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，與電子、光子、集成電路、信息等學科深度融合。該專業(yè)重點關注與電子科學與工程、信息科學與工程相關的各種功能性材料，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鍵材料，以及這些材料的結構表征、性能測試、工藝技術、制造裝備和器件應用等全鏈條技術。
簡單來說，這個專業(yè)就是研究如何設計、制備和應用那些能夠實現(xiàn)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課、大類平臺課、專業(yè)方向課和自主發(fā)展課程。
公共基礎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、材料科學與工程基礎、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、光電材料與應用、光電系統(tǒng)設計與技術、光譜原理、光纖基礎、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)更關注材料本身的結構與性能關系，而本專業(yè)則聚焦于材料在前沿的光電信息領域中的特定功能與應用。
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、光通信等國家急需領域，致力于解決實際工程問題。
第四，這個專業(yè)的研究內容涉及半導體、量子點、鈣鈦礦、二維材料等最前沿的光電功能材料，技術前沿性更高。
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)展領域，相關產(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、領域專、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人才。隨著國產(chǎn)化替代加速，相關人才需求年增長率超過20%，在光芯片、高端顯示、智能傳感等細分領域人才尤為緊缺。”
哪些領域需要該專業(yè)人才？
在當下科技飛速發(fā)展的時代，眾多行業(yè)和關鍵領域對光電信息材料與器件專業(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”技術攻關領域：如高端光電芯片的自主設計與制造，解決我國在半導體領域的技術壁壘問題。其二，新能源開發(fā)領域：研發(fā)高效太陽能電池材料，提高光電轉換效率，降低可再生能源成本。其三，顯示技術升級領域：開發(fā)更輕薄、更節(jié)能的OLED、量子點顯示技術，改善視覺體驗。其四，智能感知系統(tǒng)領域：設計高性能光電傳感器，用于自動駕駛、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等領域。其五，光通信網(wǎng)絡建設領域：研制高速光通信芯片，支撐5G/6G網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心發(fā)展。
主要就業(yè)領域和代表企業(yè)
該專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)領域廣泛，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、量子點等顯示技術的研發(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，應用于自動駕駛、安防監(jiān)控、醫(yī)療影像等領域；
（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、光電器件設計工程師、產(chǎn)品應用工程師、質量控制工程師、技術支持工程師等。
培養(yǎng)光電信息領域緊缺人才
國家“十四五”規(guī)劃明確提出要突破關鍵新材料和器件技術，該專業(yè)的設立旨在培養(yǎng)光電信息領域緊缺人才。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)兼具材料設計、器件制備和系統(tǒng)應用的復合型人才。”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，開設院校的專業(yè)特點和培養(yǎng)側重各有不同，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”技術攻關為特色，擁有中國工程院院士領銜的師資團隊和先進的分子束外延系統(tǒng)等設備，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。
當前開設院校少，也可關注同源專業(yè)
目前全國開設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。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知識與研究方向，開啟光電領域的探索之旅。
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)的領域。
