材料是人类进化的里程碑，也是划分时代的标志。人类的发展史依照材料，被划分为石器时代、青铜时代、铁器时代，如今我们处于以硅为基本材料的“硅时代”。

　　中国科学院院士、中国科学院化学研究所研究员刘云圻在第二十二届中国科协年会“先进材料现状与发展趋势研讨会”上指出：“下一个时代是什么时代？下一代的标志性材料应该是分子材料。”

　　他认为，作为先进功能材料重要的应用领域，分子材料与印刷技术结合以及本征柔性屏的研发存在很大的战略发展机遇。

　　电子学经历多阶段发展

　　电子学的发展顺序依次为真空电子学、固定电子学、微电子学等。“接下来可能是纳米电子，或者分子电子，这些都是电子学发展最重要的方向。”刘云圻指出。

　　微电子的基本材料是硅，加工技术为光刻技术，其主要理论基础是固体电子学。而碳材料的主要特点为同素异构体，可以是金刚石、石墨、碳60或者六维的碳管。近年来碳材料中的一个重要的成员是石墨烯，实际上石墨烯的化学结构非常简单，只是一种含有苯的化学结构。

　　2004年，英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃肖洛夫用胶带剥离法成功制备出单片石墨烯，证明了其二维材料是存在的，并因此获得2010年诺贝尔物理学奖。

　　刘云圻指出，石墨烯具有很多优异性能如高强度、载流子迁移率、高导流系数以及透光性，而且尽管它强度很高，实际的重量却很轻。

　　但他指出，当初学界提出用碳电子学代替硅电子学，但做起来以后发现距离预想目标还是很远。“石墨烯距离真正的应用还存在很多挑战，比如面临可控制备、电学性能调控等问题。”

　　目前，纳米电子学或分子电子学的主体材料、加工技术、理论基础目前仍未厘清，刘云圻认为还要继续深入研究。

　　分子材料特点优势突出

　　分子材料是分子间经过弱相互作用形成的材料。这种材料原本被称为有机材料、高温材料或碳材料，其明显的特点是高智能、智能化以及柔性。

　　与传统的柔性不同，本征柔性主要依靠材料本身的柔性，而不是通过物理柔性或者结构柔性而实现的。

　　这种通过柔性连接的分子材料，其特点是能通过分子设计来改变结构并改变性能，刘云圻表示，这一特点在硅电子中很难做到的。“此外这一材料可以用作大规模印刷加工，它的稳定柔性也是一个重要特点。

　　目前这一材料主要的应用场景包括场效晶体管、发光二极管OLAD、有机碳电子及传感器等。

　　我国分子器件中的有机电子发光器件已经实现产业化了，但刘云圻指出，该器件的国产率仍然非常低，基本依靠进口。而分子器件在柔性方面具有很强的优势，如成本较低、重量较轻，可以做柔性显示屏，光能分子材料还可以用作有机太阳能电池。

　　刘云圻指出，分子材料现在面临的主要问题是大面积成本及稳定性。“这一领域的研发起步较国外晚了十年左右，但发展速度很快，尤其是分子材料的主要性能指标在一些方面已经处于全球领先——确确实实体现出我们从跟踪并行到领跑的一个发展历程，整个水平和国际上大致相当。”

　　如在电子材料器件领域，可以将分子材料做成电路贴在人民币上，流通到哪里都能监测。这一技术在实施方面没有问题，但成本仍然较高。此外，香港科技大学还开展了模仿人类眼睛做视网膜的研发。

　　不过，使用分子材料制成的传感器能否实现硅级材料的全部功能，仍值得关注。刘云圻指出：“这种材料的好处在于生物兼容性比较好，能在生物电子方面得到应用。”

　　柔性分子器件发展仍有瓶颈

　　使用溶液法加工也是分子材料的特点之一。硅级材料无法用溶液法加工，而分子材料因其分子作用比较弱，则可以实现溶解——而这可以将光刻技术的发展方向开创出一条崭新的路。

　　“我们完全可以另辟蹊径，用分子材料印刷电子技术在这方面做点工作。当然这个技术挑战也很多，但这个领域我们和国际上没有太大的实际性差距，所以还有机会。”刘云圻说。

　　目前印刷电子的发展已超出基础研究范畴，成为具有很好市场前景的新兴技术。据英国IDTechEx公司预测，到2027年该市场规模能达到3000亿美元。其中场效应晶体管约占15%、OLAD占14%，太阳能占8%。

　　不过，他指出柔性分子器件发展的瓶颈还是非常多的。要实现大量生产仍有难度。而且溶液法加工技术所使用的是非静胶溶剂，对环境并不友好。

　　而且由于材料本身的特性，虽然其迁移率已经超过了无定型硅，与多晶硅相比也基本相当，但距离单晶硅的水平仍有很长的距离，而且加工技术的设备几乎都是进口。

　　柔性显示屏是分子材料另一个重要的应用领域。刘云圻指出，柔性本身概念比较复杂，而且柔性并不能用统一的物理量加以表达。

　　“呈现柔性的方法大概有三条路线，物理柔性、结构柔性以及本征柔性。柔性最关键的还是要靠材料，材料本身有柔性，可以拉伸、弯叠、折叠是非常重要的。”

　　他指出，各大公司研发的柔性显示屏面市的时间一推再推，究其原因还是其稳定性存在问题，“所以我觉得还是要走分子柔性的道路”。

　　继韩国三星公司研发起步，国内许多公司都开始从事有机发光显示屏的研究，但存在的问题仍然很多，导致国产化率非常低。

　　分子材料领域存重大发展机遇

　　功能分子材料通过分子作用力来划分，其分子作用力比较强。刘云圻指出，这种材料具有很多优点：一是能通过化学设计改变材料的化学结构和性能，因此其种类也比较多；二是可以通过调控改变它的性能，具有很好的柔性。

　　“这种材料成本原本应该比较低，但目前成本还是比较高。分子材料也存在着明显的不足，一是总体光电性能比不上硅级材料，二是稳定性仍是大的问题。”刘云圻说。

　　加工技术还牵扯到加工精度的问题，如何提高分辨率成为重点。应用方面则要考虑到多种因素，不光是器件本身，还要与其他技术比较，并考虑到市场等各方面，在刘云圻看来这些都是瓶颈，但他仍然非常看好分子材料领域的发展前景。

　　刘云圻认为，所有这些问题只要认真努力都可以克服与解决。“目前仍然缺少国家层面大的支持，如果能将材料、加工技术、器件、集成等真正组织起来，我们是有希望的。”

　　作为先进功能材料重要的应用领域，分子材料与印刷技术结合，以及本征柔性屏的研发存在很大的战略机遇。刘云圻说：“现在已经到了看见曙光的时候，希望大家共同努力，并且行业能得到一些支持。”

　　他总结道，分子材料是下一个时代的标记性材料，而且正渐渐走向应用。“这源自国家政策的支持，以及该领域同行们的努力。当然它也存在很多挑战，比如没有理论框架，我们现在借用一些固体电子学、硅级电子学的理论，但实际上应用到分子电子学领域还是不同的，这个领域确实需要大家共同努力。”