2016材料领域的十大看点

2016-02-16 10:16:26 作者：本网整理来源：

辞旧迎新之际，正是盘点过往、展望未来的好时机。国内外诸多科技型智库、媒体纷纷发布2016年值得关注的科技创新方向。鉴于国际趋势的创新方向在国内未必适合，国内关注的创新方向在国际上未必上榜，上海市科学学研究所技术预见研究团队，基于中国的创新阶段和环境，就2016年的技术创新关注点进行了评点。技术创新的发展日新月异、错综复杂，我们提供“值得关注”的一种声音，供读者参考。本文为“材料”篇。

材料的进步是各个领域科学发展与应用推广的物质基础，近年来世界各主要国家针对材料科学纷纷制定了重点科技发展战略，如美国的“材料基因组计划”、欧盟的“石墨烯旗舰计划”等。上海市科学学研究所技术预见研究团队参考国际有关机构的评述，结合上海专家团队意见，提出材料领域2016年十大关注点。

1 快速崛起的第三代半导体材料

第三代半导体材料是以宽禁带为特点的一类半导体材料，包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等代表性材料。这一特点使得第三代半导体材料的同第一代（Si）、第二代（GaAs、InP）半导体材料相比，具备更高的击穿电场、热导率、电子饱和速率及更好的抗辐射能力。宏观表现出来，就是在高温、高频、高辐射剂量及大功率等传统半导体材料（尤其是SI）难以胜任的场合具有显著优势。

以最典型的SiC材料为例。SiC能够带来能够更高的光电转换效率，用于LED照明可降低40%的成本，应用于太阳能发电则可降低25%以上的转换损失。SiC还能够减少功率元件的电力损失，应用于超高压直流输电和智能电网领域可降低60%电力损失，并提高40%的供电效率；应用在家电、高铁、新能源汽车、工业电机等领域也可实现20~50%不等的节能效率。效率的提高也会带来器件体积的减少，例如用于电脑适配器就可减少80%的体积。

2014年起，美国就成立了以SiC为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟，目前已经获得了美国各级政府的1.4亿美元的投资。日本政府则更早认识到了SiC的重大意义，将其视为未来节能战略的重要技术，并在2013年将其纳入了“首相战略”。

图片来源：lights.ofweek.com

2 实用性步伐加快的石墨烯材料

石墨烯是一种二维碳材料，具有超薄、柔性、高强度、导电导热性好、透光率好等独特性能，被认为有望在多个科研和产业领域带来革命性进展。目前主要关注的潜在应用方向包括：新一代集成电路的基础材料、新一代触摸屏的透光导电膜、高效导热膜、改善电池性能的添加剂等。石墨烯产业的发展也获得了全球各主要国家的重点关注。我国石墨烯制造相关的市场活动和产业计划呈遍地开花之势，目前已经有企业发展到了吨级生产能力。重庆已经生产了首批采用了石墨烯触屏、电池和导热膜的手机。石墨烯超级电池在新能源汽车的试验中也实现了充电8分钟续航1000公里的颠覆性表现。石墨烯场效应晶体管在实验室中也显示出了高达155G的超高主频。

当然，目前石墨烯的发展还存在许多关键性的障碍，例如批量生产的石墨烯质量较低、缺乏带隙结构、环境风险等等。但在资本力量已经大举介入的情况下，可以预见2016年石墨烯产业会迎来大的发展。

图片来源：Lawrence Berkley National Laboratory

3 柔性玻璃

康宁公司计划中的柔性玻璃Willow除了更薄、更耐磨、更通透之外，还具有一个突出的有点：柔性。在需要的时候甚至可以将玻璃卷起来，甚至其生产过程也借鉴了造纸工厂的灵感。这一材料可以用于电子设备的曲面屏幕，以及太阳能电池和照明等场合。Willow原定于2013年面世，但是由于技术和工艺等方面的原因，最终的终端产品可能会在2016年才能出现。

图片来源：Corning Incorporated

4 有机-无机混合的钙钛矿构形材料

钙钛矿构形材料的化学成分并不是CaTiO3，只是由于其晶格结构是同钙钛矿类似的ABX3构形而得名。事实上目前流行的钙钛矿太阳能电池材料是一种有机-无机混合材料，例如典型的甲胺铅碘（CH3NH3PbI3）材料，由有机短链、铅离子和碘离子分别充当A、B、X的角色。钙钛矿太阳能电池材料从09年出现至今，仅仅六年的时间内其光电转化效率从3.8%提高到15.6%，已经高于目前主流的非晶硅电池的实验室值，而且目前还未发现其转化效率的极限。钙钛矿太阳能电池材料还能以薄膜形态沉积于玻璃表面，并且可以通过工艺的调整展现出不同的透明度和色泽外观，具有很好的环境美化效果。如果能进一步解决其生产成本问题，并对有机成分的老化情况深入研究，钙钛矿太阳能电池将有希望在不远的未来形成一场能源界的革命。而一些具有类似构型的其他有机-无机混合的钙钛矿构形材料还能够用于高效率LED等领域。

图片来源：Science

5 光学超材料

一些亚波长尺度的物质结构能够产生奇特的宏观光学现象。例如蝴蝶翅膀的色彩就是源于其微观结构，而非简单的反射特定波长的入射光。科学家利用这一原理制造出了许多以往不可思议的材料，被称为光学超材料。超材料极大扩展了人们对材料的介电常数、磁导率、折射率等电磁性能的选择范围，从负值到正值、从无穷小到无穷大、从均匀到渐变等均可实现。光学超材料制造成超级透镜，来观察尺寸小于光波波长的材料；有望用于2D全息图像，甚至研发隐形衣等用途。

光学超材料

6 液态自驱动金属

液态金属可以通过“吞噬”少量物质而获得能量，并具备无需外接电力的自主高速运动能力。在不同的环境中，液态自驱动金属能够体现出拐弯、变形、分裂、融合、互动等复杂的行为，甚至给人以“金属生物”之感。这一性能虽然距离电影中的液态机器人仍然遥远，但已经使智能马达、微型机器人、高效泵送机构、柔性运动机构等看到了可能，有望为机械领域带来诸多变革性进步。

图片来源：Science Bulletin

7 有实用潜力的热电材料填充方钴矿

目前人类社会所使用的主要能量来源均是通过热机形式由化学能转化来的。在这一过程中有超过2/3的能量最终都以废热的形式流失了。人类发现具备热电效应的材料已经超过60年，但兼顾高效、可靠、环保、廉价等方面因素的实用性热电材料始终没有实现。

方钴矿是一种传统效率不高的热电材料。但科学家发现在这一材料中掺杂其他元素、对晶体结构进行修饰则有可能大大提高其性能。这种人工处理过的新材料被称为填充方钴矿，其热电模块组件已经能够实现近10%的能量转换效率，已经能够直接利用汽车发动机产生的温差产生电能。随着研究的持续深入，实用性的热电材料相信不久就能大量应用。

8 气凝胶

气凝胶又被称为“凝烟”，是密度的固体，可以看成是极为松散的骨架结构。氧化铝或氧化铬、氧化锡、碳等材料形成的骨架只占材料整体体积的不到0.2%，其余空间则全部是空隙充满了空气，因此气凝胶的宏观物理性质很接近空气：极低的密度，不到木材的百分之一；良好的热和电的绝缘性，能轻易抵挡火焰的直射；气凝胶甚至还具有一定的透光性，显示出半透明的外观。而且气凝胶还具有不错的强度，因此可以用作保温、绝缘、吸音隔音以及合成高效复合材料等用途。大量的空隙也使其能够用于储能或催化等用途。

9 新型二维材料黑磷

石墨烯作为第一种宏观二维材料，显示出了诸多神奇性质而受到了普遍关注，尤其是在电子工业中被视为具有颠覆性潜力的新材料。但石墨烯是电的良导体，缺乏能隙结构的先天缺陷目前还难以解决，因此距离集成电路方面的应用仍然非常遥远。

针对这一问题，一些科学家尝试寻找一种既具有二维材料的特性，又具有能隙结构的新材料。黑磷则被寄予了厚望。普通的白磷经过的热处理具备了层状结构，再经过一系列处理后即可分离为单层的二维材料。黑磷具有可调半导体的特性，能够用于代替目前的许多半导体元件，例如晶体管、传感器、太阳能电池、电路开关等。此外黑磷对光线的分散效果也超过石墨烯，因此有望率先应用于光电领域。

黑磷的原子结构图，褶皱蜂窝结构。图片来源：Yuanbo Zhang et al. （2014） Nature Nanotechnology.

10 纳米压电材料

压电材料受到外力作用时，能将机械能转变成电能。氧化锌纳米棒受力弯曲时就会产生微弱的电压。将两块材料的摩擦面做成齐整密布、具有压电效应的纳米结构。这样两块材料来回摩擦，会产生群体压电效应，造成群体纳米电源叠加。通过将两块材料的纳米结构插入对方的缝隙的摩擦方式则可以避免表面的磨损。这样的摩擦式纳米电源已经可以为体积很小的微-纳电子器件供电，可使这样的器件结构变简单，生产工艺简化，制造成本下降，使用寿命延长，利于大规模工业化生产与实际应用。很多低频率的低频机械可以用类似的方法转化为电能。目前的一些研究成果已经可以实现超过300伏的输出电压。