導語：如何才能寫好一篇半導體制備技術，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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1、半導體制冷技術

1.1、工作原理

半導體制冷器件的工作原理是基于珀耳帖原理，即利用當兩種不同的導體A和B組成的電路且通有直流電時，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量，且珀耳帖效應所引起的這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強度成正比，且與兩種導體的性質及熱端的溫度有關。

1.2、半導體制冷技術的優(yōu)缺點

半導體制冷器的尺寸小，可以制成體積不到1cm3小的制冷器；重量輕，微型制冷器往往能夠小到只有幾克或幾十克。無機械傳動部分，工作中無噪音，無液、氣工作介質，因而不污染環(huán)境，制冷參數(shù)不受空間方向以及重力影響，在大的機械過載條件下，均能夠正常地工作。而且作用速度快，使用壽命長，且易于控制。

半導體制冷片正常工作時，冷端制冷的同時需要在熱端進行有效的散熱，需要散去的熱量包含珀耳帖效應釋放的熱量和制冷片本身的焦耳熱。這個熱量遠比冷端的吸熱量大。所以導致半導體制冷片的效率較低。而且，對半導體制冷片熱端的散熱一般要采用主動散熱。

因此，半導體制冷技術較適合應用于封閉的小型空間的冷卻。

2、方案確立

冷卻裝置必須可以安裝在自動化設備屏柜內(nèi)部。因此，設計、組裝出來的整個裝置尺寸應合適，如果太小，則冷卻效果不明顯；太大，則無法安裝在屏柜內(nèi)部。經(jīng)過在網(wǎng)上查閱有關半導體制冷技術的相關資料后，制定了設計、組裝方案：將多片半導體制冷片拼在一起，使其制冷面積增大，同時散熱端使用尺寸較大的散熱器和散熱風扇，以確保其散熱性能良好。冷卻端使用比散熱端尺寸小點的散熱器和風扇，使其能保持適合溫度，避免出現(xiàn)溫度過低或者冷卻效率低。

3、現(xiàn)場安裝試驗

根據(jù)日常變電站自動化設備的運維經(jīng)驗，及多個變電站進行現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)自動化設備屏柜內(nèi)的熱量主要集中在柜內(nèi)頂部，而柜內(nèi)底部的溫度基本與室內(nèi)溫度相當。甚至在某些變電站，由于屏柜底部的電纜溝空間較大且密封嚴實，能起到很好的保溫效果，使得在屏柜內(nèi)底部測得的溫度比變電站二次設備間的溫度要更低。

針對現(xiàn)場勘查所得的情況，采用1個直流電源模塊同時帶2臺半導體冷卻裝置的運行方式，將冷卻裝置安裝在交換機柜內(nèi)頂部，將電源模塊放置在屏柜底部。使用適當數(shù)量和長度的角鋼在柜內(nèi)頂部搭建一個支架，將冷卻裝置固定在支架上。利用冷、熱空氣相互對流的原理，使冷卻端產(chǎn)生的冷空氣往柜內(nèi)底部流動，熱空氣向上升并通過頂部散熱孔排出屏柜，從而使屏柜內(nèi)溫度整體下降，達到為柜內(nèi)自動化設備降溫的目的。

4、運行情況分析

為了盡可能的獲得自動化設備屏柜內(nèi)部的各個部位的溫、濕度，分別在屏柜內(nèi)的上部、中部和下部分別放置了溫、濕度計。另外在屏柜外也放了一個，以獲取屏柜外部的環(huán)境溫度。并在冷卻裝置安裝完成后未投入運行前，先進性了溫度抄錄。

由于一天當中的各個時段溫度不同，會影響屏柜外部的環(huán)境溫度，進而影響到屏柜的內(nèi)部溫度，尤其屏柜內(nèi)上部的溫度。因此，在記錄溫度時盡可能的選擇在每一天的同個時段進行，以盡可能的減少外部溫度變化帶來的影響。

通過圖1可看出，在冷卻裝置投入使用后，屏柜內(nèi)中、上部的溫度有一個明顯的下降趨勢，尤其是頂部的溫度，前后溫差高達15X2。冷卻效果較為明顯。而底部溫度仍與冷卻裝置運行前情況基本相同，與屏柜外部環(huán)境溫度大致相持。

證明冷卻裝置運行所取得的效果與項目預期效果相同。

5、結語

通過本次對半導體制冷技術在變電站自動化設備的應用研究，發(fā)現(xiàn)其可解決用于變電站自動化設備屏柜內(nèi)部的設備因運行溫度過高導致的死機、故障、甚至整個裝置失效等重大、緊急缺陷。嚴重影響電網(wǎng)安全和供電可靠性。

另外，二次O備的長時間高溫環(huán)境運行也容易導致其生命周期降低，增加相應的運維成本。該半導體冷卻裝置主要有以下3個優(yōu)點：

（1）安裝方便，可靈活運用；

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本書將從物理、技術和設備操作方面對使用硅及相關合金制備的光子器件進行概述，包括以下內(nèi)容：1硅光子學概述，從介紹VLSI的發(fā)展過程以及存在的問題出發(fā)引出本書將要講述的內(nèi)容；2硅的基本性能，介紹了硅能帶結構、狀態(tài)密度函數(shù)和雜質，并講述了硅基異質結和異質結構的性質；3量子結構，對量子阱、量子線和點、超晶格、Si基量子結構進行了講述；4光學過程，主要講述了半導體中相關光學過程基本理論，包括光學常數(shù)、基本概念以及光吸收、發(fā)射等理論；5量子結構中的光學過程，主要講述量子井、量子線和量子點這些納米結構中的光學過程的基本原理；6硅光發(fā)射器，主要講述了半導體發(fā)光基本原理，以及具體半導體光發(fā)射器，并對激發(fā)光發(fā)射進行展望；7硅光調制器，主要講述了光調制相關的一些基本物理效應以及硅的電折射效應和熱光效應，介紹了光調制器一些特性以及相關的光、電結構，最后講述了高帶寬光調制器；8硅光電檢測器，介紹了光電檢測器原理以及重要性質，講述了一些具體的光電檢測器；9拉曼激光，主要講述了拉曼激光的概念、簡化理論、硅的拉曼效應，并對拉曼系數(shù)進行了介紹，最后具體講述了一種連續(xù)波拉曼激光；10導光波導言，介紹了光導的射線光理論以及反射系數(shù)，講述了集中具體的波導：平面波導模型、光導波理論、3D光波導，最后講述了波導損耗、波導與光器件的耦合；11平面波導器件原理，講述了平面波導耦合模型、直接耦合器、分布式布拉格反射鏡，并具體講述了一些平面波導器件；12用于密集波分復用系統(tǒng)的波導，主要講述了陣列波導光柵的結構、工作原理和特性，介紹了提高陣列波導光柵性能的方法，列舉了具體應用；13制備工藝及材料系統(tǒng)，主要講述了光電子器件制備的主要工藝及材料處理方法。

本書描繪了硅光子學器件的基本工作原理和結構，并深入講述了硅光子學現(xiàn)在發(fā)展以及展望了硅光子學未來，可以作為高等院校高年級本科生和研究生的教材和參考書，也可作為半導體光子學、光電集成、光電子器件、信息網(wǎng)絡系統(tǒng)、計算機光互連及相關技術領域的科研人員、工程技術人員的參考書。

作者M. Jamal Deen是加拿大McMaster大學的教授， IEEE Transactions on Electron Devices的編輯，F(xiàn)luctuations and Noise Letters的執(zhí)行編輯，加拿大皇家學會會士，加拿大工程院院士， IEEE院士， 美國物理學會會士。他目前的研究領域是：微米納米電子學、光電子學及其在生命和環(huán)境科學中的應用。

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GaN、AlN、InN及其合金等材，是作為新材料的GaN系材料。對襯底材料進行評價要就襯底材料綜合考慮其因素，尋找到更加合適的襯底是發(fā)展GaN基技術的重要目標。評價襯底材料要綜合考慮襯底與外延膜的晶格匹配、襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配、襯底與外延膜的化學穩(wěn)定性匹配、材料制備的難易程度及成本的高低的因素。InN的外延襯底材料就現(xiàn)在來講有廣泛應用的。自支撐同質外延襯底的研制對發(fā)展自主知識產(chǎn)權的氮化物半導體激光器、大功率高亮度半導體照明用LED，以及高功率微波器件等是很重要的。“氮化物襯底材料的評價因素及研究與開發(fā)”文稿介紹了氮化物襯底材料的評價因素及研究與開發(fā)的部分內(nèi)容。

氮化物襯底材料與半導體照明的應用前景

GaN是直接帶隙的材料，其光躍遷幾率比間接帶隙的高一個數(shù)量級。因此，寬帶隙的GaN基半導體在短波長發(fā)光二極管、激光器和紫外探測器，以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應用前景；對環(huán)保，其還是很適合于環(huán)保的材料體系。

1994年，日本的Nicha公司在GaN/Al2O3上取得突破，1995年，GaN器件第一次實現(xiàn)商品化。1998年，GaN基發(fā)光二極管LED市場規(guī)模為US$5.0億，2000年，市場規(guī)模擴大至US$13億。據(jù)權威專家的預計，GaN基LED及其所用的Al2O3襯底在國際市場上的市場成長期將達到50年之久。GaN基LED及其所用的Al2O3襯底具有獨特的優(yōu)異物化性能，并且具有長久耐用性。預計，2005年GaN基器件的市場規(guī)模將擴大至US$30億，GaN基器件所用的Al2O3襯底的市場規(guī)模將擴大至US$5億。

半導體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展分類所示的若干主要階段，其每個階段均能形成富有特色的產(chǎn)業(yè)鏈：

（1）第一階段

第一階段（特種照明時代，2005年之前），其中有：儀器儀表指示；金色顯示、室內(nèi)外廣告；交通燈、信號燈、標致燈、汽車燈；室內(nèi)長明燈、吊頂燈、變色燈、草坪燈；城市景觀美化的建筑輪廓燈、橋梁、高速公路、隧道導引路燈，等等。

（2）第二階段

第二階段（照明時代，2005~2010年），其中有：CD、DVD、 H-DVD光存儲；激光金色顯示；娛樂、條型碼、打印、圖像記錄；醫(yī)用激光；開拓固定照明新領域，衍生出新的照明產(chǎn)業(yè)，為通用照明應用打下基礎，等等。

（3）第三階段

第三階段（通用照明時代，2010年之后），包括以上二個階段的應用，并且還全面進入通用照明市場，占有30~50%的市場份額。

到達目前為止（處于第一階段，特種照明時代），已紛紛將中、低功率藍色發(fā)光二極管(LED)、綠色LED、白光LED、藍紫色LED等實現(xiàn)了量產(chǎn)，走向了商業(yè)市場。高功率藍色發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和全波段InN-GaN等，將會引發(fā)新的、

更加大的商機，例如，光存儲、光通訊等。實現(xiàn)高功率藍色發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和全波段InN-GaN實用化，并且達到其商品化，這需要合適的襯底材料。因此，GaN材料及器件發(fā)展，需要尋找到與GaN匹配的襯底材料，進一步提高外延膜的質量。

另外，就基礎研究和中長期計劃考慮，科技發(fā)展越來越需要把不同體系的材料結合到一起，即稱之為異質結材料。應用協(xié)變襯底可以將晶格和熱失配的缺陷局限在襯底上，并且為開辟新的材料體系打下基礎。已提出了多種協(xié)變襯底的制備技術，例如，自支撐襯底、鍵合和扭曲鍵合、重位晶格過渡層，以及SOI和VTE襯底技術等。預計，在今后的10~20年中，大尺寸的、協(xié)變襯底的制備技術將獲得突破，并且廣泛應用于大失配異質結材料生長及其相聯(lián)系的光電子器件制造。

世界各國現(xiàn)在又投入了大量的人力、財力和物力，并且以期望取得GaN基高功率器件的突破，居于此領域的制高點。

氮化物襯底材料的評價因素及研究與開發(fā)

GaN、AlN、InN及其合金等材料，是作為新材料的GaN系材料。對襯底材料進行評價，要就襯底材料綜合考慮其因素，尋找到更加合適的襯底是作為發(fā)展GaN基技術的重要目標。

一、評價襯底材料綜合考慮因素

評價襯底材料要綜合考慮以下的幾個因素：

（1）襯底與外延膜的晶格匹配

襯底材料和外延膜晶格匹配很重要。晶格匹配包含二個內(nèi)容：

· 外延生長面內(nèi)的晶格匹配，即在生長界面所在平面的某一方向上襯底與外延膜的匹配；

· 沿襯底表面法線方向上的匹配。

（2）襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配

熱膨脹系數(shù)的匹配也很重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過大不僅可能使外延膜質量下降，還會在器件工作過程中，由于發(fā)熱而造成器件的損壞。

（3）襯底與外延膜的化學穩(wěn)定性匹配

襯底材料需要有相當好的化學穩(wěn)定性，不能因為與外延膜的化學反應使外延膜質量下降。

（4）材料制備的難易程度及成本的高低

考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，而且其成本不宜很高。

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二、InN的外延襯底材料的研究與開發(fā)

InN的外延襯底材料就現(xiàn)在來講有廣泛應用的，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，這些材料都有二種結晶形式：一種是立方晶系的閃鋅礦結構，而另一種是六方晶系的纖鋅礦結構。以藍光輻射為中心形成研究熱點的是纖鋅礦結構的氮化鎵、氮化鋁、氮化銦，而且主要是氮化鎵、氮化鋁、氮化銦的固溶體。這些材料的禁帶是直接躍遷型，因而有很高的量子效率。用氮化鎵、氮化鋁、氮化銦這三種材料按不同組份和比例生成的固溶體，其禁帶寬度可在2.2eV到6.2eV之間變化。這樣，用這些固溶體制造發(fā)光器件，是光電集成材料和器件發(fā)展的方向。

（1）InN和GaN

因為異質外延氮化物薄膜通常帶來大量的缺陷，缺陷損害了器件的性能。與GaN一樣，如果能在InN上進行同質外延生長，可以大大減少缺陷，那么器件的性能就有巨大的飛躍。

自支撐同質外延GaN，AlN和AlGaN襯底是目前最有可能首先獲得實際應用的襯底材料。

（2）藍寶石(α-Al2O3)和6H-SiC

α-Al2O3單晶，即藍寶石晶體。(0001)面藍寶石是目前最常用的InN的外延襯底材料。其匹配方向為：InN(001)// α－Al2O3(001)，InN[110]// α－Al2O3[100][11，12]。因為襯底表面在薄膜生長前的氮化中變?yōu)锳lON，InN繞α－Al2O3(0001)襯底的六面形格子結構旋轉30°，這樣其失匹配度就比原來的29%稍有減少。雖然(0001)面藍寶石與InN晶格的失配率高達25%，但是由于其六方對稱，熔點為2050℃，最高工作溫度可達1900℃，具有良好的高溫穩(wěn)定性和機械力學性能，加之對其研究較多，生產(chǎn)技術較為成熟，而且價格便宜，現(xiàn)在仍然是應用最為廣泛的襯底材料。

6H-SiC作為襯底材料應用的廣泛程度僅次于藍寶石。同藍寶石相比，6H-SiC與InN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，6H-SiC具有藍色發(fā)光特性，而且為低阻材料，可以制作電極，這就使器件在包裝前對外延膜進行完全測試成為可能，因而增強了6H-SiC作為襯底材料的競爭力。又由于6H-SiC的層狀結構易于解理，襯底與外延膜之間可以獲得高質量的解理面，這將大大簡化器件的結構；但是同時由于其層狀結構，在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺階出現(xiàn)。

（3）鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)

MgAl2O4晶體，即鋁酸鎂晶體。MgAl2O4晶體是高熔點(2130℃)、高硬度（莫氏8級）的晶體材料，屬面心立方晶系，空間群為Fd3m， 晶格常數(shù)為0.8085nm。MgAl2O4晶體是優(yōu)良的傳聲介質材料，在微波段的聲衰減低，用MgAl2O4晶體制作的微波延遲線插入損耗小。MgAl2O4晶體與Si的晶格匹配性能好，其膨脹系數(shù)也與Si相近，因而外延Si膜的形變扭曲小，制作的大規(guī)模超高速集成電路速度比用藍寶石制作的速度要快。此外，國外又用MgAl2O4晶體作超導材料，有很好的效果。近年來，對MgAl2O4晶體用于GaN的外延襯底材料研究較多。由于MgAl2O4晶體具有良好的晶格匹配和熱膨脹匹配，(111)面MgAl2O4晶體與GaN晶格的失配率為9%，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，以及良好的機械力學性能等優(yōu)點，MgAl2O4晶體目前是GaN較為合適的襯底材料之一，已在MgAl2O4基片上成功地外延出高質量的GaN膜，并且已研制成功藍光LED和LD。此外，MgAl2O4襯底最吸引人之處在于可以通過解理的方法獲得激光腔面。

在前面的研究基礎上，近來把MgAl2O4晶體用作InN的外延襯底材料的研究也陸續(xù)見之于文獻報道。其之間的匹配方向為：InN(001)//MgAl2O4(111)，InN[110]//MgAl2O4[100]，InN繞MgAl2O4(111)襯底的四方、六方形格子結構旋轉30°。研究表明(111)面MgAl2O4晶體與InN晶格的失配率為15%，晶格匹配性能要大大優(yōu)于藍寶石，(0001)面藍寶石與InN晶格的失配率高達25%。而且，如果位于頂層氧原子層下面的鎂原子占據(jù)有效的配位晶格位置，以及氧格位，那么這樣可以有希望將晶格失配率進一步降低至7%，這個數(shù)字要遠遠低于藍寶石。所以MgAl2O4晶體是很有發(fā)展?jié)摿Φ腎nN的外延襯底材料。

（4）LiAlO2和LiGaO2

以往的研究是把LiAlO2 和LiGaO2用作GaN的外延襯底材料。LiAlO2 和LiGaO2與GaN的外延膜的失配度相當小，這使得LiAlO2 和LiGaO2成為相當合適的GaN的外延襯底材料。同時LiGaO2作為GaN的外延襯底材料，還有其獨到的優(yōu)點：外延生長GaN后，LiGaO2襯底可以被腐蝕，剩下GaN外延膜，這將極大地方便了器件的制作。但是由于LiGaO2晶體中的鋰離子很活潑，在普通的外延生長條件下（例如，MOCVD法的化學氣氛和生長溫度）不能穩(wěn)定存在，故其單晶作為GaN的外延襯底材料還有待于進一步研究。而且在目前也很少把LiAlO2和LiGaO2用作InN的外延襯底材料。

（5）MgO

MgO晶體屬立方晶系，是NaCl型結構，熔點為2800℃。因為MgO晶體在MOCVD氣氛中不夠穩(wěn)定，所以對其使用少，特別是對于熔點和生長溫度更高的InN薄膜。

（6）GaAs

GaAs(111)也是目前生長InN薄膜的襯底材料。襯底的氮化溫度低于700℃時，生長InN薄膜的厚度小于0.05μm時，InN薄膜為立方結構，當生長InN薄膜的厚度超過0.2μm時，立方結構消失，全部轉變?yōu)榱浇Y構的InN薄膜。InN薄膜在GaAs(111)

襯底上的核化方式與在α－Al2O3(001)襯底上的情況有非常大的差別，InN薄膜在GaAs(111)襯底上的核化方式?jīng)]有在白寶石襯底上生長InN薄膜時出現(xiàn)的柱狀、纖維狀結構，表面上顯現(xiàn)為非常平整。

（7）Si

單晶Si，是應用很廣的半導體材料。以Si作為InN襯底材料是很引起注意的，因為有可能將InN基器件與Si器件集成。此外，Si技術在半導體工業(yè)中已相當?shù)某墒??？梢韵胂?，如果在Si的襯底上能生長出器件質量的InN外延膜，這樣則將大大簡化InN基器件的制作工藝，減小器件的大小。

（8）ZrB2

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關鍵詞半導體材料量子線量子點材料光子晶體

1半導體材料的戰(zhàn)略地位

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業(yè)革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進了光纖通信技術迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術產(chǎn)業(yè)，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學技術的發(fā)展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

2幾種主要半導體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發(fā)展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC’s）技術正處在由實驗室向工業(yè)生產(chǎn)轉變中。目前300mm，0．18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm,0．13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進一步提高硅IC’S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑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開發(fā)中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應對現(xiàn)有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導體材料研發(fā)的重點。

2.2GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優(yōu)勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4,6和8英寸）的SI－GaAs發(fā)展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。

GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢是：（1）．增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應用。(2)．提高材料的電學和光學微區(qū)均勻性。（3）．降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。（4）．GaAs和InP單晶的VGF生長技術發(fā)展很快，很有可能成為主流技術。

2.3半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現(xiàn)了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎材料。

(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基晶格匹配和應變補償材料體系已發(fā)展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管(HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達fmax=600GHz，輸出功率58mW,功率增益6.4db;雙異質結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz,HEMT邏輯電路研制也發(fā)展很快。基于上述材料體系的光通信用1．3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質量的1．5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續(xù)兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規(guī)量子阱結構端面發(fā)射激光器是目前光電子領域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極薄(～0．01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯(lián)激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續(xù)輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯(lián)激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結構使波長為9．1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續(xù)輸出功率3mW。量子級聯(lián)激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯(lián)激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3．7μm室溫準連續(xù)應變補償量子級聯(lián)激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數(shù)不多的幾個國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產(chǎn)能力可高達3．75×104片4英寸或1．5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發(fā)展。

(2)硅基應變異質結構材料。硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經(jīng)多年研究，但進展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關納米硅的受激放大現(xiàn)象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0．9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯而導致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發(fā)展與應用，極有可能觸發(fā)新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，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，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達3．6～4W。特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區(qū)材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產(chǎn)生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數(shù)，至今未見國外報道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0．25微米工藝技術實現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網(wǎng)絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。

與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。

王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數(shù)毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發(fā)展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。

2.5寬帶隙半導體材料

寬帶隙半導體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發(fā)光二極管（LED)和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發(fā)光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0．5W。在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN,GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。

寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配異質結構材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關鍵問題,如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結構材料，介電常數(shù)周期的被調制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發(fā)光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可見光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個理想的3－5μm和1．5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發(fā)展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越?。╪m尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計算的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現(xiàn)量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現(xiàn)大規(guī)模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現(xiàn)其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實現(xiàn)量子計算的關鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲過程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計算機走向實用化前所必需克服的難題。

5發(fā)展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業(yè)基礎，國力和半導體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料

硅材料作為微電子技術的主導地位至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發(fā)，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發(fā)達國家之林。

5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶

材料發(fā)展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產(chǎn)能力。相信在國家各部委的統(tǒng)一組織、領導下，并爭取企業(yè)介入，建立我國自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術。到2010年，應當實現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導體

微結構材料的建議

(1)超晶格、量子阱材料

從目前我國國力和我們已有的基礎出發(fā)，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP,GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產(chǎn)能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優(yōu)布點，分別做好研究與開發(fā)工作。

(2)一維和零維半導體材料的發(fā)展設想?；诘途S半導體微結構材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結構材料的質量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發(fā)展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地。可以預料，它的實施必將極大地增強我國的經(jīng)濟和國防實力。

篇5

摘 要：隨著化石能源日益枯竭和環(huán)境污染的加劇，社會的發(fā)展迫切需要尋找清潔可再生能源。薄膜光伏發(fā)電是安全、無噪音、建設周期短、使用壽命長、零排放的清潔能源，因而備受關注。本文簡要分析了目前薄膜太陽能電池的概況，為未來的發(fā)展方向提供依據(jù)。

關鍵詞：薄膜太陽電池；光伏；分類；概況

1.引言

目前，市場上的太陽能電池以單晶硅、多晶硅為主，但其工藝復雜，成本^高，而成本一直是光伏產(chǎn)業(yè)能否大范圍普及的關鍵。薄膜太陽能電池能夠大幅度降低電池成本，近年來得到了較快的發(fā)展。

2.薄膜電池分類以及發(fā)展

薄膜太陽能電池具有多種分類[1]，按照吸收層材料，可分為硅系、多元化合物和有機薄膜太陽電池。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，如碲化鎘、硫化鎘薄膜；III-V族二元化合物，如砷化鎵、磷化銦薄膜太陽電池；I-III-VI2族三元化合物，如銅銦硒、銅銦硫薄膜；有機薄膜主要包括染料敏化劑薄膜和聚合物薄膜。上述的電池的結構以及優(yōu)點各不相同，分別進行介紹。

2.1硅系薄膜太陽電池

硅薄膜太陽能電池按照材料可細分為非晶硅、多晶硅和微晶硅薄膜太陽電池；其中以多晶硅薄膜太陽電池的應用最為廣泛。

2.1.1非晶硅薄膜太陽電池

1976年，非晶硅薄膜太陽電池由RAC實驗室的Carlson等研制成功，也是最早實現(xiàn)商業(yè)化[2]。隨后，其得到了較快的發(fā)展。鐘迪生等采用等離子體化學氣相沉積法特別是RF輝光放電法制作高質量的非晶硅薄膜；United Solar Ovonic完成了面積929cm2的a-Si薄膜太陽能電池，轉換效率達9.8%，利用減反射層可使小面積的電池效率達到12%；日本的Ichikawa等使用柔性樹脂薄膜襯底，利用roll-to-roll CVD在50cm×1km的樹脂基底上制備a-Si/a-SiGe太陽能電池，效率達10.1%；日本中央研究院制的的非晶硅電池的轉化效率已經(jīng)達到13.2%。

國內(nèi)，中科院半導體所研制的玻璃襯底非晶硅單結太陽能電池，效率達11.2%；南開大學薛俊明等采用PECVD技術制備非晶硅頂電池，采用甚高頻PECVD技術制備出微晶硅底電池，研制出效率達9.83%的薄膜非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池；美國國家再生能源實驗室利用堆疊技術，制得三結疊層太陽能薄膜，轉換率達到12%。但是非晶硅的帶隙為1.7eV，對應吸收波長為730nm，與太陽光譜長波區(qū)域不匹配，理論上限制了其轉換效率的提高。此外，隨光照時間的延長，轉化效率會明顯衰減。目前，穩(wěn)定的單結非晶硅薄膜太陽能電池的轉換效率最高達9.5%，而量產(chǎn)的效率只維持在8%左右。

2.1.2多晶硅薄膜電池

多晶硅薄膜太陽電池以生長在襯底上具有納米尺寸和具有不同晶面的小晶粒構成的多晶硅薄膜作為吸收層，通常可以采用化學氣相沉積法、液相外延法、金屬誘導晶體法、非晶硅薄膜固相晶化法或等離子噴涂法形成。Kaneka公司設計的STAR結構的多晶硅薄膜電池，效率已經(jīng)達到了10.7%，厚度小于5um，并且無光致衰減現(xiàn)象；另一種SIO結構的多晶硅薄膜電池100cm2，獲得了14.22%的效率；H.orikawa等制備出了效率高達16%的多晶硅薄膜電池；日本三菱公司用該法制備電池，效率達到16.42%。德國費來堡太陽能研究所采用區(qū)域在再結晶技術在Si襯底上制的多晶硅電池轉換效率為19%。理論計算表明，多晶硅薄膜太陽能電池的最高效率可達28%。與單晶硅電池相比，多晶硅薄膜電池厚度約為前者，大大的降低了生產(chǎn)成本，且在長波段具有高光敏性，吸光好，穩(wěn)定性高，無光致衰退效應，制作工藝簡單，具有廣闊的發(fā)展前景。

2.2多元化合物薄膜太陽電池

2.2.1II-VI族薄膜電池

在II-VI族化合物半導體材料主要包括碲化鎘、硫化鎘，用該半導體制作的太陽能電池有很高的理論轉換效率。CdTe薄膜電池通常以CdS/CdTe異質結作為吸收層，填充因子高達FF=0.75，并且其容易沉積得到大面積的薄膜，沉積速率也較高，膜的厚度通常為1.5-3μm。因而CdTe薄膜電池制造成本也得以大大的降低低，應用前景良好。它已經(jīng)成為歐美、日、韓等國研究開發(fā)的主要對象。托萊多大學的鄢炎發(fā)博士采用濺工藝制得效率為14%的碲化鎘太陽能電池；采用近空間升華法制得效率高于15.8%的碲化鎘太陽能電池。在國內(nèi)，四川大學太陽能材料與器件研究所的馮良恒，制備出轉換效率高達11.6%的碲化鎘薄膜太陽能電池，進入了世界先進行列。CdS半導體具有纖鋅礦結構，屬于直接帶隙半導體材料，帶隙寬度為2.4eV，光吸收系數(shù)較高，透光性好，主要用于薄膜太陽電池的n型窗口材料，可以與碲化鎘、銅銀硒形成良好的異質結結構。但是，由于Cd元素對環(huán)境污染嚴重，阻礙了CdS/CdTe電池的應用。

2.2.2I-III-VI2族化合物薄膜太陽電池

I-III-VI族化合物半導體是指以具有黃銅礦、閃鋅礦晶體結構作為吸收層的太陽電池，通常可以摻入即形成四元化合物半導體吸收層。I-III-VI2族化合物半導體的研究集中在CuInSe2、Cu（In，Ga）Se2、CuInS2等材料，上述半導體材料具有禁帶寬度連續(xù)可調，吸收系數(shù)高的優(yōu)點。日本昭和石油公司創(chuàng)下了CIS系薄膜太陽能電池轉換效率的最高世界紀錄，面積為864cm2的薄膜太陽電池轉換效率為14.3%，該公司完成了使用該太陽能電池的日本第一個太陽能發(fā)電系統(tǒng)，使得該電池的實用化向前邁進了一大步。

國內(nèi)，南開大學研發(fā)的電池光電轉換效率已經(jīng)達到14%，接近世界先進水平。目前，Cu（In，Ga）Se2薄膜太陽電池實驗室最高轉換效率達到了20.3%（3）。黃銅礦系薄膜太陽能電池是未來的太陽能電池主流產(chǎn)品之一，可廣泛用于大型太陽能電站、節(jié)能樓宇玻璃及航空航天等軍事用途，有著巨大的市場需求。

2.2.3砷化鎵、磷化銦薄膜太陽電池

首次發(fā)現(xiàn)GaAs材料具有光伏效應在1954年，至今已有50多年。在1956年，LoferkiJ.J.研究探討了制造太陽電池的最佳材料的物性；20世紀60年代，Gobat等研制出第1摻鋅GaAs太陽電池，轉化率僅為9%～10%；20世紀70年代，IBM公司和前蘇聯(lián)loffe技術物理所等研究單位，采用液相外延技術引入GaAlAs異質窗口層，降低了GaAs表面的復合速率，使GaAs太陽電池的效率達16%；不久，美國HRL等通過改了LPE技術使得電池平均效率提高到18%，并實現(xiàn)了批量生產(chǎn)；從上世紀80年代后，GaAs太陽電池技術經(jīng)歷了從LPE到MOCVD，從同質外延到異質外延，從單結到多結疊層結構的幾個發(fā)展階段，其發(fā)展速度日益加快，效率也不斷提高。目前實驗室最高效率已達到50%，產(chǎn)業(yè)轉化率可達以上30%。

2.3有機薄膜太陽電池

有機太陽電池主要包括染料敏化、聚合物薄膜太陽電池，其原理與光合作用類似，通過載有染料的半導體電極將光能轉換為電能。早期以載有單層染料分子的平板電極作為吸收層，轉換效率較低。1991年Gratzel教授首次使用載有染料光敏劑的多孔TiO2替代平板電極，將轉換效率提高到了 7.1%。從此，染料敏化薄膜太陽電池得到了較快的發(fā)展。2001年澳大利亞STA公司建立了第一個DSCS工廠；2003年臺灣工業(yè)技術研究院能源研究所開發(fā)出納米晶體染料敏化薄膜太陽電池，將光電轉換效率提高到了8%-12%；2004年日立成功研制了大尺寸染料敏化薄膜太陽能電池，光電轉換效率達9.3%；同年，Peccell Technologies公司開發(fā)出高壓（4V）的染料敏化納米晶薄膜太陽電池，可作為下一代薄膜電池。目前，染料敏化薄膜太陽電池實驗室最高效率達到了11.4%。

與染料敏化薄膜太陽電池相比，有機聚合物薄膜電池具有柔韌性好、成本低廉、容易加工等優(yōu)點，其研究處于剛剛起步階段，使用壽命和電池效率不能和其他成熟的電池產(chǎn)品相比。目前，有機聚合物薄膜電池實驗室光電轉換效率為10%左右。

3.小結

綜上所述，薄膜太陽能電池在節(jié)約能源、降低成本方面具有較大的優(yōu)勢與發(fā)展前景。但薄膜太陽能電池的轉換效率還有進一步提升的空間，通過不斷出現(xiàn)的新技術，如量子點、納米表面結構、背反射技術等等，將會進一步提升電池效率，推動薄膜太陽電池上一個新的臺階。

參考文獻

篇6

關鍵詞：光子晶體；光子頻率禁帶；激光全息；光子晶體激光器；微波天線

中圖分類號：TN364 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)22-5468-02

進入20世紀后半葉以來，全球迎來了電子時代，電子器件被極其廣泛的應用于工作和生活的各個領域，尤其是促進了計算機和通訊行業(yè)的發(fā)展。但是進入21世紀以后，伴隨著電子器件不斷深入的小型化、低耗能、高速度，其進一步的提升也越來越困難。人們感到了電子器件發(fā)展的瓶頸，開始把目光轉向了光子，有人提出了使用光子代替電子作為新一代信息載體的設想。電子器件的基礎是電子在半導體中的運動，類似的，光子器件的基礎是光子在光子晶體中的運動。光子的性質決定了光子器件的主要特點是能量損耗小、運行速度快，所以工作效率高。光子器件在高效率發(fā)光二極管、光子開關、光波導器件、光濾波器等方面都具備巨大的應用潛力。近年來，光子晶體相關的理論研究、實驗科學以及實際應用都已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展，光子晶體領域已經(jīng)成為現(xiàn)在世界范圍的研究熱點。1999年12月17日，《科學》雜志就已經(jīng)把光子晶體的研究列為全球十大科學進展之一。

1 光子晶體的由來

1987年S. John和E.Yablonovitch等人分別提出了光子晶體的概念：光子晶體是指具有光子帶隙（PhotonicBand-Gap,簡稱為PBG）特性的人造周期性電介質結構，有時也稱為PBG光子晶體結構。它是根據(jù)電子學上的概念類比得出的。我們知道，在固體物理學的研究中，晶體中的呈周期性排列的原子產(chǎn)生的周期性電勢場會對其中電子有特殊的約束作用。在介電常數(shù)周期性分布的介質中的電磁波的一些頻率是被禁止的，光子晶體也類似，通常這些被禁止的頻率區(qū)間為光子帶隙，也叫光子頻率禁帶，而將具有“光子頻率禁帶”的材料稱作為光子晶體。

2 光子晶體的分類與結構

我們可以根據(jù)光子晶體的結構進行分類，根據(jù)其能隙空間分布的不同，我們把光子晶體分為一維光子晶體、二維光子晶體、三維光子晶體。

3 光子晶體的制造

光子晶體在自然界中幾乎不存在，它是一種人造微結構，其制備工藝主要有以下幾種：

3.1 機械加工法

機械加工法又叫精密機械加工法，這種加工法是在光子晶體的早期研究中發(fā)展起來的方法。機械加工法通過在集體材料上進行機械接卸鉆孔，利用空氣介質和集體材料的折射率差來獲得光子晶體，這種方法可以用于制備制作起來比較容易的晶格常熟在厘米至毫米量級的微波波段光子晶體。

3.2 半導體微制造法

半導體制備技術中的“激光刻蝕”、“反應離子束刻蝕”、“電子束刻蝕”以及“化學汽相淀積”等能夠應用于面心立方結構的光子晶體的制備。

這類制備方法的優(yōu)點在于可以利用現(xiàn)有半導體產(chǎn)業(yè)的技術和設備，并且用這種方法制備的光子晶體具有較寬的禁帶，在集成光電子元件的應用方面有很大的潛力。但是這類制備方法的工藝太過復雜，而且成本過高，并且在向光子晶體中引入缺陷和制備更短波長的光子晶體等方面存在不足。

3.3 膠體自組織法

分散的聚苯乙烯乳膠球能自發(fā)的在水中排列成面心立方和體心立方等有序結構，這種膠體體系被人們稱為膠體晶體。目前制備交替晶體的多為二氧化硅小球體系或者聚苯乙烯球。這種方法制備的光子晶體的折射率比值不會太大。蛋白石光子晶體的折射率比值比較小，這也就決定了此種膠體光子晶體的光子禁帶較窄，它們是非完全光子帶隙晶體。為解決膠體晶體的低介電常數(shù)配比問題，人們又發(fā)展了模板法。

模板法和膠體法可以用于制備可見光和近紅外波段的三維光子晶體。它們的缺點是不易引入人們想要的缺陷，以及制得的光子晶體機械強度較低，尺寸較小等。

3.4 激光微制造法

有一種相對比較簡單的制備光子晶體的方法叫做激光微制造法。其原理是，光線能通過透鏡產(chǎn)生匯聚，從而在焦點處可以產(chǎn)生很高的溫度。如果將緊密聚焦后的激光束直接照射在透明材料上，只要光強足夠大，則材料內(nèi)部的亞微觀尺寸區(qū)得光學性質會被改變。光學改性區(qū)取決于激光束的聚焦情況，如果使用配有高數(shù)值孔徑的顯微鏡對激光束聚焦，則所得的光學改性區(qū)的尺寸有可能達到進行為制造的激光波長量級。

3.5 激光全息制造法

激光全息制造法的原理是：兩束或多束相關光線在相互重疊匯聚處能產(chǎn)生在空間上呈周期性變化的圖案，然后再通過光與物質的相互作用，就能形成介質折射率在空間上呈周期性變化的結構。因為在光強比較高的地方，液態(tài)樹脂會發(fā)生固化，而其他地方還是液態(tài)，所以該電磁波場強的圖案能被轉印到樹脂材料中，進而得到需要的光子晶體結構。

3.6 雙光子聚合法

雙光子聚合是近些年來發(fā)展起來的一種新型光聚合技術，它要求材料中能引發(fā)光聚合的活性成分能在同時吸收兩個光子，產(chǎn)生一種活性物質，進而引發(fā)聚合反應。雙光子聚合技術是點聚合，能通過計算機輔助設計進行立體結構加工，所以加工精密度要比普通光聚合更高。

4 光子晶體的應用發(fā)展

4.1 光子晶體激光器

傳統(tǒng)光學器件尺寸的縮小已經(jīng)接近物理極限，光子晶體為突破這一瓶頸限制帶來了曙光，可望滿足元器件不斷微型化的需要。另外從理論性上看，光子晶體激光器的起振閾值可以為零。因此光子晶體激光器的研究受到了廣泛重視，日本、美國、德國、韓國、英國、瑞士、法國等國的研究者都已研制出光子晶體激光器裝置。但由于其制作工藝復雜，目前國內(nèi)在這方面的研究基本上還是空白狀態(tài)。

從工作原理上看，光子晶體激光器可以分為兩類，一類基于缺陷態(tài)光子晶體的特性，另一類基于光子晶體的理想反射特性。

從工作特點上看，光子晶體激光器可分為半導體光子晶體激光器、光子晶體光線激光器、光子晶體激光二極管、有機聚合物光子晶體激光器。

從結構特點看，已研制出的有光子晶體帶間缺陷模激光器、表面發(fā)射型光子晶體激光器、脊形波導光子晶體激光器、六角波導環(huán)形諧振腔光子晶體激光器、光子晶體分布反饋式激光器、垂直腔面發(fā)射光子晶體激光器、光子晶體帶邊激光器等。

4.2 光子晶體光纖

光子晶體纖維其實就是在二維光子晶體的長度方向上制造一定的缺陷，從而使其能夠成光的導體的波導。光子纖維光線最重要的特點是無休止單模特性和其奇異的色散特性。

4.3 光子晶體在為微波中的應用-微波天線

這里主要介紹一種在微波領域中的平面二維光子晶體.這種光子品體可能實現(xiàn)相位可控的金屬-介質反射表面，因而可能實現(xiàn)具有高表面阻抗的電磁波反射表面,也就是說，可能實現(xiàn)電磁波的同相位反射.這樣的光子晶體，將會在天線、通訊、尤其是手機通訊中、有非常誘人的應用前景。

4.4 光子晶體發(fā)光二級管

眾所周知，傳統(tǒng)的發(fā)光二極管在光通信領域中起著關鍵性的作用。一般的傳統(tǒng)發(fā)光二極管的發(fā)光中心發(fā)出的光要經(jīng)過包圍它的介質的無數(shù)次反射，其中大部分的光不能有效地耦合出去，從而使傳統(tǒng)的發(fā)光二極管的光輻射效率很低。如果把一塊特質的光子晶體放在發(fā)光二極管的發(fā)光中心，并設計成該發(fā)光中心的自發(fā)輻射頻率與其中間的光子晶體的光子頻率禁帶相重合，則發(fā)光二極管的發(fā)光中心發(fā)出的光就不會進入包圍它的光子晶體中，而是沿著特定的設計方向相外輻射，這樣就能極大地提高發(fā)光二極管的效率。

5 結束語

如前文所述，光子晶體雖然只發(fā)展了短短二十幾年，但是因為其廣闊前景，已經(jīng)引起了全世界學術界的廣泛重視，很多科研工作者在光子晶體的理論研究、實驗以及具體應用上都進行了大量的工作。當前光子晶體的波長范圍已經(jīng)發(fā)展到了紅外光甚至可見光的波段，但是如果想在此波段范圍內(nèi)制造完全帶隙的三維光子晶體還存在著一定的困難，目前最大的制約還是在適宜的材料和加工工藝上。因此，人們發(fā)明了了雙光子聚合技術和激光全息光科技書，這兩種技術結合了高分子化學和激光光學的全新手段，是交叉性、邊緣性的前沿研究領域。目前在加工工藝方面，人們可以采用激光全息技術來制備三維光子晶體，甚至也能通過計算機輔助設計來給光子晶體加入我們想要的缺陷。但是在先進技術不斷革新的同時，我們對材料也不斷提出了更高的要求。我們希望材料聚合后的折射率應較大，因為折射率相差越大，光子晶體產(chǎn)生的能隙寬度才會越大。現(xiàn)在，人們使用以上技術制造出的聚合物微結構作為模板，再結合其他高折射率的材料，例如使用硅、鍺等進行填充，再通過煅燒、化學腐蝕等方法出去模板，進而制備出具有更高設置指數(shù)的光子晶體。

光子晶體優(yōu)良的特性及其在光電子領域巨大的應用潛力，必將推動光通信技術的飛速發(fā)展。目前光子晶體正處于深入研究和應用推廣階段，許多美好設想即將成為現(xiàn)實，國內(nèi)外的科學家們將在該領域進行大量的研究工作。

參考文獻：

[1] Zhou W d,Rennon S,Baba T,et al.Electrically injected single-defect photonic band gap surface-emitting laser at room temperature[J].Electron.Lett,2000,36(18):1541-1542.

[2] Moosburgter J,Kamp M,Klopf F,et al.Semiconductor lasers with 2-D-photonic crystal mirrors based on a wet-oxidized Al2O3-mask[J].IEEE Photon.Technol.Lett,2001,13(5):406-408.

篇7

關鍵詞 納米TiO2 光催化劑 制備方法

中圖分類號： TQ174.75 文獻標識碼：A

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，環(huán)境污染已經(jīng)越來越嚴重，并且直接影響人們的身體健康。自從1972年日本東京大學Fujishima A和Honda K兩位教授發(fā)現(xiàn)TiO2能夠光催化分解水制氫以來，半導體光催化技術逐漸成為人們研究的一個熱點領域，因此光催化降解有機污染物是一種有效的解決環(huán)境問題的方法。在眾多的半導體光催化劑中，納米TiO2作為一種重要的寬帶隙半導體光催化材料，具有原料易得、無毒、催化活性高、化學性質穩(wěn)定、高氧化能力、價格低廉等優(yōu)點，在光催化降解有機污染物、催化劑載體、太陽能電池、氣體傳感器以及自清潔材料等許多研究領域有著廣泛的應用[1-4]。納米TiO2光催化劑的光催化降解原理是在光照射下產(chǎn)生光生電子-空穴Γ這些電子-空穴對具有極強的氧化還原性，能與TiO2表面吸附水、氧氣以及有機污染物發(fā)生一系列的氧化還原反應將有機污染物最終降解為CO2、H2O和其它無毒的無機小分子等。納米TiO2許多獨特的物理化學特性在很大程度上受到其制備方法的影響，本文主要分析了目前納米TiO2光催化劑的制備方法及其特點，并對其未來的發(fā)展趨勢進行了闡述。

1納米TiO2光催化劑的制備方法

目前納米TiO2光催化劑的制備方法主要有固相法、氣相法和液相法等3種方法。

1.1固相法

固相法是通過機械研磨使對固體反應物進行粉碎并不斷細化，再經(jīng)干燥、烘干、煅燒等過程即可得到納米TiO2粉體。固相法具有合成工藝簡單、原料易得、污染少、產(chǎn)率高、可實現(xiàn)批量生產(chǎn)等優(yōu)點，但該方法具有容易引入雜質、顆粒不均勻、易團聚、耗能大等缺點。

1.2氣相法

氣相合成法是一種傳統(tǒng)方法，將待制備的金屬、合金或者是化合物前體物質進行氣化，以使其在氣相狀態(tài)下發(fā)生化學或者物理變化，繼而通過冷卻使其成核、晶核長大、凝聚等一系列過程最終形成納米TiO2。氣相法主要包括物理氣相沉積法（PVD）和化學氣相沉積法（CVD），具有反應速度快、粉體純度高、粒徑細、分散性較好，顆粒團聚少等優(yōu)點，但該方法制得的粉體產(chǎn)量小、成本高、設備復雜、能耗高，操作復雜，使其應用受到限制。

1.3液相法

液相法是國際上研究最廣泛的方法，因其具有操作方便、合成溫度低、工藝簡單以及純度高等優(yōu)點，在實驗室和工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。

1.3.1溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是指無機鈦鹽或者鈦醇鹽經(jīng)溶液水解、縮合等化學反應生成三維網(wǎng)絡結構的凝膠，經(jīng)干燥、熱處理而制得納米TiO2的方法。該法具有合成溫度低、工藝簡單、粒徑小、分散性好等優(yōu)點；但也存在原料成本高，產(chǎn)物干燥時體積收縮較大且易于團聚等缺點。2015年曾憲光等以鈦酸丁酯為前軀體，采用溶膠-凝膠法制備了粒徑為9 nm的銳鈦礦型納米TiO2，取得了較好的光催化效果。

1.3.2水熱/溶劑熱法

水熱/溶劑熱法是采用水或其它有機溶劑作為反應介質，在特制的密閉反應器中通過加熱，形成一個相對高溫、高壓的反應環(huán)境，使難溶或不溶的物質進行溶解并重結晶制備納米TiO2的一種方法。該方法具有無需煅燒、純度高、晶型好、粒徑小且顆粒大小可控等優(yōu)點，但反應過程需要高溫高壓，對設備的材質和安全要求較嚴，操作復雜。2011年孫海身等以鈦酸四丁酯為前驅物，利用硫脲為摻雜劑，采用水熱法制得TiO2納米粉體，硫元素的摻雜提高了光催化活性，在可見光下得到了理想的降解效果。

1.3.3沉淀法

沉淀法是納米粉體制備中被廣泛應用的方法之一，是把沉淀劑（如NaOH、氨水等）加入無機鈦鹽溶液中產(chǎn)生沉淀，經(jīng)過濾、洗滌、烘干等手段制備納米TiO2的方法。沉淀法包括直接沉淀法、均勻沉淀法和共沉淀法，具有成本低、粒度均勻、致密、純度高等優(yōu)點。但該方法存在雜質難以除去，分散性差，易團聚等不足。2014年景茂祥等以硫酸亞鈦和碳酸氫銨為原料，采用控制結晶連續(xù)沉淀法制備了介孔TiO2微球光催化劑，催化劑可以重復使用，對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劑、助表面活性劑和水等組成的透明的、各向同性的熱力學液體穩(wěn)定體系。該方法具有操作容易、原料便宜、反應條件溫和、粒徑小且可控等優(yōu)點。但該方法結晶性差，所得產(chǎn)物的分子間隙大，表面表面活性劑分子難以去除。2010年方建章等以乙二亞甲基-雙（十六烷基二甲基溴化銨）（EbCDAB）/正己醇/水微乳體系，采用微乳液法制備了納米TiO2光催化劑，對甲基橙溶液的降解率達82.6%。

1.3.5水解法

水解法是鈦醇鹽與水反應發(fā)生水解，生成溶膠，經(jīng)洗滌、干燥、煅燒后得TiO2粉末。 該方法比較成熟，所得產(chǎn)物純度高、粒徑小、分散性好、工藝簡單，但是該方法成本較高，合成周期長，水解條件不易控制。2012年趙婷婷等以無機鹽TiCl4為原料，用（NH4）2SO4修飾TiCl4溶液，采用水解法制得TiO2粉末，對甲基藍溶液的降解率達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結構對所合成材料的結構、形貌尺寸進行有效調控，通學化學腐蝕或者燒結等方法去除模板，從而獲得理想的TiO2結構材料。常見的模板主要有多孔陽極氧化鋁模板、有機高分子模板、生物分子模板等。該方法具有操作簡單、綠色環(huán)保、 反應條件溫和以及形貌可控等優(yōu)點，但材料后處理工藝繁瑣，需要高溫及有機溶劑除去模板劑。

1.4.2靜電紡絲法

靜電紡絲法是利用聚合物溶液在外加電場作用下形成射流，進行連續(xù)紡絲加工的工藝，通過靜電力拉伸溶膠形成超細纖維的過程。該法實驗條件簡單、易操作、產(chǎn)物長徑比大，但是納米纖維的強度較低，難以得到彼此分離的納米纖維長絲或短纖維。

除了上述報道的各種制備方法外，另外還包括仿生合成法、微波輔助合成法、噴霧熱分解法等制備方法。

2結語

二氧化鈦是一種重要的無機功能材料，具有許多獨特的物理化學特性，在很多等領域已經(jīng)受到越來越多的關注。然而，二氧化鈦禁帶寬度較寬，只能被紫外光激發(fā)電子才能發(fā)生躍遷，太陽光利用率低，且光生電子-空穴對容易復合等問題嚴重制約了其在實際中應用。因此，如何擴寬二氧化鈦的光響應范圍，降低光生電子和空穴的復合率，從而提高二氧化鈦的光催化活性并拓展其應用領域將成為人們今后研究的重點。

（通訊作者：楊志廣）

基金項目：周口師范學院化學化工學院實驗室開放項目（HXK201607）；周口師范學院化學化工學院大學生科研創(chuàng)新基金項目（HYDC2016004）。

參考文獻

[1] 竇瑤，尹國強.納米二氧化鈦的應用研究進展[J].廣州化工，2011，39（14）：4-6.

[2] 楊希佳，王姝，孫海明，等.摻銅二氧化鈦納米顆粒的制備及其催化性能[J].中國有色金屬學報：英文版，2015，25（2）：504-509.

篇8

[關鍵詞]極細金屬導體；關鍵配套材料；技術；應用

中圖分類號：TB383.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）20-0324-02

隨著新一代信息產(chǎn)業(yè)、航天航空以及醫(yī)療的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡、航天設備以及醫(yī)療設備等信息終端產(chǎn)品逐漸呈現(xiàn)高性能、小體積、輕重量的發(fā)展。人們對極細金屬信號傳輸導體和碳纖維表面涂覆金屬導體材料的研究越來越多，為了更好的實現(xiàn)極細金屬導體廣泛的應用于新一代信息產(chǎn)業(yè)、航天航空以及醫(yī)療設備等領域中，本文對極細金屬導體關鍵配套材料進行研究有一定的經(jīng)濟價值和理論意義。

一、 極細金屬導體關鍵配套材料研究現(xiàn)狀

（一） 研究背景

近年來，隨著科學技術的日新月異，網(wǎng)絡、航天設備以及醫(yī)療設備等信息終端產(chǎn)品其性能越來越高、體積越來越小，重量越來越輕，在一定程度上引領當今時展的潮流，尤其是筆記本電腦、平板電腦、手機突飛猛進的發(fā)展，推動了時代經(jīng)濟的快速發(fā)展。就極細金屬導體關鍵配套材料而言，趨于當今時展的主題，人們對極細金屬導體關鍵配套材料提出了更高的要求，從根本上對銅合金材料組成設計、冶煉以及金屬導體的電鍍等技術提出了更高的要求。

（二） 研究目的

本文對極細金屬導體關鍵配套材料進行研究，其主要的目的為了滿足當今時代對新一代移動終端的極細電纜提出了的更高要求，就目前而言，當今時代對新一代移動終端的極細電纜提出的要求一方面保證極細電纜在信號傳輸?shù)臅r候不僅僅要有著優(yōu)異的耐彎曲性能和耐扭曲性，同時還要有著一定的抗震性能；另一方面則要求極細信號傳輸電纜有著相對較小的體積、相對較輕的質量以及較快的傳送速度，同時還要有著較大的容量和較強的抗干擾能力?？傊畬O細金屬導體關鍵配套材料進行研究有一定的研究目的。

（三） 研究意義

金屬導體作為信號傳輸電纜的一種關鍵性材料，一方面不僅僅要有較小的直徑、較輕的質量以及較強的抗氧化能力，同時在一定程度上還要便于焊接，而對極細金屬導體關鍵配套材料進行研究，為新一代信息技術的發(fā)展提供了一定的關鍵配套技術，同時從根本上提高了材料的使用壽命、可焊性以及抗氧化能力。總之，對極細金屬導體關鍵配套材料進行研究有一定的研究意義。

（三） 研究現(xiàn)狀

就目前而言，極細金屬導體生產(chǎn)量逐漸增多，但是雖然金屬導體的生產(chǎn)企業(yè)相對較多，但是就其實質性而言，往往有著相對分散的技術。就我國極細金屬導體的生產(chǎn)而言，其技術水平遠遠低于發(fā)達國家的生產(chǎn)技術，我國金屬導體材料的直徑普遍為0.05m，有著相對不穩(wěn)定的性能，同時其合金材料的強度和電阻的指標達不到要求。我國雖然有著人口龐大的經(jīng)濟市場，13多億人，僅僅有65%使用國內(nèi)產(chǎn)品，而筆記本電腦和數(shù)碼相機的生產(chǎn)相對較低。近年來，人們對于極細金屬導體的研究越來越多，同時極細金屬導體關鍵配套材料的應用前景更加的廣泛。

二、 極細金屬導體關鍵配套材料主要技術

（一） 極線合金材料主要技術

就極線合金導體材料而言，主要有銀銅合金、錫銅合金以及錫銦銅合金三種，就錫銅合金而言，主要的成分配方為0.15%Sn/Cu、0.3%Sn/Cu、0.7%Sn/Cu，而銀銅合金主要的成分配方為2%Ag /Cu、4%Ag /Cu，錫銦銅合金的主要成分配方主要有0.9%Sn/0.2%In /Cu。同時通過對真空和過濾技術的采用，以及低溫強壓加工技術的結合，進而保證了生產(chǎn)出的導體有著較少的雜質和較穩(wěn)定的產(chǎn)品性能。

（二） 極細鍍銀、鍍錫銀銅合金、錫銅合金、錫銦銅合金導體精加工主要技術

往往這種主要技術是對直線式拉絲工藝的采用，從根本上對產(chǎn)品性能穩(wěn)定有著嚴格的保證。通過對拉絲模具孔徑結構和測量方法進行改進，使得拉絲線徑有著一定的穩(wěn)定性精度，絞合導體則是通過恒張力退扭絞合工藝技術的采用，有效地實現(xiàn)了極細金屬導體向著高強高導、高抗軟化溫度、良好的成型性、高精密的尺寸精度等綜合性能優(yōu)良的方向發(fā)展。

（三） 碳纖維表面金屬涂覆加工方面的主要技術

嚴格的對化學鍍和電鍍工藝技術采用，從根本上使得導體鍍層的強度和結合率增加。

三、 極細金屬導體關鍵配套材料研究

（一） 極細金屬導體關鍵配套材料研究的內(nèi)容

在對極細金屬導體關鍵配套材料進行研究的時候，主要針對合金導體材料及冶煉工藝、合金材料的復合形變與熱處理工藝、直徑0.025mm及以下極細導體加工工藝以及碳纖維絲表面金屬涂覆工藝技術作了主要的研究。在對高性能合金材進行研究的時候，嚴格的控制熱處理與變形交互的單級或多級變熱處理制度，通過對各合金體系固溶、時效規(guī)律以及冷加工作用的掌握，從根本上對合金組織結構隨性變熱處理條件變化進行一定的了解。對碳纖維表面金屬涂覆工藝技術研究的時候，注重碳纖維鍍前的表面處理方法和碳纖維電鍍和化學鍍鍍層相結合的工藝，從根本上提高金屬涂覆的質量。

（二） 極細金屬導體關鍵配套材料的技術指標

一般來說，極細金屬導體關鍵配套材料技術指標主要有合金材料的技術指標、極細合金導體單絲技術指標、極細合金導體表面鍍層技術指標、極細合金絞合導體技術指標以及碳纖維絲表面金屬涂覆技術指標。，其技術要求如表1所示：

同時對于極細合金導體表面鍍層技術指標而言，單絲線徑0.0098mm-0.025mm的極細合金導體表面電鍍銀、電鍍錫后的鍍層厚度為0.3-0.7um。就碳纖維絲表面金屬涂覆技術指示而言，單絲線徑0.0098mm-0.025mm的碳纖維絲表面鍍銀、鍍錫、鍍銅后的鍍層厚度為0.3-0.7um。

四、 極細金屬導體的制備

（一） 極細金屬導體制備工藝流程圖

極細金屬導體制備工藝技術流程圖如圖1 所示。

（二） 流程淺析

在對合金材料配方設計與金屬元素分析檢測上，首先就要對最佳合金成分進行確定，其次就要對高純度原料進行采用，保證合金材料加工之后的高強度、高電導率和穩(wěn)定的性能。流程圖中多次用到了分析檢測，，同時還要從根本上處理電鍍前的表面，在無塵環(huán)境中進行多道次減面拉伸，加工到單絲線徑0.025-0.012mm，最小加工到直徑0.0098mm，進入下道進行退扭絞合。由于導體強度大，絞合時易產(chǎn)生內(nèi)應力，一方面損傷導體性能，另一方面絞合成品率低。因此，本項目采用退扭恒張力放線技術和絞后退扭技術，去除絞線導體的內(nèi)應力，確保導體質量和提高產(chǎn)品合格率。

（三） 技術特點

極細金屬導體制備工藝過程中技術的難點主要表現(xiàn)在合金材料、電鍍工藝、拉絲形變工藝、中間回火處理工藝以及絞合工藝等關鍵技術上。一般來說，合金材料的機械特性主要是從彈性變形改為塑性變形，就要從根本上對純度99.99%銅為基材，摻入銀、錫、銦等元素進行鑄造，同時加入其他的雜質在鑄造的過程中，但是，如果雜質和氧含量控制不好，會嚴重影響合金材料的機械性能和電性能。電鍍工藝關鍵技術對于提高高頻信號的傳輸特性有一定的積極影響。拉絲形變工藝關鍵技術特點主要表現(xiàn)在對拉絲設備、拉絲模具、拉絲液、運行參數(shù)等各項指標的控制，從根本上實現(xiàn)對拉絲的道次及速度控制。

（四）碳纖維表面金屬涂覆加工方案

一般來說，碳纖維表面金屬涂覆加工方案首先就要對碳纖維絲進行選材和分析檢測，其次就要進行鍍前預處理，將通過前處理后的碳纖維絲首先通過化學方式進行預鍍銀、錫、銅處理，然后再通過電鍍工藝進行加厚鍍層，最后再分析檢測，并將表面通過金屬涂覆處理后的碳纖維絲進行束絲絞合成電纜內(nèi)導體成品。

五、 極細金屬導體關鍵配套材料應用優(yōu)勢

極細金屬導體關鍵配套材料的應用優(yōu)勢可以從以下幾點說起：

第一、 在一定程度上產(chǎn)生了直徑0.025mm及以下的鍍銀、鍍錫銀銅合金、錫銅合金、錫銦銅合金極細導體兩大系列產(chǎn)品，從而實現(xiàn)極細合金鍍銀、鍍錫信號傳輸導體的中試目標，并實現(xiàn)年產(chǎn)5噸的生產(chǎn)規(guī)模，年銷售收入實現(xiàn)5000萬元，為今后產(chǎn)業(yè)化提供技術基礎。

第二、 碳纖維表面涂覆同、銀、錫極細導體的加工技術更加的完善和成熟。

第三、 促進我國國內(nèi)極細特種合金導體、替代進口產(chǎn)品，提高我國極細導體產(chǎn)品國內(nèi)外市場競爭力、帶動相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動地方產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化升級都將起到積極的推動作用。

第四、 具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益，如表2所示：

總而言之，極細金屬導體關鍵配套材料有著一定的應用優(yōu)勢，不僅僅一定的知識產(chǎn)權和技術成果，同時也加強了人才隊伍的建設。

結語：

隨著新一代信息技術的快速發(fā)展，極細金屬導體關鍵配套材料在未來的發(fā)展中將會有著更加廣闊的應用范圍，進而帶來不可估量的社會效益和經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1] 劉玉龍，金元松等.金屬多面體上低剖面天線的矩量法分析[J].電波科學學報，2013，28（2）：290-295.

[2] 方少杰.3d過渡金屬摻雜有機小分子半導體的特性研究[D].山東大學，2012.

[3] 阮尚文.基于電化學技術的銅鋅合金快速成型技術研究[D].浙江理工大學，2011.

[4] 郭穎利.北京市難熔金屬材料工程技術研究中心[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2011，（7）：80-82.

[5] 陳宇.金屬表面防護性涂層評價及緩蝕劑技術研究[D].浙江大學，2013.

篇9

關鍵詞:LED燈光;節(jié)能性;藝術性

中圖分類號:TK01+8 文獻標識碼:A

一、LED燈光在照明領域的意義和現(xiàn)狀

LED燈光的產(chǎn)生在照明領域具有里程碑式的意義。隨著世界日益增加的能源消耗需求,石油、天然氣、煤碳等當代世界主要能源資源的儲存量正在逐步減少,按照現(xiàn)在的開采速度,石油和天然氣分別只有40多年和60多年的可采儲量。尋求新能源和再生能源的利用,開發(fā)節(jié)能高效的技術,受到了全球范圍的普遍重視。太陽能光伏發(fā)電LED照明是新能源和節(jié)能技術的典型應用。太陽能光伏發(fā)電將大自然中的太陽能轉換為電能,提供給LED光源。由于LED光源的低電壓、節(jié)能和長效的特征,太陽能LED照明系統(tǒng)的應用,將能實現(xiàn)很高的能源利用效率、工作可靠性和實用價值。因此,對太陽能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)控制技術的研究受到了各方面的重視。

二、LED燈光節(jié)能性的產(chǎn)生原理

太陽能光伏發(fā)電LED照明系統(tǒng)組成高效節(jié)能的太陽能光伏發(fā)電LED照明系統(tǒng)包括太陽能電池組、DC―DC變換器、最大功率跟蹤MPPT fMaximum power point tracking)控制、儲存電能的蓄電池組和LED照明控制、LED光源等部分。

太陽能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)的工作原理是:在有太陽光的時間段,太陽能電池組將采集到的太陽能轉化為電能;在控制系統(tǒng)的控制下,采用太陽能光伏電池最大功率跟蹤(MPPT)方式,將電能儲存到蓄電池組中;在LED照明系統(tǒng)需要電能供電時,向LED照明光源提供安全高效的電壓電流。使LED照明系統(tǒng)節(jié)能高效地工作,為人們的工作和生活提供潔凈環(huán)保的綠色照明。

太陽能光伏發(fā)電太陽能光伏電池發(fā)電是利用太陽能的主要方式之一。太陽

能光伏電池的發(fā)電原理是光生伏特效應,對晶體硅太陽能電池來說,開路電壓的典型數(shù)值為0.5 0.6 V,通過光照在界面層產(chǎn)生的電子一空穴對越多,形成的電流越大。界面層吸收的光能越多,同樣形成的電流也越大。目前應用和研究的太陽能電池主要有硅太陽能電池、化合物半導體電池和染料敏化太陽能電池。硅太陽能電池是目前太陽能光伏電池的主流,在硅太陽能電池中以單晶硅太陽能電池的光電轉換效率最高,實驗室轉換效率達24%以上,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池效率達到18%以上。薄膜太陽能電池近年來得到了很大的發(fā)展,多晶硅 }晶硅/微晶硅薄膜太陽能電池等新型太陽能電池也已規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,最高轉換效率達到了16%以上。近年來,對CIS,CIGS薄膜太陽能電池、GaAs太陽能電池等化合物半導體太陽能電池的研究也取得了實用化的進展。染料敏化TiO 太陽能電池的研究也取得了引人注目的成果。

由于太陽能電池的輸出電壓和電流之間存在著非線性和可變性.在特定的環(huán)境下就存在一個最大‘功率輸出點 ,以及與最大功率點對應的電壓 一和電流。當環(huán)境變化時,太陽能電池的輸出特性曲線也隨之變化.太陽能電池的輸出電壓和輸出電流的特性曲線見圖2。為了從太陽能電池獲取盡可能多的電能,提出了太陽能電池的最大功率跟蹤問題。最大功率點跟蹤控制的常用方法有定電壓跟蹤

法、擾動觀察法、電導增量法、模糊邏輯控制法、負載電流/電壓最大法等整LED工作電流的方法可以采用恒流驅動和恒壓驅動。根據(jù)LED的伏安特性,在LE D的正向導通區(qū),微小的電壓波動就會引起電流很大的變化,所以采用恒流驅動是應選方案。

三、LED燈光藝術性的具體表現(xiàn)

LED的發(fā)光原理。LED是由Ⅲ一V族化合物,如GaAs(砷化鎵)、GaAsP(磷化鎵砷)、A1GaAs(砷化鋁鎵)等半導體制成,其核心是P―N結,因此它具有一般P―N結的伏一安特性,即正向導通、反向截止、擊穿特性。當P型半導體和N型半導體結合時,由于交界面處存在的載流子濃度差.于是電子和空穴都會從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散。這樣,P區(qū)一側失去空穴剩下不能移動的負離子,N區(qū)一側失去電子而留下不能移動的正離子.這些不能移動的帶電粒子就是空間電荷。空間電荷集中在P區(qū)和N區(qū)交界面附近,形成了一很薄的空間電荷區(qū),就是P―N結。當給P―N結1個正向電壓時.便改變了P―N結的動態(tài)平衡。注入的少數(shù)載流子(少子)與多數(shù)載流子(多子)復合時,便將多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉換為光能。如果給PN結加反向電壓,少數(shù)載流子(少子)難以注入,故不發(fā)光。

白光LED的主要實現(xiàn)方法。目前,氮化鎵基LED獲得白光主要有:藍光LED+黃色熒光粉、三色LED合成白光、紫光LED+三色熒光粉3種辦法。最為常見形成白光的技術途徑是藍光LED芯片和可被藍光有效激發(fā)的熒光粉結合組成白光LED。LED輻射出峰值為470 nm左右的藍光,而部分藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出峰值為570 nm左右的黃綠光。與另一部分透射出來的藍光與激發(fā)熒光粉產(chǎn)生的黃綠光混合產(chǎn)生Y l O :Ce 白光。目前采用的熒光粉多為稀土激活的鋁酸鹽Y l O :Ce (YAG),當有藍光激發(fā)它時發(fā)出黃綠色光,所以稱作黃綠色熒光粉。該方法發(fā)光,發(fā)光效率高,制備簡單,工藝成熟。但色彩隨角度而變.光一致性差,而且熒光粉與LED的壽命也不一致,隨著時問的推移,顯色指數(shù)和色溫都會變化,影響了發(fā)光光源的發(fā)光質量。采用紅、綠、藍三原色LED芯片或三原色LED管混合實現(xiàn)白光。前者為三芯片型,后者為3個發(fā)光管組裝型。紅、綠、藍LED封裝在1個管內(nèi),光效可達20 lm/W,發(fā)光效率較高,顯色性好[31。不過,這種合成白光方法的不足之處就是LED的驅動電路較為復雜。三芯片型三原色混合成本較高,而且由于紅綠藍3種LED的光衰特性不一致,隨著使用時間的增加,三色的混合比例會變化.顯色指數(shù)也會相應變化紫外光或紫光LED激發(fā)三原色熒光粉,產(chǎn)生白光。采用這種方法更容易獲得顏色一致的白光,因為顏色僅僅由熒光粉的配比決定,此外,還可以獲得很高的顯色指數(shù)。但其最大的難點在于如何獲得高轉換效率的三色熒光粉,特別是高效紅色熒光粉.而且防止紫外線泄露也是很重要的。

結論

伴隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和人口規(guī)模的迅速膨脹,致使能源的消耗量不斷增大, 城市的發(fā)展緊跟著“高能耗”,能源的供需矛盾日益突出,能源短缺將嚴重阻礙城市未來的發(fā)展。半導體照明光源是一個具有巨大市場發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)。隨著技術的進步。半導體照明光源的應用領域將迅速擴大。在未來的5―10年,它將成為照明產(chǎn)業(yè)的主力軍.它將改變?nèi)藗儗φ彰鞯恼J識。發(fā)展個性化照明理念,無疑是照明領域的一次革命。同時。我們必須科學分析、冷靜面對半導體照明帶來的歷史機遇,制訂科學的發(fā)展規(guī)劃,使得半導體照明得到健康的發(fā)展。

參考文獻

[1] 劉洪楷LED制造商的機遇和挑戰(zhàn)[J]光機電信息-2008

[2] 大屏幕顯示應用拉動LED背光源市場增長[J] 光機電信息-2007

篇10

關鍵詞：氧敏； 半導化； 氧空位； SrTiO3功能材料

中圖分類號：TN304-34 文獻標識碼：A

文章編號：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

由于鈣鈦礦（ABO3）型陶瓷在超導、鐵磁、鐵電、磁阻、介電、敏感等領域具有獨特的性能，使其成為人們關注的重點電子功能材料之一［1］。鈦酸鍶（SrTiO3）屬于鈣鈦礦型結構。P型SrTiO3陶瓷具有對氧氣敏感的特性。N型SrTiO3陶瓷具有壓敏、電容的雙功能特性，所制備的環(huán)形元件可用于直流微型電機的消噪和過電壓保護，所制備的片狀元件可用于電源系統(tǒng)消除尖峰脈沖，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。在鈣鈦礦材料的半導化過程中，氧空位起著重要的作用，因此有必要對氧空位的形成和影響進行深入的研究。

1 實驗

以SrCO3，TiO2和Mg(OH)2•4MgCO3•6H2O為原料高溫合成Sr(MgxTi1-x)O3,其中x代表摩爾比，所合成的不同配方的原料與有機載體均勻混合，分別涂敷到帶有鉑電極和引線的Al2O3陶瓷基片上，烘干后在1 200 ℃，空氣中燒結3小時制成P型半導化的厚膜式氧敏元件。所制備的樣品在不同溫度下測試了阻-溫特性和氧敏特性，考察了它的半導化特性。

用程序溫度脫附法［2-3］（Temperature Programmed Desorption,TPD）測試氧脫附特性。樣品置于樣品管中，程序升溫氧化到850 ℃，恒溫1 h，在氧化氣氛中降溫至室溫，然后在高純氮（純度為99.99%）中進行TPD至850 ℃，脫附量由與比表面積測量儀中類似的熱導池檢測。

以SrCO3，TiO2，Nb2O5，La2O3，Bi2O3，Co3O4和MnCO3等為原料，經(jīng)球磨，造粒，壓片后制成直徑D＝7 mm的生片，在75 mol％的H2，25 mol%的N2的強還原條件下1 400 ℃燒結4 h，再經(jīng)涂燒電極制成N型半導化的壓敏、電容雙功能元件。測試了壓敏電壓U1mA，非線性系數(shù)α，電容量C，損耗角正切tg δ等參數(shù)，也考察了它的半導化特性。

2 結果和討論

2.1 氧空位是雜質擴散、實現(xiàn)半導體化的重要條件

如圖1所示，完整的ABO3型晶體的結構特點是以BO3氧八面體形成共頂點的骨架，原子排列均勻致密，雜質的固熔限一般都很低。例如，在純凈的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晶體的禁帶寬度約為Eg=3.3 eV［4-5］,即可以認為在常溫下SrTiO3是絕緣體。為了實現(xiàn)SrTiO3半導化，最常用的方法是進行摻雜。由于鈣鈦礦的結構特點，不易形成填隙缺陷。不論是N型摻雜還是P型摻雜，均是雜質替位，其前提條件是雜質原子要實現(xiàn)在基體材料中的擴散。完整SrTiO3晶體的雜質固熔限低，雜質的擴散系數(shù)也很小。實驗證明，完整的SrTiO3晶體是很難實現(xiàn)半導化的。與金屬原子空位相比，形成氧空位的形成能較低，在工藝上也較易實現(xiàn)，因此氧空位成為在SrTiO3晶體中雜質擴散、實現(xiàn)半導化的重要條件。

圖1 ABO3晶體結構

在鈣鈦礦結構的材料中氧原子擴散的主要形式為“空位機制”，即氧原子的擴散是以氧空位的移動來實現(xiàn)。若一個氧原子要實現(xiàn)一次擴散運動的必要條件一是其周圍有氧空位，二是具有一定的能量。空位機制的擴散系數(shù)可表示為：

ИD=D0e－(U+E)/kT＝D0e－ΔE/kT＝D0e－ΔQ/RTИ

式中：D0表示空位擴散的頻率系數(shù)；U表示空位形成能；E表示空位遷移一次所需越過的勢壘高度；ΔE表示空位擴散激活能；RП硎酒體普適常數(shù)。

由于具體實驗中測試工作的復雜性，目前所報道的在SrTiO3單晶中氧擴散激活能在89～145 kJ/mol之間［6-9］，且氧的擴散速率遠大于鍶和鈦的擴散速率。在多晶樣品中，由于在晶界區(qū)結構發(fā)生畸變，存在大量的缺陷，使晶界成為擴散的“快通道”，所以同種材料的多晶樣品比單晶樣品的擴散速率大得多。

但當氧空位較多時，BO6氧八面體可能變形，導致晶體結構從立方晶系向四方晶系或正交晶系轉變。當不同氧空位有序相發(fā)生轉變和BO6氧八面體的不同連接相發(fā)生轉換時，鈣鈦礦氧化物中的氧含量也發(fā)生相應的變化。例如，共頂點連接變成共邊或共面連接時，可能引起氧八面體的破裂。為了維護ABO3-Y型晶體的基本結構框架，氧空位的最大含量\Ymax=1。

2.2 產(chǎn)生氧空位的方法和途徑

2.2.1 還原氣氛燒結

在制備SrTiO3氧敏-電容雙功能陶瓷的研究過程中，為了提高晶粒的半導化程度，降低壓敏電壓U1mA,必須提高材料中的氧空位濃度。為此，把材料在液氨（NH3•H2O）分解的強還原氣氛下高溫（1 400 ℃）燒結4 h，其準化學反應式為：

ИO×O12O(g)O+V••O+2e′（1）И

由式（1）可知，氧空位不但為其他高價雜質Nb5+，La3+的擴散創(chuàng)造了必要的通路，而且氧空位為導帶提供了導電電子，本身就是N型半導化的措施。實驗結果表明，若不采取強還原氣氛燒結，幾乎不可能制備N型高半導化的陶瓷（例如，壓敏電壓U1mA≤10 V的壓敏元件）。

2.2.2 受主摻雜

在ABO3型結構中，如在SrTiO3中以B位替位為例，當SrTi=1時，施主B替位和受主B替位分別為：

И4SrO+2Nb2O54Sr×Sr+4Nb•Ti+12O×O+O2+4e′(2)

SrO+MgSr×Sr+Mg″Ti+2O×O+V••O(3)И

當Sr/Ti>1時，施主B替位和受主B替位分別為：

И5SrO+2Nb2O55Sr×Sr+4Nb•Ti+V4－Ti+15O×O(4)

2SrO+MgO2Sr×Sr+Mg″Ti+V4－Ti+3V••O+3O×O(5)И

當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

比較式(2)~(6)可知，在ABO3型結構中，不論原子計量比A/B是否等于1，受主雜質均可產(chǎn)生氧空位。一般認為只有在低溫（例如低于550 ℃）［10］時氧空位以單價電離V•O為主，在高溫下以二價電離V••O為主。氧空位的出現(xiàn)使氧八面體畸變，這樣反過來又進一步增加了受主雜質的固熔限，這樣在鈣鈦礦結構的材料中，若未采用強還原燒結，受主雜質的固熔限遠遠高于施主雜質。當材料中產(chǎn)生了大量的氧空位時，在高溫下環(huán)境中的氧原子又會向晶體內(nèi)擴散，如下式所示：

И12O(g)O+V••OO×O+2h•（8）И

在價帶中產(chǎn)生空穴，這就是高半導化的P型鈣鈦礦型材料并不需要在強氧化條件下燒結（正常大氣下燒結即可），而高半導化的N型鈣鈦礦型材料必須在強還原條件下燒結的物理原因。

另外，比較式（2）和（4）可知，當Sr/Ti≠1時，均產(chǎn)生金屬空位，此時施主摻雜產(chǎn)生的電子被金屬空位所吸收，即產(chǎn)生原子補償。所以當Sr/Ti=1時，施主摻雜的效率才比較高。

2.2.3 Schottky缺陷形成氧空位

由于在鈣鈦礦結構的材料中形成填隙缺陷的幾率很低，所以點缺陷以Schottky缺陷為主，Schottky缺陷由于熱運動體內(nèi)原子遷移到表面，體內(nèi)留下空位。若體內(nèi)的氧原子和鍶原子均遷移的表面，形成表面SrO，其準化學反應式可寫成：

ИO×O+Sr×SrV″Sr+V••O+SrO(9)И

體內(nèi)同時生成鍶離子空位和氧離子空位。

2.3 受主摻雜產(chǎn)生的氧空位促進環(huán)境氧與晶格氧的交換，提高了鈣鈦礦型氧敏元件的靈敏度

TPD測試結果如圖2所示。在400～800℃之間，氧脫附量隨受主雜質Mg2+濃度的上升而上升。這可認為，式（3），（5），（7）的反應產(chǎn)生的大量氧空位促進了式（8）反應的進行，即促進了環(huán)境氧與晶格氧的交換。這種交換使材料價帶的空穴密度上升，當然對材料的電導率產(chǎn)生影響，進而使氧敏元件的靈敏度上升。

該結果同時也說明，SrTiO3鈣鈦礦型氧敏元件的靈敏度，不僅取決于材料表面化學吸附氧的多少，而且與環(huán)境和材料體內(nèi)氧交換的多少有關。為了提高氧靈敏度，不但要降低化學吸附氧的激活能，而且要增大體內(nèi)氧空位濃度，提高氧在材料中的擴散系數(shù)。

3 結 語

氧空位是在SrTiO3晶體中雜質擴散、實現(xiàn)半導化的重要條件，因此控制氧空位的濃度成為制備半導體型功能陶瓷元件的重要因素；還原氣氛燒結產(chǎn)生的氧空位是材料實現(xiàn)N型半導化的重要手段； 受主摻雜產(chǎn)生的氧空位促進了環(huán)境氧與晶格氧的交換，是材料實現(xiàn)P型半導化的重要手段,也提高了鈣鈦礦型氧敏元件的靈敏度。

圖2 不同濃度Mg 摻雜的TPD譜

參考文獻

［1］王中林，康振川.功能與智能材料結構演化和結構分析［M］.北京:科學出版社,2002.

［2］YU Chun-ying, SHIMIZU Yasuhiro, AREI Hiromichi. Sensors and auctuadors \. IEEE Press, 1988, 56: 309-318.

［3］曲昭君，于春英，李文釗，等.摻雜鈣鈦礦型氧化物的固體結構及其可交換氧\.物理化學學報,1994,10(9):794-801.

［4］CHO G N, TULLER H L. Defect structure and electric properties of single-crystalline Ba0.03 Sr0.97O3 \. Journal of American Ceramic Society, 1998, 7 (4): 201-208.

［5］BAKACHANDRAN U, ERROR N G. Electric conductivity in strontium titanate \. Journal of Solid State Chemistry, 1981, 39: 347-351.

［6］羅世永,張家蕓.SrTiO3的缺陷化學［J］.北京科技大學學報，2001,23(5):409-413.

［7］曹全喜，鄧亮雄，楊鵬，等.鎂在鈣鈦礦型氧敏材料中的作用［J］.西安電子科技大學學報，2005,32(3):353-356.

［8］吳廣文，吳元欣，馬沛生，等.摻雜鈣鈦礦載體制備及合成碳酸二苯酯活性評價［J］.天津大學學報,2006,39(4):386-391.

［9］李濤，趙廣軍，何曉明.YAP晶體變色現(xiàn)象的研究［J］.人工晶體學報，2002,31(5):456-459.