材料研究前沿十年回顧2010-2020

摘 要 …………………………………………………………………………… １
第 １ 章 十年發(fā)展回顧 ………………………………………………………… １１
１.１ 工業(yè)前景 ……………………………………………………………… １４
１.２ 國防與國家安全前景 ………………………………………………… １６
１.３ 結論 …………………………………………………………………… １７
１.４ 關鍵發(fā)現(xiàn)和建議 ……………………………………………………… １８
第 ２ 章 材料領域過去十年的進展和成果 …………………………………… ２０
２.１ 金屬 …………………………………………………………………… ２２
２.１.１ 金屬材料的高速發(fā)展 …………………………………………… ２２
２.１.２ 塊狀非晶合金 …………………………………………………… ２４
２.１.３ 高性能合金 ……………………………………………………… ２５
２.２ 陶瓷、 玻璃、 復合材料和雜化材料 ………………………………… ２６
２.２.１ 陶瓷 ……………………………………………………………… ２６
２.２.２ 玻璃 ……………………………………………………………… ２７
２.２.３ 復合材料和雜化材料 …………………………………………… ２８
２.３ 半導體材料和其他電子材料 ………………………………………… ３３
２.３.１ 信息材料與器件 ………………………………………………… ３３
２.３.２ 硅基場效應器件的微型化 ……………………………………… ３５
２.３.３ 解決場效應晶體管瓶頸的替代方案 …………………………… ３７
２.３.４ 光電子半導體 …………………………………………………… ４０
２.３.５ 有機半導體 ……………………………………………………… ４０
２.３.６ 柔性電子器件 …………………………………………………… ４１
２.４ 量子材料與強關聯(lián)系統(tǒng) ……………………………………………… ４２
２.４.１ 超導體與強關聯(lián)電子 …………………………………………… ４２
２.４.２ 磁性材料 ………………………………………………………… ４５
２.４.３ 二維量子材料 …………………………………………………… ４９
２.４.４ 拓撲材料 ………………………………………………………… ５２
２.４.５ 量子比特———量子計算機的基石 ……………………………… ５５
２.５ 聚合物、 生物材料和其他軟物質 …………………………………… ５８
２.５.１ 聚合物 …………………………………………………………… ５８
２.５.２ 生物分子與仿生材料 …………………………………………… ６３
２.５.３ 生物材料 ………………………………………………………… ６４
２.５.４ 軟物質 …………………………………………………………… ６８
２.６ 結構化材料 …………………………………………………………… ７７
２.７ 催化材料 ……………………………………………………………… ７８
２.８ 結論 …………………………………………………………………… ８１
第 ３ 章 材料研究的機遇 ……………………………………………………… ８２
３.１ 金屬 …………………………………………………………………… ８２
３.１.１ 傳統(tǒng)金屬與合金的基礎研究 …………………………………… ８２
３.１.２ 高熵合金 ………………………………………………………… ８３
３.１.３ 納米結構合金 …………………………………………………… ８４
３.２ 陶瓷、 玻璃、 復合材料和雜化材料 ………………………………… ８５
３.２.１ 陶瓷與玻璃 ……………………………………………………… ８５
３.２.２ 復合材料和雜化材料 …………………………………………… ８８
３.３ 半導體和其他電子材料 ……………………………………………… ９１
３.３.１ 器件微型化和微型化以外的進展 ……………………………… ９２
３.３.２ 多功能設備與物聯(lián)網(wǎng) …………………………………………… ９２
３.３.３ 用于射頻和電力電子的下一代半導體 ………………………… ９４
３.３.４ 互連和封裝 ……………………………………………………… ９４
３.４ 量子材料 ……………………………………………………………… ９５
３.４.１ 超導體 …………………………………………………………… ９５
３.４.２ 磁性材料 ………………………………………………………… ９６
３.４.３ ２Ｄ 材料 …………………………………………………………… ９８
３.４.４ 拓撲材料 ………………………………………………………… １０１
３.５ 聚合物、 生物材料和其他軟物質 …………………………………… １０１
３.５.１ 聚合物 …………………………………………………………… １０１
３.５.２ 生物材料與仿生材料 …………………………………………… １０４
３.５.３ 軟物質和顆粒材料 ……………………………………………… １０９
３.６ 結構化材料和超材料 ………………………………………………… １１１
３.６.１ 結構化材料 ……………………………………………………… １１１
３.６.２ 用于光子學、 聲子學和等離子體的超材料 …………………… １１２
３.７ 用于能源、 催化和極端環(huán)境的材料 ………………………………… １１２
３.７.１ 能源材料 ………………………………………………………… １１２
３.７.２ 催化材料 ………………………………………………………… １１４
３.７.３ 適用于極端環(huán)境的材料 ………………………………………… １１５
３.８ 水、 可持續(xù)性和清潔技術中的材料研究 …………………………… １１７
３.９ 用于傳導、 存儲、 輸運和管理熱的材料 …………………………… １２２
３.９.１ 熱能儲存 ………………………………………………………… １２２
３.９.２ 固態(tài)熱能轉換 …………………………………………………… １２３
３.９.３ 有源熱器件、 整流器和開關 …………………………………… １２３
３.９.４ 熱障涂層 ………………………………………………………… １２５
３.１０ 發(fā)現(xiàn)和建議 ………………………………………………………… １２５
第 ４ 章 研究工具、 方法、 基礎設施和設備 ……………………………… １３０
４.１ 表征工具 ……………………………………………………………… １３０
４.１.１ 電子顯微鏡 ……………………………………………………… １３０
４.１.２ 原子探針斷層成像 ……………………………………………… １３２
４.１.３ 掃描探針顯微鏡 ………………………………………………… １３３
４.１.４ 超快時間分辨技術 ……………………………………………… １３４
４.１.５ ３Ｄ／ ４Ｄ 原位測量方法 …………………………………………… １３６
４.２ 合成和加工工具 ……………………………………………………… １３９
４.２.１ 精密合成 ………………………………………………………… １３９
４.２.２ 來自 ＤＮＡ 構建模塊的 ３Ｄ 結構 ………………………………… １４０
４.２.３ ２Ｄ 形變材料 …………………………………………………… １４１
４.２.４ 增材制造 ………………………………………………………… １４５
４.２.５ 冷噴涂 …………………………………………………………… １４６
４.２.６ 非平衡處理 ……………………………………………………… １４７
４.２.７ 單晶生長 ………………………………………………………… １４８
４.３ 模擬和計算工具 ……………………………………………………… １４９
４.３.１ 集成計算材料工程和材料基因組計劃 ………………………… １４９
４.３.２ 計算材料科學與工程 …………………………………………… １５１
４.３.３ 發(fā)現(xiàn)材料的機器學習 …………………………………………… １５４
４.３.４ 作為計算材料工具的量子計算 ………………………………… １５６
４.３.５ 材料數(shù)據(jù)庫： 成就、 前景和挑戰(zhàn) ……………………………… １５７
４.４ 合成、 表征和建模的集成 …………………………………………… １６０
４.４.１ 高通量篩選 ……………………………………………………… １６０
４.４.２ 可預測實驗材料設計與實驗／ 計算聯(lián)合分析 ………………… １６１
４.５ 基礎設施和設備 ……………………………………………………… １６３
４.５.１ 研究基礎設施 …………………………………………………… １６３
４.５.２ 初級實驗室基礎設施 …………………………………………… １６５
４.５.３ 中等規(guī)模儀器／ 設備 …………………………………………… １６６
４.５.４ 納米科學研究中心 ……………………………………………… １６７
４.５.５ Ｘ 射線光源 ……………………………………………………… １６７
４.５.６ 中子 ……………………………………………………………… １６９
４.５.７ 強磁場設施 ……………………………………………………… １７１
４.５.８ 先進的計算設施 ………………………………………………… １７２
４.６ 結論、 發(fā)現(xiàn)和建議 …………………………………………………… １７２
第 ５ 章 國家競爭力 ………………………………………………………… １７６
５.１ 投資金額和方向 ……………………………………………………… １７７
５.２ 全球視角 ……………………………………………………………… １７８
５.２.１ 歐盟 ……………………………………………………………… １８０
５.２.２ 芬蘭 ……………………………………………………………… １８１
５.２.３ 法國 ……………………………………………………………… １８２
５.２.４ 德國 ……………………………………………………………… １８３
５.２.５ 英國 ……………………………………………………………… １８４
５.２.６ 中國 ……………………………………………………………… １８５
５.２.７ 韓國 ……………………………………………………………… １８７
５.２.８ 日本 ……………………………………………………………… １８７
５.３ 案例研究 ……………………………………………………………… １８９
５.３.１ 案例 １———平板液晶顯示器 …………………………………… １９０
５.３.２ 案例 ２———航空航天領域中的增材制造 ……………………… １９１
５.３.３ 案例 ３———世界市場上的永磁鐵 ……………………………… １９２
５.３.４ 案例 ４———光伏 ………………………………………………… １９３
５.３.５ 案例 ５———鋰離子電池 ………………………………………… １９５
５.４ 工業(yè)科學外交和國土安全 …………………………………………… １９６
５.５ 國家視角 ……………………………………………………………… １９７
５.６ 發(fā)現(xiàn)和建議 …………………………………………………………… １９８
附錄 Ａ 任務說明 …………………………………………………………… １９９
附錄 Ｂ 市政廳 （會議） …………………………………………………… ２００
附錄 Ｃ 委員會委員簡介 …………………………………………………… ２０１
附錄 Ｄ 縮略詞 ……………………………………………………………… ２１０