包邮材料研究前沿十年回顾:2010-2020

摘 要 …………………………………………………………………………… １

第 １ 章 十年发展回顾 ………………………………………………………… １１

１.１ 工业前景 ……………………………………………………………… １４

１.２ 国防与国家安全前景 ………………………………………………… １６

１.３ 结论 …………………………………………………………………… １７

１.４ 关键发现和建议 ……………………………………………………… １８

第 ２ 章 材料领域过去十年的进展和成果 …………………………………… ２０

２.１ 金属 …………………………………………………………………… ２２

２.１.１ 金属材料的高速发展 …………………………………………… ２２

２.１.２ 块状非晶合金 …………………………………………………… ２４

２.１.３ 高性能合金 ……………………………………………………… ２５

２.２ 陶瓷、 玻璃、 复合材料和杂化材料 ………………………………… ２６

２.２.１ 陶瓷 ……………………………………………………………… ２６

２.２.２ 玻璃 ……………………………………………………………… ２７

２.２.３ 复合材料和杂化材料 …………………………………………… ２８

２.３ 半导体材料和其他电子材料 ………………………………………… ３３

２.３.１ 信息材料与器件 ………………………………………………… ３３

２.３.２ 硅基场效应器件的微型化 ……………………………………… ３５

２.３.３ 解决场效应晶体管瓶颈的替代方案 …………………………… ３７

２.３.４ 光电子半导体 …………………………………………………… ４０

２.３.５ 有机半导体 ……………………………………………………… ４０

２.３.６ 柔性电子器件 …………………………………………………… ４１

２.４ 量子材料与强关联系统 ……………………………………………… ４２

２.４.１ 超导体与强关联电子 …………………………………………… ４２

２.４.２ 磁性材料 ………………………………………………………… ４５

２.４.３ 二维量子材料 …………………………………………………… ４９

２.４.４ 拓扑材料 ………………………………………………………… ５２

２.４.５ 量子比特———量子计算机的基石 ……………………………… ５５

２.５ 聚合物、 生物材料和其他软物质 …………………………………… ５８

２.５.１ 聚合物 …………………………………………………………… ５８

２.５.２ 生物分子与仿生材料 …………………………………………… ６３

２.５.３ 生物材料 ………………………………………………………… ６４

２.５.４ 软物质 …………………………………………………………… ６８

２.６ 结构化材料 …………………………………………………………… ７７

２.７ 催化材料 ……………………………………………………………… ７８

２.８ 结论 …………………………………………………………………… ８１

第 ３ 章 材料研究的机遇 ……………………………………………………… ８２

３.１ 金属 …………………………………………………………………… ８２

３.１.１ 传统金属与合金的基础研究 …………………………………… ８２

３.１.２ 高熵合金 ………………………………………………………… ８３

３.１.３ 纳米结构合金 …………………………………………………… ８４

３.２ 陶瓷、 玻璃、 复合材料和杂化材料 ………………………………… ８５

３.２.１ 陶瓷与玻璃 ……………………………………………………… ８５

３.２.２ 复合材料和杂化材料 …………………………………………… ８８

３.３ 半导体和其他电子材料 ……………………………………………… ９１

３.３.１ 器件微型化和微型化以外的进展 ……………………………… ９２

３.３.２ 多功能设备与物联网 …………………………………………… ９２

３.３.３ 用于射频和电力电子的下一代半导体 ………………………… ９４

３.３.４ 互连和封装 ……………………………………………………… ９４

３.４ 量子材料 ……………………………………………………………… ９５

３.４.１ 超导体 …………………………………………………………… ９５

３.４.２ 磁性材料 ………………………………………………………… ９６

３.４.３ ２Ｄ 材料 …………………………………………………………… ９８

３.４.４ 拓扑材料 ………………………………………………………… １０１

３.５ 聚合物、 生物材料和其他软物质 …………………………………… １０１

３.５.１ 聚合物 …………………………………………………………… １０１

３.５.２ 生物材料与仿生材料 …………………………………………… １０４

３.５.３ 软物质和颗粒材料 ……………………………………………… １０９

３.６ 结构化材料和超材料 ………………………………………………… １１１

３.６.１ 结构化材料 ……………………………………………………… １１１

３.６.２ 用于光子学、 声子学和等离子体的超材料 …………………… １１２

３.７ 用于能源、 催化和极端环境的材料 ………………………………… １１２

３.７.１ 能源材料 ………………………………………………………… １１２

３.７.２ 催化材料 ………………………………………………………… １１４

３.７.３ 适用于极端环境的材料 ………………………………………… １１５

３.８ 水、 可持续性和清洁技术中的材料研究 …………………………… １１７

３.９ 用于传导、 存储、 输运和管理热的材料 …………………………… １２２

３.９.１ 热能储存 ………………………………………………………… １２２

３.９.２ 固态热能转换 …………………………………………………… １２３

３.９.３ 有源热器件、 整流器和开关 …………………………………… １２３

３.９.４ 热障涂层 ………………………………………………………… １２５

３.１０ 发现和建议 ………………………………………………………… １２５

第 ４ 章 研究工具、 方法、 基础设施和设备 ……………………………… １３０

４.１ 表征工具 ……………………………………………………………… １３０

４.１.１ 电子显微镜 ……………………………………………………… １３０

４.１.２ 原子探针断层成像 ……………………………………………… １３２

４.１.３ 扫描探针显微镜 ………………………………………………… １３３

４.１.４ 超快时间分辨技术 ……………………………………………… １３４

４.１.５ ３Ｄ／ ４Ｄ 原位测量方法 …………………………………………… １３６

４.２ 合成和加工工具 ……………………………………………………… １３９

４.２.１ 精密合成 ………………………………………………………… １３９

４.２.２ 来自 ＤＮＡ 构建模块的 ３Ｄ 结构 ………………………………… １４０

４.２.３ ２Ｄ 形变材料 …………………………………………………… １４１

４.２.４ 增材制造 ………………………………………………………… １４５

４.２.５ 冷喷涂 …………………………………………………………… １４６

４.２.６ 非平衡处理 ……………………………………………………… １４７

４.２.７ 单晶生长 ………………………………………………………… １４８

４.３ 模拟和计算工具 ……………………………………………………… １４９

４.３.１ 集成计算材料工程和材料基因组计划 ………………………… １４９

４.３.２ 计算材料科学与工程 …………………………………………… １５１

４.３.３ 发现材料的机器学习 …………………………………………… １５４

４.３.４ 作为计算材料工具的量子计算 ………………………………… １５６

４.３.５ 材料数据库： 成就、 前景和挑战 ……………………………… １５７

４.４ 合成、 表征和建模的集成 …………………………………………… １６０

４.４.１ 高通量筛选 ……………………………………………………… １６０

４.４.２ 可预测实验材料设计与实验／ 计算联合分析 ………………… １６１

４.５ 基础设施和设备 ……………………………………………………… １６３

４.５.１ 研究基础设施 …………………………………………………… １６３

４.５.２ 初级实验室基础设施 …………………………………………… １６５

４.５.３ 中等规模仪器／ 设备 …………………………………………… １６６

４.５.４ 纳米科学研究中心 ……………………………………………… １６７

４.５.５ Ｘ 射线光源 ……………………………………………………… １６７

４.５.６ 中子 ……………………………………………………………… １６９

４.５.７ 强磁场设施 ……………………………………………………… １７１

４.５.８ 先进的计算设施 ………………………………………………… １７２

４.６ 结论、 发现和建议 …………………………………………………… １７２

第 ５ 章 国家竞争力 ………………………………………………………… １７６

５.１ 投资金额和方向 ……………………………………………………… １７７

５.２ 全球视角 ……………………………………………………………… １７８

５.２.１ 欧盟 ……………………………………………………………… １８０

５.２.２ 芬兰 ……………………………………………………………… １８１

５.２.３ 法国 ……………………………………………………………… １８２

５.２.４ 德国 ……………………………………………………………… １８３

５.２.５ 英国 ……………………………………………………………… １８４

５.２.６ 中国 ……………………………………………………………… １８５

５.２.７ 韩国 ……………………………………………………………… １８７

５.２.８ 日本 ……………………………………………………………… １８７

５.３ 案例研究 ……………………………………………………………… １８９

５.３.１ 案例 １———平板液晶显示器 …………………………………… １９０

５.３.２ 案例 ２———航空航天领域中的增材制造 ……………………… １９１

５.３.３ 案例 ３———世界市场上的永磁铁 ……………………………… １９２

５.３.４ 案例 ４———光伏 ………………………………………………… １９３

５.３.５ 案例 ５———锂离子电池 ………………………………………… １９５

５.４ 工业科学外交和国土安全 …………………………………………… １９６

５.５ 国家视角 ……………………………………………………………… １９７

５.６ 发现和建议 …………………………………………………………… １９８

附录 Ａ 任务说明 …………………………………………………………… １９９

附录 Ｂ 市政厅 （会议） …………………………………………………… ２００

附录 Ｃ 委员会委员简介 …………………………………………………… ２０１

附录 Ｄ 缩略词 ……………………………………………………………… ２１０