淺談材料領(lǐng)域2016年八大關(guān)注點(diǎn)

【中玻網(wǎng)】材料的進(jìn)步是各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)發(fā)展與應(yīng)用推廣的物質(zhì)基礎(chǔ)，近年來世界各主要國(guó)家針對(duì)材料科學(xué)紛紛制定了要點(diǎn)科技發(fā)展戰(zhàn)略，如美國(guó)的"材料遺傳因子組計(jì)劃"、歐盟的"石墨烯旗艦計(jì)劃"等。上海市科學(xué)學(xué)研究所技術(shù)預(yù)見研究團(tuán)隊(duì)參考全部有關(guān)機(jī)構(gòu)的評(píng)述，結(jié)合上海相關(guān)人士團(tuán)隊(duì)意見，提出材料領(lǐng)域2016年十大關(guān)注點(diǎn)。
　　
　　1、快速崛起的第三代半導(dǎo)體材料
　　
　　第三代半導(dǎo)體材料是以寬禁帶為特點(diǎn)的一類半導(dǎo)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(diǎn)使得第三代半導(dǎo)體材料的同靠前代（Si）、第二代（GaAs、InP）半導(dǎo)體材料相比，具備更高的擊穿電場(chǎng)、熱導(dǎo)率、電子飽和速率及更好的抗輻射能力。宏觀表現(xiàn)出來，就是在高溫、高頻、高輻射劑量及大功率等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料（尤其是SI）難以勝任的場(chǎng)合具有顯著優(yōu)勢(shì)。
　　
　　以較典型的SiC材料為例。SiC能夠帶來能夠更高的光電轉(zhuǎn)換效率，用于LED照明可降低40%的成本，應(yīng)用于太陽能發(fā)電則可降低25%以上的轉(zhuǎn)換損失。SiC還能夠減少功率元件的電力損失，應(yīng)用于非常高壓直流輸電和智能電網(wǎng)領(lǐng)域可降低60%電力損失，并提高40%的供電效率；應(yīng)用在家電、高鐵、新能源汽車、工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域也可實(shí)現(xiàn)20~50%不等的節(jié)能效率。效率的提高也會(huì)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(guó)就成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，目前已經(jīng)獲得了美國(guó)各級(jí)相關(guān)部門的1.4億美元的投入資金。日本相關(guān)部門則更早認(rèn)識(shí)到了SiC的重大意義，將其視為未來節(jié)能戰(zhàn)略的重要技術(shù)，并在2013年將其納入了"首相戰(zhàn)略"。
　　
　　2、實(shí)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、高度度、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、透光率好等獨(dú)特性能，被認(rèn)為有望在多個(gè)科研和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域帶來革命性進(jìn)展。目前主要關(guān)注的潛在應(yīng)用方向包括：新一代集成電路的基礎(chǔ)材料、新一代觸摸屏的透光導(dǎo)電膜、效率高導(dǎo)熱膜、改善電池性能的添加劑等。石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也獲得了大部分國(guó)家各主要國(guó)家的要點(diǎn)關(guān)注。我國(guó)石墨烯制造相關(guān)的市場(chǎng)活動(dòng)和產(chǎn)業(yè)計(jì)劃呈遍地開花之勢(shì)，目前已經(jīng)有企業(yè)發(fā)展到了噸級(jí)生產(chǎn)能力。重慶已經(jīng)生產(chǎn)了首批采用了石墨烯觸屏、電池和導(dǎo)熱膜的手機(jī)。石墨烯超級(jí)電池在新能源汽車的試驗(yàn)中也實(shí)現(xiàn)了充電8分鐘續(xù)航1000公里的顛覆性表現(xiàn)。石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管在實(shí)驗(yàn)室中也顯示出了高達(dá)155G的非常高主頻。
　　
　　當(dāng)然，目前石墨烯的發(fā)展還存在許多關(guān)鍵性的障礙，例如批量生產(chǎn)的石墨烯質(zhì)量較低、缺乏帶隙結(jié)構(gòu)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等等。但在資本力量已經(jīng)大舉介入的情況下，可以預(yù)見2016年石墨烯產(chǎn)業(yè)會(huì)迎來大的發(fā)展。
　　
　　3、柔性玻璃
　　
　　康寧公司計(jì)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(gè)突出的有點(diǎn)：柔性。在需要的時(shí)候甚至可以將玻璃卷起來，甚至其生產(chǎn)過程也借鑒了造紙工廠的靈感。這一材料可以用于電子設(shè)備的曲面屏幕，以及太陽能電池和照明等場(chǎng)合。Willow原定于2013年面世，但是由于技術(shù)和工藝等方面的原因，較終的終端產(chǎn)品可能會(huì)在2016年才能出現(xiàn)。
　　
　　4、光學(xué)超材料
　　
　　一些亞波長(zhǎng)尺度的物質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生奇特的宏觀光學(xué)現(xiàn)象。例如蝴蝶翅膀的色彩就是源于其微觀結(jié)構(gòu)，而非簡(jiǎn)單的反射特定波長(zhǎng)的入射光�？茖W(xué)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(xué)超材料。超材料較大擴(kuò)展了人們對(duì)材料的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、折射率等電磁性能的選擇范圍，從負(fù)值到正值、從無窮小到無窮大、從均勻到漸變等均可實(shí)現(xiàn)。光學(xué)超材料制造成超級(jí)透鏡，來觀察尺寸小于光波波長(zhǎng)的材料；有望用于2D全息圖像，甚至研發(fā)隱形衣等用途。
　　
　　5、液態(tài)自驅(qū)動(dòng)金屬
　　
　　液態(tài)金屬可以通過"吞噬"少量物質(zhì)而獲得能量，并具備無需外接電力的自主高速運(yùn)動(dòng)能力。在不同的環(huán)境中，液態(tài)自驅(qū)動(dòng)金屬能夠體現(xiàn)出拐彎、變形、分裂、結(jié)合、互動(dòng)等復(fù)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(tài)機(jī)器人仍然遙遠(yuǎn)，但已經(jīng)使智能馬達(dá)、微型機(jī)器人、效率高泵送機(jī)構(gòu)、柔性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等看到了可能，有望為機(jī)械領(lǐng)域帶來諸多變革性進(jìn)步。
　　
　　6、氣凝膠
　　
　　氣凝膠又被稱為"凝煙"，是密度較低的固體，可以看成是較為松散的骨架結(jié)構(gòu)。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(zhì)很接近空氣：較低的密度，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(cuò)的強(qiáng)度，因此可以用作保溫、絕緣、吸音隔音以及合成效率高復(fù)合材料等用途。大量的空隙也使其能夠用于儲(chǔ)能或催化等用途。
　　
　　7、新型二維材料黑磷
　　
　　石墨烯作為靠前種宏觀二維材料，顯示出了諸多優(yōu)點(diǎn)性質(zhì)而受到了普遍關(guān)注，尤其是在電子工業(yè)中被視為具有顛覆性潛力的新材料。但石墨烯是電的良導(dǎo)體，缺乏能隙結(jié)構(gòu)的先天缺點(diǎn)目前還難以解決，因此距離集成電路方面的應(yīng)用仍然非常遙遠(yuǎn)。
　　
　　針對(duì)這一問題，一些科學(xué)家嘗試尋找一種既具有二維材料的特性，又具有能隙結(jié)構(gòu)的新材料。黑磷則被寄予了厚望。普通的白磷經(jīng)過準(zhǔn)確的熱處理具備了層狀結(jié)構(gòu)，再經(jīng)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(diào)半導(dǎo)體的特性，能夠用于代替目前的許多半導(dǎo)體元件，例如晶體管、傳感器、太陽能電池、電路開關(guān)等。此外黑磷對(duì)光線的分散效果也超過石墨烯，因此有望率先應(yīng)用于光電領(lǐng)域。
　　
　　8、納米壓電材料
　　
　　壓電材料受到外力作用時(shí)，能將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。氧化鋅納米棒受力彎曲時(shí)就會(huì)產(chǎn)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(yīng)的納米結(jié)構(gòu)。這樣兩塊材料來回摩擦，會(huì)產(chǎn)生群體壓電效應(yīng)，造成群體納米電源疊加。通過將兩塊材料的納米結(jié)構(gòu)插入對(duì)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(jīng)可以為體積很小的微-納電子器件供電，可使這樣的器件結(jié)構(gòu)變簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化，制造成本下降，使用壽命延長(zhǎng)，利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)與實(shí)際應(yīng)用。很多低頻率的低頻機(jī)械可以用類似的方法轉(zhuǎn)化為電能。目前的一些研究成果已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)超過300伏的輸出電壓。