出連接。

在這種情況下，存儲(chǔ)體系形成了由SRAM、DRAM、硬盤組成的層級(jí)結(jié)構(gòu)，而從性能上看，這種層級(jí)結(jié)構(gòu)并不理想，最主要缺陷在于DRAM和硬盤之間，不僅存在著納秒級(jí)和毫秒級(jí)響應(yīng)速度性能鴻溝，而且還有著易失和非易失、隨機(jī)訪問和塊訪問的功能性差異。這些差異使得存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)體系中，形成內(nèi)存和外存兩種截然不同的使用方式。

自從2014年，三星、海力士等主流存儲(chǔ)廠商相繼宣布3D NAND量產(chǎn)后，成本的降低使得基于NAND FLASH技術(shù)的固態(tài)盤正式成為存儲(chǔ)界的主力軍。從性能上看，F(xiàn)LASH出現(xiàn)在存儲(chǔ)層級(jí)結(jié)構(gòu)中DRAM和硬盤之間，一舉將非易失存儲(chǔ)陣營(yíng)的響應(yīng)速度從毫秒級(jí)提高到微秒級(jí)，使得南北橋之間的性能鴻溝縮小，層級(jí)結(jié)構(gòu)變得趨向完整。這種性能提升引發(fā)了大量新存儲(chǔ)產(chǎn)品的研發(fā)，非易失存儲(chǔ)設(shè)備開始出現(xiàn)在PCIe gen2/3甚至DDR3這些更為高速的總線上。然而低于十萬(wàn)次的寫擦壽命和塊操作模式仍然成為阻擋FLASH高歌猛進(jìn)的窒礙，各廠商不得不利用各種緩沖及磨損均衡手段去解決產(chǎn)品的性能和可靠性問題。

如果說FLASH技術(shù)的成熟使得存儲(chǔ)體系趨向更為完整，那么以PCRAM為代表的納米存儲(chǔ)技術(shù)的逐步成熟則直接撼動(dòng)了存儲(chǔ)體系的根本，原有的存儲(chǔ)體系正面臨著一場(chǎng)變革，而變革的導(dǎo)火索就是2015年7月底Intel和Micron聯(lián)合宣布神秘的3D Xpoint技術(shù)的量產(chǎn)。納米存儲(chǔ)技術(shù)尚未正式登場(chǎng)就已經(jīng)先聲奪人。3D Xpoint基于相變存儲(chǔ)技術(shù)加相變OTS開關(guān)組成存儲(chǔ)單元，并可實(shí)現(xiàn)3D存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，7月公布了128 Gb試驗(yàn)芯片，速度與壽命是NAND的1000倍，密度是DRAM的10倍，并稱其為1989年NAND閃存問世以來時(shí)隔25年存儲(chǔ)器技術(shù)最大突破。將作為存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存（storage class memory）主流技術(shù)對(duì)未來新一代的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、大型數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生革命性影響。

PCRAM技術(shù)將非易失存儲(chǔ)的響應(yīng)速度進(jìn)一步由FLASH的微秒級(jí)提升到納秒級(jí)，已經(jīng)逼近了DRAM的性能。而同時(shí)具有非易失和隨機(jī)訪問特性使得內(nèi)外存的界限徹底消失，對(duì)于存儲(chǔ)體系來說，南北橋的架構(gòu)已經(jīng)失去存在的意義。這些變化意味著，從硬件體系上看，存在了數(shù)十年的內(nèi)存和存儲(chǔ)兩大陣營(yíng)即將融合，相應(yīng)的，為內(nèi)外存架構(gòu)優(yōu)化的包含內(nèi)存管理和文件系統(tǒng)管理兩個(gè)重要功能的操作系統(tǒng)軟件體系也面臨著重新定義。

2.2.3存儲(chǔ)技術(shù)關(guān)鍵材料

（1）相變存儲(chǔ)器材料

相變存儲(chǔ)器一般指的是基于硫系化合物薄膜的隨機(jī)存儲(chǔ)器。相變存儲(chǔ)器中最為核心的是以硫系化合物為基礎(chǔ)的相變材料?？捎糜诖鎯?chǔ)數(shù)據(jù)的相變材料中至少存在兩種可明顯區(qū)分的固體相結(jié)構(gòu)，通常是非晶相（無序）和結(jié)晶相（有序）兩種相態(tài)。非晶相和晶相兩種狀態(tài)微觀結(jié)構(gòu)上的巨大差異導(dǎo)致其光學(xué)性能電學(xué)性能之間都有非常明顯的差別，于是就可以利用兩種狀態(tài)電學(xué)和光學(xué)性能上的差異來完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。目前，關(guān)于相變材料有兩個(gè)主要的應(yīng)用方向：可擦寫光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)用（CD，DVD，藍(lán)光光盤）和新興的相變存儲(chǔ)技術(shù)。

（2）磁存儲(chǔ)器材料

磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同可以分兩種，一種是磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)型的MRAM（Toggle MRAM），屬于第一代MRAM；第二種是電流驅(qū)動(dòng)型的MRAM（STT-MRAM），屬于第二代MRAM。MRAM的核心存儲(chǔ)單元主要由具有隧穿磁電阻效應(yīng)的磁性隧道結(jié)（MTJ）構(gòu)成。它是由兩層鐵磁層和絕緣勢(shì)壘層構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)，其中一層鐵磁層磁矩被釘扎不易改變方向，稱為參考層，另一層鐵磁層磁矩方向可以通過外磁場(chǎng)或電流較容易改變，稱為自由層，中間為電子可以隧穿通過的1納米量級(jí)厚度的絕緣勢(shì)壘層。當(dāng)兩層鐵磁層的磁矩處于平行或反平行排列時(shí)，隧道結(jié)的電阻不同，這兩種不同的電阻態(tài)可以對(duì)應(yīng)著信息存儲(chǔ)中的“1”和“0”。

（3）鐵電存儲(chǔ)器材料

鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM）是利用一種具有自發(fā)極化的鐵電薄膜材料。該材料中的鐵電疇可以隨電場(chǎng)正、負(fù)極化方向而發(fā)生變化，并且在電場(chǎng)去除之后該極化方向仍然長(zhǎng)時(shí)間得到保存。該正負(fù)兩種不同電疇取向可以作為邏輯單元，非易失性存儲(chǔ)“0”和“1”數(shù)據(jù)。由于鐵電疇反轉(zhuǎn)的矯頑電壓決定了器件的讀寫電壓，且矯頑電壓會(huì)隨著薄膜厚度的降低而幾乎呈等比例地減小，因此該器件具有數(shù)據(jù)讀寫速度快、驅(qū)動(dòng)電壓低和存儲(chǔ)密度高等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，它還有抗輻射等特殊性能，可用于空間和軍事應(yīng)用。在鐵電存儲(chǔ)器的應(yīng)用中，鐵電薄膜材料應(yīng)達(dá)到以下要求：①鐵電薄膜的剩余極化值較大，即存儲(chǔ)器的電路系統(tǒng)可以識(shí)別較小面積的電容中的鐵電疇的極化翻轉(zhuǎn)電流；②鐵電薄膜的介電常數(shù)較低，因?yàn)楦呓殡姵?shù)會(huì)產(chǎn)生較大的線性位移電流，影響極化翻轉(zhuǎn)電流的測(cè)量；③鐵電薄膜極化翻轉(zhuǎn)的矯頑電場(chǎng)越低越好，因?yàn)殍F電存儲(chǔ)器的操作讀寫電壓需要盡量小，以減少能耗；④鐵電薄膜的疲勞特性良好，即鐵電薄膜可以在經(jīng)歷多次讀寫后仍具有穩(wěn)定的剩余極化值；⑤鐵電薄膜的保持特性優(yōu)異，即在存儲(chǔ)信息寫入后能夠長(zhǎng)時(shí)間保持。目前，用于制造鐵電存儲(chǔ)器的典型鐵電無機(jī)材料主要為PbZrxTi1-xO3（PZT），SrBi2Ta2O9（SBT）和（Bi，La）4Ti3O12（BLT）三種。然而與基于傳統(tǒng)硅工藝的閃存（Flash memory）存儲(chǔ)相比，現(xiàn)有的基于PZT、SBT等無機(jī)鐵電材料的鐵電存儲(chǔ)器在高密度存儲(chǔ)領(lǐng)域并未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，原因主要在于其密度難以進(jìn)一步提升。

（4）阻變存儲(chǔ)材料

阻變存儲(chǔ)器（RRAM）是利用金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)中介質(zhì)材料的可逆電致電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。RRAM以其單元尺寸小、器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、功耗低、數(shù)據(jù)保持和耐久力好、微縮性好、與主流CMOS技術(shù)兼容、易于三維集成等優(yōu)點(diǎn)，成為重要的下一代存儲(chǔ)技術(shù)，得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，同時(shí)也引起了國(guó)際大公司和研究機(jī)構(gòu)的青睞。阻變材料是阻變存儲(chǔ)器中最關(guān)鍵的材料。很多材料都具有電阻轉(zhuǎn)變特性，包括二元金屬氧化物、三元鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物、復(fù)雜氧化物、硫系化合物、有機(jī)聚合物等，而且與不同的電極材料進(jìn)行組合會(huì)表現(xiàn)出多種不同的電阻轉(zhuǎn)變機(jī)制。但存儲(chǔ)性能是針對(duì)具體應(yīng)用的多項(xiàng)指標(biāo)的集合，包括數(shù)據(jù)保持時(shí)間、可擦寫次數(shù)、與CMOS的兼容性和制造成本等，因此需要采用性能、制造性和微縮性都滿足要求的材料體系。材料和結(jié)構(gòu)對(duì)器件性能具有顯著地影響，如阻變材料的制備方法及缺陷分布、電極材料類型、電極/阻變層界面等都會(huì)影響器件性能。目前，二元金屬氧化物中HfOx、TaOx被認(rèn)為是最有潛力的阻變材料。

（5）電荷俘獲型存儲(chǔ)器件用高-k氧化物介質(zhì)

自1967年Sze和Kahng發(fā)明浮柵型存儲(chǔ)器以來，浮柵型存儲(chǔ)器逐步發(fā)展為非易失性存儲(chǔ)器市場(chǎng)的主力軍，幾乎所有的閃存均基于浮柵技術(shù)。高密度、低功耗、快速存儲(chǔ)是非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。隨著器件的不斷小型化，浮柵型非易失性存儲(chǔ)器逐漸接近其物理極限。隧穿層氧化物厚度的減小，使得浮柵型存儲(chǔ)器面臨著應(yīng)力誘導(dǎo)泄漏電流（SILC）問題。傳統(tǒng)的浮柵型存儲(chǔ)器采用多晶硅浮柵層。由于多晶硅電荷俘獲層具有良好的導(dǎo)電性，一旦隧穿層中出現(xiàn)一個(gè)缺陷，將導(dǎo)致浮柵存儲(chǔ)層中所有電荷的損失。多晶硅-氧化硅-氮化物-氧化硅-硅襯（SONOS）型存儲(chǔ)器和納米晶存儲(chǔ)器（NCM）是兩種最受關(guān)注的替代傳統(tǒng)浮柵型存儲(chǔ)器的電荷俘獲存儲(chǔ)器。

SONOS型存儲(chǔ)器采用一層富硅氮氧化（SixOyNz）電荷俘獲層替代傳統(tǒng)的浮柵層。相比浮柵型存儲(chǔ)器，SONOS型存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)在于其優(yōu)越的疲勞特性。在SONOS型存儲(chǔ)器中，電荷存儲(chǔ)在Si3N4體內(nèi)分立的缺陷中，因此隧穿氧化物中的單個(gè)缺陷不會(huì)導(dǎo)致所有存儲(chǔ)電荷的流失。此外，與CMOS工藝的兼容，簡(jiǎn)單的制作工藝和低的芯片集成費(fèi)用也是SONOS型存儲(chǔ)器相比于浮柵型存儲(chǔ)器的優(yōu)勢(shì)所在。盡管如此，隨著集成電路技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷推進(jìn)，SONOS型存儲(chǔ)器仍然存在著諸多不足。譬如，部分俘獲的電荷將被存儲(chǔ)在SixOyNz的淺能級(jí)缺陷態(tài)上，這些被淺能級(jí)束縛的電荷會(huì)由于熱激發(fā)等原因而發(fā)生逃逸，嚴(yán)重影響器件的保持性能、電荷存儲(chǔ)能力、以及擦除飽和等，使得SONOS型器件不能滿足非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器持續(xù)發(fā)展的要求。新的改良方案不斷被提出，其中重要的一環(huán)就是高-k氧化物材料的引入。

高-k氧化物用作電荷存儲(chǔ)層介質(zhì)可以采用分立式的納米晶形式進(jìn)行電荷存儲(chǔ)，即高-k納米晶存儲(chǔ)器。這些高-k納米晶主要包括具有高缺陷態(tài)密度的HfO2，CeO2，ZrO2及HfO2等二元氧化物以及TiAl2O5等偽二元氧化物納米晶。高-k納米晶一般是經(jīng)高溫退火從偽二元氧化物薄膜中析出來的。偽二元氧化物是由結(jié)晶溫度不同的兩種材料組成，譬如（ZrO2）x（SiO2）1-x，（HfO2）x（Al2O3）1-x等。當(dāng)退火溫度高于ZrO2或HfO2的結(jié)晶溫度，而低于SiO2或Al2O3的結(jié)晶溫度，ZrO2或HfO2納米晶就會(huì)從薄膜中析出。通過控制退火條件，可以對(duì)納米晶尺寸進(jìn)行有效調(diào)控，從而調(diào)控高-k納米晶存儲(chǔ)器的電荷存儲(chǔ)能力以及其他器件性能。

高-k氧化物用作電荷存儲(chǔ)層介質(zhì)還可以采用基于能帶調(diào)控/界面調(diào)控的疊層型電荷存儲(chǔ)層的形式。由不同高-k氧化物堆疊而成的納米疊層結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的單層電荷存儲(chǔ)層，譬如ZrO2/Al2O3、HfO2/ Al2O3等疊層結(jié)構(gòu)。疊層氧化物可以控制電荷的存儲(chǔ)區(qū)域，并能使電荷在一個(gè)方向隧穿容易，降低操作電壓，同時(shí)反向泄漏困難，從而解決困擾電荷俘獲存儲(chǔ)器的FN編程的電荷保持特性差，而CHE編程存在擦寫循環(huán)耐久性差的問題。

2.3信息材料與技術(shù)

2.3.1傳感器材料

傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)被普遍認(rèn)為是信息技術(shù)的三大支柱。在如今國(guó)家大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+的背景下，5G接入、云存儲(chǔ)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展將為信息技術(shù)提供越來越強(qiáng)大的互聯(lián)接入與計(jì)算處理能力，而作為信息技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)，傳感技術(shù)的高低將直接影響著人類獲取外界各種物理量、化學(xué)量和生物量等自然信息的信息量和信息質(zhì)量。傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的邊沿與“神經(jīng)末梢”，亟待大力地發(fā)展。

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，是傳感器技術(shù)升級(jí)的重要支撐。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，傳感器技術(shù)日臻成熟，其種類越來越多，除了早期使用的半導(dǎo)體材料、陶瓷材料以外，光導(dǎo)纖維以及超導(dǎo)材料的開發(fā)，為傳感器的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。例如，以硅為基體的許多半導(dǎo)體材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化，以及半導(dǎo)體光熱探測(cè)器有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點(diǎn)。在敏感材料中，陶瓷材料、有機(jī)材料發(fā)展很快，可采用不同的配方混合原料，在精密調(diào)配化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，經(jīng)過高精度成型燒結(jié)，得到對(duì)某一種或某幾種氣體具有識(shí)別功能的敏感材料，用于制成新型氣體傳感器。此外，高分子有機(jī)敏感材料，是近幾年人們極為關(guān)注的具有應(yīng)用潛力的新型敏感材料，可制成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等傳感器。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，也促進(jìn)了更新型材料的開發(fā)，如納米材料等。美國(guó)NRC公司已開發(fā)出納米ZrO2氣體傳感器，控制機(jī)動(dòng)車輛尾氣的排放，對(duì)凈化環(huán)境效果很好，應(yīng)用前景比較廣闊。由于采用納米材料制作的傳感器，具有龐大的界面，能提供大量的氣體通道，而且導(dǎo)通電阻很小，有利于傳感器向微型化發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步也將有更多的新型材料誕生。

2.3.2可見光通信

處于信息爆炸時(shí)代的人們，如果沒有網(wǎng)絡(luò)，就如魚兒離開了水一樣。通信已成為生活中的一個(gè)必需品，像衣食住行一樣平常。而隨著移動(dòng)設(shè)備的普及，對(duì)無線通信技術(shù)的要求更是越來越高，高傳輸速率、易接入、高覆蓋率等，無線通信技術(shù)已經(jīng)在人們?nèi)找嫫惹械男枨笾兄饾u完善，進(jìn)入發(fā)展的頂峰。未來人們的生活將逐漸趨于智能化、綠色化，對(duì)無線通信也會(huì)有更高的需求，而可見光通信（Visible Light Communication，VLC）提供了一種全新的生活方式，那就是將照明與通信相結(jié)合，同時(shí)滿足綠色環(huán)保無電磁污染的要求。

可見光通信存在已久，古時(shí)中國(guó)的烽火通信，19世紀(jì)貝爾發(fā)明的光電話，都是利用自然光作為傳輸媒介的一種可見光通信技術(shù)?？梢姽馐侵覆ㄩL(zhǎng)位于380nm和780nm之間的光，也就是頻率為400THz到790THz的電磁波，如圖2-4所示。

可見光通信技術(shù)是指利用發(fā)光二極管發(fā)出肉眼可見的高速明暗閃爍的信號(hào)來傳輸信息的無線光通信技術(shù)。英國(guó)愛丁堡大學(xué)的哈斯教授則于2011年率先提出了Li-Fi的概念，如圖2-5所示，就是VLC技術(shù)的應(yīng)用之一。

可見光通信與光纖通信、激光通信等都屬于光通信。其中光纖通信為有線光通信，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的信號(hào)傳輸方式，如當(dāng)前寬帶電信系統(tǒng)中的光纖入戶（FTTP-Fiber To The Premise）等。激光通信與可見光通信為兩種主要的無線光通信技術(shù)。LED電光響應(yīng)時(shí)間較短，可以通過燈的明和暗來實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，因而可以在照明的同時(shí)實(shí)現(xiàn)無線可見光通信。相比于激光通信，可見光通信可在傳輸信息的同時(shí)能提供照明，并且沒有激光對(duì)人眼的傷害，具有極大的發(fā)展空間。結(jié)合了無線通信和光通信優(yōu)勢(shì)的可見光通信技術(shù)，已經(jīng)在各大高校、科研單位、企業(yè)的研究部門中掀起了一番研究熱潮，成為極具發(fā)展前景的無線通信技術(shù)。

圖2-4　可見光頻譜圖

圖2-5　哈斯教授提出的Li-Fi概念

可見光通信技術(shù)采用可見光作為無線通信的載體，與目前采用微波作為無線通信載體的手機(jī)、WiFi相比，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。概括來說有以下三點(diǎn)：

（1）頻譜資源豐富

頻譜資源是稀缺的緊俏資源。如圖2-6所示，無線通信帶寬的需求量指數(shù)增長(zhǎng)而用于無線通信頻譜資源的增長(zhǎng)卻很緩慢。在中國(guó)，無線頻譜是由政府直接分配給運(yùn)營(yíng)商的，所以很多人對(duì)頻譜資源蘊(yùn)含的巨大價(jià)值很不敏感。而在歐洲很多國(guó)家，運(yùn)營(yíng)商的頻譜資源是通過拍賣獲得的，3G時(shí)代，歐洲的電信運(yùn)營(yíng)商們?cè)陬l段拍賣會(huì)上豪擲千金，頻頻拍出讓人瞠目結(jié)舌的天價(jià)。以德國(guó)電信為例，為了獲得3G頻段10MHz帶寬，出價(jià)77億美元，相當(dāng)于1MHz的信號(hào)帶寬，值24噸黃金。再如，由IEEE 802.ac協(xié)議規(guī)定的新一代WiFi，使用大致為5.1GHz到5.8GHz的電磁波承載信號(hào)，其帶寬共計(jì)不到700MHz，而且還被分成了三段。而可見光頻段頻譜資源豐富，以可見光中的藍(lán)光為例，其頻率約為700THz，按照射頻通信10%帶寬的估算方法，可見光通信的物理帶寬達(dá)到70THz，是目前WiFi可用帶寬的約10000倍，并且不受無線電管理委員會(huì)的約束，使用無需授權(quán)。因此可見光通信在未來超寬帶、超高速無線通信領(lǐng)域大有可為。

圖2-6　無線通信帶寬的需求量指數(shù)增長(zhǎng)而用于無線通信頻譜資源的增長(zhǎng)緩慢

（2）系統(tǒng)容量大

為了實(shí)現(xiàn)人員密集區(qū)域的寬帶大容量的無線通信，無線基站的發(fā)展方向是提高蜂窩小區(qū)的復(fù)用度，也就是通過增加基站數(shù)量來滿足更多用戶的需求。但是WiFi熱點(diǎn)與移動(dòng)通信的基站不同之處在于，WiFi熱點(diǎn)缺少運(yùn)營(yíng)商的統(tǒng)一管理，增加WiFi熱點(diǎn)的數(shù)量并不能緩解大量用戶同時(shí)上網(wǎng)的難題。如同一間擠滿人的教室，下課了同學(xué)們同時(shí)往門口擠，各不相讓（擠出去的同學(xué)就可以上網(wǎng)），更多的同學(xué)堆在門口誰(shuí)也出不去（擠在門口的同學(xué)就沒法上網(wǎng)），如果僅僅增加一兩個(gè)門，是不會(huì)消除堆積的情況的。電信運(yùn)營(yíng)商們?yōu)榱私鉀Q這一問題，增加了一個(gè)指揮員（基站控制器），通過安排不同學(xué)號(hào)的學(xué)生依次通過來緩解這一問題。但是WiFi熱點(diǎn)的特點(diǎn)是靈活自由，相互獨(dú)立，從而無法統(tǒng)一管理，因此在大型的購(gòu)物中心、圖書館、咖啡廳，僅僅通過增加熱點(diǎn)數(shù)量，無法解決大量用戶同時(shí)登陸的問題。而光的空間復(fù)用性比電的空間復(fù)用性要好，光無線小區(qū)具有天然的相互隔離性，相當(dāng)于教室給每一個(gè)或者每?jī)扇齻€(gè)同學(xué)安排了一個(gè)固定的門。從而通過眾多非常小的無線光通信小區(qū)實(shí)現(xiàn)超大量用戶同時(shí)接入。如圖2-7所示為可見光無線通信會(huì)議示范。

圖2-7　可見光無線通信會(huì)議示范

（3）保密性強(qiáng)

可見光通信的信號(hào)通過可見光承載，能通過肉眼觀察信號(hào)覆蓋區(qū)域。改變燈罩的位置就可以靈活控制信號(hào)覆蓋區(qū)域；拉上窗簾，就可以有效防止信息泄露，不用擔(dān)心“第三只耳朵”偷走信息，給用戶帶來前所未有的安全感。因此，可見光通信在飛機(jī)、醫(yī)院、戰(zhàn)場(chǎng)無線電靜默、保密會(huì)議等射頻敏感領(lǐng)域也有著不可替代的作用，如圖2-8所示。

2.3.3激光技術(shù)

激光是上世紀(jì)60年代發(fā)展出的一種新光源，具有方向性好、亮度高、單色性好等特點(diǎn)，隨著科技的發(fā)展，激光已經(jīng)逐漸深入應(yīng)用到人類生活、生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中，激光顯示、激光加工技術(shù)、激光探測(cè)技術(shù)等應(yīng)用技術(shù)成為21世紀(jì)科技研究與發(fā)展熱點(diǎn)。

2.3.3.1 激光顯示技術(shù)

激光顯示技術(shù)是指采用激光作為顯示光源，配合掃描技術(shù)或者投影顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)畫面顯示的一種手段。由于具有色域空間大、色彩豐富、更真實(shí)再現(xiàn)自然界多姿多彩的顏色世界、光源壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)際顯示領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)之一。激光顯示的發(fā)展可追溯到上世紀(jì)60年代，受限于激光器發(fā)展水平，早期曾以氣體激光器作為三基色光源，但氣體激光器體積龐大，電光轉(zhuǎn)換效率低，導(dǎo)致激光顯示進(jìn)展緩慢；到了上世紀(jì)90年代，全固態(tài)激光器的發(fā)展使激光顯示技術(shù)進(jìn)入研發(fā)階段；本世紀(jì)以來，高端顯示產(chǎn)品的研究則進(jìn)一步推動(dòng)激光顯示進(jìn)入快速發(fā)展階段。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究方面，中國(guó)工程院許祖彥院士課題組于2005年成功研發(fā)出60英寸、84英寸和140英寸等一系列激光顯示原理樣機(jī)；“北京中視中科”公司于2008年突破光源小型化、電源數(shù)字化和消散斑等關(guān)鍵技術(shù)，研制的激光顯示產(chǎn)品成功用于激光數(shù)碼影院。2012年，美國(guó)科視公司推出72000流明的激光電影樣機(jī)，2014年推出激光數(shù)字電影放映系統(tǒng)。

圖2-8　可見光通信在射頻敏感領(lǐng)域有著不可替代的作用

2.3.3.2 激光加工技術(shù)

（1）激光切割技術(shù)

激光加工技術(shù)作為激光在工業(yè)生產(chǎn)中的重要應(yīng)用是提高傳統(tǒng)加工業(yè)生產(chǎn)能力的有效手段，其中最為典型的便是激光切割技術(shù)。由于其具有切割精度高、速度快、柔性好、適用范圍廣、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)切割方法刀具磨損、工件變形、可切割的材料種類少、加工效率低的缺陷。目前它的應(yīng)用比例已超過整個(gè)激光加工業(yè)的70%，應(yīng)用的行業(yè)包括汽車制造業(yè)、航空航天制造業(yè)、化工設(shè)備制造業(yè)、電器與電子產(chǎn)品制造業(yè)、石油與冶金設(shè)備制造業(yè)、生物醫(yī)藥器械制造業(yè)等；切割對(duì)象主要有割縫篩管、CVD金剛石膜、PCR生物芯片儲(chǔ)液池、冷軋汽車鋼板、精密齒輪、電路基板云母片、血管內(nèi)支架、液晶顯示玻璃基板等；可切割的材料十分廣泛，包括各種鋼材、合金及高硬度、高熔點(diǎn)的非金屬材料。

（2）激光焊接技術(shù)

激光焊接作為激光加工技術(shù)中當(dāng)前應(yīng)用廣泛、最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一，是一種運(yùn)用激光束的輻射能量來實(shí)現(xiàn)高效焊接的工藝，其將激光束進(jìn)行高度聚焦，在此基礎(chǔ)上形成高能量的激光脈沖，利用該脈沖對(duì)材料進(jìn)行加工，主要適用于在材料的微小區(qū)域進(jìn)行焊接。當(dāng)前，國(guó)外尤其是德國(guó)對(duì)多道填絲焊、異種金屬焊和激光熱絲焊等工藝的研究已經(jīng)取得突破，國(guó)內(nèi)與國(guó)外在激光焊接技術(shù)與工藝上還有一定差距。

（3）激光清洗技術(shù)

激光清洗技術(shù)是利用高能激光束對(duì)工件表面進(jìn)行直接或間接作用，使工件表面要去除的污物產(chǎn)生振動(dòng)、熔化、蒸發(fā)、燃燒等一系列物理化學(xué)變化，從而使得污染物脫離工件表面，達(dá)到清潔效果的工藝過程。激光清洗技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：無損性、精度高、效率高、綠色清洗，上述這些優(yōu)點(diǎn)都是傳統(tǒng)的清洗方法（化學(xué)清洗、機(jī)械清洗、超聲波清洗等）很難達(dá)到的。國(guó)外的激光清洗應(yīng)用廣泛，從厚銹層到拋光表面微細(xì)顆粒都可以去除，涉及到機(jī)械工業(yè)、微電子工業(yè)與藝術(shù)品的保護(hù)等方面。激光清洗的設(shè)備也隨之迅速發(fā)展，設(shè)備種類多，所用激光器的波長(zhǎng)范圍廣。德國(guó)Cleanlaser公司近年來致力于研究可以實(shí)現(xiàn)塑膠射出模和橡膠硫化模具、線上、高溫清洗的激光清洗設(shè)備。我國(guó)激光清洗技術(shù)的研究和設(shè)備的開發(fā)起步晚，與國(guó)外相比還存在明顯的差距。所以國(guó)內(nèi)成熟的激光清洗設(shè)備并不多，大部分還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，其清洗效率和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步的提高。

2.3.3.3 激光探測(cè)技術(shù)

激光探測(cè)技術(shù)在未來的醫(yī)學(xué)、通信、前沿科學(xué)等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用。例如非接觸式生理信號(hào)激光檢測(cè)技術(shù)，星際空間激光通信，激光全息掃描等技術(shù)的發(fā)展將對(duì)人類的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

（1）非接觸式生理信號(hào)激光檢測(cè)技術(shù)

采用光學(xué)容積描記法（PhotoPlethysmoGraphy，PPG）檢測(cè)組織微血管中的血容量變化。血液容積脈搏波中包含有心搏功能、血液流動(dòng)等諸多反映心血管系統(tǒng)功能的重要生理信息。PPG技術(shù)的基本形式只要求少量的光電組件：一個(gè)照亮組織的光源和一個(gè)用來測(cè)量與血液灌注相關(guān)的光強(qiáng)度變化信息的光電探測(cè)器。當(dāng)一定波長(zhǎng)的光束照射到皮膚表面時(shí)，由于皮膚、血液等對(duì)光的吸收或反射能力不同，且血液容積在心臟作用下呈搏動(dòng)性變化，從而使得光電探測(cè)器接收到的光強(qiáng)度隨血液容積的改變呈脈動(dòng)性變化，于是得到容積脈搏血流的變化信息。

（2）星際空間激光通信

無線激光通信（OWC），又稱自由空間激光通信（FSO）。由于現(xiàn)代社會(huì)信息的日益膨脹，使信息傳輸容量劇增，現(xiàn)行的無線微波通信出現(xiàn)頻帶擁擠，資源缺乏現(xiàn)象。開發(fā)大容量、高碼率的無線激光通信是未來空間通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。無線激光通信也稱自由空間激光通信，它不使用光纖等導(dǎo)波介質(zhì)，直接利用激光在大氣或外太空中進(jìn)行信號(hào)傳遞，可進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、電視、多媒體圖像的高速雙向傳送，不僅包括深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛(wèi)星間的光通信，還包括地面站的光通信。2013年，NASA利用激光束，將名畫《蒙娜麗莎的微笑》傳輸?shù)嚼@月飛行的“月球勘測(cè)軌道飛行器”上，這是人類首次利用激光在星際間進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸。2001年4月，我國(guó)激光大氣通信機(jī)在廣西桂林研制成功。該通信機(jī)以半導(dǎo)體激光器為光源，用兩套設(shè)備構(gòu)成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信系統(tǒng)，可傳輸多種速率的數(shù)據(jù)和圖像，直線視距全天候通信距離達(dá)4千米，該激光大氣通信機(jī)具有體積小、組網(wǎng)靈活、無電磁干擾、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。

（3）激光全息掃描

激光全息術(shù)是利用光的干涉和衍射原理，將物體反射的光波以干涉條紋的形式記錄下來，并在一定條件下使其再現(xiàn)，形成與原物體逼真的三維像。激光全息應(yīng)用的主要方面有：①全息干涉計(jì)量：全息干涉能擴(kuò)展到具有任意形狀的三維漫反射表面的物體，是一種無接觸的三維觀測(cè)，且不論物體表面光潔度如何，都能相對(duì)分析測(cè)量到波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的水平，同時(shí)它可以對(duì)一個(gè)物體在兩個(gè)不同時(shí)刻的狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，從而可探測(cè)物體在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的任何變化。②計(jì)算全息：全息圖能夠顯示的三維物體像的信息是記錄在錯(cuò)綜復(fù)雜的條紋中的。假如物體并不存在，而只知道光波的數(shù)學(xué)描述，也可以利用計(jì)算機(jī)，將模擬的干涉圖樣繪制和復(fù)制在透明膠片上，這種計(jì)算機(jī)合成的全息圖稱為計(jì)算全息圖。③光全息存儲(chǔ)：光全息存儲(chǔ)不僅容量大，而且數(shù)據(jù)傳輸速率高，尋址時(shí)間短，比其它任何一種同時(shí)具有這些優(yōu)點(diǎn)的信息存儲(chǔ)技術(shù)更接近實(shí)用化階段。④全息顯微術(shù)：全息顯微術(shù)主要有兩種形式，一種是將全息技術(shù)和顯微鏡結(jié)合，稱為全息顯微鏡；另一種是利用全息圖本身的特性來進(jìn)行放大，稱為全息放大。⑤模壓全息：它是建立在全息技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助成圖技術(shù)、制版技術(shù)、表面物理、電化學(xué)，精密機(jī)械加工等多學(xué)科基礎(chǔ)之上的一種精細(xì)加工技術(shù)。激光全息技術(shù)的發(fā)展能夠開拓巨大的應(yīng)用市場(chǎng)，關(guān)鍵在于技術(shù)創(chuàng)新，不斷拓寬激光全息技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)激光全息技術(shù)和應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。

2.3.4柔性印刷電子材料

柔性電子技術(shù)是將有機(jī)、無機(jī)材料電子器件制作在柔性、可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術(shù)，以其獨(dú)特的柔性、延展性，在信息、能源、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。而印刷技術(shù)作為一種能夠高效、低成本、大面積制造柔性電子器件的工藝，進(jìn)一步地促進(jìn)了柔性電子技術(shù)的發(fā)展，并產(chǎn)生了柔性印刷電子技術(shù)。柔性印刷電子技術(shù)是利用傳統(tǒng)印刷技術(shù)在柔性襯底上制作電子器件與系統(tǒng)的技術(shù)，該技術(shù)有可能帶來一場(chǎng)電子技術(shù)革命，已經(jīng)引起了世界的廣泛關(guān)注。美國(guó)《科學(xué)》雜志將有機(jī)電子技術(shù)進(jìn)展列為2000年后的世界十大科技成果之一，與人類基因組草圖、生物克隆技術(shù)等重大發(fā)現(xiàn)并列。由此可見，柔性印刷電子技術(shù)契合了未來的發(fā)展趨勢(shì)。而且，隨著當(dāng)前可穿戴設(shè)備的興起，意味著柔性印刷電子產(chǎn)業(yè)化的需求更為迫切，進(jìn)而昭示柔性印刷電子產(chǎn)業(yè)將不僅僅是停留在概念、實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域，而是進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化，也就意味著進(jìn)入到業(yè)績(jī)釋放的產(chǎn)業(yè)周期。由于柔性印刷電子技術(shù)如此廣闊的產(chǎn)業(yè)空間，越來越多的產(chǎn)業(yè)資本開始加盟柔性印刷電子產(chǎn)業(yè)。

印刷技術(shù)作為一種柔性電子制造技術(shù)真正受到關(guān)注是得益于過去數(shù)年中無機(jī)納米材料的發(fā)展。納米尺度的無機(jī)固體材料（納米顆粒、納米線、納米管等）可以制成墨水或油墨，然后用傳統(tǒng)的印刷方式制成圖案。納米材料本身的性質(zhì)賦予這些圖案電荷傳輸性能、介電性能或光電性能，從而形成各種半導(dǎo)體器件、光電與光伏器件，真正體現(xiàn)出印刷技術(shù)作為一種低成本柔性電子制造技術(shù)的優(yōu)越性。柔性印刷電子開始成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科與技術(shù)領(lǐng)域。

不同于硅基微電子技術(shù)，柔性印刷電子技術(shù)具有兩個(gè)硅基微電子技術(shù)所不具備的特點(diǎn)：①電子材料是通過印刷方法形成電子器件的；②電子器件的功能不依賴于襯底材料。由此形成的產(chǎn)品具有區(qū)別于硅基微電子芯片的鮮明特征，即大面積、柔性化、低成本。目前硅基集成電路制造中使用的最大襯底直徑不超過300 mm，而印刷可以輕松地達(dá)到米級(jí)尺寸；采用塑料薄膜襯底材料，使無論是印刷制造的電子信息處理與顯示系統(tǒng)，還是光伏轉(zhuǎn)換或發(fā)光照明系統(tǒng)，都可以變得柔性可彎曲，或者透明化；印刷制造的可連續(xù)性與大批量化能力，以及基礎(chǔ)材料與加工設(shè)備的廉價(jià)，使最后制成品的成本大大低于硅基微電子產(chǎn)品。柔性印刷電子技術(shù)雖然在性能上可能無法與硅基微電子技術(shù)媲美，但在成本上贏過硅基微電子技術(shù)。在大面積、柔性化等特色電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，柔性印刷電子技術(shù)有著硅基微電子技術(shù)無法取代的市場(chǎng)。

伴隨著柔性印刷電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。柔性印刷電子產(chǎn)品目前正處于研發(fā)起步階段，部分產(chǎn)品已經(jīng)投放市場(chǎng)。從現(xiàn)在的研發(fā)趨勢(shì)來看，柔性印刷電子技術(shù)在以下4個(gè)方面有著廣泛的應(yīng)用。

（1）薄膜太陽(yáng)能電池

能源是全球高度關(guān)注的話題，能源短缺，環(huán)境污染給人類造成了極大的困惑。而柔性襯底薄膜太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能電池中的一種新品種，由于其還很難在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率上與單晶硅太陽(yáng)能電池競(jìng)爭(zhēng)，所以只有通過卷對(duì)卷大批量印刷制備技術(shù)才有可能降低成本，在綠色能源市場(chǎng)上占有一席之地。美國(guó)Konarka公司是國(guó)際上首先進(jìn)行印刷有機(jī)光伏技術(shù)開發(fā)的公司。該公司經(jīng)過多年開發(fā)終于在2008年向市場(chǎng)推出了基于柔性塑料襯底的光伏產(chǎn)品。由于有機(jī)光伏產(chǎn)品的低效率（3%左右，硅太陽(yáng)能電池可以達(dá)到15%～20%）和低壽命（1年左右，硅太陽(yáng)能電池是25年），目前主要是面向低端消費(fèi)產(chǎn)品。例如，將有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池做在背包殼上或戶外帳篷表面，用于給筆記本電腦或手機(jī)充電。

一些無機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池也成功實(shí)現(xiàn)了柔性化與印刷制備。德國(guó)太陽(yáng)能和氫能研究中心自2010年起開始柔性CIGS（銅銦鎵硒）電池的連續(xù)生產(chǎn)工藝的開發(fā)研究。該中心研究人員利用絲網(wǎng)鍍膜系統(tǒng)，成功在聚酰亞胺膜上制備柔性CIGS薄膜光伏，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.2%，大大高于目前有機(jī)薄膜光伏的轉(zhuǎn)換效率。美國(guó)加州的Innovalight公司更是將納米硅晶體制成墨水，通過絲網(wǎng)印刷方式制備薄膜太陽(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到目前硅單晶太陽(yáng)能電池的水平（18%）。但制造成本大大低于硅單晶太陽(yáng)能電池，并且可以實(shí)現(xiàn)大面積、大批量生產(chǎn)。可以看出，可印刷的無機(jī)光伏器件效率更高，壽命更長(zhǎng)，比有機(jī)光伏更具有競(jìng)爭(zhēng)力，能夠更快進(jìn)入市場(chǎng)。

（2）柔性顯示器

柔性電子顯示器是在柔性印刷電子技術(shù)平臺(tái)上研發(fā)出來的全新產(chǎn)品。與傳統(tǒng)平板顯示器不同，這種顯示器能夠被反復(fù)的彎曲和折疊，因而給我們的生活帶來極大的便利。例如，所有可視資料，包括各種書籍、報(bào)紙、雜志和視頻文件都可以通過這種顯示器來呈現(xiàn)，而且可以隨時(shí)隨地觀看。盡管目前流行的MP4播放器和個(gè)人數(shù)字助理器（personal digital assistant，PDA）也能滿足這樣的使用需要，但其顯示屏不能彎曲和折疊，只能在很小的屏幕范圍內(nèi)閱讀和觀看這些文字和視頻，視覺效果受到極大的制約。相比而言，柔性電子顯示器具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，它就像報(bào)紙一樣，在需要時(shí)將其展開，使用完畢后將其卷曲甚至折疊，在保證攜帶方便的同時(shí)充分的兼顧了視覺效果。

柔性電子顯示器的樣品目前已研制成功，日本索尼公司和韓國(guó)三星公司都給出了相應(yīng)的樣品展示，相信離進(jìn)入市場(chǎng)已為時(shí)不遠(yuǎn)。值得一提的是，柔性電子顯示器采用更多的輕質(zhì)有機(jī)材料取代無機(jī)材料，所以其重量比傳統(tǒng)顯示器輕，這種特性有利于提高其便攜性。此外，高分子有機(jī)材料的使用為降低成本提供了可能性。另外，柔性電子顯示器具有薄厚度的特點(diǎn)，其厚度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前流行的液晶顯示器，所以柔性電子顯示器的另一種名稱就是紙狀電子顯示器（paper-like electronic display）。

（3）有機(jī)照明

照明是有機(jī)發(fā)光技術(shù)應(yīng)用的一大領(lǐng)域。照明需要的是白光。將OLED顯示器件的紅、綠、藍(lán)三基色復(fù)合成白光并提高發(fā)光效率，就構(gòu)成了白光照明器件。在全球大力提倡節(jié)能減排，普遍推廣固態(tài)LED照明的大趨勢(shì)下，OLED照明以其輕薄和大面積的新穎特點(diǎn)得到照明業(yè)界的青睞。由于OLED是面光源，厚度可以在毫米量級(jí)，可以做在柔性襯底上，發(fā)光面積可以根據(jù)需要變化，這為裝飾性照明設(shè)計(jì)提供了極大的發(fā)揮空間，可以根據(jù)建筑和室內(nèi)環(huán)境特點(diǎn)設(shè)計(jì)出變化萬(wàn)千的照明燈具。2008年國(guó)際建筑與照明展會(huì)上只有5種基于OLED的照明產(chǎn)品，到2010年的展會(huì)已經(jīng)增加到33種，參會(huì)商也由5家增加到11家。目前OLED白光的發(fā)光效率已經(jīng)逼近100 lm/W，超過普通熒光燈的發(fā)光效率。隨著OLED發(fā)光效率的進(jìn)一步提高，成本進(jìn)一步下降，未來OLED白光照明將不僅僅是用來做裝飾性照明，而是進(jìn)入大眾化消費(fèi)市場(chǎng)。

OLED照明的發(fā)光材料同樣可以制備成溶液，并通過印刷方式做在塑料等柔性襯底上。柔性印刷電子技術(shù)為OLED照明光源提供了新的設(shè)計(jì)自由度。美國(guó)通用電氣公司（GE）的科學(xué)家在2008年就實(shí)現(xiàn)了卷對(duì)卷制備發(fā)綠光的OLED薄膜。2010年GE公司與Konica Minolta公司在利用溶液化材料制造白光OLED技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)55 lm/W的發(fā)光效率，為下一步全印刷制造白光OLED奠定了基礎(chǔ)。

（4）電子器件與電路

薄膜太陽(yáng)能電池、柔性電子顯示器、有機(jī)照明雖然都可以通過印刷方法制備，但并不是嚴(yán)格意義上的柔性印刷電子，因?yàn)椤半娮印钡奶攸c(diǎn)并不明顯。嚴(yán)格意義上的柔性印刷電子是通過印刷技術(shù)在柔性襯底上制備電子器件與電路，包括印刷晶體管、印刷存儲(chǔ)器件、印刷電池、印刷導(dǎo)線、印刷天線等與電子電路有關(guān)的各種有源與無源器件，是印刷制造技術(shù)取代傳統(tǒng)電子制造技術(shù)，以體現(xiàn)柔性印刷電子的大面積、柔性化、低成本的關(guān)鍵。

由于有機(jī)半導(dǎo)體材料本身的局限性，溶液法或印刷制備的晶體管難以達(dá)到真空蒸發(fā)小分子材料的性能。因此，長(zhǎng)久以來有機(jī)電子器件基本上是真空蒸發(fā)制備的，而非印刷。真正為柔性印刷電子技術(shù)的發(fā)展帶來契機(jī)的是無機(jī)納米材料墨水的發(fā)展。以射頻識(shí)別標(biāo)簽（RFID）為例，在2003-2008年間有多篇論文報(bào)道了利用有機(jī)晶體管（蒸發(fā)制備）制作RFID的研究工作，但沒有一例商業(yè)化的成功案例。真正拿到商業(yè)訂單的是美國(guó)Kovio公司在2008年開發(fā)的基于納米硅墨水的噴墨打印的RFID產(chǎn)品。由于目前印刷的納米硅墨水需要較高的烘烤溫度，該RFID是噴墨打印在不銹鋼片襯底上的，雖然實(shí)現(xiàn)了柔性化，但還沒有實(shí)現(xiàn)塑料化。韓國(guó)順天大學(xué)則通過卷對(duì)卷凹版印刷碳納米管與納米銀油墨的方法制備出基于塑料襯底的RFID。印刷的半導(dǎo)體材料是碳納米管墨水，導(dǎo)體材料是納米銀墨水，這兩種材料的烘烤溫度在150℃以下，因此可以制備在塑料薄膜襯底上。

3　面向2049的電子信息材料

2049年，中國(guó)已列入發(fā)達(dá)國(guó)家行列，我們的科學(xué)技術(shù)躋身科技強(qiáng)國(guó)的前列，電子信息材料產(chǎn)業(yè)將得到穩(wěn)步、健康的發(fā)展。其中，微納電子進(jìn)入后摩爾時(shí)代，對(duì)支撐其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的材料也將提出更高的要求。存儲(chǔ)架構(gòu)發(fā)生變革，新的存儲(chǔ)技術(shù)、存儲(chǔ)材料將應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，更加智能化、柔性化、多元化的信息材料與技術(shù)也將逐漸融入人們的生活。

3.1微納電子產(chǎn)業(yè)及材料的發(fā)展趨勢(shì)

自上世紀(jì)七十年代開始，微電子產(chǎn)業(yè)按摩爾定律發(fā)展了近半個(gè)世紀(jì)。目前，器件的特征尺寸已經(jīng)接近10nm。基于硅材料的CMOS技術(shù)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、制造成本乃至經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)律等多方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界普遍認(rèn)為處在“后摩爾時(shí)代”的微納電子工業(yè)有如圖3-1所示的三大發(fā)展趨勢(shì)。

（1）延續(xù)摩爾定律（More Moore）

一方面，通過CMOS器件的特征尺寸繼續(xù)不斷縮小，以提高集成度。另一方面，通過新材料的應(yīng)用和器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新來提高集成電路的性能。

（2）擴(kuò)展摩爾定律（More than Moore）

通過追求系統(tǒng)集成的功能多樣化，即：在數(shù)字信號(hào)處理功能的基礎(chǔ)上集成模擬、射頻、傳感、高壓大功率甚至生物等功能，來達(dá)到電子系統(tǒng)的小型化。

圖3-1　后摩爾時(shí)代微納電子工業(yè)的發(fā)展方向

（3）超越CMOS （Beyond CMOS）

根據(jù)2013年ITRS（國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖）制定的發(fā)展路線圖，預(yù)計(jì)到2025年邏輯器件產(chǎn)業(yè)的技術(shù)代將前進(jìn)至1.8nm節(jié)點(diǎn)，那時(shí)邏輯器件和隨機(jī)存儲(chǔ)器的半間距僅為10nm。硅CMOS器件幾乎將達(dá)到性能極限。在這種情況下，有必要探索新材料、新原理和結(jié)構(gòu)的器件如：量子、自旋電子和分子器件等。

進(jìn)入后摩爾時(shí)代，對(duì)支撐微納電子工業(yè)發(fā)展的材料也提出了更高的要求。根據(jù)上述微納電子工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)介紹關(guān)鍵材料的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1.1基礎(chǔ)材料—單晶硅

在可預(yù)見的將來甚至到2050年，單晶硅片仍將是微納電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料。據(jù)2013年ITRS預(yù)測(cè)，450mm硅片將于2018年進(jìn)入量產(chǎn)。然而，從目前的實(shí)際來看，該預(yù)測(cè)可能過于樂觀。事實(shí)上，ITRS已經(jīng)幾次延后450mm硅片量產(chǎn)的預(yù)計(jì)時(shí)間。到2015年，包括國(guó)際排名第一的日本Shin-Etsu公司在內(nèi)的國(guó)際領(lǐng)先硅片制造商都沒有公開宣稱已經(jīng)生產(chǎn)450mm硅片。從歷史上來看，從200mm硅片時(shí)代向300mm硅片時(shí)代的過渡也因?yàn)槿舾稍颍ǜ饕氖墙?jīng)濟(jì)方面的原因）延后了幾年。450mm硅片的規(guī)模生產(chǎn)在技術(shù)上提出了更大的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為：①在晶體生長(zhǎng)方面，由于直徑的增大帶來的更大熱應(yīng)力和由于生長(zhǎng)速率的降低所導(dǎo)致的更長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)間就給單晶的無位錯(cuò)生長(zhǎng)帶來更大的困難；在空洞型缺陷和氧沉淀等缺陷的控制以及雜質(zhì)分布均勻性的控制等方面也面臨更大的困難。②在硅片加工方面，特征尺寸僅為幾納米的集成電路制造所需的光刻精度對(duì)硅片的全局和局部平整度、拋光表面的納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顆粒以及痕量金屬沾污，同時(shí)還需在埃尺度上控制微區(qū)粗糙度。④硅片退火時(shí)由于自重產(chǎn)生位錯(cuò)滑移線的機(jī)會(huì)顯著增加?？梢?，450mm硅片的生產(chǎn)在技術(shù)上的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過300mm硅片的。另外，前者所面臨的經(jīng)濟(jì)方面的挑戰(zhàn)也是前面幾代硅片所不能比擬的。事實(shí)上，能否盡早進(jìn)入450mm硅片時(shí)代更多地取決于后續(xù)的集成電路制造能否順利實(shí)現(xiàn)技術(shù)換代以及能否在生產(chǎn)成本上比300mm硅片時(shí)代更具優(yōu)勢(shì)。盡管面臨著各種各樣的困難和問題，微納電子產(chǎn)業(yè)終歸將進(jìn)入450mm硅片時(shí)代，并將持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。也許，由于技術(shù)上、更多地是由于經(jīng)濟(jì)上的原因，450mm硅片時(shí)代將延續(xù)至2050年?？梢灶A(yù)計(jì)，半導(dǎo)體材料在信息技術(shù)上仍將扮演基礎(chǔ)材料的角色，450mm、300mm甚至200mm硅片在2050年前仍將起著十分重要的作用。其中，300 mm和450mm硅片在延續(xù)和擴(kuò)展摩爾定律的進(jìn)程中扮演重要的角色，即使進(jìn)入超越CMOS時(shí)代，它們?nèi)杂锌赡苁潜夭豢缮俚囊r底材料。

3.1.2邏輯電路的主體材料

由于MOS晶體管的短溝道帶來的二級(jí)效應(yīng)，對(duì)傳統(tǒng)平面器件而言，通過不斷縮小器件的尺寸來提高性能的方法遇到了越來越大的困難，嚴(yán)重制約了集成度的進(jìn)一步提升。為了提高M(jìn)OS晶體管的開態(tài)電流，需采用具有高遷移率的溝道材料，如：鍺（Ge）和Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體。

實(shí)際上，Ge是最早被用于制造晶體管的半導(dǎo)體材料，至20世紀(jì)50年代中葉才被Si取代。2000年以后，晶體管的持續(xù)發(fā)展對(duì)載流子遷移率提出了更高的要求，Ge作為高遷移率溝道材料又一次得到了重視和研究。Ge的電子和空穴有效質(zhì)量要小于Si，因此Ge具有較高的電子和空穴遷移率。如表3-1所示，Ge在可能的新溝道材料中具有最高的空穴遷移率，達(dá)到了Si的4倍；它的電子遷移率也達(dá)到了Si的3倍左右。利用Ge可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高遷移率溝道的nMOS與pMOS晶體管。重要的是，Si和Ge同屬于Ⅳ族材料，Ge器件工藝上基本可以與Si器件工藝兼容。近年來，硅基Ge晶體管的研究取得了很好的進(jìn)展，如：p溝道的Ge FinFET、具有較高電子和空穴遷移率溝道的MOSFET、多柵極Ge晶體管等。盡管取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，硅基Ge晶體管的仍然有一些問題有待解決，主要包括：Ge基晶體管的界面態(tài)密度較大，約是Si的10倍左右；對(duì)于n 型Ge，很難實(shí)現(xiàn)低電阻的金屬半導(dǎo)體接觸；實(shí)際得到的Ge基晶體管中的電子遷移率遠(yuǎn)低于理論值；Ge基晶體管的短溝道效應(yīng)控制、應(yīng)變技術(shù)和多柵極結(jié)構(gòu)在Ge基晶體管上的應(yīng)用；同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能的nMOS與pMOS，在Ge上實(shí)現(xiàn)CMOS電路。

表3-1　常用半導(dǎo)體材料的性質(zhì)

以III-V族半導(dǎo)體為溝道材料的高電子遷移率晶體管（HEMT）問世以來，就以超高的截止頻率和最大頻率以及良好的光電特性，在通訊和光電子領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。Intel公司預(yù)測(cè)基于III-V族半導(dǎo)體的MOS器件有可能會(huì)在11nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)后的高性能射頻電路中有很好的應(yīng)用前景。自1965年美國(guó)射頻公司報(bào)道了第一個(gè)GaAs MOS晶體管以來，科學(xué)家們一直致力于改善III-V族半導(dǎo)體與介質(zhì)的界面問題。由于沒有理想的柵氧化層，III-V族溝道材料的NMOS器件一直無法實(shí)現(xiàn)真正應(yīng)用。隨著原子層淀積（ALD）、分子束外延（MBE）等技術(shù)的不斷成熟，已經(jīng)具備了在III-V族半導(dǎo)體材料上生長(zhǎng)超薄高k介電材料，形成高質(zhì)量的MOS界面的能力。從已報(bào)道的III-V族化合物半導(dǎo)體MOS器件來看，其性能明顯優(yōu)于同尺寸的硅基CMOS器件。

到7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì)FinFET技術(shù)而言，柵極或許將喪失對(duì)溝道的控制能力。所以到7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，改變溝道材料是一種可能的延伸FinFET工藝的途徑。從目前的態(tài)勢(shì)來看，在7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)III-V族材料可能會(huì)被應(yīng)用于溝道?，F(xiàn)有的硅基FinFET結(jié)構(gòu)在7nm時(shí)電子遷移率會(huì)退化，而III-V族半導(dǎo)體材料由于有較高的低場(chǎng)電子遷移率，成為nMOS晶體管理想的溝道材料；Ge材料則以其較高的低場(chǎng)空穴遷移率，成為pMOS晶體管理想的溝道材料。高遷移率的FinFET也面臨著一些挑戰(zhàn)，如何集成不同的材料和器件結(jié)構(gòu)是其中的關(guān)鍵問題。業(yè)內(nèi)正在開發(fā)一種替換硅鰭的工藝，III-V族的FinFET將最有可能用來替代硅鰭的技術(shù)。比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）在300mm硅晶圓上首次實(shí)現(xiàn)III-V族化合物半導(dǎo)體與硅材料整合的3D FinFET，如圖3-2所示。該晶圓級(jí)制程通過溝槽結(jié)構(gòu)與外延工藝等的創(chuàng)新，以InGaAs與InP等材料在3D FinFET上取代硅鰭，同時(shí)還能適應(yīng)8%的晶格失配。IMEC這一新制程的目標(biāo)是希望能持續(xù)將CMOS晶體管特征尺寸微小至7nm及其以下，以及實(shí)現(xiàn)射頻CMOS器件與CMOS光電器件的混合。由此可以預(yù)見，到7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，將非常有可能采用III-V族半導(dǎo)體材料。如何獲得高的空穴遷移率、消除費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)和形成高質(zhì)量的歐姆接觸是III-V族半導(dǎo)體材料用于制備MOS晶體管面臨的主要挑戰(zhàn)。在硅上生長(zhǎng)III-V族半導(dǎo)體材料，還面臨著如何降低位錯(cuò)和反相晶疇密度的問題。

到7nm節(jié)點(diǎn)以下，CMOS器件的結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)?？紤]到靜電控制問題，很有可能在水平陣列中采用環(huán)柵納米線MOS晶體管和隧穿MOS晶體管結(jié)構(gòu)，如圖3-3所示。環(huán)柵MOS晶體管結(jié)構(gòu)可以避免FinFET中溝道寬度的變化而引起的遷移率損失。在環(huán)柵的硅納米線晶體管中，硅納米線溝道被柵極包圍，這使器件具有更好的靜電控制能力和亞閾值特性。當(dāng)硅納米線溝道很薄時(shí)，施加足夠的柵極電壓可以使整個(gè)溝道耗盡，從而提升器件的開關(guān)比。另外，仿真結(jié)果表明：環(huán)柵MOS晶體管在等比例縮小上也很具優(yōu)勢(shì)，可以縮小到與溝道直徑相同的尺度。

圖3-2　IMC在300mm硅晶圓制造的III-V FinFET晶體管

圖3-3　環(huán)柵納米線晶體管和隧穿晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖

隨著集成電路的發(fā)展，單塊芯片上集成的器件越來越多，而單個(gè)器件的尺寸也越來越小。單塊芯片上器件的增多必然導(dǎo)致動(dòng)態(tài)功耗的增加；同時(shí)，單個(gè)器件尺寸的縮小引起漏電流的增加，進(jìn)而引起單塊芯片靜態(tài)功耗的增加。為了降低芯片功耗，一方面需要減小器件的漏電流，另一方面需要降低器件的亞閾值擺幅。隧穿晶體管，由于其亞閾值擺幅小于60mv/dec、Vdd＜5V、功耗很低，且其制備工藝與現(xiàn)在的半導(dǎo)體工藝兼容，被認(rèn)為可能是7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以后可采用的器件。與傳統(tǒng)MOS晶體管相比，隧穿晶體管能夠獲得更陡峭的開關(guān)特性、更低的驅(qū)動(dòng)電壓和更小的漏電流。但是，由于隧穿晶體管是利用隧穿效應(yīng)工作的，因而其導(dǎo)通電流要比傳統(tǒng)MOS晶體管的低很多。為了解決這個(gè)問題，采用禁帶寬度更小的III-V族化合物半導(dǎo)體代替硅來實(shí)現(xiàn)隧穿晶體管，以縮小隧穿區(qū)的寬度，從而增大導(dǎo)通電流。

總之，環(huán)柵MOS晶體管以及隧穿MOS晶體管為7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)及之后的CMOS技術(shù)的發(fā)展提供了兩條可能的途徑。進(jìn)入這一階段，硅、鍺和III-V族化合物半導(dǎo)體的納米線將成為MOS晶體管的溝道材料，這時(shí)將面臨如下挑戰(zhàn)：如何在所需的位置和方向上可控地生長(zhǎng)納米線；生長(zhǎng)納米線所需的催化劑不能在溝道和源漏區(qū)中引入深能級(jí)，需與CMOS工藝匹配；如何實(shí)現(xiàn)溝道和源漏區(qū)的摻雜；如何使硅上納米線獲得高的電子和空穴遷移率；如何形成環(huán)柵結(jié)構(gòu)；如何形成歐姆接觸等等。

3.1.3硅基光電集成

幾十年來，隨著集成電路一直遵循摩爾定律發(fā)展，微處理器的工作速度不斷攀升。但是，傳統(tǒng)的電互連技術(shù)使得微處理器時(shí)鐘頻率的進(jìn)一步提高遭遇瓶頸。在集成電路中，電子之間的強(qiáng)相互作用雖然使晶體管擅長(zhǎng)開關(guān)和信號(hào)處理，但同時(shí)也帶來噪聲，并增加信號(hào)傳輸中的衰減（尤其是在高頻的情形下），從而影響信息處理能力。此外，在電互連導(dǎo)體表面會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致信號(hào)的串?dāng)_、干擾及衰減，這都會(huì)增加能耗，且隨著頻率的增加而增加。因此，在電互連的框架下微處理器將越來越難以滿足高性能計(jì)算機(jī)在大規(guī)模并行處理和低能耗方面日益提高的要求。為了突破這一局面，將電子技術(shù)與光子技術(shù)結(jié)合起來勢(shì)在必行。光子之間相互作用很弱，這雖然限制了光計(jì)算方面的應(yīng)用，但可以減少光通道之間的噪聲、衰減和串?dāng)_。顯然，微納電子技術(shù)和光子技術(shù)的集成將充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，有望增強(qiáng)芯片的并行處理能力并降低其能耗。

未來的高性能計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度如果要達(dá)到每秒百億億次量級(jí)，那么處理器之間的通信帶寬必須達(dá)到Tb/s量級(jí)。如此大的帶寬只能通過光互連的方式才能實(shí)現(xiàn)。圖3-4展示了IBM所構(gòu)想的未來高性能計(jì)算機(jī)中，如何利用光互連來實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部和芯片間高速低功耗數(shù)據(jù)通信。

如圖所示，包含了多個(gè)核的處理器層、存儲(chǔ)層以及光網(wǎng)絡(luò)層將通過三維封裝的方式進(jìn)行集成。對(duì)于每一個(gè)處理器核，IBM希望能在十幾平方毫米乃至更小的面積內(nèi)通過波分復(fù)用的方式為其集成上帶寬為1Tb/s的光收發(fā)模塊。需要進(jìn)行傳輸和交換的信號(hào)通過光發(fā)射模塊轉(zhuǎn)換到光域后，進(jìn)入光網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行路由。根據(jù)路由信息，光信號(hào)或者進(jìn)入下一個(gè)核；或者被傳輸?shù)叫酒獠窟M(jìn)行片間通信。每個(gè)處理器核上的光接收模塊將信號(hào)從光域轉(zhuǎn)換到電域進(jìn)行處理。該光互連芯片中需要的核心光子器件包括調(diào)制器，探測(cè)器和激光器。圍繞這幾個(gè)器件，近年來展開了大量的研究，并取得了一系列的突破。

圖3-4　IBM提出的光互連芯片的架構(gòu)示意圖

調(diào)制器的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。由于晶格的中心對(duì)稱性，硅不具有電光效應(yīng)，因此目前硅基高速電光調(diào)制主要是基于載流子色散效應(yīng)，即通過調(diào)節(jié)硅波導(dǎo)中載流子的濃度來改變材料的折射率。采用較多的結(jié)構(gòu)是在SOI波導(dǎo)中植入一個(gè)PN結(jié)，通過反向偏置PN結(jié)改變載流子耗盡區(qū)的寬度即可實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。例如：我國(guó)中科院半導(dǎo)體所報(bào)道了基于這種結(jié)構(gòu)的馬赫-曾德爾（MZ）調(diào)制器，通過行波調(diào)制方式，調(diào)制速率高達(dá)70Gb/s?；谳d流子耗盡型調(diào)制器的光發(fā)射模塊和各種高階的調(diào)制格式已經(jīng)開始進(jìn)入實(shí)用階段。

探測(cè)器的作用是將入射高速光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。光通信所采用的光波長(zhǎng)范圍是在1.3μm和1.5μm附近的近紅外波段，但硅不能用于探測(cè)這兩個(gè)波段的光信號(hào)。為解決這一問題，鍺材料被引入到硅基光路之中。鍺探測(cè)器在制備技術(shù)上和CMOS 工藝完全兼容，已成為目前最為成功的硅基光電探測(cè)器。2012年報(bào)道了120GHz帶寬、0.8 A/W 響應(yīng)度及4μA暗電流的波導(dǎo)型鍺探測(cè)器。2013年報(bào)道了帶寬高達(dá)60GHz的波導(dǎo)耦合型PIN結(jié)構(gòu)鍺硅探測(cè)器。

硅基激光器一直是硅光子學(xué)中最有挑戰(zhàn)性的部分。由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體，因此不能用于光源，但國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者一直沒有放棄在硅上制備激光器的努力。從多孔硅的室溫發(fā)光、納米硅發(fā)光、稀土離子摻雜發(fā)光，再到最近幾年硅基拉曼激光器、III-V族硅混合激光器、鍺硅激光器和納米激光器等等，每一次的進(jìn)步都引起極大的關(guān)注。以上眾多的硅基發(fā)光方案中，目前最為成熟的是采用混合方式集成的片上光源，即利用鍵合工藝將III-V族材料轉(zhuǎn)移到SOI基底上。III-V族材料提供增益，而硅波導(dǎo)則形成諧振腔提供反饋。光在III-V有源層和硅波導(dǎo)層間的耦合可以通過使用倏逝波耦合或絕熱錐形過渡區(qū)實(shí)現(xiàn)。目前報(bào)道的諧振腔結(jié)構(gòu)主要有分布式反饋（DFB）、分布布拉格反射（DBR）和DBR與微環(huán)組合三種結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)中，最有優(yōu)勢(shì)的是DBR與微環(huán)組合所構(gòu)成的諧振腔，它可使激光輸出功率達(dá)到mW級(jí)以上，并且結(jié)構(gòu)十分靈活。一些復(fù)雜的激光器結(jié)構(gòu)如：波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器、多波長(zhǎng)激光器，均可通過DBR與微環(huán)組合所構(gòu)成的諧振腔來實(shí)現(xiàn)。除了通過以鍵合方式制作的混合集成激光器以外，還有一種是將半導(dǎo)體放大器（SOA）與硅波導(dǎo)端面耦合而形成的外腔激光器，它的工藝復(fù)雜程度可以顯著降低，該類型的激光器輸出功率可以高達(dá)20mW。必須指出，即使是目前最成熟的混合集成方案，在壽命、效率、熱穩(wěn)定性、與CMOS工藝的兼容性、集成度等方面還無法完全滿足光互連的需求。若能實(shí)現(xiàn)III-V激光器與硅光子芯片的單片集成，即在SOI上生長(zhǎng)高質(zhì)量的III-V外延層并制作激光器，必將極大地推進(jìn)硅基光電集成的進(jìn)程。

從目前硅基光電集成取得的進(jìn)展來看，SOI材料將是很好的平臺(tái)。III-V族半導(dǎo)體的納米線和量子點(diǎn)等將在激光器方面發(fā)揮重要作用，它們?nèi)绾胃哔|(zhì)量地生長(zhǎng)在SOI材料上并在此基礎(chǔ)上制備高效率的激光器將是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。另外，新興的二維材料如石墨烯也在光電集成中顯示出誘人的應(yīng)用前景。近年來，基于石墨烯的超快探測(cè)器（響應(yīng)時(shí)間僅幾十飛秒）和可與硅集成的、在熱穩(wěn)定性和光帶寬等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)硅調(diào)制器的石墨烯調(diào)制器都已有報(bào)道。顯然，如何在硅基上大面積且可控地生長(zhǎng)高質(zhì)量的二維材料是材料科學(xué)家們面臨的挑戰(zhàn)。

3.1.4超越CMOS時(shí)代的材料

隨著硅CMOS集成電路的特征線寬向亞10nm推進(jìn)，MOS晶體管溝道中的電子數(shù)將達(dá)到個(gè)位數(shù)的量級(jí)，這時(shí)器件的工作將面臨穩(wěn)定性差、噪聲、互連寄生電容導(dǎo)致低速、傳輸中界面和其它缺陷引起電子丟失等各方面的問題。另外，硅中施主附近的局域化電子的波爾半徑已接近器件的溝道寬度，這使得源/漏間隧道電流增加，這也成為傳統(tǒng)CMOS集成電路的主要問題。在這種情況下，探索新材料、新原理器件并實(shí)現(xiàn)集成是超越CMOS的必然之路，其主要研究方向?yàn)椋?/p>

（1）量子器件。當(dāng)器件的尺寸和電子波長(zhǎng)可以比擬時(shí)，量子效應(yīng)如：量子隧穿效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)、庫(kù)侖阻塞效應(yīng)等就顯示出重要性。基于這些效應(yīng)，可以發(fā)展出不同類型的量子器件，如單電子晶體管、量子元胞自適應(yīng)器件、量子存儲(chǔ)器等。事實(shí)上，1958年江崎（Esaki）就利用量子隧穿效應(yīng)制備了Ge隧道二極管。1970年代后，基于化合物半導(dǎo)體的超晶格和多量子阱在發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器中起著決定性的作用。因此，可以預(yù)計(jì)Ge、Si和以GaAs為代表的化合物半導(dǎo)體仍將在未來的量子器件中發(fā)揮重要作用，這些材料的量子點(diǎn)和量子線等將成為各種量子器件的基本載體。此外，以碳納米管為代表的納米材料也完全有可能在量子器件中找到實(shí)際的應(yīng)用。如何實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體量子點(diǎn)、量子線和碳納米管等量子材料的完全可控生長(zhǎng)將是材料領(lǐng)域的長(zhǎng)期努力方向。顯然，基于這些量子材料的器件制備技術(shù)在復(fù)雜性和困難程度上都將前所未有。

（2）半導(dǎo)體自旋電子學(xué)。電子（空穴）具有電荷和自旋兩種稟性。常規(guī)的電子學(xué)器件僅僅是利用電荷稟性來控制電子（空穴）的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生各種功能，而自旋電子學(xué)則是將電荷和自旋這兩種稟性綜合利用起來，實(shí)現(xiàn)新功能器件。在過去的近二十年中，基于金屬磁性材料的自旋電子學(xué)的標(biāo)志性成果就是巨磁阻硬盤，在計(jì)算機(jī)中已經(jīng)并將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。而半導(dǎo)體自旋電子學(xué)尚未得到實(shí)際應(yīng)用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，基于半導(dǎo)體自旋電子學(xué)有可能形成集存儲(chǔ)、探測(cè)、邏輯和通信等多種功能于一體的芯片。自旋相互作用的能量在毫電子伏特級(jí)，因此自旋電子學(xué)芯片的功耗可以很低。利用電子的自旋自由度作為信息的載體或量子位，有望應(yīng)用于量子信息和量子計(jì)算方面。稀磁半導(dǎo)體材料是自旋電子學(xué)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而具備室溫及以上的居里溫度則是這類材料能否得到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。摻雜磁性離子的寬禁帶半導(dǎo)體如GaP、GaN，ZnO和TiO2等在自旋電子學(xué)中有潛在的應(yīng)用。然而，這些稀磁半導(dǎo)體的磁性起源問題到目前為止尚未真正弄清楚，因而還沒有徹底解決稀磁半導(dǎo)體制備的可控性和重復(fù)性等關(guān)鍵問題。

（3）分子器件。達(dá)到僅若干納米尺度的另外一個(gè)方法就是使用分子作為電子器件。分子器件的天然優(yōu)勢(shì)在于在其特征尺寸為1-10nm的電活性結(jié)構(gòu)無需復(fù)雜和高成本的光刻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，其分子的形成和沉積僅需通過化學(xué)方法來完成并有可能消除制造公差。以有機(jī)半導(dǎo)體分子為代表的各種功能分子將在未來的分子器件中發(fā)揮重要作用。

3.2新存儲(chǔ)技術(shù)與新型存儲(chǔ)器材料

存儲(chǔ)技術(shù)在信息科技中發(fā)揮著不可替代的作用，是信息社會(huì)的重要基礎(chǔ)之一。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，互連網(wǎng)+、云存儲(chǔ)等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)在改變世界的同時(shí)，對(duì)信息存儲(chǔ)不斷提出新的技術(shù)要求。

3.2.1類腦存儲(chǔ)與新存儲(chǔ)技術(shù)

在過去的三十年中，摩爾定律為計(jì)算機(jī)以微縮為主導(dǎo)的發(fā)展模式提供了強(qiáng)大的推動(dòng)力，然近年來，由于微縮對(duì)工藝的挑戰(zhàn)已經(jīng)越來越大，這種傳統(tǒng)的微縮越來越難以維繼，預(yù)計(jì)在未來20年內(nèi)將抵達(dá)其各自的物理微縮極限。然而遠(yuǎn)在此之前，為微縮所付出的昂貴的研發(fā)成本、設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)成本等代價(jià)很可能導(dǎo)致摩爾定律的提前終結(jié)。當(dāng)摩爾定律逐漸失效的時(shí)候，如何繼續(xù)提高計(jì)算機(jī)的性能將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。另一方面，面向數(shù)值計(jì)算的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)也面臨著發(fā)展瓶頸。由于處理器和存儲(chǔ)器是分離的，它們之間的數(shù)據(jù)交換受限于通信總線的能力。在處理大型復(fù)雜問題上，編程困難且能耗高。同時(shí)，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不具備自我學(xué)習(xí)和進(jìn)化性，只能執(zhí)行預(yù)定義好的算法，導(dǎo)致在很多情況下，結(jié)果難以令人滿意。與之相對(duì)，在視覺識(shí)別、邏輯推理和決策等領(lǐng)域，無論是在速度、能耗、還是準(zhǔn)確性上，人腦仍遙遙領(lǐng)先當(dāng)前的計(jì)算機(jī)。

以相變存儲(chǔ)技術(shù)為代表的新型存儲(chǔ)技術(shù)，其存儲(chǔ)機(jī)理與傳統(tǒng)存儲(chǔ)完全不同，也為類腦存儲(chǔ)計(jì)算實(shí)現(xiàn)方案提供了新的思路，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）新存儲(chǔ)技術(shù)以納米功能材料作為存儲(chǔ)技術(shù)，通過材料結(jié)構(gòu)變化實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)，無需電荷維持，容量的提升不會(huì)帶來顯著的功耗負(fù)擔(dān)，為類腦計(jì)算提供低能耗硬件支持。

（2）新存儲(chǔ)技術(shù)讀寫速度快，延時(shí)低，且支持隨機(jī)訪問，相比其它存儲(chǔ)介質(zhì)能夠更為高效的支持并行計(jì)算和數(shù)據(jù)處理。

（3）新存儲(chǔ)技術(shù)基于納米材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息存儲(chǔ)，不受電荷限制和隧道效應(yīng)影響，存儲(chǔ)單元的微縮能力強(qiáng)，有利于構(gòu)建大容量、高復(fù)雜度的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

（4）新存儲(chǔ)技術(shù)多以電阻值為存儲(chǔ)狀態(tài)表征關(guān)鍵參數(shù)，通過對(duì)阻值的有效控制更容易形成多值存儲(chǔ)或非數(shù)字信息存儲(chǔ)，與大腦的記憶方式更為接近。

（5）新存儲(chǔ)技術(shù)提供非硅材料的存儲(chǔ)單元選通方法，有利于3D堆疊結(jié)構(gòu)的加工和應(yīng)用，因而對(duì)構(gòu)建復(fù)雜存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

（6）新存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)CMOS工藝的兼容性好，集成能力強(qiáng)，可以與計(jì)算邏輯緊密融合，對(duì)計(jì)算存儲(chǔ)一體、高并行度計(jì)算的支持也是其它存儲(chǔ)技術(shù)難以比擬的。

從這些新的特性可以看出，新存儲(chǔ)技術(shù)使得處理器和存儲(chǔ)器的融合成為可能，有望實(shí)現(xiàn)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的突破。

3.2.2嵌入式存儲(chǔ)技術(shù)

隨著傳感技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已逐漸從傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)中分離出來，成為大數(shù)據(jù)時(shí)代成長(zhǎng)最為迅速的產(chǎn)業(yè)之一。大量的傳感器將實(shí)時(shí)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)源源不斷的產(chǎn)生不僅給傳輸網(wǎng)絡(luò)造成了壓力，同時(shí)對(duì)后端數(shù)據(jù)整合處理服務(wù)器的性能也是提出了更為苛刻的要求。更重要的是，有很大比例的傳感器前端設(shè)備沒有固定的電源支持，難以維持穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和傳輸。后端集中式物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)對(duì)傳輸性能的要求過于苛刻，且難以保證體系的環(huán)境交互性和互操作性，在這種需求下，前端設(shè)備需要有一定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和數(shù)據(jù)處理能力。更高的系統(tǒng)性能要求和更低的功耗需求使得新的非易失存儲(chǔ)技術(shù)在該領(lǐng)域有了不可替代的作用，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）嵌入式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

物聯(lián)網(wǎng)前端設(shè)備由于有苛刻的體積和功耗需求，因此常常采用集成度高，且功耗低的微控制器作為主要工作芯片，新的非易失存儲(chǔ)相對(duì)NAND FLASH來說跟CMOS工藝兼容好，而又有相當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)密度，可以方便的嵌入到微控制器中，作為較大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，提升物聯(lián)網(wǎng)前端本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

（2）高性能數(shù)據(jù)隨機(jī)訪問能力支持?jǐn)?shù)據(jù)本地處理

現(xiàn)有的計(jì)算架構(gòu)中，數(shù)據(jù)必須保存在可隨機(jī)訪問的DRAM、SRAM等易失存儲(chǔ)介質(zhì)中才能夠被處理器或控制器用來做數(shù)據(jù)處理。由于新的非易失存儲(chǔ)支持隨機(jī)訪問，能夠被微控制器直接尋址，因此不必將數(shù)據(jù)復(fù)制到易失存儲(chǔ)器中，可以直接用來當(dāng)做工作內(nèi)存使用，良好支持?jǐn)?shù)據(jù)本地處理，提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

（3）系統(tǒng)極低功耗運(yùn)行

易失存儲(chǔ)器存儲(chǔ)需要電源支持，消耗電能大，非易失存儲(chǔ)在不使用時(shí)可以直接下電，有效節(jié)省電能消耗。另外，由于新的非易失存儲(chǔ)技術(shù)支持代碼原位執(zhí)行，和數(shù)據(jù)高速隨機(jī)訪問，無需擦除，因此很容易實(shí)現(xiàn)即時(shí)休眠和喚醒，大幅度降低微控制器的運(yùn)行時(shí)間，可以有效降低系統(tǒng)整體的功耗。

（4）本地存儲(chǔ)減輕傳輸壓力

由于傳感器前端本地?fù)碛写鎯?chǔ)和數(shù)據(jù)處理的能力，因此，數(shù)據(jù)不必實(shí)時(shí)回傳至后端，顯著降低了傳輸?shù)膸捄头€(wěn)定性要求。本地存儲(chǔ)與本地?cái)?shù)據(jù)處理能力的結(jié)合，使得傳感器前端更為“智能化”，能夠接受其它前端或設(shè)備的指令并作出反饋和響應(yīng)，數(shù)據(jù)傳輸多只涉及命令和結(jié)果的傳輸，在提高系統(tǒng)靈活性的同時(shí)，也減輕了傳輸?shù)膲毫Α?/p>

由此可以看出，嵌入式新存儲(chǔ)技術(shù)也在物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施過程中起著十分重要的作用，二者相互支撐將加速這兩種新技術(shù)的實(shí)用化和普及應(yīng)用。

3.2.3新型存儲(chǔ)器材料

FLASH存儲(chǔ)技術(shù)從概念提出至今已逾40年，如今它正面臨著達(dá)到物理極限的挑戰(zhàn)，難以勝任更低功耗、更高密度和更快速度的信息存儲(chǔ)。在此情況下，若干新原理存儲(chǔ)器應(yīng)運(yùn)而生，阻性存儲(chǔ)器、相變存儲(chǔ)器、STTMRAM（自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器）是典型代表。其中，基于電子自旋的STTMRAM作為新一代的MRAM，將是取代DRAM和SRAM的主要內(nèi)存技術(shù)；2015年1月的市場(chǎng)分析認(rèn)為，一旦其成本降低，STTMRAM最早將于2018年開始逐步替代DRAM。而基于雙穩(wěn)態(tài)電阻轉(zhuǎn)換的阻性存儲(chǔ)器（RRAM）作為集動(dòng)態(tài)/靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和浮柵存儲(chǔ)器功能為一體的通用存儲(chǔ)器，是NAND技術(shù)后的下一代非易失性存儲(chǔ)（NVM）技術(shù)；據(jù)2015年市場(chǎng)報(bào)告預(yù)計(jì)，1Tb的RRAM產(chǎn)品有望在2018年問世，一旦如此，RRAM技術(shù)將于2020年前全面進(jìn)入海量存儲(chǔ)器市場(chǎng)。目前，業(yè)界普遍認(rèn)為RRAM是非易失性存儲(chǔ)器下一輪競(jìng)賽中的領(lǐng)先者。

（1）氧化還原型阻性存儲(chǔ)器及其材料

該類存儲(chǔ)器包括兩類，即：基于金屬陽(yáng)離子行為的EMB或CBRAM（電化學(xué)金屬化橋存儲(chǔ)器，有的也稱之為可編程金屬化單元PMC）和基于氧陰離子的VCM（valence change memory，價(jià)態(tài)改變型存儲(chǔ)器）。

圖3-5　Micron發(fā)布的27nm技術(shù)的16 Gb Cu CBRAM

EMB阻性存儲(chǔ)器通常采用活性電極-離子導(dǎo)體-惰性電極系統(tǒng)，電化學(xué)活性材料如Ag或Cu可制成活性電極，惰性電極采用W或Pt等，離子導(dǎo)體可以是固體電解質(zhì)薄膜（如：銀硫系化合物Ag2S和 Cu2S等），也可以是氧化物（如ZrO2）。其中的導(dǎo)電細(xì)絲或金屬化橋的形成依賴于活性金屬的電化學(xué)反應(yīng)。這類RAM技術(shù)可滿足固態(tài)硬盤，嵌入式非易失性存儲(chǔ)器等多樣市場(chǎng)需求。2012年，已經(jīng)有基于EMB的串行非易失性存儲(chǔ)器商業(yè)產(chǎn)品問世。2015年2月，Micron發(fā)布了采用27 nm技術(shù)制造的 16 Gb的Cu CBRAM芯片（見圖3-5）。

此外，EMB RRAM備受關(guān)注的是其電化學(xué)反應(yīng)調(diào)控的可重構(gòu)開關(guān)，它不僅可以作為突觸元件應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（見圖3-6），而且與其它系統(tǒng)的集成能夠提供更為豐富的功能。例如：2014年報(bào)道了一種集成了阻性存儲(chǔ)器的超級(jí)電容器系統(tǒng)，其放電過程的穩(wěn)定性獲得大幅提升。

依賴于氧陰離子（或氧空位）的VCM阻性存儲(chǔ)器根據(jù)阻態(tài)轉(zhuǎn)變行為又分為金屬氧化物雙極型（MO-BF）RRAM和金屬氧化物單極型（MO-UF）RRAM兩類。前者一般采用雙層氧化物結(jié)構(gòu)，其中至少一層是非化學(xué)計(jì)量比的氧化物薄膜，例如可商業(yè)化的Ta2O5-x/tao2-x結(jié)構(gòu)。2012年，松下展示了一個(gè)8 Mb的taoxRRAM，它具有 8.2 ns的寫入脈沖速度和443 Mb/s的速率。2013年初，東芝公司發(fā)布了與24nm CMOS相集成的32Gb RRAM存儲(chǔ)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處理器。另一類MO-UF RRAM也被稱作為熱化學(xué)存儲(chǔ)器（TCM），采用的介質(zhì)材料為niox、hfox等，電極一般選用tin、Pt和W等。與前述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)不同，MO-UF器件不依賴結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱性來實(shí)現(xiàn)阻性存儲(chǔ)，而且其寫/擦電壓極性相同，因此在制備小尺寸存儲(chǔ)陣列方面具有優(yōu)勢(shì)，此外，其單一電壓極性的編程方式也大大簡(jiǎn)化了電路。

圖3-6　基于Ag2S憶阻器的類突觸記憶強(qiáng)化功能

（2）鐵電隧道結(jié)（FTJ）存儲(chǔ)器及其材料

常見的鐵電隧道結(jié)采用金屬/超薄鐵電薄膜/金屬這樣的三明治結(jié)構(gòu)，幾納米厚的鐵電層作為電子隧穿勢(shì)壘，其自發(fā)極化翻轉(zhuǎn)使得勢(shì)壘高度發(fā)生明顯變化，從而在隧道結(jié)中獲得高、低兩個(gè)電阻態(tài)。鐵電極化的快速翻轉(zhuǎn)能力使得鐵電隧道結(jié)阻性存儲(chǔ)器在快速度、低功耗等方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，比如：其讀電壓通常僅為100 mv，寫操作的能量可以降低到10 fj/bit。FTJ因受限于低的隧穿電阻開關(guān)比一度遭遇技術(shù)瓶頸，后來通過巧妙設(shè)計(jì)鐵電異質(zhì)結(jié)構(gòu)跨越了這一障礙，2013年報(bào)道了一種新結(jié)構(gòu)的batio3FTJ存儲(chǔ)器，將其中一端的金屬電極用鐵電半導(dǎo)體替代，從而實(shí)現(xiàn)鐵電自發(fā)極化翻轉(zhuǎn)對(duì)勢(shì)壘高度和寬度的同時(shí)調(diào)控，獲得異常增強(qiáng)的隧道結(jié)電阻開關(guān)比。而且，此類鐵電異質(zhì)結(jié)構(gòu)的阻態(tài)取決于鐵電疇結(jié)構(gòu)，通過微結(jié)構(gòu)調(diào)控能夠?qū)崿F(xiàn)可控的準(zhǔn)連續(xù)阻態(tài)變化，這是實(shí)現(xiàn)人工認(rèn)知的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用FTJ可以執(zhí)行“類腦”的編碼、訓(xùn)練、識(shí)別等功能。

（3）Mott存儲(chǔ)器及其材料

利用Mott絕緣體材料在外界刺激（光、熱、電）下發(fā)生金屬態(tài)-絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變從而實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)。VO2和nbo2是其中的代表性材料，這些材料不但具有刺激依賴的電阻調(diào)控能力，而且能夠獲得刺激依賴的電容調(diào)控，因此可以執(zhí)行多環(huán)節(jié)、跨領(lǐng)域的復(fù)雜任務(wù)。2009年Science報(bào)道的諧振頻率即時(shí)可調(diào)的諧振器，正是利用了VO2Mott憶容器對(duì)電容的調(diào)控特性。2014年美國(guó)UC Berkley報(bào)道了一種集成了Mott存儲(chǔ)器的可扭轉(zhuǎn)的人工微肌肉系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了VO2憶阻器對(duì)電阻的即時(shí)調(diào)控特性，對(duì)扭矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制（見圖3-7）。這種人工微肌肉系統(tǒng)使具有反饋、響應(yīng)和自適應(yīng)等能力的未來智能機(jī)器人成為可能。

圖3-7　集成了VO2Mott憶阻器的可扭轉(zhuǎn)的人工微肌肉系統(tǒng)

（4）聚合物阻性存儲(chǔ)器

該類存儲(chǔ)器充分發(fā)揮了聚合物材料可彎曲與可延展性以及易于圖案化加工的特點(diǎn)，能夠與電子皮膚系統(tǒng)無縫對(duì)接，在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，使可穿戴通訊、處理與存儲(chǔ)技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。此外，柔性阻性存儲(chǔ)器在醫(yī)療診斷領(lǐng)域也嶄露頭角。2014年Nature Nanotechnology報(bào)道了阻變存儲(chǔ)器件與藥物緩釋器件集成的電子皮膚系統(tǒng)（如圖3-8所示）。

該系統(tǒng)利用傳感元件實(shí)時(shí)監(jiān)控患者的生理體征，通過阻性存儲(chǔ)元件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、對(duì)比并反饋至藥物釋放驅(qū)動(dòng)元件，使可穿戴的診療及保健系統(tǒng)不再只是科幻作品中的想象。

圖3-8　阻變存儲(chǔ)器件與藥物緩釋器件集成的電子皮膚系統(tǒng)

3.3信息材料的發(fā)展方向

3.3.1多功能及智能化的傳感器材料

多功能及智能化傳感材料涉及多種學(xué)科的技術(shù)融合。例如在同一芯片上，或?qū)⒈姸嗤活愋偷膫鞲胁牧献龀蓡蝹€(gè)傳感器件并集成為一維線型、二維陣列（面）型傳感器，因而具備單一器件所不具備的功能，例如時(shí)序檢測(cè)；或者將不同敏感機(jī)理的材料通過適當(dāng)?shù)膹?fù)合工藝，使之成為一種對(duì)不同參數(shù)敏感的材料。

智能化傳感材料可以與微處理器進(jìn)行片上集成，不但能夠執(zhí)行信息采集、信息處理和信息存儲(chǔ)，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系統(tǒng)。如分布式實(shí)時(shí)探測(cè)、網(wǎng)絡(luò)探測(cè)和多信號(hào)探測(cè)材料。由智能傳感材料構(gòu)成的傳感系統(tǒng)不僅可包括傳感器、變送器，還可包括執(zhí)行器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能化傳感器不但能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行處理、分析和調(diào)節(jié)，能夠?qū)λ鶞y(cè)的數(shù)值及其誤差進(jìn)行補(bǔ)償，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷，能夠借助于一覽表對(duì)非線性信號(hào)進(jìn)行線性化處理，借助于軟件濾波器濾波數(shù)字信號(hào)。

其次，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息量激增，要求捕獲和處理信息種類、精度不斷增加，對(duì)于傳感器性能指標(biāo)的要求也越來越高；隨著智能穿戴設(shè)備的發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的大體積弱功能傳感器很難滿足上述要求，因此，傳感材料也向高靈敏度、微小型化發(fā)展。例如高靈敏的半導(dǎo)體敏感材料，具有體積小、重量輕、反應(yīng)快、靈敏度高、可高度片上集成以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。

就目前的技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)，微型傳感器已經(jīng)不僅僅用于軍工、航天等傳統(tǒng)高技術(shù)領(lǐng)域，而且在大眾日常生活中產(chǎn)生巨大應(yīng)用，如醫(yī)療、通信、健康、家居等方面，如圖3-9所示。目前開發(fā)并進(jìn)入實(shí)用階段的微型傳感器已可以用來測(cè)量各種物理量、化學(xué)量和生物量，如位移、速度、加速度、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、聲、光、電、磁、熱、PH值、離子濃度及生物分子濃度等。

圖3-9　微型傳感器的應(yīng)用

3.3.2可見光通信在未來發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)

3.3.2.1 發(fā)射、接收帶寬拓展技術(shù)及其集成

通信產(chǎn)品林林總總，描述通信協(xié)議的文字更是千言萬(wàn)語(yǔ)說不清，不過萬(wàn)變不離其中，通信離不開發(fā)射和接收。可見光通信系統(tǒng)發(fā)送模塊由調(diào)制電路、LED驅(qū)動(dòng)電路、LED光源組成。接收模塊包括光學(xué)透鏡、光電探測(cè)放大電路和解調(diào)電路組成。

根據(jù)照明的需要，目前大部分用于照明的LED燈都采用了藍(lán)光管芯激發(fā)黃色YAG熒光粉的發(fā)光方案。受到熒光粉余輝遲滯效應(yīng)的影響，如果在數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端不加任何處理，直接用該系統(tǒng)作為收發(fā)鏈路，則通信速率一般不會(huì)大于5Mbps。這個(gè)通信速度顯然和可見光通信的優(yōu)點(diǎn)——寬帶高速極為不相稱。為了突破這一速率瓶頸，在發(fā)送端，需要對(duì)發(fā)送信息進(jìn)行“預(yù)加重”，即讓傳遞信息頻域部分，低頻的幅度相對(duì)小，高頻的幅度相對(duì)大，彌補(bǔ)熒光型LED難以發(fā)送高頻信息的不足；同時(shí)在接收端，采用“前均衡”，即在放大電路中，讓高頻部分增益更高，低頻的增益相對(duì)低，從而進(jìn)一步拓展收發(fā)鏈路的帶寬。如圖3-10為可見光通信的物理層收發(fā)鏈路圖。

要讓這一系統(tǒng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶，成為大眾生活的一部分，小型化是不可或缺的?？梢姽馔ㄐ攀枪饴泛碗娐返幕旌舷到y(tǒng)，在發(fā)送端，涉及到信號(hào)預(yù)加重處理和LED的功率驅(qū)動(dòng)；在接收端，涉及到透鏡聚焦和光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理。如何把這一系統(tǒng)集成在手機(jī)、汽車大燈里，也是亟待解決的問題。

圖3-10　可見光通信的物理層收發(fā)鏈路

3.3.2.2 編碼與調(diào)制

1824年，英國(guó)的彼德馬克羅格特在《移動(dòng)物體的視覺暫留現(xiàn)象》中發(fā)表了他的“視覺暫留理論”。人眼在觀察景物時(shí)，光信號(hào)傳入大腦神經(jīng)，而當(dāng)光的作用結(jié)束后，視覺形象卻并不立即消失，會(huì)保持一段時(shí)間，這種殘留的視覺稱“后像”，而視覺的這一現(xiàn)象稱為“視覺暫留”。光作用在視網(wǎng)膜上，人的視神經(jīng)有一段反應(yīng)時(shí)間，因此，當(dāng)物體快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，即使影像消失，人眼依然能保留其影像0.1～0.4秒左右的時(shí)間。中國(guó)的走馬燈便是視覺暫留現(xiàn)象的運(yùn)用。日常生活中也有許多視覺暫留的現(xiàn)象，如小孩玩的激光筆，當(dāng)你用激光筆在空中快速劃動(dòng)，正對(duì)著你的人能看到你在空中作的“畫”，劃動(dòng)的速度越快，看到的畫就越完整。而視覺暫留最典型的應(yīng)用是動(dòng)畫和電影。電影和動(dòng)畫原本都是一幅幅單獨(dú)的畫面，當(dāng)多幅畫面連續(xù)快速放映時(shí)，由于上一幅畫面在人眼視網(wǎng)膜上的影像能持續(xù)一段時(shí)間，因此下一幅畫面出現(xiàn)時(shí)能剛好與上一幅畫面銜接上，就形成了連續(xù)的動(dòng)作。

可見光通信之所以能夠?qū)⒄彰骱屯ㄐ畔嘟Y(jié)合，也要?dú)w功于這種視覺暫留現(xiàn)象。LED具有快速通斷的特性，能夠被高速調(diào)制，當(dāng)利用光強(qiáng)來進(jìn)行信號(hào)調(diào)制時(shí)，即使燈光在閃爍——以便傳輸調(diào)制信號(hào)，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，當(dāng)燈光處于滅的狀態(tài)時(shí)，只要上一刻的光在視網(wǎng)膜上的影像還未消退，就無法察覺，從而形成燈光亮度“穩(wěn)定”的錯(cuò)覺。像動(dòng)畫和電影的制作一樣，LED燈的“穩(wěn)定照明”也是需要滿足一定條件的。LED燈具在發(fā)送信息時(shí)，需要保持“明”（代表二進(jìn)制的“1”），暗（代表二進(jìn)制的“0”）的相對(duì)穩(wěn)定，不出現(xiàn)過長(zhǎng)的“明”或“暗”，保證照度穩(wěn)定，人眼也會(huì)感覺更為舒適。

在通信系統(tǒng)中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號(hào)所需的帶寬要寬得多。如果一個(gè)信道只傳送一路信號(hào)是非常浪費(fèi)的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復(fù)用的方法。特別是要實(shí)現(xiàn)類似于基站或者WiFi熱點(diǎn)等一對(duì)多的應(yīng)用，復(fù)用技術(shù)必不可少。此外，在寬帶無線通信系統(tǒng)中，影響高速信息傳輸?shù)淖钪饕活惛蓴_是頻率選擇性干擾。它表現(xiàn)為對(duì)信號(hào)的某些頻率成分衰減嚴(yán)重，而對(duì)另外一些頻率成分有較高的增益。為克服這類衰落，一個(gè)很自然的想法是在信道上劃分多個(gè)子信道，使每一個(gè)子信道的頻率特性都近似于平坦，使用這些獨(dú)立的子信道傳輸信號(hào)并在接收機(jī)中予以合并，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻率分集，這就是多載波調(diào)制的基本思想。

正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)就是這樣一種多載波傳輸方案，它可以被看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解成若干個(gè)子比特流，這樣每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣的低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號(hào)再去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。將OFDM技術(shù)應(yīng)用到可見光通信系統(tǒng)中，可以很明顯的提高可見光通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，對(duì)抗可見光通信對(duì)于遮擋和干擾敏感等缺點(diǎn)。

3.3.2.3 應(yīng)用軟件

將可見光通信系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智慧城市結(jié)合，離不開終端應(yīng)用軟件。以可見光室內(nèi)定位為例，移動(dòng)終端需要把重力感應(yīng)器給出人臉朝向、手機(jī)陀螺儀給出加速度方向以及手機(jī)攝像頭抓拍的場(chǎng)景，綜合考慮，通過優(yōu)化導(dǎo)航算法，實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航。室內(nèi)LED定位導(dǎo)航系統(tǒng)需要在iOS或Android平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，還要對(duì)手機(jī)攝像頭參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以便在iOS或Android平臺(tái)正確解碼，并且使用圖像處理進(jìn)行精確定位，結(jié)合手機(jī)慣性導(dǎo)航技術(shù)，與燈光定位導(dǎo)航進(jìn)行補(bǔ)償定位。可靠易用的終端軟件，是可見光通信培養(yǎng)用戶習(xí)慣、進(jìn)入大眾日常生活不可或缺的一環(huán)。

3.3.3激光技術(shù)的多元化、廣泛化應(yīng)用

3.3.3.1 顯示方面

在激光顯示方向中，小體積、高亮度激光光源是激光顯示研究的核心，未來在小體積、高功率、高亮度半導(dǎo)體激光源技術(shù)上的突破，將推動(dòng)激光顯示的快速發(fā)展。超大屏幕激光顯示技術(shù)代表著顯示技術(shù)未來發(fā)展的趨勢(shì)和主流方向，是未來激光顯示領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

3.3.3.2 材料加工方面

激光應(yīng)用于材料加工方向之激光切割技術(shù)在未來發(fā)展趨勢(shì)主要包括：①高速、高精度激光切割，實(shí)現(xiàn)真正意義上的飛行切割技術(shù)；②厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割：隨著可用于激光切割的激光器功率的增大，激光切割正從輕工業(yè)薄板的鈑金加工向著重工業(yè)厚板切割方向發(fā)展；③三維立體多軸數(shù)控激光切割機(jī)，正向高效率、高精度、多功能和高適應(yīng)性方向發(fā)展，其應(yīng)用范圍將會(huì)愈來愈大。

激光焊接以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)將在高精細(xì)焊接領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭，解決目前無法解決的特殊材料及不同材料間的連接問題，重新定義結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，在裝備制造中，徹底打破材料件的選擇局限性，如我們可以將金屬與非金屬實(shí)現(xiàn)材料間的連接，有機(jī)材料與無機(jī)材料間的連接，徹底打破人們的傳統(tǒng)思維理念。

未來的激光清洗從研究應(yīng)用領(lǐng)域上仍會(huì)朝著以下三個(gè)主要方面發(fā)展：①更精密清洗，清除精細(xì)基底表面微米、納米級(jí)，甚至更小尺寸的污染物，使其達(dá)到很高的潔凈度，例如，清洗電子線路板、半導(dǎo)體元件、硅片等；②清洗大型物體，例如清洗大型雕塑、建筑物、文物等；③用于在線清洗，例如飛機(jī)脫漆、清洗汽車輪胎模具等。

3.3.3.3 激光探測(cè)方面

激光探測(cè)技術(shù)中，PPG技術(shù)可應(yīng)用于多種商用醫(yī)療設(shè)備，如脈搏血氧儀、血管診斷和beat-to-beat數(shù)字血壓測(cè)量系統(tǒng)。低成本、操作簡(jiǎn)便，無創(chuàng)性，性能穩(wěn)定、安全無交叉感染等許多優(yōu)點(diǎn)，將使其不僅在醫(yī)院的臨床檢測(cè)、監(jiān)護(hù)中得到廣泛應(yīng)用，而且也可用于社區(qū)和家庭的醫(yī)療保健。由于該技術(shù)還可配備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使其具有聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展功能，從而可以用來組建家庭社區(qū)和醫(yī)院的醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)，這將會(huì)在未來物聯(lián)網(wǎng)中的智能醫(yī)療的發(fā)展中占據(jù)著重要地位。另外，它還可應(yīng)用于航天員的生理參數(shù)檢測(cè)，在這些方面將都會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

另外，隨著激光全息技術(shù)本身的進(jìn)步和與計(jì)算機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、CCD器件、新型液晶顯示屏、空間光調(diào)制器、因特網(wǎng)和自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷綜合運(yùn)用，激光全息技術(shù)的發(fā)展能夠開拓出更多的應(yīng)用領(lǐng)域和更加巨大的應(yīng)用市場(chǎng)，人們?cè)O(shè)想的全息電影、全息攝像機(jī)、全息放映機(jī)等等，也許將來會(huì)不斷變成現(xiàn)實(shí)。

3.4柔性印刷電子材料快速發(fā)展

新世紀(jì)以來，尤其是新世紀(jì)的第二個(gè)十年以來，柔性電子技術(shù)蓬勃發(fā)展，而由此發(fā)展起來的柔性電子設(shè)備，亦是方興未艾。智能可穿戴設(shè)備便是重要的應(yīng)用。柔性電子設(shè)備已在新型能源設(shè)備，疾病預(yù)防與治療，智能手機(jī)，大尺寸顯示屏幕，航空航天等領(lǐng)域嶄露頭角。柔性可攜帶儲(chǔ)能電池，柔性超級(jí)電容器已有初步的產(chǎn)品；生物可兼容的柔性傳感器，在心臟疾病監(jiān)測(cè)，脈搏感應(yīng)，腦電波探測(cè)等發(fā)揮了初步作用；風(fēng)靡一時(shí)的小米手環(huán)，由于其物美價(jià)廉，可以說是走入國(guó)人生活的第一款可穿戴設(shè)備，主要功能包括查看運(yùn)動(dòng)量，監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量，智能鬧鐘喚醒等，還可以通過云端識(shí)別更多的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目；早前美國(guó)谷歌公司推出的谷歌眼鏡，蘋果公司的智能手表等也在市場(chǎng)上引起了不小的反響；有機(jī)發(fā)光二極管，也在顯示發(fā)光領(lǐng)域得到了初步的應(yīng)用；在航天領(lǐng)域，柔性電子設(shè)備由于形狀可控、節(jié)省空間也已得到了一些應(yīng)用。

伴隨柔性印刷電子技術(shù)的發(fā)展，未來也將會(huì)有越來越多傳統(tǒng)電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)柔性化、智能化、可穿戴化、人體可適用性等等，走入人類社會(huì)的方方面面，從而改變?nèi)祟惖纳罘绞?。具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）柔性材料類別、性能得到進(jìn)一步開發(fā)，柔性顯示技術(shù)得到廣泛發(fā)展

目前在印刷電子領(lǐng)域，常用的柔性材料通常為有機(jī)材料，包括PI（聚酰亞胺），PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯），PEN（聚乙烯奈），PEI（聚醚酰亞胺），透明導(dǎo)電聚酯等等。2049年，現(xiàn)有有機(jī)材料的性能，將會(huì)得到極大的提高。例如目前有機(jī)半導(dǎo)體遷移率最大值1cm2V-1s-1，到時(shí)我們可開發(fā)出媲美單晶硅遷移率103cm2V-1s-1的有機(jī)半導(dǎo)體。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)柔性材料，石墨烯，硫化鉬等二維材料，碳納米管，納米線等一維材料將走向成熟。而且新型的無機(jī)柔性材料也將會(huì)進(jìn)入我們的應(yīng)用領(lǐng)域。

得益于有機(jī)發(fā)光二級(jí)管等材料技術(shù)的發(fā)展，未來30年，柔性顯示技術(shù)必將得到深入而廣泛的發(fā)展，也將會(huì)不僅僅限于有機(jī)材料，呈現(xiàn)多元化，智能化的特點(diǎn)。柔性顯示屏幕將走入市場(chǎng)，甚至成為顯示屏幕的主流產(chǎn)品。比如制作大尺寸的柔性顯示屏幕，日常柔性電子產(chǎn)品的顯示屏等。

（2）印刷電路的性能得到極大提高

印刷電路是實(shí)現(xiàn)柔性電子技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵。相比于極其復(fù)雜，動(dòng)輒成本上億美元的硅基集成電路制造產(chǎn)業(yè)，印刷電路是一種低成本印刷制造電路的方法。而限制印刷電路性能的是它的有機(jī)印刷材料，其電學(xué)性能往往很難達(dá)到制作電路或者元器件的要求。新型無機(jī)納米材料，高性能碳納米管，高性能石墨烯等應(yīng)用為印刷材料，是解決這一問題的重要途徑。到2049年，隨著新材料的研發(fā)使用，我們有理由相信，2049年印刷電路的性能，將能滿足制作復(fù)雜電路的要求。

（3）新型能源設(shè)備將會(huì)出現(xiàn)

2049年，隨著柔性印刷電子技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)許多使用效率高，空間占有率高，便攜式的新型能源設(shè)備。比如我們可以將柔性的太陽(yáng)能電池，制作成大樹的形狀，從而來提高采光效率；可以將柔性電池，柔性電容器等制作在衣服上；可以用人類走路，心臟跳動(dòng)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)來發(fā)電。同時(shí)，在航空領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用，衛(wèi)星在升空階段可以將柔性太陽(yáng)能電池卷曲，到達(dá)指定軌道后，再將電池展開。這種柔性太陽(yáng)能電池比現(xiàn)階段的硅基太陽(yáng)能電池板，更省空間，能制作更大表面積的太陽(yáng)能電池。鋰電池，電容器的柔性化，可便于我們攜帶，甚至可以將我們衣服的某一部分制作為電池，從而方便使用。

（4）可穿戴智能設(shè)備成為人們生活的一部分

前文提到目前市場(chǎng)上頗具影響力的小米手環(huán)，谷歌眼鏡等，到2049年，隨著柔性印刷電子技術(shù)發(fā)展成熟，將會(huì)有更多，更成熟，人體適用性更好的智能可穿戴設(shè)備走入人類生活的方方面面。例如有了柔性化便攜化的電腦，人們像攜帶現(xiàn)在紙張一樣的對(duì)待電腦，這樣就可以隨時(shí)隨辦公，擺脫辦公室的束縛；柔性化的手機(jī)，我們可以卷起來放在兜里，甚至直接貼在衣服上；我們還可以利用太陽(yáng)能，制作柔性可穿戴的發(fā)電機(jī)，將自身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能，轉(zhuǎn)化為電能；其他一些常用電子設(shè)備也可實(shí)現(xiàn)柔性化，例如壓力傳感器，氣敏傳感器，光電探測(cè)器等等。新型的柔性便攜電子產(chǎn)品，將改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ睢?/p>

（5）電子產(chǎn)業(yè)的顛覆性革命

到2049年，得益于柔性印刷電子技術(shù)的發(fā)展，眾多的電子產(chǎn)品均可實(shí)現(xiàn)柔性化，可穿戴化，這就改變了他們的傳統(tǒng)形態(tài)。而這些電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，將會(huì)引發(fā)電子產(chǎn)業(yè)的顛覆性革命，產(chǎn)生巨大的市場(chǎng)前景。從而引發(fā)新型的產(chǎn)業(yè)形式，促進(jìn)就業(yè)，有利于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?？梢院敛豢鋸埖恼f，這將會(huì)是第五次信息技術(shù)革命的重要組成部分。

4　未來的電子信息材料與人類生活

隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展以及人類生活水平的不斷提高，實(shí)現(xiàn)人與信息的有效融合從而加速社會(huì)信息化是未來科技的一大發(fā)展趨勢(shì)。集成電路將不斷向縱深發(fā)展；視聽產(chǎn)品進(jìn)一步向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展；通信技術(shù)仍將繼續(xù)向?qū)拵Щ?、無線化、IP化、融合化發(fā)展，通信與網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢(shì)進(jìn)一步明顯；計(jì)算機(jī)正面臨體系結(jié)構(gòu)的變遷，持續(xù)向高性能、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向演進(jìn)；顯示器件大屏幕、高清晰、平板化、低輻射、低能耗及輕薄化已成趨勢(shì)；更加新型的、智能的、便攜式的、高速的、環(huán)保節(jié)能的、可穿戴的或可植入人體的電子產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，電子信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)展。同時(shí)，各種新材料在眾多新一代整機(jī)需求的驅(qū)動(dòng)下將蓬勃發(fā)展。可以說，未來電子信息科技將使人類生活發(fā)生翻天覆地的變化。

4.1電子信息材料與技術(shù)改變?nèi)祟惿?/p>

（1） 高性能計(jì)算機(jī)與類腦存儲(chǔ)

微納電子技術(shù)在后摩爾時(shí)代的不斷發(fā)展將可能使未來的芯片匯集計(jì)算、存儲(chǔ)、通信和信息處理等多種功能，推動(dòng)計(jì)算技術(shù)發(fā)生革命性的變化。高性能計(jì)算機(jī)（超級(jí)服務(wù)器）的性能在未來近40年中將再增長(zhǎng)1～10億倍，預(yù)計(jì)2020年運(yùn)算速度將達(dá)到每秒1018次，2040年可能達(dá)到1021次，2050年達(dá)到1024次。高端客戶機(jī)的速度將在2020年達(dá)到1012次，2040年達(dá)到1014次，2050年達(dá)到1017次。計(jì)算機(jī)性能在數(shù)量級(jí)上的不斷提升對(duì)人類社會(huì)的正面影響是不言而喻的，大到制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)劃、小到個(gè)人所得到的各種服務(wù)信息如天氣預(yù)報(bào)等，在合理性和精確度上都將得到極大的改善。

在大數(shù)據(jù)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，“馮·諾依曼瓶頸”對(duì)數(shù)據(jù)傳輸效率的限制日益凸顯。而借鑒大腦處理信息原理的“類腦”技術(shù)，則可跳出馮·諾依曼框架，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算處理與存儲(chǔ)相融合?！邦惸X”芯片一旦實(shí)現(xiàn)，它的功率可能只有幾十瓦，卻能擁有媲美超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。2014年IBM研制的尖峰神經(jīng)元電路可謂邁出了重要一步（如圖4-1所示），它能夠每秒處理30幀400×240像素的影像，而芯片僅需63毫瓦的功耗?！邦惸X”技術(shù)還使具有仿生“感知-編碼-處理-反饋-反應(yīng)”能力的智能傳感系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。高精度的壓力傳感器、光傳感器等技術(shù)滿足了電子皮膚、人造視網(wǎng)膜等系統(tǒng)對(duì)感受器功能的要求，與“類腦”人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相集成，將會(huì)使這些感知系統(tǒng)具有反饋、自適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)等高級(jí)功能。

圖4-1　IBM研制的TrueNorth架構(gòu)的尖峰神經(jīng)元電路

（2）智能芯片與人體健康

隨著生物相容性傳感器和柔性材料技術(shù)的發(fā)展，電子芯片植入人類身體不再只是停留于電影幻想中，人類的感官修復(fù)也不再是夢(mèng)想。可以感受溫度、壓力、風(fēng)速、紫外線的智能皮膚，不僅可以用于修復(fù)受損部位，在正常人體的某些部位植入（例如手腕），可以代替目前使用的智能手環(huán)，皮膚的溫度靈敏度可以精確到0.01度，體溫計(jì)只屬于博物館。人工視網(wǎng)膜不僅可以看到可見光波段，也能像紅外攝像機(jī)一樣具有也是功能。而探測(cè)波段則可根據(jù)客戶的要求定制。配合高靈敏度的人工耳蝸材料，“順風(fēng)耳、千里眼”不再是神話。這些想法聽起來有些瘋狂，但不可否認(rèn)的是，不遠(yuǎn)的將來，如圖4-2，植入芯片會(huì)像打防疫針一樣變得稀松平常。

圖4-2　植入我們身體中的芯片

另外，隨著醫(yī)療水平的提高，植入柔性的醫(yī)療電子器件與相應(yīng)組織器官將具有更高的結(jié)合度，使其更貼近、更適合柔性組織器官的結(jié)構(gòu)。從植入式心臟起搏器、植入式心房除顫器，到用于帕金森病、癲癇、老年癡呆等神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療的植入式腦起搏器及電極等，這將為治療心腦系統(tǒng)疾病及人類健康做出重要貢獻(xiàn)。

（3）便捷的電子服裝

未來的人類只需一套服裝，這套服裝的顏色、形狀、尺寸可以按照需求自由變換。電子服裝還能檢測(cè)外界的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)來智能調(diào)節(jié)衣服的不同功能來維持人體處于最佳狀態(tài)。另外，自清潔功能和高壽命也是電子衣的一大亮點(diǎn)。電子服裝還能夠監(jiān)控人們的健康狀況，制造衣服所需的纖維都是導(dǎo)電體，這種服裝還可以作為孕婦裝，用來時(shí)時(shí)檢測(cè)胎兒的心跳和胎動(dòng)；老年人還可以利用這種服裝隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)血壓和脈搏等。

（4）隨處可見的柔性顯示系統(tǒng)

未來的柔性顯示材料具有可彎曲、超輕薄、低功耗、高耐用以及便攜性等優(yōu)勢(shì)，滿足可穿戴設(shè)備對(duì)于屏幕顯示的需求。就像圖4-3中的柔性顯示屏和觸摸屏的規(guī)模化生產(chǎn)，使得薄如蟬翼的顯示屏可以任意方向和弧度進(jìn)行彎曲，甚至卷起來或者折疊，同時(shí)還兼?zhèn)鋬?yōu)質(zhì)的顯示效果。未來的眼鏡、配飾、智能手表、健康監(jiān)視腕帶等可穿戴設(shè)備將成為繼電視、電腦、手機(jī)之后的第四平臺(tái)，成為信息娛樂與社交分享、醫(yī)療及軍用等領(lǐng)域的主流。這些可穿戴設(shè)備不僅自身具備計(jì)算和存儲(chǔ)功能，還可連接手機(jī)等各類終端成為便攜式的配件。

圖4-3　柔性屏幕手機(jī)

（5）車聯(lián)網(wǎng)與人工智能汽車

智能汽車與無人駕駛應(yīng)用的場(chǎng)景非常復(fù)雜，為保證無人駕駛的安全，對(duì)行車環(huán)境中目標(biāo)距離與速度探測(cè)的維度與廣度要求更高，需要激光傳感技術(shù)猶如“雷達(dá)”一般進(jìn)行360度無死角的監(jiān)測(cè)。但是激光光束的方向性非常好，只能實(shí)現(xiàn)某一直線路徑上的測(cè)量，所以未來的無人駕駛汽車的激光測(cè)距測(cè)速裝置應(yīng)該是全息的，并能快速靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的，從而快速實(shí)時(shí)地掃描行車環(huán)境中一定范圍內(nèi)各種目標(biāo)的距離與速度。全息激光能夠幫助無人駕駛汽車快速構(gòu)建一張局域的行車環(huán)境的拓?fù)?，并?shí)時(shí)更新，通過自身控制反饋系統(tǒng)以及云端的計(jì)算決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽車的智能駕駛與應(yīng)急反應(yīng)。同時(shí)相鄰汽車的行車環(huán)境拓?fù)渑c駕駛策略是可以相互交換的，從而減少了單一汽車需要測(cè)量的數(shù)據(jù)量，并能為智能汽車構(gòu)建一張更為復(fù)雜的行車環(huán)境拓?fù)洌ㄈ鐖D4-4），更多的數(shù)據(jù)量將幫助無人駕駛汽車不僅僅具有對(duì)于突發(fā)狀況的應(yīng)急響應(yīng)能力，更加能夠預(yù)判危險(xiǎn)的發(fā)生從而提早避免。

另外，把可見光通信技術(shù)和智能交通系統(tǒng)結(jié)合，形成智能交通信號(hào)燈、智能制動(dòng)信號(hào)燈、智能日間行車燈和智能照明大燈，輔助車輛駕駛，讓前車和后車能相互“通話”，也是未來車聯(lián)網(wǎng)一個(gè)值得期待的發(fā)展方向，交通狀況、路面信息、車輛定位、是否會(huì)發(fā)生碰撞等這些信息，可以通過LED燈光閃爍在車輛間傳遞，甚至可應(yīng)用在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)當(dāng)中。

圖4-4　人工智能汽車系統(tǒng)

（6）“拍一拍”室內(nèi)定位

相信很多人都有在大型地下車場(chǎng)焦急的找車經(jīng)歷。有了可見光室內(nèi)定位，每一個(gè)停車場(chǎng)的照明燈，就相當(dāng)于一個(gè)廣播電臺(tái)，不停的廣播自己的位置信息：“我在車場(chǎng)的東南角”、“我在本層南區(qū)中央”。車主停車后，打開手機(jī)APP，用手機(jī)攝像頭拍一下附近的照明燈，就記錄下了停車位置信息；逛完商場(chǎng)后，進(jìn)入車場(chǎng)，打開手機(jī)APP，就近拍一下照明燈，于是手機(jī)軟件給出了去往停車位置的最近路線。同樣這項(xiàng)技術(shù)也可用于大型購(gòu)物中心的商鋪導(dǎo)航，只要打開APP，就近拍一下商場(chǎng)的景觀燈，于是室內(nèi)導(dǎo)航軟件帶顧客去想去的商鋪。如圖4-5，可見光通信，幫助每個(gè)人擁有超人的方向感。

圖4-5　可見光通信與室內(nèi)定位

（7）LiFi—人口密集區(qū)、射頻敏感區(qū)高速保密通信

可見光通信是一種“看得見”的無線通信方式，如圖4-6所示，相比于傳統(tǒng)的射頻通信，可見光通信具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：速度更高、容量更大、使用更安全?；诳梢姽獾狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信速率2014年已經(jīng)達(dá)到500Mbps實(shí)時(shí)傳輸和5.6Gbps的非實(shí)時(shí)傳輸；可見光通信系統(tǒng)的小區(qū)密度大，故系統(tǒng)總?cè)萘亢艽?；傳輸信息的LED光為可見光，用戶可通過自己的眼睛判斷透鏡和燈罩是否已經(jīng)按照自己的需要限制了通信燈光的覆蓋范圍，確保信號(hào)不外泄。此外，因?yàn)榭梢姽馔ㄐ艧o電磁干擾，可應(yīng)用于醫(yī)療、航空、礦井等特殊領(lǐng)域，在電磁敏感區(qū)域及電磁屏蔽區(qū)域均可以應(yīng)用?？梢姽鈱?duì)人體無電磁傷害，是一種綠色環(huán)保的通信方式。傳統(tǒng)的無線通信在人多時(shí)容易造成“網(wǎng)絡(luò)塞車”，而對(duì)于可見光通信來說，只有站在同一盞燈下的人才會(huì)共用帶寬，只要有多盞LED燈存在，上網(wǎng)將不再“擁擠”。

圖4-6　可見光通信與傳統(tǒng)無線通信應(yīng)用方式對(duì)比

（8）多樣的無線通信

海洋是當(dāng)今時(shí)代各國(guó)資源開發(fā)，科技發(fā)展，領(lǐng)土維權(quán)的戰(zhàn)略高地。海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，是海洋調(diào)查、海洋勘探的重要技術(shù)手段。而作為其技術(shù)支撐的水下聲、光傳感器和潛航器在快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)信號(hào)傳遞帶寬的要求也越來越高。而海水對(duì)于目前常用的無線通訊載體——射頻電磁波，有著強(qiáng)烈的衰減作用，目前水下無線通信主要依靠聲波和超長(zhǎng)波，但是這兩種載體均存在帶寬受限的問題。因此水下可見光通信技術(shù)有著巨大的比較優(yōu)勢(shì)。特別是海水對(duì)藍(lán)綠光（400 - 580nm）的吸收和散射最小，形成通信窗口區(qū)。如圖4-7為水下可見光無線通訊收發(fā)模塊和演示裝置。

圖4-7　水下可見光無線通訊收發(fā)模塊和演示裝置

水下可見光通信具有探測(cè)精度高、方向性好，易于保密等特點(diǎn)。當(dāng)被應(yīng)用到海底傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，水下可見光通信能夠滿足大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅ㄟ^先進(jìn)的調(diào)制與編碼技術(shù)，它的傳輸速率可達(dá)Gbps級(jí)別，使得視頻、圖片和音頻等大容量數(shù)據(jù)的傳輸變得可能。

相比之下，未來利用激光也可能實(shí)現(xiàn)無線通信。目前在無線激光通信領(lǐng)域，人們已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了地球到月球之間的空間圖像數(shù)據(jù)傳輸。隨著激光技術(shù)以及激光探測(cè)、大氣傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，在三十多年后的2049年，無線激光通信系統(tǒng)將在以下幾個(gè)方面給未來社會(huì)帶來巨大變革：首先，在地球上，人與人之間的電信號(hào)通信將被無線激光通信所取代，無論身處地球的哪個(gè)角落，與其他人之間的通信都不再是一個(gè)難題，不會(huì)存在如今通信過程中所要考慮的“有沒有信號(hào)”的顧慮。另外，這種激光通信形式也不會(huì)受到自然條件及惡劣天氣的影響，即使受到自然災(zāi)難的侵襲，激光通信信號(hào)也不會(huì)被中斷。這在救災(zāi)搶險(xiǎn)以及軍工、國(guó)防等方面顯得尤為重要，為地球上人們的生活提供最大限度的保障。其次，在其它星球之間，盡管所處的環(huán)境各不相同，但通過無線激光通信的信號(hào)傳播，無論身處哪個(gè)星球，都可以利用此技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)溝通，并且通過立體圖像、視頻等多種通訊方式的傳播，人們可以身臨其境的了解到其它星球之間的狀況，為星際探索提供便利的條件。

（9）激光帶來的“視覺盛宴”和便捷生活

3D顯像技術(shù)大多數(shù)利用了人雙眼的視覺差和光學(xué)幻象。超大屏幕激光影院以及家庭影院的普及應(yīng)用可以提供更震撼、逼真的表現(xiàn)力。到2049年，可能通過激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)只有科幻電影中采用的3D立體顯示效果一種新型顯示系統(tǒng)，觀眾不需要配戴任何的頭載式輔助裝置，就能夠提供一種全像3D立體顯示與真實(shí)的觀賞體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)無需特制眼鏡，就可以看到在空間懸浮的立體影像的投射型3D顯示屏。

相反，激光投影儀卻可以做的很袖珍，裝在口袋里或者扣在衣服上，方便攜帶，工作人員出差再也不用背個(gè)筆記本電腦了，有袖珍型激光投影儀在，可以隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)投影功能。袖珍型激光投影儀產(chǎn)品雖然只有MP4播放器般大小的身材，卻可以在墻上投影出20至40英寸的畫面。相信在2049年，其獨(dú)特的魅力將掀起一股可穿戴便攜式袖珍型激光投影儀浪潮，擁有美好前景和廣闊的應(yīng)用空間。并且采用激光投影技術(shù)也可以做成激光鼠標(biāo)，讓用戶可以在桌面上直接空手操作，而不是通過操控傳統(tǒng)鼠標(biāo)來控制設(shè)備。使用時(shí)會(huì)在桌面上投影出正方形的空間，用戶能夠使用類似于觸控板的豐富手勢(shì)操作。同時(shí)寬敞的空間設(shè)計(jì)，用戶可以隨意進(jìn)行放大或者縮小操作而不受任何限制。這款激光鼠標(biāo)的重量?jī)H為幾十克，可放在口袋或者背包里，非常便攜小巧并且能耗超小，堪稱移動(dòng)辦公中最重要的環(huán)節(jié)。

此外，3D激光全息手機(jī)是可穿戴技術(shù)的一種?？纱┐髟O(shè)備通過軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能，將會(huì)對(duì)我們的生活、感知帶來很大的轉(zhuǎn)變。3D激光全息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得人可以在不戴3D眼鏡的情況下，看到帶有立體效果的影視節(jié)目，并在全視角內(nèi)都能看到3D立體效果。人們?cè)谑謾C(jī)上玩游戲，手指可以不觸碰屏幕的情況下，揮手做切西瓜等動(dòng)作，手機(jī)屏幕上的西瓜等就可以隨之切開。這讓人們不得不感嘆：這實(shí)在是太神奇。

（10）超強(qiáng)的激光加工技術(shù)

首先，在日常生活領(lǐng)域，每家每戶都有小型的激光切割機(jī)，利用激光取代目前所用的金屬刀具。激光切割速度快，效率高，省時(shí)省力，在加工處理一些較難用刀具切割食材、較硬紙板、金屬板時(shí)，極大地方便了人們的使用。在服裝行業(yè)中，利用激光代替剪刀來裁剪衣物，通過電腦控制來實(shí)現(xiàn)激光精確的移動(dòng)，大大地提高了生產(chǎn)效率及解放了人力物力。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，利用剪刀剪羊毛效率低，而利用激光剪羊毛則極大地解決了這一問題；激光收割莊稼，一掃就是一大片，效率比收割機(jī)高出許多，而且方便，不需要人力一直駕駛這收割機(jī)。與此同時(shí)，科幻電影“星球大戰(zhàn)”中的激光劍得以問世，可以隨聲攜帶，方便便捷，隨時(shí)隨地的切割現(xiàn)在無法及時(shí)處理的堅(jiān)硬物體。

其次，隨著激光焊接技術(shù)的不斷成熟，激光焊接技術(shù)已經(jīng)被利用到生產(chǎn)生活的很多領(lǐng)域如鋼鐵、汽車、船舶、航空航天等制造加工業(yè)。比如在汽車覆蓋件生產(chǎn)中運(yùn)用激光焊接技術(shù)。在制造鋼鐵時(shí)，利用雙面激光焊接達(dá)到樣品結(jié)合的目的。激光焊接技術(shù)也可以在其他行業(yè)如醫(yī)藥生物行業(yè)、電子工業(yè)中應(yīng)用。激光焊接因其吻合速度快、衛(wèi)生、高效的特點(diǎn)，已被應(yīng)用于牙醫(yī)、生殖醫(yī)學(xué)、神經(jīng)醫(yī)學(xué)等臨床診治。而隨著電子元件的越來越小，激光焊接的高效迅速、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)在電子工業(yè)中的作用就顯而易見了。未來，大容量大功率的激光器的研制仍將繼續(xù)，而激光焊接工藝的精細(xì)化研究（比如復(fù)合激光焊接、雙焦點(diǎn)激光焊接等）也必將激發(fā)出激光焊接技術(shù)更強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。

此外，隨著激光清洗技術(shù)的不斷發(fā)展，激光清洗技術(shù)也將會(huì)應(yīng)用于目前人類難以解決的各種領(lǐng)域，如激光清洗可以用于核物理領(lǐng)域的材料清洗、以及上至宇宙太空的材料清洗，下至海底地下的物質(zhì)清洗。

總而言之，隨著電子信息材料科技的發(fā)展，在未來世界，人與物之間、物與物之間的信息交流方式會(huì)達(dá)到一個(gè)我們難以想象的便捷程度。無論是我們的衣、食、住、行還是通訊交流，亦或是醫(yī)療保健，都將發(fā)生翻天覆地的變化。

4.2未來場(chǎng)景

場(chǎng)景1：不剪腳趾甲的后果

某一天，當(dāng)你沉浸在跑酷游戲中的時(shí)候，放置在抽屜的攜帶敏感材料的指甲鉗發(fā)話了，它突然占據(jù)了你的手機(jī)屏幕，彈出以下提示：你已經(jīng)五個(gè)星期沒剪腳趾甲了！你覺得很煩，隨手將這個(gè)提示關(guān)掉，繼續(xù)游戲。

第二天早上，你正在浴室洗臉，又有一則消息出現(xiàn)在浴室的鏡子上面：“現(xiàn)在已經(jīng)到夏天，你還想不想穿涼鞋了？趕快剪腳趾甲！”你可能繼續(xù)無視他的提醒，關(guān)掉屏幕，洗完臉上班去了。

可別小看指甲鉗的耐心，它還會(huì)不斷絮叨“喂，你的腳趾甲真的很長(zhǎng)哦，該修理一下了”、“你今天沒覺得襪子有點(diǎn)緊嗎？”、“你不怕真菌感染嗎？”……

兩周之后，你收到一封郵件，是一位足病專家給你發(fā)來的預(yù)約郵件，讓你某天去他門診。而此時(shí)，你的指甲鉗又發(fā)話了：你真得了真菌感染??？我知道一種治療這個(gè)的藥，你可以去試試……

場(chǎng)景2：刀子的憂傷

今天晚上，你要下廚給自己做點(diǎn)特別的，你取出切菜刀時(shí)，它不樂意了。在電冰箱上一個(gè)屏幕上，菜刀向你抱怨道：“你真的要用我來切菜嗎？你知道我有多久沒有磨了嗎？”

你覺得菜刀說的很有道理，放下菜刀，后來索性就出去吃飯。接下來的一周，你的郵箱被各種推銷菜刀的郵件堆滿了，你看了幾個(gè)，但還是猶豫不決。直到某天早上，你發(fā)現(xiàn)一大波可以磨刀的機(jī)器人站在你房門前……

場(chǎng)景3：酒瓶與酒杯的陰謀

醫(yī)生早已建議你必須少喝酒?？赡程?，你還是習(xí)慣性的拿出酒瓶和酒杯，它們倆早已知道你的意圖。

酒瓶發(fā)威了，它啟動(dòng)瓶塞控制機(jī)制，讓你死活打不開瓶塞。接著，整個(gè)瓶子顏色變成淺黃色，一行黑色警示文字出現(xiàn)在瓶子上面：“喝這種液體可能會(huì)損害你的健康！”

倘若你關(guān)閉了這種提示，瓶塞非常簡(jiǎn)單的就打開了。此時(shí)，酒杯出場(chǎng)了，酒杯兩面各有一款屏幕，一面是廣告頁(yè)面，另一面則是健康提醒和問候。

杯子會(huì)很自然的辨別出你喝的是什么酒，在問候頁(yè)面，你會(huì)看到以下信息：這真是好酒啊，配上雞肉和沙拉會(huì)更好哦！不妨把看看杯子另一面有有哪些更好地搭配吧！

場(chǎng)景4：你需要一個(gè)什么樣的床

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，床依然是人類最好的朋友。想想吧，每天辛苦一天工作之后，回家躺在床上的感覺是多么的自在，只是，未來的床，會(huì)變得極其聰明。

你的床非常詳細(xì)地記錄了你體重變化，它會(huì)在你變重對(duì)你進(jìn)行懲罰，比如第二天的鬧鐘就是：你該減肥了，胖子！

你的床會(huì)收集你身體的每一個(gè)數(shù)據(jù)，通過云端強(qiáng)大的處理功能，得出你的身體狀況，假如結(jié)論是你身體不好，那么你第二天起床之后就會(huì)收到床發(fā)來的電子郵件，一般來說，郵件內(nèi)容是向你推薦各種藥品，甚至幫你預(yù)約好了門診醫(yī)生。

場(chǎng)景5：我的一天

早上上班之前，我們會(huì)與可穿戴式移動(dòng)終端，智能眼鏡或者衣物上的柔性屏幕，通過語(yǔ)音交流獲知今天的天氣與空氣質(zhì)量。而未來無所不在的激光氣體傳感裝置為每一個(gè)人提供的將是更為豐富詳盡并且私人定制的空氣質(zhì)量報(bào)告，人們可以隨時(shí)了解本街區(qū)甚至辦公室的空氣質(zhì)量，并提前命令辦公室的空氣凈化系統(tǒng)開始工作，每個(gè)人將動(dòng)態(tài)獲知辦公環(huán)境的空氣凈化進(jìn)程。這時(shí)您已經(jīng)坐上了智能汽車，智能語(yǔ)音系統(tǒng)詢問您的目的地并快速地根據(jù)云端實(shí)時(shí)的城市交通數(shù)據(jù)將最佳的行車路線與預(yù)計(jì)耗時(shí)推送到智能汽車的前車窗之上，這時(shí)您只用輕松地回復(fù)確認(rèn)智能汽車將開啟自動(dòng)駕駛模式。智能汽車一旦進(jìn)入自動(dòng)駕駛模式，其車頂?shù)娜⒓す鉁y(cè)速測(cè)距裝置將不停地進(jìn)行掃描構(gòu)建安全車距以內(nèi)的行車環(huán)境的三維拓?fù)洌@些數(shù)據(jù)匯聚到云端，將與您同一區(qū)域內(nèi)的其他車輛的三維拓?fù)鋽?shù)據(jù)共同計(jì)算并決策局域車聯(lián)網(wǎng)的行車策略。行駛過程中人們可以通過前車窗的屏幕與部門同事開電視電話會(huì)議，討論項(xiàng)目進(jìn)展與今天的工作計(jì)劃；或者您可以觀看城市的早間新聞，這時(shí)新聞中播報(bào)了一條緊急消息，城市某化工廠危險(xiǎn)化工品泄露，幸好激光氣體傳感系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)報(bào)警，機(jī)器人消防隊(duì)快速趕到現(xiàn)場(chǎng)化解了險(xiǎn)情，并未造成重大的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。不知不覺中，智能汽車已將您安全送達(dá)目的地，提示您行車用時(shí)與能耗。未來的汽車使用的將是綠色能源，電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能汽車等等，城市中任何行駛的交通工具如若排放有害氣體將被激光氣體傳感系統(tǒng)檢測(cè)并警告。

5　電子信息材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干建議

電子信息產(chǎn)業(yè)是劃時(shí)代的戰(zhàn)略性高科技產(chǎn)業(yè)，電子信息產(chǎn)業(yè)涉及通信、計(jì)算機(jī)、顯示等諸多行業(yè)，其涵蓋面之廣，發(fā)展之迅速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過歷史上的其他產(chǎn)業(yè)。面對(duì)全球信息化浪潮的迅猛沖擊和影響，電子信息材料的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)共存。為此，無論個(gè)體還是國(guó)家，各行還是各業(yè)都應(yīng)發(fā)揮各自的作用，共同努力，實(shí)現(xiàn)美好的未來生活。

5.1微電子材料方面

（1）進(jìn)一步落實(shí)相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

為鼓勵(lì)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)的優(yōu)惠政策，包括《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)進(jìn)一步鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策的通知》（國(guó)發(fā)[2011]4號(hào)）等，希望有關(guān)部門能夠加快制定惠及微電子材料的相關(guān)實(shí)施細(xì)則，調(diào)動(dòng)微電子材料企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展積極性；同時(shí)，對(duì)于國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品出口和國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)口稅費(fèi)做動(dòng)態(tài)調(diào)整，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。

（2）采取切實(shí)措施促進(jìn)微電子材料產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣

經(jīng)過近年發(fā)展，國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈雛形已形成，部分集成電路制造企業(yè)在試用國(guó)產(chǎn)材料方面發(fā)揮了重要的扶持作用，但是，還需要研究制訂普惠政策并采取切實(shí)措施，如建立國(guó)產(chǎn)微電子材料應(yīng)用保險(xiǎn)基金，降低集成電路企業(yè)使用國(guó)產(chǎn)材料承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)全行業(yè)多用、快用國(guó)產(chǎn)材料，形成全行業(yè)重視國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈、優(yōu)先選擇國(guó)內(nèi)材料供應(yīng)商協(xié)同發(fā)展的良性局面，為微電子材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造必要的市場(chǎng)環(huán)境。

（3）引導(dǎo)行業(yè)整合和國(guó)內(nèi)外并購(gòu)發(fā)展

通過市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)選擇具有技術(shù)、團(tuán)隊(duì)、管理、資金等綜合優(yōu)勢(shì)、且公司戰(zhàn)略與國(guó)家目標(biāo)契和的企業(yè)作為種子公司，通過市場(chǎng)機(jī)制引導(dǎo)國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)資源整合，解決目前產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、經(jīng)營(yíng)產(chǎn)品同質(zhì)問題；同時(shí)，利用全球集成電路產(chǎn)業(yè)鏈變革的時(shí)機(jī)，引導(dǎo)企業(yè)實(shí)施海外并購(gòu)，快速做大企業(yè)規(guī)模。

（4）集中資源扶持龍頭企業(yè)

加強(qiáng)國(guó)家相關(guān)部門和產(chǎn)業(yè)組織合作與協(xié)同，將微電子材料領(lǐng)域的科技和產(chǎn)業(yè)扶持資金重點(diǎn)投向龍頭企業(yè)，并依托龍頭企業(yè)構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)，提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力，增強(qiáng)龍頭企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，加快培育進(jìn)入國(guó)際同行前列的世界級(jí)企業(yè)。

（5）強(qiáng)化人才引進(jìn)和國(guó)際合作

除了繼續(xù)引進(jìn)技術(shù)開發(fā)類國(guó)際高端人才之外，重點(diǎn)關(guān)注企業(yè)管理、市場(chǎng)開拓、國(guó)際并購(gòu)等人才引進(jìn)，并與培養(yǎng)本土創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)相結(jié)合支撐產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)?；l(fā)展；注重與國(guó)際領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)、高校、國(guó)際半導(dǎo)體制造企業(yè)、國(guó)際微電子材料同行等全方位的合作，開發(fā)先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品、交換知識(shí)產(chǎn)權(quán)、加快產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的速度。

5.2存儲(chǔ)技術(shù)與材料方面

新的存儲(chǔ)技術(shù)將持續(xù)影響未來30年的計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，我們更應(yīng)該把握住這次難得的技術(shù)交替所帶來的發(fā)展機(jī)遇，保證關(guān)鍵技術(shù)研究的投入，具體如下。

（1）加大相變存儲(chǔ)材料的研究

相變材料已經(jīng)成功在光存儲(chǔ)和存儲(chǔ)器上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，但是相變材料如何在納秒甚至皮秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)和晶態(tài)的可逆相變?nèi)匀晃从卸ㄕ?。由于非晶態(tài)原子排列是無序的，傳統(tǒng)晶體學(xué)的理論和結(jié)構(gòu)研究方法已不適用，因而對(duì)相變材料的非晶態(tài)沒有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。相變材料從非晶到晶態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化是很重要的，目前也沒有有效的方法可以給出相變過程詳細(xì)的原子結(jié)構(gòu)變化，而這些則是尋找新型高性能相變材料，研制自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速、低功耗、長(zhǎng)壽命相變存儲(chǔ)器件的重要理論支持。因此，應(yīng)加大對(duì)相變存儲(chǔ)材料的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究。

（2）高密度驅(qū)動(dòng)陣列器件模型與可微縮性的研究

1D1R（1個(gè)二極管和1個(gè)可逆電阻）是實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)器的最佳途徑，研究4F2外延雙溝道隔離二極管陣列的納米尺寸效應(yīng)和器件可微縮性，闡明下一代PCRAM的性能趨勢(shì)，有望在高密度、低功耗、工藝簡(jiǎn)單和與CMOS工藝兼容性好等方面發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

（3）基于相變存儲(chǔ)單元的高速測(cè)試系統(tǒng)研究

隨著相變存儲(chǔ)器向高速、低功耗的發(fā)展，現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)很難滿足相變存儲(chǔ)單元的測(cè)試要求，因此，研究出基于相變存儲(chǔ)單元的高速測(cè)試系統(tǒng)，解決納米相變存儲(chǔ)單元測(cè)試中的若干問題就尤為重要。

（4）低功耗高可靠介質(zhì)復(fù)合型電阻存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)研究

相變存儲(chǔ)器依靠相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過程中需要大量原子的打亂和重排，如此大規(guī)模的原子移動(dòng)一定程度上可能造成材料高低阻值在一定范圍內(nèi)的不確定和一定的阻值分布現(xiàn)象。電致阻變存儲(chǔ)器能克服阻值不穩(wěn)定和電阻分布的缺點(diǎn)，但由于獨(dú)特的缺陷俘獲機(jī)制使得其可同時(shí)生成多種導(dǎo)電通道形態(tài)，而相變存儲(chǔ)器高低阻值區(qū)分度很好，也可以彌補(bǔ)電致阻變存儲(chǔ)器的不足。因此將兩種阻值轉(zhuǎn)變效應(yīng)復(fù)合，在充分利用二者優(yōu)勢(shì)的同時(shí)可以有效彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，從而形成一種低功耗高可靠的存儲(chǔ)器件。因此，應(yīng)通過未來幾年的研究，掌握該介質(zhì)復(fù)合型電阻存儲(chǔ)器件關(guān)鍵工藝參數(shù)和制備技術(shù)，為未來3D存儲(chǔ)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

（5）支持存儲(chǔ)內(nèi)計(jì)算的芯片及設(shè)備研究

隨著近年來數(shù)據(jù)的爆發(fā)性增長(zhǎng)，海量數(shù)據(jù)的處理已經(jīng)使得處理器不堪重負(fù)。將數(shù)據(jù)處理工作從處理器中轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)，使計(jì)算和存儲(chǔ)間的數(shù)據(jù)傳輸距離最短，同時(shí)將服務(wù)器主機(jī)的處理器從大量的數(shù)據(jù)處理任務(wù)中解放出來，已經(jīng)是目前存儲(chǔ)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的內(nèi)容。新存儲(chǔ)器件相比傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)更為適合并行計(jì)算，將存儲(chǔ)和計(jì)算邏輯緊密結(jié)合，形成具有數(shù)據(jù)處理功能的存儲(chǔ)芯片，因此，還應(yīng)重點(diǎn)研究支持存儲(chǔ)內(nèi)計(jì)算的下一代存儲(chǔ)設(shè)備。

（6）針對(duì)類腦存儲(chǔ)器的研究

生物技術(shù)、納米技術(shù)、信息技術(shù)和認(rèn)知科學(xué)乃至心理學(xué)正相互滲透，各個(gè)學(xué)科正以前所未有的速度交叉和融合。從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)看，現(xiàn)在正是發(fā)展類腦計(jì)算機(jī)的黃金時(shí)機(jī)。

5.3傳感技術(shù)與未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方面

物聯(lián)網(wǎng)傳感器建設(shè)是一種“智慧全球”式的飛躍，大到國(guó)家與軍事的戰(zhàn)略需要，小到人民生活的方方面面，在這個(gè)過程中，對(duì)科研人員的工作環(huán)境，建立健全科技體制，一定有積極地推動(dòng)作用。針對(duì)傳感技術(shù)與未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，不同主體應(yīng)該積極地從自身角度出發(fā)促進(jìn)科技的進(jìn)步，推動(dòng)國(guó)家的發(fā)展，從而改善老百姓的生活品質(zhì)。

（1）政府方面，一方面基于現(xiàn)有的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與需求，另一方面從更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度出發(fā)，廣泛征集意見與建議，設(shè)立一批具有長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)與長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益的科技研究課題，比如氣體傳感網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)等。政府專項(xiàng)目標(biāo)應(yīng)是明確的，即科學(xué)研究最終能轉(zhuǎn)換成老百姓生活中實(shí)際的科技體驗(yàn)，能創(chuàng)造實(shí)在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；政府專項(xiàng)投資應(yīng)是長(zhǎng)期的，因?yàn)闃?gòu)想中無論氣體傳感網(wǎng)絡(luò)或是車聯(lián)網(wǎng)都存在許多技術(shù)難點(diǎn)與商用障礙，項(xiàng)目在預(yù)研前期如果能很好的論證其廣泛意義與研究可行性，政府應(yīng)當(dāng)持續(xù)的推動(dòng)項(xiàng)目的發(fā)展與前進(jìn)。

（2）行業(yè)方面，應(yīng)努力建立好與政府、與科研機(jī)構(gòu)良好的溝通渠道?？茖W(xué)研究大致分為兩種類型，一種為基礎(chǔ)研究與前沿探索，業(yè)界不能立馬發(fā)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，但為促進(jìn)科研的多樣性、獨(dú)立性與發(fā)展?jié)摿?，政府與行業(yè)是應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)其發(fā)展的；另一種，也許更為重要的是，一批三到五年內(nèi)具有重大經(jīng)濟(jì)、軍事應(yīng)用價(jià)值的研究方向，就需要業(yè)界與政府、科研單位從各自的角度出發(fā)，認(rèn)真探討不同技術(shù)的發(fā)展意義、價(jià)值與潛力，重點(diǎn)投資一些有實(shí)際技術(shù)價(jià)值與應(yīng)用前景的方向，并通過業(yè)界與科研界的合作交流，幫助一些較為成熟的科研成果快速地進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化。

（3）科研方面，應(yīng)努力發(fā)展一批具有世界領(lǐng)先水平的科學(xué)成果與技術(shù)成果，適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，找準(zhǔn)自身的定位，集中精力解決一些國(guó)家發(fā)展遇到的關(guān)鍵性技術(shù)，比如新型材料與結(jié)構(gòu)的激光器、探測(cè)器，適合未來物聯(lián)網(wǎng)需求的激光傳感技術(shù)。同時(shí)科研機(jī)構(gòu)需要積極地為國(guó)家的發(fā)展建言獻(xiàn)策，與行業(yè)之間做好交流與合作，努力培養(yǎng)國(guó)家未來的高科技人才，為普通老百姓做好科普宣傳工作。

（4）公眾方面，鼓勵(lì)充分利用國(guó)家與社會(huì)提供的良好的學(xué)習(xí)與教育機(jī)會(huì)，提升自己的科學(xué)素養(yǎng)，營(yíng)造一個(gè)良好的科技興國(guó)的社會(huì)氛圍。

5.4可見光通信方面

安全無疑是我們首要考慮的問題，隨著白光LED的普及，人們開始關(guān)注白光LED對(duì)人眼是否安全。藍(lán)光激發(fā)型熒光LED光譜中，含有大量藍(lán)光成分。已有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，大量不規(guī)則高能短波藍(lán)光引起視網(wǎng)膜黃斑萎縮，進(jìn)而引起視力嚴(yán)重衰退。因此，熒光型白光LED是否會(huì)導(dǎo)致人眼黃斑病變率的提高，是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。不過，隨著新型電致白光LED材料的成熟，在保護(hù)眼睛的同時(shí)，也會(huì)給可見光通信技術(shù)帶來機(jī)遇，例如：更寬的帶寬，更便捷可靠的調(diào)制方式。

此外用戶習(xí)慣培養(yǎng)也是需要考慮的問題。目前可見光通信技術(shù)仍然停留在實(shí)驗(yàn)室成果階段，離進(jìn)入應(yīng)用，可能還有相當(dāng)長(zhǎng)一段路要走。而可見光通信最終能否被用戶接受，成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，還是取決于它能不能揚(yáng)長(zhǎng)避短，和手機(jī)拍照、家用照明、汽車大燈天然結(jié)合，以及人們無限的想象力：汽車間依靠LED車燈來“對(duì)話”；飛機(jī)乘客利用頭頂LED閱讀燈上網(wǎng)；超清網(wǎng)絡(luò)電視通過氛圍燈聯(lián)網(wǎng)；在大型購(gòu)物中心里由環(huán)境燈導(dǎo)航，去想去的地方……

5.5激光技術(shù)發(fā)展方面

未來幾十年是激光技術(shù)發(fā)展最關(guān)鍵的時(shí)期，我國(guó)激光技術(shù)發(fā)展面臨著重要?dú)v史機(jī)遇，在躋身世界顯示強(qiáng)國(guó)的過程中面對(duì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，仍有嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我國(guó)激光器水平與國(guó)外激光器水平的總體差距較大，激光器在輸出功率、不同頻率的輸出能量、光束質(zhì)量、覆蓋波長(zhǎng)等指標(biāo)還有較大提升的空間，國(guó)內(nèi)激光器的研制狀況呈現(xiàn)良莠不齊的狀態(tài)，激光產(chǎn)品化能力不足，高端的激光加工成套裝備幾乎全部依賴進(jìn)口。面對(duì)未來人們對(duì)激光技術(shù)提高生產(chǎn)力、改善生活水平的巨大需求，我國(guó)急需針對(duì)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共性關(guān)鍵技術(shù)問題，引導(dǎo)企業(yè)、高校、科研院所共同參，推動(dòng)協(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)共性關(guān)鍵技術(shù)突破，建立創(chuàng)新的、國(guó)際化的開放性公共研發(fā)平臺(tái)，打破國(guó)內(nèi)高端激光裝備幾乎全部依賴進(jìn)口的局面。

5.6柔性印刷電子材料方面

為推動(dòng)我國(guó)柔性印刷電子科技發(fā)展，我們應(yīng)貫徹落實(shí)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，以增強(qiáng)柔性印刷電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)自主創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以制造業(yè)跨越發(fā)展的重大需求為導(dǎo)向，以集成優(yōu)化產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資源配置為基礎(chǔ)，以密切產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制為重要手段，充分發(fā)揮科研院所、企業(yè)、高校，特別是中科院院所技術(shù)創(chuàng)新資源的作用，打造貫穿產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)學(xué)研用創(chuàng)新平臺(tái)，有效提升我國(guó)柔性印刷電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力。培養(yǎng)一批技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，攻克一批制約行業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，建設(shè)一批產(chǎn)業(yè)共性基礎(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研發(fā)基地，為實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、中國(guó)速度向中國(guó)質(zhì)量轉(zhuǎn)變、中國(guó)產(chǎn)品向中國(guó)品牌轉(zhuǎn)變，完成2049年中國(guó)將躋身世界科技強(qiáng)國(guó)前列這一宏偉目標(biāo)。

第一，把握好產(chǎn)業(yè)實(shí)際需求和全球技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的關(guān)系。

在柔性印刷電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，我國(guó)與世界先進(jìn)水平還處在同一水平線上，這就需要綜合考慮長(zhǎng)、短期發(fā)展目標(biāo)，一方面在先進(jìn)技術(shù)上適當(dāng)進(jìn)行超前布局，踏準(zhǔn)科技進(jìn)步節(jié)奏，突破國(guó)際專利壁壘和知識(shí)產(chǎn)權(quán)封鎖；另一方面，也要基于國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求，集合上下游力量開發(fā)共性技術(shù)，以推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈的整體發(fā)展。如建立國(guó)產(chǎn)印刷電子裝備應(yīng)用示范基地，通過設(shè)備和工藝的協(xié)同創(chuàng)新，為推進(jìn)設(shè)備的大生產(chǎn)應(yīng)用起到了關(guān)鍵作用。

第二，把握好研發(fā)平臺(tái)與企業(yè)、高校院所的關(guān)系。

在一些重大技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)科研力量還相對(duì)薄弱，因此柔性印刷電子研發(fā)平臺(tái)必須集聚各方力量。在技術(shù)創(chuàng)新過程中，研發(fā)平臺(tái)、企業(yè)內(nèi)部研發(fā)機(jī)構(gòu)、高?；蚩蒲性核@三者，理論上有很明確的分工；但實(shí)際情況中，昂貴的研發(fā)設(shè)施往往需要巨大的投入，而相關(guān)人才卻很稀缺，因此，研發(fā)平臺(tái)的建設(shè)需要與高校、特別是企業(yè)形成研發(fā)設(shè)備開放共享機(jī)制，研發(fā)平臺(tái)重點(diǎn)配置企業(yè)等尚不具備的高端關(guān)鍵設(shè)備和必要的研發(fā)設(shè)施。在人才方面，三方也要建立相互間合理的流動(dòng)機(jī)制，研發(fā)平臺(tái)要對(duì)企業(yè)、高校及院所開放，吸引各路人才前來工作，并通過多方聯(lián)合培養(yǎng)機(jī)制加快形成兼具國(guó)際化視野和產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)隊(duì)伍。

第三，把握好培育創(chuàng)新能力和市場(chǎng)化運(yùn)作的關(guān)系。

以市場(chǎng)化的運(yùn)作機(jī)制加快成果轉(zhuǎn)化，并形成可持續(xù)發(fā)展能力。而培育創(chuàng)新能力，要求獲得長(zhǎng)期持續(xù)的投入，不斷形成和產(chǎn)生有突出價(jià)值的創(chuàng)新成果，完善市場(chǎng)化機(jī)制，加快應(yīng)用和轉(zhuǎn)化的速度，在服務(wù)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，形成良性循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)。促進(jìn)形成高效的技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化和轉(zhuǎn)移機(jī)制。打通基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化鏈條，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新成果的快速轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)科技與經(jīng)濟(jì)結(jié)合。

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