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材料應用發展

材料發展史

新材料是人類賴以生存的物質基礎，新材料的出現及應用都將伴隨著現代科學技術的巨大飛躍。從現代科學技術史中不難看出，每一項重大科技的突破在很大程度上都依賴于相應的新材料的發展。因此，新材料是現代科技發展之本，新材料被稱為“發明之母”和“產業糧食”。

材料科學是建立在物理、化學、生物學、數學、計算、數據科學和工程知識基礎上的交叉學科研究。圍繞材料的合成、加工、結構、性能和應用的研究是材料科學研究的基礎。縱觀人類發展，材料科學和技術的進步引領著人類歷史的演進，是人類文明的重要支柱，并持續影響著人類的可持續發展。從石器時代到硅時代以來，一種新材料的發現往往意味著一個嶄新時代的開辟。而今天，研究出更輕、高強度、智能化、柔性、節能以及各項性能更好的材料，將為人類更加美好的明天奠定基礎。

在我們通常的認識中，零維是點，一維是線，二維是平面，三維是立體。

集成，是將不同的單元匯聚到一起，并能實現其特定功能的過程，因此，零維的點，一維的線都不適應于集成，現實中主要的集成方式就是兩維的平面集成和三維的立體集成。實際應用中，僅僅用兩維和三維來對集成進行分類確實有些勉為其難，例如有的人就用“假3D”，“真3D”來區分不同類型的芯片堆疊方式。在本文中，我們將集成分為：2D、2D+、2.5D、3D、4D，共五種集成維度，目的是為了便于集成的分類和區分，同時也兼容目前的主流說法。此外，我們給出了兩個重要的判據，物理結構和電氣互連。

納米材料在各種應用中表現出許多有趣的物理和化學性質，包括能量轉換和存儲、納米電子、傳感器和致動器、光子學器件，甚至用于生物醫學等目的。相比于傳統納米材料合成技術，激光作為一種合成技術和微加工技術具有一定的優勢，促進了納米材料的制備和納米結構的構建，包括激光加工誘導的碳納米材料和非碳納米材料、多級結構的構建、圖案化、雜原子摻雜、濺射刻蝕等。因此，激光誘導的納米材料和納米結構在光熱轉換、電池、超級電容器、傳感器、驅動器和電催化電極等電子器件中有著廣泛的應用。隨著激光合成技術和激光微加工技術在納米材料制備方面的不斷研究，面向能量轉換和存儲的激光合成技術將得到快速發展。

材料科學是建立在物理、化學、生物學、數學、計算、數據科學和工程知識基礎上的交叉學科研究。圍繞材料的合成、加工、結構、性能和應用的研究是材料科學研究的基礎。縱觀人類發展，材料科學和技術的進步引領著人類歷史的演進，是人類文明的重要支柱，并持續影響著人類的可持續發展。從石器時代到硅時代以來，一種新材料的發現往往意味著一個嶄新時代的開辟。而今天，研究出更輕、高強度、智能化、柔性、節能以及各項性能更好的材料，將為人類更加美好的明天奠定基礎。

不同特性的需求極大地刺激了制備超薄二維納米材料的不同方法的發展。現在比較固定的合成方法包括：微機械剝離、機械力輔助液體剝離、離子插入輔助液體剝離、離子交換輔助液體剝離、氧化輔助液體剝離、選擇性刻蝕液體剝離、化學氣相沉積（CVD）及濕化學法等。所有這些方法都可以歸為兩類：自上而下和自下而上的思路。由于不同制備方法得到的二維材料也許會具有不同的結構特征。制備具有目標組分、尺寸、厚度、晶相、缺陷和表面特性的超薄二維納米材料對于研究其物理、化學、電子和光學性質和探索其潛在應用領域是特別重要的。另一方面，引人注目的性質和極具潛力的應用也會促進超薄二維納米材料不同可靠合成方法的發展。自上而下的方法主要包括微機械剝離、機械力輔助液體剝離、離子插入輔助液體剝離、離子交換輔助液體剝離、氧化輔助液體剝離和選擇性刻蝕輔助液體剝離。以上這些方法都依賴于對于塊狀晶體的剝離得到較薄層狀晶體，并且這些方法僅適用于塊狀晶體為層狀化合物的情形。相比之下，CVD和濕化學合成方法屬于自下而上的思路，這依賴于在給定實驗條件下對于特定前驅體的化學反應。不同于自上而下的思路，自下而上的方法原則上應用范圍更廣，即幾乎所有類型的超薄二維材料都可能通過自下而上的方法得到。