光电材料十篇

光电材料篇1

关键词：电光源材料;科技进展;思考;

中图分类号：TU113.1 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-10-00-01

从八十年代我国的电光源材料的研究有了实质性的进展后，我国电光源材料的生产技术日渐提升，生产水平也越来越高。目前，各种封接材料、成型灯丝、稀土三基色光粉以及钨钼材料等已经基本可以满足社会发展的需求。

一、我国电光源材料的进展

经过几十年的发展，我国的照明工业已经具有一定的规模，电光源材料行业也进入了一个新的阶段。过去，我国电光源材料行业发展的方向是扩大生产。目前，我国电光源材料的发展重点是“三提高”。“三提高”具体是指，提高电光源行业的生产效率、提高电光源材料深度加工的技术、提高电光源材料的生产技术。我国电光源材料行业的发展已经取得了很大的进展，本文主要对灯用荧光粉、电子粉以及灯用泡壳材料的进展进行了详细的分析。

（一）灯用荧光粉

荧光粉可以发光，是一种固体物质。需要注意不是所有的光致发光材料都是灯用荧光粉，只有电光源所用到的材料才是灯用荧光粉。灯用荧光粉中应用较为广泛的材料是稀土荧光粉。稀土荧光粉的特色是应用了钆、铽、钇以及铕等高纯重稀土与高纯中稀土。在六十年代，人们高纯化了稀土氧化物后，医用荧光粉、灯用荧光粉等材料开始被人们所关注与应用。

一般的稀土荧光粉主要由红粉（60.0%Y2O3：Eu3+）、绿粉（30.0%CeMgAl10O19：Tb3+）以及蓝粉（10.0%BaMgAl10O17：Eu3+）三部分组成。灯用荧光粉的使用时间超过了5000.0h，显示指数在80到85之间，发光的效率在100.0lm/w左右。为了有效的减少应用成本，人们对绿粉进行了研究，得到了两种光效好、铽量少的绿粉。一种是（Ce、Gd）MgB5O10：Tb3+绿粉，还有一种是（La、Ce）PO3：Tb3+绿粉。其中（La、Ce）PO3：Tb3+绿粉的光的颜色有点偏黄，光的效果非常的好，且合成所需的温度相对较低。应用它不仅可以有效的减少应用成本，还可以减少绿粉中铽的含量，减少红粉的剂量。

当下，我国稀土绿粉与红粉的生产水平已经可以与世界先进的绿粉生产水平与红粉生产水平相媲美。另外我国生产的稀土绿粉与稀土红粉已经实现了大量出口。此外，我国在蓝粉方面的研究也得了一定的突破。无论是在分布上，还是在粒度与色度上，我国研究出来的铝酸盐蓝粉均达到了东京化学公司的水平。

（二）电子粉

节能灯阴极上的发射物（电子粉）的消耗过程其实就是节能灯的使用寿命。可以说，阴极上所激发的电子粉的剂量直接决定着节能灯的使用时间。当节能灯达到了使用寿命后，则表明节能灯阴极上的电子粉已经被完全消耗。

在以前，人们所用的电子粉的涂层较为松散，粒度较大。另外，它还含有很多的杂质，很容易出发脱粉情况。一直到八十年代中期，我国研制出来了三元共晶碳酸盐电子粉。此种电子粉具有使用寿命长、纯度高、颗粒细等特点。紧凑型荧光灯的使用时间已经可以达到八千小时以上，其所应用的电子粉主要有大功率特种类型、小功率特种类型以及普通类型这三种电子粉。另外，我国还研制出来了锆酸钡电子粉与六元碳酸盐电子粉。这两种电子粉可以在高压汞灯中应用，不仅具有较强的粘结性与发射性能，还不会出现端头变黑的情况。

（三）灯用泡壳材料

灯用泡壳材料的泡壳大多是透明的，主要有陶瓷、石英、玻璃三种类型。灯用泡壳材料在应用时，需要注意它的性能应与填充物质的性能相匹配。只有这样，灯用泡壳材料才能够完全承受住燃点时的化学活性、温度以及压力。最近二十多年，在光源玻璃方面，我国取得了很多的成绩。第一，不仅研究出了很多耐高温的透明陶瓷与石英材料，还研究出了低熔点玻璃材料。另外，我国光源玻璃行业的生产技术与规模与过去相比也有了很大的提高，已经可以对石英玻璃、铅玻璃以及钙玻璃进行大量的生产。在生产规模上，我国已经位于世界前列;第二，我国灯用泡壳材料的生产技术有了很大的提高。融化率与过去相比几乎提高了一倍，池炉的热消耗与过去相比降低了50.0%。

（四）芯片材料

LED是一种光学器件，主要应用了半导体P-N结电发光。不同半导体材料所激发的波长不一样，因此如果想要得到多种颜色的二极管可以选用不同的半导体材料。近些年来，随着科学技术的不断创新与发展，LED半导体照明材料均有了很大的改进，比如芯片材料。正装芯片是目前应用较为广泛的一种材料，是在蓝宝石图形衬底上所生长的一种LED材料。日亚公司通过提高材料质量，有效的改善了解决了大功率中正装芯片的应用限制。

二、对我国电光源材料的思考

虽然我国电光源材料与过以往相比，无论是在生产技术上，还是在生产数量上均有了惊人的进展，但与世界较先进的水平相较而言，还有很多地方需要改善。 我国照明业的发展受到了材料配套能力的限制。目前，我国照明业的发展水平与世界水平相比还存在很大的差距。第一，我国已经可以大量的生产耐高温、抗震动的特种钨丝材料，但其品种却较少。第二，玻璃厂很多，但符合节能灯与紧凑型荧光灯要求的厂子却很少。第三，透明陶瓷与半透明陶瓷材料的开发程度较低，需要加大力度来开发。第四，钼窄带与钨窄带可以用于硬玻璃的封接中。但两者的产量较少，目前还不能大量的供应。因此，应提高钼窄带和钨窄带的生产技术。

三、结语

电光源材料对社会的发展而言，具有非常重要的意义。目前，我国电光源材料行业的发展已经取得了一定的进展。电子粉材料、灯用荧光粉材料以及灯用泡壳材料的生产技术与过去相比均有了很大的提高，甚至有一些电光源材料的生产技术已经达到了世界先进的水平，但在产品的生产质量与产品的结构等方面还需改善。

参考文献：

[1]杨宇锋.我国电光源材料的科技进展[J].中国照明电器，2001（11）.

[2]光源与照明光学[J].中国光学与应用光学文摘，2002（03）.

光电材料篇2

卓越工程师计划的宗旨是储备一批战略工程人才，特别是能够适应战略性新兴产业特点的一线工程人才。卓越工程师人才培养目标应当明确定位到为什么样的企业输送什么样的人才。长三角地区的光电材料类新兴产业密集，相关工程人才需求量大。由此，本地区卓越工程师的培养应当重视为光电功能材料类战略性新兴产业提供人才储备。在信息社会高速发展的今天，社会关系错综复杂，大学生也常常会走冤枉路，偏离专业的轨道。为鼓励大学生就读光电功能材料专业，政府应当从顶层政策设计上着手统筹，如适当加大教育投入，以用于光电材料类的本科教学、提供相应工程实践和培训机会等。在大学教育层面，笔者认为可以兴趣带动大学生求知的主观能动性，将课堂教学与光电产业实际应用结合起来，通过工程类前沿课程的开设和实践，让学生充分感受到学以致用的乐趣，建立光电功能材料专业在本地区就业的优势。在避免照本宣科的同时，要让光电材料类专业的大学生从内心认可这个专业，愿意坚守本地区行业发展的前沿。

二、以行业标准为准绳，培养专门化工程人才

光电功能材料发展迅猛，新技术、新工艺层出不穷。现代大学生求知欲强、可塑性高，这为培养光电功能材料的创新型人才提供了条件。结合行业发展特色和大学生成长的特点，培养一批具有行业认证资质的卓越工程师将为光电功能材料战略性新兴产业发展打下坚实基础。因此，光电材料类卓越工程师的培养应从低年级大学生开始，要以学科型社团活动、学科技能训练、大学生科技创新、工程技能竞赛等为主要载体，逐步渗透光电产业需求，为在校大学生奠定工程化专业素养的基础。到了高年级阶段，大量光电材料类专业知识充实课堂，大学生有更多机会接触光电材料专业，了解光电材料的实际应用。在深化专业知识学习的同时，要鼓励大学生紧扣光电功能材料的发展需求，以行业为依托，考取光电材料工程师、技术员、材料研发师等光电材料类职业技能证书，获得相关技能许可，力争在毕业伊始就具备直接上岗的能力。培养出一批上手快、业务精的一线工程师，可以大大提升光电功能材料类企业的用人效率，降低成本。

三、以企业实践为补充，推进校企联合双轨制人才定制培养

战略性新兴产业卓越工程师的培养，归根结底是为了给本地区战略性新兴企业提供必要的人才。而传统教学模式的弊端在于与企业需要脱节。在光电功能材料行业迅猛发展的大背景下，这样的矛盾更为突出。推进校企联合双轨制教学与实践，将光电功能材料卓越工程师的培养融入校企协同培育的大平台，实现为企业培养光电材料类卓越工程师，是解决这个矛盾的方案之一。具体而言，在校企双轨制教学实践中，企业方应当选派经验丰富的技术和管理人员参与教学大纲、专业实践环节等人才培养计划的制订，参与毕业设计(论文)指导，定期为本科生讲授光电材料类企业在产品研发、实际生产、工程运作等环节的知识，让大学生体会生产、销售的综合性与复杂性。高校应当选派具有实践经验的教师带领学生进驻企业，参与光电功能材料企业的工业化生产甚至顶岗实习。教师通过现场指导，让学生将书本理论与生产实践结合起来，使学生更好地认识和检验企业工程师在校讲授的内容。校企双轨制工程实践教学能优化配置校企资源，体现双方的优势，有助于光电功能材料卓越工程师的培养。

综上所述，战略性新兴产业卓越工程师的培养应当立足本地区新兴产业，强化工程能力和创新能力的培养，鼓励学生参加社会考证和行业认证，践行校企联合双轨制教学。这样才能为本地区战略性新兴产业打造一批上手快、业务精的卓越工程师，才能更好地服务我国产业结构转型，提升光电功能材料战略性新兴产业的核心竞争力。

作者:周鼎 王占勇 徐家跃 单位:上海应用技术大学材料科学与工程学院

参考文献:

［1］李晓强，孔寒冰，王沛民．部署新世纪的工程教育行动———兼评美国“2020工程师”《行动报告》［J］．高等工程教育研究，2006(4):14－18．

光电材料篇3

关键词：光电材料实验 教学改革 双师型团队

中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（a）-0081-02

“光电材料实验”是材料物理和光电材料专业的实践教学课程，也是一门实用性强、动手能力高的课程。该课程主要培养学生掌握专业实验相关的基本技术和方法、性能检测的方法和标准，培养学生的实际动手能力，以及培养学生严谨的科学作风[1-2]。通过实验加深学生对所学课程的理解，以及分析问题和解决问题的能力，巩固和加强对有关专业理论的理解，使理论教学与实践教学有机地结合。在以往的教学中，由于该实验涉及的光电器件原理较难，如LED、人工晶体、太阳能电池等，要求学生在掌握理论的基础上再动手操作，造成理论教学时间长、实验操作时间短的特点，导致学生对该课程兴趣点降低，教学效果低下。笔者从近年的教学实践中深刻体会到，增加学生的兴趣点、把专业的知识深入浅出，分享自己的科研实践经验，促进学生主动学习，向往进步，体会到该门课程的重要性，从而激发学生的主观能动性，培养学生的动手能力、思考能力及创新意识。鉴于此，笔者认为从以下几个方面对光电实验课程进行改革能有效提高教学质量：（1）课程架构联系生活，提高学生兴趣，乐于思考，学以致用；（2）实验内容联系科研，聚焦实验过程，崇尚科学，深化知识；（3）引进“双师型”团队参与教学，适应新常态，弥补教学短板。

1 教学方法改革

1.1 课程联系生活

知识源于生活，科技源于自然。感悟蕴含的规律，培养学生观察和思考的能力。如翠鸟与子弹头列车，鲨鱼皮和减阻涂层，壁虎足与攀爬技术，植物光合作用与CO2环保等，每当我们留意生活，原来专业学习与之密切相关。看到路灯，原来供电系统竟然是深蓝色的太阳能电池板，灯泡变成了新型LED，这些其实就是光电材料实验所设计的课程内容，每当给学生介绍课程时，笔者都会联系生活来增加学生的兴趣，从而激发学生动手的动力――原来自己也能做出专业的器件。课程中涉及器件的基本原理和构造部分，笔者会演示PPT和实物，其实生活中已经见过，复杂的基本原理往往被拆解成几个部分来讲解，这样深入浅出，学生更愿意接受知识[3]。如对于LED的制备环节，笔者会将一个灯泡拆成两个大部分――芯片和荧光粉，而每一个部分都是不同的物理原理，电致发光的芯片是发射蓝光的，光致发光的荧光粉是发射白光的，整个器件的封装将会用到点胶机，这样的环节更加生动，也更容易掌握。

1.2 鼓励组团实验

实验课的一个显著特点是以学生为主体，学生自始至终处于主动地位[4-5]，而团队的相互学习和督促显得尤为重要，为此，该课程主要采用的是4人一组，协作完成各自的任务。但是，每个人的实验内容是不同的，环环相扣，这样可充分培养学生的独立动手和团结协作的能力，共同完成实验内容。如在太阳能电池的制作环节，实验内容包括4个步骤：二氧化钛粉体的预处理；二氧化碳浆料的刮涂；电池的封装及光电性能测试。分别由4名同学分别完成，但最终器件的性能优良和每个人都分不开。实践表明，这种分组教学模式，既充分培养了学生个人的动手能力，又能较好地激发学生的学习热情，并且组员之间分工协作、互学互助，学生的沟通能力得到很大的提升。

1.3 科技前沿促进实验

应用是教学之本，在应用技术转型的大背景下，笔者学校拟将学生培养成具有实用性的应用技术人才[6]。同时应加强前沿学术和课程实验的匹配度，让学生了解科技前沿，掌握科技知识，用科技手段服务企业[7-8]。笔者对每一个实验的设定都是理论联系实际的，不仅将前沿的进展进行展示、分析，还将个人的专业技能予以分享，让学生了解科研和技术的协同性。该课程实验建立从材料制备到器件制作的过程，注重实验过程，去繁就简，让学生真正掌握知识，提高个人竞争力。如在指导制备LED器件实验时，不仅要介绍光电二极管的鼻祖是诺贝尔奖获得者中村修二，还要教会学生去查阅最新文献，了解LED的发展趋势，指导学生未来的就业选择。

2 教学手段改革

建设双师型团队，将实际问题转化为研究项目，与企业紧密结合实施校企协同创新，服务本土，开创校企合作培养学生创新能力新途径。实验教学团队是为了共同的人才培养目标和实验教学任务组合的教学群体，是教学的实施者，也是质量的保证者。在实验教学队伍建设上，按照“用好现有的人，引进急需的人”的建设思路[9]，坚持专职与兼职相结合，学校与企业相结合，通过各种途径提高教师的实践能力和教学水平，将企业技术人员引入学校担任兼职教师。在课程建设上，采用双导师制，项目面向校内和企业，使学校与企业实现实质性融合，构建了科学的双师型师资队伍培养机制。同时修订了《应用型本科材料物理专业转型发展方案》，为培养应用型人才，提高学生的实践能力，奠定良好基础。

3 结语

光电产业是21世纪最具发展前景的朝阳产业之一，光电材料研发与制造则是整个光电产业的基础和先导。高校亟需向这些企业输送大量熟悉光电材料的一线工程师人才，而该课程则是培育光电材料人才的重点课程之一。让学生成为专业人才，还有很长的路要走，但通过课程改革可以促进专业发展，让学生养成勤思考、勤动手的好习惯，为将来的就业做好良好的基础。笔者愿不断探索教学改革，积极发挥实验教学对高素质、创新人才培养的作用。

参考文献

[1] 肖雪春，王毓德.材料类无机及分析化学实验教学改革实践 [J].实验科学技术，2016，14（1）：153-157.

[2] 张士磊，孟昕元.创新实践型人才培养的实验教学改革与探索[J].实验科学技术，2014，12（1）：149-152.

[3] 金双玲，张睿，金鸣林.复合材料原理课程教学改革思路探讨 [J].科技资讯，2015（24）：149-150.

[4] 卢秀霞.高校人才培养模式与实验教学改革的探索[J].科教文汇，2015（302）：40-42.

[5] 夏静萍，王瑛.工程专业认证背景下的自动控制原理实验教学改革与实践[J].实验技术与管理，2016，33（2）：159-161.

[6] 高来勖，付丽，艾春鹏，等.光电专业实验教学改革研究[J].黑龙江教育理论与实践，2015（3）：71-72.

[7] 刘宏达，马忠丽，路勇，等.将科研成果引入本科教学实践环节的探索[J].实验技术与管理，2016，33（7）：14-19.

光电材料篇4

例1 小明想在家里悬挂一面大镜子，便于家里三人梳妆、换衣时都能站着看清自己的全身，他的妈妈身高160cm，他的爸爸身高176cm，他自己身高168cm。且人眼到头顶的竖直距离为身高的1/10。请你帮他设计一个最节省的方案。

解析 要满足全家人的需求，就必须以身高最高的人进行设计，即小明的爸爸身高176cm，根据人眼到头顶的竖直距离为身高的1/10，则她的眼睛到头顶的距离为17.6cm。同时，要看到自己的全身像必须使得头顶与脚尖发出的光线经过平面镜反射后都能到达眼睛。利用平面镜成像的对称性和反射定律，可作出图1所示光路图。人身高的标点A、B和人眼O点组成一个三角形，由对称性可知平面镜CD是ABO的中位线，所以平面镜CD的长度只需要人身高的一半，即88cm。同理可得C点距头顶的竖直距离为8.8cm。

例2 在图2所示中，S是发光点，S′是发光点经凸透镜所成的像，虚线为主光轴，是作图确定凸透镜的位置及其焦点位置。

解析 根据凸透镜成像规律，过光心的光线不改变方向，平行于主光轴的光线过透镜后过焦点，过焦点的光线经透镜后平行于主光轴；经过透镜后的光线的交点就是实像，经过透镜后的光线的反向延长线的交点就是虚像。因此，如图3所示，首先连接S和S′，延长线与主光轴的交点O就是凸透镜的位置，过O点作出凸透镜，然后作S发出的平行与主光轴的光线，此光线与凸透镜与S′连接起来，其延长线就是平行光线过透镜后的光线，则与主光轴的交点就是凸透镜的焦点F，利用焦点的对称性可作出凸透镜左侧的焦点F。

例3 两条通电直导线AB、CD互相平行，又互相靠近，通入相同方向的电流时，彼此之间的相互作用力是怎样的？如果通过的是相反的电流时，相互作用力又是怎样的？

解析 方法一：通电导线之间的相互作用力，实质上是两根直导线各自形成的磁场之间的作用。根据安培定则判断AB和CD通电直导线产生的磁场方向如图4甲所示，在相互靠近的区域，两直导线产生的磁场方向相反，所以两直导线是相互吸引。如果两直导线通过相反的电流时，AB、CD通电直导线产生的磁场如图4乙所示，在相互靠近区域两磁场的方向相同，所以两直导线是相互排斥。

方法二：把两直导线的相互作用看作是磁场对电流作用的问题。把CD直导线看作是放置于AB直导线产生的磁场中受力的问题，根据安培定则判断AB通电直导线在左右两边区域产生的磁场方向如图所示，CD直导线放置在AB直导线的右边区域，根据左手定则可以判断CD直导线受磁场力的方向，如图5甲所示。同样道理也可以判断AB直到线在CD直导线产生磁场中受到磁场力的方向，如图5乙所示。所以通入同方向电流时，两直导线是相互吸引的。通过相反方向的电流时，如图5丙所示，相互作用是相互排斥的。

例4 如图6所示，弹簧秤下吊一条形磁铁，磁铁N极在上端，S极在下端。闭合开关S弹簧秤示数减小，当向右滑动变阻器的滑片P时，弹簧秤的示数进一步减小，则电源的极性和变阻器应接入的接线柱是：（ ）

A．电源左端为正极，接线柱应接B、C。

B．电源左端为正极，接线柱应接A、C。

C．电源左端为负极，接线柱应接B、D。

D．电源左端为负极，接线柱应接A、B。

解析 闭合开关S使电路接通，电磁铁具有磁性，对上方的条形磁铁有磁力的作用。条形磁铁在竖直方向上受到三个力的作用：重力、磁力和弹簧秤的拉力。

由于闭合开关S后，弹簧秤的示数减小，表明条形磁铁受到的磁力是斥力的作用，电磁铁的上端一定与条形磁铁下端极性相同都为S极。利用右手螺旋定则可以判定螺线管中电流方向如图7所示。由于电流总是从电源正极流出，然后回到负极。所以可以判断电源的右端为正极，左端为负极。

当变阻器的滑片P向右滑动时，弹簧秤的示数又减小，表明条形磁铁受到螺线管上端S极的斥力增大，螺线管磁性增强。在线圈匝数没有改变的情况下，一定是通过螺线管的电流增大，其原因是电路中电阻变小，即变阻器连入电路中的电阻变小，连入电路部分的长度变短。根据变阻器的示意图，在滑片P向右滑动时，连入电路部分的长度变短，应接入的接线柱只能是B、C或是B、D。

所以本题的答案应选C。

例5 如图8所示，EF、GH是两根水平放置的光滑金属导轨，在导轨放置的区域内有磁场存在，磁感线方向垂直于纸面向内。AB、CD为导轨上滑动的金属棒。当AB在外力作用下向右运动时，CD将怎样运动？为什么？

解析 当金属棒AB在外力作用下向右运动时，由于切割磁感线，AB中将有感应电流产生。根据右手定则判断，感应电流的方向由B向A。感应电流经导轨流入金属棒CD，CD为通电导线，它在磁场中受到磁场力的作用，磁场力作用的方向用左手定则判断可知指向右方。CD在这个磁场力的作用下向右运动。

例6 在图9所示的电路中，电源两端电压保持不变，R0为半导体热敏电阻，R1、R2和R3为普通电阻，除了热敏电阻以外，其他电阻均不受温度的影响，那么当环境温度升高后，有关电表的示数，下列说法正确的是（ ）

A.A增大，V1增大，V2增大。

B.A增大，V1减小，V2增大。

C.A减小，V1增大，V2增大。

D.A减小，V1减小，V2增大。

解析 因为半导体具有热敏特性、光敏特性和掺杂特性。热敏性是半导体的导电性能随温度升高而显著提高，即温度越高电阻率越小；光敏特性是有些半导体受到光照时电阻大大减小；掺杂特性是在纯净的半导体中掺入微量的杂质可使半导体导电性能提高许多。所以四个电阻串联后接在电源两端，当环境温度升高，半导体热敏电阻R。的阻值减小，电路中总电阻减小，电流增大，所以电流表A的示数增大；通过R1的电流增大,R1两端的电压增大，电压表V2的示数增大；电路电流增大,R3两端的电压增大，所以电压表V1的示数减小。

例7 超导材料电阻降为零的温度称为临界温度，1987年我国科学家制成了临界温度为90K的高温超导材料。若利用超导材料具有零电阻的性质，可实现无损耗输电。现有一直流电路，输电线总电阻为4Ω，输入电压为220V,用户用电器电阻为16Ω。如果用临界温度以下的超导体代替原来的输电线，用户得到的电压升高多少？

解析 用输电线供电，电流

I1=UR1+R2=2204+16A=11A。

用户用电器电压为

U1= I1R2=11A×16Ω=176V。

用超导材料输电，线路上无电压损耗，

U2=220V。

所以用户用电电压可升高

ΔU=U2－U1=(220－176)V=44V。

例8 目前已建成的核电站都是利用（ ）

A．物质的氧化反应产生的能量来发电。

B．物质的还原反应产生的能量来发电。

C．核裂变的链式反应产生的能量来发电。

D．核聚变的链式反应产生的能量来发电。

解析 本题主要考查学生对新型能源的了解，譬如：太阳能、核能、地热能、潮汐能和风能，这些能源如何才能被人类利用的简单原理。所以根据目前人类利用核裂变的链式反应产生的能量来发电，则选择C。

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例9 如图10所示，直流电机提升重物，重物的质量m=50kg，电源供电电压为110V,不计各处摩擦，当电动机以v=0.90m/s的恒定速度向上提升重物时，电路电流为5A，则电动机线圈的电阻多大？（g取10N/kg）

解析 由题意得愉入电动机的功率

P=UI=110V×5A=550W。

电动机提升重物，克服重力做功的功率

P1=mgv=50×10×0.90W=450W。

所以电动机线圈上消耗的热功率

P2=P－P1=(550-450)W=100W，

而P2＝I2R，

所以R=P2/I2=100/52=4Ω。

二、对应训练

1.下列射线中，呈中性的是( )

A．α射线。B．β射线。

C．γ射线。D．阴极射线。

2．下列几种发电所用能源不是来自地球以外的是（ ）

A．火力发电。 B．风力发电。

C.原子能发电。 D.水力发电。

3、常温下的超导体能研制成功，它适于做以下哪些元件（ ）

A.保险丝。B.输电线。

C.电炉丝。D.电磁铁。

4．关于磁现象的电本质，正确的说法是（ ）

A．一切磁现象都起源于电流或运动电荷，一切磁作用都是电流或运动电荷之间通过磁场而发生的相互作用。

B．除永久磁铁外，一切磁场都是由运动电荷或电流产生的。

C．根据安培的分子环电流假说，在外界磁场作用下，物体内部分子电流取向变得大致相同时，物体就被磁化，两端形成磁极。

D．磁就是电，电就是磁，有磁必有电，有电必有磁。

5、关于镜面反射和漫反射，下面说法中不正确的是（ ）

A.无论镜面反射还是漫反射，对应一条入射光线，只有一条反射光线。

B.镜面反射的每一条光线都遵循光的反射规律。

C.漫反射中有些光线不遵循光的反射规律。

D.入射光线彼此平行时，漫反射后的反射光线彼此不平行。

6、超导研究是当今高科技的热点之一，对超导材料的研制与开发是一项重大的科研课题。当一块磁体靠近超导体时，超导体中将产生强大的电流，其主要原因是（ ）

A.超导体的电阻为零。

B.超导体的电阻很大。

C.穿过超导体的磁通量很大。

D.穿过超导体的磁通量很小。

7．一个可自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘垂直放置，且两个圆线圈的圆心重合，当两线圈通过如图11所示方向的电流时，则从左向右看，线圈L1将：（ ）

A．不动。

B．顺时针转动。

C．逆时针转动。

D．向纸外平动。

8．下列四过程中，能够正确接收电磁波的过程是( )

A．接收天线、调谐器、检波器、耳机。

B．接收天线、检波器、调谐器、耳机。

C．调谐器、接收天线、检波器、耳机。

D．耳机、调谐器、检波器、接收天线。

9、一束光线与平面镜成30°角入射到平面镜上，当平面镜转动20°时，反射光线与入射光线的角为（ ）

A.80°。 B.160°。 C.140°。 D.80°或160°。

10、关于地球同步卫星的下列说法中，正确的是( )

A．同步卫星绕地球转动的周期和地球自转的周期一样。

B.同步卫星可作为转播微波的中转站。

C.同步卫星的速度与电磁波的传播速度相同。

D．要使世界上任何一个地方的电视节目都可以传送到全世界，至少要有三颗同步卫星。

11、关于能源和能源的利用，下列说法不正确的是（ ）

A.由于我国煤和石油储量丰富，所以太阳能和核能的开发在我国并不十分重要。

B.能源的利用过程，实质上是能的转化和传递过程。

C.现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气。

D.煤、石油和天然气的化学能归根到底是来自太阳能。

12、下列关于超导体的说法中，正确的是（ ）

A.温度降到4.2℃，导体就能转变为超导体。

B.超导体的电阻很小。

C.导体的温度很高，就能变为超导体，叫高温超导。

D.电流在超导体中传输时不发热。

13、物体从距凸透镜12cm处移动到距凸透镜20cm处，调整光屏的位置，总能在光屏上得到倒立放大的像，由此可知次凸透镜的焦距可能是（ ）

A.9cm。B.11cm。

C.13cm。D.15cm。

14．如图12所示，当导线MN在外力的作用下沿导轨向右运动时流过R的电流方向是：（ ）

A．由B流向A。

B．由A流向B。

C．无感应电流。

D．无法确定。

15．如图13所示，a是螺线管，b、c、d是三个小磁针，开关S闭合后，下面说法中错误的是：（ ）

A．a的左端为S极。 B．c的左端为S极。

C．b的右端为N极。 D．d的右端为N极。

16．如图14所示，小圆圈代表闭合电路的一部分导体的横截面，导体中的感应电流方向垂直于纸面向外，那么导体运动的方向是（ ）

A．向左。 B．向右。

C．向上。 D．向下。

17．在下列的家用电器中，应用直流电动机工作的是（ ）

A．电烫斗。B．电冰箱。

C．电吹风。D．电动剃须刀。

18．质量为m的导体棒用绝缘细线悬挂在匀强磁场中，如图15所示，欲使悬线对导体棒的拉力为零，则导体棒中应通过电流的方向为_____，导线受到的磁场力大小为______。

19．如图16所示，当给圆环通电时，与其共面且在正下方的小磁针S极转向读者，则圆环中的电流方向是________（填顺时针或逆时针），圆环中小磁针的______极转向读者。

20．用细导线悬挂起来的轻质导电圆环和条形磁铁共面，当导电圆环通以如图17所示的电流时，导线环将如何运动？

21．小华利用自己绕制的电磁铁设计了一个能使甲、乙两灯交替发光的电路，电磁铁及电路图如图18甲所示。你认为在开关闭合后实际会看到什么现象？请把改正后的电磁铁及电路画在图18乙的空白处。（A、B为带活动触点的接线柱，BC间为铁片）

22．A、B两电阻的U-I关系图像如图19所示。从图中，求出A、B导体的电阻分别是多大？若两个电阻串联。求它们消耗的电功率之比。若两电阻并联，求通过两电阻的电流之比。

23．某家庭电度表盘上标有“220V、10A”，他家想装一个无水箱式电热淋浴器。从喷头里流出热水供淋浴。已知冷水温度为16℃，淋浴所需的热水温度为41℃，每分钟要供水4L。请你用几种方法来分析能不能安装这个无水箱式电热淋浴器。

光电材料篇5

我经过湘潭大学党校第38期学生入党积极分子骨干培训班的学习，获得了许多宝贵的经验，现将本人的经历和感触向党组织汇报。

最近一段时间，因为工作繁忙、学习枯燥及一些事情的不尽人意，使得我无法准确地找准自己的目标，生活上经历了一次痛苦的蜕变过程，直到5月13日晚参加骨干班培训。

我是一个不安现状的人，从进入大学那一天开始，我就开始参加各种学生活动，也曾不断地取得成绩。但是最近一段时间来，学生组织的工作日渐繁杂，甚至因为一些事务处理不及时，我在受到批评后感觉很委屈，产生了厌倦的情绪、打退堂鼓的想法;加上我从小到大我的物理成绩都是最差的，偏偏进入大学后一直是被迫地学习，因此对所学专业极其不感兴趣。但是，一转眼大二第二期即将结束，我看着厚厚的教材和即将来临的考试，恐惧又一次来临，并处在极其消极和困惑的状态中。

幸运的是，我及时进入党校学习，第一堂课是校党委组织部部长刘建平教授主讲的。对我来说，这是一堂别开生面的党课，刘老师以《加强党的执政能力建设，提高自身综合素质》为题，没有泛泛而论，而是站在学生的角度讲解：为了提高党的执政能力，党对党内人士和积极向组织靠拢的人大力培养，帮助其不断提高个人综合素质。我一听，顿时精神一振：作为当代大学生，作为一名强烈要求进步、积极向党组织靠拢的大学生，我们的确应该在我们所面临的不利环境中坚强地接受磨练，不断提高我们应付各种事件的应变能力，不断提高我们面对各种不利环境的心理承受能力，不断提高我们的学习、工作能力。骨干班培训是一次如此催人奋进的学习，我想我终于又可以做回一个自信的我了。

是啊，不论我现在的环境怎样，不论我现在的专业怎样，至少，我应该采取积极的态度，去适应我的环境，去学好我的专业。想当年，中国***能在那个战火纷飞、孤军奋战的年代里成长起来，我为什么不能在一个和平美满而有良好条件的环境里进步?正如刘教授所说：“不是社会来适应你，而是你去适应社会。”我想，作为一名入党积极分子，这一点我已经明白，我要在以后的日子里扎扎实实付诸行动。

目前，中国***要不断提高五种能力：驾驭社会主义市场经济能力，发展社会主义民主政治能力，建设社会主义先进文化能力，构建社会主义和谐社会能力，应对国际局势和处理国际事务能力。作为我，一名正在接受党的严格教育的学生，我能做的就是认认真真学好专业知识，提升专业技能，多参加实践活动，掌握各种基本能力，发展自己处理重大事件的能力，因为我的目标是成为一名党的可靠接班人。

通过党的教育，我发现我的主观世界不断改造，心理素质不断加强。我觉得目前的我应做好以下几点：第一、应该尽快地吸收党的理论知识，自觉加强党性修养，提高我对当代大学生和当前社会环境的正确认识;第二、应该学会在工作、学习和生活中学会自我调节，前一段时间我不满现状，并企图通过逃避的办法来解决问题，这是一种情绪化的表现，任其发展，只能使自己的各项能力不但得不到进步，反而会退步。现在我已经明白，我必须按照一个***员的标准严格自我要求，用一个***员的坚强意志来改善自己的环境，让自己更快更好地成长;第三，我很喜欢刘老师讲的一句话：一个人要有本事，但没有脾气，这是为人的最高境界。以前我只是有过一些朦朦胧胧的感触，直到这次听讲，我豁然大悟，如遇知音。但我想要一下子达到这个境界实在太难，我只有通过不断地学习和锻炼，才能有所体悟和进步。在我入党之前，我要尽力把自己的办事态度“修炼”到这一境界。 1 2

我能让自己学习好、思想好，并不断地学习知识，不断地修身养性，陶冶情操，但这并不代表我的“工作”已经完成。追求之路无止境，修身之路无止境，我离党的要求还很远。慢慢地，我必须让自己从凡事从自己出发的角色替换到凡事从党、从大局、从人民、从整个社会发展的角色。沧南教授讲得好，这是一个艰难的过程，有些党员经历了一辈子的修养，仍有功亏一篑的。从我来说，我在接受严格考验的同时，会不断地接受批评并自我检讨，会敢于做真事讲真话，敢于暴露自己的错误思想，我会警惕旧思想、错误思想地反复出现，向“立德、立功、立言”的崇高境界努力奋斗、勤奋攀登!

写到这里，我的心情已经开朗、平静，所有烦恼早已被抛到九霄云外，所有不快不知不觉消失。我知道我已经来到康庄大道的路口，只要我努力，我一定能成为一名合格的***员。

最后，我知道，再多美丽的话语都不过是一瞬间的激情，我一定会在实践中严格要求自己，不断进步。时代以奉献为荣，进步以参与为时尚，我一定会全身心地投入，不让考验我的组织和老师失望!

以上是我听完党课后的一些想法，话不一定全对，但我认为，人的进步总有一个过程，而我至少有了这个开始，我会好好遵循这个规律，学好，工作好，思想好，一切都会好。从上党课到现在的这一个月，我感觉我又进步了，我已经能很平静地处理我的学习和工作。我想只要我继续努力，我还会进步。感谢党组织和老师们给了我这么多，谢谢!

此致

敬礼

光电材料篇6

关键词：新型光学薄膜 玻璃 材料设计 制备技术

中图分类号：TQ171 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（a）-0058-02

当前是一个经济全球化的时代，玻璃材料行业的发展要与时俱进，跟上时代前进的脚步。玻璃作为人们日常生活中经常见到的重要材料，被广泛应用在各个行业领域中，发挥着重要的作用。随着时间的不断推移，现代玻璃产品的材料功能变得越来越多样化，新型玻璃材料功能不仅仅能够满足市场材料的基本透光性，还可以保障材料的环保节能性。基于生物技术、电子技术、通信技术等新兴技术的创新发展背景下，市场不同行业对于玻璃材料性能要求也随之发生变化，新型光学薄膜玻璃材料的设计制备已经成为了玻璃行业的主要发展趋势之一。

1 光学薄膜玻璃材料的设计技术

1.1 建立完善的材料知识库和数据库技术

当前全球玻璃材料数据库不断向着智能化、网络化以及商业化的方向发展。比如，智能化技术的发展有效实现将材料数据库成功转化为专家系统；计算机网络则是把相互之间独立存在的数据库通过网络形式形成一个统一系统。应用材料数据知识库设计玻璃材料的典型例子，就是日本金属协会成员三岛良绩等人有效创建出计算机辅助合金设计系统，利用该系统去创新研发新型玻璃材料。现代玻璃薄膜行业已经形成了部级的标准组织，该组织专门去收集整理来自世界各地的玻璃样品数据，从而为整个行业提供相关优质服务[1]。

1.2 计算机仿真技术在光学薄膜玻璃材料设计中的应用

材料企业通过科学应用计算机仿真模拟技术，能够有效开发出各种材料合成路线，帮助企业获取想要的目标材料，这样有利于设计人员去充分掌握了解到这些材料的具体结构，是当前设计光学薄膜玻璃材料最为有效的方法之一。

2 光学薄膜材料设计在玻璃材料领域的应用

2.1 玻璃性能、成分以及结构设计预测

设计工作人员通过使用先进的材料设计软件，能够合理改变玻璃材料成分和结构，从而控制其性能，随时可以获取到自身想要的玻璃材料，比如，J.De Bonfils等人应用分子动力学方法准确推算出了掺杂Eu3+的硼硅酸盐玻璃结构，同时还预测出了其荧光光谱。同样，在设计光学薄膜玻璃材料时，工作人员也可以使用材料设计软件去改变玻璃成分，计算出光学玻璃的实际结构特性。

2.2 玻璃光学膜材料的设计和性能预测

相关工作人员可以通过利用材料设计方法有效开发设计出不同功能的玻璃新膜层材料，当前玻璃材料研究人员已经在窗玻璃表层涂抹光电薄膜材料，这样不仅能够确保玻璃的透光功能，还实现了新的发电功能。根据相关研究机构的掺杂过渡族元素离子半径对SnO2薄膜光学性能影响实验结果显示，掺杂后的薄膜体系更为稳定，并且SnO2显现出了不同光学性质，能够被设计人员用来开发出新的产品性能[2]。

3 新型光学薄膜玻璃材料的制备技术

3.1 溅射制备技术

溅射法技术作为传统刚学薄膜材料制备技术，其工作原理是使剩余气体分子在强电场作用下发生电离，电离释放的正离子在电场作用下向阴极反向作高速运动，成功击到阴极表面后，将自身能量传递给位于阴极表面上的溅射靶子，只是靶子表面分子淀积在基体上形成制备人员所需要的薄膜。相较于一般的阴极溅射法不同，新的高频溅射法通过在两极之间融入高频电压，促使上半周吸附于极面的电荷在下半周时开始释放。高频溅射法被广泛用来淀积各种电介质材料，此膜结构较为紧密，被普遍用来制备光学膜。

3.2 电阻加热蒸发技术

材料市场中大多数的化合物材料往往只能通过使用间接蒸发的方式。工作人员通过使用一个装有并加热材料的蒸发源。合理蒸发源主要包括了三个不同要求：蒸发源材料与薄膜材料的反应、蒸发源材料的蒸气压和熔点以及薄膜材料的湿润性。其中最为常用的方法是通过使用高熔点的材料当做加热器，其相当于一个电阻，在电力流过后产生热量，电阻率会开始慢慢增加，当温度达到1 000 ℃时蒸发源的电阻率为冷却时的4～5倍，加热器产生的焦耳热足以使蒸发材料的分子或者原子获取充足的动能而发生蒸发现象。电阻加热蒸发制备技术的优势在于制备设备简单、易操作，可以有效实现薄膜玻璃材料的淀积过程自动化，缺点在于很难避免蒸发源对膜料造成污染[3]。

3.3 电子枪式技术

电子枪式制备技术的工作原理是当金属处于高温状态时，其内部存在一些电力由于获得充足能量而释放出工作过程，这就是热电子发射现象，只要通过向其施加一定的电场，电子在电场中会向阳极方向发生移动，高度运动状态下的电子流在电磁场作用下，会主动形成细束轰击被镀材料表面，从而促使薄膜材料的蒸发。电子枪结构存在着很多形式，材料市场中用较为普遍的是磁偏转e形枪，其能够有效克服二次电的影响。从灯丝发射的热电子经过阳极与阴极间的高压电场加速并且聚焦，然后再由磁场促使其发生偏转达到坩埚蒸发材料表面。因为蒸发薄膜材料与阳极是处于分开状态的，独立存在于磁场中，所以二次电子会因为受到磁场作用而发生二次偏转，这样也就最大程度减少了向基板发射的概率。

例如：在光学薄膜制备过程中，首先要找到合适的材料，通过利用高温氧化物（如TiO2、Y2O3），这些氧化物能够与SiO2匹配起来，从而制成光学性能良好的高反膜、减反膜以及偏振分光膜。而HfO2作为最佳高折射率材料，具备了偏低的吸收系数，在制备分光膜过程中，能够承受较高的损伤阀值。HfO2薄膜通过用电子束加热蒸发进行反应离子辅助淀积和低能反应离子辅助淀积法来制备。为了控制好光学薄膜的厚度，保障其良好的功能特性，可以采用石英晶体微量平衡法，通过利用仪器直接驱动蒸发源，在PID控制循环驱动挡板的作用下，维持正常的蒸发速率，制备人员只需要把仪器与系统控制软件有效连接在一起，就能够顺利完成整个镀膜过程。

4 结语

综上所述，材料设计作为现代重要技术手段，被广泛应用在现代光学薄膜玻璃材料设计工作中。高强度光学薄膜薄材料的制备具有更高的抗激光强度，通过采用现代激光预处理技术，能够最大化提高光学薄膜元件的LDT值。设计人员也可以通过使用计算机膜系设计出优化软件，成功设计出低损耗、利于制备的膜系。

参考文献

[1] 赵青南，董玉红，赵杰，等.减反射可见光与反射近红外线双功能镀膜玻璃[J].材料科学与工程学报，2012，30（1）：6-8.

光电材料篇7

关键词：传统无机非金属材料；水泥；玻璃；陶瓷

无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。

传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料。如水泥是一种重要的建筑材料;各种规格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃以及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和电瓷等与人们的生产、生活休戚相关。

1 水泥

水泥作为三大建筑材料之一，是最大宗的无机非金属材料。日前，传统水泥的生产工艺日趋完善，水泥材料的发展主要表现在高性能水泥基材料、节能型水泥等方面。

1. 1高性能水泥基材料

对水泥材料高性能的要求首先是基于高强。通过降低孔隙率、改善孔结构及孔径分布可开发出高致密、高强度的水泥基材料，为此，一般可采用以下儿种方法:改变成型方法；掺加超细活性硅质材料，掺加高分了材料;掺加纤维材料，取得了很好的增强和增韧效果，从理论上讲，理想的纤维材料是硅酸钙纤维，它与水泥材料的化学兼容性好，还可起品种作用促进水化;发展新型水泥材料，传统的硅酸盐水泥及其衍生品种的强度和耐久性均不够理想，

1.1.1浸渍水泥基材料

采用高分子聚合物对水泥浆体浸渍，使整个材料非常密实，所得材料的抗压强度可达240MPa。

1.1.2压实水泥

根据岩石的成矿机理采用类似于制造陶瓷的热压工艺，在100MPa-345M P。的压力和150°C - 250°C的温度下获得了抗压强度达350MPa- 500MP的水泥材料，使其几乎与金属材料媲美。

1.1.3MDF水泥

又称宏观无缺陷水泥是指一种综合性能优异的抗压强度高达300MPa，抗折强度更高达的200MPa，在电学、磁学、声学和低温使用性能方面也有某些性能的新型水泥制品。 MDF水泥抗折强度高韧性好，可用于制造各种管 道尤其是用其他材料不易制作的大直径管道，及对抗折强度有较高要求的支撑材料。 MDF水泥绝缘性好，体积电阻率和击穿电压高，可代替陶瓷、塑料用作力学性能好的经久耐用电绝缘材料； 经微细化处理的MDF水泥，可用作唱片、音箱材料以及制作水泥弹簧等； MDF水泥还有望成为一些金属材料、木材和陶瓷材料的廉价代用品。

1.2节能型水泥

节能型水泥的生产可通过改变熟料矿物组成、生产少熟料水泥等途径达到。

1.2.1改变熟料矿物组成：在保证质量的条件下以含钙量低，形成温底低的低能耗熟料矿物代替传统硅酸盐水泥中的C3S,C3A等高能耗矿物。

1.2.2生产少熟料水泥： 利用碱―矿渣水泥的生产原理，提高混合材掺量，减少水泥用量可大幅度降低水泥生产能耗及成本，同时还可充分利用工业废渣，如钢渣、磷渣、铁合金渣、铅渣、镍渣、铝渣等，还可利用沸石、火山灰等天然或人工火山灰质材料。提高混合村掺量通常对水泥长期强度没影响，但使凝结变慢、早强下降，采用碱性激发剂充分激发混合材的活性或采用早强剂可弥补这一缺点。

2玻璃

玻璃是另一类传统的、历史悠久的无机非金属材料。传统的玻璃材料及器皿等工艺技术己基本成熟，玻璃新材料包括医用玻璃和生物工程玻璃、非线性光学玻璃、光通讯用玻璃、平面集成微光学玻璃、电致变色和光致变色玻璃等。

2.1医用玻璃和生物工程玻璃

自发明生物玻璃以来，人们发现许多玻璃和微品玻璃能与生物骨形成键合，其中一些己应用于临床，用作牙周种植、人造中耳骨等。日前已经利用玻璃、微品玻璃制备高韧性生物活性金属，生物活性聚合物等。微品玻璃尤其是多孔微品玻璃可用作生物工程中的载体，用在固定床反应器、固定床循环反应器和流化床反应器上。

2. 2非线性光学玻璃

近年来，非线性光学玻璃，特别是未来全光学装置所要求的具有高二阶极化率X,快的响应时间T和低的光吸收特性的材料研究引人注日。制备方法包括传统微品玻璃制备法分离了交换法、溶胶―凝胶法和离了注入法。

2. 3光通讯用玻璃

目前利用掺稀土的氟化物光纤制作具有从可见光到中红外光操作波长带的纤维激发器和放大器，以满足超高容量和适应性强的光学网络系统的需要。

3陶瓷

陶瓷是具有悠久历史的材料，通常作为陶瓷器、砖瓦、卫生陶器等民用产品用于人们的日常生活，作为工业产品，广泛用着耐火材料、电绝缘子、磨削砂轮等。

精细陶瓷是相对于传统陶瓷而言的。它是采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术制造、加工的，便于进行结构设计的，具有优异特性的陶瓷。精细陶瓷可分为:电了陶瓷、高温陶瓷、生物陶瓷、结构陶瓷等。

3. 1电陶瓷

电陶瓷可分为导电陶瓷、光电陶瓷、电介质陶瓷等。

导电陶瓷：导电陶瓷有碳和SiC系陶瓷、BaTi03系半导体陶瓷等。可用作电阻器、高温用电热电阻、热敏电阻器、湿敏电阻器、具有开关和存储功能的非线性电阻器等。光电陶瓷：光电陶瓷制成光敏元件、光电导模元件、光生伏打模元件。烧结CaS多品可作成x射线到紫外线范围的光检测器。电介质陶瓷：电介质陶瓷可分为绝缘陶瓷、压电陶瓷和铁电陶瓷。

3.2高温陶瓷

高温陶瓷与金属相比，能耐更高的温度。高温陶瓷有氧化物系陶瓷和非氧化物系陶瓷。碳化物、硼化物、氮化物等显示出不同于以往氧化物系陶瓷的性能，成为超高温度技术领域中的重要材料。

3. 3生物陶瓷

生物陶瓷是用于人体器官替换、修补和外科矫形的陶瓷材料，它己用于人体，近年来发展相当迅速。这类材料卞要包括氧化铝、烃基磷灰石、生物活性玻璃及生物活性玻璃陶瓷、涂层及可被吸收降解的磷酸钙陶瓷。

3.4结构陶瓷

结构陶瓷以耐高温、高强度、耐磨损、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征，在冶金、宇航、能源、机械、光学待领域有重要应用。在这些领域中用非金属代替部分金属是总的发展趋势。

结语

未来科学技术的发展，对各种无机非金属材料，尤其是对特种新型材料提出更多更高的要求。由于对材料科学基础研究的日益深入，各种精密测试分析技术的发展，将有助于按预定性能设计材料的原子或分子组成及结构形态的早日实现。（郑州大学材料科学与工程学院；河南；郑州；450001）

参考文献：

光电材料篇8

本文重点对半导体硅材料，GaAs和InP单晶材料，半导体超晶格、量子阱材料，一维量子线、零维量子点半导体微结构材料，宽带隙半导体材料，光子晶体材料，量子比特构建与材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。最后，提出了发展我国半导体材料的建议。

关键词 半导体 材料 量子线 量子点 材料 光子晶体

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smart cut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2 GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是：

（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。

（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。

（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。

（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nm InGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K 5μm和250K 8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的Picogiga MBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSi MODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的Lars Samuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67 GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256 GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6H SiC单晶与外延片，以及3英寸的4H SiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2 GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP， GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

本文限于篇幅，只讨论了几种最重要的半导体材料，II－VI族宽禁带与II－VI族窄禁带红外半导体材料，高效太阳电池材料Cu（In，Ga）Se2，CuIn（Se，S）等以及发展迅速的有机半导体材料等没有涉及。

光电材料篇9

关键词：有机材料；太阳能电池；研究进展

引言

当前经济高速发展，世界范围内资源使用逐渐增多，但大多数能源都是不可再生资源，如石油、煤炭等。在经过长时间的开采利用之后，此种不可再生资源逐渐减少，最终将会变得无法再为人类所用。因此，在面对此种能源即将枯竭的状况，科学家们开始转变为开发可再生资源代替此类不可再生资源的作用。电池在之前使用的是镍等金属以及化学物质制成的，其在使用后会散发出大量的化学物质，对环境以及生态平衡造成破坏，太阳能电池的研发则可以解决这一问题。

1 太阳能电池概述

太阳能电池是一种光感电池，彭敦云等[1]在太阳能薄膜电池的研究现状及发展前景中提到，太阳能电池的特性是可以吸收光能转化为电能，其制作原理是利用的光电效应。太阳能电池的结构是由部分导体与半导体组成的，当组成太阳能电池的材料感受到光能时，即可将光能中的部分因子分离出，并传输到电极当中，转化为电能，使得该类电池可以散发出电流，被使用其的设备吸收。秦岭等[2]在太阳能电池的动态模型和动态特性中提到，太阳能电池吸收的光元素大于一定情况时，其自身的转化能力有限，组成太阳能电池的部分半导体会引导光元素在内部进行转化，并利用其自身特性，保持该元素的正常运作。此外，还可使其接触部分的电势变化，变成一种单纯的有机物质，通过金属电极传导，成为散发电流的太阳能电池。

2 太阳能电池的分类

2.1 单质结类

许伟民等[3]在太阳能电池的原理及种类中提到，单质结类太阳能电池研究较早，到现在已具有较为成熟的理论及实践。在单质结太阳能电池组成部分中，存有电极、有机层等结构。其电极一般是由具有一定物质的金属所组成，其内具有较高的传导性能，其内建立起的复杂结构是由导电聚合物等材料组成，其传输过程是具有一定的发生反应的可能，因此，单质结类太阳能电池的电流传导能力较低，当前已很少使用。随后，专家学者发现了某种聚合物以及其他有机分子材料可以增加有机太阳能电池的电流传导能力，掺杂H2等物质可以增加电池导电几率，因此在单质结太阳能电池中常常掺有此类物质，以增加其使用性能。

2.2 异质结类

张超智等[4]在异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展中提到，异质结有机电池包括混合异质结等具有其他不同结构的太阳能电池小分类。异质结电池是在单质结电池研发之后产生的，相关专家学者发现，异质结太阳能电池中，其光能转化为电能的速度比单质结要高，更为适合作为普及使用的电池。此外，异质结太阳能电池比单质结太阳能电池具有更广的转化层面，其电池在接收到光能时，转化区域的使用效率比单质结太阳能电池高，其内的电荷在被分离出后，存在状态较为密集。李秀杰等[5]在基于光子晶体异质结的高效太阳能电池反射器研究中提出，为了进一步增加异质结太阳能电池的转化效率，产生更多的电流，可以为异质结电池中添加其他聚合物，并以纳米界面作为基础界板，从而增加与阳光的接触面积，吸收更多的光能进行转化。

2.3 染料敏化类

李靖等[6]在染料敏化太阳能电池对电极中提到，在进一步研究有机太阳能电池的过程中，发现将有机染料附着到太阳能电池的表面，可以利用有机染料自身的特性，增加太阳能电池对于光能的吸收，使得其内的半导体发挥出染料敏化的作用，从而形成染料敏化类有机太阳能电池。在此类电池中，其吸收光能并将其转化的效率大大提高，且成本较低，具有大规模生产以及普遍应用的可能，其再配合其他化学物质共同作用后，可能产生一系列新的变化，在此方面的变化还有待研究，但是已为有机太阳能电池的研发人员提供了一种新的思路。

3 电池材料分类

可制作有机太阳能电池的材料较多，以下简要介绍三种。

3.1 小分子材料

罗金龙等[7]在基于酞菁铜材料的有机太阳能电池研究与展望中提到，有机小分子材料是一种具有一定排列顺序的多晶平面结构，其所具有的组合方式，使得使用此材料制作的太阳能电池具有良好的电流传导性。酞菁类化合物在有机小分子材料的研究中占有重要位置，该化合物可以增加太阳能电池的转化效率，为电流传导拓宽渠道，其化合物作为薄膜的薄厚程度可以影响电池的性能。

3.2 大分子材料

李萌等[8]在基于富勒烯类材料太阳能电池研究进展中提到，大分子材料同样分为较多种类，其中富勒烯类材料在相关专家研究过程中，表现出了与C60相契合的特性，可以将C60引入有机太阳能电池的聚合物制作中，与富勒烯类物质进行完全融合，从而利用C60的导电性，增加太阳能电池的导电能力。

3.3 杂化体系材料

张会京等[9]在有机高分子/无机半导体杂化太阳能电池的发展现状与展望中提到，此类属于杂类材料，其无机纳米与有机材料共同混合后，可提高制作出的太阳能电池的属性，增加电池对于光能的吸收与转化。当前将噻吩聚合物接枝到纳米管表面，可共同发挥作用，提高电池与光能的接触面积。

4 结束语

太阳能电池作为代替镍电池而研制出的材料，对其的研究开发已持续有二十年，分为单质结有机类、异质结有机类以及染料敏化类。制作太阳能电池的材料分为小分子材料以及大分子材料两大种类，其下还划分为其他小种类，此种情况使得不同材料所制作出的太阳能电池也有所不同，分别具有不同的特性。文章针对不同材料所研制出的太阳能电池进行研究，得出相应的发展建议，希望有助于促进太阳能电池研制更进一步。

参考文献

[1]彭敦云，宋连科，朱久凯，等.太阳能薄膜电池的研究现状及发展前景[J].激光杂志，2013，2（4）：1-2.

[2]秦岭，谢少军，杨晨，等.太阳能电池的动态模型和动态特性[J].中国电机工程学报，2013，3（7）：19-26.

[3]许伟民，何湘鄂，赵红兵，等.太阳能电池的原理及种类[J].发电设备，2011，4（2）：137-140.

[4]张超智，李世娟，胡鹏，等.异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展[J].南京大学学报（自然科学），2014，5（2）：135-142.

[5]李秀杰，韩培德，杨毅彪，等.基于光子晶体异质结的高效太阳能电池反射器研究[J].光子学报，2010，3（10）：1786-1789.

[6]李靖，孙明轩，张晓艳，等.染料敏化太阳能电池对电极[J].物理化学学报，2011，4（10）：2255-2268.

[7]罗金龙，戴祖诚，赵鹤云，等.基于酞菁铜材料的有机太阳能电池研究与展望[J].云南大学学报（自然科学版），2010，S1：259-262.

光电材料篇10

关键词：多晶硅；高重频脉冲；激光损伤；损伤机理

1 概述

多晶硅作为光电探测器的主要材料，也是当今硅太阳能电池的重要组成部分。采用激光技术来制备太阳能电池，有提高效率、降低成本和减少电池生产中的污染等优点，是目前太阳能电池研究和开发的热点[1]。随着大功率激光器的发展，在强激光作用下太阳能电池损伤效应成为研究的热点问题[2]。激光具有单色性好、方向性好、亮度高、相干性好等优点，自从上世纪六十年代第一台激光器研制成功，激光以其优异的特性被广泛应用到工业、生物医疗、军事对抗等众多领域，且激光的应用都涉及到激光与物质相互作用问题。所以，研究高重复频率脉冲激光辐照多晶硅材料的损伤机理，对于探寻激光与物质的相互作用机理和优化多晶硅元件的抗激光损伤特性都具有重要的理论和实际意义[3]。多脉冲激光辐照材料时，材料的低烧蚀阈值可能在低脉冲能量高重频激光加工中应用，以提高加工效率。

2 半导体材料的单脉冲激光损伤机理分析

国内外关于半导体材料的单脉冲激光损伤机理进行大量的研究。1986年El-Adawi M K等研究了激光辐照半导体材料的加热机理[4]。1997年倪晓武等进行了强激光对半导体材料的破坏研究[5]。1999年，沈中华等对皮秒和纳秒脉冲激光作用于半导体材料的加热机理进行了研究[6]。他们在2001年还对半导体材料硅的单脉冲和多脉冲激光损伤现象进行分析研究[7]。半导体材料对于激光有效的吸收机制主要有：本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收和杂质吸收等。本征吸收是半导体材料的主要吸收机制，即价带电子吸收光子能量跃迁到导带，从而产生空穴-电子对。激子能级位于接近导带底的禁带中，它的电离能很小，在常温下激子的吸收是很弱的，所以不考虑。激光可以激发产生大量的过剩载流子，因此自由载流子吸收也是半导体材料在与激光相互作用时主要的吸收机制。杂质吸收吸收与电离的杂质数目成正比，只有在重掺杂的情况下，才考虑杂志吸收。半导体材料在被单脉冲激光辐照时，其主要的损伤机制有热熔破坏、热致应力损伤、雪崩电离击穿破坏、多光子吸收电离破坏和自聚焦破坏等。

3 实验

3.1 实验装置

实验装置如图1所示。型号为BR-PLM-1000的重频可调的皮秒脉冲经过衰减片组合后，被分光镜分为两束。85%的激光经过聚焦透镜后垂直作用到多晶硅表面。2%的激光经分光镜反射后被激光功率计探头实时收集，从而可以对辐照过程中的激光功率进行实时监测。

实验中所用的多晶硅片尺寸为：20mm×20mm×0.20mm，实验前将多晶硅片在丙酮和乙醇中清洗。实验过程中通过调整衰减倍率和改变激光电流来控制激光功率值，多晶硅表面损伤形貌由电子扫描显微镜观测得到。

3.2 实验结果

图2为激光重频为1kHz，激光辐照时间为10s，激光峰值功率密度为2.74*1010W/cm2时，多晶硅表面的损伤形貌。（a），（b）分别为显微倍率为200x，2000x时，多晶硅被激光辐照区域SEM图。

从图2（a）可以看到，多晶硅表面激光辐照区域可以分为三个区域。激光光束中心辐照区域颜色较深，该区域称为热熔区。从（b）可以看到该区域形成一个完全将多晶硅击穿的损伤坑，这是由于高斯光束光斑中心超高能量使材料发生了严重程度融化，还可以看到损伤坑边缘发黑，这是由于激光的热作用使材料发生了氧化反应。热熔区白色区域即为热影响区。热影响区域的形成可以解释为激光中心吸收激光能量导致其表面温度迅速升高，材料内部晶格的热传递使该区域发生了轻微氧化反应。热影响区的是激光无影响区，该区域内存在一些沉积物，这是激光与多晶硅作用过程中光束中心辐照部分融化物质向外喷溅造成的。

3.3 损伤机理分析

高重频皮秒脉冲激光损伤实际上是一个多脉冲损伤过程。虽然单脉冲能量较低，甚至远低于材料的蒸发阈值，但由于激光辐照过程中的脉冲积累使材料发生了损伤。多脉冲的主要的损伤机制有热积累和脉冲积累。当脉冲重复频率不变时，热积累是较低损伤阈值的原因被广泛接受。高重频激光具有较短的脉冲间隔，第一个脉冲作用材料后，材料吸收激光能量使其表面温度升高，源源不断的后续激光脉冲辐照多晶硅后，使多晶硅表面温度逐渐升高，最后使材料发生熔融烧蚀。微缺陷积累是另一种主要的损伤机制。多晶硅材料在制备与加工的过程中，存在大量的微观缺陷，这些缺陷具有比多晶硅本征吸收大的多的吸收率。因此对于高重频激光损伤而言，虽然单个脉冲的激光能量较小，不能使材料发生宏观损伤，但可能引起材料内微观缺陷的爆炸和发展，每次微观缺陷的爆炸和发展，将增加材料对后续激光能量的吸收，最终微缺陷的积累导致材料发生宏观损伤。

4 结束语

文章对高重频皮秒脉冲辐照多晶硅的损伤进行了实验研究。高重频辐照多晶硅材料时，材料表面损伤形貌主要分为热熔区、热影响区和无激光作用区三个区域。多晶硅的多脉冲损伤机制主要有热积累和微缺陷积累。

参考文献

[1]张陆成，王学孟，沈辉.激光热效应在高效太阳电池工艺中的应用[J].激光与光电子学进展，2009，46（5）：41-46.

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