材料科學領域熱門議題

導讀
本文透過Incites Essential Science Indicator資料庫,蒐集材料科學領域的論文發表數據及熱門論文發表現況,瞭解材料領域的熱門研究議題。材料科學領域的論文發表國家主要以中國和美國為主,其中中國的發表量又高於美國達一倍之多,反映中國在材料領域的投入。在熱門的材料研究議題上,本研究透過ESI的熱門論文(hot paper)文獻資料庫蒐整出181篇近二年的熱門論文,透過關鍵字及分類,瞭解材料科學領域的發展趨勢,其中太陽能電池、氫能源、超級電容器、二維材料等都是現階段學界熱衷投入的研究主題。
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材料科學是一門重要的應用領域,許多應用構想都需要新型的材料來支持才有實現的可能。譬如在太空梭的開發上,為了滿足高速、長程的需求,就需要複合材料、或是耐高溫又質輕的合金材料,這都有賴材料科學的突破才有可能實現。材料通常可分為金屬、無機非金屬、有機高分子及複合材料四大類;也有學者從應用面來對材料進行分類,分為結構材料、功能材料及智慧材料三類。其中結構材料即是利用其力學性質,作為製造、建築的物質基礎;而功能性材料則是應用材料本身的對光、電、聲、磁等物理特徵激起反應的特徵所開發的用途,如各類半導體材料即可作為這類的代表。最後一種即是能夠對環境具備判斷、自我修復、或是具有時間記憶等功能的新型材料(李言榮,2003)。過去材料開發多以大量的實驗,調整參數及配方,在過程中找出最佳的材料配方及結果,這樣的做法雖然有效,卻耗費大量的時間與資源,也難以持久,同時對事物原理的理解幫助不大;但是隨著電腦計算能力的擴大,目前材料科學的研究已經走向從第一原理出發,從理論結合計算及實驗,有效的縮短開發時程及研究成本(林育中,2017)。材料科學的突破對產業、經濟社會及環境的發展可說是一個重要的關鍵因素,先進國家無不投入大量資源在材料研發上。本文嘗試透過論文發表及熱門論文的主題瞭解目前材料科學的發展動向。

本文利用Clarivate公司所維運的Incites Essential Science Indicators(ESI) 資料庫資料整理有關材料科學領域(material science)的論文及熱門論文發表量。該資料庫資料更新日期為:2018/07/12。圖1為全球學研機構在材料科學領域的論文發表現況。在論文發表量上,以中國大陸的中國科學院所發表的論文量最多,次之為法國的國家科學研究院(CNRS, Centre national de la Recherche Scientifique, 英文為:The National Center for Scientific Research),排第三的是美國能源部轄下各國家實驗室等研究機構系統,第四的是印度的印度理工學院(IIT),這份名單可能打破過去國人的刻板印象,傳統美國佔據優勢的科技研發目前已經逐漸被後進國家追趕,許多國家都意識到科技創新將是國家競爭力成敗的關鍵因素,因此對研發的投入及人才的培育都已經加大步伐及資源投入。若以論文被引量來看,這排名就改為:中國科學院、美國能源部、法國國家科學研究院、加州大學等。

圖1 材料科學論文發表主要學研機構
資料來源:ESI資料庫。

2017年日本文部科學省轄下的科學技術振興機構(Japan Science and Technology Agency, JST)以論文引用等指標作為學術領域競爭力指標所完成的調查顯示,2015年中國大陸在電腦與數學、化學、材料、工程等四個領域的論文發表量排名世界第一,除此之外,日經也作了相當多的國際學術競爭力的報導,探討日本學術與產業界的研發能量所面對的困境與外部競爭壓力(日經新聞網,2017)。經過兩年後,重新檢視材料科學領域的發展,可以發現中國在材料科學的論文發表量占據第一名的現象愈來愈明顯。

圖2為材料科學論文發表主要國家現況,可以看到中國在材料科學的論文發表量已是美國的一倍;但是在平均論文被引數上,美國(20.09)仍強於中國(11.69)。從平均論文被引數的數據來看,西方國家仍占據領先地位,如瑞士(21.44)、荷蘭(20.21)、美國(20.09)、澳大利亞(17.18)、英國(16.76),其他的西歐國家平均被引數數據多落在13~16之間;東方國家表現最好的就是新加坡(26.12)和香港(19.59),而日本、韓國與我國,平均論文被引數都分別為12.09、12.02、11.99。可見台灣在材料科學的研究投入也沒有缺席,以有限的經費與人力,仍取得相對不錯的成績。但是也可以看到許多國家的追趕步伐,像是伊朗、印度、土耳其等國都名列榜上。這顯示許多國家已經瞭解科技對國家競爭力的幫助,對科研的支持與投入都持續擴大,這意味未來台灣面對的競爭壓力將會擴大,不但要追上西方先進國家,也要關注後方追趕的團隊。另外值得我國學習的國家是新加坡,一個人口與資源都小的國家卻取得如此可觀的成果(論文發表量:10,214,平均論文被引數:26.12),背後的推動政策與人才培育、人才引進做法值得台灣參考。

圖2 材料科學論文發表主要國家
資料來源:ESI資料庫。

另一個值得觀察的國家就是中國大陸,中國持續在此領域投入,已經取得相當多的成果,如果未來量變促進質變,一個論文品質與發表數量均佳的中國在材料科學取得突破後,它將對中國的航太、航空、汽車、半導體、化工等產業產生何種化學效應,值得吾人觀察。

根據Incites ESI的定義,所謂的熱門論文(hot papers)是指該領域中,發表於兩年內且在近兩個月內被引次數在該領域的全球論文0.1%以內的論文。因此這類論文具有很高的指標性,可以反映目前學研界所關切的研究主題。ESI每兩個月定期更新資料庫,讓使用者可以更清楚的瞭解研究發展趨勢的動向。

本文根據ESI資料庫所排序的材料領域熱門論文共181篇,表1為前十篇被引數最高的熱門論文。初步分析181篇論文可以發現其中有103篇是透過國際合作完成的,占據了百分之56.9,顯示出熱門的研究透過國際合作來完成是目前的趨勢之一;而台灣也沒有自外於此,在181篇的熱門論文中,台灣共發表了兩篇,一篇是國際合作,一篇是獨力完成。研究的主題分別為有機發光二極體(OLED)及金屬有機骨架材料(metal organic framework material),這兩類都是目前材料科學很熱門的研究主題,有機發光二極體不用說,在節能光源及平板顯示器都是優秀的光源,而金屬有機骨架材料更是未來作為催化劑、氧化還原應用的候選材料。

表1 前十篇材料領域熱門論文

論文題目 作者 期刊名稱 被引數
Fullerene-free polymer solar cells with over 11% efficiency and excellent thermal stability Zhao, WC et. al. Advan Mater 28 (23): 4734-4739 Jun 15 2016 551
Energy-level modulation of small-molecule electron acceptors to achieve over 12% efficiency in polymer solar cells Li, SS et. al. Advan Mater 28 (42): 9423-+ Nov 9 2016 414
Analysis of nanoparticle delivery to tumours Wilhelm, S et. al. Nat Rev Mater 1 (5): - May 2016 332
High-efficiency and air-stable p3ht-based polymer solar cells with a new non-fullerene acceptor Holliday, S et. al. Nat Commun 7: - Jun 2016 222
Observation of room-temperature magnetic skyrmions and their current-driven dynamics in ultrathin metallic ferromagnets Woo, S et. al. Nat Mater 15 (5): 501-+ May 2016 220
Perovskite energy funnels for efficient light-emitting diodes Yuan, MJ et. al. Nat Nanotechnol 11 (10): 872-+ Oct 2016 191
Hierarchical nico2s4 nanowire arrays supported on ni foam: an efficient and durable bifunctional electrocatalyst for oxygen and hydrogen evolution reactions Sivanantham, A et. al. Adv Funct Mater 26 (26): 4661-4672 Jul 12 2016 186
Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength-ductility trade-off Li, ZM et. Al. Nature 534 (7606): 227-+ Jun 9 2016 185
Flexible and stretchable physical sensor integrated platforms for wearable human-activity monitoring and personal healthcare Trung, TQ et. al. Advan Mater 28 (22): 4338-4372 Sp. Iss. Si Jun 8 2016 180
Additive interfacial chiral interaction in multilayers for stabilization of small individual skyrmions at room temperature Moreau-Luchaire, C et. al. Nat Nanotechnol 11 (5): 444-+ May 2016 177
資料來源:ESI 資料庫,本研究整理。

本文透過對181篇熱門論文的分類歸納整理,可以初步把這些論文分成數個比較大的研究主題:太陽電池、儲能材料、氫能源、二維材料等

●太陽電池:

各類新型的光電材料被開發出來作為下世代的太陽電池材料,譬如:效率超過11%的不含富勒烯高分子太陽電池、有機小分子太陽電池、無鉛鈣鈦礦(Perovskite) 太陽電池、以及轉換效率高達26.6%的異質結構背接觸矽薄膜太陽電池;或是透過改善電極來提高效率的石墨烯量子點修飾SrRuO3介孔薄膜電極染料敏化太陽電池等研究課題,都是這類未來潔淨能源的熱門研究課題。

●儲能材料—電池與超級電容器:

相關的主題很多聚焦在陽極電極的改善上,例如針對鋰電池的陽極材料的開發,就有許多替代材料被研究者提出來,原來直接採用鋰金屬本身就是一個不錯的陽極材料,但是鋰本身有些缺點需要克服,如不均勻的樹枝狀結晶、不穩定的固態電解質介面(solid electrolyte interphase)以及使用循環過程中幾乎不可避免的電池尺吋變化等都影響直接用鋰金屬來作為陽極材料使用。於是有的研究者開發出復合鋰金屬材料來做為陽極使用,可以有效降低尺吋變化及良好的機械柔韌性,這類材料包含奈米級間隙的分層還原氧化石墨烯鋰金屬陽極(Li-rGO電極);或是鋰電池中間電解液改成固態狀的無機固態電解質鋰電池或高分子電解質鋰電池都是熱門的研究課題,此外鋰電池的最新進展還包含液態有機電解質( liquid organic electrolyte) 的研發,研究人員關心的課題包含局部電流密度調製、陰離子損耗、鋰通量、陽極/電解質介面、介面的力學強度等;除了這些電池類型外,一種稱為超級電容器( supercapacitor)的新型電池也是目前材料界及產業界關心的主題,以冷凍鑄造法製造的3D蜂巢式石墨烯薄膜超級電容器展現出高能量密度、高功率密度比等特質,同時具備導電性佳,抗拉強度好等特性,是製造新型電池的質優候選材料。或是由可溶MXene和電化學剝離處理過後石墨烯,也是一種全固態超高容量柔性超級電容器的製備材料。除了這類電池外,一些新穎的材料也被研發,像是可充電式鈉離子電池、二維金屬氧化物奈米材料電池。

●氫能源:

氫能一直是各界所期待的下世代綠色能源的典範,它在使用過程中幾乎不產生污染物,唯一的排放物是水。許多國家投入相當多的資源在氫能源的開發應用上。在氫能的研究上,一個最熱門的主題就是如何裂解水來產生氫和氧,許多研究團隊就此提出許多技術方案,包括像是:太陽能結合光催化裂解水產氫,一種以La和Rh共同摻雜的SrTiO3或是Mo摻雜的BiVO4粉體嵌入在金層的光催化平板,使純水分解的光能-氫轉換效率達到1.1%,在光波長為419nm的量子產率超過30%;這使得光催化平板水裂解產氫在經濟的使用上將成為可行的方案。其他的包含像是電催化,結合太陽能產生的電力到氫氣的轉化,有的研究團隊以鉬酸銨為前驅體,以三嵌段共聚物pluronic P123為結構導向劑,在泡沫狀態的金屬鎳上製備超薄奈米薄片、中空MoOx/Ni3S2複合微球催化劑,這種新型電催化材料耐久性超過100小時,性能優於貴金屬鉑/碳和IrOx/C催化偶聯物組成的電催化材。

●二維材料:

所謂的二維材料是指一種具有單層或幾個原子層厚度的晶體材料。二維材料種類很多,包含石墨烯、磷烯、矽烯、過渡金屬二硫族化合物、過渡金屬碳化物或氮化物等,其中2D碳化鈦等過渡金屬碳化物或氮化物等材料被泛稱為MXene。二維材料基於材質及特殊的結構,具有許多潛在應用價值的特性,例如Mxene類的二維材料就被看好可應用在能量儲存、電磁屏蔽、催化劑材等;另外一個被廣泛被看好的應用端是它的半導體特質,特別是新世代的電晶體,二維材料可以克服傳統設計的電晶體結構漏電流過大的缺點,二維半導體材料所製成的場效電晶體將可排除漏電流問題,因為電流將被限制在原子通道中通行,而均勻的受到柵極電壓影響。用這種材料製成得電子元件電性佳、可大幅減少廢熱、在尺吋上可以做得更小,因此這類二維材料(石墨烯、磷烯、矽烯等)也受到許多人追捧。其中矽烯更受到大家的看好,這種類似石墨烯的矽烯 (silicene) 材料,在近幾年引起許多學者的興趣,這種新型的二維材料相較石墨烯具有更好的特質,包含更好的能隙調節性 (band gap tunability)、更強的自旋耦合性以及更容易谷極化(valley polarization) 等特質;這些都是讓學界開始關切這種材料的原因。2012年,單層矽烯在實驗室被人工合成出來後,對矽烯的應用開發就開始成為各國實驗室的熱門研究課題,嘗試開發其潛在的應用價值,包含像是量子霍爾效應、磁性、超導性質、熱電效應、隧道場效應電晶體、自旋篩選和自旋場效應電晶體等。

其他有趣而又具有廣大應用潛在價值的主題還包含了:催化劑(觸媒)、奈米發電機 (nano-generator)、分子機器 (molecular machine)、電子皮膚 (electronic skin)、微波吸收、海水淡化薄膜、3D列印金屬材料、柔性材料等。

結論

材料的突破是左右人類文明與科技發展的重要關鍵因素,但是材料科技也是最難克服與攻堅的課題,許多尖端產品效率的優劣良窳成敗都有賴於材料的好壞,像是飛機引擎內部的渦輪機葉片必須在高溫高壓的極端環境下工作、對材料的材質與工藝就有非常嚴格的要求。材料科學工藝能夠左右一個工業大國走向工業強國的關鍵門欄,掌握特殊材料的開發與製造技術也是一項阻擋競爭對手追趕及進入產業的重要手段,因此未來擴大投入材料研發將是我國產業界提高技術自主化的必要行動之一。

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