自18世紀以來，材料學一直是工程學科的基礎(chǔ)。世界上大部分的創(chuàng)新、革新和發(fā)明都依靠著材料學的發(fā)展與進步。沒有材料學，就不會有飛機、汽車、計算機、智能手機等一系列高科技產(chǎn)品的發(fā)展。Matmatch的材料科學編輯Benjamin Stafford于2020年五月發(fā)布了對2020年材料科學領(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研究主題有：

石墨烯Graphene

鈣鈦礦Perovskites

材料信息學Materials informatics

選擇性激光燒結(jié)Selective laser sintering

超材料Metamaterials

雙硫?qū)僭鼗顳ichalcogenides

拓撲絕緣體Topological insulators

世界上幾乎所有擁有科學與工程研究的大學都有專門針對以上主題的相關(guān)課程或院系。在以上提到的這些主題中，Matmatch的材料科學編輯Benjamin認為其中有些主題可能會成為下一代重大革新的推動者。正如半導體的發(fā)現(xiàn)將我們帶入計算機時代一樣，也許憶阻器或拓撲絕緣體將帶我們進入量子計算機的下一個典范轉(zhuǎn)移；過渡金屬二鹵化物也許會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年材料科學領(lǐng)域的最新研究趨勢。

2018-2019年材料科學領(lǐng)域研究增長最快的主題

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)計數(shù)據(jù)顯示，盡管石墨烯的出版量每年都在強勁地增長，但其增長率卻略有下降。這主要是由于隨著科學家和學者們對石墨烯材料的逐漸了解，以及對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。同時科研人員也在石墨烯中引入一些有趣的新應用，如傳感器、藥物、復合材料、電池、涂層、電子類產(chǎn)品、紡織類產(chǎn)品、汽車應用類產(chǎn)品、晶體管等。

2 鈣鈦礦

鈣鈦礦材料具有化學式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)的一系列半導體和絕緣體材料。

實際上，當今制造的每個電子設(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。鈣鈦礦的應用如此普遍，是因為它們提供了一系列有用的光學和電學性能，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，人們對鈣鈦礦太陽能電池的興趣激增。人們意識到，如果合理使用鈣鈦礦，則太陽能電池有可能實現(xiàn)比當時更高的發(fā)電效率。2009年，鈣鈦礦太陽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％。基于鈣鈦礦的太陽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能電池的有力競爭者。

鈣鈦礦當前的研究集中于改善其化學穩(wěn)定性以延長其使用壽命。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期穩(wěn)定性，就有望成為硅基太陽能技術(shù)的主要替代產(chǎn)品。

3 材料信息學

材料信息學是材料科學和信息學的結(jié)合，旨在通過大數(shù)據(jù)信息科學的手段來幫助科學家實現(xiàn)材料的選擇、開發(fā)和使用等。換言之，“材料信息學”是一種新穎的數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)，它將材料的基礎(chǔ)知識和實驗數(shù)據(jù)與先進的統(tǒng)計模型相結(jié)合，以預測未來的材料特性。自2000年代初以來，這就是一個新興的領(lǐng)域，并且隨著更高的計算能力和更好的實驗數(shù)據(jù)記錄，將實現(xiàn)成倍的增長。

借助強大的計算機能力，如機器學習或材料仿真等，可以代替一部分人工實驗。這不僅僅是對于時間和成本的節(jié)省，更是進一步解放了勞動力，使科學家和學者能夠提出更多的創(chuàng)新型想法和實驗規(guī)劃，屆時費時或容易引入誤差的實驗將有大部分都由機器來模擬完成。同時大量的數(shù)據(jù)將會給科研工作者提供新的思路，實現(xiàn)整體上的形成良性循環(huán)。

機器學習或仿真等手段不會完全代替經(jīng)驗主義，其發(fā)展不代表我們可以摒棄人工實驗所帶來的好處，而是應該充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，兩者的結(jié)合才能使得材料學的發(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。就像材料信息學一樣，數(shù)字化也對制造業(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)，使用激光作為動力來燒結(jié)粉末材料，將激光自動對準3D模型定義的空間點，使材料綁定在一起以創(chuàng)造一個堅實的立體結(jié)構(gòu)。它類似于選擇性激光熔化，二者是相同概念的實例，但技術(shù)細節(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)，可以實現(xiàn)具有復雜幾何結(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，因為它們作為半結(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出版物中的出現(xiàn)率增長了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）。科學家們對其的興趣主要在于可以將它們制成類似于石墨烯的單層，具有作為超導體和半導體的潛在應用。

過渡金屬二硫化碳（TMD或TMDC）單層是MX2類型的原子薄半導體，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性。

2011年，媒體報道了第一個由單層MoS2制成的場效應晶體管（FET）。由于對2D通道中的傳導進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，其主要應用有天線類材料、吸收器類材料、超鏡頭、隱形裝置、抗震保護、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)材料無法實現(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。

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

7 拓撲絕緣體

按照導電性質(zhì)的不同，材料可分為“導體”和“絕緣體”兩大類。而更進一步，根據(jù)電子態(tài)的拓撲性質(zhì)的不同，“絕緣體”和“導體”還可以進行更細致的劃分。拓撲絕緣體就是根據(jù)這樣的新標準而劃分的區(qū)別于其他普通絕緣體的一類絕緣體。

拓撲絕緣體是一種內(nèi)部絕緣，界面允許電荷移動的材料。因而，拓撲絕緣體的體內(nèi)與人們通常認識的絕緣體一樣，是絕緣的，但是在它的邊界或表面總是存在導電的邊緣態(tài)，這是它有別于普通絕緣體的最獨特的性質(zhì)。這樣的導電邊緣態(tài)在保證一定對稱性（比如時間反演對稱性）的前提下是穩(wěn)定存在的，而且不同自旋的導電電子的運動方向是相反的，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)，拓撲絕緣體的發(fā)現(xiàn)被認為是繼石墨烯之后的“Next Big Thing”。拓撲絕緣體對基礎(chǔ)物理的理解和半導體器件的應用都有巨大的價值，因而逐漸成為凝聚態(tài)物理和電子學領(lǐng)域的研究熱點，受到全球科學家關(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，拓撲絕緣體在理論基礎(chǔ)、材料體系、制備方法、物理性質(zhì)、新型應用拓展等方面取得了顯著進步。從紅外到太赫茲頻段的超寬頻響應使拓撲絕緣體在微電子、光電子及自旋電子學等方面具有令人矚目的應用前景。

責任編輯：lq6