【編者按】隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在信息、新材料、新能源等領(lǐng)域，特別是交叉融合的方向，正涌現(xiàn)出一批具有重大影響，能夠改變科技、經(jīng)濟、社會格局的顛覆性技術(shù)，能使一個國家在新一輪產(chǎn)業(yè)變革中贏得競爭優(yōu)勢。我國科學(xué)家應(yīng)注重在信息、生命、材料和物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域開展前沿探索，力爭在更多戰(zhàn)略性基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)率先突破，在關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域進行顛覆性創(chuàng)新。本期邀請亞太工程組織聯(lián)合會主席、中國科學(xué)院院士黃維介紹顛覆性技術(shù)“柔性電子”。
柔性電子是在學(xué)科高度交叉融合基礎(chǔ)上產(chǎn)生的顛覆性科學(xué)技術(shù)，能夠突破經(jīng)典硅基電子學(xué)的本征局限，可為后摩爾時代器件設(shè)計集成、能源革命、醫(yī)療技術(shù)變革等更新?lián)Q代等提供創(chuàng)新引領(lǐng)，是我國自主創(chuàng)新引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇。
催剛為柔，獨開生面：柔性源于材料
柔性電子的優(yōu)異性能首先得力于對有機或無機電子元器件材料性能的極致追求。核心元器件的“柔性”設(shè)計是柔性電子器件制備的關(guān)鍵。目前主要通過兩種策略實現(xiàn)：
其一，采用本征柔韌性的功能有機分子和聚合物材料作為柔性電子器件構(gòu)筑單元。例如，在塑料（聚合物）基底上構(gòu)筑的有機發(fā)光二極管（OLED）已被廣泛應(yīng)用于可彎折、可卷曲、輕薄顯示屏幕諸如曲面電視、可折疊手機等。有機半導(dǎo)體材料和高分子聚合物材料可作為電子漿料適用于印刷電子技術(shù)，實現(xiàn)大批量、低成本、高效率的柔性電子器件加工與集成。未來柔性電子器件的加工與制造就像打印一個文件一樣便捷。
其二，通過材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)剛性無機材料的柔性化。例如當材料的尺寸降低到微納米尺度后，由于材料的微納米效應(yīng)，本身堅硬的材料將表現(xiàn)出可彎曲的柔韌特性。好比一張紙比一本書更容易實現(xiàn)彎折，一根彈簧比一根鋼絲更具有伸縮性?；谠摬呗裕陙?，科學(xué)家設(shè)計制造了“S型”金屬微電路，并將其嵌入超薄硅膠材質(zhì)形成柔性可拉伸集成電路。
由于材料的厚度降低至納米尺度后，材料的電學(xué)和力學(xué)性能將發(fā)生改變，理論研究和實驗研究已經(jīng)表明原子級厚度的二維材料在柔性電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如石墨烯已被驗證可作為透明導(dǎo)電薄膜應(yīng)用于柔性透明觸摸屏。
原子級厚度的硫族金屬化合物兼具優(yōu)良的柔韌性和可調(diào)控的電輸運性能，使得該類材料可作為柔性電子元器件的關(guān)鍵組成單元，使高性能柔性電子的無機化和微型化成為可能。
剛?cè)岵?，嶄露頭角：材料決定器件
柔性電子器件是柔性電子的主要體現(xiàn)形式之一。以柔性材料為基礎(chǔ)，結(jié)合微納米加工與集成技術(shù)，設(shè)計制造可實現(xiàn)邏輯放大、濾波、數(shù)據(jù)存儲、信號反相、數(shù)字運算、傳感等功能的新一代柔性電子元器件，是信息技術(shù)發(fā)展的迫切需求。柔性功能材料所具有的光、電、磁、熱、力等獨特的物理和化學(xué)性能，使得柔性電子器件可被廣泛應(yīng)用于柔性顯示、數(shù)據(jù)加密、可穿戴感知等智能化電子系統(tǒng)。
西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院、南京工業(yè)大學(xué)先進材料研究院和南京郵電大學(xué)在有機電子學(xué)研究領(lǐng)域具有長期的工作基礎(chǔ)，提出了有機半導(dǎo)體p-n能帶調(diào)節(jié)理論，實現(xiàn)了動態(tài)自調(diào)節(jié)智能有機光電材料的設(shè)計、制備及器件應(yīng)用；研制出了高性能的藍光有機半導(dǎo)體器件，其中非摻雜型藍光有機半導(dǎo)體器件效率達到國際先進水平；設(shè)計和加工了多套有機半導(dǎo)體器件制備與評價系統(tǒng)，建成了180毫米基板的OLED工藝中試線；開發(fā)了國內(nèi)第一套有機半導(dǎo)體噴墨打印系統(tǒng)，首次進行了水溶性有機半導(dǎo)體薄膜的噴墨打印，使得大批量制備有機半導(dǎo)體薄膜成為可能；提出了傳感器柔性化的新策略，發(fā)展了柔性襯底上微納米加工技術(shù)，研制出了一系列新型高靈敏柔性健康傳感器；設(shè)計了實現(xiàn)水溶性有機半導(dǎo)體傳感材料的多種有效策略，開發(fā)了可對多種目標分析物具有超高靈敏度檢測的水溶性有機半導(dǎo)體材料，構(gòu)建了對多種重要分析物具有檢測和成像功能的磷光生物探針和具有高特異性的“量子點－生物分子”復(fù)合探針，為疾病機理研究和疾病診斷提供了新的分析方法和成像技術(shù)；開發(fā)了世界上首例無金屬、無重元素的純有機半導(dǎo)體長余輝材料，發(fā)展了有機光電材料在數(shù)據(jù)加密和信息防偽領(lǐng)域的新應(yīng)用；發(fā)現(xiàn)了體相異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體存儲技術(shù)，利用其動態(tài)特性和空間位阻功能化成功地實現(xiàn)了雙穩(wěn)態(tài)調(diào)控，開辟了存儲器研究的新領(lǐng)域。
上述研究成果，為智能柔性電子器件的設(shè)計與制造，提供了重要的理論指導(dǎo)。盡管我們在柔性電子領(lǐng)域已取得系列成果，但仍面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。通過新型柔性功能材料的設(shè)計合成和物性研究、高性能柔性電子器件的加工與集成，進一步認識柔性電子學(xué)的物理機制，對柔性電子學(xué)的理論完善和柔性電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展具有重要支撐作用，同時也有利于推進我國在電子信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級。
柔勝剛克，乘風破浪：器件跨越應(yīng)用
當前，電子信息產(chǎn)業(yè)仍然以剛性器件和系統(tǒng)為主。經(jīng)過近百年的技術(shù)積累，剛性器件具有成熟的加工裝備、高運行速度、高精確性、高穩(wěn)定性等優(yōu)點。然而，經(jīng)典硅基電子學(xué)的局限性受摩爾定律的影響日益突出。柔性電子的誕生為經(jīng)典電子學(xué)的發(fā)展提供了新的方向，觸發(fā)了新形態(tài)電子設(shè)備的產(chǎn)生，也將使人們的日常生活發(fā)生革命性的變化。如可折疊、可卷曲、柔性顯示器將改變現(xiàn)有圖片和影視的呈現(xiàn)形式，使得手機、電視等消費電子產(chǎn)品的形態(tài)更加新穎和輕便。
柔性電子皮膚可集成多種柔性傳感器，通過優(yōu)化柔性器件與生物中樞神經(jīng)系統(tǒng)界面，幫助義肢實現(xiàn)感知功能，賦予機器人具有、甚至超越人類皮膚的智能仿生觸覺功能。柔性健康傳感器可以貼附于人體用來對體溫、心率、心電、腦電波、血壓、汗液和血液組分等健康參數(shù)持續(xù)檢測，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行智能分析和存檔，實現(xiàn)人體健康狀況的評估與疾病的遠程診斷。柔性健康監(jiān)測系統(tǒng)，可隨時隨地持續(xù)監(jiān)測人體健康狀態(tài)。
柔性電子具有輕薄、低能耗、好的生物相容性和可調(diào)控力學(xué)性能等，特征使得健康監(jiān)測系統(tǒng)可長期貼附于人體皮膚而不影響人們的日?；顒?。智能穿戴設(shè)備可將應(yīng)用軟件和網(wǎng)絡(luò)進行無線連接，實現(xiàn)遠程辦公和休閑的結(jié)合，也可實現(xiàn)諸如基于生理電監(jiān)測的意念控制技術(shù)?？芍踩氲娜嵝噪娮釉O(shè)備為復(fù)雜疾病的治療，如帕金森、癲癇、抑郁癥等提供了新的治療手段。
近年來，人工智能技術(shù)的發(fā)展推動了語音識別、機械控制和經(jīng)濟政策決策的精準化、智能化、高效化。柔性電子是人工智能的基礎(chǔ)支撐，將引領(lǐng)和拓展人工智能技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。柔性人工神經(jīng)形態(tài)芯片可實時模擬人類大腦進行學(xué)習(xí)與高速運算，從而滿足人工智能技術(shù)對云計算等超強處理算法的硬件需求。柔性電子的智能化特質(zhì)，使得其在未來信息技術(shù)中具有不可替代的作用。
以柔克剛，決勝千里：應(yīng)用定義未來
老子《道德經(jīng)》曰：“天下莫柔弱于水，而攻堅強者莫之能勝，以其無以易之。”面對西方國家對我國技術(shù)封鎖與遏制，顛覆性科技創(chuàng)新是重要出路。我們應(yīng)在碳基材料與光電過程結(jié)合的基礎(chǔ)上，孕育以光電子產(chǎn)業(yè)為先導(dǎo)的柔性電子巨型產(chǎn)業(yè)，突破歐美長期把持的在硅基材料與電子過程結(jié)合基礎(chǔ)上形成的微電子產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的格局，引領(lǐng)具有超高附加值特征的戰(zhàn)略性、主導(dǎo)性和支柱性柔性電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展，開創(chuàng)柔性電子定義的新時代。
以柔性電子為核心，著力發(fā)展“饑餓科技”（FAMISHED），即柔性電子、人工智能、材料科學(xué)、泛物聯(lián)網(wǎng)、空間科學(xué)、健康科學(xué)、能源科學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)等八大關(guān)鍵核心科學(xué)技術(shù)與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是我國在顛覆性科技創(chuàng)新前沿領(lǐng)域開道超車的重要戰(zhàn)略機遇。
在國防科技創(chuàng)新和航空航天領(lǐng)域，武器裝備的智能化和集成化已成為當前的發(fā)展趨勢。柔性電子可融合智能材料、傳感器、信息傳輸與處理等前沿技術(shù)，提升相關(guān)裝備與系統(tǒng)的智能化水平，推動航空航天的發(fā)展，服務(wù)國防現(xiàn)代化建設(shè)。深入開展柔性電子領(lǐng)域的研究是驅(qū)動我國全面創(chuàng)新發(fā)展的新引擎。
柔性電子是實踐“人才強國戰(zhàn)略”的重要途徑之一。柔性電子的多學(xué)科高度交叉性，將打破傳統(tǒng)學(xué)科間的壁壘，以創(chuàng)新的人才引進和培養(yǎng)方式
，促進新興前沿交叉學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展。以柔性電子為契機，實施創(chuàng)新制度建設(shè)，凝聚海內(nèi)外中華兒女智慧和力量，激發(fā)各類創(chuàng)新群體的人才引領(lǐng)示范作用、挖掘人才創(chuàng)新活力和潛能，為構(gòu)筑人類命運的共同體作出新貢獻。
筆者認為，在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，柔性電子是我國自主創(chuàng)新引領(lǐng)未來的重要戰(zhàn)略機遇。應(yīng)把握住發(fā)展柔性電子這一產(chǎn)業(yè)，立足于前瞻性基礎(chǔ)研究，凝練提出重大科學(xué)問題，尋求重大理論突破，掌握核心關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)出引領(lǐng)性原創(chuàng)成果，提高我國相關(guān)學(xué)科原始創(chuàng)新和自主創(chuàng)新能力。
