21世纪材料高被引论文Top 10盘点，二维材料称雄！

21世纪以来，科技突飞猛进的发展带来了人类的人口迅速增长，生活水平大幅提高，能源需求也越来越大，特别是资源的加速枯竭，环境的逐渐恶化，使得人类开始迫切寻求新材料来应对当前的危机与挑战，因此科学家们预测21世纪将是材料大爆发的时代，而过去20年中材料的飞速发展也印证了这一说法。石墨烯被誉为“新材料之王”，推动了新型电子器件的诞生和二维材料的蓬勃发展；金属有机框架材料结构百变，在诸多领域都大有可为；纳米材料电极催生了新型储能设备的百花齐放，为人类提供清洁能源；单原子催化剂的兴起则表明人类的研究领域已经进入原子尺度。材料的发展当然离不开无数研究人员的努力，下面我们一起来了解一下21世纪全球材料领域被引用次数TOP10的论文有哪些。（注：本文统计数据通过Web of Science 检索，出版年为2000年到2021年， Web of Science分类为MATERIALS SCIENCE MULTIDISCIPLINARY）

发文分析

发文量方面，2020年材料类论文发文量为162225篇，相较于2010年的87037篇增长了近一倍，相较于2000年的47220篇更是增加了近三倍。

发文地区方面，21世纪材料类发文量排名第一的国家⁄地区是中国，接近达到了后三名美国加日本加德国的发文量总和，21世纪的中国已经成为了名副其实的材料大国。

来源出版物方面，21世纪材料发文量排名前三的期刊是Physical Review B、Advanced Materials Research和Journal of Alloys and Compounds，其中Physical Review B发文量更是超过了10万篇，其他我们耳熟能详的期刊还包括ACS Applied Materials and Interfaces和Langmuir等。

发文机构方面，中科院、法国国家科学研究中心、美国能源部、加州大学系统、俄罗斯科学院、德国亥姆霍兹联合会、印度理工学院系统、清华大学、马普所和中国科学院大学材料类发文量位列前十，排名前十的机构中有三所来自中国。 

21世纪材料高被引论文Top 10盘点

1.The rise of graphene

该文2007年由英国曼彻斯特大学的A. K. Geim和K. S. Novoselov教授发表于Nature Materials，而在2010年两人就因为发现了石墨烯材料而获得了诺贝尔物理学奖，并由此掀起了石墨烯以及各种二维材料的研究热潮。截至2021年2月17日，该文累计被引28,528次。

在材料科学和凝聚态物理领域，石墨烯是一颗迅速崛起的新星。这种严格的二维材料具有超乎寻常高的结晶和电子特性。尽管石墨烯出现的时间很短，但其自身已经揭示了一个具有一系列的新颖物理潜在应用的聚宝盆。通常只有在出现商品时才能确定应用的真实性，但石墨烯不再需要任何进一步证明其在基础物理学方面的重要性。由于其超乎寻常的电子光谱，石墨烯引导了“相对论”凝聚态物理的新范式的出现，其中量子相对论现象（在高能物理学中是无法观察到的）现在可以在桌面实验中进行模拟和测试。更一般来说，石墨烯在概念上代表了仅有一个原子层厚的一类新材料，在此基础上，石墨烯为低维物理学这个从未间断并将持续为应用提供沃土的领域提供了新的突破。

The rise of graphene. Nat. Mater. 6, 183–191 (2007).

https://doi.org/10.1038/nmat1849

2.Materials for electrochemical capacitors

该文2008年由美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi和法国图卢兹第三大学的Patrice Simon教授发表于Nature Materials，是超级电容器特别是非对称超级电容器的开山之作。截至2021年2月17日，该文累计被引11,312次。

电化学电容器（超级电容器）通过离子吸附（双电层电容器）或快速的表面氧化还原反应（赝电容电容器）来存储能量。当电能存储和收集应用中需要大功率的输出或存储时，电化学电容器可以补充甚至替换电池。近期，通过理解电容器的电荷存储机制和开发具有先进纳米结构的电极材料，电容器的性能已经得到了显著改善。而离子去溶剂化发生在比溶剂化离子更小的孔中的这个发现，使得使用具有亚纳米孔的碳电极的电化学双电层电容器获得了更高的电容，并为设计使用多种电解液的高能量密度电容器设备打开了大门。赝电容型纳米材料（包括氧化物，氮化物和聚合物）与最新一代的纳米结构锂电极的结合，可以使电化学电容器的能量密度更接近于电池。碳纳米管的使用则进一步推动了微电化学电容器的发展，使得柔性且适应性强的设备的制造成为了可能。数学建模和仿真计算将是成功设计下一代高比能大功率设备的关键。

Materials for electrochemical capacitors. Nat. Mater. 7, 845–854 (2008).

https://doi.org/10.1038/nmat2297

3.Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide

该文2007年由美国西北大学的SonBinh T. Nguyen和Rodney S. Ruoff教授等人发表于Carbon。截至2021年2月17日，该文累计被引10,520次。

采用水合肼来还原剥离氧化石墨烯薄片在水中的胶体悬浮液会导致它们的聚集，并随后形成由石墨烯基薄片组成的高表面积碳材料，而通过元素分析、热重分析、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、NMR光谱、拉曼光谱以及电导率测量可以用来表征被还原的材料。此文中，作者描述了用肼还原剥离石墨烯片的详细过程以及所得材料的表征。特别地，作者还提供了证据来证明氧化石墨烯可以完全剥落为单独的氧化石墨烯片，并且这种片的化学还原过程可以用于其他类石墨烯片的材料。

Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon 45, 1558–1565 (2007).

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2007.02.034

4.Single-layer MoS₂ transistors

该文2011年由瑞士洛桑联邦理工学院A. Kis教授等人发表于Nature Nanotechnology。截至2021年2月17日，该文累计被引9,140次。

二维材料在下一代纳米电子器件中的应用很有吸引力，因为与一维材料相比，用它来制造复杂的结构相对容易。研究最广泛的二维材料是石墨烯，这是由于其具有丰富的物理性质和高电子迁移率。但是，原始石墨烯不具有带隙，而带隙这一性质对于包括晶体管在内的许多应用都是必不可少的。设计石墨烯带隙会增加制造复杂性，或者将迁移率降低到应变硅膜的水平，或者需要高电压。尽管单层MoS₂具有1.8 eV的大固有带隙，但先前报道的在0.5-3 cm²·V^-1·s^-1范围内的迁移率对于实际设备而言仍然太低。此文中，作者使用氧化铪栅极电介质获得了超过200 cm²·V^-1·s^-1的室温单层MoS₂迁移率，接近石墨烯纳米带，并展示了电流开/关比为1×10⁸，待机功耗极低的室温晶体管。由于单层MoS₂具有直接的带隙，因此可用于构造带间隧场效应晶体管，与传统晶体管相比，其功耗更低。单层MoS₂还可以在需要薄透明半导体的应用中补充石墨烯，例如光电子学和能量收集领域。

Single-layer MoS₂ transistors. Nat. Nanotech. 6, 147–150 (2011).

https://doi.org/10.1038/nnano.2010.279.

5.Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides

该文2012年由美国麻省理工学院Michael S. Strano教授等人发表于Nature Nanotechnology。截至2021年2月17日，该文累计被引9,101次。

石墨烯的卓越性能引起了人们对具有独特电子和光学特性的二维无机材料的兴趣。过渡金属二卤化物 (TMDCs)是具有强平面内键合和弱平面外相互作用的层状材料，可剥落成具有单个晶胞厚度的二维单层。尽管研究者们已经对TMDCs进行了数十年的研究，但纳米级材料的表征和器件制造方面的最新进展为二维层状TMDCs在纳米电子学和光电子学中开辟了新的机遇。诸如MoS₂，MoSe₂，WS₂和WSe₂等TMDCs具有很大的带隙，可在单层中从间接改变为直接，从而可以用于诸如晶体管，光电探测器和电致发光器件之类的应用。此文中，作者回顾了TMDCs的历史发展，制备原子级TMDCs薄层的方法，TMDCs的电子和光学特性以及TMDCs在电子学和光电子学未来的发展前景。

Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides. Nat. Nanotech. 7, 699–712 (2012).

https://doi.org/10.1038/nnano.2012.193.

6.Superior thermal conductivity of single-layer graphene

该文2008年由美国加州大学河滨分校Alexander A. Balandin教授等人发表于Nano Letters。截至2021年2月17日，该文累计被引8,652次。

此文中，作者报道了借助共聚焦显微拉曼光谱进行的悬浮单层石墨烯中导热的首次实验研究。根据拉曼G峰值频率对激发激光功率的相对关系，作者计算出单层石墨烯的导热系数室温值高达5300 W/mK。极高的热导率值表明，石墨烯在热传导方面可以胜过碳纳米管（CNTs）。石墨烯的优异导热性能对于其可能的电子应用是有益的，并表明石墨烯可作为应用于热管理的优异材料。已发现的石墨烯出色的热学性能说明石墨烯可作为光电，光子学和生物工程学中的热管理材料，这拓宽了其应用范围。

Superior Thermal Conductivity of Single-Layer Graphene. Nano Lett. 8, 3, 902–907 (2008).

https://doi.org/10.1021/nl0731872.

7.One-dimensional nanostructures: Synthesis, characterization, and applications

该文在2003年由美国加州大学伯克利分校杨培东教授和华盛顿大学夏幼南教授等人发表于Advanced Materials。截至2021年2月17日，该文累计被引7,710次。

此文中，作者提供了对集中于一维 (1D)纳米结构，包括横向尺寸在1到100纳米之间的线、棒、带和管的研究工作的综述，并关注于使用化学方法相对大规模合成的1D纳米结构。作者首先概述了已被用来实现1D生长的合成策略，随后分为以下四个部分中来详细介绍这些方法：i) 由固体材料的晶体结构决定的各向异性生长； ii) 由各种模板限制和控制的各向异性生长； iii) 通过过饱和或通过使用适当的封端剂动力学控制的各向异性生长，以及iv) 尚未完全证实但在产生1D纳米结构方面具有长期潜力的新概念。随后作者讨论了用于生长各类重要异质结构纳米线的技术。最后，作者重点介绍了与不同类型的1D纳米结构相关的一系列独特属性（例如，热、机械、电子、光电、光学、非线性光学和场发射等）。本文还简要地讨论了许多潜在的方法，这些方法可用于将1D纳米结构组装到基于交叉开关连接以及复杂结构（例如2D和3D周期性晶格）的功能设备中。

One-dimensional nanostructures: Synthesis, characterization, and applications. Adv. Mater. 15, 5, 353–389 (2003).

https://doi.org/10.1002/adma.200390087.

8.Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets

该文在2008年由澳大利亚卧龙岗大学Gordon G. Wallace教授和Dan Li教授等人发表于Nature Nanotechnology。截至2021年2月17日，该文累计被引7,217次。

石墨烯纳米片具有非凡的电子，热和机械性能，并有望在各种领域得到应用。而开发大多数提议的石墨烯应用的先决条件是大量可加工的石墨烯纳米片的可用性。疏水性石墨或石墨烯片在不借助分散剂的情况下直接分散在水中通常被认为是一项不可克服的挑战。此文中，作者报道从石墨获得的化学转化的石墨烯片可以通过静电稳定作用轻易形成稳定的水性胶体，并能够开发一种简便的方法来大规模生产石墨烯水性分散液，而无需使用聚合物或表面活性剂稳定剂。 这一发现使得利用低成本的溶液加工技术加工石墨烯材料成为可能，从而为将这种独特的碳纳米结构用于许多技术应用提供了巨大的机会。

Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets. Nat. Nanotech. 3, 101–105 (2008).

https://doi.org/10.1038/nnano.2007.451.

9.Improved synthesis of graphene oxide

该文在2010年由美国莱斯大学James M. Tour教授等人发表于ACS Nano。截至2021年2月17日，该文累计被引7,031次。

此文描述了一种制备氧化石墨烯 (GO)的改进方法。目前，Hummers法 (KMnO₄, NaNO₃, H₂SO₄)是用于制备氧化石墨烯的最常用方法。我们发现不添加NaNO₃，增加KMnO₄的量，并在H₂SO₄/H₃PO₄的9:1混合物中进行反应，可以提高氧化过程的效率。与Hummers法或添加额外的KMnO₄的Hummers法相比，这种改进的方法可以得到更多的亲水性氧化石墨烯材料。而且，尽管用我们的方法生产的GO比用Hummers法制备的GO氧化程度更高，但是当两者都在同一腔室中用肼还原时，用这种新方法生产的化学转化石墨烯 (CCG) 与Hummers法制备的GO的电导率是相等的。与Hummers法相反，该新方法不会产生有毒气体，并且温度易于控制。这种改进的合成方法对于GO的大规模生产以及由后续CCG组成的器件的构造至关重要。

Improved Synthesis of Graphene Oxide. ACS Nano 4, 8, 4806–4814 (2010).

https://doi.org/10.1021/nn1006368.

10.Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices

该文在2005年由罗马萨皮恩扎大学Bruno Scrosati教授等人发表于Nature Materials。截至2021年2月17日，该文累计被引6,958次。

新材料是能源转换和存储方面取得根本进展的关键，而这对于应对全球变暖和化石燃料有限性的挑战至关重要。近年来，由于限制材料的尺寸所带来的不寻常的机械，电和光学性能，以及由于将整体性能与体积和表面性能结合在一起，纳米结构材料引起了人们的极大兴趣，纳米结构材料对于电化学储能也变得越来越重要。纳米材料作为各种储能设备中的电极和电解质能够提供特殊性能或者特性组合。 此文中，作者描述了一些用于锂电池，燃料电池和超级电容器的纳米电解质和纳米电极的最新进展，并突出描述了上述设备的材料设计过程中的纳米级的优缺点。

Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices. Nat. Mater. 4, 366–377 (2005).

https://doi.org/10.1038/nmat1368.

写在最后

通过总结21世纪材料类发文情况，我们可以发现21世纪是材料大爆发的时代。21世纪材料论文被引用次数Top 10的论文中，5篇与石墨烯相关，2篇与其他二维材料相关，2篇与能源存储相关。石墨烯无疑是21世纪材料中最闪耀的那颗星，石墨烯的研究热度也催生了对一系列其他二维材料的研究和应用，可以说21世纪的前二十年是二维材料称雄的二十年，而应对能源危机也同样是材料人们关注与奋斗的方向。相信21世纪的将来会有更多新材料涌现出来，助力人类奔向星辰大海。

本文由踏浪供稿。

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