光伏技术：从材料科学的沿革看冶金法多晶硅学科建立（一）

作者:上海普罗新能源有限公司董事长 史珺博士

冶金法多晶硅今年将诞生世界上第一个万吨级年产能的企业,采用的是上海普罗的PM法。目前测算的成本将低于10美元/公斤,这当然将是硅材料产业和光伏产业的一件大事。在冶金法多晶硅艰难而坚定地走向大规模产业化的同时，关于冶金法多晶硅的科学体系的建立也在紧锣密鼓地进行着,这与大规模工厂的建立有着同样重要的意义。冶金法多晶硅的科学体系当然属于硅材料科学体系，而硅材料科学是材料科学中一个非常重要的分支。中国冶金法多晶硅产业技术创新战略联盟正在酝酿申报973计划，许多高校和研究所的专家学者正在为此而紧张地工作着。在这里，笔者想回顾一下材料科学的创立过程，希望对冶金法多晶硅材料科学的体系建立有一些启发。


一、大学中的材料科学与工程

“名字代表什么？难道玫瑰叫了其它名字，它就闻不着香甜了？”

---- 《罗密欧与朱丽叶》，莎士比亚

世界上第一个把材料科学作为系名的，是位于美国Illlinois的西北大学。著名的材料科学家，Morris Fine原来在贝尔实验室做研究，1954年，他被邀请到西北大学冶金系开展一个研究生课程计划。在那里，他与Jack Frankel一起为本科生开了课。这门课的名字，是关于材料性能的。

到了1957年，Frankel撰写了一部《材料性能原理》，（Principles of the Properties of Materials）。1958年，2月，他们向负责学术的校长提交了一份题为《材料科学与工程的重要性》（The importance of Materials science and engineering）的备忘录。几个月后，这一建议得到校方高层的批准。

1958年12月，冶金系办公会议一致通过决定，将冶金研究生系（Graduate Department of Metallurgy）更名为材料科学研究生系（Graduate Department of Materials Science），大学与1959年1月同意了这一更名。

几乎同时，美国总统科学顾问委员会委托各大学去努力“建立一个新型的材料科学与工程”，并强调这需要政府的帮助。

英国国家的其它相关的系一直很慎重，如剑桥大学从“冶金系”逐渐变成“冶金与材料科学系”，最后才大胆地改为“材料科学与冶金系”。牛津大学更是不改其吹毛求疵的名声，使用复数词”materials”作为系名，起到了形容词的作用，将冶金系简单地变成了材料系（Department of Materials），有些大学也模仿它这样做。尽管一些有名望的冶金学家，如Robert F. Mehl，还努力保持正统的物理冶金学。

西北大学的材料科学系以其新颖且学科宽泛的本科生课程来教授材料科学与工程专业的研究生，这种做法很快遍及许多美国大学。到了1969年，美国大学中冶金系大约30%的名字中都包含了“材料科学”和“冶金”的组合。到1974年，根据说明MSE（Material Science and Engineering，材料科学与工程）现状的CODMAT报告，美国有大约90门与材料相关的学士学位课程，其中约60门得到承认。目前，美国已经很少有冶金学的存在，几乎都改成了MSE。

麻省理工从1967年将冶金改为冶金与材料科学，待凉的David Kingery，陶瓷学家。1974年改为“材料科学与工程”。

直到20世纪60年代，英国才出现材料课程。1962年北威尔士大学聘请了Robert Cahn作为第一位材料学教授，伯明翰大学的物理冶金系的Daniel Hanson教授将一直是定性的冶金学科的教学变得定量和严格。

以上，就是英美大学的材料科学的沿革，这也是世界材料科学的沿革。但这时，还有许多教授和科学家认为，材料科学只不过是将冶金学的名称变换了一下而已。就像莎士比亚在《罗密欧与朱丽叶》剧中，朱丽叶对玫瑰花的名称的评论一样。

二、产业中的材料科学与工程

“卑贱者最聪明，高贵者最愚蠢。”

----1958年5月18日，毛泽东在关于“鸭绿江一号”拖拉机生产制造的调查报告上作出的批示

在大学的材料科学与工程学科发展的同时，企业里也在积极研究着，而且，企业的研究工作，对于材料科学的发展起到了不可缺少的重要推进作用。

新泽西州的贝尔实验室的William Shockley研究小组和纽约州的Shenectady的通用电气公司实验室，很早就应用了MSE的思想。不过他们的工作不如ＧＥ公司做得系统。

通用电气公司实验室（GE Laboratory）在美国的产业研究历史中居于特殊地位。它从1900年起最初在化学家Willis Whitney的领导下，成为全美第一所产业部门实验室，而不是只作为一个工厂解决问题的附属品。GE公司著名的科学家William Coolige和Irving Langmuir（后者由于其在GE公司的工作而获得诺贝尔奖），通过完善白炽灯用韧性钨金属制造技术，使他们成为公司不可或缺的人物。 Langmuir还为认识均匀催化现象作出了重要贡献。一系列科研计划和有商业价值的发明发现一只在Schenectady 的实验室进行，很多都与材料有关。

1946年，一位具有远见卓识的冶金学家加入到这一实验室，以形成一个新的冶金研究小组。他就是J. H. Hollomon(1919~1985) 。他招募来的第一批研究者中，有David Turnbull，是一位物理化学工作者 。 Turnbull对他的卓越老板的评价是：“Hollomon当时还是一个26岁的症结的年轻人，但却是一个不同凡响的和有影响力的人物。他性情直率，有热心，非常自信，对新的小组的未来充满热情。他描述了金属对机械处理和热处理的难以理解的神奇反应，以及他为解决这些诸多问题而建立一个包括冶金学、应用力学、化学和物理学的交叉学科队伍的计划。他确信这些研究会导致设计和合成新材料的能力大幅度提高，而这些新材料具有重要的技术应用价值。他的观点是，设备的使用性能正在受到材料的局限，而非涉及上的局限。”

GE 公司内部给Hollomon的讣告中， Charles Bean评价道：“在这里，他曾经迅速地组织了一支多学科的队伍，致使冶金学从一门经验技艺变成一门给予物理学和化学原理的研究领域。”

Hollomon的时代思潮，加上他坚忍的能力与判断力，以及他一直坚持招募最好的研究人员加入其研究小组，在15年里带来了一系列与材料相关的重大技术革新，包括人造金刚石，高性能绝缘材料，真空电路断路器，基于辐照固体中蚀刻粒子轨迹的产品、聚碳酸酯塑料，特别是用于金属-0蒸汽灯的“卢卡洛克斯Lucalox”氧化铝外膜。后来Guy Suits 及其继任者Arthur Bueche对这些技术革新以及使他们成为可能所采取的措施进行了精湛和细致的描述。（1967）。

Hollomon概括了他自己提出的MSE的概念，这就是他进入GE公司几年后写的一篇短文的题目，文中说明了他想象中的材料科学工作者和材料工程师。当时在附近的Knolls原子能发电实验室的John Howe说，20世纪50年代，他经常与Hollomon讨论到“将宽泛的术语作为更为基础的概念的那样需求得到发展”，新的相关术语极有可能正是从这些在GE公司的讨论中演变而来。Hollomon的短文的结论是：“相关专业学会必须接受为激励和联合那些从事材料科学和材料工程的人们所建立的这一新秩序。我们甚至可能需要一个包括科学和工程分支的全美材料学会。冶金工程师将会变为材料工程师。源于冶金学，通过物理学，诞生了材料科学。”

GE公司实验室黄金时期的两位领导人Westbrook和Fleischer，最近为Hollomon出了一部著作，书中写道：“他是产业科学研究关联性和价值的英明的、有活力的、有效率的倡导者。”就像不少资深的科学家一样，随着他的年龄逐渐变老，Hollomon好像已经成为一位政治家，使关心他的人们要么成为热烈的拥护者，要么就是难以和解的反对者。

Hollomon在国家产业界的地位在1955年就得到认可，当时美国国家商会推荐他为全国青年十杰。7年之后，肯尼迪总统将Hollomon带入华盛顿作为商业部长的科技助理，在那里他的突出工作是建立了专利系统的总统委员会，以鼓励和解决技术革新中的各方面问题。他在回答问题中表现了他的科研背景：“什么是所谓的问题？90%的问题出自对问题的探索中。”

（未完待续）