幾種光電信息功能材料的研究進(jìn)展

摘 要：信息功能材料的應(yīng)用推廣，逐漸將信息功能材料向內(nèi)容存儲(chǔ)、信息傳輸、信息顯示、信息轉(zhuǎn)換和功能接受等方面轉(zhuǎn)換，其主要技術(shù)指標(biāo)有：大容量傳輸、高速度、低消耗能量、多功能。隨著近年來光電信息結(jié)合使用，提高了信息技術(shù)發(fā)展水平，傳輸速度以提高到Gbot，而大容量數(shù)碼存儲(chǔ)容量已是KT級(jí)別，將圖像、聲音和數(shù)據(jù)集中，實(shí)現(xiàn)了一體化功能。本文主要研究內(nèi)容是光電信息功能材料，以量子物理為基礎(chǔ)作進(jìn)一步分析。

關(guān)鍵詞：光電信息；功能材料；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TB34

新材料研制和國家科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)力發(fā)展密切相關(guān)，同時(shí)也是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展根本保障之一。在世界范圍內(nèi)，新材料研制是國家計(jì)劃中的重點(diǎn)研究內(nèi)容。本世紀(jì)正處于光電子時(shí)代，而光電信息功能材料不但有電子材料穩(wěn)定性特點(diǎn)，還有光子材料先進(jìn)性特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子時(shí)代，發(fā)展前景極好。

1 概述光電信息功能材料

信息科學(xué)發(fā)展進(jìn)程中，材料研究作為技術(shù)發(fā)展先導(dǎo)，是發(fā)現(xiàn)與完善現(xiàn)代化科學(xué)規(guī)律重要基礎(chǔ)。人們從量子論發(fā)展中得到原子中電子物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律，特別是最外層的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，最先研究的功能材料是金屬，例如：不銹鋼、有色金屬、黑色金屬和特殊鋼材等，并且電子層次微觀物理逐漸應(yīng)用量子論。

其次，半導(dǎo)體材料開發(fā)和利用，電力材料的技術(shù)科學(xué)發(fā)展地位有所提高，研究功能材料是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的前提保障，同時(shí)也是技術(shù)開發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)，在整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中都有所體現(xiàn)。并且由于新興起來的光纖技術(shù)，將激光技術(shù)和光纖技術(shù)結(jié)合使用，為發(fā)展信息技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。正是由于光存儲(chǔ)和光集成技術(shù)，光電信息功能材料研究范圍越來越廣，走入到微觀物理層次，覆蓋包括無機(jī)和有機(jī)、金屬和非金屬、靜態(tài)和非靜態(tài)科學(xué)技術(shù)，將計(jì)算機(jī)應(yīng)用在信息高智能存儲(chǔ)，傳輸與處理方面，使得信息技術(shù)發(fā)展迅速。

2 光電信息功能材料研究重點(diǎn)

2.1 半導(dǎo)體光電材料

半導(dǎo)體介于絕緣體和導(dǎo)體之間的一種材料，半導(dǎo)體光電材料可將電能轉(zhuǎn)化為光，將光轉(zhuǎn)化為電，也可處理和擴(kuò)大光電信號(hào)。21世紀(jì)上半葉至今，半導(dǎo)體量子和異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料仍然把光電信息功能材料作為研發(fā)主要內(nèi)容。

2.1.1 硅微電子材料。微電子技術(shù)基礎(chǔ)是集成電路為主要核心的半導(dǎo)體器件，是一種高新電子技術(shù)。半導(dǎo)體光伏太陽能電池和集成電路主原材料，是新能源與信息基礎(chǔ)。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，我國硅材料規(guī)模迅速壯大和發(fā)展。并且，硅微電子信息功能材料與現(xiàn)代化信息時(shí)代相聯(lián)系，其具有質(zhì)量輕、可靠性高和體積小等特點(diǎn)。半導(dǎo)體硅微光電信息功能材料，可提高硅集成電路使用性能成品率，但是從成本角度分析，解決硅片直徑的增大問題形成了一系列缺陷密度與均勻性變差。并且，從半導(dǎo)體器件特征性尺寸角度；硅集成角度來看，硅材料是未來研制方向。在鍺化硅材料生長應(yīng)變硅材料技術(shù)基礎(chǔ)上，其可提高器件驅(qū)動(dòng)的電流和晶體管速度，其廣泛應(yīng)用性可能會(huì)替代65nm以下的互補(bǔ)性金屬氧化物的半導(dǎo)體電路主流技術(shù)。在硅材料技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)，人們也在研制雙柵-多柵器件、高K柵介質(zhì)、銅互連技術(shù)和應(yīng)變溝道技術(shù)。目前，硅微電子技術(shù)難以滿足龐大市場(chǎng)需求和信息量，需要在全新原理材料、電路技術(shù)和器件技術(shù)深入研究，例如：納米電子技術(shù)、光計(jì)算機(jī)技術(shù)和量子信息技術(shù)。

2.1.2 量子級(jí)聯(lián)的激光器材料。在通信和移動(dòng)通信領(lǐng)域，廣泛使用超晶格和量子阱材料，量子阱材料集分子束外延和量子工程為一體，打破了半導(dǎo)體使用限制性，真正體現(xiàn)出了國家納米級(jí)量子器件的核心技術(shù)。并且其發(fā)展到現(xiàn)在，QCL在遠(yuǎn)紅光外源、紅外對(duì)抗、遙控化學(xué)和自由空間內(nèi)通信等較為突出。QCL高新技術(shù)研究面也更加廣闊，其中，可調(diào)諧中紅外激光器在國外步入工業(yè)化階段。

2.1.3 光子帶隙功能材料。光子帶隙材料常稱為光子晶體，其具有介電函數(shù)、周期性變化調(diào)制材料的光子狀態(tài)運(yùn)行模式。根據(jù)周期性的空間排列規(guī)則和特點(diǎn)，光子晶體分為一維、二維與三維形式。重點(diǎn)分析二維光子晶體，半導(dǎo)體薄片堆層其可以進(jìn)一步制出硅基二維光子晶體和高品質(zhì)因數(shù)光子微腔含單量子點(diǎn)砷化鎵基二維光子晶體微腔，有較廣闊的應(yīng)用空間。例如：借助于圈內(nèi)反射可限制光電在晶體內(nèi)的反應(yīng)，也就是光子晶體反應(yīng)，以便控制光色散；其次，光子晶體可制作出計(jì)算機(jī)芯片，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行和運(yùn)算速度均有所提高。對(duì)于三維光子晶體，特別是可見光的三維光子晶體和近紅外波受到一定條件限制，因此，制備工藝較難。

2.2 納米光電功能材料

所謂納米材料，其是粒子尺寸介于1-100納米材料。納米光電功能材料是將光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能或電能一種納米行材料，其發(fā)展前景廣闊，性能好，被廣泛應(yīng)用于光存儲(chǔ)、光通信、光電探測(cè)器和全光網(wǎng)絡(luò)等方面。

尺度位于宏觀物體和原子簇交接區(qū)域，納米材料有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，產(chǎn)生點(diǎn)穴、光學(xué)、化學(xué)、熱血和磁學(xué)特征等，其中，表面效應(yīng)屬于納米光電材料重要特征之一，粒子性能決定性因素是表面原子，當(dāng)表面原子數(shù)量增加到一定范圍內(nèi)，原子數(shù)量越多，缺陷程度就會(huì)越大，納米光電材料活性就越高。正是由于量子尺寸影響電學(xué)性質(zhì)，納米材料才會(huì)比一般性的光電材料光催化活性高。

2.3 光折變功能材料

光折變功能材料光照條件下會(huì)吸收光子，使電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，形成一定的空間電場(chǎng)，進(jìn)而借助于電光效應(yīng)改變折射率。這種光電材料需要低功率就可以在室溫下進(jìn)行光學(xué)信息處理和運(yùn)算，因此有很好的發(fā)展前景。人們對(duì)光折變材料進(jìn)行高密度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、空間光調(diào)制、光放大、光學(xué)圖像處理和干涉測(cè)量等研究，并隨著對(duì)光折變效應(yīng)深入了解和發(fā)現(xiàn)新型材料，使得光折變材料應(yīng)用范圍更加廣泛。

3 光電信息功能材料制備方法

光電信息功能材料根據(jù)性能與尺寸的不同要求，因此包括有很多制備方法。常見的制備方法有：高溫固相反應(yīng)、濺射法、Sol-gel、PCVD、CVD等。

3.1 微波反應(yīng)燒結(jié)

我國通過微波輻射法合成物質(zhì)有硅酸鹽、氧化物、硫化物、磷酸鹽、鎢酸鹽和硼酸鹽等熒光體，利用各種物質(zhì)選擇光激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)了溫室光譜燒孔。

3.2高溫固相反應(yīng)

高溫固相反應(yīng)是使用最廣泛的制備新型固體功能材料方式，我國上海硅酸鹽研究所使用提拉法技術(shù)生產(chǎn)出閃爍BGO晶體，歐洲核子研究所用晶體制造出正負(fù)電子撞機(jī)電磁量能器，出口總量高達(dá)千萬美元，經(jīng)濟(jì)效益很好。

3.3 濺射法

濺射鍍膜法通過直流或者是高頻電場(chǎng)讓惰性氣體形成電離反應(yīng)，此過程產(chǎn)生輝光放電離子體，其正離子與電子對(duì)靶材進(jìn)行高速轟擊，濺射出靶材分子和原子，從而將這兩種物質(zhì)沉積在基材上，形成薄膜。

3.4 CVD（熱分解化學(xué)氣相沉積技術(shù)）

CVD主工藝過程是借助于過載氣輸送反應(yīng)物到反應(yīng)器中，并在一定反應(yīng)條件下，發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，形成顆粒大小的納米。隨著反應(yīng)基質(zhì)粒子和納米顆粒共同沉積到基片上，形成一層薄膜。薄膜形式有：反應(yīng)氣體和氣體擴(kuò)散吸附于生長、擴(kuò)散和揮發(fā)沉底表面，這種方法可制備出氟化物、氧化物和碳化物等納米復(fù)合型薄膜。

4 結(jié)束語

光電信息功能材料開發(fā)與研究需要通過量子物理支撐，目前其限定于光子、電子、電波和光波為主要信息載體，對(duì)研究量子物理，分析光電信息功能材料有重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王藜蓓，陳芬，周亞訓(xùn).集中光電信息功能材料的研究進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2011（05）.

[2]周舟，陳淵，黃軼瞾.光電信息功能材料與量子物理研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（07）.

[3]王占國.半導(dǎo)體光電信息功能材料的研究進(jìn)展[J].功能材料信息，2010（03）.

作者單位：華中科技大學(xué)文華學(xué)院，武漢 430074