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2016材料領域的十大看點

2016-02-16 10:16:26 作者：本網整理來源：

辭舊迎新之際，正是盤點過往、展望未來的好時機。國內外諸多科技型智庫、媒體紛紛發布2016年值得關注的科技創新方向。鑒于國際趨勢的創新方向在國內未必適合，國內關注的創新方向在國際上未必上榜，上海市科學學研究所技術預見研究團隊，基于中國的創新階段和環境，就2016年的技術創新關注點進行了評點。技術創新的發展日新月異、錯綜復雜，我們提供“值得關注”的一種聲音，供讀者參考。本文為“材料”篇。

材料的進步是各個領域科學發展與應用推廣的物質基礎，近年來世界各主要國家針對材料科學紛紛制定了重點科技發展戰略，如美國的“材料基因組計劃”、歐盟的“石墨烯旗艦計劃”等。上海市科學學研究所技術預見研究團隊參考國際有關機構的評述，結合上海專家團隊意見，提出材料領域2016年十大關注點。

1 快速崛起的第三代半導體材料

第三代半導體材料是以寬禁帶為特點的一類半導體材料，包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等代表性材料。這一特點使得第三代半導體材料的同第一代（Si）、第二代（GaAs、InP）半導體材料相比，具備更高的擊穿電場、熱導率、電子飽和速率及更好的抗輻射能力。宏觀表現出來，就是在高溫、高頻、高輻射劑量及大功率等傳統半導體材料（尤其是SI）難以勝任的場合具有顯著優勢。

以最典型的SiC材料為例。SiC能夠帶來能夠更高的光電轉換效率，用于LED照明可降低40%的成本，應用于太陽能發電則可降低25%以上的轉換損失。SiC還能夠減少功率元件的電力損失，應用于超高壓直流輸電和智能電網領域可降低60%電力損失，并提高40%的供電效率；應用在家電、高鐵、新能源汽車、工業電機等領域也可實現20~50%不等的節能效率。效率的提高也會帶來器件體積的減少，例如用于電腦適配器就可減少80%的體積。

2014年起，美國就成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導體產業聯盟，目前已經獲得了美國各級政府的1.4億美元的投資。日本政府則更早認識到了SiC的重大意義，將其視為未來節能戰略的重要技術，并在2013年將其納入了“首相戰略”。

圖片來源：lights.ofweek.com

2 實用性步伐加快的石墨烯材料

石墨烯是一種二維碳材料，具有超薄、柔性、高強度、導電導熱性好、透光率好等獨特性能，被認為有望在多個科研和產業領域帶來革命性進展。目前主要關注的潛在應用方向包括：新一代集成電路的基礎材料、新一代觸摸屏的透光導電膜、高效導熱膜、改善電池性能的添加劑等。石墨烯產業的發展也獲得了全球各主要國家的重點關注。我國石墨烯制造相關的市場活動和產業計劃呈遍地開花之勢，目前已經有企業發展到了噸級生產能力。重慶已經生產了首批采用了石墨烯觸屏、電池和導熱膜的手機。石墨烯超級電池在新能源汽車的試驗中也實現了充電8分鐘續航1000公里的顛覆性表現。石墨烯場效應晶體管在實驗室中也顯示出了高達155G的超高主頻。

當然，目前石墨烯的發展還存在許多關鍵性的障礙，例如批量生產的石墨烯質量較低、缺乏帶隙結構、環境風險等等。但在資本力量已經大舉介入的情況下，可以預見2016年石墨烯產業會迎來大的發展。

圖片來源：Lawrence Berkley National Laboratory

3 柔性玻璃

康寧公司計劃中的柔性玻璃Willow除了更薄、更耐磨、更通透之外，還具有一個突出的有點：柔性。在需要的時候甚至可以將玻璃卷起來，甚至其生產過程也借鑒了造紙工廠的靈感。這一材料可以用于電子設備的曲面屏幕，以及太陽能電池和照明等場合。Willow原定于2013年面世，但是由于技術和工藝等方面的原因，最終的終端產品可能會在2016年才能出現。

圖片來源：Corning Incorporated

4 有機-無機混合的鈣鈦礦構形材料

鈣鈦礦構形材料的化學成分并不是CaTiO3，只是由于其晶格結構是同鈣鈦礦類似的ABX3構形而得名。事實上目前流行的鈣鈦礦太陽能電池材料是一種有機-無機混合材料，例如典型的甲胺鉛碘（CH3NH3PbI3）材料，由有機短鏈、鉛離子和碘離子分別充當A、B、X的角色。鈣鈦礦太陽能電池材料從09年出現至今，僅僅六年的時間內其光電轉化效率從3.8%提高到15.6%，已經高于目前主流的非晶硅電池的實驗室值，而且目前還未發現其轉化效率的極限。鈣鈦礦太陽能電池材料還能以薄膜形態沉積于玻璃表面，并且可以通過工藝的調整展現出不同的透明度和色澤外觀，具有很好的環境美化效果。如果能進一步解決其生產成本問題，并對有機成分的老化情況深入研究，鈣鈦礦太陽能電池將有希望在不遠的未來形成一場能源界的革命。而一些具有類似構型的其他有機-無機混合的鈣鈦礦構形材料還能夠用于高效率LED等領域。

圖片來源：Science

5 光學超材料

一些亞波長尺度的物質結構能夠產生奇特的宏觀光學現象。例如蝴蝶翅膀的色彩就是源于其微觀結構，而非簡單的反射特定波長的入射光。科學家利用這一原理制造出了許多以往不可思議的材料，被稱為光學超材料。超材料極大擴展了人們對材料的介電常數、磁導率、折射率等電磁性能的選擇范圍，從負值到正值、從無窮小到無窮大、從均勻到漸變等均可實現。光學超材料制造成超級透鏡，來觀察尺寸小于光波波長的材料；有望用于2D全息圖像，甚至研發隱形衣等用途。

光學超材料

6 液態自驅動金屬

液態金屬可以通過“吞噬”少量物質而獲得能量，并具備無需外接電力的自主高速運動能力。在不同的環境中，液態自驅動金屬能夠體現出拐彎、變形、分裂、融合、互動等復雜的行為，甚至給人以“金屬生物”之感。這一性能雖然距離電影中的液態機器人仍然遙遠，但已經使智能馬達、微型機器人、高效泵送機構、柔性運動機構等看到了可能，有望為機械領域帶來諸多變革性進步。

圖片來源：Science Bulletin

7 有實用潛力的熱電材料填充方鈷礦

目前人類社會所使用的主要能量來源均是通過熱機形式由化學能轉化來的。在這一過程中有超過2/3的能量最終都以廢熱的形式流失了。人類發現具備熱電效應的材料已經超過60年，但兼顧高效、可靠、環保、廉價等方面因素的實用性熱電材料始終沒有實現。

方鈷礦是一種傳統效率不高的熱電材料。但科學家發現在這一材料中摻雜其他元素、對晶體結構進行修飾則有可能大大提高其性能。這種人工處理過的新材料被稱為填充方鈷礦，其熱電模塊組件已經能夠實現近10%的能量轉換效率，已經能夠直接利用汽車發動機產生的溫差產生電能。隨著研究的持續深入，實用性的熱電材料相信不久就能大量應用。

8 氣凝膠

氣凝膠又被稱為“凝煙”，是密度的固體，可以看成是極為松散的骨架結構。氧化鋁或氧化鉻、氧化錫、碳等材料形成的骨架只占材料整體體積的不到0.2%，其余空間則全部是空隙充滿了空氣，因此氣凝膠的宏觀物理性質很接近空氣：極低的密度，不到木材的百分之一；良好的熱和電的絕緣性，能輕易抵擋火焰的直射；氣凝膠甚至還具有一定的透光性，顯示出半透明的外觀。而且氣凝膠還具有不錯的強度，因此可以用作保溫、絕緣、吸音隔音以及合成高效復合材料等用途。大量的空隙也使其能夠用于儲能或催化等用途。

9 新型二維材料黑磷

石墨烯作為第一種宏觀二維材料，顯示出了諸多神奇性質而受到了普遍關注，尤其是在電子工業中被視為具有顛覆性潛力的新材料。但石墨烯是電的良導體，缺乏能隙結構的先天缺陷目前還難以解決，因此距離集成電路方面的應用仍然非常遙遠。

針對這一問題，一些科學家嘗試尋找一種既具有二維材料的特性，又具有能隙結構的新材料。黑磷則被寄予了厚望。普通的白磷經過的熱處理具備了層狀結構，再經過一系列處理后即可分離為單層的二維材料。黑磷具有可調半導體的特性，能夠用于代替目前的許多半導體元件，例如晶體管、傳感器、太陽能電池、電路開關等。此外黑磷對光線的分散效果也超過石墨烯，因此有望率先應用于光電領域。

黑磷的原子結構圖，褶皺蜂窩結構。圖片來源：Yuanbo Zhang et al. （2014） Nature Nanotechnology.

10 納米壓電材料

壓電材料受到外力作用時，能將機械能轉變成電能。氧化鋅納米棒受力彎曲時就會產生微弱的電壓。將兩塊材料的摩擦面做成齊整密布、具有壓電效應的納米結構。這樣兩塊材料來回摩擦，會產生群體壓電效應，造成群體納米電源疊加。通過將兩塊材料的納米結構插入對方的縫隙的摩擦方式則可以避免表面的磨損。這樣的摩擦式納米電源已經可以為體積很小的微-納電子器件供電，可使這樣的器件結構變簡單，生產工藝簡化，制造成本下降，使用壽命延長，利于大規模工業化生產與實際應用。很多低頻率的低頻機械可以用類似的方法轉化為電能。目前的一些研究成果已經可以實現超過300伏的輸出電壓。