微纳光学技术与应用范文

导语：如何才能写好一篇微纳光学技术与应用，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。

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微型化和智能化始终代表着现代工业和科技的主要发展方向。微电子、微机械、微光学等一连串“微工程”的兴起和发展，将科学技术带进了一个全新世界。

进入21世纪，随着社会的发展和技术的进步，由光学与微电子、微机械、纳米技术互相融合、渗透、交叉而形成的前沿学科―微纳光学，因其独特优势成为目前研究者关注的焦点。

微纳光学在基础研究和设计制造技术方面的进步，变革了传统光学与技术的发展路线，促进了光学系统微型化、集成化的发展，在生命科学、生化、通信、数据存储、新能源利用等领域都表现出巨大的应用价值和市场潜力。

电子科技大学物理电子学院教授、博士生导师付永启，多年从事微纳光学研究，在微细加工、纳米加工、衍射光学、微光学、表面等离子体光学及近场光学等领域取得了多项研究成果，始终参与和推动着“微世界”中的无限精彩。

立足前沿，引领尖端研究

“微纳光学”顾名思义分为微米光学（简称微光学）和纳米光学两部分，即微米和纳米尺度上的光学研究。”付永启在接受采访时，首先谈到了微纳光学的研究情况。

据付永启介绍，微光学是基于微细加工技术、研究微米尺度的微光学元器件设计、制作以及应用的学科。而纳米光学主要研究光的空间传播范围在纳米尺度时的倏逝波特性，并通过基于近场光学结构的纳米探针来描述和控制的过程及应用。

“在纳米光学研究中，作用于近场的光学系统突破了传统的衍射极限限制，能够对纳米光学结构进行空间分辨率在纳米量级的分析；同样，通过基于亚波长光学结构或器件，能够实现高密度的数据存储，不但可以实现微米范围的成像，也可以实现高清晰度的相位合成、单分子探测以及局部区域光谱分析。”

正是这些独特的优势，使微纳光学自产生之日起，便始终处于研究者关注的中心，并愈发活跃。

虽然我国在微纳光学领域已经取得了一定的成果，但同国际相比，无论在基础研究还是应用转化方面都存在一定差距，总的来看原创性技术太少，能够转化为产业、推动光电子产业发展的更少。

付永启认为，要使微纳科学与技术为人类造福，必须从基础研究做起，打下坚实基础的同时，紧密结合产业领域发展需求，准确把握市场方向，重点攻关，进而带动全面发展。

而付永启的研究成长过程，也恰巧暗合了微纳光学从基础研究到产业应用，以点带面的发展路线。

世界微纳光学蓬勃发展的1990年代，付永启走进了这一领域。

1994年，付永启在中科院长春光机所研读博士，“当时是跟导师一起做国家航天‘921’项目中的一个子项目―‘动态目标发生器’的研究，我主要负责曲面光刻的研究。”那是他接触到微光学并逐渐对微光学元器件的设计制作产生兴趣的开始。

在博士后研究阶段，付永启又接着在衍射光学元件的设计制作方面开展了深入研究。随后为了开阔视野、提升研究能力，付永启于1998年赴新加坡南洋理工大学精密工程与纳米技术中心作研究员，借助当地优越的软硬件条件继续深入开展微光学以及后期纳米光学领域的研究工作。

在新加坡，通过与科研院所及工业界的合作，付永启开展了多个横向和纵向项目研究，接触到了微电子、微机电系统（MEMS）、微纳加工、纳米计量、及生化分析等多学科领域的知识，先后完成了多项重大研究课题，并取得了许多创新性成果。

2001年，付永启将目光专注到了一种新的微纳光学元件一步加工制作方法―聚焦离子束制作技术上，经过两年的反复研究、实验，终于获得成功并使技术逐渐成熟。

付永启利用纳米加工技术实现了微光学元件与光电子元/器件的集成一体化，即利用聚焦离子束技术直接一步将微光学元器件甚至纳米光子元器件与光电子器件集成于一体，从而达到直接控制光束的目的。这一技术摆脱了传统的采用离散光学元件对激光束进行准直或聚焦的方法，不但减少了系统元件数，而且节省了空间，更容易实现系统的轻量化和小型化，对微系统的开发具有重要意义。

同时，他还发现了两种材料，它们在聚焦离子束轰击下具有材料自组织成型特性，该特性可直接用于微光学元件的结构成型。以该技术为基础，能够制作出几种特定的微光学元件，包括微正弦光栅、微闪耀光栅等。

此外，付永启还利用聚焦离子束直接写入法和辅助沉积法成功实现了微光学元件与光电子元/器件的集成一体化，为光学系统的小型化、微型化、平面化提供了制作技术保障。该集成一体化元/器件已经广泛应用于生命科学、生化、通信、数据存储等领域，至今仍在应用，还没有其他方法能够替代。

值得一提的是，聚焦离子束技术在微电子行业的广泛应用，大大提高了微电子工业上材料、工艺、器件分析及修补的精度和速度，目前已经成为微电子技术领域必不可少的关键技术之一。同时，由于它集材料刻蚀、沉积、注入、改性于一身，有望成为高真空环境下实现器件制造全过程的主要加工手段。

毅然回国，助力产业发展

2007年，付永启放弃国外优越的待遇和生活，带着累累硕果和先进理念回国，受聘于电子科技大学物理电子学院。9年的国外工作和生活经历，使付永启真正体会到“国家”二字的含义，而回国发展也正是其心之所向。

随着科技的进步和需求的转变，目前国内微纳光学技术研究主要集中在基于特异性材料的微波天线、隐形技术、纳米光刻等几部分，研究趋势也朝着更加实用性发展，包括军用和民用。而在产业方面，付永启认为应重点结合能源和生命科学等热门领域的需求，积极探索，主动推进，研发出具有代表性的产品，如高效率光伏电池、光热疗法治疗癌症、多通道微型生化传感器等。

在学校和所在团队的支持下，付永启在纳光子结构、元器件及其应用方面取得多项国家自然科学基金项目的资助，目前主要在纳光子结构的精细聚焦及成像研究，包括基于纳光子结构的超分辨聚焦成像、负折射材料的制备及应用、近场表征等方面开展进一步的深入研究，并推进其尽快走向应用。

多年从事理工科学研究的付永启，处处透着浓郁的人文气息。他看重学生的做事态度胜过考试成绩，鼓励学生积极与其他学科的人员交流，在学科交叉中探寻思维方式的改变和新的研究切入点。

他认为创新更加需要自由开放的教育环境和多维度的思维模式，有源之水才能长久，有本之木才会繁茂。

他喜欢历史、地理、天文、摄影等偏重人文的内容，注重精神层面的丰富与充实，并认为这才是人做事的动力和源泉。

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【关键词】飞秒激光;微加工;打孔;阈值;优点;前景

Abstract：As a new processing technology，femtosecond laser micro processing technology has such advantages as non-contact，large efficiency，high precision，small heat effect，low damage threshold，and can realize the real three-dimensional structure of micro machining etc.which traditional technologies cannot compare with，resulting in a wide range of application.This article describes the characteristics that laser energy deposits on optical skin layer and thermal effect is very small when femtosecond laser machines transparent materials.It also points out the fact that currently the laser direct writing technology is commonly used for punching and pinhole mask technology can improve the holes’shape.Finally，it prospects the future research direction of the femtosecond laser micro processing.

Key words：femtosecond laser;micro processing;punching;threshold value;advantages;prospects

1.引言

激光是在粒子数反转情况下通过受激辐射放大产生的高亮度相干光束，其原理早在1916年就由物理学家爱因斯坦提出，但直到1960年，梅曼（T・Maiman）成功制造的第一台红宝石激光器问世[1]，量子光学才由理论研究发展到技术工程。随着各类激光器的出现，激光器的脉宽急剧缩小，峰值功率大幅提高，可调型和稳定性等优势逐渐凸显，飞秒激光在工业加工领域备受青睐，各界根据不同的需要将其广泛应用于微光学、微电子、微机械、微生物、微医学等领域。

2.飞秒激光脉冲技术

1976年，人们首次在染料激光器中实现了飞秒量级的激光脉冲输出[2]。20世纪90年代初，克尔透镜锁模飞秒钛宝石激光器使得飞秒激光技术获得了一次飞跃发展。2003年，N H Rizvi总结了飞秒激光对金属、玻璃、金刚石、陶瓷以及各种聚合物等材料的微加工进展情况，并论证了飞秒激光是一种优秀的微加工光源[3]。

人们利用飞秒激光可以聚焦到透明材料内部进行三维加工这一特性，在石英玻璃中制备出各种微光学元件和微流体器件，并将其成功集成在同一块玻璃芯片上，飞秒激光于是在生物传感和生化分析等领域得到一定应用。

在信息电子领域，研发人员将新型激光精细加工装备应用于半导体集成电路、印刷线路板、平板显示、FBG光纤光栅，大大提高了制作效率和工艺水平。经过科研人员的努力，飞秒激光在半导体照明、太阳能光伏电池、燃料电池、微创医用器械及各类MEMS等新兴产业中也得到了广泛应用。另外，由于激光加工的非接触性，它还可应用于昂贵或危险物品的加工。

3.飞秒激光微加工的发展现状

激光微加工被誉为“未来制造业的共同加工手段”。在世界范围内，欧洲、美国、日本在飞秒激光微纳加工领域至今仍处于领先地位。我国的激光微加工技术研究大多集中在高校和科研机构，国内也有一些新兴的激光设备制造企业开发的激光微孔加工设备应用于生产中，但由于落后的加工控制技术和较为薄弱的研发能力，产品的孔型和径深比都无法与欧美日等激光产业比较发达的国家相比。

4.飞秒激光与透明介质的相互作用

飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应，如自聚焦、自相位调制、群速色散、白光超连续谱的产生等。它主要依靠多光子吸收机制来加工一些长脉冲激光无法作用的透明材料，并且其作用时间极短，热效应小，可以克服等离子体屏蔽的现象[4]。

4.1 飞秒激光烧蚀的特性

为了对材料造成烧蚀作用，激光的能流密度必须超过某一特定的值，即烧蚀阈值Fth。原本不会吸收可见光和近红外光这一波段的透明介质，会在极小范围内因多光子电离而快速产生大量的等离子体。当等离子体密度达到1021cm-3时，由于对激光能量的强烈吸收，激光能达到的深度只有lμm。大量激光能量在物质中沉积，给局部加热并使其形成光损伤，而周围的物质仍处于“冷状态”。因此和长脉冲相比，飞秒激光加工的边缘较为光滑、清洁[5]。

飞秒激光针对透明介质以及其他各类材料（包括金属）的烧蚀打孔实验均表明了飞秒激光加工可以得到极好的微加工质量[6]。

对于特定的激光参数，烧蚀阈值由材料的光学反射、吸收及热扩散系数决定[2]。材料的掺杂和缺陷对烧蚀阈值的影响很小，烧蚀阈值比较稳定。飞秒激光对材料的烧蚀阈值低于长脉冲，适当控制其能流密度使其略高于烧蚀阈值，便可以使加工精度突破衍射极限。这一特性与高斯光束能流密度分布有关。

式中F0为归一化的能流密度，r为高斯光束的径向尺寸，为高斯光束的束腰半径，束腰处的能流密度[2]。

图1 高斯光束的烧蚀阈值

为了提高加工精度必须把光束会聚得尽量小，可以使用较大数值孔径（NA）的物镜聚焦。在2001年日本科学家利用飞秒脉冲激光双光子聚合技术首次突破衍射极限获得120nm的加工分辨率后，我国中科院理化技术研究所有关科学家于2007年实现了15nm线宽的纳米尺度加工分辨率[7]。

透明介质材料的烧蚀阈值还与聚焦条件有关。随着数值孔径的增加，阈值能量逐渐减小。因此，即使输出功率较低，通过使用较大数值孔径的聚焦透镜，也可以在透明介质中形成烧蚀。

超短脉冲与介质相互作用时存在热扩散效应，三温模型充分考虑了材料对光子的非线性吸收和电子-晶格作用，解释了载流子和晶格的温度以及飞秒激光对介质材料作用时等离子体的产生过程，显示了飞秒激光加工透明材料时激光能量沉积在光学趋肤层、热效应极小的特点。

4.2 飞秒激光直写加工技术

飞秒激光直写不同于干涉和投影制备等方法，它具有较高的自由度，常用于各种点、线扫描。目前主流的实验装置是商业化的掺钛蓝宝石的啁啾脉冲放大系统。具体激光参数包括：中心波长为800nm左右，脉宽为几十到几百飞秒，单脉冲能量已达到毫焦量级，重复频率为1～103kHz量级可调谐。为了减小加工中热效应的累积，可将重复频率降得更低。

将样品放置在由计算机控制的三维精密平移台上，通过半波片和线偏振片的组合来调节脉冲能量，使飞秒激光通过物镜聚焦到样品表面或体内，加工过程可以通过CCD成像系统实时监控。

针孔掩模加工技术对聚焦点处飞秒激光空间传输特性具有一定的影响。当聚焦物镜前不加针孔时，焦点附近的烧蚀区域基本为对称分布，且偏离焦点位置时，烧蚀线宽迅速增加，成纺椎型分布。而加上针孔后，焦点附近束腰半径变化趋缓，烧蚀边界更加清晰、无裂痕，且脉冲能量大小只影响刻痕线宽大小[8]。

4.3 微流体器件

微通道是微流体器件的重要组成部分，目前主要从：（1）在空气中对石英或硅酸盐玻璃内部钻孔加工微通道;（2）辅以水或其他液体的飞秒激光微加工技术;（3）飞秒激光辐照光敏玻璃后对样品进行焙烧、腐蚀、退火等后期处理;（4）飞秒激光辐照石英玻璃后直接使用HF酸腐蚀[9]等四个方面研究飞秒激光加工三维微通道。

在空气环境中对材料打孔需要较高脉冲能量，并且只能沿轴向加工微通道，孔的内壁平整性较差，适用于对加工精度要求不算很高的情形。辅助以水或其他液体的飞秒激光微加工技术可以驱散碎屑以防阻塞，但只能加工一些比较短的微通道。

在光束中插入象散透镜或狭缝，可以适当改变脉冲强度的空间分布，微通道横截面趋于圆形，性能得到改善。对精密的光学元件而言，使用退火处理技术可以有效地提高空心结构的表面平整度。

5.飞秒激光打孔的优点

飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率。激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑的直径缩小到微米级，从而获得高功率密度。与其他加工技术相比，有以下诸多优点：（1）飞秒激光与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应，其作用时间极短，热效应小，对被加工材料氧化、变形、热影响区域均较小，不需要特别保护;（2）飞秒激光的加工精度非常高，已经超过衍射极限的限制，可以达到纳米量级;（3）与接触式的传统机械打孔相比，可以避免碎屑的产生，并且可以获得大的深径比。

由此可见，飞秒激光微孔加工是一种便捷高效、绿色环保、节能降耗的先进制造技术。

6.前景展望

飞秒激光微加工技术蓬勃发展，尽管仅有十余年的发展史，却已经成为激光精密微加工领域中最重要、最前沿的研究方向之一。

目前迫切需要高重复频率、高平均功率、波长与脉冲宽度可调、稳定且易操作的新型飞秒激光器。另外，尽管各种材料的烧蚀基本与阈值模型相符合，但至今还没有一种模型能够完全解释飞秒激光与各种材料相互作用过程中的一系列新现象，所以这一领域仍需要进行大量的理论工作和实验工作[10]。当前的三维飞秒激光微加工技术主要是基于激光直写方案，采用逐点扫描的方法形成复杂的三维图案，耗时较长。因此仍需探究新技术加以改进。

针对国内激光技术落后于国际先进水平的情况，我们需要集中智慧抓紧研究和生产，使激光微加工技术广泛造福于人民。

参考文献

[1]T.H.Maiman.Stimulated optical radiation in ruby[J].Nature 1960，187（4736）：493-494.

[2]J.Kruger，W.Kautek.Ultrashort pulse laser interaction with dielectrics and polymers[J].Adv.Polym.Sci.，2004，168： 247-289.

[3]N.H.Rizvi.Femtosecond laser micromachining：Current status and applications.RIKEN Review，2003，50：107-112.

[4]M.Shirk，P.Molian.A review of ultrashort pulsed laser ablation of materials[J].J.Laser App.，1998，10（1）：18-28.

[5]E.N.G1ezer，M.Milosavljevic，L.Huang，R.J.Finlay，T.H.Her，J.P.Callan and E.Mazur.Three-dimensional optical storage inside transparent materials.Opt.Lett.，1996，21（24）：2023-2025.

[6]余本海.飞秒激光对透明介质材料的烧蚀与微加工研究[D].武汉：华中科技大学，2008：1-103.

[7]董贤子，陈卫强，赵震声，段宣明.飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术及其应用[J].科学通报，2008，53（1）：2-13.

[8]倪晓昌，洪茹，王清月，等.飞秒激光深孔加工技术研究[J].天津工程师范学院学报，2008，18（3）：5-9.

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也正是认识到了这一形势，怀抱着在科研道路上开拓一片天地的梦想，海外工作十多年的郭新立教授于2009年回到国内东南大学材料学院，建立自己的研究队伍，进行前沿性科学研发。在多年的研究中，郭新立在纳米科学研究中获得了多项突破。

简单有效：利用扫描隧道显微镜从纳米有机分子中激发出光子

超小光源和单分子光源对于开发高分辨的光学显微镜以及量子信息处理等具有重要的作用，但由于分子的金属支撑衬底表面对分子发光的强吸收作用，使得观察到分子或单个分子发光的几率极其微小。对此郭新立与同事合作设计了一种通过控制分子层厚度实现去耦合的简单有效方法，在国际上首次利用扫描隧道显微镜从纳米有机分子中激发出光子。不仅为单分子光源及器件的制备提供了新的方法和可能性，而且对分子在纳米尺度环境中的光电行为提供了新的理解，同时也为分子电子学的研究提供了新的思维方式。由此方法开展的系列研究成果发表在国际著名杂志PhysicalReview Letter等上，引起了学术界的广泛关注和赞誉，成为本研究领域的先驱，被广泛引用，连续两年（2004年，2005年）被作为前沿焦点研究，收录在由美国物理研究所和美国物理学会联合主办的Virtual JournaI of NanoscaleScience&Technology上。该成果在单分子光源及器件的制备等方面有着潜在的应用。

推陈出新：发现自发形成的碳纳米管

碳纳米管由于具有超高强度、独特的电性能、大的表面积等优异性能而使得其在纳米技术、电子学、光学和材料科学的其它领域有着巨大的应用潜力。目前已开发了很多种技术如化学气相沉积、激光淀积等来制备碳纳米管，也有研究者试图在煤碳中找到自然存在的碳纳米管。郭新立借助扫描电镜、原子力显微镜和扫描隧道显微镜在新解理的石墨衬底上首次成功地发现了自发形成的碳纳米管。这一成果于2007年报被报道在Jpn.J.Appl.Phys上，即刻引起同行的兴趣，并对其形成机理展开了进一步深入研究。这一成果不仅可能为碳纳米管结构的获得提供了新的途径，而且有可能为其形成机理提供新的理解。

出奇制胜：制备P―ZnO及其同质透明发光二极管

ZnO属直接宽带半导体，带宽3.37eV，接近GaN的带宽，自然状态下以n型存在，但其价格远低于GaN。P型ZnO的制备有望使之取代GaN，成为蓝光和远红外二极管、激光的更理想材料。郭新立巧妙地设计了一种通过电子回旋共振源辅助的脉冲激光反应沉积法，首次成功地制备了P-ZnO及其同质透明发光二极管。以第一作者的身份分别在J.Cryst，Growth 223（2001）135和Jpn.J.Appl.Phys、（Express Lett.）40（2001）L177-L180的首页发表，该工作成果被Advanced Materials、Phys.Rev.Lett.、Nature Materials、Phys.Rev.B.、Appl.Phys.Lett和Progress in MaterialsScience等国际著名杂志广泛引用，日本的著名报纸“日刊工业新闻”在显著位置对这一世界首个ZnO同质二极管做了报道；ZnO发光二极管方面的研究目前仍是众多研究者追逐的目标，若能在稳定性等方面进一步获得质的突破，将对发光二极管等行业产生革命性的影响。

再接再厉：定睛微纳功能材料

微纳功能材料是目前材料科学的研究热点之一，最有代表性的是近年出现的石墨烯，它是由碳原子通过sp2杂化构成的单原子层蜂窝状二维网格结构，厚度只有一个原子直径（0.335nm），由于石墨烯网格结构中相邻碳原子结合力很强，因此具有很好的稳定性。实验数据表明石墨烯是目前世界上已知强度和硬度最高的材料，具有优异的电学、光学、热学和力学性能，或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。近期在国家自然科学基金（21173041，11134004）、973计划（2012CB119401）、江苏省双创人才基金、东南大学人才引进基金（4012001020，4012001013）、苏州科技局纳米专项基金（ZXG2012029）等的支持下，郭新立开展了“高质量大尺寸石墨烯的制备及其在光电领域的应用”、“贵金属纳米粒子可控光学特性”和“高性能铁电薄膜及器件”的研究工作。

倾注全力：科学研究与人才培养并重

归国后，在教学工作、学科建设方面郭新立也下了很多功夫。新开设了“纳米材料科学与技术”的研究生和本科生共选课程，结合自己在国外的科研成果，将国外最前沿的纳米科技成果讲述给学生，并辅以参观实验，深受学生的欢迎。2011年被评为东南大学最受欢迎的研究生授课教师之一；参加了东南大学一张家港工业研究院的建设工作，而郭新立说自己将继续努力，以扩大东南大学在微纳功能材料领域研究的知名度。

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关键词：水污染；膜技术；水处理

中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）08-01-01

1、膜分离技术的基本原理和特点

膜技分离术是近40 年来发展最迅速、应用最广泛的水处理技术之一，主要包括微滤、超滤、纳滤、反渗透以及电渗析等。这些膜是利用特殊制造的多孔材料，选择性地分离水和水中的杂质。与传统水处理技术相比，膜技术具有节能、投资少、操作简便、处理效率高等优点[1]，因此已被广泛应用于水处理。

1.1 几种膜的工作原理

反渗透（RO）：反渗透是渗透的逆过程，料液侧的组分首先选择性吸附或溶解在料液侧膜表面，在压力差的推动下，使原液中的溶剂被压到半透膜的另一侧。

纳滤（NF）：纳滤膜是在RO膜基础上发展起来的，因膜具有纳米级的孔径故名纳滤，截留分子量约为200～1000，膜上具有核电基团，因此，NF分离作用既有筛分作用也有静电作用。

微滤（MF）和超滤（UF）：都是在静压力的作用下进行液相分离的过程，在压力差的推动作用下，溶剂和小于膜孔的低分子溶质透过膜，大于膜孔的溶质被截留。通常能截留相对分子在500以上，1000000以下的膜分离称为超滤，能截留更大的分子称为微滤。

电渗析（ED）：在直流电场的作用下以电位差为驱动力，通过荷电膜将溶液中的带电离子与不带电组分分离。

1.2 膜技术特点

膜分离技术的特点有：膜分离过程基本不发生“相”的变化，耗能低，能量转化高；膜分离技术在常温下便可以进行，适用于热敏电阻；设备运动不减少，方便自动化控制，易于操作，维护；膜技术是一种纯粹的物理过滤过程，不会有副产物；分离率高，效果好，设备体积小，占地少，适用于用地紧张的大、中型城市[2]。

2、膜技术在水处理中的应用

膜技术在水处理中的应用相当广泛，既可以用于给水处理也可以用于废水处理，同时在某些特殊的行业如电子，光学技术等方面也有涉足，而且已被广泛应用。

2.1.在饮用水处理中的应用

由于水源水质的下降以及人们的生活质量的提升，传统的给水处理工艺已经不能够满足人们的用水要求，而城市化进程的加剧使得本已疲惫不堪的供水系统雪上加霜。而膜技术的应用为这一问题提供了解决方向。姜红等采用纳滤膜对某市自来水进行深度处理，以研究纳滤对自来水中有机物及离子等的去除效果，研究结果表明，采用一级纳滤工艺，对浊度、CODMn、Cr6+和阿拉特津的平均去除率分别为85.47%、81.06%、77.20%和83.90%，对总硬度和阴离子的去除率保持在一个适中的水平。Diawara等采用DESAL-SDL纳滤膜分离溶液中的卤离子，结果表明，对氟离子的去除率可达83%，而对氯离子的去除率相对较低，仅为63%。

2.2 在工业废水处理中的应用

2.2.1 印染废水的处理

纺织印染行业中印染废水成分复杂，色度大，浓度大且生物难降物质多，在废水中对环境造成的污染比较严重。而传统的水处理方法是生物法，但效果很差，达不到排放标准。利用膜技术方法对印染废水进行深度处理后，完全可满足回用水要求。福建省石狮市锦尚集控区污水处理厂的印染废水经膜技术处理后废水回收率可达60%以上，水质达到自来水标准。A.V.R.Reddy等人用聚酞胺/聚矾纳滤膜处理染料废水，来考察膜的截留性能，其废水中的溶质除盐分子外分子量均在600-1000之间，实验研究表明，染料截留率可达99%以上。

2.2.2制革工业废水的处理

长期以来，皮革行业一直是污染比较严重的行业之一，制革废水的污染尤为严重。制革生产的过程中排出的废水，不仅排放量大，种类多，有机物含量高，而且成分相当复杂[3]。膜技术处理皮革废水，主要是回收有用物质，并回用处理后的废水，以降低生产费用和水处理费用，减轻对环境的污染。A.Cassano等采用膜技术处理鞣革废水，回收其中的铬盐，取得了很好的效果。牛涛涛等研究了用超滤法处理制革过程中的脱毛废水并进行回用，研究结果显示，超滤对废水中COD的去除率能达到90%以上，透过液完全可以回用于脱毛工段。

2.2.3含油废水的处理

含油废水是一种量大面广且危害严重的废水，其来源非常广泛，主要有钢铁厂冷轧乳液废水、金属切削液、金属清洗液、油田采出水等。用常规工艺处理非常困难而且费用较高，而用膜技术处理石油废水，对COD和油的去除率均很高。安兴才等利用连续微滤（CMF）和反渗透（RO）膜技术对西北某石化厂排放的污水进行处理，研究结果表明：所产水的浊度

2.2.4食品工业废水的处理

早在1990年代，食品工业就开始大规模地采用膜技术处理废水。食品加工废水一般含有高浓度有机物，如蛋白质、脂肪等，COD值较高，而且水量大[4]。夏仙兵将纳滤膜用于海带加工中废水处理，对其副产物甘露醇提取纯化。实验表明，杂质去除率可高达90%，同时甘露醇的质量浓度可浓缩至初始料液的3倍左右。Jolanta Bohdziewicz等利用超滤（UF）和反渗透（RO）技术对猪肉废水进行处理，结果表明，COD、BOD的去除率分别达到了70.5%和65.5%。

2.2.5重金属废水的处理

重金属废水在工业废水中占有相当大的比例，而且具有极大的危害性，传统的水处理工艺往往达不到排放要求，而利用膜技术处理重金属废水不仅可达标排放，而且可以回收有用物质。Kristina采用纳滤膜处理含大量金属离子的废水，研究结果表明，纳滤膜对Cd2+、Zn2+、Pb2+、Cr2+等二价离子的截留率大于90%。Krzysztof Karakulski等采用UF/NF联用系统处理电缆厂排放的含Cu2+废水，Cu2+去除率可达到92%，达到了废水处理回用的标准。

3、结论

膜技术在国际上被公认为是21世纪最有发展前途的一项重大技术革命，与其它水处理技术相比，它具有分离效率高、节能、设备简单、操作方便等优点，因而在水处理领域得到了广泛的研究和应用。但膜污染和浓差极化的问题依然没有得到很好的解决，不过随着科技的不断进步以及研究的加深，相信不久的将来， 这些问题都会得到解决，膜技术也将会在水处理领域继续扮演着重要角色，在解决全球水资源危机中发挥着不可替代的作用。

参考文献

[1] P 希利斯编，刘广立、赵广英译，膜技术在水和废水处理中的应用，北京：化学工业出版社，2003

[2] 何小娟，杨再鹏等，膜技术在水处理中的应用及膜材料的研究进展[J]，化工环保，2004

[3] 杨德敏，制革废水处理技术的应用研究现状[J]，皮革与化工，2011，28（1）34-39

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量子纠缠在量子信息处理过程中的角色至关重要,尤其是在远距离量子通信过程中,量子纠缠经常被用做量子通道连接远距离的两个节点.然而,在量子纠缠通道的分配设置过程中和通道建立后,纠缠不可避免地会受到通道和周围环境噪声的影响而降低,这就降低了远距离量子通信的保真度和安全性.为了获得高品质的量子纠缠通道来实现远距离量子通信,需要用到纠缠浓缩方案[1−4].纠缠浓缩就是从纠缠程度较低的部分纠缠态中提取出纠缠程度较高的纠缠态甚至是最大纠缠态的方法.1996年,第一个纠缠浓缩方案被提出[1],这个方案是利用Schmidt投影方法实现的,而且要求两个参与者获得部分纠缠态的系数,也要用到联合非破坏测量技术.之后,人们提出了很多的纠缠态浓缩方法.文献[5,6]分别利用线性光学元件发展了Schmidt投影方法.Bose等[7]提出了基于纠缠交换的纠缠浓缩,这种方法需要用到联合Bell态测量.2008年,Sheng等提出了一个高效的纠缠浓缩方法,可以通过重复纠缠浓缩过程提高成功率[8],并在2012年将这个方案做了改进[9].随后,更多的纠缠浓缩方案相继出现,例如多粒子纠缠态浓缩,包括Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态[10,11],W态[12],团簇态[13]等,以及多维度的超纠缠浓缩[14−16].自从1998年Loss和DiVinoenz[17]提出在半导体量子点中利用电子自旋作为量子比特以来,自旋半导体量子点系统就由于它容易操作和扩展,并且有较长的相干时间,成为最有希望实现量子计算机的方案之一.人们己经提出了非常多的基于自旋半导体量子点来实现量子通信和量子计算的方案[18−23],量子点结构还可以用作单光子源和纠缠光子源等[24,25].Wang等[26]在2011年利用量子点和光学微腔的耦合系统构建了电子自旋态的宇称检测门,并在此基础上实现了自旋纠缠态的提纯和浓缩.随后,他们简化了这个方案,用一个量子点和一个单光子作为辅助来实现自旋纠缠态的浓缩[27].2013年,Sheng等[28]进一步简化了自旋纠缠态浓缩的方案,他们只用一个辅助单光子就可以得到最大纠缠态.同时,基于量子点-腔系统也可以实现光子态的纠缠浓缩.在量子点-腔系统中实现的超纠缠光子态浓缩在2014年被提出.Ren和Long[29]利用单边光学微腔中的量子点自旋实现了光子偏振和空间模自由度的宇称检测,并以此对光子偏振和空间模两个自由度上的纠缠态进行浓缩.这个方案的成功概率可以通过重复执行纠缠浓缩来进一步地提高,而且它可以推广到n光子超纠缠GHZ态的纠缠浓缩.然而,以上的纠缠浓缩方案需要知道部分纠缠态的系数或者需要重复纠缠浓缩过程,这些都降低了纠缠浓缩的效率.本文探讨如何利用量子点-腔系统实现更加高效的光子偏振态纠缠浓缩.第2部分介绍量子点和双边光学微腔的相互作用;第3部分详细介绍光子偏振态的纠缠浓缩方案;第4部分讨论方案的保真度问题;第5部分是本文的总结.

2量子点和双边腔的相互作用

将一个单电子的量子点嵌入光学微腔中,用抽运光对系统进行激发可以产生带负电的激子X−,这个激子是由两个电子的自旋和一个空穴的自旋共同组成的.根据泡利不相容原理,X−的跃迁由过剩电子的自旋态控制.这样会导致两种圆偏振光经过量子点系统时的透射和反射呈现不同的性质,透射和反射系数也会有不同的相位和振幅.双边腔是指光学谐振腔的两端都可以作为光子的输出端,量子点被嵌在腔的中心.在双边腔系统中,光子的自旋是沿着腔的轴方向(z轴)的.根据光子自旋的不同,量子点-腔系统会产生两种典型的跃迁.根据选择定则,当过剩电子处于自旋向上的|⟩态,只有|L⟩态的左旋圆偏振光子被吸收,激子处于|⇑⟩态.如果过剩电子处于自旋向下的|⟩态,只有右旋圆偏振光子被吸收,激子处于|⇓⟩态.其中,|⇑⟩和|⇓⟩分别代表重穴自旋态|+3/2⟩和|−3/2⟩.如图1所示,双边光学腔有两个输出端口.

3光子偏振态的纠缠浓缩

下面介绍偏振态纠缠浓缩的原理.假设两个距离很远的光子处于较低的纠缠态:可以看到,根据两个量子点自旋态和辅助光子偏振态的测量结果,可以通过相应的单光子操作使光子A和B处于最大纠缠态(|R⟩A|R⟩B+|L⟩A|L⟩B)/√2.现在,测量两个量子点的自旋态和辅助光子的偏振态,如果得到|R⟩1|⟩s1|⟩s2,|R⟩1|⟩s1|⟩s2,|L⟩1|⟩s1|⟩s2,|L⟩1|⟩s1|⟩s2,|L⟩2|⟩s1|⟩s2,|L⟩2|⟩s1|⟩s2,|R⟩2|⟩s1|⟩s2,或者|R⟩2|⟩s1|⟩s2,则光子A和B都处于(|R⟩A|R⟩B+|L⟩A|L⟩B)/√2,即最大纠缠态.如果得到其他测量结果,则光子A和B都处于(|R⟩A|R⟩B−|L⟩A|L⟩B)/√2,这也是最大纠缠态,并且可以通过简单的单光子操作变成(|R⟩A|R⟩B+|L⟩A|L⟩B)/√2.所以在理想情况下,得到最大偏振纠缠态的概率为P=4|γ|2|α+β|2/8+4|δ|2|α+β|2/8+4|γ|2|α−β|2/8+4|δ|2|α−β|2/8=1,本文的方案是确定性的.通道噪声并不会影响方案的成功概率,但是影响在通道1或者通道2测量得到辅助光子的概率。

4讨论

以上成功概率是在理想条件下计算的,没有考虑量子点-腔系统的耦合强度以及腔的泄漏对方案的影响.如果将耦合强度和腔泄漏率考虑进来,则需要计算系统量子态的保真度F=|⟨Ψf|Ψ⟩|2.这里,|Ψf⟩是包含外部环境影响时系统的最终态,而|Ψ⟩是理想条件下的最终态.本文以|R⟩1|⟩s1|⟩s2的测量结果为例,来说明不同的因素对纠缠浓缩的保真度的影响.

5结论

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【关键词】测量技术 高端制造领域 应用

【正文】

随着近几年世界经济格局的变化和我国经济技术高速发展的趋势，测量技术的先进程度成为我国未来制造业赖以生存的基础和可持续发展的关键。测量技术的发展水平及其在机械制造中的应用程度， 是衡量制造科技水平、 提高国家支柱产业核心竞争力的一个重要因素。因此，对于机械制造中测量技术应用的探讨有其必要性。

一、三坐标测量技术在汽车制造中的运用

从上个世纪50年代第一台坐标测量机的诞生到今天各类坐标测量设备的广泛使用，坐标测量已经成为当今工业无可替代的一个重要组成部分。在过去近一个世纪的历程中，工业和实验用坐标测量机经历了多个突破性的飞跃。在已经进入信息时代的今天，三坐标测量技术更是飞速地向前发展着，为工业制造提供着巨大的支持。 汽车制造业属于新兴的高科技产业，对科技技术的含量要求非常高。社会的发展要求汽车制造业不断提高自身的技术，同时也要求来自其它各个领域的技术支持。其中，三坐标测量技术是一个很重要的方面。

汽车车身，以及汽车车身的覆盖件大多数呈自由曲面状，自上世纪90年代中后期起，为了提高测量效率，尤其是为了强化对生产过程的监控，利用先进的光学测量系统，在车间现场实施在线检测的方式已越来越多地进入现代汽车业。一种以结构光学三维传感器为基础的高效“检测站”，被测工件首先由传输装置自动送入生产线上的测量工位，定位传感器将工件的真实位置输入计算机控制系统中，后者根据已编制好的测量程序自动控制安装在框架上众多光学三维传感器中的每一个，对工件上的各关键部位进行检测。一般固定的传感器数量为10-30个左右，完成测量仅需40s左右，效率很高。

二、数字化精密测量技术在机床制造中的应用

数字化精密测量技术是数字化制造技术中的关键技术之一。开发亚微米、纳米级高精度测量仪器，提高环境适应能力，增强鲁棒性，使精密测量装备进入生产现场，集成到加工机床和制造系统，形成先进的数字化闭环制造系统，是当今精密测量技术的发展趋势。数控机床的精度和性能检测领域中，国外著名厂商Renishaw、API及HP等公司生产的激光干涉仪测量系统和球杆仪等在数控机床的几何精度和运动精度的检测和监控中，无论在机床制造厂还是机床使用厂，都得到了广泛的应用。

随着MEMS、微纳米技术的兴起与发展，人们对微观世界探索的不断深入，测量对象尺度越来越小，达到了纳米量级；另一方面，由于大型、超大型高端系统、机电工程的制造、安装水平提高，以及人们对于空间研究范围的扩大，测量对象尺度覆盖范围越来越大，目前已达91m～102 m的范围，相差11个数量级之巨，高端制造中从微观到宏观的尺寸测量范围不断扩大。在此背景之下，微纳制造、超精密制造、巨系统制造等系统中，传统的测量方法和测量仪器受到极大挑战，出现了纳米尺度表征以及参数量值的统一和溯源等许多新的科学问题和工程技术问题亟待解决。

三、精细测量技术在发动机制造中的运用

发动机是由许多各种形状的零部件组成，这些零部件的制造质量直接关系到发动机的性能和寿命。使产品质量的目标和关键渐渐由最终检验转化为对制造流程进行控制，通过信息反馈对加工设备的参数进行及时的调整，从而保证产品质量和稳定生产过程，提高生产效率。降低企业的测量成本，计量人员的培训费用，测量设备的使用和维修费用，达到提高测量检测效率的目的，使企业具备生产过程的实时质量控制能力，这将关系到企业在市场活动中的应变能力，对帮助企业建立并维护良好的市场信誉，具有重要的决定作用。

例如各种尺寸类型的 齿轮专用检测仪器，凸轮检测仪器等。这样往往导致企业的计量部门需要配置多类型的计量设备和从事计量操作的专业检测人员，计量设备使用率较低，同时企业负担较高的计量人员的培训费用和计量设备使用和维护费用；企业无法实现柔性、通用计量检测。因此，降低企业的测量成本，计量人员的培训费用，测量设备的使用和维修费用，达到提高测量检测效率的目的，使企业具备生产过程的实时质量控制能力，这将关系到企业在市场活动中的应变能力，对帮助企业建立并维护良好的市场信誉，具有重要的决定作用。

四、CAD测量技术在钢箱梁制造中的应用

主塔劲性骨架为主塔施工定位的基础，只有劲性骨架定位准确后，相应的钢筋、模板、预应力波纹管才能根据劲性骨架的位置来进行定位。每次劲性骨架的安装高度平均比每次将要施工的塔柱高度高1～2m，以利于下一节劲性骨架的安装； 安装第2节劲性骨架时，先将劲性骨架的现状标高测定，然后利用CAD将劲性骨架将此标高的坐标求出，在劲性骨架节与节之间设置定位连接钢板，在定位钢板上放出所求坐标，将所要安装的劲性骨架安装定位。此方法有利于主塔定位，保证了主塔的施工准确性，从而解决了主塔空间定位难度大的问题。

根据钢箱梁的结构特点，结合国内钢材的供货及运输现状，将节段组装采用立体、阶梯方式进行，即以预拼装胎架为外胎，横隔板为内胎，依次组焊各粱段的底板单元、斜底板单元、横隔板单元、锚箱风嘴单元、顶板单元及附属件，完成钢箱梁节段的制作。横向对称设计，以底板、斜底板外形为基准面确定胎架形状，利用型钢制作支承钢架与基础预埋件焊接，每个预埋件处的基础承载力不小于30t，支承钢架分横向钢架和纵向连杆，纵向连杆将横向钢架连接起来，形成网架结构，使其具有足够刚度。

随着时代的发展与技术的进步，高端制造行业对测量技术的要求越来越高，依赖性也越来越大，在此背景下，大力发展测量技术，加强对测量技术的研制开发和推广应用，以及研究测量技术的规范化与安全性， 是测量技术工作者一直关注的问题。因此，测量水平的高低，对先进制造技术的生产质量有很大影响，因此在施工中必须对测量技术的运用有足够的重视。

【参考文献】

[1]孙贤标 机械制造领域中对测量技术的应用探讨[J] 城市建设理论研究 2012年第24期

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2015年北京工业大学硕士研究生拟招生学科目录已公布，具体内容请各位考生查看如下：

院（所）、学科代码、名称 学科方向 招生人数 考试科目 备注 001 机械工程与应用电子技术学院 223     0801 力学 _ 01动力学与控制 _ 02固体力学 _ 03流体力学 _ 04工程力学 27 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④811理论力学或812材料力学I   080200 机械工程 _ 01数字化设计与制造技术 _ 02精密数控加工与自动化装备 _ 03现代焊接技术与自动化装备 _ 04机电系统控制及自动化 _ 05机构及机器人系统分析与控制 _ 06机械及微机电系统结构设计 78 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④811理论力学或812材料力学I或813电工学   0804 仪器科学与技术 _ 01精密测试技术与仪器 _ 02现代测控技术及方法 _ 03计算机测试与控制技术 _ 04智能仪器与虚拟仪器技术 23 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④803电子技术I或812材料力学I或813电工学   085201 机械工程（专业学位） _01数字化设计与制造及装备 _02现代机械系统设计 _03机电液一体化设计与制造 _04现代测控技术与仪器 _05高端装备强度与动态分析 95 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④809工程力学或813电工学   002 电子信息与控制工程学院 232     0809 电子科学与技术 _ 01信号处理与电路 _ 02数字多媒体信息技术 _ 03信息光电子学与光通信 _ 04超大规模集成电路设计与系统集成 _ 05电子器件、射频和功率集成电路及可靠性 58 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④822信号与系统或823半导体物理 1、01-02方向选822； 2、03-05方向选823。 0810 信息与通信工程 _ 01语音与音频信号处理 _ 02多媒体通信技术 _ 03信号处理理论与通信技术 _ 04图像与视频信号处理 30 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④822信号与系统   0811 控制科学与工程 _ 01自动控制理论及其应用 _ 02测控技术与自动化系统 _ 03智能系统与智能信息处理 _ 04信息融合与自主导航 _ 05计算机控制技术及其应用 63 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④821自动控制原理   085208 电子与通信工程（专业学位） _ 01信号与信息处理及其应用技术 _ 02图像处理与模式识别技术 _ 03多媒体通信技术 _ 04无线通信技术 _ 05嵌入式系统技术 35 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④822信号与系统   085210 控制工程（专业学位） _ 01工业过程的建模、控制与优化 _ 02系统工程（系统优化与决策） _ 03信息管理系统 _04生产过程综合自动化 _ 05智能控制与智能系统 30 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④821自动控制原理   085209 集成电路工程（专业学位） _ 01集成电路设计 _02集成电路制备工艺及相关技术研究 _03微电子器件检测与可靠性评价技术 16 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④823半导体物理   004 建筑工程学院 246     0814 土木工程 _01工程抗震减震与城市综合防灾减灾理论、方法和技术 _02结构新体系与高性能材料 _03结构全寿命设计、健康监测与可持续发展 _04岩土与地下工程安全风险分析、评价方法和技术 _05工程施工技术与风险管理 _06水环境恢复工程及水质处理保障技术 _07建筑环境控制及能源利用技术 119 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③301数学一 ④841结构力学 或833土力学与地基基础 或843钢筋混凝土结构 或 845水分析化学与水力学；或846传热学Ⅰ或867流体力学Ⅱ 1、土木工程（含工民建、道桥等）或相近专业考生报考方向可选01～05，考试科目可选841或833或843； 2、给排水或相近专业考生报考方向可选06，考试科目可选845； 3、暖通或相近专业考生报考方向可选07，考试科目应选846或867。 0823 交通运输工程 _ 01道路与铁道工程 _ 02交通运输规划与管理 _ 03交通信息工程及控制 4 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④848道路工程 或 849交通工程或832交通信息与控制 1、01方向选848； 2、02-03方向选849或832。 0815 水利工程 _ 01水文学及水资源 _ 02水力学及河流动力学 _ 03水工结构工程 _ 04水利水电工程 _ 05港口、海岸及近海工程 10 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③301数学一 ④841结构力学或844水力学Ⅱ   085213 建筑与土木工程（专业学位） _01工程抗震减震与城市综合防灾减灾理论、方法和技术 _02结构新体系与高性能材料 _03结构全寿命设计、健康监测与可持续发展 _04岩土与地下工程安全风险分析、评价方法和技术 _05工程施工技术与风险管理 _06工程项目管理及信息化 _07水环境恢复工程及水质处理保障技术 _08建筑环境与能源利用技术 100 ①101思想政治理论 ②204英语二或203日语 ③302数学二 ④841结构力学或833土力学与地基基础或845水分析化学与水力学 或846传热学Ⅰ或867流体力学Ⅱ 1、土木工程（含工民建、道桥等）或相近专业考生报考方向可选01～06，考试科目可选841或833或843； 2、给排水或相近专业考生报考方向可选07，考试科目可选845； 3、暖通或相近专业考生报考方向可选08，考试科目应选846或867。 085222 交通运输工程（专业学位） _01道路交通安全理论与道路工程技术 _02交通规划与交通控制理论及方法 _03智能交通、仿真与可持续发展整合体系 5 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④848道路工程或849交通工程或832交通信息与控制 1、01方向选848； 2、02-03方向选849或832。 1256 工程管理（专业学位） _ 00不区分研究方向 8 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二   005 环境与能源工程学院 152     070304 物理化学 _01能源材料物理化学 _02催化化学 _03纳米材料物理化学 _04界面物理化学与分离技术 11 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③684物理化学I ④887无机化学II · 0807 动力工程及工程热物理 _ 01可再生能源利用及先进环境能源理论与技术 _ 02强化传热传质理论与工程应用 _ 03制冷低温系统及其环保节能理论与技术 _ 04车辆及动力系统节能、净化与控制 23 · ①101思想政治理论 · ②201英语一 · ③301数学一 · ④851传热学Ⅱ或852工程热力学   0817 化学工程与技术 _ 01绿色化学与精细有机化工 _ 02工业催化与纳米科学 _ 03膜科学与化工分离技术 _ 04材料化学理论与应用 _ 05先进材料合成及催化应用 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③302数学二 ④814物理化学Ⅲ或820有机化学I或878化工原理   0830 环境科学与工程 _ 01环境规划与污染防治 _ 02污染控制化学 _ 03环境分析与监测 _ 04环境规划与管理 _ 05水污染控制工程 _ 06大气污染控制工程 28 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③302数学二 ④856环境影响评价或857微生物基础I或858环境工程学 1、只有05方向招日语考生； 2、01-04方向，选856； 3、05方向选857； 4、06方向选858。 085206 动力工程（专业学位） _01可再生能源利用与先进环境能源技术 _02能源动力系统优化及工程应用 _03制冷低温系统及其节能环保技术 _04动力机械及车辆动力系统节能、净化与控制 32 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④851传热学Ⅱ或852工程热力学   085229 环境工程（专业学位） _01水污染控制工程 _02大气污染控制工程 _03环境规划与管理 33 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④856环境影响评价或857微生物基础I或858环境工程学 1、01方向选857； 2、02方向选858； 3、03方向选856。 006 应用数理学院 98     0701 数学 _ 01基础数学 _ 02应用数学 _ 03运筹学与控制论 _ 04科学计算 35 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③663数学分析 ④865高等代数   0714 统计学 _ 01非参数统计与数据分析 _ 02应用统计 _ 03生物统计 _ 04金融工程与应用概率 _ 05经济统计 14 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③663 数学分析 ④865 高等代数   0702 物理学 _ 01理论物理 _ 02凝聚态物理 _ 03光学 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③662普通物理I ④861量子力学或863光学 1、01方向选861； 2、02方向选861或863； 3、03方向选863。 0803 光学工程 _ 01脉冲激光技术与应用 _ 02信息光学与应用 _ 03微纳光学 _ 04光电传感与检测技术 7 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④828激光原理   0252 应用统计（专业学位） _01生物医学统计 _02精算统计 _03数量金融 _04质量管理统计 17 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③303数学三 ④432统计学   007 计算机学院 151     0812 计算机科学与技术 _ 01 计算机系统结构 _ 02 计算机软件与理论 _ 03计算机应用技术 _ 04 信息安全 68 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④895 计算机学科专业基础   085211 计算机技术（专业学位） _ 01计算机网络技术 _ 02计算机软件技术 _ 03计算机应用技术 _ 04信息安全技术 83 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④896数据结构   009材料科学与工程学院 140     0805 材料科学与工程 _ 01生态环境材料与资源循环技术 _ 02稀土、难熔金属等功能材料 _ 03高性能结构材料技术 _ 04先进材料加工技术 _ 05光电信息与高效能源材料 80 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③302数学二 ④875材料科学基础   085204 材料工程（专业学位） _ 01生态环境材料与资源循环技术 _ 02稀土、难熔金属等功能材料 _ 03高性能结构材料技术 _ 04先进材料加工技术 _ 05光电信息与高效能源材料 60 ①101思想政治理论 ②204英语二或203日语 ③302数学二 ④875材料科学基础   011 经济与管理学院 182     1201 管理科学与工程 _ 01技术与项目管理 _ 02战略管理与社会网络 _ 03信息管理与信息系统 _ 04城市管理 _ 05运作管理与质量管理 _ 06金融工程 25 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③303数学三 ④801管理学或804经济学原理或805数据库技术与应用   0202 应用经济学 _01金融学 _02国际贸易学 _03产业经济学 _04区域经济学 _05数量经济学 _06统计学 _07劳动经济学 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③303数学三 ④804经济学原理   1202 工商管理 _ 01会计学 _ 02企业管理 _ 03旅游管理 _ 04技术经济及管理 13 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③303数学三 ④801管理学或804经济学原理   1251 工商管理硕士（专业学位） _ 00不区分研究方向 99 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二   1252 公共管理硕士（专业学位） _ 00不区分研究方向 20 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二   012 建筑与城市规划学院 60     0833 城乡规划学 _ 01城乡规划理论与方法 _ 02居住区规划与设计 _ 03城市设计与景观规划 _ 04历史城市与街区保护规划 _ 05城市防灾减灾规划 15 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③633城市规划原理 ④503城市规划与设计 接收建筑学、城市规划学(含园林景观)专业的考生报考。 0851 建筑学（专业学位） _01都市建筑设计及理论 _02历史建筑的保护与更新 _03建筑与城市绿色环境技术 _04城市设计方法及理论 40 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③355建筑学基础 ④504建筑快速设计 接收建筑学、城市规划学专业的考生报考。 085237 工业设计工程（专业学位） _ 00不区分研究方向 5 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③337工业设计基础 ④502产品设计 接收工业设计、产品设计、艺术设计专业等相关专业考生报考。

085229 环境工程（专业学位） _01水污染控制工程 _02大气污染控制工程 _03环境规划与管理 33 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④856环境影响评价或857微生物基础I或858环境工程学 1、01方向选857； 2、02方向选858； 3、03方向选856。 006 应用数理学院 98     0701 数学 _ 01基础数学 _ 02应用数学 _ 03运筹学与控制论 _ 04科学计算 35 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③663数学分析 ④865高等代数   0714 统计学 _ 01非参数统计与数据分析 _ 02应用统计 _ 03生物统计 _ 04金融工程与应用概率 _ 05经济统计 14 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③663 数学分析 ④865 高等代数   0702 物理学 _ 01理论物理 _ 02凝聚态物理 _ 03光学 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③662普通物理I ④861量子力学或863光学 1、01方向选861； 2、02方向选861或863； 3、03方向选863。 0803 光学工程 _ 01脉冲激光技术与应用 _ 02信息光学与应用 _ 03微纳光学 _ 04光电传感与检测技术 7 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④828激光原理   0252 应用统计（专业学位） _01生物医学统计 _02精算统计 _03数量金融 _04质量管理统计 17 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③303数学三 ④432统计学   007 计算机学院 151     0812 计算机科学与技术 _ 01 计算机系统结构 _ 02 计算机软件与理论 _ 03计算机应用技术 _ 04 信息安全 68 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④895 计算机学科专业基础   085211 计算机技术（专业学位） _ 01计算机网络技术 _ 02计算机软件技术 _ 03计算机应用技术 _ 04信息安全技术 83 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④896数据结构   009材料科学与工程学院 140     0805 材料科学与工程 _ 01生态环境材料与资源循环技术 _ 02稀土、难熔金属等功能材料 _ 03高性能结构材料技术 _ 04先进材料加工技术 _ 05光电信息与高效能源材料 80 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③302数学二 ④875材料科学基础   085204 材料工程（专业学位） _ 01生态环境材料与资源循环技术 _ 02稀土、难熔金属等功能材料 _ 03高性能结构材料技术 _ 04先进材料加工技术 _ 05光电信息与高效能源材料 60 ①101思想政治理论 ②204英语二或203日语 ③302数学二 ④875材料科学基础   011 经济与管理学院 182     1201 管理科学与工程 _ 01技术与项目管理 _ 02战略管理与社会网络 _ 03信息管理与信息系统 _ 04城市管理 _ 05运作管理与质量管理 _ 06金融工程 25 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③303数学三 ④801管理学或804经济学原理或805数据库技术与应用   0202 应用经济学 _01金融学 _02国际贸易学 _03产业经济学 _04区域经济学 _05数量经济学 _06统计学 _07劳动经济学 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③303数学三 ④804经济学原理   1202 工商管理 _ 01会计学 _ 02企业管理 _ 03旅游管理 _ 04技术经济及管理 13 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③303数学三 ④801管理学或804经济学原理   1251 工商管理硕士（专业学位） _ 00不区分研究方向 99 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二   1252 公共管理硕士（专业学位） _ 00不区分研究方向 20 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二   012 建筑与城市规划学院 60     0833 城乡规划学 _ 01城乡规划理论与方法 _ 02居住区规划与设计 _ 03城市设计与景观规划 _ 04历史城市与街区保护规划 _ 05城市防灾减灾规划 15 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③633城市规划原理 ④503城市规划与设计 接收建筑学、城市规划学(含园林景观)专业的考生报考。 0851 建筑学（专业学位） _01都市建筑设计及理论 _02历史建筑的保护与更新 _03建筑与城市绿色环境技术 _04城市设计方法及理论 40 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③355建筑学基础 ④504建筑快速设计 接收建筑学、城市规划学专业的考生报考。 085237 工业设计工程（专业学位） _ 00不区分研究方向 5 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③337工业设计基础 ④502产品设计 接收工业设计、产品设计、艺术设计专业等相关专业考生报考。 036 学院 10     010108 科学技术哲学 _ 01科学技术与社会研究 _ 02工程伦理学 _ 03生态哲学与可持续发展问题研究 5 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③620科学技术史 ④825哲学   0305 理论 _ 01基本原理 _ 02中国化研究 _ 03思想政治教育 5 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③651基本原理 ④883思想政治教育基本原理   035 艺术设计学院 22     1305 设计学 _ 01 产品设计 _ 02 环境设计 _ 03 服装与服饰设计 _ 04 工艺美术 _ 05 数字媒体艺术 _ 06 视觉传达设计 7 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③622设计史论 ④505快题设计 505考试为6小时。 1351 艺术（专业学位） _ 01 产品设计 _ 02 环境设计 _ 03 服装与服饰设计 _ 04 工艺美术 _ 05 数字媒体艺术 _ 06 视觉传达设计 _ 07 动画 _ 08 绘画 _ 09 雕塑 8 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③622设计史论 或 619美术史论 ④505快题设计 或 506专业创作 1、01-04方向选622和505。 2、05-09方向选619和506。 3、506和505考试时间为6小时。 085237 工业设计工程 _01 工业设计 _02 设计管理 _03 交互设计 7 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③337工业设计基础 ④502产品设计 报考02设计管理的考生须有两年以上工作经验，专业不限。 039 城市交通学院 87     0823 交通运输工程 _ 01交通规划理论与方法 _ 02道路与交通工程设计方法 _ 03交通安全理论与技术 _ 04智能交通控制与信息处理 _ 05路基路面结构与材料 _ 06道路养护与运营管理 23 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④848道路工程 或 849交通工程或832交通信息与控制 1、01-04方向选849或832； 2、05-06方向选848。 085222 交通运输工程（专业学位） _01交通规划技术 _02交通管理与工程设计 _03交通信息与控制技术 _04道路设施设计与施工技术 _05道路养护与管理 23 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④848道路工程或849交通工程或832交通信息与控制 1、01-03方向选849或832； 2、04-05方向选848。 0812 计算机科学与技术 _ 01智能交通信息处理 _ 02虚拟现实与交通仿真 _ 03物联网信息感知与智能处理 _ 04智能人机交互与多媒体技术 _ 05交通大数据智能处理技术 21 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④895 计算机学科专业基础   085211 计算机技术（专业学位） _ 01智能交通信息处理 _ 02虚拟现实与交通仿真 _ 03物联网信息感知与智能处理 _ 04智能人机交互与多媒体技术 _ 05交通大数据智能处理技术 5 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④896数据结构   0811 控制科学与工程 _ 01智能交通系统控制 _ 02自主车辆与车路协同 _ 03交通图像与视频信号处理与分析 _ 04交通信息智能化处理 8 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④821自动控制原理   085210 控制工程（专业学位） _ 01智能交通系统管理与控制技术 _ 02智能车辆与车路协同控制技术 _ 03交通信息处理方法与应用 _ 04交通图像与视频信号处理技术 7 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④821自动控制原理

篇8

关键词 教学改革 创新能力 物理 教学内容

中图分类号：G642 文献标识码：A

0 前言

应用物理学是当今高新技术创新发展的基础，是多种技术学科的支柱。与本专业存在交叉的专业包括光学、工程物理、半导体和材料专业等。目前，我国对物理专业的人才需求仍旧是供不应求，但表面上却是学生就业压力大。对人才培养的需求加上建设创新型国家和国际经济一体化的大背景，要求将创新教育贯穿于各级各类教育的全过程。本研究将立足于应用物理专业学生创新思维与创新能力的培养。对工科院校物理专业培养目标进行符合市场需求的重新定位，为高等院校物理专业深化教育教学改革提供有益经验。

1 研究思路

学院本着“理工交融”的办学特色和“厚基础、宽口径、重实践、求创新”的人才培养模式，着力打造本科生的培养。注重与新科技、新产业以及地方经济结合安排课程，积极开展大学生素质拓展和科技创新活动，正在走出一条分层次培养、适应社会需求的人才培养道路。

2 改革的内容

（1）改革培养方案，优化课程结构，多元化设置培养方向。学院将应用物理专业发展为应用物理、材料物理、光电信息科学与工程三个专业，完成人才培养方案修订，并组织实施。并在实践中进一步修改，使之逐步趋于完善；优化课程结构，按照“少而精”的原则设置必修课；增加选修课比重，允许学生跨系跨专业选修课程，使学生依托一个专业，着眼于综合性较强的跨学科训练；分层次设置课程，尽量做到因材择课，兴趣与学习结合。

（2）改革课堂教学，优化教学形式，把创新能力培育纳入课堂中。学生的创新精神和创新能力的培养也必须渗透到各科课堂教学过程中。多门主干课实施教学模式改革，把创新能力培育纳入课堂中。其中，电磁学、热学、近代物理等课程改革获得学校教学成果一等奖，光电子学基础等课程改革获得校教改立项并通过鉴定，原子物理学获得校精品课程。大学物理获得省级精品课程。用多样的课堂教学形式，加强各学科的相互渗透和交叉综合，拓宽学生的思维空间，注意融合学科前沿知识和高新科技，增大课堂信息量，激发学生的创新精神。

（3）实行实验课分层次立体化教学模式，探索开放式实验教学体系。改革实验室管理运行机制，探索和完善实施开放式实验教学的方法及其在课堂教学、实验技能竞赛、创新实验设计竞赛、本科生毕业设计（论文）中的应用。学生实践创新能力得到了培养和提高。建成了河南省物理实验示范中心、洛阳市光电功能材料重点实验室。

（4）改革和完善学生科技创新体系，建立校内创新实践基地。实行学生科学研究训练计划，引导学生在教师的指导下进行科研训练；鼓励学生申报大学生科研训练计划，科技创新项目等，通过科研促进教学，提高学生的科学素质，培养学生的科学精神。

（5）建立和拓展校企联合培养模式，建立校外实践基地，打造人才培养的新模式。建立和拓展校企联合培养的模式，促进本科教育与社会对人才需求的接轨，提升学生就业能力，打造人才培养的新模式。和洛阳凯迈测控、四季沐歌等与物理专业紧密结合的企业建立联合培养的模式，提高学生实践能力，培养为区域经济服务的实用型人才。

3 初步成果和效果

通过四年的改革，取得了令人满意的效果。

（1）形成新的利于学生创新能力培养的物理专业整体培养方案和人才培养模式，建立系统的大学生创新能力培养体系。建立和完善分层次开放式实验教学体系和新的实验室管理运作模式。建设物理实验教学示范中心开放式实验教学管理网站。发表教研论文12篇，举办全国高等学校“热力学与统计物理”教学与学术研讨会。

（2）学生学习研究的主动性、积极性、创新性明显提高。课外创新实践产生了高质量成果。获得河南省级“挑战杯”，河南省机器人游大赛，中国机器人大赛，全国大学生数学建模，全国大学生英语竞赛等比赛的二十余项奖项；学生申报或授权专利15项；参加SRTP项目40项；学生发表实验研究论文23篇。

（3）开辟适应地方高校物理专业的校企联合培养模式，与洛阳开拓者钼业、洛阳鼎晶电子材料有限公司、洛阳嘉盛电源科技有限公司、洛阳金诺机械工程有限公司先后签订校企合作协议，建立一系列的实习基地，实施“预签式” 培养办学模式。

（4）通过教研结合，学生创新能力培养和科学技术研究相互促进，教师实验科学研究成果显著。物理工程学院五个科研团队（光电功能材料、材料物性分析与模拟计算、光电信息及其图像处理、微纳结构与信息光学团队、光纳半导体与传感材料），共近200篇，其中SCI收录94篇，EI/ISTP收录42篇；主持项目47项，其中国家级项目21项，省厅级项目26项；申请发明专利40余项。

4 结束语

本研究对全国同类高校的理工科专业学生创新能力的培养可起到一定借鉴作用。当然，应用物理专业的办学需要研究的课题还很多，还需要在以后实践中进一步探索。

本研究得到河南省高等教育教学改革研究项目（2012 SJGLX149，2014SJGLX197）

参考文献

[1] 林德华，王新强，李芳昱.应用物理专业课程建设和教学改革[J].重庆大学学报（社会科学版），2009（5）：149-150.

[2] 王心芬，张秀荣.应用物理专业人才培养模式的探索[J].江苏科技大学学报（社会科学版），2006.6（3）：97-100.

[3] 郝世明，李立本，巩晓阳，等.注重创新能力培养的物理专业实验教学改革[J].成才之路，2014（1）：56-56.

篇9

摘要：

本文结合SiO2纳米球掩膜和反应离子刻蚀技术制备了结构呈周期性排列的多晶黑硅，再利用低浓度的NaOH溶液去除由荷能离子撞击所带来的损伤层，优化了多晶黑硅结构。然后在多晶黑硅上用原子层沉积技术沉积一层Al2O3薄膜，并对样品进行快速热退火处理。结果表明，采用低浓度的NaOH溶液可以完全去除损伤层，在保持原有黑硅结构的基础上使表面结构更加光滑；经450℃快速热退火后少子寿命达到29.34μs，表面复合速率为306cm﹒s-1，在可见光范围内反射率降至7.12%，钝化和减反射二者兼顾的效果显著。

关键词：

材料；反应离子刻蚀；去损伤；表面钝化；氧化铝

1引言

降低硅片表面反射率是提高晶硅太阳电池转化效率行之有效的方法。黑硅即在硅片表面制备微纳结构，从而达到降低表面反射率的目的。黑硅的制备方法可分为干法刻蚀和湿法刻蚀，其中干法刻蚀包括：飞秒激光法和反应离子刻蚀法；湿法刻蚀包括：电化学腐蚀法和金属辅助化学腐蚀法。而RIE法在制备黑硅过程中所产生的等离子体会对样品表面造成一定厚度的损伤层，影响电池转化效率[1]。所以采用RIE法制备黑硅后需要进行去损伤处理，一般采用碱或酸溶液进行处理。由于微纳结构会大大增加硅表面缺陷态密度，进一步增加表面载流子复合速率，从而降低电池转化效率。通过表面钝化技术可以有效降低表面复合速率，成为提高黑硅太阳电池光电转化效率的主要手段之一。目前，已有多种表面钝化技术运用到晶硅太阳电池。一种方法是通过高温氧化工艺热生长一层致密的二氧化硅层，从而降低表面悬挂键数量，达到钝化效果[2]。但高温不仅会对已形成的扩散结造成影响，且容易在衬底中形成位错，影响体少子寿命。另一种方法是采用等离子体增强化学沉积低温沉积本征氢化非晶硅(a-Si:H)，a-Si:H薄膜中富含H，经过一定的热处理后薄膜内的H会向晶体硅/薄膜界面扩散，饱和硅表面悬挂键，但非晶硅的热稳定性能较差，后期过高温度的热处理会使非晶硅晶化，从而恶化其钝化效果[3-4]。目前工业上最常用的钝化方法是采用PECVD沉积SiNx，其原因是SiNx薄膜具有生长温度低、结构致密、能调节折射率等优点，能起到减反射和钝化双重作用[5]。但SiNx介质层中富含正电荷，在钝化p型硅时背面会产生寄生分路从而影响效率[6]。利用原子层沉积技术沉积Al2O3来钝化晶硅太阳电池是近年来提出的一种新型技术。1989年，R.Hezel等人[7]首次通过热分解三异丙醇铝沉积Al2O3对硅片表面进行了钝化。2006年，B.Hoex等人[8]通过ALD技术制备了对硅表面具有优异钝化性能的Al2O3薄膜。ALD的最大优点在于其自限制性，即使对于纵宽比高达100：1的结构也可实现良好的阶梯覆盖，而且得到的薄膜具有纯度高、厚度均匀、保型性好等优点。M.Otto等人[9]采用ICP-RIE在单晶硅片上制得针状结构后用ALD沉积了一层Al2O3，黑硅表面得到有效钝化，少子寿命明显提高。Wei-ChengWang等人[10]利用金属辅助化学刻蚀法制备单晶黑硅后用ALD沉积了Al2O3/TiO2的双层钝化膜，制成电池后转化效率达到18.5%。S.Schafer等人[11]采用电化学腐蚀法在单晶硅片上制备出了微米尺寸的多孔硅，然后用ALD沉积一层20nm厚的Al2O3薄膜，有效表面复合速率明显降低。作为太阳电池的重要原材料，多晶硅比单晶硅具有更高密度的晶界、位错、微缺陷等结构缺陷。在这些结构缺陷附近载流子复合速率较高，当其它杂质缀饰这些缺陷后，载流子复合速率会进一步增强[12]。研究多晶硅片的钝化更显重要。本文首先采用SiO2纳米球掩膜和RIE技术相结合的方法来制备多晶黑硅，然后用低浓度NaOH溶液去除黑硅表面损伤层并对结构进行重构，再利用ALD技术在黑硅表面沉积一层Al2O3薄膜进行表面钝化，通过扫描电镜、紫外-可见分光光度计和少子寿命测试仪研究表面形貌、损伤层去除和Al2O3薄膜钝化效果。

2实验

本实验采用太阳电池级p型4cm×4cm多晶硅片，电阻率约为2Ω•cm，厚度为180μm。采用传统碱抛光工艺去除硅片表面机械损伤后，利用SiO2纳米球掩膜和反应离子刻蚀技术来制备黑硅。众所周知，RIE法制备黑硅结构时，荷能离子的轰击会对硅片表面造成损伤，从而影响后期制备电池的效率。为了去除损伤层，采用低浓度的NaOH溶液处理黑硅，处理时间为0s~150s，间隔30s。最后用ALD技术沉积Al2O3薄膜并研究其钝化性能。采用ALD系统，以三甲基铝(TMA)和水为反应源，高纯N2为载气，在200°C下进行样品沉积，最终生长的Al2O3薄膜厚度约为72nm。其反应方程式见式(1)：2Al(CH3)3+3H2OAl2O3+6CH4。(1)在原子层沉积Al2O3过程中，每个生长周期可分为两个半反应：Si-OH*+Al(CH3)3SiO-Al(CH3)2*+CH4；(2)SiO-AlCH3*+H2OSiOAl-OH*+CH4。(3)在第一个半反应中(式(2))，TMA与吸附在硅表面的-OH反应，通过配体交换生成CH4和O-Al键；第二个半反应中(式(3))，水与表面甲基反应生成CH4和Al-OH键[13]。采用RTP300型快速热退火炉对沉积后的样品进行快速热退火，退火时间为600s，温度为400~550℃，间隔50℃。采用HITACHIS-2800SEM对所制备的黑硅表面形貌进行表征；采用岛津UV-3600分光光度计对黑硅表面反射率进行测试；采用Sinton的WCT-120型少子寿命测试仪表征多晶黑硅少子寿命。

3分析与讨论

3.1碱溶液处理对黑硅形貌的影响

干法制备黑硅的优势是可以不受硅片晶向影响，能得到规则排列的锥形结构，有利于后续钝化的进行。但干法制备黑硅不可避免的会在硅片表面造成一定损伤，从而影响少子寿命。因此本文先采用SiO2纳米球掩膜和RIE技术相结合的方法来制备黑硅，然后利用低浓度碱溶液处理黑硅样品，以达到去除损伤层和对样品表面结构重构的作用。图1是碱溶液处理前后及钝化后黑硅表面及截面的SEM图，由图1(a)、（b）可以看出，RIE法制备的黑硅结构呈圆台状并在圆台上表面存在很多小结构；图1（c）、（d）分别是用1%NaOH处理120s后的表面和截面SEM图，不难发现：黑硅结构发生了重构，由处理前的圆台结构变为处理后的圆锥结构，圆台上表面的微小结构完全被去除，结构更显光滑且呈HCP方式排列，结构深度基本没有变化约为500nm（图1（d））。图1（e）、（f）是钝化后黑硅表面和截面的SEM图，沉积Al2O3薄膜后，黑硅形貌依旧保持原来圆锥状结构，Al2O3薄膜在黑硅表面实现了良好的阶梯覆盖，只是形貌更显圆润；由于ALD有着良好的保型性，结构深度没有很大变化，而结构间的间距因沉积Al2O3薄膜而有一定缩小。

3.2碱溶液处理对黑硅表面反射率的影响

图2是样品经1%NaOH溶液处理不同时间后的反射率曲线，由图2(a)可知：随着碱处理时间的增加，反射率逐渐上升；400-1000nm波长范围内，平均反射率由0s时的8.11%上升到150s时的17.82%，远小于用碱抛光过的硅片的反射率（35.19%）。碱处理后反射率的上升是由于硅片表面形貌的变化以及小结构被碱腐蚀所导致。碱处理并沉积Al2O3薄膜后样品的反射率曲线如图2(b)所示。沉积Al2O3薄膜后，样品反射率明显下降，平均反射率由未钝化时的8.11%(图2(a))降到5.31%(图2(b))，展现出良好的减反效果。这是由于沉积Al2O3薄膜后，会在空气与硅表面形成折射率渐变层，减少光的反射。碱处理时间为0s，样品钝化后平均反射率为5.31%；处理150s时为7.56%；抛光硅片为19.96%。当碱处理时间低于150s时，钝化后样品的平均反射率基本不随碱处理时间变化；在580nm波长左右时，反射率曲线发生重合。

3.3碱溶液前处理时间对钝化后黑硅少子寿命的影响

有效少子寿命τeƒƒ由样品体寿命τbulk、上表面有效寿命τtsurface和背表面有效寿命τbsurface共同决定，它们之间的关系如式(4)：ƒƒ1111=++ebulktsurfacebsurface。（4）由于体寿命远大于表面有效寿命，可假设体寿命为无穷大，通过式(5)可以计算出有效表面复合速率(SRV)。ƒƒƒƒ2eeSW，（5）式中：Seƒƒ为有效表面复合速率，W为样品厚度[14]。样品钝化并经500℃快速热退火后少子寿命和SRV随碱溶液前处理时间变化如图3所示。随着碱处理时间的增加，少子寿命快速上升，SRV急剧下降，主要原因是RIE会对硅片表面造成损伤，表面缺陷态密度增加，而低浓度的碱溶液能有效去除硅片表面损伤层，随着碱处理时间的增加，损伤层越来越薄直至完全去除。未经碱处理的样品经钝化后少子寿命只有5.38μs，SRV达到1672cm﹒s-1；当处理时间为120s时，少子寿命达到最高为27.42μs，SRV降为328cm﹒s-1，说明此时损伤层基本去除干净；随着碱处理时间的继续增加，少子寿命轻微下降，产生原因可能是碱处理时间的进一步增加，黑硅结构变化所导致。

3.4退火温度对钝化后黑硅少子寿命的影响

样品经低浓度NaOH溶液处理120s后少子寿命达到最高，选取该样品进一步研究钝化后其少子寿命和SRV随退火温度的变化，变化曲线如图4所示。由图可见，少子寿命随退火温度升高先上升后下降，在退火温度为450℃时达到最大值为29.34μs，随着退火温度的进一步升高，少子寿命缓慢下降。主要原因是退火前，H原子以-OH键形式存在于Al2O3介质层中，随着退火温度的升高，-OH键获得足够的能量断开，从而H原子被激活，穿过SiO2-Si界面层，复合硅片表面的悬挂键，减少了界面态密度，增加了少子寿命。同时，由于浓度梯度，氧离子和硅离子发生互扩散，两种离子的扩散率和扩散长度随温度的升高而增大，在SiO2-Si界面处生成SiOx，导致氧缺陷的增加从而加剧了表面复合，少子寿命减小[15]。SRV值变化趋势与少子寿命变化趋势相反，在450℃时达到最低为306cm﹒s-1。

4结论

本文采用SiO2纳米球掩膜和RIE技术相结合的方法来制备黑硅，用低浓度NaOH溶液去除黑硅表面损伤层，同时对结构进行重构。发现随着碱处理时间的增加，样品少子寿命增加，并随退火的升高先上升后下降。当样品用NaOH溶液处理120s后，黑硅表面损伤层能完全去除干净，平均反射率为7.12%；然后在450℃进行快速热退火，少子寿命达到最优值29.34μs，在牺牲一定反射率的基础上，能达到很好的钝化效果。结果表明，低浓度NaOH溶液能有效去除干刻所带来的损伤；而沉积一定厚度的Al2O3薄膜，兼具表面钝化和减反射的双重作用，对下一代高效多晶黑硅太阳电池的研制有很好的指导作用。

5致谢

感谢江苏省光伏科学与技术协同创新中心对本工作的支持，江苏高校优势学科建设工程资助。

参考文献：

5.马新尖,林涛.双层SiNx膜对单晶硅太阳电池性能的影响及XPS表征[J].激光与光电子学进展,2015,52(6):061608-1-061608-6.

6.吴大卫,贾锐,武德起,等.氧化铝钝化在晶体硅太阳电池中的应用[J].微纳电子技术,2011,48(2):118-127.

14.李想,颜钟惠,刘阳辉,等.原子层沉积Al2O3薄膜钝化n型单晶硅表面的研究[J].材料导报,2013,27(4):40-43.

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关键词：现场超大尺寸测量；iGPS；数字摄影；组合测量

中图分类号：P205 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）02-0181-02

Abstract：With the development of technology， super large-dimension measurement system in the forefront of scientific research， defence industry is also in the national production has a broad range of applications and needs. Size measurement with notable features： measuring space， measuring environment， interference factors much more complex features. This paper analyses and compares the existing eight large size measurement system analysis may be applied to in-situ super large-dimension measurement technology. Introduces the IGPS and digital photographic technique applied to large sizes measuring strengths and weaknesses.

Key words：super large-dimension measurement； iGPS； digital photography； combination measurement

技术的发展历史方向都是由常规向极端发展，随着测量技术的发展，测量范围也向极大极小尺寸发展。在小尺度上已经成功开辟了微纳测量研究领域，比较而言，现场超大尺寸测量的研究投入不足，尚未形成系统的理论和方法，对现场超大尺寸坐标测量技术及其相关理论体系的研究有待进一步深化。

和常规测量相比较，现场超大尺寸测量具有显著特点：测量空间大、测量环境复杂、干扰因素多，测量设备和测量系统必须在测量现场进行组建、校准和量值传递，精度保证困难；此外，极高的相对测量精度、被测对象多样性、测量效率低等也是大尺寸测量领域亟待解决的问题。现代大尺寸精密坐标测量技术是一门集电子、光学、图像、传感器、制造及计算机技术为一体的综合叉学科。

在重大技术装备涉及的关键技术中，大尺寸精密坐标测量技术是其中的基础支撑技术之一。国内发展势头最好的几个重装技术及应用领域，如大型飞机制造、电力能源设备制造及安装、船舶壳体装配等，都对超大尺寸精密测量技术提出了迫切需求。

1 超大尺寸测量

超大尺寸测量则是指在测量对象从十米到几百米尺寸范内的测量，而通常测量精度要求为1～10ppm。测量类型分类见表1。

超大尺寸坐标测量技术的需求和应用主要包括以下几个方面：（1）航空航天；（2）船舶工程与海洋工程；（3）电力电网行业；（4）大型建筑结构。（5）轨道交通。此外，大尺寸测量系统还应用于科学研究领域，如天体望远镜、粒子加速器等设备外形尺寸的研制，自动化生产设备（如机械手臂等）的运动参数分析中。超大尺寸测量系统无论在科研前沿、国防工业还是在国民生产领域都有着广泛的应用和需求，开展对超大尺寸测量系统相关理论和设备的研究具有广阔的应用前景。

2 技术比较

现存的大尺寸的测量方法主要有八种，表2对国际领先的八种典型大尺寸测量系统进行了比较。从表中可以看出关节臂测量机和三坐标测量虽然精度很高，但是由于其测量范围限制，并不能适用于超大尺寸的测量。对于经纬仪测量系统和全站仪测量系统而言，其自动化程度低，动态测量能力差，并不能满足现场实时测量的要求。激光跟踪和激光扫描测量系统对超大尺寸测量全场时间花费长，且对工作的环境要求很高，抗干扰能力差，不适合进行现场超大尺寸测量。

数字摄影测量系统在微米到几百米的尺度上都能进行较高精度的测量，便携及非接触测量的特点使得其能在恶劣和极端环境正常工作。可方便与其他测量系统形成组合兼容，是一种很有前景的现场超大尺寸测量技术。典型系统是美国GSI公司的V-STARS。V-STARS精度非常高，精度可达5μm+5μm/m。缺点是对软件数据处理能力要求很高，目前国内的软件处理离达到V-STARS的精度还有一定距离。

iGPS（indoorGPS）测量系统其原理跟GPS一样，利用三角测量原理建立坐标系，不同的是iGPS采用红外激光代替了卫星信号，它利用发射器发出红外信号。测量一个点所需要的最少发射器是2个，发射器越多，测量越精确，测量范围越大。理论上只要增加发射器数量，iGPS拥有无限扩展的能力，是最有前景的现场超大尺寸测量技术。iGPS目前主要应用机制造业，典型产品是美国ArcSecond公司的iGPS系统，如今该公司已被Nikon公司收购。在40m以内时测量精度较高，单点测点精度0.2mm。

3 结语

本文分析比较了八种大尺寸测量系统的特点，总结了在现场超大尺寸测量的应用前景。目前并没有适用全部情况的大尺寸测量系统，一般都是根据不同测量系统的优缺点，将几种测量系统组合的组合测量系统。

参考文献：

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[2]黄桂平，钦桂勤.大尺寸三坐标测量方法与系统[J].宇航计测技术，2007，27（4）：15-19.

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[4]黄鸿伟.地铁隧道全站仪自动化监测的技术难点问题及解决方案[J].测绘通报，2016，0（8）：149-151.

[5]张启福.地面三维激光扫描仪性能测试方法研究[D].郑州：信息工程大学，2012.