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光電信息材料與器件:破解“芯片困局”的鑰匙
信息來源:教育部陽光高考信息平臺   瀏覽次數(shù): 317次  字體大小【

當今社會,一場以5G、光電芯片、智能感知、量子計算等為代表的光電信息產(chǎn)業(yè)革命正在蓬勃興起,這些前沿技術(shù)正以驚人的速度驅(qū)動著社會加速進步。教育部2021年新增“光電信息材料與器件”本科專業(yè),旨在培養(yǎng)光電信息領(lǐng)域緊缺人才。陽光高考特邀采訪了哈爾濱工業(yè)大學光電信息科學系主任、教授王金忠,與同學們聊一聊光電信息材料與器件專業(yè)。

一專業(yè)解析

光電信息材料與器件到底是什么?

光電信息材料與器件其實早已深入我們的生活。從大國重器中的航天遙感系統(tǒng)、導彈預警、核電監(jiān)測,到日常生活中的手機通信天線、防疫紅外測溫儀、顯示屏、刷臉支付、VR設(shè)備等,都離不開光電材料與器件的支撐。

就拿智能手機來說,它周身都離不開光電信息材料與器件:智能手機的觸摸屏,采用的是氧化銦錫(ITO)透明導電薄膜,它能夠“感知”手指的觸碰,從而實現(xiàn)精準操作;手機的攝像頭離不開CMOS圖像傳感器;面部識別功能則依靠紅外光敏元件;手機通信功能需要射頻器件和光通信芯片協(xié)同工作……可以說,正是這些光電信息材料與器件的有力支撐,才讓智能手機具備了如此強大而豐富的功能。

典型的前沿交叉學科

光電信息材料與器件專業(yè)是一個典型的交叉學科,它以材料科學與工程、化學、物理學為基礎(chǔ),與電子、光子、集成電路、信息等學科深度融合。該專業(yè)重點關(guān)注與電子科學與工程、信息科學與工程相關(guān)的各種功能性材料,包括半導體材料、光子與電磁材料、功能與傳感材料、量子信息材料等信息處理與傳輸所需的核心關(guān)鍵材料,以及這些材料的結(jié)構(gòu)表征、性能測試、工藝技術(shù)、制造裝備和器件應(yīng)用等全鏈條技術(shù)。

簡單來說,這個專業(yè)就是研究如何設(shè)計、制備和應(yīng)用那些能夠?qū)崿F(xiàn)光與電相互轉(zhuǎn)換、信息傳輸與處理的新型功能材料與器件。

哈爾濱工業(yè)大學光電信息科學系主任王金忠教授介紹,光電信息材料與器件專業(yè)是聚焦于“高效光和電信號相互轉(zhuǎn)換材料與器件研究”的前沿交叉學科,它既是破解“芯片困局”的關(guān)鍵鑰匙,也是開啟智能光電時代的核心引擎。該專業(yè)融合了材料、光子和電子多個學科,貫穿了從原子設(shè)計到器件集成的全鏈條創(chuàng)新,代表了信息科技與能源革命的重要方向。

本科階段學什么?

以哈爾濱工業(yè)大學為例,該專業(yè)本科課程分為公共基礎(chǔ)課、大類平臺課、專業(yè)方向課和自主發(fā)展課程。

公共基礎(chǔ)課是學校工科學生都需要學習的數(shù)學、物理、化學。大類平臺課為材料方向本科生的課程,有C語言、電工與電子技術(shù)、材料科學與工程基礎(chǔ)、材料分析測試方法、材料物理等課程。專業(yè)方向課為“光電信息材料與器件專業(yè)”的課程,主要包括半導體物理、半導體器件、光電材料與應(yīng)用、光電系統(tǒng)設(shè)計與技術(shù)、光譜原理、光纖基礎(chǔ)、量子力學等課程。

王金忠教授介紹道:“在哈工大,本專業(yè)有著一項別具特色的安排,即開設(shè)暑期學校。屆時,學校會邀請來自多個國家的專家前來授課、講座,讓學生在哈爾濱就可以接觸到國外頂尖大學的課程。這種獨特的培養(yǎng)模式,能夠從多個維度拓展學生的視野,實現(xiàn)對學生的全方位培養(yǎng)。僅2024年度國際暑期學校就邀請了來自俄羅斯、美國、英國、新加坡等地80余位知名學者開設(shè)課程和講座,吸引了500余名本科生積極參與。”

與傳統(tǒng)材料專業(yè)有何不同?

第一,研究焦點不同。傳統(tǒng)材料專業(yè)更關(guān)注材料本身的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系,而本專業(yè)則聚焦于材料在前沿的光電信息領(lǐng)域中的特定功能與應(yīng)用。

第二,學科交叉性更強。光電信息材料與器件專業(yè)深度融合了材料科學、光學工程與電子信息等多個學科,具有更鮮明的交叉學科特色。

第三,應(yīng)用導向更明確。光電信息材料與器件專業(yè)培養(yǎng)直接面向光電芯片、顯示技術(shù)、光通信等國家急需領(lǐng)域,致力于解決實際工程問題。

第四,這個專業(yè)的研究內(nèi)容涉及半導體、量子點、鈣鈦礦、二維材料等最前沿的光電功能材料,技術(shù)前沿性更高。

二專業(yè)與就業(yè)
全國普通高校畢業(yè)生規(guī)模:
0人

人才需求呈4大特點,年增長超20%

光電信息材料與器件專業(yè)的發(fā)展前景極為廣闊。隨著5G/6G通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛等技術(shù)的快速發(fā)展,全球光電產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大。據(jù)行業(yè)分析,全球光電子市場規(guī)模預計將從2023年的約6000億美元增長到2030年的超過1萬億美元,年復合增長率約7.5%。

在中國,“十四五”規(guī)劃將光電子材料與器件列為重點發(fā)展領(lǐng)域,相關(guān)產(chǎn)業(yè)年均增速保持在15%以上。特別是在半導體照明、新型顯示、光通信等領(lǐng)域,中國已成為全球最大的生產(chǎn)和消費市場,但高端芯片和核心材料仍依賴進口,這蘊藏了本專業(yè)人才巨大的發(fā)展機遇。

“國家對光電信息材料與器件專業(yè)人才的需求呈現(xiàn)4大特點:需求量大、層次高、領(lǐng)域?qū)?、增長快。教育部新增此專業(yè),正是為了系統(tǒng)培養(yǎng)能夠滿足這些需求的專業(yè)人才。”王教授介紹:“目前,僅半導體產(chǎn)業(yè)人才缺口就超過20萬人,其中材料與器件相關(guān)人才占比約30%,特別缺乏具有創(chuàng)新能力的研發(fā)人才和復合型工程技術(shù)人才。隨著國產(chǎn)化替代加速,相關(guān)人才需求年增長率超過20%,在光芯片、高端顯示、智能傳感等細分領(lǐng)域人才尤為緊缺。”

哪些領(lǐng)域需要該專業(yè)人才?

在當下科技飛速發(fā)展的時代,眾多行業(yè)和關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)怆娦畔⒉牧吓c器件專業(yè)人才展現(xiàn)出了強烈需求,主要集中在以下五個方面。

其一,“卡脖子”技術(shù)攻關(guān)領(lǐng)域:如高端光電芯片的自主設(shè)計與制造,解決我國在半導體領(lǐng)域的技術(shù)壁壘問題。其二,新能源開發(fā)領(lǐng)域:研發(fā)高效太陽能電池材料,提高光電轉(zhuǎn)換效率,降低可再生能源成本。其三,顯示技術(shù)升級領(lǐng)域:開發(fā)更輕薄、更節(jié)能的OLED、量子點顯示技術(shù),改善視覺體驗。其四,智能感知系統(tǒng)領(lǐng)域:設(shè)計高性能光電傳感器,用于自動駕駛、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。其五,光通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)領(lǐng)域:研制高速光通信芯片,支撐5G/6G網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心發(fā)展。

主要就業(yè)領(lǐng)域和代表企業(yè)

該專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)領(lǐng)域廣泛,主要包括以下幾個方向:

(1)半導體與集成電路行業(yè):從事芯片設(shè)計、工藝開發(fā)、器件測試等工作,主要企業(yè)包括華為海思、臺積電、中芯國際、長江存儲等;

(2)光通信與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備:從事光模塊、光纖器件等研發(fā)與生產(chǎn),代表企業(yè)有華為、中興、光迅科技等;

(3)新型顯示產(chǎn)業(yè):參與OLED、量子點等顯示技術(shù)的研發(fā)與制造,如京東方、TCL華星、天馬微電子等;

(4)智能傳感與成像:開發(fā)各類光電傳感器和成像器件,應(yīng)用于自動駕駛、安防監(jiān)控、醫(yī)療影像等領(lǐng)域;

(5)新能源與節(jié)能環(huán)保:從事太陽能電池、LED照明等產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn);

(6)科研院所與高校:從事前沿科學研究與教學工作;

(7)軍工與航空航天:參與國防光電系統(tǒng)的研制工作,例如航天院所。

在這些就業(yè)方向中,畢業(yè)生可從事的具體工作崗位豐富多樣,包括但不限于:光電材料研發(fā)工程師、半導體工藝工程師、光電器件設(shè)計工程師、產(chǎn)品應(yīng)用工程師、質(zhì)量控制工程師、技術(shù)支持工程師等。

三報考指南

培養(yǎng)光電信息領(lǐng)域緊缺人才

國家“十四五”規(guī)劃明確提出要突破關(guān)鍵新材料和器件技術(shù),該專業(yè)的設(shè)立旨在培養(yǎng)光電信息領(lǐng)域緊缺人才。教育部在2021年新增“光電信息材料與器件”本科專業(yè),是順應(yīng)國家戰(zhàn)略需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的重要舉措。

“從學科建設(shè)方面來看,傳統(tǒng)材料科學、光學工程、電子信息等學科邊界模糊化,亟需培養(yǎng)兼具材料設(shè)計、器件制備和系統(tǒng)應(yīng)用的復合型人才。”哈爾濱工業(yè)大學光電信息科學系主任王金忠教授介紹道。

光電信息材料與器件專業(yè)屬于工科中的材料大類,開設(shè)院校的專業(yè)特點和培養(yǎng)側(cè)重各有不同,以兩所高校為例,做一簡單介紹:

哈爾濱工業(yè)大學光電信息材料與器件專業(yè),以光電芯片制備和“卡脖子”技術(shù)攻關(guān)為特色,擁有中國工程院院士領(lǐng)銜的師資團隊和先進的分子束外延系統(tǒng)等設(shè)備,研究生升學率較高。

桂林電子科技大學的光電信息材料與器件專業(yè),依托教育部電子信息材料與器件工程研究中心,側(cè)重光伏、LED和光電探測材料研究,與廣西地方產(chǎn)業(yè)結(jié)合緊密。

當前開設(shè)院校少,也可關(guān)注同源專業(yè)

目前全國開設(shè)光電信息材料與器件本科專業(yè)的高校較少,僅有十余所。2021年哈爾濱工業(yè)大學、南方科技大學成為首批獲批開設(shè)該專業(yè)的院校。2022年度新增5所包括:桂林電子科技大學、重慶理工大學、江蘇理工學院、安徽師范大學皖江學院、南昌航空大學科技學院;2023年度新增6所:南京航空航天大學、齊魯工業(yè)大學、濟寧學院、河南師范大學、陜西科技大學、寶雞文理學院。

雖然目前在本科教育階段,直接開設(shè)光電信息材料與器件專業(yè)的高校數(shù)量相對有限。然而,與這個專業(yè)緊密相連、同根同源的“光電信息科學與工程”,卻在眾多高校中廣泛開設(shè)。例如華中科技大學、浙江大學、電子科技大學、北京理工大學、中國科學技術(shù)大學、北京航空航天大學、西安交通大學等。感興趣的同學不妨進一步了解,同樣能夠深入接觸到相關(guān)知識與研究方向,開啟光電領(lǐng)域的探索之旅。

什么樣的學生更適合學習

王金忠教授指出,學習光電信息材料與器件專業(yè),并沒有特殊限制。不過,具備扎實數(shù)學、物理和化學基礎(chǔ)的學生,在學習過程中會更具優(yōu)勢。特別是在對固體物理、量子力學等專業(yè)概念的理解層面,深厚的數(shù)理基礎(chǔ)能助力學生更深入地掌握知識。從性格與能力特點來看,該專業(yè)十分適合熱衷于實驗探究、擁有創(chuàng)新思維且動手能力較強的學生。

光電信息材料與器件專業(yè)作為國家戰(zhàn)略急需的新工科專業(yè),不僅擁有極為廣闊的發(fā)展前景,也肩負著重要的歷史使命。歡迎有志于破解“卡脖子”難題、引領(lǐng)光電科技創(chuàng)新的青年學子加入這一充滿機遇與挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。

本文版權(quán)歸教育部陽光高考信息平臺所有,轉(zhuǎn)載請注明來源。

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