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材料科学与工程的典范移转—兼论政府政策与内部研发策略

  • 林育中

材料科学的知识是现代许多产业创新的根源,象是能源、生物医学、航天、国防等。而由于材料科学基础建设的变化,慢慢的产业的研发行为也受到影响。IMEC

2011年美国国家科学技术委员会与科学技术办公室共同发布了材料基因图谱计画(Materials Genome Initiative;MGI),目的在于加速材料科学与工程的发展、降低开发成本。

过去一种新材料从开发到真正的应用与部署大概得花10~20年。这份白皮书以锂电池材料为例,从70年代初就开始研发,90年代才开始有真正的市场应用。至今快50年过去了,锂电池仍在持续演进中。MGI当初的目标就是要将这研发到部署应用的时程缩短至2~3年。

MGI用的方法是利用运算能力、资料管理和集成材料科学和工程,特别是材料资料库的建立、开放的平台、软件与算法。这些集体的努力预期将大幅降低新材料应用的周期——发现、发展、性质优化、系统设计与集成、验证、制造和部署。由于运算能力和数据库的介入,这7个步骤有些可以直接略去或平行进行,省去不少时间和成本。

从白皮书问世迄今,快10年过去了,这个构想成功了没?答案是yes and no。这10年来最负盛名的新材料是石墨烯,自2004年发现至今已15年,但目前象样的应用还没有。但是随之而来的二维材料二硫属化合物如MoS2、WSe2、 等却立即融入纳米级晶体管的通道(channel)应用之中。

从这些例子中我们得到的启示是,发现一种新材料要去找新应用比较没有方向感,但是从特定需求寻找符合规格的新材料却是机率甚高。再兼之运算能力的大幅增强,因此对于材料科学与工程的发展有了新想法。

这想法其实是苦功,但有现在的运算能力、方便的软件及优秀的模型,研究机构对于新型态材料的开发已是类似建立元素周期表的地毯式搜索——藉现在信息科技之力,「春风得意马蹄疾,一日看尽长安花」。以邻近的新加坡大学为例,2010建立的Graphene Research Center现在已改制为Center for Advanced 2D Materials,涵盖了1,000多种二维材料的开发、研究、定性及实验。欧盟的计画则尝试三元材料(ternary materials,3种原子组成的化合物),借以替代已濒耗竭或稀有矿产,如行动机具常用的稀土族。

中国大陆于2016年也成立了Materials Genome Engineering计画,虽然成立较美国晚5年,但是大陆材料科学每年发表的论文数已是第二名美国的2倍以上,材料资料库的建立速度只有更快。

由于材料科学基础建设的变化,慢慢的产业的研发行为也受到影响。材料科学的知识是现代许多产业创新的根源,象是能源、生物医学、航天、国防等,特别是半导体产业。没有这些类似MGI国家机构支持的私人企业于需要材料科学知识投入研发时,好似Children of Lesser God。据我所知,台湾没有类似机构,我们内部的规模也不够大、无以自足,但是我们对材料科学的需求殷切的程度丝毫不亚于上述国家,我们的对策是什么?加入某一大阵营?或者与我们处境相似的国家结盟成军?

企业内部研发的方法也开始发生变化。我刚入半导体业时,一听制程叫recipe,有点啼笑皆非的感觉。对我来说,recipe是葱一把、盐少许非常主观的工艺。读施敏的书讲为什么退火要375度?只有天知道。要试新配方,只能靠工程批分批再分批,多次、分流地跑,既耗时又费钱。现在材料科学的发达让模拟及虚拟测试变得可行,让上述的7个新材料开发程序大幅缩短。岔一句话,如果现在半导体厂研发部门中没有first principles calculation的人,可能已经落伍了!

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。