材料应用发展

材料发展史

新材料是人类赖以生存的物质基础，新材料的出现及应用都将伴随着现代科学技术的巨大飞跃。从现代科学技术史中不难看出，每一项重大科技的突破在很大程度上都依赖于相应的新材料的发展。因此，新材料是现代科技发展之本，新材料被称为“发明之母”和“产业粮食”。

材料科学是建立在物理、化学、生物学、数学、计算、数据科学和工程知识基础上的交叉学科研究。围绕材料的合成、加工、结构、性能和应用的研究是材料科学研究的基础。纵观人类发展，材料科学和技术的进步引领着人类历史的演进，是人类文明的重要支柱，并持续影响着人类的可持续发展。从石器时代到硅时代以来，一种新材料的发现往往意味着一个崭新时代的开辟。而今天，研究出更轻、高强度、智能化、柔性、节能以及各项性能更好的材料，将为人类更加美好的明天奠定基础。

在我们通常的认识中，零维是点，一维是线，二维是平面，三维是立体。

集成，是将不同的单元汇聚到一起，并能实现其特定功能的过程，因此，零维的点，一维的线都不适应于集成，现实中主要的集成方式就是两维的平面集成和三维的立体集成。实际应用中，仅仅用两维和三维来对集成进行分类确实有些勉为其难，例如有的人就用“假3D”，“真3D”来区分不同类型的芯片堆叠方式。在本文中，我们将集成分为：2D、2D+、2.5D、3D、4D，共五种集成维度，目的是为了便于集成的分类和区分，同时也兼容目前的主流说法。此外，我们给出了两个重要的判据，物理结构和电气互连。

纳米材料在各种应用中表现出许多有趣的物理和化学性质，包括能量转换和存储、纳米电子、传感器和致动器、光子学器件，甚至用于生物医学等目的。相比于传统纳米材料合成技术，激光作为一种合成技术和微加工技术具有一定的优势，促进了纳米材料的制备和纳米结构的构建，包括激光加工诱导的碳纳米材料和非碳纳米材料、多级结构的构建、图案化、杂原子掺杂、溅射刻蚀等。因此，激光诱导的纳米材料和纳米结构在光热转换、电池、超级电容器、传感器、驱动器和电催化电极等电子器件中有着广泛的应用。随着激光合成技术和激光微加工技术在纳米材料制备方面的不断研究，面向能量转换和存储的激光合成技术将得到快速发展。

材料科学是建立在物理、化学、生物学、数学、计算、数据科学和工程知识基础上的交叉学科研究。围绕材料的合成、加工、结构、性能和应用的研究是材料科学研究的基础。纵观人类发展，材料科学和技术的进步引领着人类历史的演进，是人类文明的重要支柱，并持续影响着人类的可持续发展。从石器时代到硅时代以来，一种新材料的发现往往意味着一个崭新时代的开辟。而今天，研究出更轻、高强度、智能化、柔性、节能以及各项性能更好的材料，将为人类更加美好的明天奠定基础。

不同特性的需求极大地刺激了制备超薄二维纳米材料的不同方法的发展。现在比较固定的合成方法包括：微机械剥离、机械力辅助液体剥离、离子插入辅助液体剥离、离子交换辅助液体剥离、氧化辅助液体剥离、选择性刻蚀液体剥离、化学气相沉积（CVD）及湿化学法等。所有这些方法都可以归为两类：自上而下和自下而上的思路。由于不同制备方法得到的二维材料也许会具有不同的结构特征。制备具有目标组分、尺寸、厚度、晶相、缺陷和表面特性的超薄二维纳米材料对于研究其物理、化学、电子和光学性质和探索其潜在应用领域是特别重要的。另一方面，引人注目的性质和极具潜力的应用也会促进超薄二维纳米材料不同可靠合成方法的发展。自上而下的方法主要包括微机械剥离、机械力辅助液体剥离、离子插入辅助液体剥离、离子交换辅助液体剥离、氧化辅助液体剥离和选择性刻蚀辅助液体剥离。以上这些方法都依赖于对于块状晶体的剥离得到较薄层状晶体，并且这些方法仅适用于块状晶体为层状化合物的情形。相比之下，CVD和湿化学合成方法属于自下而上的思路，这依赖于在给定实验条件下对于特定前驱体的化学反应。不同于自上而下的思路，自下而上的方法原则上应用范围更广，即几乎所有类型的超薄二维材料都可能通过自下而上的方法得到。