公务员期刊网 精选范文 光电材料范文

光电材料精选(九篇)

前言:一篇好文章的诞生,需要你不断地搜集资料、整理思路,本站小编为你收集了丰富的光电材料主题范文,仅供参考,欢迎阅读并收藏。

光电材料

第1篇:光电材料范文

光电材料导论》是我校无机非金属材料专业2013年开设的专业课程。开设这门课程的原因是:(1)国家在十二五规划中提出了重点发展的七大战略性新兴产业,其中之一的的新材料产业包含了功能材料,而光电材料是功能材料的一种;(2)我校的无机非金属材料教研室的很多老师从事光电材料相关的研究,具备开设这门课程的师资力量。所以在课程的教学内容的选材方面,我们会着重从这两个方面考虑。而教学方法会利用现在的多媒体技术,与传统的板书相结合,让学生更加形象生动的加深对知识的理解[1]。

1 教学内容的选材

在教学内容的选材方面,我们综合考虑了以下几个因素:

首先,学生必须能够有所学,开设一门课程才是有意义的。光电材料是功能材料的一种,为了便于学生循序渐进地吸收理解光电材料的专业知识点,教学内容分成三个方面:光功能材料、电功能材料、光电材料及器件。首先,讲解光功能材料和电功能材料方面的知识点,在具有这些知识的基础上,再讲解光电材料及器件方面的知识,学生们就比较容易理解。

其次,我们结合现在的就业情况及研究热点。我们设置的教学内容,既考虑了学生们以后的就业,也考虑到想进一步深造读研究生的学生们的研究工作。光功能材料方面的教学内容包含了激光材料、发光材料、红外材料及光纤材料。电功能材料方面的教学内容包含了导电材料、半导体材料、介电材料、铁电材料及超导材料,其实半导体材料也是一种导电材料,之所以把半导体材料单独作为一个章节,是因为半导体材料是太阳能电池和LED照明灯的核心材料,这也是为后面的光电材料及器件的讲解做铺垫。光电材料及器件方面的教学内容包含了光电子发射材料、光电导材料、透明导电薄膜材料、光伏材料与太阳能电池及光电显示材料。

2 教学方法的探索

光电材料的内容更新很快,现在的学生不仅应该掌握传统基础的材料知识,更应该掌握最新的知识点,更应该了解光电材料的最新研究进展,而使用多媒体教学能够及时地更新课件的内容,使得教学内容能够跟上最新的研究成果[2],也能让学生及时了解学习最新的材料知识。

多媒体教学还有助于激发学生学习的兴趣[3],因为它在视觉上能够让学生很直观的学习知识,比如:太阳能电池的工作原理,我们可以在Powerpoint(PPT)上给出太阳能电池工作原理图,然后再对照图给学生详细讲解其原理,学生将更深刻的理解其原理。再比如,在讲解光纤的传输原理时,可以通过多媒体技术使用动画,让学生很直观地了解光纤的原理。

但是多媒体教学应该和传统的板书结合起来,因为有些知识仅仅通过多媒体展示,学生可能比较难理解,还需要老师再次将其中的重点和难点板书出来详细讲解,同时也可以加深同学的印象。

同时,我们在整个的教学过程中,采用的是启发式及提问式的教学方法。通过对学生进行提问,启发学生自主思考,加深学生对知识点的理解。

3 课程考核方式的选择

课程考核的成绩包含两个方面,一个是平时成绩的考核,一个是期末成绩的考核。

平时成绩的考核,我们通过上课提问、课后习题、出勤率等方面进行考核。上课提问可以考查学生对上节课内容的掌握程度,还可以考查学生是否认真听讲、是否认真思考问题。课后习题包括两个方面,一个是对课上内容的考查,帮助学生巩固课上知识,另一个是对课外知识的拓展,督促学生课后查阅文献,培养学生的学习能力。

期末成绩的考核,我们采用撰写科技论文的形式进行考核。《光电材料导论》开设在大四上学期,总共24个课时。因为光电材料的内容更新比较快,而教学课时比较有限,通过撰写科技论文的形式,既可以督促学生去更全面的了解光电材料最新的研究进展,又可以锻炼学生查阅文献的能力,培养学生总结文献的能力,有利于大四学生在下学期更快进入本科毕业论文的工作。

4 需要改进的地方

作为本专业开设的新课,在教学的探索与实践过程中,肯定存在一些不足,有很多地方需要我们去反省和改进。我们自己对此进行了总结,具体包括以下三个方面:

(1)在多媒体教学过程中,我们不仅只是使用了PPT这个软件,还应该引入视频,比如,在讲解使用直拉法制备单晶硅时,就可以引入一段视频,让学生更直观地了解使用直拉法是如何制备单晶硅的。

(2)在教学的过程中,我们还应该出示实物,让学生能够直接接触,加深印象。可以出示实物包括光纤、发光二极管LED,单晶硅片和多晶硅片(这时,还可以教学生从宏观上如何分辨单晶硅片和非晶硅片)、ITO玻璃、闪锌矿及纤锌矿结构模型等,不但增强生学习光电材料的兴趣,而且让他们对光电材料实体有直接的感性认识[4]。

(3)在教学过程中,我们还应该加入两个学时的讨论课,老师布置一个题目,让学生课后准备,几个学生一组,进行资料搜集与整理,然后让一个学生做代表,在讨论课上做PPT报告,其他组的学生进行提问,作报告的学生做解答。同时这个也要纳入平时成绩中,占总成绩的20%。

第2篇:光电材料范文

关键词:光电变换;薄膜材料;制备原理

物质在受到光照以后,往往会引发某些电性质的变化,亦即光电效应。光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应3种。最近有人提出GENESIS计划(grobal energy network equippers with solar ceils and international superconductor grids),即在世界范围内,将太阳能电站发出的电力用超导电缆连接,建设全球规模太阳能综合供电网络的计划。目前,在日本已有新阳光计划.美国有Solar 2000计划,欧盟(EU)有Sahel计划等。世界主要工业国家针对21世纪能源的综合需求和地球环境改善.将进一步推进包括太阳能电池在内的太阳能利用计划。

一、光电变换薄膜材料的制备原理技术

当金属或半导体受到光照射时,其表面和体内的电子因吸收光子能量而被激发,如果被激发的电子具有足够的能量,足以克服表面势垒而从表面离开,产生了光电子发射效应。CIS薄膜太阳能电池是以铜铟硒(CIS)为吸收层的薄膜太阳能电池。目前,还有在CIS中掺人部分Ga、A1来代替CIS中的In,从而形成CIGS或CIAS薄膜太阳能电池的结构;而且这一类电池被认为是未来最有希望实现产业化和大规模应用的化合物薄膜太阳能电池。美国的CuInSe2-cd(zn)s薄膜太阳能电池的光电转换效率可达12%,这使CIGS薄膜太阳能电池成为高性能薄膜太阳能电池的前列。

主要介绍CIGS薄膜的制备技术。

①Mo背电极薄膜的沉积。在电池研究过程中,包括Mo、Pt、Ni、A1、Au、Cu和Ag在内的很多金属都被试着用来制作背电极接触材料。研究发现,除了Mo和Ni之外,在制备CIGS薄膜的过程中,这些金属都会和CIGS产生不同程度的相互扩散。扩散引起的杂质将导致更多复合中心的产生,最终将导致电池效率的下降。在高温下Mo具有比Ni更好的稳定性,不会和Cu、In产生互扩散,并且具有很低的接触电阻,所以一直被用做理想的背电极材料。

Mo的沉积厚度约为0.5-1.5μm。首先在钠钙玻璃上采用射频磁控溅射、直流磁控溅射或真空热蒸发的方法沉积厚度约为1.0μm的Mo层。由于直流磁控溅射技术制备的Mo薄膜的均匀性好,薄膜的沉积速率高,所以,一般在沉积Mo薄膜时多采用直流磁控溅射技术来沉积。

②CIGS薄膜的沉积。具有黄铜矿结构的化合物材料CulnSe2(CIS)或CulnGaSe2(CIGS)在可见光范围内的吸收系数高达105 cm-1,通过改变镓的含量,其禁带宽度在1.04~1.67 eV范围内可调,可以制备出最佳禁带宽度的半导体材料。同时具有好的稳定性,耐空间辐射,属于最好的薄膜太阳能材料之一。美国可再生能源实验室用Cu、In、Se、Ga四元共蒸发沉积法制备的薄膜太阳能电池的转化效率已经高达18.8%。虽然共蒸发法在小面积电池上取得了最好的效率,在大面积制备薄膜太阳能电池的产业化应用方面,却存在其难以克服的障碍。目前采用较多的方法仍然是磁控溅射法。基于磁控溅射的工艺也有很多,主要有溅射预制薄膜后硒化方法,预制薄膜的制备等。基于以上的要求,制备的Culn(CuInGa)预制薄膜厚度为600~700 nm,Se化后Cu—InGaSe2薄膜的厚度为1.8~2.0μm,整个厚度会有2~3倍的提高。

二、光电变换薄膜材料的应用

太阳能光电转换装置就是太阳能电池。太阳能电池,又称光伏电池。太阳能电池发电的原理是利用光生伏特效应。当太阳光源或其他光辐射到太阳能电池的pn结上时,电池就吸收光能,从而产生电子一空穴对。这些电子一空穴对在电池的内建电场,即pn结电场的作用下,电子和空穴被电场分离,在pn结的两侧,即电池两端形成由电子和空穴组成的异性电荷积累,即产生“光生电压”,这就是所谓的“光生伏特效应”。如果将多个pn结串联起来,就可以得到具有一定电压的太阳能电池。太阳能电池的直接输出一般都是12 V(DC)、24 V(DC)、48V(DC)。

太阳能电池是受太阳光照射而工作的光电池。在带有受光面的半导体单晶,或非晶板的表面之下,制作pn结,其P区和n区分别与外电路相连接,在太阳光照射下。产生从P到n的电流。为使太阳能利用更快普及,需要进一步降低太阳能电池,特别是更具普及意义的a-Si太阳能电池的价格。为此,需要在a-Si太阳能电池制造工艺的简化、低能耗、无公害、省工时、省原材料、辅助材料(例如基板)价格降低等方面不断改善。与此同时,还要保证电池特性不断提高。目前,Si系太阳能电池的效率已达12%以上,在成膜装置方式方面,已普遍采用一室对应一个处理工序的多室连续方式,以及为提高膜层质量的超高真空连续分离成膜装置。

从材料方面讲,宽能隙P型a-SiC窗口材料已获得广泛应用,为进一步提高太阳能电池的效率,正在开发新的P型层材料。此外,超品格材料以及微品材料也有采用。关于电池的结构,最新发表的多为多层结构(多能隙结构)。而且,多品硅及CulnSe2等品体层与a-Si相组合的结构也在研究开发之中[4]。

窄能隙a-SiGe材料由于采用传统的含氢系,因此特性不够理想。随着制膜技术的改进和发展,以及氟系a-SiGe的开发,已经获得光导电特性优良的膜层。

三、结论

在成膜方法方面,已普遍采用各种等离子体控制方式,以及利用光、ECR等的CVD法等。总的说来,随着工艺进展,利用高速成膜法,已能获得高品质膜层。以上通过对光电变换薄膜材料制备原理技术及应用进行探讨,期望能够对当前光电变换薄膜材料的发展有所借鉴。

参考文献:

[1]胡居广,李启文,郑彬,汤华斌,王培,罗仲宽,曹慧群,林晓东. 衬底温度对PLD法沉积CdS及ZnS薄膜材料的影响[J]. 太阳能学报,2013,01:34-38.

[2]贺英,潘照东,张瑶斐,朱棣,陈杰,王均安. 聚苯胺/ZnO纳米线薄膜材料作为发光层的柔性光电器件及其发光机理[J]. 发光学报,2012,02:201-205.

[3]唐正霞,沈鸿烈,江丰. 不同薄膜材料上铝诱导多晶硅薄膜的研究[J]. 金陵科技学院学报,2012,03:38-41.

第3篇:光电材料范文

关键词:电子科学与技术 光电子材料与器件 理论教学 实验教学

中图分类号:G423 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2014)09(b)-0154-02

电子科学与技术(以下简称“电科”)专业是以培养具备微电子、光电子、集成电路等领域宽厚理论基础、实验能力和专业知识,能在电子科学与技术及相关领域从事各种电子材料、元器件、集成电路、电子系统、光电子系统的设计、制造、科技开发,以及科学研究、教学和生产管理工作的复合型专业人才为目标的工程专业。作为电科专业教育中重要内容的光电子技术,不仅是当代信息技术两大支柱之一,而且随着现代科学技术的发展持续焕发着生命活力。而让光电子技术保持如此强劲发展势头的主要原因之一,正是光电子材料与器件的广泛应用,例如激光器与新型光电探测器的应用的人你还。另外,诸如纳米光电材料与器件、光子晶体及相关器件、超材料及相关器件与表面等离子体激元及器件等新型光电子材料与器件的研究与应用,是目前国际上光学与光电子学研究领域的前沿热门方向。由此可见,学习光电子材料与器件的相关知识,不仅对电科学生知识体系的构建与就业方向的确定具有积极的影响,也为那些将来希望从事新型光电子材料与器件科研工作的学生,提供了坚实的理论基础与知识储备。然而,根据笔者的调研,虽然国内许多重点大学的电科专业都开设了光电子技术课程,但很少有大学专门开设光电子材料与器件这门课程。而由于光电子技术的内容多、涉及知识面广,教学课时又往往有限(一般为32或48个学时),因此在光电子技术的实际教学过程中,讲授教师往往重视光电子技术基本概念与理论知识的教学,而轻视光电子材料与器件的教学。该文从光电子材料与器件的研究内容、应用及发展等方面说明其在电科专业教育中的重要性,并结合自身光电子材料与器件课程的教学经验,研讨电科专业中光电子材料与器件的教学方法。

1 光电子材料与器件简介

光电子材料是指能产生、转换、传输、处理、存储光电子信号的材料。光电子器件是指能实现光辐射能量与信号之间转换功能或光电信号传输、处理和存储等功能的器件。自1960年美国科学家梅曼发明世界上第一台红宝石激光器以来,光电子材料与器件如雨后春笋般发展迅速。在短短的50多年里,光电子材料与器件经历了从红宝石激光器的发明,到半导体激光器、CCD器件及低损耗光纤的相继问世;从各种光无源器件、光调制器件、探测与显示器件的小规模应用到系统级集成制造实用化阶段;从大功率量子阱阵列激光器的出现再到光纤激光器、光纤放大器和光纤传感器的诞生。光电子材料与器件从未停止过发展的脚步,并正在不断深刻影响着人类社会的方方面面。在实际需求的引导下,各种新型光电子材料与器件层出不穷,性能也不断提高。尤其是近年来,随着微米及纳米级加工技术的成熟,新型的微纳光电子材料与器件的研究异常活跃。纳米光电材料、光子晶体、超材料、表面等离子体器件等领域的研究成果丰硕,为未来光电子器件的微型化、集成化发展奠定了坚实的基础。

综上所述,光电子材料与器件在当代信息产业与科学技术中具有极其重要的地位,因此,光电子材料与器件这门课程不仅应当单独作为一门课程独立教学,而且应该作为重视工程教育的电科专业的核心课程。

2 光电子材料与器件课程教学研究

2.1 光电子材料与器件课程的教学形式、课时安排与教材选择

光电子材料与器件课程不仅包含丰富的理论知识,例如光电子材料的物理特性以及光电子器件的工作原理等,而且与实际应用结合精密,因此,本课程宜采取理论教学与实验教学相结合的教学形式。

在课时安排方面,作为电科专业的一门核心专业课程,光电子材料与器件课程的总课时应不低于32学时(2学分),理论课学时不低于26学时,实验课不低于6学时。

另外,在教材选择方面,由于光电子材料与器件是光电子技术中的一部分内容,而目前国内关于光电子技术方向的参考书籍很多,其中亦不乏一些光电子技术课程的经典教材,例如西安电子科技大学安毓英主编的《光电子技术》[1],西安交通大学朱京平主编的《光电子技术基础》[2]等。虽然这些光电子技术参考书中或多或少都会介绍与光电子技术相关的材料与器件,但是,目前专门介绍光电子材料与器件方向的教科书却是少之又少,市面上仅有国防工业出版社2012年出版的侯宏录主编的《光电子材料与器件》[3]一书。加之,该书中所涉及的理论知识较深,基础浅薄的本科生很难驾驭。由此可见,对于光电子材料与器件这门新兴课程而言,设立统一的教材并不合适。因此,笔者建议该课程的讲授教师根据理论教学与实验教学的内容,自行编写该课程的讲义与课件。

2.2 光电子材料与器件课程的理论教学

按照电科专业的专业定位以及培养目标,光电子材料与器件课程的理论教学也应该突出“工程”内容。传统的光电子技术教学中所重视的原理、定律与规律等内容,在光电子材料与器件教学中要弱化;而传统光电子技术教学中往往被弱化乃至忽视的光电子材料与光电子器件的相关知识,要在光电子材料与器件课程教学中占主体地位。如此才能保证在有限理论课时的前提下,让学生对光电子材料与器件有一个全面的认识。

在教学内容的设置方面,由于光电子材料与器件主要应用于光电子技术之中,因此,为了便于学生的理解与知识体系的构建,笔者建议光电子材料与器件课程理论教学的章节设置按照光电子技术的章节设置进行。以笔者讲授光电子材料与器件理论课程(共26学时)为例,该理论课程共被分成了绪论(2学时)、激光原理与典型激光器(5学时)、太阳能电池(4学时)、光通信器件与材料(5学时)、光探测器件(5学时)、光电显示器件(3学时)与光存储器件(2学时)等七个章节,这七章内容基本囊括了光电子技术中光产生、光转化、光传输、光探测、光显示以及光存储等各个重要环节中最为典型的器件以及所用到的材料。另外,在每章内容的设置上,也尽可能突出“工程”内容,弱化“理论”知识。下面,笔者将详细介绍笔者在光电子材料与器件教学中各章的教学内容。

第一章绪论主要包括光电子材料与器件课程简介以及光电子技术的基本知识简介。在光电子材料与器件课程简介中,向学生介绍课程设置的目的和意义、课程的主要内容、教学与考试方式与参考资料等。通过这部分内容的介绍,让学生对本课程的意义、内容、侧重点有一定的认识。在光电子技术基础知识简介中,重点向学生介绍光电子材料与器件与光电子技术的关系,并通过对光电子技术的概念、特征、发展等方面的介绍,让学生对光电子技术以及光电子材料与器件有一个整体的认识。

第二章激光原理与激光器重点介绍几种典型激光器的材料、结构与工作特性,其主要内容包括三个部分:激光原理简述、典型激光器与激光器的应用。在激光原理简述部分,由于多数电科专业在学习光电子材料与器件课程之前已经修过激光原理等类似课程,所以该部分内容为简略介绍的内容,主要帮助学生回顾激光的特征、历史与光辐射理论等知识点。而第二部分内容典型激光器是本章内容的重中之重,在该部分内容中,将依次向学生介绍固体、气体、液体与半导体这四大类激光器中的典型激光器的结构、特征与工作特性等知识。由于发光二极管与半导体激光器结构与工作原理上的相似,在介绍完半导体激光器后,可以顺理成章地介绍发光二极管的结构与特征。另外,本章最后还简单介绍了激光器的几种常见应用。

太阳能电池虽然是光电探测器中光伏效应的一种特殊应用,但是由于它在现如今光电子技术产业以及光电子器件中的重要地位以及良好的发展趋势,该部分内容被独立成一章。在第三章太阳能电池中,主要分两小节给学生介绍,第一小节介绍当今能源与环境问题以及太阳能的开发和利用,让学生了解当今能源资源的现状以及新能源研究与应用的迫切需求,然后介绍太阳能利用的历史以及发展趋势;第二小节正式介绍太阳能电池的工作原理、结构以及特性等知识。

第四章光通信器件与材料主要介绍的是光通信系统中所用到的有源与无源光器件。本章内容共分为两小节:第一小节介绍光纤通信的基础知识,包括光纤通信的定义,光纤的结构、导光原理、发展历史,以及光纤通信系统的组成与特点。第二小节正式介绍光纤通信系统中所用到的各类光电子器件以及构成这些器件的核心材料。在光纤通信中,最重要的器件当属光纤,所以,本节开始就着重介绍光纤的相关知识,包括它的结构、原理、分类、特征参数与传输特性。然后,又将光纤通信系统中的其它光电子器件分为有源与无源器件两类,并分别介绍了这两类光器件中的代表器件:掺铒光纤放大器与波分复用与解复用器。最后,在本章结尾还介绍了光纤通信系统中其它几种常用光器件,例如光耦合器、光衰减器、光环行器等。

第五章光探测器首先介绍了光电探测器的物理效应、性能参数、噪声;其次,按照光电探测器物理效应的不同一一介绍了几种典型的外光电效应探测器(光电管与光电倍增管)与内光电效应探测器(光电导、光电池与光电二极管)。教学的重心仍然放在对探测器结构、工作原理以及特性等方面。

第六章光显示器件重点介绍四种光显示器:阴极射线管、液晶显示器、等离子显示器与电致发光显示器。

第七章光存储器件主要介绍了现如今最常用的一种光存储系统―― 光盘系统以及其中最总要的器件光盘。

2.3 光电子材料与器件课程的实验教学

光电子材料与器件实验课程的教学要与理论教学紧密相连,并重点介绍理论课上讲解过的光电子材料与器件,实验课程的学时应不低于6学时,开设的时间最好在理论教学完成之后,以保证学生在实验前已对实验器件与实验原理有一定的了解。在实验项目的设定方面,既要保证与理论课程内容的相辅相成,又要尽量避免与其它课程实验项目的重复,造成资源的浪费。例如,许多大学的电科专业都已经将激光原理一课作为该专业的核心专业课程,并配备了相应的激光器实验。在这种情况下,如果在光电子材料与器件实验教学中再次引入激光器的实验内容,不仅消耗了宝贵的实验时间,实验效果也会大大降低。

下面跟大家简单介绍笔者在光电子材料与器件实验教学(6学时)中的实验安排。

(1)实验内容:共包含六个实验项目,它们分别是:光控开关实验、光照度计实验、红外遥控实验、PSD位移测试实验、太阳能充电实验与光纤位移测量系统实验(每个实验1学时)。各实验中都应用到了一个或几个核心光电子器件,这些光电子器件基本涵盖了学生在理论课程中所学到的最为重要的几类器件,例如光控开关实验应用到了光电探测器中的光敏电阻作为核心元器件;而红外遥控实验中用到了发光二极管光源与红外探测器等光电子器件。

(2)实验要求:以往的光电子技术实验往往重视现象的观察与定性分析,但经笔者调研,这种实验方法很难最大限度激发学生的求知欲与动手能力,因此,在对原有的实验指导书进行改良后,笔者自行编写了实验的指导书,并在每个实验项目中加入了一些测量与定量分析的实验内容。例如太阳能充电实验,原来的实验指导书只是观察太阳能充电的效果,但是,在新改良的实验指导书中,要求同学测量不同光源照射下太阳能电池的输出电压与输出电流,并要求学生分析比较其差别。通过这种方式,充分调动学生的实验积极性,在具体的实验教学中也取得了很好的效果。

(3)实验方式:分组实验,共同撰写实验报告。这样,不仅提高实验效率,还能够锻炼学生的团队协作意识。

(4)考核方式:根据每位学生实验完成的情况与实验报告撰写的情况综合评分。

3 结语

光电子材料与器件在信息产业的发展与现代科学的研究中都具有举足轻重的地位。它不仅是电科专业知识体系中的重要环节,也为电科专业学生提供着良好的就业竞争力与科研基础。本文通过对电子科学与技术专业特点与光电子材料与器件课程内容的分析,讨论了光电子材料与器件在电科专业教育中的重要性,并根据笔者自身的授课经验,提出了光电子材料与器件在电科专业中的教学形式、课时安排、教材选择以及理论与实验课程内容设置的一些意见与建议。

参考文献

[1] 安毓英,刘继芳,李庆辉.光电子技术[M].3版.北京:电子工业出版社,2013.

第4篇:光电材料范文

关键词:表面抛光;化学机械抛光;电子材料

中图分类号:TG662 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2012)07-0056-03

一、简介

半导体行业需要不停地发展新的和先进的加工技术来应付新兴材料用于各种设备。因为与时俱进快速变化的半导体器件市场,当前挑战并创造新电子材料变得不可缺少。快速增长的半导体处理技术增加其应用的极限。

抛光技术已成为半导体制造的一项关键技术因为电子材料需要抛光以去除表面的污渍、实现的单晶后的基片表面沉积过程。对于表面缺陷的电子材料,常规机械抛光技术已经进化成一个使用化学反应的混合抛光技术。随着互连尺寸比例缩减,一种由IBM公司引进的化学机械抛光(CMP)技术快速增长,因其拥有在单晶深亚微米集成电路制造、超细加工电子材料的最强大的技术。CMP技术分别使用磨具和化学泥浆进行机械和化学移除。即使这些CMP技术被应用于半导体制造,一些去除机制仍然是模糊的,因为它是几乎不可能观察到晶圆片之间的接口,在抛光护垫过程。不幸的是,因为这个原因在很大程度上取决于CMP制程工程师的实验敏捷。此外,机械化学抛光技术面临着加工新的电子材料的挑战。

在CMP,磨料的选择和化学试剂决定了去质能力和表面靶材质量。因此,很重要的一点就是要了解目标材料的材料性能和选择适合自己的磨料磨具和化学工艺。本文我们主要讨论CMP反应中化学和机械之间平衡及其应付各种电子产品材料的能力。

二、电子材料

图1显示了电子材料的分类。对这些材料的材料性能进行了分类:容易研磨的组合(ETA),很难研磨(DTA),易反应(ETR)和难以反应(DTR)。本文这些电子材料分类如下:

1.ETA-ETR材料:导体材料,如铜、铝、W等易被硅溶胶模壳工艺和浆解散化学品粘附,分为ETA-ETR材料。

2.DTA-ETR材料:绝缘氧化物分为DTA -ETR材料。它不容易通过硅溶胶与二氧化硅表面产生研磨,然而,它们很容易地被碱性药物水合或氧化。

3.ETA-DTR材料:用于集成电路和微机电系统(MEMS)的绝缘聚合体是ETA-DTR材料。SU-8是一种厚的兼有化学稳定和热稳定性的基于环氧的光刻胶(PR),它主用于微细加工。

4.DTA-DTR材料:宽带隙的化合物,如SiC和GaN都属于DTA-DTR材料,具有硬度高和化学惰性特点。

三、电子材料的抛光

(一)ETA-ETR材料

铝和铜作为互连线材料,一般都比在CMP泥浆中作为磨料的硅胶更柔和,而且硅胶会在这些金属表面留下划痕。因此,在金属CMP,消除目标材料是成膜、膜磨和再钝化的重复过程的结果。

在铜CMP。使用氧化铝磨料或硅。最近,硅溶胶研磨已经被广泛用于创建一个无缺损的表层,由于氧化铝磨料太难了,在铜表面产生深划痕。铜被化学药品和浆轻微蚀刻和表面的粗糙度如何恶化。铜的粗糙表面)与硅胶轻机械磨损得到改善。图2所示的研磨的作用浓度的铜CMP对材料去除率浆(MRR)。压力、旋转速度、浆流量分别为20.7kPa,80rmp,150ml/min。无损浆低相对于一般类型含有磨料磨料的浆显示了更少的MRR。增加硅溶胶增加MRR,通过抚平化学反应的铜表面降低表面粗糙度。

ETA-ETR材料的CMP在很大程度上取决于化工反应泥浆和目标之间的材料。然而,高化学移除和生成一个钝化层导致目标材料表面粗糙。因此,在CMP浆中使用软磨料轻微研磨与化学试剂的正确选择是制备ETA-ETR材料无缺陷表面中不可缺少的。

(二)DTA-ETR材料

二氧化硅CMP的主要机制是氧化膜在CMP中产生的摩擦力造成的升温而形成的破裂或软化,同时还伴随着二氧化硅的塑性变形。软化了的氧化膜,被碱性溶液水合,随后被磨料耕作。在二氧化硅CMP中用的最广泛的磨料是二氧化硅和CeO2。二氧化硅去除氧化面的水合层通过缩合和耕作二氧化硅膜。库克提出了一种“化学牙”二氧化硅表面和CeO2颗粒将做一个CeOSi连接,CeOSi(OH)除去表面,然后也将进行Si(OH)解散。因此,ceria浆比硅浆的MRR高。DTA-ETR材料,如二氧化硅,应由一种化学反应表面通过软磨料进行机械抛光,以便得到无缺陷表面。

(三)DTA-DTR材料

6H-SiC是一个具有代表性的为高性能电子设备的基体材料,是一个典型的DTA-DTR材料。很难用硅胶对碳化硅表面抛光因为单晶SiC的Mohs硬度是9~9.5,而且比硅溶胶更硬(Mohs6.5~7),另外,高inter-atomic连接的能量使SiC稳定高温和化学性活跃。熔岩KOH(T>450暖)最常应用于SiC为了实现优先蚀刻。

应用压力、旋转速度、浆流量分别为120kPa、100rpm和150mL/min。一个硅溶胶浆和混合磨料浆(MAS),混合了硅溶胶(平均直径:120nm)和钻石(平均直径:30nm)用于6H-SiC的CMP。硅溶胶浆相对于MAS显示出更低的MRR。这结果来源于higher MRR and CMP withMASshowa上级的表面质量。

为了验证了碳化硅去除的机理、高度降低凹nano-indentation测量后留下了原子力显微镜(AFM)。这些散布的胶体硅浆的高度降低缩进,然而它加宽了缩进宽度通过切除了应力诱发缩进的边缘区域。MAS的高度的降低在不增加缩进它的宽度。很可能钻石(金刚石)产品的表面刮伤或解除SiC机械和应力诱发表面的反应起来相当容易用化学物质。在多的硅溶胶模壳扮演这样的角色6H-SiC光滑的表面。因此,机械应力发现在硬磨料磨具和表面平滑化学污染用软产品表面反应需要的CMP DTA -DTR材料。也就是说,增强应力的CMP正是DTA-DTR CMP的材料所需的。

(四)ETA-DTR材料

目前,微机电系统(MEMS)的CMP使用正在增加是为了减小尺寸,实现设备的高度集成结构。在湿法腐蚀的过程,SU-8过氧化氢作为一种在100~130分解有机杂质氧化剂的暖。然而,CMP制程在室温下进行,就这样那化学反应是约束与非常慢在CMP。

因此,需要机械磨损表面去除SU-8。资料显示了抛光处理硅溶胶浆的MRRs样本SU-8,过氧化氢和过氧化氢溶液,基础硅溶胶模壳基础氧化铝浆泥浆和过氧化氢。抛光压力,旋转速度、浆流量分别为30kPa、80rpm和150mL/min。CMP中苯甲醇泥浆比常规硅溶胶泥浆显示了更高的MRR。这SU-8抛光和的MRR基础氧化铝浆过氧化氢更高比抛光和硅溶胶浆过氧化氢为基础。然而,氧化铝浆留下了太多的划痕在表面上SU-8的。因此优良的产品适合CMP以减少SU-8划痕。

ETA-DTR材料的材料去除很大程度上取决于ETA-DTR材料机械磨损用作增强化学反应在DTA-DTR材料。 然而,机械研磨与优良的硬磨料是制备无缺陷表面和ETA-DTR材料高MRR所必不可少的,以克服化学惰性特征的物质。

四、电子材料抛光中化学和机械的平衡

在抛光技术中,制备电子材料无缺陷表面时应考虑化学和机械的平衡。图3表现出种种抛光方法和适当的化学和机械电子平衡的条件材料。电子材料很大程度上被分为两种组:ETR组和DTR组。ETA-ETR材料,容易与化学物质反应,要求有很高的化学反应和轻微机械磨损以产生良好的表面。DTA-ETR材料,如二氧化硅,应磨光机械磨损,一种化学反应层用软磨料。DTR组由于CMP技术其化学惰性的特点是一个具有挑战性的地区。因此, DTR的CMP主要依靠机械磨损。机械磨损和化学硬磨料对于制备ETA-DTR材料无缺陷表面是必需的。DTA-DTR材料通过一般CMP过程很难去除表面由于其化学和机械稳定性。强机械应力应采用表面研磨好DTA-DTR材料以营造一种良好的化学反应。因此,增强应力的CMP适用于表面缺陷DTA-DTR材料。

第5篇:光电材料范文

【关键词】铁电体;功能材料;集成器件

0 引言

铁电材料是一类具有自发极化Ps(spontaneous polarization),而且自发极化矢量可以在外电场作用下反转的电介质,这类材料的主要特征之一是具有铁电性,即电极化强度与外电场之间具有电滞回线的关系,同时还表现出其他特性如:压电效应、热释电效应、电光效应、声光效应、非线性光学效应以及铁电畴的开关效应等。铁电材料的发展经历了三个重要阶段: 20世纪20-30 年代,以水溶性铁电单晶为代表;40-70 年代, 以铁电陶瓷为代表;70 年代以后,以铁电薄膜为代表。早期铁电材料的用途主要是利用它的介电性、半导性等制作陶瓷电容器和各种传感器。激光和晶体管技术的日趋成熟,又促进了铁电薄膜的发展。80年代, 随着铁电材料制备技术的发展,铁电材料可以制作一些特殊功能器件,使其广泛应用于电子技术、超声技术、红外技术等领域。90年代, 随着微电子技术、光电子技术和传感器技术等的发展, 对铁电材料提出了小型轻量、可集成等更高的要求,从而使大批新型铁电器件或器件原型不断涌现。所有这些特性,使得铁电体在红外探测器、声纳探测器、压电振荡器、非线性光学器件与铁电存储器等方面得到了非常广泛的应用。在铁电材料的许多应用中, 铁电存储器尤其引人注目。铁电存储器既有动态随机存储器(DRAM)快速读写功能, 又有可擦除只读存储器(EPROM)的非易失性, 还具有抗辐射、功耗和工作电压低、工作温度范围宽、易与大规模集成电路兼容等特点,因而在铁电随机存储器(FRAM)、超大规模集成动态随机存储器(ULSI DRAM)、铁电存储器(FEMFET)、全光存储器等领域有广阔的应用前景。铁电材料和集成铁电器件在世界范围内引起了科技工作者的深切关注, 成为当今功能材料和器件研究方面的一大热点。

1 铁电材料的基本类型

铁电材料主要包括钛酸盐系、铌酸盐系和锆酸盐系三类。目前广为研究的铁电材料有PbTiO3(PT)、PZT、PLZT、Pb1-xLaxTi1-x/4O3(PLT)、Pb(Mg,Zn)1/3Nb2/3O3(PMN)、(Ba0.17Sr0.13)TiO3、LiNbO3、Bi4Ti3O12、BaTiO3等。在现有的铁电材料中, 比较令人满意和使用较多的是PT、PZT、PLZT 系列。这主要是由于它们具有良好的光学和电学性能,调整其化学组成可以满足电光、弹光及非线性光学等多方面的要求,但PZT系铁电材料具有耐疲劳性能较差、易老化及漏电流大、不稳定等缺点。

2 铁电材料的研究热点

人们在不断对新材料体系进行了开发和研究中,发现了铋系层状钙钛矿结构的SrBi2Ta2O9(SBT)铁电材料,这类材料具有良好的抗疲劳特性,用其制作的FERAM,在1012次重复开关极化后,仍无显著疲劳现象,且具有良好的存储寿命和较低的漏电流。以高容量为主要要求的动态随机存储器(DRAM)常采用高介电常数(εr)的铁电材料作为电容器的介质材料。

与此同时,相当一些四方相和正交相钨青铜型结构的铌酸盐铁电材料由于其优越的性能也越来越引起人们广泛的关注,如Ba2NaNb5O15(BNN)、(Sr,Ba)Nb2O6(SBN)、Ba2-xSrxK1-yNayNb2O6(BSKNN)、(Pa,Ba)NbO2(PBN)等[5]。这类铁电体是主要的电光材料,但这些材料很难制备成单晶结构,这类材料已有一些报道。随着光电子学的发展,这类铁电材料将日益受到人们的重视。

3 结论

铁电材料具有优越的电学、非线性光学、电光、等一系列特殊性质, 可以利用这些性质制作不同的功能器件, 并可望通过铁电材料与其它材料的集成或复合, 制作集成性器件。利用其电滞回线特性可制作非挥发性随机存取存储器, 利用压电效应可制作声表面波延迟线及微型压电马达, 利用热释电效应可制作红外热释电探测器, 利用光电效应制作光波导等器件。目前, 铁电材料主要应用于微电子学和光电子学, 在这两大领域中, 铁电材料均有重要的或潜在的用途。

【参考文献】

[1]钟维烈.铁电物理学[M].科学出版社,1996.

[2]张良莹,姚熹.电介质物理学[M].西安交通大学出版社,1991.

第6篇:光电材料范文

【关键词】新材料;市场前景

一、电子光电材料

信息领域的发展使人们需要处理的不仅是数据、文字、声音和图像,而是活动图像和高清晰的图像。在海量数据信息存储中,信息的存入和取出速率要求越来越高,半导体内存储器的数据存取时间从微秒降到纳秒级,而外部存储器的数据存取时间从毫秒级降到微秒级,要求存储介质的记录和擦除的时间响应要快。存储过程的物质变化主要依靠原子、离子和分子的自旋变迁、电子跃迁、光子感应,以及原子、离子和分子在它们最邻近位置的移动,要求在新存储材料研究上有新的突破。21世纪是“太元时代”,即电信时代,通信产业将从电子邮件、因特网等计算机通讯手段向智能通信网络发展,新的网络核心――光子、光网络的传播因子将直接是波长而不是分组,载有信息的光子直接进入网络。目前,集成电路技术可以把整个计算机系统架构在硅晶片上,经过光纤放大器(EDFA)和波分复用(WDM)等现代光纤通信技术,可以将整个计算机系统架构在石英光纤上,而主要原料则是砂子。微电子是技术导向性产业,通过缩小器件的特征尺寸,提高芯片的集成度、增加硅片面积来提高集成电路的性能和性价比。在微电子技术的发展过程中,材料科学技术起到决定性和作用,因为集成电路是制造在各相关体或薄膜材料上的,制造过程中也会涉及系列的材料问题。微电子技术将进入亚0.1um时代,在这样的器件尺度下,技术和物理的限制将会出现,对材料科学技术的发展提出了新要求。集成电路材料分为功能性材料、结构材料、工艺材料和辅助材料,还可能引入新的材料。显示技术从阴级射线管开始,已经发展到了可便携式和大屏幕的显示技术,航天技术的发展要求显示材料能克服策略加速的震动能力,并适应不同的温差和湿差等。目前显示技术主要有两种:发光显示与不发光显示。发光显示屏都涂有发光涂料,不发光的材料主要是液晶。低维结构材料指除三维体材料外的二维、一维和零维材料。一维量子材料指载流子仅在一个方向可以自由运动,而另两个方向则受约束。零维量子材料指载流子在三个方向受约束。集成电路芯片功能的实现要依靠引出信号,即依靠封装材料组成器件,封装是集成电路支撑、保护的必要条件,是其功能实现的组成部分,能够实现电源供给、信号互联、机械支撑、散热和环境保护功能。微电子封装涉及了除芯片外的所有半导体元器件领域。

二、生物医学材料

用生物材料制成人工器官取代受损器官是当前医学发展的趋势,过去的材料是人工合成材料,可能造成一系列的副作用,如生物不相容性和血不相容性,同时还会带来异体界面发生的炎性反应、位移和破裂,器官移植供体不足和排异药物的副作用也没有彻底解决。利用新生物医学材料可在体外用聚合物构建一个支架体内,使活细胞与支架进行结合,构成具有生物活性的人体组织器官。这些生物功能材料可以是永久性的,也可以是生物降解的,可以是天然合成材料也可以是杂化材料,但结合材料对细胞的反应情况,使其能实现活细胞在体内或体外相容。生物医学材料不是被“惰性”植入体,而是要引导细胞、组织及器官的修复和再生功能,主要的发展目标是:新型可降解材料;利用物理、化学和生物方法来改选原有材料。另一个与生物医学材料相关的是材料仿生的研究,包括模仿天然生物材料结构特征的结构仿生和模仿生物体中形成材料的过程仿生。目前,细胞工程、基因工程和微生物学向材料科学的渗透,使生物科学原理在材料科学领域得到了广泛应用。

三、复合材料与高分子材料

若想实现一种材料满足各种高水平的综合指标,从单一材料出发是非常困难的,复合材料是将金属、无机非金属、高分子材料组合起来的一种多相材料,其设计自由度很大,可以在组成成分选择、占比来满足设计要求,即复合材料效应。目前,复合材料与金属材料、高分子材料和无机非金属材料并列为四大材料。如在新能源方面,碳纤维和玻璃纤维已经应用于风力发电机的叶片、太阳能电池的轻质高强度支架、核电和潮汐发电的离心机转子等。复合材料使用寿命长也可以节约资源,如高强纤维增强混凝土可以扼制开裂,从而防止钢筋生锈;同时在设计高性能碳纤维或芳酰胺纤维增强聚合物代替钢筋克服了原来存在的问题。在基础建设的修复中,复合材料好是最经济的方法。特殊功能的高分子材料的质量取决于材料的选择和成型技术,高分子材料成型加工是一门交叉科学,主要研究材料特性,确定最佳的加工条件,制造最佳性能的产品。目前的主要研究方向是:研究在加工工程中材料结构的演变,通过反应性加工实现预期的材料结构,与辐照、力化学、电磁振荡等物理技术结合确定最佳加工方法等。合成纤维已经占居了纤维的主要市场,目前研究的方向是:开展高性能纤维和功能纤维,如PBO纤维、分离功能纤维、有机光导纤维等的研制。

四、其它新材料

电池将在解决经济增长、能源和环境难题中直到重要的作用,而材料是电流的基础。燃料电池和各种高能电池将在人类社会发展中起到重要的作用。目前发展方向是小型电池、长寿命电池和燃料电池,通过电池材料可以提高电池性能。薄膜是一种用途很广的材料,主要用于维护材料或零部件的结构完整性,如耐磨损、耐腐蚀性和耐高温性等,通常被称为是防护膜。另一个薄膜则要求应用其电、磁、声、光等功能,通常被称为是功能膜。生物材料上使用的薄膜通常被称为是生物医学膜,还有装饰膜和包装膜等。薄膜技术的发展主要包括薄膜材料开发、薄膜沉积工艺、薄膜材料结构与性能研究、薄膜应用技术等。薄膜技术发展的主要特点是:器件的微型化使薄膜的尺度不断减少。宏观状态的物质有三维空间,当物质在某个方向的度量尺寸是微观尺度,而其宏观而其它方向是宏观尺寸时,则会呈现二维性,其性能也会发生重大变化,这涉及物理和材料两个学科领域,可见,一维材料膜和二维材料膜构成了低维材料家族。功能陶瓷包括铁电、压电、介电、热释电、半导、导电、超导和磁性等功能各异的陶瓷材料,是电子信息、集成电路、移动通讯、计算机、自动控制、精密仪器、航空航天、汽车和能源等高技术领域的重要基础材料。信息功能陶瓷是新型无机非金属材料,用于表面组装技术,压电驱动器、超声马达,复相与复相功能陶瓷,软化学与功能陶瓷薄膜,半导体陶瓷与传感器,电子封装陶瓷基片等领域。水泥材料主要研究水泥熟料矿物的结构与特征,水泥生产过程的技术进步、水泥的水化与硬化、水泥硬化体的与工程性质等,水泥浆与集料的界面结构和混凝土的耐久性,以及低钙复合水泥的技术开发路线等。

参考文献:

[1]Fine,M,E.(1990) The First Thirty Years in Tech. The Farly Years: a History of the Technological Institute at North Weatern University form 1939 to 1969(privately published by North Weatern University) P.121.

[2]国外优秀科技著作出版基金专项基金.走进材料科学[M].科学出版社,2001.

[3]潘金生,仝建民,田民波.材料科学基础[M].清华大学出版社,2001.

第7篇:光电材料范文

摘 要 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,可形成适用于可见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算的装置,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。

第8篇:光电材料范文

关键词:材料力学;国内外;新材料

材料力学,也就是研究构成工程器件物质内部受力情况的一门学科。其研究特点是将宏观的问题放到微观世界去解决,从而搭建解决材料变形、扭转等一系列问题。首先,力学知识最先起源于人类对自然现象的观察和生产劳动过程中的经验积累。而材料力学的起源如果要追溯则应追溯到古代房屋建筑上去。在古中国的宫殿建筑中,由于那是皇权的象征,所以材料的选用在符合审美的需求的基础上最重要的是要使材料在预定年限内不会出现断裂。只是很可惜,在古中国没有形成一套完整的系统。而在西方世界的意大利,意大利科学家为了解决建筑船舶和水闸所需要的梁的尺寸问题,进行了一系列实验,并于1638年提出梁的强度计算公式。但是受到材料力学的发展限制,他所得到的答案并不完全正确。后来英国科学家胡克发表了重要的胡克定律,这才奠定了材料力学的基础。自从18世纪起,材料力学才开始沿着科学的方向发展。

一、材料力学在国内外的发展

新材料是指新出现或正在发展中的、具有传统材料所不具有的优异性能的材料。它主要包括电子信息、光电、超导材料;生物功能材料;能源材料和生态环境材料;高性能陶瓷材料及新型工程塑料;粉体、纳米、微孔材料和高纯金属及高纯材料;表面技术与涂层和薄膜材料;复合材料;智能材料;新结构功能助剂材料、优异性能的新型结构材料等。新材料产业包括新材料及其相关产品和技术装备。与传统材料相比,新材料产业技术高度密集、更新换代快、研究与开发投入高、保密性强、产品的附加值高、生产与市场具有强烈的国际性、产品的质量与特定性能在市场中具有决定作用。新材料的应用范围非常广泛,发展前景十分广阔,其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。

二、在国内外的发展

综观全世界,新材料产业已经渗透到国民经济、国防建设和社会生活的各个领域,支撑着一大批高新技术产业的发展,对国民经济的发展具有举足轻重的作用,成为各个国家抢占未来经济发展制高点的重要领域。主要发达国家都十分重视新材料产业投入和发展。

1.美国政府在1991至1995年的《国家关键技术报告》中就将材料科学与技术列为重要的研究领域。自1996年以后,该计划的制定方式有所变化,由DARPA(国防高级研究计划局)提出年度修改方案交国会审议,近年有关材料的立项列入到《国防领域的研究、开发、实验及评估计划》中的61101E子项(国防研究科学,该子项包括信息科学、电子科学和材料科学三大领域)和62712E(材料与电子技术,该子项包括材料加工技术、微电子器件技术、低温电子器件技术和军用医疗与损伤技术四个领域)中,主要预算合计为15亿美元左右。在新材料的单项方面,美国2000年制定的国家纳米技术计划被列为第一优先科技发展计划。

2.德国自1994年就启动了跨世纪国家级新材料研究计划,实施周期为1994―2003年。该计划目标是通过产品创新和技术创新,在新材料制造装备、加工和应用三个方面确保德国的国际领先地位;进入21世纪后,德国在9大重点发展领域均将新材料列为首位,通过开发新材料以确保资源和环境;德国还将纳米技术列为科研创新的战略领域。3、日本一直十分重视材料技术的发展,把开发新材料列为国家高新技术的第二大目标,认为新材料技术是推动21世纪创新和社会繁荣的主导力量。在日本新的5年“科学技术基本计划”,重点发展的材料技术包括:分析和控制微粒、分子、原子、电子等微观结构技术;高纯化和功能组合技术;功能性结构材料技术;使材料具有特殊功能的表面处理技术;应用计算机设计和制造材料的技术等。

二、新材料的应用和成就

1.促进了一批新材料产业的形成和发展,初步形成了完整的新材料体系一是在电子信息材料领域形成了直径200毫米(8英寸)硅单晶抛光片、纯镓和高纯镓、水平砷化镓晶片等半导体材料产业,以及新型超长余辉发光材料和制品、氮化镓基高度发光材料与发光器件、彩色终端显示用荧光粉、纳米级掺稀土基因――氧化硅玻璃复合光放大功能材料、偏光片彩色感光材料等显示发光材料产业;二是在电池和电池材料方面形成了包括锂离子电池、方型锂离子电池、锂离子电池极板材料、锂离子电池用六氟磷酸锂、镍氢动力电池正极新材料、动力电池储能材料等在内的完整产业链; 三是在稀土永磁材料的研究开发与应用上,发明了在国际上处于领先水平的钕铁氮新型永磁材料;四是在稀土提取及相关产品方面形成了我国的特色产业,如高纯稀土金属铈、钍、高纯氧化铕、重稀土金属、稀土复合氧化物燃烧催化剂等;五是在新型高分子材料方面形成了改性MC尼龙管材和管件、特种工程塑料聚醚酮树脂、光盘级聚碳酸酯、特性氨纶纤维、高分子功能材料热缩细管与母排保护套管等产品系列。

第9篇:光电材料范文

蓄光型自发光材料是一类吸收了激发光能并储存起来,光激发停止后,再把储存的能量以光的形式慢慢释放出来,并可持续几个甚至十几个小时的发光材料。这种吸收光-储存-再发光,并可无限重复的过程和蓄电池的充电-放电-再充电-再放电的反复重复是相似的,所以称为蓄光型自发光材料。与日趋成熟的光电技术相比,如何实现材料的光一光转换尚是新兴技术,也格外受到人们的关注,因为它更符合节能与环保的需求。

早期的自发光材料,可以追溯到居里夫人发现的镭元素,这时的自发光材料可以称之为第一代自发光材料,具有一定的放射性。第二代自发光材料,即传统的硫化物荧光材料,由于其对人体具有一定的毒害性、放射性,以及发光亮度低和持续时间短等缺点,而使其应用领域受到很大的局限。第三代蓄光型自发光材料与前两代自发光材料相比,具有稳定、无毒、无放射性等显著优点,且其发光强度和持续时间是传统自发光材料的30~50倍。

蓄光型自发光材料可分为三个种类。一是硫化物系列蓄光型自发光材料。目前依旧有实用价值的材料有:发光颜色为黄绿色的硫化锌一铜系列、发光颜色为蓝色的硫化钙一铋系列、发光颜色为红色的硫化钙一铕系列;二是铝酸盐体系蓄光型自发光材料。具有发光效率高,化学稳定性好的特点。目前达到实用化程度的材料有:发光颜色为蓝紫色的铝酸钙-铕、钕,发光颜色为黄绿色的铝酸锶-铕、镝;三是硅酸盐体系蓄光型自发光材料。这是根据铝酸盐体系蓄光型自发光材料尚存在耐水性稍差,发光色较单一,对原材料纯度要求高,生产成本高等缺点,而开发出来的耐水性好、紫外辐照性稳定、发光色多样、余辉亮度较高、余辉时间较长的新型自发光材料。目前研制的铕、镝激活的焦硅酸盐蓝色材料,其发光性能也优于铕、钕激活的铝酸盐蓝色发光材料。但总体来说,硅酸盐体系的发光性能尚未达到铝酸盐体系的水平,已达到应用水平的只有焦硅酸盐体系,含镁的正硅酸盐性能尚未得到应用。

发光材料之所以发光,是因为在合成过程中所形成的晶体的晶格里产生了结构缺陷和杂质缺陷,因而才具有发光性能。结构缺陷是晶格点间产生空位和离子,也称晶格缺陷。由材料的晶格缺陷引起的发光叫做自激活发光;在基质材料中加入某种元素,高温合成过程中,加入元素的离子掺入到基质晶格形成了杂质缺陷。由杂质缺陷引起的发光叫做激活发光。加入的元素叫激活剂,也叫做发光中心。得到实际应用的各类发光材料大多是激活剂型发光材料,而充当激活剂的便是稀土元素。由于稀土材料结构的特点:原子的外层电子具有在光照情况下,从低能级跃迁到高能级,并落入结构电子陷阱,从而蓄光;而在黑暗中电子又可以从高能级恢复到低能级,从而发光。

色彩缤纷、无毒无害的自发光材料还可以作为添加剂均匀地分布于各种介质中,制成发光涂料、发光油漆、发光陶瓷、发光工艺品、发光油墨、发光塑料、发光橡胶、发光皮革、发光膜板、发光安全标志、发光纤维、发光纸等产品,在建筑装潢、交通运输、军事领域、消防应急、印刷印染、日常家居生活、低度照明等领域具有广泛的应用空间。它可以使传统产品增添新的功能,提高产品的价值。

由于各种公共场所的建筑结构越来越复杂,如何在紧急事故发生时有效疏散人员,成为世界各国安全和技术专家急待解决的问题。由于以电力为主导的疏散系统性能无法确保其稳定性,而自发光材料不需其他能源供应就能够在黑暗中自发光的性质使其能够发挥无可替代的作用。比如,2000年洛阳的大火,由于紧急疏散指示灯在1分钟后便熄灭,导致伤亡人数成倍增加。而2001年的“9・11”事件,由于世贸大厦采用的自发光紧急疏散系统,为人群的疏散逃生指引了方向,大大减少了人员的伤亡。

现在,多数发达国家均已通过立法,规定建筑中必须使用新型环保自发光产品。在德国法兰克福机场,法国戴高乐机场,德国电信大楼,欧洲空中客车和美国波音、麦道飞机,英国伦敦地铁等众多建筑和交通设施中,新型自发光材料已经得到广泛应用。

自发光材料在用图形符号、文字传达指令信息的道路交通标志中也有重要应用。以蓄光型自发光材料制成的标志,可广泛应用于道路警告标志、禁令标志、指示标志、旅游区标志、道路施工安全等标志,人们在黑暗、多雾、天气恶劣的天气中能够清楚地辨认出,降低交通事故的发生率,使公路交通的引导更便利、周到。甚至可以利用蓄光型自发光材料制成发光水泥直接铺成公路。比如在芬兰就有这样的“夜光公路”。白天,路面吸收阳光和来往车灯的光照储藏能量,夜晚发出光来,显示出道路的各种标志,划分车道和区分路段,不仅为城市的夜景增光添彩,更保证夜间行车的安全。

相关热门标签