半导体制备技术范文
时间：2023-11-15 17:55:29
导语：如何才能写好一篇半导体制备技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
1.1、工作原理
半导体制冷器件的工作原理是基于珀耳帖原理，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且珀耳帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关。
1.2、半导体制冷技术的优缺点
半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1cm3小的制冷器；重量轻，微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克。无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，均能够正常地工作。而且作用速度快，使用寿命长，且易于控制。
半导体制冷片正常工作时，冷端制冷的同时需要在热端进行有效的散热，需要散去的热量包含珀耳帖效应释放的热量和制冷片本身的焦耳热。这个热量远比冷端的吸热量大。所以导致半导体制冷片的效率较低。而且，对半导体制冷片热端的散热一般要采用主动散热。
因此，半导体制冷技术较适合应用于封闭的小型空间的冷却。
2、方案确立
冷却装置必须可以安装在自动化设备屏柜内部。因此，设计、组装出来的整个装置尺寸应合适，如果太小，则冷却效果不明显；太大，则无法安装在屏柜内部。经过在网上查阅有关半导体制冷技术的相关资料后，制定了设计、组装方案：将多片半导体制冷片拼在一起，使其制冷面积增大，同时散热端使用尺寸较大的散热器和散热风扇，以确保其散热性能良好。冷却端使用比散热端尺寸小点的散热器和风扇，使其能保持适合温度，避免出现温度过低或者冷却效率低。
3、现场安装试验
根据日常变电站自动化设备的运维经验，及多个变电站进行现场勘查，发现自动化设备屏柜内的热量主要集中在柜内顶部，而柜内底部的温度基本与室内温度相当。甚至在某些变电站，由于屏柜底部的电缆沟空间较大且密封严实，能起到很好的保温效果，使得在屏柜内底部测得的温度比变电站二次设备间的温度要更低。
针对现场勘查所得的情况，采用1个直流电源模块同时带2台半导体冷却装置的运行方式，将冷却装置安装在交换机柜内顶部，将电源模块放置在屏柜底部。使用适当数量和长度的角钢在柜内顶部搭建一个支架，将冷却装置固定在支架上。利用冷、热空气相互对流的原理，使冷却端产生的冷空气往柜内底部流动，热空气向上升并通过顶部散热孔排出屏柜，从而使屏柜内温度整体下降，达到为柜内自动化设备降温的目的。
4、运行情况分析
为了尽可能的获得自动化设备屏柜内部的各个部位的温、湿度，分别在屏柜内的上部、中部和下部分别放置了温、湿度计。另外在屏柜外也放了一个，以获取屏柜外部的环境温度。并在冷却装置安装完成后未投入运行前，先进性了温度抄录。
由于一天当中的各个时段温度不同，会影响屏柜外部的环境温度，进而影响到屏柜的内部温度，尤其屏柜内上部的温度。因此，在记录温度时尽可能的选择在每一天的同个时段进行，以尽可能的减少外部温度变化带来的影响。
通过图1可看出，在冷却装置投入使用后，屏柜内中、上部的温度有一个明显的下降趋势，尤其是顶部的温度，前后温差高达15X2。冷却效果较为明显。而底部温度仍与冷却装置运行前情况基本相同，与屏柜外部环境温度大致相持。
证明冷却装置运行所取得的效果与项目预期效果相同。
5、结语
通过本次对半导体制冷技术在变电站自动化设备的应用研究，发现其可解决用于变电站自动化设备屏柜内部的设备因运行温度过高导致的死机、故障、甚至整个装置失效等重大、紧急缺陷。严重影响电网安全和供电可靠性。
另外，二次O备的长时间高温环境运行也容易导致其生命周期降低，增加相应的运维成本。该半导体冷却装置主要有以下3个优点：
（1）安装方便，可灵活运用；
篇2
本书将从物理、技术和设备操作方面对使用硅及相关合金制备的光子器件进行概述，包括以下内容：1硅光子学概述，从介绍VLSI的发展过程以及存在的问题出发引出本书将要讲述的内容；2硅的基本性能，介绍了硅能带结构、状态密度函数和杂质，并讲述了硅基异质结和异质结构的性质；3量子结构，对量子阱、量子线和点、超晶格、Si基量子结构进行了讲述；4光学过程，主要讲述了半导体中相关光学过程基本理论，包括光学常数、基本概念以及光吸收、发射等理论；5量子结构中的光学过程，主要讲述量子井、量子线和量子点这些纳米结构中的光学过程的基本原理；6硅光发射器，主要讲述了半导体发光基本原理，以及具体半导体光发射器，并对激发光发射进行展望；7硅光调制器，主要讲述了光调制相关的一些基本物理效应以及硅的电折射效应和热光效应，介绍了光调制器一些特性以及相关的光、电结构，最后讲述了高带宽光调制器；8硅光电检测器，介绍了光电检测器原理以及重要性质，讲述了一些具体的光电检测器；9拉曼激光，主要讲述了拉曼激光的概念、简化理论、硅的拉曼效应，并对拉曼系数进行了介绍，最后具体讲述了一种连续波拉曼激光；10导光波导言，介绍了光导的射线光理论以及反射系数，讲述了集中具体的波导：平面波导模型、光导波理论、3D光波导，最后讲述了波导损耗、波导与光器件的耦合；11平面波导器件原理，讲述了平面波导耦合模型、直接耦合器、分布式布拉格反射镜，并具体讲述了一些平面波导器件；12用于密集波分复用系统的波导，主要讲述了阵列波导光栅的结构、工作原理和特性，介绍了提高阵列波导光栅性能的方法，列举了具体应用；13制备工艺及材料系统，主要讲述了光电子器件制备的主要工艺及材料处理方法。
本书描绘了硅光子学器件的基本工作原理和结构，并深入讲述了硅光子学现在发展以及展望了硅光子学未来，可以作为高等院校高年级本科生和研究生的教材和参考书，也可作为半导体光子学、光电集成、光电子器件、信息网络系统、计算机光互连及相关技术领域的科研人员、工程技术人员的参考书。
作者M. Jamal Deen是加拿大McMaster大学的教授， IEEE Transactions on Electron Devices的编辑，Fluctuations and Noise Letters的执行编辑，加拿大皇家学会会士，加拿大工程院院士， IEEE院士， 美国物理学会会士。他目前的研究领域是：微米纳米电子学、光电子学及其在生命和环境科学中的应用。
篇3
GaN、AlN、InN及其合金等材，是作为新材料的GaN系材料。对衬底材料进行评价要就衬底材料综合考虑其因素，寻找到更加合适的衬底是发展GaN基技术的重要目标。评价衬底材料要综合考虑衬底与外延膜的晶格匹配、衬底与外延膜的热膨胀系数匹配、衬底与外延膜的化学稳定性匹配、材料制备的难易程度及成本的高低的因素。InN的外延衬底材料就现在来讲有广泛应用的。自支撑同质外延衬底的研制对发展自主知识产权的氮化物半导体激光器、大功率高亮度半导体照明用LED，以及高功率微波器件等是很重要的。“氮化物衬底材料的评价因素及研究与开发”文稿介绍了氮化物衬底材料的评价因素及研究与开发的部分内容。
氮化物衬底材料与半导体照明的应用前景
GaN是直接带隙的材料，其光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级。因此，宽带隙的GaN基半导体在短波长发光二极管、激光器和紫外探测器，以及高温微电子器件方面显示出广阔的应用前景；对环保，其还是很适合于环保的材料体系。
1994年，日本的Nicha公司在GaN/Al2O3上取得突破，1995年，GaN器件第一次实现商品化。1998年，GaN基发光二极管LED市场规模为US$5.0亿，2000年，市场规模扩大至US$13亿。据权威专家的预计，GaN基LED及其所用的Al2O3衬底在国际市场上的市场成长期将达到50年之久。GaN基LED及其所用的Al2O3衬底具有独特的优异物化性能，并且具有长久耐用性。预计，2005年GaN基器件的市场规模将扩大至US$30亿，GaN基器件所用的Al2O3衬底的市场规模将扩大至US$5亿。
半导体照明产业发展分类所示的若干主要阶段，其每个阶段均能形成富有特色的产业链：
（1）第一阶段
第一阶段（特种照明时代，2005年之前），其中有：仪器仪表指示；金色显示、室内外广告；交通灯、信号灯、标致灯、汽车灯；室内长明灯、吊顶灯、变色灯、草坪灯；城市景观美化的建筑轮廓灯、桥梁、高速公路、隧道导引路灯，等等。
（2）第二阶段
第二阶段（照明时代，2005~2010年），其中有：CD、DVD、 H-DVD光存储；激光金色显示；娱乐、条型码、打印、图像记录；医用激光；开拓固定照明新领域，衍生出新的照明产业，为通用照明应用打下基础，等等。
（3）第三阶段
第三阶段（通用照明时代，2010年之后），包括以上二个阶段的应用，并且还全面进入通用照明市场，占有30~50%的市场份额。
到达目前为止（处于第一阶段，特种照明时代），已纷纷将中、低功率蓝色发光二极管(LED)、绿色LED、白光LED、蓝紫色LED等实现了量产，走向了商业市场。高功率蓝色发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和全波段InN-GaN等，将会引发新的、
更加大的商机，例如，光存储、光通讯等。实现高功率蓝色发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和全波段InN-GaN实用化，并且达到其商品化，这需要合适的衬底材料。因此，GaN材料及器件发展，需要寻找到与GaN匹配的衬底材料，进一步提高外延膜的质量。
另外，就基础研究和中长期计划考虑，科技发展越来越需要把不同体系的材料结合到一起，即称之为异质结材料。应用协变衬底可以将晶格和热失配的缺陷局限在衬底上，并且为开辟新的材料体系打下基础。已提出了多种协变衬底的制备技术，例如，自支撑衬底、键合和扭曲键合、重位晶格过渡层，以及SOI和VTE衬底技术等。预计，在今后的10~20年中，大尺寸的、协变衬底的制备技术将获得突破，并且广泛应用于大失配异质结材料生长及其相联系的光电子器件制造。
世界各国现在又投入了大量的人力、财力和物力，并且以期望取得GaN基高功率器件的突破，居于此领域的制高点。
氮化物衬底材料的评价因素及研究与开发
GaN、AlN、InN及其合金等材料，是作为新材料的GaN系材料。对衬底材料进行评价，要就衬底材料综合考虑其因素，寻找到更加合适的衬底是作为发展GaN基技术的重要目标。
一、评价衬底材料综合考虑因素
评价衬底材料要综合考虑以下的几个因素：
（1）衬底与外延膜的晶格匹配
衬底材料和外延膜晶格匹配很重要。晶格匹配包含二个内容：
· 外延生长面内的晶格匹配，即在生长界面所在平面的某一方向上衬底与外延膜的匹配；
· 沿衬底表面法线方向上的匹配。
（2）衬底与外延膜的热膨胀系数匹配
热膨胀系数的匹配也很重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏。
（3）衬底与外延膜的化学稳定性匹配
衬底材料需要有相当好的化学稳定性，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降。
（4）材料制备的难易程度及成本的高低
考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，而且其成本不宜很高。
转贴于
二、InN的外延衬底材料的研究与开发
InN的外延衬底材料就现在来讲有广泛应用的，其中有：InN；α－Al2O3(0001)；6H-SiC；MgAl2O4(111)；LiAlO2和LiGaO2；MgO；Si ；GaAs(111)等。
Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如，GaN、AlN、InN，这些材料都有二种结晶形式：一种是立方晶系的闪锌矿结构，而另一种是六方晶系的纤锌矿结构。以蓝光辐射为中心形成研究热点的是纤锌矿结构的氮化镓、氮化铝、氮化铟，而且主要是氮化镓、氮化铝、氮化铟的固溶体。这些材料的禁带是直接跃迁型，因而有很高的量子效率。用氮化镓、氮化铝、氮化铟这三种材料按不同组份和比例生成的固溶体，其禁带宽度可在2.2eV到6.2eV之间变化。这样，用这些固溶体制造发光器件，是光电集成材料和器件发展的方向。
（1）InN和GaN
因为异质外延氮化物薄膜通常带来大量的缺陷，缺陷损害了器件的性能。与GaN一样，如果能在InN上进行同质外延生长，可以大大减少缺陷，那么器件的性能就有巨大的飞跃。
自支撑同质外延GaN，AlN和AlGaN衬底是目前最有可能首先获得实际应用的衬底材料。
（2）蓝宝石(α-Al2O3)和6H-SiC
α-Al2O3单晶，即蓝宝石晶体。(0001)面蓝宝石是目前最常用的InN的外延衬底材料。其匹配方向为：InN(001)// α－Al2O3(001)，InN[110]// α－Al2O3[100][11，12]。因为衬底表面在薄膜生长前的氮化中变为AlON，InN绕α－Al2O3(0001)衬底的六面形格子结构旋转30°，这样其失匹配度就比原来的29%稍有减少。虽然(0001)面蓝宝石与InN晶格的失配率高达25%，但是由于其六方对称，熔点为2050℃，最高工作温度可达1900℃，具有良好的高温稳定性和机械力学性能，加之对其研究较多，生产技术较为成熟，而且价格便宜，现在仍然是应用最为广泛的衬底材料。
6H-SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石。同蓝宝石相比，6H-SiC与InN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，6H-SiC具有蓝色发光特性，而且为低阻材料，可以制作电极，这就使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可能，因而增强了6H-SiC作为衬底材料的竞争力。又由于6H-SiC的层状结构易于解理，衬底与外延膜之间可以获得高质量的解理面，这将大大简化器件的结构；但是同时由于其层状结构，在衬底的表面常有给外延膜引入大量的缺陷的台阶出现。
（3）镁铝尖晶石(MgAl2O4)
MgAl2O4晶体，即铝酸镁晶体。MgAl2O4晶体是高熔点(2130℃)、高硬度（莫氏8级）的晶体材料，属面心立方晶系，空间群为Fd3m， 晶格常数为0.8085nm。MgAl2O4晶体是优良的传声介质材料，在微波段的声衰减低，用MgAl2O4晶体制作的微波延迟线插入损耗小。MgAl2O4晶体与Si的晶格匹配性能好，其膨胀系数也与Si相近，因而外延Si膜的形变扭曲小，制作的大规模超高速集成电路速度比用蓝宝石制作的速度要快。此外，国外又用MgAl2O4晶体作超导材料，有很好的效果。近年来，对MgAl2O4晶体用于GaN的外延衬底材料研究较多。由于MgAl2O4晶体具有良好的晶格匹配和热膨胀匹配，(111)面MgAl2O4晶体与GaN晶格的失配率为9%，具有优良的热稳定性和化学稳定性，以及良好的机械力学性能等优点，MgAl2O4晶体目前是GaN较为合适的衬底材料之一，已在MgAl2O4基片上成功地外延出高质量的GaN膜，并且已研制成功蓝光LED和LD。此外，MgAl2O4衬底最吸引人之处在于可以通过解理的方法获得激光腔面。
在前面的研究基础上，近来把MgAl2O4晶体用作InN的外延衬底材料的研究也陆续见之于文献报道。其之间的匹配方向为：InN(001)//MgAl2O4(111)，InN[110]//MgAl2O4[100]，InN绕MgAl2O4(111)衬底的四方、六方形格子结构旋转30°。研究表明(111)面MgAl2O4晶体与InN晶格的失配率为15%，晶格匹配性能要大大优于蓝宝石，(0001)面蓝宝石与InN晶格的失配率高达25%。而且，如果位于顶层氧原子层下面的镁原子占据有效的配位晶格位置，以及氧格位，那么这样可以有希望将晶格失配率进一步降低至7%，这个数字要远远低于蓝宝石。所以MgAl2O4晶体是很有发展潜力的InN的外延衬底材料。
（4）LiAlO2和LiGaO2
以往的研究是把LiAlO2 和LiGaO2用作GaN的外延衬底材料。LiAlO2 和LiGaO2与GaN的外延膜的失配度相当小，这使得LiAlO2 和LiGaO2成为相当合适的GaN的外延衬底材料。同时LiGaO2作为GaN的外延衬底材料，还有其独到的优点：外延生长GaN后，LiGaO2衬底可以被腐蚀，剩下GaN外延膜，这将极大地方便了器件的制作。但是由于LiGaO2晶体中的锂离子很活泼，在普通的外延生长条件下（例如，MOCVD法的化学气氛和生长温度）不能稳定存在，故其单晶作为GaN的外延衬底材料还有待于进一步研究。而且在目前也很少把LiAlO2和LiGaO2用作InN的外延衬底材料。
（5）MgO
MgO晶体属立方晶系，是NaCl型结构，熔点为2800℃。因为MgO晶体在MOCVD气氛中不够稳定，所以对其使用少，特别是对于熔点和生长温度更高的InN薄膜。
（6）GaAs
GaAs(111)也是目前生长InN薄膜的衬底材料。衬底的氮化温度低于700℃时，生长InN薄膜的厚度小于0.05μm时，InN薄膜为立方结构，当生长InN薄膜的厚度超过0.2μm时，立方结构消失，全部转变为六方结构的InN薄膜。InN薄膜在GaAs(111)
衬底上的核化方式与在α－Al2O3(001)衬底上的情况有非常大的差别，InN薄膜在GaAs(111)衬底上的核化方式没有在白宝石衬底上生长InN薄膜时出现的柱状、纤维状结构，表面上显现为非常平整。
（7）Si
单晶Si，是应用很广的半导体材料。以Si作为InN衬底材料是很引起注意的，因为有可能将InN基器件与Si器件集成。此外，Si技术在半导体工业中已相当的成熟。可以想象，如果在Si的衬底上能生长出器件质量的InN外延膜，这样则将大大简化InN基器件的制作工艺，减小器件的大小。
（8）ZrB2
篇4
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（Smartcut）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。
2.2GaAs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980nmInGaAs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120K5μm和250K8μm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PicogigaMBE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/GeSiMODFET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LarsSamuelson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=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN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6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC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。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。
5.2GaAs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。
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摘 要：随着化石能源日益枯竭和环境污染的加剧，社会的发展迫切需要寻找清洁可再生能源。薄膜光伏发电是安全、无噪音、建设周期短、使用寿命长、零排放的清洁能源，因而备受关注。本文简要分析了目前薄膜太阳能电池的概况，为未来的发展方向提供依据。
关键词：薄膜太阳电池；光伏；分类；概况
1.引言
目前，市场上的太阳能电池以单晶硅、多晶硅为主，但其工艺复杂，成本^高，而成本一直是光伏产业能否大范围普及的关键。薄膜太阳能电池能够大幅度降低电池成本，近年来得到了较快的发展。
2.薄膜电池分类以及发展
薄膜太阳能电池具有多种分类[1]，按照吸收层材料，可分为硅系、多元化合物和有机薄膜太阳电池。硅系薄膜主要包括非晶硅薄膜，多晶硅薄膜；多元化合物薄膜主要包括III-VI族二元化合物，如碲化镉、硫化镉薄膜；III-V族二元化合物，如砷化镓、磷化铟薄膜太阳电池；I-III-VI2族三元化合物，如铜铟硒、铜铟硫薄膜；有机薄膜主要包括染料敏化剂薄膜和聚合物薄膜。上述的电池的结构以及优点各不相同，分别进行介绍。
2.1硅系薄膜太阳电池
硅薄膜太阳能电池按照材料可细分为非晶硅、多晶硅和微晶硅薄膜太阳电池；其中以多晶硅薄膜太阳电池的应用最为广泛。
2.1.1非晶硅薄膜太阳电池
1976年，非晶硅薄膜太阳电池由RAC实验室的Carlson等研制成功，也是最早实现商业化[2]。随后，其得到了较快的发展。钟迪生等采用等离子体化学气相沉积法特别是RF辉光放电法制作高质量的非晶硅薄膜；United Solar Ovonic完成了面积929cm2的a-Si薄膜太阳能电池，转换效率达9.8%，利用减反射层可使小面积的电池效率达到12%；日本的Ichikawa等使用柔性树脂薄膜衬底，利用roll-to-roll CVD在50cm×1km的树脂基底上制备a-Si/a-SiGe太阳能电池，效率达10.1%；日本中央研究院制的的非晶硅电池的转化效率已经达到13.2%。
国内，中科院半导体所研制的玻璃衬底非晶硅单结太阳能电池，效率达11.2%；南开大学薛俊明等采用PECVD技术制备非晶硅顶电池，采用甚高频PECVD技术制备出微晶硅底电池，研制出效率达9.83%的薄膜非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池；美国国家再生能源实验室利用堆叠技术，制得三结叠层太阳能薄膜，转换率达到12%。但是非晶硅的带隙为1.7eV，对应吸收波长为730nm，与太阳光谱长波区域不匹配，理论上限制了其转换效率的提高。此外，随光照时间的延长，转化效率会明显衰减。目前，稳定的单结非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率最高达9.5%，而量产的效率只维持在8%左右。
2.1.2多晶硅薄膜电池
多晶硅薄膜太阳电池以生长在衬底上具有纳米尺寸和具有不同晶面的小晶粒构成的多晶硅薄膜作为吸收层，通常可以采用化学气相沉积法、液相外延法、金属诱导晶体法、非晶硅薄膜固相晶化法或等离子喷涂法形成。Kaneka公司设计的STAR结构的多晶硅薄膜电池，效率已经达到了10.7%，厚度小于5um，并且无光致衰减现象；另一种SIO结构的多晶硅薄膜电池100cm2，获得了14.22%的效率；H.orikawa等制备出了效率高达16%的多晶硅薄膜电池；日本三菱公司用该法制备电池，效率达到16.42%。德国费来堡太阳能研究所采用区域在再结晶技术在Si衬底上制的多晶硅电池转换效率为19%。理论计算表明，多晶硅薄膜太阳能电池的最高效率可达28%。与单晶硅电池相比，多晶硅薄膜电池厚度约为前者，大大的降低了生产成本，且在长波段具有高光敏性，吸光好，稳定性高，无光致衰退效应，制作工艺简单，具有广阔的发展前景。
2.2多元化合物薄膜太阳电池
2.2.1II-VI族薄膜电池
在II-VI族化合物半导体材料主要包括碲化镉、硫化镉，用该半导体制作的太阳能电池有很高的理论转换效率。CdTe薄膜电池通常以CdS/CdTe异质结作为吸收层，填充因子高达FF=0.75，并且其容易沉积得到大面积的薄膜，沉积速率也较高，膜的厚度通常为1.5-3μm。因而CdTe薄膜电池制造成本也得以大大的降低低，应用前景良好。它已经成为欧美、日、韩等国研究开发的主要对象。托莱多大学的鄢炎发博士采用溅工艺制得效率为14%的碲化镉太阳能电池；采用近空间升华法制得效率高于15.8%的碲化镉太阳能电池。在国内，四川大学太阳能材料与器件研究所的冯良恒，制备出转换效率高达11.6%的碲化镉薄膜太阳能电池，进入了世界先进行列。CdS半导体具有纤锌矿结构，属于直接带隙半导体材料，带隙宽度为2.4eV，光吸收系数较高，透光性好，主要用于薄膜太阳电池的n型窗口材料，可以与碲化镉、铜银硒形成良好的异质结结构。但是，由于Cd元素对环境污染严重，阻碍了CdS/CdTe电池的应用。
2.2.2I-III-VI2族化合物薄膜太阳电池
I-III-VI族化合物半导体是指以具有黄铜矿、闪锌矿晶体结构作为吸收层的太阳电池，通常可以掺入即形成四元化合物半导体吸收层。I-III-VI2族化合物半导体的研究集中在CuInSe2、Cu（In，Ga）Se2、CuInS2等材料，上述半导体材料具有禁带宽度连续可调，吸收系数高的优点。日本昭和石油公司创下了CIS系薄膜太阳能电池转换效率的最高世界纪录，面积为864cm2的薄膜太阳电池转换效率为14.3%，该公司完成了使用该太阳能电池的日本第一个太阳能发电系统，使得该电池的实用化向前迈进了一大步。
国内，南开大学研发的电池光电转换效率已经达到14%，接近世界先进水平。目前，Cu（In，Ga）Se2薄膜太阳电池实验室最高转换效率达到了20.3%（3）。黄铜矿系薄膜太阳能电池是未来的太阳能电池主流产品之一，可广泛用于大型太阳能电站、节能楼宇玻璃及航空航天等军事用途，有着巨大的市场需求。
2.2.3砷化镓、磷化铟薄膜太阳电池
首次发现GaAs材料具有光伏效应在1954年，至今已有50多年。在1956年，LoferkiJ.J.研究探讨了制造太阳电池的最佳材料的物性；20世纪60年代，Gobat等研制出第1掺锌GaAs太阳电池，转化率仅为9%～10%；20世纪70年代，IBM公司和前苏联loffe技术物理所等研究单位，采用液相外延技术引入GaAlAs异质窗口层，降低了GaAs表面的复合速率，使GaAs太阳电池的效率达16%；不久，美国HRL等通过改了LPE技术使得电池平均效率提高到18%，并实现了批量生产；从上世纪80年代后，GaAs太阳电池技术经历了从LPE到MOCVD，从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构的几个发展阶段，其发展速度日益加快，效率也不断提高。目前实验室最高效率已达到50%，产业转化率可达以上30%。
2.3有机薄膜太阳电池
有机太阳电池主要包括染料敏化、聚合物薄膜太阳电池，其原理与光合作用类似，通过载有染料的半导体电极将光能转换为电能。早期以载有单层染料分子的平板电极作为吸收层，转换效率较低。1991年Gratzel教授首次使用载有染料光敏剂的多孔TiO2替代平板电极，将转换效率提高到了 7.1%。从此，染料敏化薄膜太阳电池得到了较快的发展。2001年澳大利亚STA公司建立了第一个DSCS工厂；2003年台湾工业技术研究院能源研究所开发出纳米晶体染料敏化薄膜太阳电池，将光电转换效率提高到了8%-12%；2004年日立成功研制了大尺寸染料敏化薄膜太阳能电池，光电转换效率达9.3%；同年，Peccell Technologies公司开发出高压（4V）的染料敏化纳米晶薄膜太阳电池，可作为下一代薄膜电池。目前，染料敏化薄膜太阳电池实验室最高效率达到了11.4%。
与染料敏化薄膜太阳电池相比，有机聚合物薄膜电池具有柔韧性好、成本低廉、容易加工等优点，其研究处于刚刚起步阶段，使用寿命和电池效率不能和其他成熟的电池产品相比。目前，有机聚合物薄膜电池实验室光电转换效率为10%左右。
3.小结
综上所述，薄膜太阳能电池在节约能源、降低成本方面具有较大的优势与发展前景。但薄膜太阳能电池的转换效率还有进一步提升的空间，通过不断出现的新技术，如量子点、纳米表面结构、背反射技术等等，将会进一步提升电池效率，推动薄膜太阳电池上一个新的台阶。
参考文献
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关键词：光子晶体；光子频率禁带；激光全息；光子晶体激光器；微波天线
中图分类号：TN364 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)22-5468-02
进入20世纪后半叶以来，全球迎来了电子时代，电子器件被极其广泛的应用于工作和生活的各个领域，尤其是促进了计算机和通讯行业的发展。但是进入21世纪以后，伴随着电子器件不断深入的小型化、低耗能、高速度，其进一步的提升也越来越困难。人们感到了电子器件发展的瓶颈，开始把目光转向了光子，有人提出了使用光子代替电子作为新一代信息载体的设想。电子器件的基础是电子在半导体中的运动，类似的，光子器件的基础是光子在光子晶体中的运动。光子的性质决定了光子器件的主要特点是能量损耗小、运行速度快，所以工作效率高。光子器件在高效率发光二极管、光子开关、光波导器件、光滤波器等方面都具备巨大的应用潜力。近年来，光子晶体相关的理论研究、实验科学以及实际应用都已经得到了迅速的发展，光子晶体领域已经成为现在世界范围的研究热点。1999年12月17日，《科学》杂志就已经把光子晶体的研究列为全球十大科学进展之一。
1 光子晶体的由来
1987年S. John和E.Yablonovitch等人分别提出了光子晶体的概念：光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。它是根据电子学上的概念类比得出的。我们知道，在固体物理学的研究中，晶体中的呈周期性排列的原子产生的周期性电势场会对其中电子有特殊的约束作用。在介电常数周期性分布的介质中的电磁波的一些频率是被禁止的，光子晶体也类似，通常这些被禁止的频率区间为光子带隙，也叫光子频率禁带，而将具有“光子频率禁带”的材料称作为光子晶体。
2 光子晶体的分类与结构
我们可以根据光子晶体的结构进行分类，根据其能隙空间分布的不同，我们把光子晶体分为一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体。
3 光子晶体的制造
光子晶体在自然界中几乎不存在，它是一种人造微结构，其制备工艺主要有以下几种：
3.1 机械加工法
机械加工法又叫精密机械加工法，这种加工法是在光子晶体的早期研究中发展起来的方法。机械加工法通过在集体材料上进行机械接卸钻孔，利用空气介质和集体材料的折射率差来获得光子晶体，这种方法可以用于制备制作起来比较容易的晶格常熟在厘米至毫米量级的微波波段光子晶体。
3.2 半导体微制造法
半导体制备技术中的“激光刻蚀”、“反应离子束刻蚀”、“电子束刻蚀”以及“化学汽相淀积”等能够应用于面心立方结构的光子晶体的制备。
这类制备方法的优点在于可以利用现有半导体产业的技术和设备，并且用这种方法制备的光子晶体具有较宽的禁带，在集成光电子元件的应用方面有很大的潜力。但是这类制备方法的工艺太过复杂，而且成本过高，并且在向光子晶体中引入缺陷和制备更短波长的光子晶体等方面存在不足。
3.3 胶体自组织法
分散的聚苯乙烯乳胶球能自发的在水中排列成面心立方和体心立方等有序结构，这种胶体体系被人们称为胶体晶体。目前制备交替晶体的多为二氧化硅小球体系或者聚苯乙烯球。这种方法制备的光子晶体的折射率比值不会太大。蛋白石光子晶体的折射率比值比较小，这也就决定了此种胶体光子晶体的光子禁带较窄，它们是非完全光子带隙晶体。为解决胶体晶体的低介电常数配比问题，人们又发展了模板法。
模板法和胶体法可以用于制备可见光和近红外波段的三维光子晶体。它们的缺点是不易引入人们想要的缺陷，以及制得的光子晶体机械强度较低，尺寸较小等。
3.4 激光微制造法
有一种相对比较简单的制备光子晶体的方法叫做激光微制造法。其原理是，光线能通过透镜产生汇聚，从而在焦点处可以产生很高的温度。如果将紧密聚焦后的激光束直接照射在透明材料上，只要光强足够大，则材料内部的亚微观尺寸区得光学性质会被改变。光学改性区取决于激光束的聚焦情况，如果使用配有高数值孔径的显微镜对激光束聚焦，则所得的光学改性区的尺寸有可能达到进行为制造的激光波长量级。
3.5 激光全息制造法
激光全息制造法的原理是：两束或多束相关光线在相互重叠汇聚处能产生在空间上呈周期性变化的图案，然后再通过光与物质的相互作用，就能形成介质折射率在空间上呈周期性变化的结构。因为在光强比较高的地方，液态树脂会发生固化，而其他地方还是液态，所以该电磁波场强的图案能被转印到树脂材料中，进而得到需要的光子晶体结构。
3.6 双光子聚合法
双光子聚合是近些年来发展起来的一种新型光聚合技术，它要求材料中能引发光聚合的活性成分能在同时吸收两个光子，产生一种活性物质，进而引发聚合反应。双光子聚合技术是点聚合，能通过计算机辅助设计进行立体结构加工，所以加工精密度要比普通光聚合更高。
4 光子晶体的应用发展
4.1 光子晶体激光器
传统光学器件尺寸的缩小已经接近物理极限，光子晶体为突破这一瓶颈限制带来了曙光，可望满足元器件不断微型化的需要。另外从理论性上看，光子晶体激光器的起振阈值可以为零。因此光子晶体激光器的研究受到了广泛重视，日本、美国、德国、韩国、英国、瑞士、法国等国的研究者都已研制出光子晶体激光器装置。但由于其制作工艺复杂，目前国内在这方面的研究基本上还是空白状态。
从工作原理上看，光子晶体激光器可以分为两类，一类基于缺陷态光子晶体的特性，另一类基于光子晶体的理想反射特性。
从工作特点上看，光子晶体激光器可分为半导体光子晶体激光器、光子晶体光线激光器、光子晶体激光二极管、有机聚合物光子晶体激光器。
从结构特点看，已研制出的有光子晶体带间缺陷模激光器、表面发射型光子晶体激光器、脊形波导光子晶体激光器、六角波导环形谐振腔光子晶体激光器、光子晶体分布反馈式激光器、垂直腔面发射光子晶体激光器、光子晶体带边激光器等。
4.2 光子晶体光纤
光子晶体纤维其实就是在二维光子晶体的长度方向上制造一定的缺陷，从而使其能够成光的导体的波导。光子纤维光线最重要的特点是无休止单模特性和其奇异的色散特性。
4.3 光子晶体在为微波中的应用-微波天线
这里主要介绍一种在微波领域中的平面二维光子晶体.这种光子品体可能实现相位可控的金属-介质反射表面，因而可能实现具有高表面阻抗的电磁波反射表面,也就是说，可能实现电磁波的同相位反射.这样的光子晶体，将会在天线、通讯、尤其是手机通讯中、有非常诱人的应用前景。
4.4 光子晶体发光二级管
众所周知，传统的发光二极管在光通信领域中起着关键性的作用。一般的传统发光二极管的发光中心发出的光要经过包围它的介质的无数次反射，其中大部分的光不能有效地耦合出去，从而使传统的发光二极管的光辐射效率很低。如果把一块特质的光子晶体放在发光二极管的发光中心，并设计成该发光中心的自发辐射频率与其中间的光子晶体的光子频率禁带相重合，则发光二极管的发光中心发出的光就不会进入包围它的光子晶体中，而是沿着特定的设计方向相外辐射，这样就能极大地提高发光二极管的效率。
5 结束语
如前文所述，光子晶体虽然只发展了短短二十几年，但是因为其广阔前景，已经引起了全世界学术界的广泛重视，很多科研工作者在光子晶体的理论研究、实验以及具体应用上都进行了大量的工作。当前光子晶体的波长范围已经发展到了红外光甚至可见光的波段，但是如果想在此波段范围内制造完全带隙的三维光子晶体还存在着一定的困难，目前最大的制约还是在适宜的材料和加工工艺上。因此，人们发明了了双光子聚合技术和激光全息光科技书，这两种技术结合了高分子化学和激光光学的全新手段，是交叉性、边缘性的前沿研究领域。目前在加工工艺方面，人们可以采用激光全息技术来制备三维光子晶体，甚至也能通过计算机辅助设计来给光子晶体加入我们想要的缺陷。但是在先进技术不断革新的同时，我们对材料也不断提出了更高的要求。我们希望材料聚合后的折射率应较大，因为折射率相差越大，光子晶体产生的能隙宽度才会越大。现在，人们使用以上技术制造出的聚合物微结构作为模板，再结合其他高折射率的材料，例如使用硅、锗等进行填充，再通过煅烧、化学腐蚀等方法出去模板，进而制备出具有更高设置指数的光子晶体。
光子晶体优良的特性及其在光电子领域巨大的应用潜力，必将推动光通信技术的飞速发展。目前光子晶体正处于深入研究和应用推广阶段，许多美好设想即将成为现实，国内外的科学家们将在该领域进行大量的研究工作。
参考文献：
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篇7
关键词 纳米TiO2 光催化剂 制备方法
中图分类号： TQ174.75 文献标识码：A
随着工业化和城镇化的快速发展，环境污染已经越来越严重，并且直接影响人们的身体健康。自从1972年日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授发现TiO2能够光催化分解水制氢以来，半导体光催化技术逐渐成为人们研究的一个热点领域，因此光催化降解有机污染物是一种有效的解决环境问题的方法。在众多的半导体光催化剂中，纳米TiO2作为一种重要的宽带隙半导体光催化材料，具有原料易得、无毒、催化活性高、化学性质稳定、高氧化能力、价格低廉等优点，在光催化降解有机污染物、催化剂载体、太阳能电池、气体传感器以及自清洁材料等许多研究领域有着广泛的应用[1-4]。纳米TiO2光催化剂的光催化降解原理是在光照射下产生光生电子-空穴Γ这些电子-空穴对具有极强的氧化还原性，能与TiO2表面吸附水、氧气以及有机污染物发生一系列的氧化还原反应将有机污染物最终降解为CO2、H2O和其它无毒的无机小分子等。纳米TiO2许多独特的物理化学特性在很大程度上受到其制备方法的影响，本文主要分析了目前纳米TiO2光催化剂的制备方法及其特点，并对其未来的发展趋势进行了阐述。
1纳米TiO2光催化剂的制备方法
目前纳米TiO2光催化剂的制备方法主要有固相法、气相法和液相法等3种方法。
1.1固相法
固相法是通过机械研磨使对固体反应物进行粉碎并不断细化，再经干燥、烘干、煅烧等过程即可得到纳米TiO2粉体。固相法具有合成工艺简单、原料易得、污染少、产率高、可实现批量生产等优点，但该方法具有容易引入杂质、颗粒不均匀、易团聚、耗能大等缺点。
1.2气相法
气相合成法是一种传统方法，将待制备的金属、合金或者是化合物前体物质进行气化，以使其在气相状态下发生化学或者物理变化，继而通过冷却使其成核、晶核长大、凝聚等一系列过程最终形成纳米TiO2。气相法主要包括物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD），具有反应速度快、粉体纯度高、粒径细、分散性较好，颗粒团聚少等优点，但该方法制得的粉体产量小、成本高、设备复杂、能耗高，操作复杂，使其应用受到限制。
1.3液相法
液相法是国际上研究最广泛的方法，因其具有操作方便、合成温度低、工艺简单以及纯度高等优点，在实验室和工业生产中得到了广泛的应用。
1.3.1溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是指无机钛盐或者钛醇盐经溶液水解、缩合等化学反应生成三维网络结构的凝胶，经干燥、热处理而制得纳米TiO2的方法。该法具有合成温度低、工艺简单、粒径小、分散性好等优点；但也存在原料成本高，产物干燥时体积收缩较大且易于团聚等缺点。2015年曾宪光等以钛酸丁酯为前躯体，采用溶胶-凝胶法制备了粒径为9 nm的锐钛矿型纳米TiO2，取得了较好的光催化效果。
1.3.2水热/溶剂热法
水热/溶剂热法是采用水或其它有机溶剂作为反应介质，在特制的密闭反应器中通过加热，形成一个相对高温、高压的反应环境，使难溶或不溶的物质进行溶解并重结晶制备纳米TiO2的一种方法。该方法具有无需煅烧、纯度高、晶型好、粒径小且颗粒大小可控等优点，但反应过程需要高温高压，对设备的材质和安全要求较严，操作复杂。2011年孙海身等以钛酸四丁酯为前驱物，利用硫脲为掺杂剂，采用水热法制得TiO2纳米粉体，硫元素的掺杂提高了光催化活性，在可见光下得到了理想的降解效果。
1.3.3沉淀法
沉淀法是纳米粉体制备中被广泛应用的方法之一，是把沉淀剂（如NaOH、氨水等）加入无机钛盐溶液中产生沉淀，经过滤、洗涤、烘干等手段制备纳米TiO2的方法。沉淀法包括直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法，具有成本低、粒度均匀、致密、纯度高等优点。但该方法存在杂质难以除去，分散性差，易团聚等不足。2014年景茂祥等以硫酸亚钛和碳酸氢铵为原料，采用控制结晶连续沉淀法制备了介孔TiO2微球光催化剂，催化剂可以重复使用，对甲基橙溶液的降解率在95%以上。
1.3.4微乳液法
微乳液法通常由表面活性剂、助表面活性剂和水等组成的透明的、各向同性的热力学液体稳定体系。该方法具有操作容易、原料便宜、反应条件温和、粒径小且可控等优点。但该方法结晶性差，所得产物的分子间隙大，表面表面活性剂分子难以去除。2010年方建章等以乙二亚甲基-双（十六烷基二甲基溴化铵）（EbCDAB）/正己醇/水微乳体系，采用微乳液法制备了纳米TiO2光催化剂，对甲基橙溶液的降解率达82.6%。
1.3.5水解法
水解法是钛醇盐与水反应发生水解，生成溶胶，经洗涤、干燥、煅烧后得TiO2粉末。 该方法比较成熟，所得产物纯度高、粒径小、分散性好、工艺简单，但是该方法成本较高，合成周期长，水解条件不易控制。2012年赵婷婷等以无机盐TiCl4为原料，用（NH4）2SO4修饰TiCl4溶液，采用水解法制得TiO2粉末，对甲基蓝溶液的降解率达80%以上。
1.4其它方法
1.4.1模板法
模板法是利用模板自身的微结构对所合成材料的结构、形貌尺寸进行有效调控，通学化学腐蚀或者烧结等方法去除模板，从而获得理想的TiO2结构材料。常见的模板主要有多孔阳极氧化铝模板、有机高分子模板、生物分子模板等。该方法具有操作简单、绿色环保、 反应条件温和以及形貌可控等优点，但材料后处理工艺繁琐，需要高温及有机溶剂除去模板剂。
1.4.2静电纺丝法
静电纺丝法是利用聚合物溶液在外加电场作用下形成射流，进行连续纺丝加工的工艺，通过静电力拉伸溶胶形成超细纤维的过程。该法实验条件简单、易操作、产物长径比大，但是纳米纤维的强度较低，难以得到彼此分离的纳米纤维长丝或短纤维。
除了上述报道的各种制备方法外，另外还包括仿生合成法、微波辅助合成法、喷雾热分解法等制备方法。
2结语
二氧化钛是一种重要的无机功能材料，具有许多独特的物理化学特性，在很多等领域已经受到越来越多的关注。然而，二氧化钛禁带宽度较宽，只能被紫外光激发电子才能发生跃迁，太阳光利用率低，且光生电子-空穴对容易复合等问题严重制约了其在实际中应用。因此，如何扩宽二氧化钛的光响应范围，降低光生电子和空穴的复合率，从而提高二氧化钛的光催化活性并拓展其应用领域将成为人们今后研究的重点。
（通讯作者：杨志广）
基金项目：周口师范学院化学化工学院实验室开放项目（HXK201607）；周口师范学院化学化工学院大学生科研创新基金项目（HYDC2016004）。
参考文献
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篇8
[关键词]极细金属导体；关键配套材料；技术；应用
中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0324-02
随着新一代信息产业、航天航空以及医疗的飞速发展，网络、航天设备以及医疗设备等信息终端产品逐渐呈现高性能、小体积、轻重量的发展。人们对极细金属信号传输导体和碳纤维表面涂覆金属导体材料的研究越来越多，为了更好的实现极细金属导体广泛的应用于新一代信息产业、航天航空以及医疗设备等领域中，本文对极细金属导体关键配套材料进行研究有一定的经济价值和理论意义。
一、 极细金属导体关键配套材料研究现状
（一） 研究背景
近年来，随着科学技术的日新月异，网络、航天设备以及医疗设备等信息终端产品其性能越来越高、体积越来越小，重量越来越轻，在一定程度上引领当今时展的潮流，尤其是笔记本电脑、平板电脑、手机突飞猛进的发展，推动了时代经济的快速发展。就极细金属导体关键配套材料而言，趋于当今时展的主题，人们对极细金属导体关键配套材料提出了更高的要求，从根本上对铜合金材料组成设计、冶炼以及金属导体的电镀等技术提出了更高的要求。
（二） 研究目的
本文对极细金属导体关键配套材料进行研究，其主要的目的为了满足当今时代对新一代移动终端的极细电缆提出了的更高要求，就目前而言，当今时代对新一代移动终端的极细电缆提出的要求一方面保证极细电缆在信号传输的时候不仅仅要有着优异的耐弯曲性能和耐扭曲性，同时还要有着一定的抗震性能；另一方面则要求极细信号传输电缆有着相对较小的体积、相对较轻的质量以及较快的传送速度，同时还要有着较大的容量和较强的抗干扰能力。总之对极细金属导体关键配套材料进行研究有一定的研究目的。
（三） 研究意义
金属导体作为信号传输电缆的一种关键性材料，一方面不仅仅要有较小的直径、较轻的质量以及较强的抗氧化能力，同时在一定程度上还要便于焊接，而对极细金属导体关键配套材料进行研究，为新一代信息技术的发展提供了一定的关键配套技术，同时从根本上提高了材料的使用寿命、可焊性以及抗氧化能力。总之，对极细金属导体关键配套材料进行研究有一定的研究意义。
（三） 研究现状
就目前而言，极细金属导体生产量逐渐增多，但是虽然金属导体的生产企业相对较多，但是就其实质性而言，往往有着相对分散的技术。就我国极细金属导体的生产而言，其技术水平远远低于发达国家的生产技术，我国金属导体材料的直径普遍为0.05m，有着相对不稳定的性能，同时其合金材料的强度和电阻的指标达不到要求。我国虽然有着人口庞大的经济市场，13多亿人，仅仅有65%使用国内产品，而笔记本电脑和数码相机的生产相对较低。近年来，人们对于极细金属导体的研究越来越多，同时极细金属导体关键配套材料的应用前景更加的广泛。
二、 极细金属导体关键配套材料主要技术
（一） 极线合金材料主要技术
就极线合金导体材料而言，主要有银铜合金、锡铜合金以及锡铟铜合金三种，就锡铜合金而言，主要的成分配方为0.15%Sn/Cu、0.3%Sn/Cu、0.7%Sn/Cu，而银铜合金主要的成分配方为2%Ag /Cu、4%Ag /Cu，锡铟铜合金的主要成分配方主要有0.9%Sn/0.2%In /Cu。同时通过对真空和过滤技术的采用，以及低温强压加工技术的结合，进而保证了生产出的导体有着较少的杂质和较稳定的产品性能。
（二） 极细镀银、镀锡银铜合金、锡铜合金、锡铟铜合金导体精加工主要技术
往往这种主要技术是对直线式拉丝工艺的采用，从根本上对产品性能稳定有着严格的保证。通过对拉丝模具孔径结构和测量方法进行改进，使得拉丝线径有着一定的稳定性精度，绞合导体则是通过恒张力退扭绞合工艺技术的采用，有效地实现了极细金属导体向着高强高导、高抗软化温度、良好的成型性、高精密的尺寸精度等综合性能优良的方向发展。
（三） 碳纤维表面金属涂覆加工方面的主要技术
严格的对化学镀和电镀工艺技术采用，从根本上使得导体镀层的强度和结合率增加。
三、 极细金属导体关键配套材料研究
（一） 极细金属导体关键配套材料研究的内容
在对极细金属导体关键配套材料进行研究的时候，主要针对合金导体材料及冶炼工艺、合金材料的复合形变与热处理工艺、直径0.025mm及以下极细导体加工工艺以及碳纤维丝表面金属涂覆工艺技术作了主要的研究。在对高性能合金材进行研究的时候，严格的控制热处理与变形交互的单级或多级变热处理制度，通过对各合金体系固溶、时效规律以及冷加工作用的掌握，从根本上对合金组织结构随性变热处理条件变化进行一定的了解。对碳纤维表面金属涂覆工艺技术研究的时候，注重碳纤维镀前的表面处理方法和碳纤维电镀和化学镀镀层相结合的工艺，从根本上提高金属涂覆的质量。
（二） 极细金属导体关键配套材料的技术指标
一般来说，极细金属导体关键配套材料技术指标主要有合金材料的技术指标、极细合金导体单丝技术指标、极细合金导体表面镀层技术指标、极细合金绞合导体技术指标以及碳纤维丝表面金属涂覆技术指标。，其技术要求如表1所示：
同时对于极细合金导体表面镀层技术指标而言，单丝线径0.0098mm-0.025mm的极细合金导体表面电镀银、电镀锡后的镀层厚度为0.3-0.7um。就碳纤维丝表面金属涂覆技术指示而言，单丝线径0.0098mm-0.025mm的碳纤维丝表面镀银、镀锡、镀铜后的镀层厚度为0.3-0.7um。
四、 极细金属导体的制备
（一） 极细金属导体制备工艺流程图
极细金属导体制备工艺技术流程图如图1 所示。
（二） 流程浅析
在对合金材料配方设计与金属元素分析检测上，首先就要对最佳合金成分进行确定，其次就要对高纯度原料进行采用，保证合金材料加工之后的高强度、高电导率和稳定的性能。流程图中多次用到了分析检测，，同时还要从根本上处理电镀前的表面，在无尘环境中进行多道次减面拉伸，加工到单丝线径0.025-0.012mm，最小加工到直径0.0098mm，进入下道进行退扭绞合。由于导体强度大，绞合时易产生内应力，一方面损伤导体性能，另一方面绞合成品率低。因此，本项目采用退扭恒张力放线技术和绞后退扭技术，去除绞线导体的内应力，确保导体质量和提高产品合格率。
（三） 技术特点
极细金属导体制备工艺过程中技术的难点主要表现在合金材料、电镀工艺、拉丝形变工艺、中间回火处理工艺以及绞合工艺等关键技术上。一般来说，合金材料的机械特性主要是从弹性变形改为塑性变形，就要从根本上对纯度99.99%铜为基材，掺入银、锡、铟等元素进行铸造，同时加入其他的杂质在铸造的过程中，但是，如果杂质和氧含量控制不好，会严重影响合金材料的机械性能和电性能。电镀工艺关键技术对于提高高频信号的传输特性有一定的积极影响。拉丝形变工艺关键技术特点主要表现在对拉丝设备、拉丝模具、拉丝液、运行参数等各项指标的控制，从根本上实现对拉丝的道次及速度控制。
（四）碳纤维表面金属涂覆加工方案
一般来说，碳纤维表面金属涂覆加工方案首先就要对碳纤维丝进行选材和分析检测，其次就要进行镀前预处理，将通过前处理后的碳纤维丝首先通过化学方式进行预镀银、锡、铜处理，然后再通过电镀工艺进行加厚镀层，最后再分析检测，并将表面通过金属涂覆处理后的碳纤维丝进行束丝绞合成电缆内导体成品。
五、 极细金属导体关键配套材料应用优势
极细金属导体关键配套材料的应用优势可以从以下几点说起：
第一、 在一定程度上产生了直径0.025mm及以下的镀银、镀锡银铜合金、锡铜合金、锡铟铜合金极细导体两大系列产品，从而实现极细合金镀银、镀锡信号传输导体的中试目标，并实现年产5吨的生产规模，年销售收入实现5000万元，为今后产业化提供技术基础。
第二、 碳纤维表面涂覆同、银、锡极细导体的加工技术更加的完善和成熟。
第三、 促进我国国内极细特种合金导体、替代进口产品，提高我国极细导体产品国内外市场竞争力、带动相关产业发展，推动地方产业结构优化升级都将起到积极的推动作用。
第四、 具有良好的社会效益和经济效益，如表2所示：
总而言之，极细金属导体关键配套材料有着一定的应用优势，不仅仅一定的知识产权和技术成果，同时也加强了人才队伍的建设。
结语：
随着新一代信息技术的快速发展，极细金属导体关键配套材料在未来的发展中将会有着更加广阔的应用范围，进而带来不可估量的社会效益和经济效益。
参考文献
[1] 刘玉龙，金元松等.金属多面体上低剖面天线的矩量法分析[J].电波科学学报，2013，28（2）：290-295.
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篇9
关键词:LED灯光;节能性;艺术性
中图分类号:TK01+8 文献标识码:A
一、LED灯光在照明领域的意义和现状
LED灯光的产生在照明领域具有里程碑式的意义。随着世界日益增加的能源消耗需求,石油、天然气、煤碳等当代世界主要能源资源的储存量正在逐步减少,按照现在的开采速度,石油和天然气分别只有40多年和60多年的可采储量。寻求新能源和再生能源的利用,开发节能高效的技术,受到了全球范围的普遍重视。太阳能光伏发电LED照明是新能源和节能技术的典型应用。太阳能光伏发电将大自然中的太阳能转换为电能,提供给LED光源。由于LED光源的低电压、节能和长效的特征,太阳能LED照明系统的应用,将能实现很高的能源利用效率、工作可靠性和实用价值。因此,对太阳能光伏发电照明系统控制技术的研究受到了各方面的重视。
二、LED灯光节能性的产生原理
太阳能光伏发电LED照明系统组成高效节能的太阳能光伏发电LED照明系统包括太阳能电池组、DC―DC变换器、最大功率跟踪MPPT fMaximum power point tracking)控制、储存电能的蓄电池组和LED照明控制、LED光源等部分。
太阳能光伏发电照明系统的工作原理是:在有太阳光的时间段,太阳能电池组将采集到的太阳能转化为电能;在控制系统的控制下,采用太阳能光伏电池最大功率跟踪(MPPT)方式,将电能储存到蓄电池组中;在LED照明系统需要电能供电时,向LED照明光源提供安全高效的电压电流。使LED照明系统节能高效地工作,为人们的工作和生活提供洁净环保的绿色照明。
太阳能光伏发电太阳能光伏电池发电是利用太阳能的主要方式之一。太阳
能光伏电池的发电原理是光生伏特效应,对晶体硅太阳能电池来说,开路电压的典型数值为0.5 0.6 V,通过光照在界面层产生的电子一空穴对越多,形成的电流越大。界面层吸收的光能越多,同样形成的电流也越大。目前应用和研究的太阳能电池主要有硅太阳能电池、化合物半导体电池和染料敏化太阳能电池。硅太阳能电池是目前太阳能光伏电池的主流,在硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池的光电转换效率最高,实验室转换效率达24%以上,工业规模生产的单晶硅太阳能电池效率达到18%以上。薄膜太阳能电池近年来得到了很大的发展,多晶硅 }晶硅/微晶硅薄膜太阳能电池等新型太阳能电池也已规模产业化,最高转换效率达到了16%以上。近年来,对CIS,CIGS薄膜太阳能电池、GaAs太阳能电池等化合物半导体太阳能电池的研究也取得了实用化的进展。染料敏化TiO 太阳能电池的研究也取得了引人注目的成果。
由于太阳能电池的输出电压和电流之间存在着非线性和可变性.在特定的环境下就存在一个最大‘功率输出点 ,以及与最大功率点对应的电压 一和电流。当环境变化时,太阳能电池的输出特性曲线也随之变化.太阳能电池的输出电压和输出电流的特性曲线见图2。为了从太阳能电池获取尽可能多的电能,提出了太阳能电池的最大功率跟踪问题。最大功率点跟踪控制的常用方法有定电压跟踪
法、扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑控制法、负载电流/电压最大法等整LED工作电流的方法可以采用恒流驱动和恒压驱动。根据LED的伏安特性,在LE D的正向导通区,微小的电压波动就会引起电流很大的变化,所以采用恒流驱动是应选方案。
三、LED灯光艺术性的具体表现
LED的发光原理。LED是由Ⅲ一V族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaAsP(磷化镓砷)、A1GaAs(砷化铝镓)等半导体制成,其核心是P―N结,因此它具有一般P―N结的伏一安特性,即正向导通、反向截止、击穿特性。当P型半导体和N型半导体结合时,由于交界面处存在的载流子浓度差.于是电子和空穴都会从高浓度区域向低浓度区域扩散。这样,P区一侧失去空穴剩下不能移动的负离子,N区一侧失去电子而留下不能移动的正离子.这些不能移动的带电粒子就是空间电荷。空间电荷集中在P区和N区交界面附近,形成了一很薄的空间电荷区,就是P―N结。当给P―N结1个正向电压时.便改变了P―N结的动态平衡。注入的少数载流子(少子)与多数载流子(多子)复合时,便将多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。如果给PN结加反向电压,少数载流子(少子)难以注入,故不发光。
白光LED的主要实现方法。目前,氮化镓基LED获得白光主要有:蓝光LED+黄色荧光粉、三色LED合成白光、紫光LED+三色荧光粉3种办法。最为常见形成白光的技术途径是蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的荧光粉结合组成白光LED。LED辐射出峰值为470 nm左右的蓝光,而部分蓝光激发荧光粉发出峰值为570 nm左右的黄绿光。与另一部分透射出来的蓝光与激发荧光粉产生的黄绿光混合产生Y l O :Ce 白光。目前采用的荧光粉多为稀土激活的铝酸盐Y l O :Ce (YAG),当有蓝光激发它时发出黄绿色光,所以称作黄绿色荧光粉。该方法发光,发光效率高,制备简单,工艺成熟。但色彩随角度而变.光一致性差,而且荧光粉与LED的寿命也不一致,随着时问的推移,显色指数和色温都会变化,影响了发光光源的发光质量。采用红、绿、蓝三原色LED芯片或三原色LED管混合实现白光。前者为三芯片型,后者为3个发光管组装型。红、绿、蓝LED封装在1个管内,光效可达20 lm/W,发光效率较高,显色性好[31。不过,这种合成白光方法的不足之处就是LED的驱动电路较为复杂。三芯片型三原色混合成本较高,而且由于红绿蓝3种LED的光衰特性不一致,随着使用时间的增加,三色的混合比例会变化.显色指数也会相应变化紫外光或紫光LED激发三原色荧光粉,产生白光。采用这种方法更容易获得颜色一致的白光,因为颜色仅仅由荧光粉的配比决定,此外,还可以获得很高的显色指数。但其最大的难点在于如何获得高转换效率的三色荧光粉,特别是高效红色荧光粉.而且防止紫外线泄露也是很重要的。
结论
伴随着我国经济的高速发展和人口规模的迅速膨胀,致使能源的消耗量不断增大, 城市的发展紧跟着“高能耗”,能源的供需矛盾日益突出,能源短缺将严重阻碍城市未来的发展。半导体照明光源是一个具有巨大市场发展潜力的产业。随着技术的进步。半导体照明光源的应用领域将迅速扩大。在未来的5―10年,它将成为照明产业的主力军.它将改变人们对照明的认识。发展个性化照明理念,无疑是照明领域的一次革命。同时。我们必须科学分析、冷静面对半导体照明带来的历史机遇,制订科学的发展规划,使得半导体照明得到健康的发展。
参考文献
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篇10
关键词：氧敏； 半导化； 氧空位； SrTiO3功能材料
中图分类号：TN304-34 文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)20-0150-03
Preparation of Voltage Sensitive Capacity Element with Double Functions
HAO Yun-fang1, Cao Quan-xi2
(1. School of Electronic Information Engineering, Peihua University, Xi’an 710065, China；
2. School of Technical Physics, Xidian University, Xi’an 710071, China)
Abstract： The roles and effects of oxygen vacancy in perovskite oxide functional materials were researched. The SrTiO3 specimens with different additive were prepared. The n-type semiconductive component with double functions, capacitor and varistor were sintered in reducing atmosphere, and the p-type oxygen sensors were prepared in normal atmosphere. The electronic performance parameters, as breakdown voltage V1mA, were measured for varistor. It was measured for p-type oxygen sensors, dependence of resistance on temperature, and the desorbed oxygen on the specimens by means of TPD. Some research results are shown as follows. The oxygen vacancy is important condition for additions diffusion in perovskite crystal, so the oxygen vacancy must be controlled in order to prepare perovskite semiconduction oxide functional ceramic components. It is n-type semiconductor if oxygen vacancies are the result from reducing at atmosphere sinter. It is clear also that the partial substitution of acceptor addition brings about a p-type semiconductor and an increase in oxygen vacancies, resulting in an increase in oxygen exchange simultaneously between specimen and ambient. Therefore, it is possible to obtain SrTiO3 component exhibiting high oxygen sensitivity.
Keywords： oxygen sensitivity; semiconducting; oxygen vacancy; SrTiO3 functional material
0 引 言
由于钙钛矿（ABO3）型陶瓷在超导、铁磁、铁电、磁阻、介电、敏感等领域具有独特的性能，使其成为人们关注的重点电子功能材料之一［1］。钛酸锶（SrTiO3）属于钙钛矿型结构。P型SrTiO3陶瓷具有对氧气敏感的特性。N型SrTiO3陶瓷具有压敏、电容的双功能特性，所制备的环形元件可用于直流微型电机的消噪和过电压保护，所制备的片状元件可用于电源系统消除尖峰脉冲，提高系统的电磁兼容性。在钙钛矿材料的半导化过程中，氧空位起着重要的作用，因此有必要对氧空位的形成和影响进行深入的研究。
1 实验
以SrCO3，TiO2和Mg(OH)2•4MgCO3•6H2O为原料高温合成Sr(MgxTi1-x)O3,其中x代表摩尔比，所合成的不同配方的原料与有机载体均匀混合，分别涂敷到带有铂电极和引线的Al2O3陶瓷基片上，烘干后在1 200 ℃，空气中烧结3小时制成P型半导化的厚膜式氧敏元件。所制备的样品在不同温度下测试了阻-温特性和氧敏特性，考察了它的半导化特性。
用程序温度脱附法［2-3］（Temperature Programmed Desorption,TPD）测试氧脱附特性。样品置于样品管中，程序升温氧化到850 ℃，恒温1 h，在氧化气氛中降温至室温，然后在高纯氮（纯度为99.99%）中进行TPD至850 ℃，脱附量由与比表面积测量仪中类似的热导池检测。
以SrCO3，TiO2，Nb2O5，La2O3，Bi2O3，Co3O4和MnCO3等为原料，经球磨，造粒，压片后制成直径D＝7 mm的生片，在75 mol％的H2，25 mol%的N2的强还原条件下1 400 ℃烧结4 h，再经涂烧电极制成N型半导化的压敏、电容双功能元件。测试了压敏电压U1mA，非线性系数α，电容量C，损耗角正切tg δ等参数，也考察了它的半导化特性。
2 结果和讨论
2.1 氧空位是杂质扩散、实现半导体化的重要条件
如图1所示，完整的ABO3型晶体的结构特点是以BO3氧八面体形成共顶点的骨架，原子排列均匀致密，杂质的固熔限一般都很低。例如，在纯净的SrTiO3中TiO2的固熔限小于0.5 mol%,SrO的固熔限小于0.2 mol%，Nb2O5的固熔限小于0.4 mol%。完整的SrTiO3晶体的禁带宽度约为Eg=3.3 eV［4-5］,即可以认为在常温下SrTiO3是绝缘体。为了实现SrTiO3半导化，最常用的方法是进行掺杂。由于钙钛矿的结构特点，不易形成填隙缺陷。不论是N型掺杂还是P型掺杂，均是杂质替位，其前提条件是杂质原子要实现在基体材料中的扩散。完整SrTiO3晶体的杂质固熔限低，杂质的扩散系数也很小。实验证明，完整的SrTiO3晶体是很难实现半导化的。与金属原子空位相比，形成氧空位的形成能较低，在工艺上也较易实现，因此氧空位成为在SrTiO3晶体中杂质扩散、实现半导化的重要条件。
图1 ABO3晶体结构
在钙钛矿结构的材料中氧原子扩散的主要形式为“空位机制”，即氧原子的扩散是以氧空位的移动来实现。若一个氧原子要实现一次扩散运动的必要条件一是其周围有氧空位，二是具有一定的能量。空位机制的扩散系数可表示为：
ИD=D0e－(U+E)/kT＝D0e－ΔE/kT＝D0e－ΔQ/RTИ
式中：D0表示空位扩散的频率系数；U表示空位形成能；E表示空位迁移一次所需越过的势垒高度；ΔE表示空位扩散激活能；RП硎酒体普适常数。
由于具体实验中测试工作的复杂性，目前所报道的在SrTiO3单晶中氧扩散激活能在89～145 kJ/mol之间［6-9］，且氧的扩散速率远大于锶和钛的扩散速率。在多晶样品中，由于在晶界区结构发生畸变，存在大量的缺陷，使晶界成为扩散的“快通道”，所以同种材料的多晶样品比单晶样品的扩散速率大得多。
但当氧空位较多时，BO6氧八面体可能变形，导致晶体结构从立方晶系向四方晶系或正交晶系转变。当不同氧空位有序相发生转变和BO6氧八面体的不同连接相发生转换时，钙钛矿氧化物中的氧含量也发生相应的变化。例如，共顶点连接变成共边或共面连接时，可能引起氧八面体的破裂。为了维护ABO3-Y型晶体的基本结构框架，氧空位的最大含量\Ymax=1。
2.2 产生氧空位的方法和途径
2.2.1 还原气氛烧结
在制备SrTiO3氧敏-电容双功能陶瓷的研究过程中，为了提高晶粒的半导化程度，降低压敏电压U1mA,必须提高材料中的氧空位浓度。为此，把材料在液氨（NH3•H2O）分解的强还原气氛下高温（1 400 ℃）烧结4 h，其准化学反应式为：
ИO×O12O(g)O+V••O+2e′（1）И
由式（1）可知，氧空位不但为其他高价杂质Nb5+，La3+的扩散创造了必要的通路，而且氧空位为导带提供了导电电子，本身就是N型半导化的措施。实验结果表明，若不采取强还原气氛烧结，几乎不可能制备N型高半导化的陶瓷（例如，压敏电压U1mA≤10 V的压敏元件）。
2.2.2 受主掺杂
在ABO3型结构中，如在SrTiO3中以B位替位为例，当SrTi=1时，施主B替位和受主B替位分别为：
И4SrO+2Nb2O54Sr×Sr+4Nb•Ti+12O×O+O2+4e′(2)
SrO+MgSr×Sr+Mg″Ti+2O×O+V••O(3)И
当Sr/Ti>1时，施主B替位和受主B替位分别为：
И5SrO+2Nb2O55Sr×Sr+4Nb•Ti+V4－Ti+15O×O(4)
2SrO+MgO2Sr×Sr+Mg″Ti+V4－Ti+3V••O+3O×O(5)И
当Sr/Ti
ИSrO+Nb2O5Sr×Sr+2Nb•Ti+V••Sr+6O×O (6)
SrO+2MgOSr×Sr+2Mg″Ti+V••Sr+3V••O+3O×O(7)И
比较式(2)~(6)可知，在ABO3型结构中，不论原子计量比A/B是否等于1，受主杂质均可产生氧空位。一般认为只有在低温（例如低于550 ℃）［10］时氧空位以单价电离V•O为主，在高温下以二价电离V••O为主。氧空位的出现使氧八面体畸变，这样反过来又进一步增加了受主杂质的固熔限，这样在钙钛矿结构的材料中，若未采用强还原烧结，受主杂质的固熔限远远高于施主杂质。当材料中产生了大量的氧空位时，在高温下环境中的氧原子又会向晶体内扩散，如下式所示：
И12O(g)O+V••OO×O+2h•（8）И
在价带中产生空穴，这就是高半导化的P型钙钛矿型材料并不需要在强氧化条件下烧结（正常大气下烧结即可），而高半导化的N型钙钛矿型材料必须在强还原条件下烧结的物理原因。
另外，比较式（2）和（4）可知，当Sr/Ti≠1时，均产生金属空位，此时施主掺杂产生的电子被金属空位所吸收，即产生原子补偿。所以当Sr/Ti=1时，施主掺杂的效率才比较高。
2.2.3 Schottky缺陷形成氧空位
由于在钙钛矿结构的材料中形成填隙缺陷的几率很低，所以点缺陷以Schottky缺陷为主，Schottky缺陷由于热运动体内原子迁移到表面，体内留下空位。若体内的氧原子和锶原子均迁移的表面，形成表面SrO，其准化学反应式可写成：
ИO×O+Sr×SrV″Sr+V••O+SrO(9)И
体内同时生成锶离子空位和氧离子空位。
2.3 受主掺杂产生的氧空位促进环境氧与晶格氧的交换，提高了钙钛矿型氧敏元件的灵敏度
TPD测试结果如图2所示。在400～800℃之间，氧脱附量随受主杂质Mg2+浓度的上升而上升。这可认为，式（3），（5），（7）的反应产生的大量氧空位促进了式（8）反应的进行，即促进了环境氧与晶格氧的交换。这种交换使材料价带的空穴密度上升，当然对材料的电导率产生影响，进而使氧敏元件的灵敏度上升。
该结果同时也说明，SrTiO3钙钛矿型氧敏元件的灵敏度，不仅取决于材料表面化学吸附氧的多少，而且与环境和材料体内氧交换的多少有关。为了提高氧灵敏度，不但要降低化学吸附氧的激活能，而且要增大体内氧空位浓度，提高氧在材料中的扩散系数。
3 结 语
氧空位是在SrTiO3晶体中杂质扩散、实现半导化的重要条件，因此控制氧空位的浓度成为制备半导体型功能陶瓷元件的重要因素；还原气氛烧结产生的氧空位是材料实现N型半导化的重要手段； 受主掺杂产生的氧空位促进了环境氧与晶格氧的交换，是材料实现P型半导化的重要手段,也提高了钙钛矿型氧敏元件的灵敏度。
图2 不同浓度Mg 掺杂的TPD谱
参考文献
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