自18世紀(jì)以來，材料學(xué)一直是工程學(xué)科的基礎(chǔ)。世界上大部分的創(chuàng)新、革新和發(fā)明都依靠著材料學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步。沒有材料學(xué)，就不會(huì)有飛機(jī)、汽車、計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等一系列高科技產(chǎn)品的發(fā)展。Matmatch的材料科學(xué)編輯Benjamin Stafford于2020年五月發(fā)布了對(duì)2020年材料科學(xué)領(lǐng)域前沿研究主題的分析，其總結(jié)的2020年七大熱門的材料科學(xué)研究主題有：

石墨烯Graphene

鈣鈦礦Perovskites

材料信息學(xué)Materials informatics

選擇性激光燒結(jié)Selective laser sintering

超材料Metamaterials

雙硫?qū)僭鼗顳ichalcogenides

拓?fù)浣^緣體Topological insulators

世界上幾乎所有擁有科學(xué)與工程研究的大學(xué)都有專門針對(duì)以上主題的相關(guān)課程或院系。在以上提到的這些主題中，Matmatch的材料科學(xué)編輯Benjamin認(rèn)為其中有些主題可能會(huì)成為下一代重大革新的推動(dòng)者。正如半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)將我們帶入計(jì)算機(jī)時(shí)代一樣，也許憶阻器或拓?fù)浣^緣體將帶我們進(jìn)入量子計(jì)算機(jī)的下一個(gè)典范轉(zhuǎn)移；過渡金屬二鹵化物也許會(huì)開辟光電器件新的適用范圍；超材料也許將揭開隱形的秘密……

本文通過分析來自ScienceDirect的數(shù)千篇出版物，揭示了2020年材料科學(xué)領(lǐng)域的最新研究趨勢(shì)。

2018-2019年材料科學(xué)領(lǐng)域研究增長(zhǎng)最快的主題

資料來源：Matmatch圖表制作：新材料在線

2000-2019年材料科學(xué)領(lǐng)域熱門研究主題的文章發(fā)布數(shù)量

資料來源：ScienceDirect.com

圖表制作：新材料在線

1 石墨烯

截止至2019年，石墨烯的出版物數(shù)量最多，超過20，000。自2009年以來，在有關(guān)世界上最薄的材料等盤點(diǎn)中，石墨烯經(jīng)常受到媒體的關(guān)注。但是，根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，盡管石墨烯的出版量每年都在強(qiáng)勁地增長(zhǎng)，但其增長(zhǎng)率卻略有下降。這主要是由于隨著科學(xué)家和學(xué)者們對(duì)石墨烯材料的逐漸了解，以及對(duì)其性能掌握的日趨成熟，研究正逐漸過渡到尋找大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的制備方法的階段。同時(shí)科研人員也在石墨烯中引入一些有趣的新應(yīng)用，如傳感器、藥物、復(fù)合材料、電池、涂層、電子類產(chǎn)品、紡織類產(chǎn)品、汽車應(yīng)用類產(chǎn)品、晶體管等。

2 鈣鈦礦

鈣鈦礦材料具有化學(xué)式ABX3以及立方晶體結(jié)構(gòu)，其中“ A”和“ B”是金屬，“ X”通常是氧，包括用于各種設(shè)備和技術(shù)的一系列半導(dǎo)體和絕緣體材料。

實(shí)際上，當(dāng)今制造的每個(gè)電子設(shè)備在其電容器、傳感器、LED或其他組件中都包含某種鈣鈦礦。鈣鈦礦的應(yīng)用如此普遍，是因?yàn)樗鼈兲峁┝艘幌盗杏杏玫?a target="_blank">光學(xué)和電學(xué)性能，如介電性能、壓電性能、LED中的高效發(fā)光特性以及光伏發(fā)電性能等。

從2012年開始，人們對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的興趣激增。人們意識(shí)到，如果合理使用鈣鈦礦，則太陽(yáng)能電池有可能實(shí)現(xiàn)比當(dāng)時(shí)更高的發(fā)電效率。2009年，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高效率記錄為3.8％，而到2018年，這一記錄已經(jīng)增加到23.3％?；阝}鈦礦的太陽(yáng)能電池具有出色的吸光性、電荷載流子遷移率和較低的制造成本，使其成為提供低成本太陽(yáng)能電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

鈣鈦礦當(dāng)前的研究集中于改善其化學(xué)穩(wěn)定性以延長(zhǎng)其使用壽命。與由硅錠加工而成的硅光伏電池不同，鈣鈦礦吸收層可以印刷或旋涂，使得其生產(chǎn)成本變得低廉。此外，硅材料對(duì)制造缺陷非常敏感，但鈣鈦礦基電池則在這方面表現(xiàn)比較優(yōu)異。鈣鈦礦型光伏一旦獲得更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，就有望成為硅基太陽(yáng)能技術(shù)的主要替代產(chǎn)品。

3 材料信息學(xué)

材料信息學(xué)是材料科學(xué)和信息學(xué)的結(jié)合，旨在通過大數(shù)據(jù)信息科學(xué)的手段來幫助科學(xué)家實(shí)現(xiàn)材料的選擇、開發(fā)和使用等。換言之，“材料信息學(xué)”是一種新穎的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它將材料的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)模型相結(jié)合，以預(yù)測(cè)未來的材料特性。自2000年代初以來，這就是一個(gè)新興的領(lǐng)域，并且隨著更高的計(jì)算能力和更好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，將實(shí)現(xiàn)成倍的增長(zhǎng)。

借助強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)能力，如機(jī)器學(xué)習(xí)或材料仿真等，可以代替一部分人工實(shí)驗(yàn)。這不僅僅是對(duì)于時(shí)間和成本的節(jié)省，更是進(jìn)一步解放了勞動(dòng)力，使科學(xué)家和學(xué)者能夠提出更多的創(chuàng)新型想法和實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，屆時(shí)費(fèi)時(shí)或容易引入誤差的實(shí)驗(yàn)將有大部分都由機(jī)器來模擬完成。同時(shí)大量的數(shù)據(jù)將會(huì)給科研工作者提供新的思路，實(shí)現(xiàn)整體上的形成良性循環(huán)。

機(jī)器學(xué)習(xí)或仿真等手段不會(huì)完全代替經(jīng)驗(yàn)主義，其發(fā)展不代表我們可以摒棄人工實(shí)驗(yàn)所帶來的好處，而是應(yīng)該充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，兩者的結(jié)合才能使得材料學(xué)的發(fā)展變得更加迅速。

4 選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)（SLS）是一種用于增材制造 （3D打印）的方法，主要用于金屬和聚合物材料。就像材料信息學(xué)一樣，數(shù)字化也對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生的巨大影響已經(jīng)眾所周知，因此增材制造被視為第四次工業(yè)革命的一個(gè)重要發(fā)展方向。

選擇性激光燒結(jié)作為一種增材制造技術(shù)，使用激光作為動(dòng)力來燒結(jié)粉末材料，將激光自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)3D模型定義的空間點(diǎn)，使材料綁定在一起以創(chuàng)造一個(gè)堅(jiān)實(shí)的立體結(jié)構(gòu)。它類似于選擇性激光熔化，二者是相同概念的實(shí)例，但技術(shù)細(xì)節(jié)有所不同，它們主要用于快速原型制作和小批量的零件生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的快速成型。

SLS技術(shù)可以使用金屬、熱塑性塑料、陶瓷或玻璃等材料進(jìn)行印刷，大多的市售材料為粉末狀，包括但不限于聚合物，例如聚酰胺（PA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、熱塑性彈性體（TPE）和聚芳基醚酮（PAEK）等。聚酰胺是最常用的SLS材料，因?yàn)樗鼈冏鳛榘虢Y(jié)晶熱塑性塑料具有理想的燒結(jié)性能，因而零件也具有理想的機(jī)械性能。

5 雙硫?qū)僭鼗?/p>

2017年至2018年期間，雙硫?qū)僭鼗镌诳茖W(xué)出版物中的出現(xiàn)率增長(zhǎng)了54％，它是具有MX2排列的材料，其中M是過渡金屬原子（例如Mo、W、Ti、V和Nb），X是硫?qū)僭卦樱⊿、Se或Te）。科學(xué)家們對(duì)其的興趣主要在于可以將它們制成類似于石墨烯的單層，具有作為超導(dǎo)體和半導(dǎo)體的潛在應(yīng)用。

過渡金屬二硫化碳（TMD或TMDC）單層是MX2類型的原子薄半導(dǎo)體，其中M為過渡金屬原子（Mo，W等），X為硫?qū)僭樱⊿，Se或Te）。一層M原子夾在兩層X原子之間，它們是所謂的2D材料大家族的一部分，命名主要是為了強(qiáng)調(diào)其非凡的薄度。例如，MoS2單層的厚度僅為6.5?。這些材料的關(guān)鍵特征是與第一行過渡金屬二硫化碳相比，二維結(jié)構(gòu)中大原子的相互作用，例如WTe2表現(xiàn)出異常的巨磁阻和超導(dǎo)性。

2011年，媒體報(bào)道了第一個(gè)由單層MoS2制成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。由于對(duì)2D通道中的傳導(dǎo)進(jìn)行了出色的靜電控制，因此它在室溫下具有極佳的開/關(guān)比，超過了108。此后，已經(jīng)制成了由MoS2，MoSe2，WS2和WSe2制成的FET，它們非常薄的結(jié)構(gòu)使它們有望用于薄而柔軟的電子產(chǎn)品中。

6 超材料

超材料是被設(shè)計(jì)成具有自然界中任何地方都沒有的特性的人造材料，其主要應(yīng)用有天線類材料、吸收器類材料、超鏡頭、隱形裝置、抗震保護(hù)、聲音過濾等。

超材料擁有一些特別的性質(zhì)，比如讓光、電磁波改變它們的固有性質(zhì)，而這樣的效果是傳統(tǒng)材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。超材料在成分上沒有什么特別之處，它們的奇特性質(zhì)源于其精密的幾何結(jié)構(gòu)以及尺寸大小。

超材料是一個(gè)跨學(xué)科的課題，包括電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學(xué)、經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)以及納米科技等。它的奇異性質(zhì)使其具有廣泛的應(yīng)用前景，如高接收率天線、雷達(dá)反射罩、地震預(yù)警等。

7 拓?fù)浣^緣體

按照導(dǎo)電性質(zhì)的不同，材料可分為“導(dǎo)體”和“絕緣體”兩大類。而更進(jìn)一步，根據(jù)電子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)的不同，“絕緣體”和“導(dǎo)體”還可以進(jìn)行更細(xì)致的劃分。拓?fù)浣^緣體就是根據(jù)這樣的新標(biāo)準(zhǔn)而劃分的區(qū)別于其他普通絕緣體的一類絕緣體。

拓?fù)浣^緣體是一種內(nèi)部絕緣，界面允許電荷移動(dòng)的材料。因而，拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)與人們通常認(rèn)識(shí)的絕緣體一樣，是絕緣的，但是在它的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)，這是它有別于普通絕緣體的最獨(dú)特的性質(zhì)。這樣的導(dǎo)電邊緣態(tài)在保證一定對(duì)稱性（比如時(shí)間反演對(duì)稱性）的前提下是穩(wěn)定存在的，而且不同自旋的導(dǎo)電電子的運(yùn)動(dòng)方向是相反的，所以信息的傳遞可以通過電子的自旋，而不像傳統(tǒng)材料通過電荷來傳遞。

作為一種全新量子物態(tài)，拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是繼石墨烯之后的“Next Big Thing”。拓?fù)浣^緣體對(duì)基礎(chǔ)物理的理解和半導(dǎo)體器件的應(yīng)用都有巨大的價(jià)值，因而逐漸成為凝聚態(tài)物理和電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，受到全球科學(xué)家關(guān)注，以期解決摩爾定律即將失效的難題，突破能源、信息等領(lǐng)域面臨的瓶頸。經(jīng)過十余年的深入研究，拓?fù)浣^緣體在理論基礎(chǔ)、材料體系、制備方法、物理性質(zhì)、新型應(yīng)用拓展等方面取得了顯著進(jìn)步。從紅外到太赫茲頻段的超寬頻響應(yīng)使拓?fù)浣^緣體在微電子、光電子及自旋電子學(xué)等方面具有令人矚目的應(yīng)用前景。

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