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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(lái)源:教育部陽(yáng)光高考信息平臺   瀏覽次數:1438 次  字體大小【

當今社會(huì ),一場(chǎng)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)正以驚人的速度驅動(dòng)著(zhù)社會(huì )加速進(jìn)步。教育部2021年新增“光電信息材料與器件”本科專(zhuān)業(yè),旨在培養光電信息領(lǐng)域緊缺人才。陽(yáng)光高考特邀采訪(fǎng)了哈爾濱工業(yè)大學(xué)光電信息科學(xué)系主任、教授王金忠,與同學(xué)們聊一聊光電信息材料與器件專(zhuān)業(yè)。

一專(zhuān)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(shí)早已深入我們的生活。從大國重器中的航天遙感系統、導彈預警、核電監測,到日常生活中的手機通信天線(xiàn)、防疫紅外測溫儀、顯示屏、刷臉支付、VR設備等,都離不開(kāi)光電材料與器件的支撐。

就拿智能手機來(lái)說(shuō),它周身都離不開(kāi)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(shí)現精準操作;手機的攝像頭離不開(kāi)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(shuō),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(xué)科

光電信息材料與器件專(zhuān)業(yè)是一個(gè)典型的交叉學(xué)科,它以材料科學(xué)與工程、化學(xué)、物理學(xué)為基礎,與電子、光子、集成電路、信息等學(xué)科深度融合。該專(zhuān)業(yè)重點(diǎn)關(guān)注與電子科學(xué)與工程、信息科學(xué)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,以及這些材料的結構表征、性能測試、工藝技術(shù)、制造裝備和器件應用等全鏈條技術(shù)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),這個(gè)專(zhuān)業(yè)就是研究如何設計、制備和應用那些能夠實(shí)現光與電相互轉換、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(xué)光電信息科學(xué)系主任王金忠教授介紹,光電信息材料與器件專(zhuān)業(yè)是聚焦于“高效光和電信號相互轉換材料與器件研究”的前沿交叉學(xué)科,它既是破解“芯片困局”的關(guān)鍵鑰匙,也是開(kāi)啟智能光電時(shí)代的核心引擎。該專(zhuān)業(yè)融合了材料、光子和電子多個(gè)學(xué)科,貫穿了從原子設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(xué)什么?

以哈爾濱工業(yè)大學(xué)為例,該專(zhuān)業(yè)本科課程分為公共基礎課、大類(lèi)平臺課、專(zhuān)業(yè)方向課和自主發(fā)展課程。

公共基礎課是學(xué)校工科學(xué)生都需要學(xué)習的數學(xué)、物理、化學(xué)。大類(lèi)平臺課為材料方向本科生的課程,有C語(yǔ)言、電工與電子技術(shù)、材料科學(xué)與工程基礎、材料分析測試方法、材料物理等課程。專(zhuān)業(yè)方向課為“光電信息材料與器件專(zhuān)業(yè)”的課程,主要包括半導體物理、半導體器件、光電材料與應用、光電系統設計與技術(shù)、光譜原理、光纖基礎、量子力學(xué)等課程。

王金忠教授介紹道:“在哈工大,本專(zhuān)業(yè)有著(zhù)一項別具特色的安排,即開(kāi)設暑期學(xué)校。屆時(shí),學(xué)校會(huì )邀請來(lái)自多個(gè)國家的專(zhuān)家前來(lái)授課、講座,讓學(xué)生在哈爾濱就可以接觸到國外頂尖大學(xué)的課程。這種獨特的培養模式,能夠從多個(gè)維度拓展學(xué)生的視野,實(shí)現對學(xué)生的全方位培養。僅2024年度國際暑期學(xué)校就邀請了來(lái)自俄羅斯、美國、英國、新加坡等地80余位知名學(xué)者開(kāi)設課程和講座,吸引了500余名本科生積極參與。”

與傳統材料專(zhuān)業(yè)有何不同?

第一,研究焦點(diǎn)不同。傳統材料專(zhuān)業(yè)更關(guān)注材料本身的結構與性能關(guān)系,而本專(zhuān)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用。

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

第三,應用導向更明確。光電信息材料與器件專(zhuān)業(yè)培養直接面向光電芯片、顯示技術(shù)、光通信等國家急需領(lǐng)域,致力于解決實(shí)際工程問(wèn)題。

第四,這個(gè)專(zhuān)業(yè)的研究?jì)热萆婕鞍雽w、量子點(diǎn)、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(zhuān)業(yè)與就業(yè)
全國普通高校畢業(yè)生規模:
0人

人才需求呈4大特點(diǎn),年增長(cháng)超20%

光電信息材料與器件專(zhuān)業(yè)的發(fā)展前景極為廣闊。隨著(zhù)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)規模持續擴大。據行業(yè)分析,全球光電子市場(chǎng)規模預計將從2023年的約6000億美元增長(cháng)到2030年的超過(guò)1萬(wàn)億美元,年復合增長(cháng)率約7.5%。

在中國,“十四五”規劃將光電子材料與器件列為重點(diǎn)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(chǎng),但高端芯片和核心材料仍依賴(lài)進(jìn)口,這蘊藏了本專(zhuān)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(zhuān)業(yè)人才的需求呈現4大特點(diǎn):需求量大、層次高、領(lǐng)域專(zhuān)、增長(cháng)快。教育部新增此專(zhuān)業(yè),正是為了系統培養能夠滿(mǎn)足這些需求的專(zhuān)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(guò)20萬(wàn)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(zhù)國產(chǎn)化替代加速,相關(guān)人才需求年增長(cháng)率超過(guò)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(zhuān)業(yè)人才?

在當下科技飛速發(fā)展的時(shí)代,眾多行業(yè)和關(guān)鍵領(lǐng)域對光電信息材料與器件專(zhuān)業(yè)人才展現出了強烈需求,主要集中在以下五個(gè)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計與制造,解決我國在半導體領(lǐng)域的技術(shù)壁壘問(wèn)題。其二,新能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域:研發(fā)高效太陽(yáng)能電池材料,提高光電轉換效率,降低可再生能源成本。其三,顯示技術(shù)升級領(lǐng)域:開(kāi)發(fā)更輕薄、更節能的OLED、量子點(diǎn)顯示技術(shù),改善視覺(jué)體驗。其四,智能感知系統領(lǐng)域:設計高性能光電傳感器,用于自動(dòng)駕駛、環(huán)境監測、醫療診斷等領(lǐng)域。其五,光通信網(wǎng)絡(luò )建設領(lǐng)域:研制高速光通信芯片,支撐5G/6G網(wǎng)絡(luò )和數據中心發(fā)展。

主要就業(yè)領(lǐng)域和代表企業(yè)

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

(1)半導體與集成電路行業(yè):從事芯片設計、工藝開(kāi)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(cháng)江存儲等;

(2)光通信與網(wǎng)絡(luò )設備: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(diǎn)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(kāi)發(fā)各類(lèi)光電傳感器和成像器件,應用于自動(dòng)駕駛、安防監控、醫療影像等領(lǐng)域;

(5)新能源與節能環(huán)保:從事太陽(yáng)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(xué)研究與教學(xué)工作;

(7)軍工與航空航天:參與國防光電系統的研制工作,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、光電器件設計工程師、產(chǎn)品應用工程師、質(zhì)量控制工程師、技術(shù)支持工程師等。

三報考指南

培養光電信息領(lǐng)域緊缺人才

國家“十四五”規劃明確提出要突破關(guān)鍵新材料和器件技術(shù),該專(zhuān)業(yè)的設立旨在培養光電信息領(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(zhuān)業(yè),是順應國家戰略需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的重要舉措。

“從學(xué)科建設方面來(lái)看,傳統材料科學(xué)、光學(xué)工程、電子信息等學(xué)科邊界模糊化,亟需培養兼具材料設計、器件制備和系統應用的復合型人才。”哈爾濱工業(yè)大學(xué)光電信息科學(xué)系主任王金忠教授介紹道。

光電信息材料與器件專(zhuān)業(yè)屬于工科中的材料大類(lèi),開(kāi)設院校的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和培養側重各有不同,以?xún)伤咝槔?,做一?jiǎn)單介紹:

哈爾濱工業(yè)大學(xué)光電信息材料與器件專(zhuān)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(jìn)的分子束外延系統等設備,研究生升學(xué)率較高。

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

當前開(kāi)設院校少,也可關(guān)注同源專(zhuān)業(yè)

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

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

什么樣的學(xué)生更適合學(xué)習

王金忠教授指出,學(xué)習光電信息材料與器件專(zhuān)業(yè),并沒(méi)有特殊限制。不過(guò),具備扎實(shí)數學(xué)、物理和化學(xué)基礎的學(xué)生,在學(xué)習過(guò)程中會(huì )更具優(yōu)勢。特別是在對固體物理、量子力學(xué)等專(zhuān)業(yè)概念的理解層面,深厚的數理基礎能助力學(xué)生更深入地掌握知識。從性格與能力特點(diǎn)來(lái)看,該專(zhuān)業(yè)十分適合熱衷于實(shí)驗探究、擁有創(chuàng )新思維且動(dòng)手能力較強的學(xué)生。

光電信息材料與器件專(zhuān)業(yè)作為國家戰略急需的新工科專(zhuān)業(yè),不僅擁有極為廣闊的發(fā)展前景,也肩負著(zhù)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(xué)子加入這一充滿(mǎn)機遇與挑戰的領(lǐng)域。

本文版權歸教育部陽(yáng)光高考信息平臺所有,轉載請注明來(lái)源。

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