“十四五”国家重点出版物出版规划项目
先进芯片材料与后摩尔芯片技术丛书
功能材料与芯片器件 : 前沿研究与应用
Functional Materials and Chip Devices: FrontierResearch and Applications
宋廷鲁 高培峰 徐 帆 著
内 容 简 介
后摩尔时代的到来 ,正驱动着新 一 代 芯 片 材 料 与 技 术 的 快 速 发 展 。本 书 共 分 7 章 , 系 统 介 绍了钙钛矿光电芯片 、光子晶体传感器 、量子点芯片 、X射线成像芯片 、相变存储器 、微流控 芯 片 和生物芯片七大关键前沿领域 ,深入解析其基本原理 、架构设计与技术路径 , 突出前沿研究与应 用案例的紧密结合 。书中内容展现 材 料 科 学 与 芯 片 技 术 在 物 理 、化 学 、生 物 及 人 工 智 能 等 多 学 科的深度交叉与创新融合 。
本书主要面向集成电路 、材料科 学 、半 导 体 物 理 、化 学 、生 命 、信 息 及 相 关 专 业 的 本 科 生 、研 究生 、教师 , 以及工程技术人员 、科研人员等 ,可作为教材或参考读物使用 , 为教学科研提供重要 指导与参考价值 。
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图书在版编 目 (CIP) 数据
功能材料与芯片器件 : 前沿研究与应用 / 宋廷鲁 , 高培峰 , 徐帆著 . 北京 : 清华大学出版社 , 2026. 9. -- (先进芯片材料与后摩尔芯片技术 丛书) . -- ISBN 978-7-302-72801-6
Ⅰ. TB34;TN430. 5
中国国家版本馆 CIP数据核字第 2026QQ2284号
责任编辑 : 鲁永芳
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开 本 : 170mm×230mm 印 张 : 29.25 字 数 : 554千字
版 次 : 2026年 9 月第 1 版 印 次 : 2026年 9 月第 1次印刷
定 价 : 199.00元
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李树深 中国科学院院士 , 中国科学院半导体研究所 杨德仁 中国科学院院士 ,浙江大学
吴汉明 中国工程院院士 ,浙江大学
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罗 毅 中国工程院院士 ,清华大学
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屠海令 中国工程院院士 , 中国有研科技集团
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冷雨欣 中国科学院上海光学精密机械研究所
张 卫 复旦大学
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张 凯 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 张 铮 北京科技大学
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封 伟 天津大学
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曹 靖 兰州大学
曹立强 中国科学院微电子研究所
》功能材料与芯片器件：前沿研究与应用
梁君飞 中北大学
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葛广路 中国科学院国家纳米科学中心
韩根全 西安电子科技大学
焦斌斌 西安交通大学
曾 超 中国工程物理研究院电子工程研究所
谢晓明 中国科学院上海微系统研究所
蔡 坚 清华大学
蔡一茂 北京大学
蔡树军 中国电子科技集团公司第五十八研究所 廖 蕾 湖南大学
廖庆亮 北京科技大学
谭平恒 中国科学院半导体研究所
翟天佑 华中科技大学
缪向水 华中科技大学
黎大兵 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 霍宗亮 长江存储科技有限责任公司
芯片行业支撑起的电子信息产业是当今信息时代和当前人工智能时代的产业 基石，电子信息产业的发达与否在一定程度上决定了国家的综合竞争力和未来社 会发展潜力。特别是，随着芯片技术在过去60余年的指数级发展，产业被不断涌 现的新一代材料、器件、集成、制造等技术协同推动，并引发了源源不绝的新兴应用 创新，从底层技术上推动人类文明至新的高度。2024年全球半导体产值达到4万 亿元，2035年预期达到10万亿元，2049年有望突破60万亿元。与此同时，芯片行 业从材料到制造的技术壁垒也越来越高，核心技术被少数半导体公司所掌控。 目前我国相关技术与国外先进水平还有较大差距，而且面临核心材料受制于人、核 心技术很难突破、专利壁垒高、半导体工艺整合难度大、整体差距很难短期缩小的 局面。因此，在后摩尔时代，如何通过底层芯片新材料的创新推动下一代高性能芯 片的高端制造，是未来20～30年最有挑战性的全局性问题之一。
与此同时，整个芯片领域已经持续在学界和业界布局下一代半导体材料、新型 半导体器件、新一代半导体工艺和制造技术的研究，以求在后摩尔时代能够占得技 术引领和产业升级的先机。工业级半导体器件的应用往往起源于对半导体材料和 半导体器件的基础研究和前瞻性应用，例如1947年贝尔实验室发明的晶体管通过 芯片制造工艺和架构的持续迭代引领了摩尔时代超过半个世纪的高速发展，1999 年英伟达公司引领的图形处理单元在先进制造的基础上通过架构创新和生态搭建 推动了当前爆发式人工智能时代的来临。回到当下，我国在后摩尔芯片基础研究 和前沿应用探索方面已有众多成果，进一步强化基础研究深度，并适时推动应用研 究和产业化推广是保持该领域优势的战略关键所在。但是由于芯片行业的长产业 链和长期技术迭代形成的封闭特性，很大一部分科研界关注的芯片新材料、新器件 和新工艺的研究立足于最终取代硅基半导体，而产业界对于新技术的引入又极为 谨慎，造成较为严重的产学研脱节现象。在硅基半导体仍然具有10～20年技术升 级空间的背景下，当前基础芯片新材料和新器件研究对直接推动芯片行业的实质 性发展尚有一定难度。为此，我国如何依托现有半导体材料和制造产业基础，有中 生优，通过跨代升级发展基础原材料和先进节点技术承接下游产业需求，重点融会 贯通以半导体材料和先进工艺装备为代表的电子信息材料上中游产业链；更进一
功能材料与芯片器件：前沿研究与应用
步，如何瞄准全球电子信息产业发展的高线，“无中生有”,战略布局前沿电子信息 材料和制造技术研究，融会贯通产学研的力量，打通从Lab 到 Fab 的通路，提前25 年为我国电子信息产业的发展谋篇蓄力，是本丛书编撰的主要动因。
经过与国内众多高等院校、中国科学院众多相关研究所、信息领域国家重点企 业和行业龙头企业等的走访交流，更是坚定了编委会推动本丛书的编撰与出版的 信心。本丛书的立意也得到了清华大学相关单位的大力支持，经过清华大学出版 社推荐，国家新闻出版署审定，本丛书入选了“十四五”国家重点出版物出版规划。 本丛书主编团队也凝聚了10余位行业各领域知名院士专家学者作为顾问，凝练丛 书立意，优选丛书方向，汇聚行业专家，精心筛选内容，把关细节版式，力争把本丛 书作为推动我国后摩尔芯片产学研深度链条融合、技术开放创新、人才培育拔高的 代表性出版物。在主编团队的不懈努力和通力协作下，通过凝聚顶尖高校、知名院 所、龙头企业等80余位知名专家作为编委的集体智慧，囊括基础新材料、新型器 件、新制造工艺和装备、检测分析技术、特种芯片应用、前沿芯片探索等领域，在清 华大学出版社的支持下共同推出本丛书!丛书将力图较为系统地梳理下一代芯片 中的新材料—新器件—新工艺一新集成一新制造的核心研究成效和关键技术进 展，为学界和业界的科研人员、青年学生和学者、技术管理人员和政策制定人员等 提供系统的行业发展全景读物，并力图从底层技术脉络出发，重新梳理行业中的重 点、难点和趋势，期冀丛书能在一定程度上推动我国芯片研究人才和产业人才的培 育，并带动我国芯片行业高质量可持续发展，为21世纪中叶我国全面建成社会主 义现代化强国贡献芯片创新力量。
清华大学教授 中国工程院院士 周 济
2024年10月于清华园
自20世纪中叶集成电路技术诞生以来，芯片便正式登上人类科技史的舞台， 并逐渐成为推动现代文明进程不可或缺的核心基石。从最初仅集成少数晶体管的 简单逻辑电路，到如今集成数百亿个晶体管的复杂系统，芯片已成为驱动人工智 能、物联网、先进计算、新能源、自动驾驶、量子信息及太空探索等众多前沿领域突 破的关键战略支点。其设计与制造能力日趋成为衡量国家综合科技实力、产业创 新能力与未来战略主动权的重要标尺。
近年来，随着芯片制程工艺持续向纳米尺度极限逼近，经典摩尔定律所预示的 晶体管密度与性能提升规律正面临前所未有的物理极限挑战。在此背景下，传统 硅基芯片的性能提升已无法单纯依赖制程微缩，亟需通过新材料体系、新物理机制 与跨学科技术的深度融合实现突破。作为“十四五”国家重点出版物出版规划项 目，本书精准面向后摩尔时代的新一代芯片材料与技术，重点聚焦于钙钛矿光电芯 片、光子晶体传感器、量子点芯片、X 射线成像芯片、相变存储器、微流控芯片、生物 芯片七大关键前沿领域，进行了系统性的梳理与介绍，不仅涵盖了各功能材料与芯 片器件的基本原理与技术路径，还对其前沿研究与应用进行了案例阐述，并对当前 挑战与未来发展趋势进行了深入剖析。
在此，谨向各位作者的辛勤耕耘与卓越贡献表示衷心祝贺。希望本书能为国 内集成电路、材料科学、半导体物理、生命、化学及相关交叉领域的研究人员、工程 师和广大学子，提供兼具理论深度与实践价值的系统性指导，并为推动我国在后摩 尔时代芯片技术领域的原始性创新突破贡献力量。
许谷
加拿大工程院院士
麦克马斯特大学退休教授
电子科技大学教授
当集成电路的发展逐渐逼近物理规律与经济效益的双重极限时，我们不得 不将目光从传统的工艺微缩，转向一个更为广阔和本质的维度：材料本身。本书 正是在此背景下应运而生的。我们以材料一器件一应用为主线，聚焦钙钛矿光 电芯片、光子晶体传感器、量子点芯片、X 射线成像芯片、相变存储器、微流控芯 片和生物芯片七大方向，在阐述这些材料与器件的基本原理、架构设计和技术路 径时，始终将前沿研究与应用作为指引的明灯。
材料的形态纷繁多样，器件功能与应用需求更是千差万别，它们绝非孤立的技 术单元，而是相互交织、共同勾勒出下一代信息技术的立体图景，也是芯片技术与 材料、物理、化学、生物等多学科前所未有的深度交融和创新迸发。希望本书可以 抛砖引玉，激发后摩尔时代对未来芯片的无限想象与创造激情，以应对现实世界中 的复杂挑战。
谨以本书献给所有致力于在微观尺度构筑未来、于材料中寻求突破的探索者。 愿这些跃动于原子与比特之间的智慧，能够点燃更多创新的火花。
本书由多位从事功能材料与芯片器件研究和开发的人员共同执笔完成：第1章 由宋廷鲁、徐帆撰写；第2章由高培峰、Painda Muhammad Yasir Khan 撰写；第 3 章 由吴显刚、宋廷鲁撰写；第4章由陈宇、宋廷鲁、李梓宁撰写；第5章由邵瑞文、成岩、 暴丽霞撰写；第6章由熊小路、宋廷鲁撰写；第7章由罗茂国、符荣鑫、宋廷鲁撰写。 全书由宋廷鲁、高培峰、徐帆统稿、修订。在本书撰写过程中，我们得到了宋志棠研 究员、韩俊峰教授、孙韬副教授、郑勇辉副教授、于泽仪、刘昱芹、陈钧、孙晨、吴旭辉、 孙国荃、吴子祺、史书馨、郭程旺、姚晴儿、胡汉奇、赵涛、艾昕、徐云蕾等的大力支持 与无私帮助，心怀感恩，谨致谢忱。同时，特别感谢许谷院士在百忙之中拨冗为本 书作序，并给予极具建设性的指导建议。
最后，本书的出版也得到了清华大学出版社的鼎力支持与高效协作，感谢鲁永 芳编辑及其团队的专业付出与辛勤劳动。在互联网与多媒体深度融合的当下，纸 质书籍的独特价值与创作艰辛，唯有亲历者方能体会。值此付梓之际，谨向所有参
功能材料与芯片器件：前沿研究与应用
与本书写作、编辑及提供支持帮助的同仁致以最诚挚的感谢!
因作者学识有限，书中难免存在疏漏与不足之处，敬请广大读者批评指正。 本书全部彩图可扫描二维码观看。
作者
2026年1月
第 1 章 钙钛矿光电芯片 1
1.1 引言 1
1.2 钙钛矿芯片的优势 3
1.3 钙钛矿图案化技术 5
1.3.1 钙钛矿图案化技术的主要挑战 5
1.3.2 钙钛矿直接图案化技术 6
1.3.3 钙钛矿间接图案化技术 18
1.3.4 钙钛矿图案化表征技术 21
1.4 钙钛矿光电芯片研究进展 23
1.4.1 钙钛矿探测器 24
1.4.2 钙钛矿晶体管 34
1.4.3 钙钛矿太阳能电池 37
1.4.4 钙钛矿发光二极管 41
1.4.5 钙钛矿忆阻器 45
1.4.6 钙钛矿激光器 49
1.5 钙钛矿单晶材料与芯片 55
1.5.1 钙钛矿单晶材料 56
1.5.2 钙钛矿单晶制备方法 58
1.5.3 钙钛矿单晶光电芯片 64
1.5.4 未来策略与方向 65
1.6 结论与展望 66
1.6.1 主要结论 66
1.6.2 展 望 67
参考文献 67
第 2 章 光子晶体传感器 75
2.1 光子晶体的发展历史 76
XI 》功能材料与芯片器件：前沿研究与应用
2.2 光子晶体的结构与性质 78
2.2.1 光子晶体的周期性结构 79
2.2.2 光子晶体的光学特性 80
2.2.3 光子晶体的电磁特性 81
2.2.4 光子晶体的生物学特性 82
2.3 光子晶体的制备 83
2.3.1 一维光子晶体的制备 84
2.3.2 二维光子晶体的制备 86
2.3.3 三维光子晶体的制备 88
2.4 光子晶体的功能调控 91
2.4.1 分子印迹光子晶体 92
2.4.2 基于金属有机框架的光子晶体 93
2.4.3 光子晶体光纤 93
2.4.4 荧光增强型光子晶体 94
2.4.5 生物增强型光子晶体 95
2.5 光子晶体传感器的制备与应用 97
2.5.1 光子晶体物理响应传感器 97
2.5.2 光子晶体生物传感器 99
2.5.3 光子晶体化学传感器 103
2.6 基于光子晶体的适配体传感器 106
2.6.1 适配体 107
2.6.2 适配体传感器的构建 108
2.6.3 适配体传感器的应用 108
2.6.4 小分子检测的光子晶体适配体传感器 108
2.6.5 癌症检测的光子晶体适配体传感器 110
2.6.6 病毒检测的光子晶体适配体传感器 112
2.7 结论与展望 115
参考文献 115
第3章 量子点芯片 124
3.1 量子点的发现与发展历史 124
3.1.1 量子点的发现与理论奠基 124
3.1.2 量子点合成工艺演化 127
3.1.3 材料体系 131
目 录
3.2 量子点芯片微纳加工技术 142
3.2.1 量子点图案化技术 142
3.2.2 量子点与硅基/柔性基底的集成 144
3.2.3 电接触与器件封装技术 146
3.2.4 规模化制造面临的挑战与解决方案 150
3.3 量子点芯片显示和照明应用 151
3.3.1 量子点在白光LED照明与广色域显示中的核心作用 152
3.3.2 量子点发光二极管：结构与性能优化 154
3.4 量子点场效应晶体管与光电探测器 161
3.4.1 量子点场效应晶体管的工作原理与结构 161
3.4.2 量子点在光电探测和红外成像中的应用 163
3.4.3 量子点光谱仪 165
3.4.4 新型计算范式：量子点神经形态器件 167
3.5 量子点在生物医学中的应用 169
3.5.1 生物相容性修饰与靶向功能化 169
3.5.2 荧光传感与疾病诊断 171
3.5.3 药物传送与光动力治疗 173
3.6 量子点受控辐射光源 176
3.6.1 量子点激光器 176
3.6.2 量子点单光子源 180
3.7 总结与展望 181
参考文献 182
第 4 章 X 射 线 成 像 芯 片 211
4.1 引言 211
4.2 X射线成像技术 212
4.2.1 高能射线与物质的相互作用 212
4.2.2 胶片增感屏技术 214
4.2.3 计算机X射线摄影技术 215
4.2.4 基于平板探测器的X射线成像技术 216
4.2.5 计算机断层扫描X射线成像技术 218
4.3 X射线成像材料 220
4.3.1 闪 烁 体 220
4.3.2 X射线光电半导体 250
4.4 X射线成像芯片制备技术 260
4.4.1 TFT基板制备技术 260
4.4.2 C M O S 基 板 制 备 技 术 263
4.4.3 X射线成像芯片键合技术 265
参考文献 269
第 5 章 相变存储器 276
5.1 相变存储器原理 277
5.1.1 相变存储器的发展 277
5.1.2 相变存储器概念及其特性 279
5.1.3 相变存储器的工作原理 280
5.2 相变存储器材料 281
5.2.1 硫系化合物 281
5.2.2 掺杂与改性材料(如N、O掺杂GST) 296
5.2.3 相变存储器器件性能研究 299
5.3 相变存储器失效机制 306
5.3.1 失效类型与机理分析 306
5.3.2 失效表征方法 336
5.4 相变存储器的研究前沿和应用拓展 341
5.4.1 新型相变材料体系 342
5.4.2 器件结构的创新设计 343
5.4.3 计算模拟方法的创新发展 344
5.4.4 存储器件与类脑芯片领域的应用转化 345
参考文献 346
第 6 章 微 流 控 芯 片 351
6.1 微流控芯片概述 351
6.1.1 微流控芯片技术的原理 351
6.1.2 微流控芯片的发展历程 352
6.2 微流控芯片材料 354
6.2.1 硅 354
6.2.2 玻璃和石英 354
6.2.3 聚二甲基硅氧烷 355
6.2.4 水 凝 胶 355
目 录
6.2.5 纸 355
6.3 硅微流控芯片 356
6.3.1 硅微流控芯片的加工工艺 356
6.3.2 硅微流控芯片的应用 358
6.4 玻璃微流控芯片 358
6.4.1 玻璃微流控芯片的加工工艺 359
6.4.2 玻璃微流控芯片的应用 359
6.5 PD MS微流控芯片 360
6.5.1 PD MS微流控芯片的加工工艺 360
6.5.2 PD MS微流控芯片的应用 362
6.6 水凝胶微流控芯片 364
6.6.1 水凝胶微流控芯片的制作 364
6.6.2 水凝胶微流控芯片的应用 365
6.7 纸微流控芯片 367
6.7.1 纸微流控芯片的制作工艺 368
6.7.2 纸微流控芯片的形状与结构设计 374
6.7.3 纸微流控芯片的检测原理 375
6.7.4 纸微流控芯片的反应液优化 377
6.7.5 纸微流控芯片在水质检测中的应用 378
6.7.6 纸微流控芯片智慧监测系统的开发 386
6.8 微流控芯片的前景与展望 391
参考文献 391
第 7 章 生 物 芯 片 394
7.1 生物芯片概述 394
7.1.1 生物芯片的定义与分类 394
7.1.2 生物芯片的发展历程与里程碑 396
7.1.3 生物芯片与传统电子芯片的异同 398
7.2 生物芯片的核心技术 399
7.2.1 微阵列技术与微流控技术 399
7.2.2 表面化学修饰与生物分子固定 402
7.2.3 信号检测技术：光学、电化学、质谱 404
7.3 生物芯片材料及制造 411
7.3.1 常用基底材料 411
功能材料与芯片器件：前沿研究与应用
7.3.2 微纳加工工艺 416
7.3.3 生物相容性与封装技术 419
7.4 生物芯片的应用领域 422
7.4.1 基因芯片：高通量测序与疾病诊断的深度融合 423
7.4.2 蛋白质芯片：癌症标志物检测与药物筛选 427
7.4.3 细胞芯片：器官芯片与毒性测试 429
7.4.4 环境监测与食品安全检测 434
7.5 挑战与未来趋势 438
7.5.1 技术瓶颈：灵敏度、集成化与成本 438
7.5.2 人工智能驱动的数据分析与芯片智能化 439
7.5.3 可穿戴生物芯片与个性化医疗 440
7.5.4 伦理与商业化路径探讨 443
参考文献 444
