時間：2023-03-30 11:36:37
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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半導體材料的戰略地位
上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，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”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，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、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。
2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢
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發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，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生產轉變中。目前300mm，0．18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm,0．13μm工藝生產線也將在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展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發展很快。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勢。
目前，世界GaAs單晶的總年產量已超過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集成電路生產線。InP具有比GaAs更優越的高頻性能，發展的速度更快，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單晶的發展趨勢是：（1）．增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。(2)．提高材料的電學和光學微區均勻性。（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，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態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；表面光發射器件和光雙穩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。
雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄(～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。采用多有源區量子級聯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縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，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明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，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結構使波長為9．1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW。量子級聯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。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3．7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數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展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達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光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，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發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，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。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。
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材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為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，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光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，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業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。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、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，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）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如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展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm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之一。1994年Shor基于量子態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大規模量子計算的方案。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依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。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則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態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發展我國半導體材料的幾點建議
鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。
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。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。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，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，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英寸硅外延片的規模生產能力；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，進入世界發達國家之林。
5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶
材料發展建議
GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，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能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。
5.3發展超晶格、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，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的工業型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2、3和4英寸GaAs生產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等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。
(2)一維和零維半導體材料的發展設想。基于低維半導體微結構材料的固態納米量子器件，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濟和國防實力。
關鍵詞半導體材料量子線量子點材料光子晶體
1半導體材料的戰略地位
上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，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”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，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、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。
2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢
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發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，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生產轉變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm，0.13μm工藝生產線也將在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展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發展很快。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勢。
目前，世界GaAs單晶的總年產量已超過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集成電路生產線。InP具有比GaAs更優越的高頻性能，發展的速度更快，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單晶的發展趨勢是：
（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。
（2）。提高材料的電學和光學微區均勻性。
（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，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態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；表面光發射器件和光雙穩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。
雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄（～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。采用多有源區量子級聯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縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，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明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，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結構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW.量子級聯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。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數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展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達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光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，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發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，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。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。
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材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為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，至今未見國外報道。
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半導體材料研究的新進展
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光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，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業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。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、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，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）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如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展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm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之一。1994年Shor基于量子態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的裝置，理論上講它比傳統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大規模量子計算的方案。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依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。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則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態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發展我國半導體材料的幾點建議
鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。
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。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。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，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，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英寸硅外延片的規模生產能力；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，進入世界發達國家之林。
5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發展建議
GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，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能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。
5.3發展超晶格、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，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的工業型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2、3和4英寸GaAs生產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等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。
（2）一維和零維半導體材料的發展設想。基于低維半導體微結構材料的固態納米量子器件，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濟和國防實力。
它具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，可實現高壓、高溫、高頻、高抗輻射等能力。
它的應用范圍覆蓋半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等朝陽領域。
它被視為未來支撐信息、能源、交通、國防等產業發展的重點新材料，將引領光電產業的新一輪革命。
它就是以碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）等為代表的第三代半導體材料，如今世界各國爭相布局的戰略高地。
在世界范圍內，第三代半導體材料在各個領域的產業成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍處于實驗室研發階段。盡管我國起步較晚，發展較緩，無論基礎研究還是產業化推進都仍有很長的路要走，但這并未影響該領域內科研人員潛心攻關、奮起直追的決心。
哈爾濱工業大學基礎與交叉科學研究院宋波教授，就是奮戰在我國第三代半導體材料研究最前沿的優秀科研人員之一。
他L期從事第三代寬禁帶半導體材料的生長與物性研究，凝練了氣相質量輸運動態平衡控制及溫場調控等關鍵科學問題，對碳化硅、氮化鋁等光電功能晶體生長過程的動力學優化、關鍵工藝參數控制與物理性質調控等相互關聯的科學問題開展了系統研究，成果頗豐。
雛鳳新聲，結緣寬禁帶半導體
一代材料，一代器件，一場革命。材料的重要性，在半導體產業已經得到印證。
以硅（Si）為代表的第一代半導體材料，引發了電子工業大革命；以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導體材料，則拓展了半導體在高頻、光電子等方面的應用，使人類進入光纖通信、移動通信的新時代。而如今，正是第三代半導體材料“大展身手”的時代。
第三代半導體材料又叫寬禁帶半導體，是指禁帶寬度大于2 eV（電子伏特）的一類半導體，以碳化硅、氮化鋁、氮化鎵、立方氮化硼（C-BN）等為主要代表。它們所表現出的高溫下的穩定性、高效的光電轉化能力、更低的能量損耗等絕對優勢，吸引了業界的普遍關注，有望全面取代傳統半導體材料，開啟半導體新時代。
宋波進入這一領域是在博士階段。那是2005年前后，他正就讀于中國科學院物理研究所，師從我國著名晶體結構專家陳小龍研究員開展研究。當時國內寬禁帶半導體研究起步不久，各項研究都非常薄弱。
2008年，宋波回到家鄉哈爾濱，并在哈爾濱工業大學韓杰才院士引薦下加入該校基礎與交叉科學研究院。在這里，宋波確立了寬禁帶半導體生長與物性研究這一研究方向，立志從基礎研究領域著手，改善我國關鍵性、基礎性戰略材料依賴進口的局面，促進寬禁帶半導體材料和器件產業的發展，提升產業核心競爭力，縮小與西方國家的差距。
在近十年的研究過程中，宋波作為課題負責人承擔了包括國家自然科學基金項目、總裝“十二五”預先研究重點項目、科技部國際科技合作項目等在內的20多項科研項目，在J. Am. Chem. Soc.， Nano Lett.， Phys. Rev. Lett.， Adv. Funct. Mater.， Phys. Rev. B等國際著名SCI學術雜志上100余篇，論文被正面他引1000余次；獲得授權發明專利13項。特別是在SiC基稀磁半導體和AIN基晶體生長研究方向，取得了一系列創新性成果，引領了國內外相關研究的進步，在行業內形成了一定的影響力。
層層深入，攻關SiC基稀磁半導體
稀磁半導體是自旋電子學的材料基礎，能夠同時利用電子的電荷屬性和自旋屬性，兼具半導體和磁性的性質，新穎而獨特，是第三代半導體材料的熱點研究之一。
現階段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半導體的研究已經取得了突破性進展，但仍無法滿足人們對自旋器件高溫、高頻、大功率和抗輻射等性能的要求，SiC基的出現恰逢其時。宋波在這一前沿方向進行了廣泛而深入的研究，并取得了系列研究進展。
他提出了非磁性元素Al摻雜制備SiC基稀磁半導體，在200 K觀察到了玻璃態的鐵磁有序，同時實現了4H-SiC晶型的穩定可控。首次提出了非磁性元素摻雜AlN基稀磁半導體的研究思路，有效地避免磁性雜質的引入，為探討稀磁半導體的磁性來源提供了理想的實驗體系。
論文在2009年發表后，至今已被他引50余次，得到不少業內專業人士的直接認可，認為其啟迪了思考。中國科學院外籍院士C.N.R. Rao教授就曾在論文中直言：宋等的工作顯示了鐵磁性不是來自磁性雜質而是來自于sp3雜化向sp3-sp2混合雜化轉變的過程中所導致。
隨著研究的不斷深入，宋波的研究也漸入佳境――
同樣在2009年，他利用在h-BN中的實驗結果證實了美國布法羅州立大學Peihong Zhang教授等人的理論預言，即在帶隙寬度達5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接誘導的內稟磁性。這一成果獲得了包括波蘭科學院物理研究院O. Volnianska教授在內的業界專家的正面引用和廣泛認可。
2010年，他提出了雙元素（Al，TM）復合摻雜SiC基稀磁半導體的研究思路。在Al摻雜穩定4H-SiC晶型的基礎之上，同時摻雜磁性過渡金屬元素，來獲得高Tc、高矯頑力和高剩磁的稀磁半導體。
2011年，他提出了采用缺陷工程調控半導體磁性的新方向。與合作者一起采用中子輻照在碳化硅晶體中誘導出了以硅-碳雙空位為主的缺陷，在實驗上給出了硅-碳雙空位導致鐵磁性的證據，并從理論上揭示了雙空位產生磁性的物理機制，證實了磁性元素并非半導體磁性的唯一來源，為深入探究寬禁帶半導體的磁性起源提供了新的科學認識。在此之后，國內外有超過18個研究小組開展了缺陷誘導半導體磁性的研究工作，并在相關論文中引用了他們的成果，將其列為缺陷導致磁性的典型例子。
把握前沿，初探AIN晶體生長
AlN基的高溫、高頻、高功率微波器件是雷達、通信等現代化軍事和航天裝備等領域急需的電子器件。
宋波介紹，與其它的半導體材料相比，AlN基低維材料的形貌較為單一，這導致對其新性質和新應用的探索受到了較大的制約。
因此，深入開展生長動力學研究，探究生長過程中質量輸運-溫場分布-成核動力學的內在關聯，從微觀機理上闡述物性變化的原因，探索新奇物理效應，成為制約寬禁帶半導體發展的關鍵科學問題，同時也是一項亟待開展的基礎性研究工作。
在這一研究方向，宋波同樣取得了不俗的成績――
（一）在AlN機理生長方面，首次發現本征的六重螺旋生長機制。
他@得了單晶AlN納米和微米彈簧、AlN螺旋結構、AlN平面六邊形環等新穎納米結構，系統性研究首次發現AlN納米/微米結構和AlN單晶都遵循六重對稱的旋轉生長機制。
這一發現極大地豐富了人們對于AlN晶生長機理的認識，對調控AlN生長形貌，獲得大尺寸、低缺陷密度的AlN晶體具有重要參考價值。
（二）在AlN新物理性質探索方面，他首次在AlN微米螺旋結構中發現了時間長達300秒的長余輝效應。
研究中，他分別從理論和實驗上對AlN螺旋結構中氮空位和鋁間隙耦合效應進行了研究。首次發現氮空位和鋁間隙的共同作用會誘導出新的能級，進而導致長余輝效應的顯現。這一發現，豐富了人們對于AlN基本物理性質的認識，為設計和制造新型AlN基光電子器件提供理論指導。
在AlN納米線螺旋結構的力學測試中首次發現了AlN單晶螺旋中存在彈性形變。該發現為制備AlN基納米器件提供了進一步的認識。
（三）在AlN晶體生長方面，突破了多項關鍵技術，包括形核溫度控制技術、晶粒長大過程控制技術、形核控制技術等。
研究中，宋波掌握了包括電阻率及均勻性控制技術、多型缺陷濃度控制技術以及晶體質量穩定性控制技術等在內的多項關鍵技術，獲得了高質量的晶體材料。
他所獲得的直徑達35mm的雙面拋光片，位錯密度小于107個/cm2，申報了國家發明專利7項，研究水平居于國內領先地位。
他重新設計和研制了全鎢的晶體生長爐、AlN原料原位補充系統和垂直梯度坩堝。試驗結果表明，采用新的生長組合系統大大提高了AlN的晶體質量，其中AlN晶體的主要缺陷密度，特別是O（氧）含量降低了約3個數量級，電阻率提高了約2個數量級，為進一步獲得高質量的AlN晶體提供了技術支撐。
多年來，宋波非常在意與國際學者的交流與合作，不僅承擔了科技部國際科技合作項目，還在多年的研究中與美國威斯康星大學麥迪遜分校Song Jin教授、西班牙科爾多瓦大學Rafael Luque教授建立了廣泛的合作關系。特別值得一提的，是在對俄對烏合作方面，宋波與俄羅斯科學院固體物理研究所國際知名晶體學家Vladimir Kurlov教授、國際SiC晶體生長專家Yuri Makarov教授，以及俄羅斯科學院西伯利亞分院半導體研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作關系，曾多次出訪俄羅斯與烏克蘭相關科研機構，為推動雙方的科技交流合作作出了重要貢獻。
因表現突出，宋波獲得了2009年黑龍江省自然科學一等獎、2009年黑龍江省高校自然科學一等獎等榮譽；得到了教育部“新世紀優秀人才”計劃、哈爾濱工業大學“基礎研究杰出人才培育計劃（III類）”和“青年拔尖人才選聘計劃（教授類）”的支持；并在三年內連續兩次獲得副教授和教授的破格提升。2016年，宋波被評為哈爾濱工業大學“先進個人”。
關鍵詞:半導體物理實驗;教學改革;專業實驗
實驗教學作為高校教學環節中的一個重要組成部分，不僅因為其是課堂教學的延伸，更由于通過實驗教學，可以加深學生對理論知識的理解，培養學生的動手能力，拓展學生的創造思維［1，2］。實驗教學分為基礎實驗和專業實驗兩部分［3，4］:基礎實驗面向全校學生，如大學物理實驗、普通化學實驗等，其主要任務是鞏固學生對所學基礎知識和規律的理解，旨在提高學生的觀察、分析及解決問題的能力，提供知識儲備［5，6］;與基礎實驗不同，專業實驗僅面向某一專業，是針對專業理論課程的具體學習要求設計的實驗教學內容，對于學生專業方向能力的提高具有極強的促進作用［7～8］。通過專業實驗教學使學生能夠更好的理解、掌握和應用基礎知識和專業知識，提高分析問題的能力并解決生活中涉及專業的實際問題，為學生開展專業創新實踐活動打下堅實的基礎［9～11］。
1半導體物理實驗課程存在的問題與困難
半導體物理實驗是物理學專業電子材料與器件工程方向必修的一門專業實驗課，旨在培養學生對半導體材料和器件的制備及測試方法的實踐操作能力，其教學效果直接影響著后續研究生階段的學習和畢業工作實踐。通過對前幾年本專業畢業生的就業情況分析，發現該專業畢業生缺乏對領域內前沿技術的理解和掌握。由于沒有經過相關知識的實驗訓練，不少畢業生就業后再學習過程較長，融入企事業單位較慢，因此提升空間受到限制。1．1教學內容簡單陳舊。目前，國內高校在半導體物理實驗課程教學內容的設置上大同小異，基礎性實驗居多，對于新能源、新型電子器件等領域的相關實驗內容完全沒有或涉及較少。某些高校還利用虛擬實驗來進行實驗教學，其實驗效果遠不如學生實際動手操作。我校的半導體物理實驗原有教學內容主要參照上個世紀七、八十年代國家對半導體產業人才培養的要求所設置，受技術、條件所限，主要以傳統半導體物理的基礎類實驗為主，實驗內容陳舊。但是在實驗內容中添加新能源、新型電子器件等領域的技術方法，對于增加學生對所學領域內最新前沿技術的了解，掌握現代技術中半導體材料特性相關的實驗手段和測試技術是極為重要的。1．2儀器設備嚴重匱乏。半導體物理實驗的教學目標是使學生熟練掌握半導體材料和器件的制備、基本物理參數以及物理性質的測試原理和表征方法，為半導體材料與器件的開發設計與研制奠定基礎。隨著科學技術的不斷發展，專業實驗的教學內容應隨著專業知識的更新及行業的發展及時調整，從而能更好的完成課程教學目標的要求，培養新時代的人才。實驗內容的調整和更新需要有新型的實驗儀器設備做保障，但我校原有實驗教學儀器設備絕大部分生產于上個世紀六七十年代，在長期實驗教學過程中，不少儀器因無法修復的故障而處于待報廢狀態。由于儀器設備不能及時更新，致使個別實驗內容無法正常進行，可運行的儀器設備也因為年代久遠，實驗誤差大、重復性低，有時甚至會得到錯誤的實驗結果，只能作學生“按部就班”的基礎實驗，難以進行實驗內容的調整，將新技術新方法應用于教學中。因此，在改革之前半導體物理實驗的實驗設計以基礎類實驗為主，設計性、應用性、綜合性等提高類實驗較少，且無法開展創新類實驗。缺少自主設計、創新、協作等實踐能力的訓練，不僅極大地降低學生對專業實驗的興趣，且不利于學生實踐和創新創業能力的培養，半導體物理實驗課程的改革勢在必行。
2半導體物理實驗課程改革的內容與舉措
半導體物理實驗開設時間為本科大四秋季學期，該實驗課與專業理論課半導體物理學、半導體器件、薄膜物理學在同一學期進行。隨著半導體技術日新月異發展的今天，對半導體物理實驗的教學內容也提出了新的要求，因此，要求這門實驗課程不僅能夠通過對半導體材料某些重要參數和特性的觀測，使學生掌握半導體材料和器件的制備及基本物理參數與物理性質的測試方法，而且可以在鋪墊必備基礎和實際操作技能的同時，拓展學生在電子材料與器件工程領域的科學前沿知識，為將來獨立開展產品的研制和科學研究打下堅實的基礎。2．1實驗基礎設施的建設。2013年年底，基于我校本科教學項目的資金支持，半導體物理實驗教學團隊通過調研國內外高校現行半導體物理實驗教學資料，結合我校實驗教學的自身特點，按照創新教育的要求重新設計了半導體物理實驗內容，并根據所開設實驗教學內容合理配置相應的實驗儀器設備，新配置儀器設備具有一定的前瞻性，品質優良，數量合理，保證實驗教學質量。由于作為一門專業實驗課，每學年只有一個學期承擔教學任務，為了提高儀器設備的利用率，做到實驗設備資源的不浪費，計劃成立一間半導體物理實驗專屬的實驗室，用于陳放新購置的實驗設備，在沒有教學任務的學期，該實驗室做為科研實驗室和創新創業實驗室使用。通過近三年的建設，半導體物理實驗專屬實驗室———新能源材料與電子器件工程創新實驗室建成并投入使用，該實驗室為電子材料與器件工程方向的本科生畢業論文設計以及全院本科生的創新創業實驗設計提供了基本保障，更為重要的是該實驗室的建成極大地改善了半導體物理實驗的原有教學條件，解決了實際困難，使得半導體物理實驗教學效果顯著提升。不僅加強了學生對專業核心知識理解和掌握，而且啟發學生綜合運用所學知識創造性地解決實際問題，有效提高學生的實踐動手能力、創新能力和綜合素質。2．2實驗教學內容的更新。半導體物理實驗是一門72學時的實驗課，在專屬實驗室建成后，按照重視基礎、突出綜合、強調創新、提升能力的要求，逐步培養與提高學生的科學實驗素質和創新能力，構建了“九—八—五”新的實驗內容體系，包括如下三個層次(表1)。第一層次為“九”個基礎型實驗，涵蓋對半導體材料的物理性質(結構、電學、光學)的測定，通過對物理量的測量驗證物理規律，訓練學生觀察、分析和研究半導體物理實驗現象的能力，掌握常用基本半導體物理實驗儀器的原理、性能和測量方法等。第二層次為“八”個提高型實驗(綜合、應用性實驗)，學生通過第一層次的實驗訓練后，已掌握了基本的實驗方法和技能，在此基礎上，開展綜合性實驗，可以培養學生綜合運用所學知識以及分析和解決問題的能力。通過應用性實驗培養學生將來利用設備原理從事生產或者技術服務的能力。第三層次為“五”個設計創新型實驗，學生需運用多學科知識、綜合多學科內容，結合教師的科研項目進行創新研究，通過設計型實驗可以鍛煉學生組織和自主實驗的能力，著力培養學生創新實踐能力和基本的科研素質。每個基礎型實驗4學時，提高型實驗8學時，創新型實驗12學時，規定基礎型為必修實驗，提高型、創新型為選作實驗。九個基礎型實驗全部完成后，學生可根據興趣和畢業設計要求在提高型、創新型實驗中各分別選做一定數量的實驗，在開課學期結束時完成至少72個學時的實驗并獲得成績方為合格。2．3實驗教學方式的優化。在教學方式上，建立以學生為中心、學生自我訓練為主的教學模式，充分調動學生的主觀能動性。將之前老師實驗前的講解轉變為學生代表講解實驗內容，然后老師提問并補充完善，在整個實驗安排過程中，實驗內容由淺入深、由簡單到綜合、逐步過渡至設計和研究創新型實驗。三個層次的實驗內容形成連貫的實驗梯度教學體系，在充分激發學生學習興趣的同時，培養學生自主學習、自發解決問題的能力。2．4實驗考核機制的改革。目前大部分實驗課的成績由每次實驗后的“實驗報告”的平均成績決定，然而單獨一份實驗報告并不能夠完整反應學生的實際動手操作能力和對實驗內容的熟悉程度。因此，本課程將此改革為總成績由每次“實驗”的平均成績決定。每次實驗成績包括實驗預習、實驗操作和實驗報告三部分，實驗開始前通過問答以及學生講解實驗內容來給出實驗預習成績;實驗操作成績是個團隊成績反映每組實驗學生在實驗過程中的動手能力以及組員之間的相互協助情況;針對提高型和創新性實驗，特別是創新性實驗，要求以科技論文的形式來撰寫實驗報告，以此來鍛煉本科生的科技論文寫作能力。通過三部分綜合來給出的實驗成績更注重對知識的掌握、能力的提高和綜合素質的培養等方面的考核。
3半導體物理實驗課程改革后的成效
半導體物理實驗在我校本科教學項目的支持下，購置并更新了實驗設備建立了專屬實驗室，構建了“九—八—五”新實驗內容體系，并采用新的教學方式和考核機制，教師和學生普遍感覺到新實驗教學體系的目的性、整體性和層次性都得到了極大的提高。教學內容和教學方式的調整，使學生理論聯系實際的能力得到增強，提高了學生的積極性和主動性。實驗中學生實際動手的機會增多，對知識的渴求程度明顯加強，為了更好地完成創新設計實驗，部分本科生還會主動去查閱研中英文科技文獻，真正做到了自主自覺的學習。通過實驗課程的教學，學生掌握了科技論文的基本格式，數據處理的圖表制作，了解了科學研究的過程，具備了基本的科研能力，也為學生的畢業設計打下了良好的基礎。與此同時，利用新購置的實驗設備建立的實驗室，在做為科研實驗室和創新創業實驗室使用時，也取得了優異的成績。依托本實驗室，2015年“國家級大學生創新創業訓練計劃”立項3項，2016年“國家級大學生創新創業訓練計劃”立項4項。
4結語
關鍵詞：InN薄膜 AlN薄膜 普通玻璃襯底 半導體材料與器件
中圖分類號：TN3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（a）-0067-02
在過去的十幾年里，關于InN半導體材料的研究引起了人們極大的興趣。InN是一種重要的直接帶隙Ⅲ族氮化物半導體材料，與同族的GaN、AlN相比，InN具有最小的有效質量和最高的載流子遷移率、飽和漂移速率，其低場遷移率可達3200 cm2/V?s，峰值漂移速率可達4.3×107cm/s，這些特性使InN在高頻厘米和毫米波器件應用中具有獨特的優勢[1-8]。制備高質量的InN外延薄膜是InN半導體材料研究與應用的前提，但InN薄膜的制備有兩大困難，一方面是InN的分解溫度較低，約為600 ℃左右，而作為N源的NH3的分解溫度則要求很高，一般在1000 ℃左右，因此如何控制InN的生長溫度就產生了矛盾，一般傳統的MOCVD技術要求溫度在800 ℃以上，限制了InN的生長溫度問題，本研究采用了自制的電子回旋共振-等離子增強有機物化學氣相沉積（ECR-PEMOCVD）設備[9-11]，大大降低了外延溫度，使生長溫度控制在500 ℃以下；另一方面，一般InN薄膜都生長在藍寶石等一些基片上。眾所周知，藍寶石基片的價格較高，用它作為InN材料的襯底，使InN材料基的器件的成本很難降下來，嚴重阻礙了InN材料器件的發展。為解決上述InN器件成本高的問題，本研究采用在廉價康寧玻璃襯底上沉積制備InN外延薄膜，但是InN外延層與廉價康寧玻璃襯底之間還存在嚴重的晶格失配等問題，而AlN可以成為一種理想的InN外延中間層材料。首先，AlN與InN具有相似的晶體結構，可以作為InN與廉價康寧玻璃之間的緩沖層。其次，AlN的沉積制備在廉價康寧玻璃上的工藝已經被該研究小組所掌握，而且與其他反應源相比，AlN反應源材料很便宜，廉價，這樣就進一步降低了器件的成本。所以AlN成為InN與廉價康寧玻璃之間緩沖層的首選材料。所以在此基礎上，在較低的溫度下，在廉價的襯底材料上最終制備出高質量、穩定的InN薄膜。
由于InN薄膜的沉積制備需要較高的沉積溫度，當前ECR-PEMOCVD技術以及相關設備，都沒有用于生產InN光電薄膜，因此如何利用ECR-PEMOCVD技術優點，用AlN薄膜作為緩沖層在廉價康寧玻璃襯底上以較低的溫度下生產出性能優異的InN光電薄膜是我們所研究的難點。
1 實驗
將普通康寧玻璃基片依次用丙酮、乙醇以及去離子水超聲波清洗5 min后，用氮氣吹干送入反應室；采用ECR-PEMOCVD系統，將反應室抽真空至9.0×10-4 Pa，改變不同基片沉積溫度400 ℃，500 ℃，600 ℃，向反應室內通入氫氣攜帶的三甲基鋁、氮氣，其二者流量為1.5 sccm和120 sccm，由質量流量計控制；控制氣體總壓強為1.2 Pa；在電子回旋共振頻率為650 W，得到在普通康寧玻璃基片的AlN緩沖層薄膜，其AlN緩沖層薄膜厚度為200 nm。繼續采用ECR-PEMOCVD系統，將反應室抽真空至8.0×10-4 Pa，將基片加熱至500 ℃，向反應室內通入氫氣攜帶的三甲基銦、氮氣，其二者流量比為2∶150，分別為2 sccm和150 sccm，由質量流量計控制；控制氣體總壓強為1.2 Pa；在電子回旋共振頻率為650 W，沉積制備InN薄膜，得到在AlN緩沖層薄膜/普通康寧玻璃結構上的InN光電薄膜。
2 結果與討論
2.1 XRD分析
在其他反應條件不改變的情形下，改變不同基片沉積溫度400 ℃，500 ℃，600 ℃，該研究論文在AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜。3個不同基片沉積溫度的樣品都被測試了，只有沉積溫度500 ℃條件下制備的InN薄膜樣品質量較好，其他條件下質量很不理想，表明沉積溫度過高與過低都不利于薄膜的沉積制備。我們分析沉積溫度500 ℃時的XRD圖像，由圖1可知，除了AlN緩沖層的峰值外，其制備的InN薄膜的則有取向較好，沒有太多其他衍射峰出現，表明AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜，其晶體結構較優異。但是薄膜半峰寬較大，需要進一步進行實驗工藝的優化。
2.2 AFM分析
為了研究InN薄膜的形貌，我們測試了沉積溫度500 ℃條件下，AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜樣品。由圖2可知，實驗準備的InN薄膜表面上的島狀團簇非常均勻，沒有明顯的界面缺陷，呈現出一個光滑的表面且表面平整。此外，為了以后制備大功率器件的要求，沉積溫度是500℃時制備的InN薄膜的樣品進行了其表面均方根平整度檢測。測試結果說明沉積溫度在500℃時沉積制備的InN薄膜樣品的平整度在納米數量級，滿足對器件制備的要求。
2.3 SEM分析
進行了AFM分析之后，我們又對沉積溫度500 ℃條件下，AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜樣品的SEM進行了測試分析，由圖3可知，實驗制備的InN薄膜樣品顆粒明顯形成，基本鋪滿整個實驗基片襯底，沒有明顯缺陷存在，表明該實驗條件下的InN薄膜具有優異的表明形貌特性。其結果同上述AFM分析一致。
3 結語
該研究論文利用可精確控制的低溫沉積的ECR-PEMOCVD技術，在AlN/普通康寧玻璃基片襯底結構上沉積制備出高質量的InN光電薄膜，并結合實際生產中器件成本不理想可能出現的問題以及晶格失配問題，提出一系列的解決方案策略，對基于InN薄膜器件產業化有很大的研究意義。該研究論文的在AlN/普通康寧玻璃基片結構上的InN光電薄膜產品具有良好電學性能以及結晶質量，廉價的成本價格以及易于制備出高頻率大功率器件的優勢。
參考文獻
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1 實驗設計思路
將本課題組已發表的SCI論文“一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導體材料”[5]改為本科實驗，主要根據以下原則：
1.1 新穎性原則
螺芴類分子砌塊具有共軛打斷效應、剛性十字交叉構象和空間位阻效應，被廣泛用于有機電致發光二極管、場效應晶體管以及太陽能染料敏化電池等領域[6]，成為一類重要的有機半導體材料。氮雜芴螺環芳烴由芴基螺環芳烴發展而來在繼承螺芴的各類優勢的基礎上增加了氮雜芴基團的功能特性包括電子受體、金屬配位、質子化以及超分子弱作用等。因此，具有廣闊的發展前景[7-9]。
1.2 可行性原?t
所選的科研成果的反應類型是最經典的傅克反應，與學生所學的有機化學課本緊密聯系。通過實驗預習、講解、操作以及總結，進一步鞏固與加深對傅克反應的理解和運用。另外，該反應原料易得，合成步驟簡單易行，無毒安全性高，可以在本科實驗室開展。
1.3 綜合性原則
氮雜螺芴氧雜蒽的合成操作涉及反應裝置的搭建、TLC點樣、柱層析等各類操作。在整個操作過程中，重點學習TLC點樣和柱層析。產品表征利用核磁共振。
1.4 環保性原則
目前氮雜螺芴氧雜蒽大部分合成方法具有如下缺點：（1）底物范圍拓展的限制和前體合成的困難；（2）合成步驟的冗長。我們課題組發展了一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導體材料。反應過程中依次構建了C-C， C-O和 C-C三支化學鍵，并高效合成了氮雜芴螺環芳烴，符合綠色化學的理念。
2 實驗內容
實驗名稱：一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導體材料
實驗儀器：磁力攪拌器，圓底燒瓶，回流冷凝管、電子天平、分液漏斗、錐形瓶、層析柱、核磁共振波譜儀。
藥品：氮雜芴酮，對甲基苯酚，三氟甲磺酸，1，2-二氯苯，碳酸鉀，二氯甲烷，無水硫酸鎂，乙酸乙酯。
2.1 實驗原理
該反應是典型的傅里德-克拉夫茨反應，簡稱傅-克反應，英文Friedel?CCrafts reaction，是一類芳香族親電取代反應，1877年由法國化學家查爾斯?傅里德和美國化學家詹姆斯?克拉夫茨共同發現。本實驗在酸性條件下反應，首先通過氮雜芴酮與苯酚的傅克反應生成中間體I，緊接著脫水形成三正電型超親電體II，由于電荷間的排斥作用，導致氮雜芴9 號位的正電荷會通過共振方式遷移至酚羥基上，活化酚羥基的反應活性。隨后另一苯酚分子以親核進攻的方式與中間體III 發生反應，形成醚鍵。緊接著分子內的質子轉移與脫水過程在苯環上再次生成碳正離子V。最后碳正離子重新遷移到氮雜芴的9 號位發生分子內的傅克合環反應，得到最終的目標產物氮雜螺芴氧雜蒽。
2.2 實驗步驟
2.2.1 氮雜螺芴氧雜蒽的合成
先向圓底燒瓶中加入0.18克的氮雜芴酮，再分別加入2ml 1，2-二氯苯與0.8ml三氟甲磺酸。在室溫下攪拌大約半小時后，向其中加入0.54克的對甲基苯酚。隨后升高溫度至 85度。通過TLC 板監控反應至氮雜芴酮反應完全。將反應降溫至室溫，用碳酸鉀溶液淬滅此反應，之后用二氯甲烷萃取，收集有機相并用無水硫酸鎂干燥，抽濾。最后柱層析分離提純得到氮雜螺芴氧雜蒽。
2.2.2 螺環氧雜蒽的結構表征
使用核磁共振（NMR）對所得到的產物進行結構表征。通過與標準的氮雜螺芴氧雜蒽的氫譜和碳譜進行對比確認結構
2.2.3 實驗報告
實驗報告要全面總結實驗，特別強調實驗結果的分析，并對實驗結果提出自己的觀點。
3 教學效果
3.1 理論聯系實際，深化理論知識
體現有機化學基礎知識的綜合性，在所設計的實驗中涉及《有機化學》中典型的傅克反應。通過TLC板監測反應進度，有助于理解反應現象以及反應過程。通過核磁共振表征產物，可以了解核磁測試過程以及核磁共振表征原理。通過對氫譜的解析，理解化學位移、耦合常數以及自旋裂分等理論知識。
3.2 科研和教學結合，強化創新思維
將科研和教學相結合，促進了教學方法的改革和教學方式的創新，也培養了適應社會發展需要的高素質人才。實踐證明，從事科學研究的教師能更準確地把握教學內容，更好地把科?W研究的方法貫穿到教學實踐之中，是培養學生的創新思維和創新能力的重要途徑。同時高水平、高層次的科研項目和平臺也為本科生的培養創造了優越的條件。
3.3 實驗與生活相結合，激發學習興致
將制備的氮雜螺芴氧雜蒽作為電致發光材料，應用于有機電致發光二極管、存儲器以及太陽能電池中。在整個實驗過程中，詳細說明每個操作與所學專業的內在聯系，
讓學生深刻體會到所學專業知識的重要性和必要性，激發學生的學習興趣以及求知欲望和積極探索精神。在實驗操作過程中，鍛煉了學生的動手能力以及實踐操作能力。通過科學實驗報告的撰寫，鍛煉并加強了學生的寫作能力。
4 結語
本文的主角――陜西師范大學材料科學與工程學院特聘教授胡鑒勇，是國內有機光電子材料研究領域的新生代杰出代表。以有機電致發光二極管（OLED）、有機場效應晶體管（OFET）和有機太陽能電池（OPV）為代表的有機光電子材料和器件是研究的熱點，胡鑒勇博士長期致力于應用于高性能有機光電子器件的新型有機/高分子半導體材料的開發和研究，在高效穩定的有機光電子材料的設計、合成、性能表征及其在有機光電子元器件的應用方面開展了大量創新性研究，取得了一系列原創性成果，逐漸成長為有機光電子材料領域的骨干力量。
勤奮鉆研，鑄就科研里程碑
早1995年大學畢業后，胡鑒勇在家鄉的一所中學擔任了9年的化學教師；2004年留學于日本佐賀大學獲得工學博士學位，隨后進入日本山形大學有機光電子研究中心，OLED研究世界權威科學家城戶淳二教授（Prof. Junji Kido）研究室進行博士后研究，并在日本世界級科研中心-日本理化學研究所RIKEN，跟隨著名有機半導體材料科學家龍宮和男教授（Prof. Kazuo Takimiya）從事特別研究員工作；2015年由陜西師范大學以海外高層次人才-陜西省“百人計劃”特聘教授身份引進到陜師大材料科學與工程學院工作。
“勤奮、刻苦、創新、突破”是胡鑒勇博士的特點，在日本求學工作期間，他參與過一項日本國家研發課題（高效有機電子器件研發），承擔過日本文部科學省、日本新能源和產業技術開發機構（NEDO）和日本科學技術振興機構（JST）資助的多項研究課題。
在有機深藍熒光材料的研究方面胡鑒勇博士貢獻卓著。高效率的深藍發光能最大限度地提高全彩顯示品質或照明的顯色指數，有效降低OLED顯示器的功耗，開發性能好的藍光材料，尤其是具有高的發光效率和CIE色度坐標Y值小于0.10的深藍光材料對于實現高性能的OLED器件意義重大，胡鑒勇博士設計合成了一類新的蒽類衍生物―基于雙蒽的D-A型深藍延遲熒光材料，通過對傳統的藍光始祖材料蒽分子進行一系列結構上的修飾，包括采取苯基為中心橋鏈和pi共軛阻隔基團，在其對位上分別引入以單蒽為核的電子供體單元（D）和電子受體單元（A），形成了具有獨特的雙蒽結構的D-A型材料分子，以該類材料為發光體，成功實現了滿足高清晰度電視（HDTV）藍光標準的高效率器件，對實現高性能OLED器件具有“里程碑”式的創新意義。該工作發表在材料領域國際頂尖期刊《先進功能材料》上（Adv. Funct. Mater. 2014， 24， 2064），并入選SCI高被引論文（top 1%）。
在空氣穩定的、高遷移率的雙極性有機半導體材料的研究方面胡鑒勇博士成績斐然。開發空氣穩定的、高遷移率的n型和雙極性有機半導體材料，是實現高性能OFET的前提。胡鑒勇博士和團隊成員一起合作開發了一種全新的電子受體單元―萘并二噻吩二酰亞胺（NDTI），以其為共聚電子受體中心的D-A型聚合物實現了空氣穩定的，高遷移率的n型和雙極性有機場效應晶體管，該成果發表在美國化學會上（J. Am. Chem. Soc. 2013， 135， 11445），并入選SCI高被引論文（top 1%）。以此為契機，胡鑒勇博士進一步基于NDTI發展了新型雙極性有機小分子材料，并實現了空氣穩定的、可溶液加工的、高遷移率的雙極性有機場效應晶體管和互補邏輯電路（J. Mater. Chem. C， 2015， 3， 4244； Chem. Mater. 2015， 27， 6418）。
在非富勒烯受體材料的研究方面胡鑒勇博士成效顯著。近些年來，以聚合物電子給體和富勒烯電子受體材料為活性層的本體異質結太陽能電池取得了巨大的進步，但由于富勒烯價格昂貴、吸收光譜和能級調制較為困難，開發高效的n型聚合物電子受體材料來替代富勒烯備受業界關注。胡鑒勇博士開發的基于NDTI的有機小分子和聚合物，作為非富勒烯受體材料，在全聚合物OPV器件中取得了較好的光電轉換效率（ACS Macro Lett. 2014， 3， 872）。
迄今為止，胡鑒勇博士以第一作者或通訊作者在Adv. Funct. Mater.； J. Am. Chem. Soc.； Chem. Commun.； Org. Lett.； J. Mater. Chem. C.； Chem. Eur. J.；和J. Org. Chem.等國際著名學術期刊上共發表SCI論文30余篇，受邀撰寫英文論著1章， 在國際學術會議上作講演報告20余次，多次受邀在國內著名大學和學會上做學術交流報告，申請日本專利多項，已授權2項。多年來作為一名有機光電子材料領域的科研人員，胡鑒勇博士兢兢業業、孜孜以求，以自己的實際行動為鑄就科研力量不斷添磚加瓦。
迎接挑戰，提升人生新高度
“十年彈指一揮間”，十年前為了提升人生高度，豐富人生閱歷，胡鑒勇博士以34歲的“高齡”選擇自費出國留學路，付出了常人難以想象的的艱辛和努力；十年后懷揣著拳拳赤子之心，胡鑒勇博士毅然謝絕多家日本和國內公司的誠意邀請，選擇了陜西師范大學作為自己事業發展的新平臺。
為了進一步提升有機光電子材料研究新高度，拓展以有機電致發光二極管（OLED）、有機場效應晶體管（OFET）和有機太陽能電池（OPV）為代表的有機光電子材料和器件在新型信息顯示、綠色節能固體照明和新能源等技術領域的應用前景，胡鑒勇博士爭取到了多項科研課題，在不到一年的時間里，成功打造了一個環境優美、設備一流的先進實驗室和一個小而精致的科研創新團隊，以期在OLED躋身最具發展前景的下一代顯示技術和固態照明技術產業化，OFET應用于有機傳感器、有源矩陣顯示、射頻標簽、電子紙等新興產業，OPV技術光電轉換效率實用化等領域大顯身手，開展更深入、更細致的高端研究工作。
量子反常霍爾效應
1879年，德國物理學家霍爾發現，當固體導體有電流通過，且置于磁場中時，導體內的電子因受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產生了電壓，這就是霍爾效應。霍爾效應被發現了大約100年之后，德國物理學家克利青在極低溫度和強磁場下測量金屬—氧化物—半導體場效應晶體管時，發現了量子化的霍爾效應。
一般情況下，導體中電子的運動是雜亂無章的，而經過量子化后，電子的運動就變規則了。薛其坤院士也給出了生動的比喻：“量子霍爾效應可以對電子的運動制定一個規則，讓它們在各自的跑道上前進，就好比一輛高級跑車，常態下是在擁擠的農貿市場里前進，而在量子霍爾效應下，則可以在沒有干擾的高速路上前進。”但是，要想實現這樣的量子化過程，所需的條件極苛刻，光磁場強度就得要地球磁場的十萬倍甚至上百萬倍。薛其坤院士及其團隊找到了一種拓撲絕緣體，其中存在著特殊的鐵磁交換機制，能形成穩定的鐵磁絕緣體，即不需要外加磁場也能產生量子霍爾效應。這樣的效應被稱為量子反常霍爾效應，其大大降低了產生量子霍爾效應的難度。
霍爾效應
如右圖所示，一塊矩形導體薄片沿x軸方向通以電流（Is），在z軸方向上加以磁場（B）；導體中有大量電子。通電時，這些電子開始自由移動，但由于電子會受到洛倫茲力（fB ）的作用，其運動方向發生了偏轉，向fB 方向飄移，使導體的一面積累了過多的電子，相應的另一面會出現帶正電的電荷。正負電荷之間會產生電勢差，從而產生了一個電壓，叫霍爾電壓，這個效應就叫霍爾效應。它同時產生一個電場EH，電子也會受到電場力（fE）的作用，方向正好與洛倫茲力相反。當洛倫茲力與霍爾電場力相等時，霍爾電壓保持相對穩定。
霍爾效應的應用
要理解量子反常霍爾效應，我們要先明白，霍爾效應有什么作用。
在剛發現霍爾效應時，由于在金屬導體中產生的霍爾效應十分微弱，所以人們并沒有認識到它的應用價值。隨著半導體技術的發展，人們發現，霍爾效應在半導體中十分明顯，于是就發明了霍爾元件。
根據霍爾效應，當磁場強度發生變化時，相應的霍爾電壓也將隨之變化。依據這一原理，由霍爾元件制成的霍爾傳感器得到廣泛應用，它可以將一些非磁的物理量轉變為電學量進行檢測和控制。像汽車上的計程表，就是利用霍爾傳感器來工作的。
計程表的霍爾效應
右圖中的齒輪圈是汽車發動機上的齒輪，它處于霍爾元件中磁鐵產生的磁場中。當齒輪的齒對準霍爾元件時，會產生較大的霍爾電壓；當齒輪的凹處對準霍爾元件時，霍爾電壓會減小。將霍爾元件連接在脈沖發生器上，根據電壓強弱的變化可檢測出脈沖信號，把它通過A/D轉換器后轉換成數字，就可顯示出汽車的車速、車程等，這就是汽車計程表的原理。
新時代的號角
說起半導體，也許你只能想起收音機。其實，我們的電子產業都建立在半導體之上。量子反常霍爾效應之所以引起如此之大的反響，就在于能降低半導體材料的能量損耗，而這對于我們的電子產業來說，顯得尤為重要。
例如，計算機散熱芯片就是由半導體制成，由于其內部的電子運動是無序的，相互之間會發生碰撞，產生熱量，電腦工作時間一長，就會發熱，降低了使用壽命。量子霍爾效應可以解決這個問題，因為當電子運動變得有序時，就能減少能量的消耗，不會產生熱量。但是，前文已經講過，實現量子霍爾效應需要極其苛刻的條件，而量子反常霍爾效應就解決了高磁場強度的問題，更具實用性，被認為是解決了“霍爾效應家族的最后一個問題”。它幾乎能解決所有用半導體材料制成的儀器發熱的問題，有科學家表示，如果材料問題能進一步突破，那么現在占據數個房間大小的超級計算機，可能縮小到一臺筆記本大小，電子產品將更加節能、快速、輕便……人類或許將開啟一個全新時代。
但是，目前量子反常霍爾效應只有在超低溫條件（0.5開左右）才能觀察到，科學家已經摸到了希望的大門，而大門的鑰匙，還有待人們繼續探索追尋。
（曲婷婷）
關鍵詞：染料敏化太陽能電池；光陽極；染料敏化劑
中圖分類號：TK513 文獻標識碼：A
隨著全球經濟的迅速發展，石油等化石燃料價格的逐年攀升引發了新一輪的能源危機。人類對可再生能源的迫切需求使人們對新能源領域的研究日益興起。太陽能作為一種可再生能源，以資源量豐富、無污染、開發利用方便等其他能源不可比擬的優勢，逐步成為國內外研究的熱點[1]。
利用太陽能最直接的方式便是太陽能電池，根據制備所需材料的不同，太陽能電池可以分為：硅基太陽能電池，多元化合物半導體太陽能電池，有機太陽能電池和染料敏化太陽能電池[2]，其中硅基太陽能電池是目前發展最為成熟且應用占主導地位的一類電池，單晶硅太陽能電池的工藝和技術發展的較為成熟，最高轉換效率為25%[3-4]。但是由于硅基太陽能電池對原料純度的要求高和制作成本昂貴，人們開始探索制備成本低廉且環保的新型太陽能電池。
1991年，瑞士格桑工學院M.Gr?tzel教授[5]領導的研究小組以納米晶TiO2作為薄膜半導體電極，以羧酸聯吡啶釕配合物作為染料，選用氧化還原電解質，制作了新型染料敏化納米晶太陽能電池（Nanocrystalline Photovolatic Cells，簡稱NPC電池），獲得了7.1%～7.9%的光電轉化效率，自此各國開始了DSSC的研究之路。在2004年，M.Gr?tzel教授[6]等人使DSSC的光電轉換效率提高到了10%～11%。2011年，臺灣交通大學刁維光教授領導的研究小組與瑞士洛桑理工學院合作，以一種人工葉綠素-紫質分子取代釕金屬絡合物，成功將DSSC電池的光電轉換效率提高到13.1%，這被譽為2005年之后全球替代能源發展的最大突破。
1 DSSC的基本結構和工作原理
1.1 DSSC的基本結構
染料敏化太陽能電池（DSSC）主要是由導電基底、納米晶半導體多孔薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質以及對電極五部分組成，如圖1所示。DSSC被形象地稱為“三明治結構”：納米顆粒的堆積排列構成半導體多孔薄膜附著在一側的導電基底上；染料敏化劑吸附在薄膜表面，二者共同構成DSSC的陽極部分；另一邊的導電基底制備成了鍍Pt的對電極；通過surlyn熱封薄膜將兩片導電基底組裝在一起，中間空隙處填充含有I3-/I-氧化還原電對的電解質溶液，用密封膠封好四周，形成一塊完整的電池。
1.2 DSSC工作原理
DSSC的工作原理如圖2所示：作為半導體多孔導電薄膜材料不易被可見光激發，為了解決這一問題，通常會在薄膜表面吸附一層具有良好吸光特性的染料光敏化劑（D）。在可見光照射下，染料分子吸收光能從而躍遷到激發態（D*），但由于激發態的染料分子不穩定，會與納米晶TiO2薄膜的表面發生相互作用，使電子迅速從染料激發態注入到較低能級的TiO2導帶。進入導帶的電子在TiO2多孔薄膜中傳輸到導電基底并被收集，最后在外電路流向對電極，形成光電流。處于氧化態的染料（D+）由電解質溶液中的碘離子I-還原為基態，同時，被氧化的I-變成I3-，I3-在對電極上獲得電子被還原，從而構成一個完整的光電轉換循環[8-10]。電池的工作機制中存在著光生電子與氧化態染料分子和電解液中I3-的復合，即暗反應過程，暗反應過程會減少外電路中電子的數量，從而降低DSSC電池的光電轉換效率。為了克服這一缺點，要求盡可能加快電子注入半導體薄膜和染料還原的速率，降低電子-空穴復合機率，從而提高DSSC的光電性能。
2 DSSC主要組成部分的研究進展
2.1 DSSC光陽極納米多孔半導體薄膜
納米多孔半導體薄膜作為DSSC的陽極部分主要起到銜接作用[11]，薄膜表面吸附著染料敏化劑，會將從染料處接收的電子轉移給導電基底，因此，納米多孔半導體薄膜的性能直接影響染料的吸附量和電子傳輸效率。影響納米多孔半導體薄膜性能的因素主要包括半導體材料的晶型、比表面積、晶體粒徑、薄膜的厚度以及薄膜表面的粗糙程度等[12-13]。目前，對于光陽極的研究主要在加快電子在薄膜中的傳輸速率，增大薄膜的染料吸附量以及提高薄膜半導體材料的光催化活性三個方面。常用作DSSC光陽極的半導體材料有ZnO、TiO2、SnO2等，其中n型半導體材料TiO2具有較大的帶隙寬度（3.2EV），且化學性能穩定，無毒無污染，耐腐蝕性良好，被廣泛地用作DSSC光陽極的材料。TiO2常態下有三種晶型，即金紅石、銳鈦礦和板鈦礦，其中銳鈦礦的光催化活性較高，制成DSSC的性能較好。
制備光陽極表面致密的納米多孔TiO2薄膜的主要方法有：涂敷法[14]、溶膠-凝膠法[15]、水熱合成法[16]、絲網印刷法[17]、電化學沉積法等[18-19]。其中涂敷法最為簡單，制備的薄膜較為平整，絲網印刷法則適合DSSC的大規模生產，為DSSC的產業化奠定了基礎。研究表明單純的納米TiO2薄膜光電性能并不理想，主要由于半導體TiO2的吸光范圍主要存在于紫外光區，而對可見光的吸收率較低；同時，電極材料的大比表面積會增加電子在傳輸過程中與空穴復合的機率，產生暗電流，降低電子傳輸效率，進而使DSSC的轉換效率大大下降[20]。近幾年來研究人員采用金屬離子摻雜、表面化學處理、半導體復合等多種薄膜改性技術來提高納米晶TiO2薄膜的光電性能。彭天右等人[21]通過浸漬法用金屬離子（Mg2+、Zn2+）修飾TiO2薄膜電極，浸漬后形成的金屬氧化物能夠有效抑制TiO2薄膜的塌陷，提高了DSSC的轉換效率。李麗等人[22]對納米TiO2薄膜進行金屬鎳的摻雜，隨后將氧化釹包覆在摻雜后的薄膜表面，結果顯示摻雜金屬鎳后納米TiO2薄膜內部形成了能級勢壘，有效抑制了電子-空穴復合；而氧化釹的包覆提高了電子的注入效率，DSSC的光電轉換效率提高了17%。Wang等人[23]用鹽酸（HCl）處理DSSC光陽極，結果顯示表面處理后的DSSC的短路電流與開路電壓都有大幅提升。此外，半導體復合可以擴大電極的光響應范圍，改善電極的吸光性能，調節電極的禁帶寬度，減少光電子與空穴復合機會，從而提高光電轉換效率[24-26]。Kim等[27]運用熱化學氣相沉積法將ZnO半導體材料復合到納米TiO2薄膜電極上，增加了電極的比表面積，促進染料的吸附，使DSSC的光電轉換效率提高到1.21%。
將無序的TiO2薄膜作為陽極薄膜，傳輸的電子會與電子受體發生復合，從而造成電子的損耗，在陽極制作面積變大時尤為明顯，會嚴重影響DSSC的光電性能[28-29]。通過制備有序的納米線、納米棒[30]、納米管[31]作為薄膜電極材料，可以抑制電子-空穴復合，實現電子有序快速傳輸，提高DSSC的短路電流和開路電壓。趙麗等[32]將水熱合法制得的ZnO納米棒與氟鈦酸胺、硼酸混合，并在600℃煅燒制得了結晶度較好 ZnO/TiO2 納米管復合電極，促進了電子的運輸，光電轉換效率可達到0.66%。這將是未來幾年納米薄膜電極的發展趨勢。
2.2 染料敏化劑
染料敏化劑被納米多孔半導體薄膜吸附，主要對入射光進行捕獲，是DSSC工作時的首要步驟。多年的研究表明，性能良好的染料敏化劑需要滿足如下條件[33-34]：
2.2.1具有很好的吸附性
迅速達到吸附平衡后不易脫色。作為DSSC的敏化劑，一般要求染料帶有一些具有吸附性質的官能團，如-COOH，-PO3H2等，這些官能團可以使染料在TiO2薄膜表面吸附得為牢固，有利于提高電池的光電性能。
2.2.2要求染料處于激發態時的壽命足夠長
能夠在長期光照條件下完成多次循環反應，提高電子傳輸效率。
2.2.3光譜響應范圍較寬
吸收光譜與太陽能光譜匹配度較高，可以盡可能多的吸收和利用太陽光。
2.2.4為了確保從激發態染料的最低能量軌道順利注入TiO2倒帶中，必須具有足夠的氧化還原電勢，即染料的氧化態電位要低于TiO2的導帶電位，而染料的還原態電位要高于電解質的電位。
目前，用作DSSC的染料敏化劑主要有無機染料敏化劑、有機染料敏化劑以及純天然染料敏化劑三種，其中無機染料敏化劑和有機染料敏化劑可以統稱為合成染料敏化劑[35]。由于無機染料敏化劑通常會選擇CdS、CdSe等物質為原料，對環境破壞嚴重，因此，現階段各國基本上都用有機染料或純天然染料敏化劑代替它。20世紀80年代，Gr?tzel小組[36-37]在DSSC的光陽極中添加了配合物敏化劑RuL2（NCS）2，使電池在480～600nm波長范圍的IPCE超過了80%，電池的光電轉換效率達到了10%，這就是后來被廣泛使用的N3標準染料。1999年，繼N3后Gr?tzel[38]研發的N719染料能夠有效抑制暗電流的產生，電池光電轉換效率達到11%。臺灣大學周必泰教授[39-40]領導的研發小組，在前兩種染料的基礎上合成了名為TFRS和TF的新型染料敏化劑，光電轉換效率均在10%左右。最近，由長春應化所王鵬教授與Gr?tzel研究小組合作開發的C101染料，可實現11%～11.3%的轉化率，被認為是目前釕吡啶配合物中性能最好的敏化劑[41]。
美中不足的是，有機染料中需要釕、鋨、錸等稀有金屬，價格非常昂貴。而純天然染料大多從自然界中植物體內獲取，如葉綠素、黑莓素等，資源豐富、提取過程簡單，生產成本較有機染料低得多，因此，天然染料近年來成為了探索的熱點。Furukawa等[42]從甘藍中提取出紅色甘藍色素，用于商用P25制備的半導體薄膜上，組裝后測得電池的光電轉換效率可達0.6%。周惠芝等人[43]分別從植物的葉、花等材料中提取了20種天然色素用作敏化劑，經過光電性能測試后發現山竹果皮色素敏化的DSSC開路電壓達到0.68V，接近N719的效果。雖然天然染料的研究已經取得了一些進展，但是要將其廣泛應用還需一定的時間。
2.3 電解質
染料敏化太陽能電池（DSSC）所用的電解質為含有I-/I-3氧化還原對或是含有（SeCN-）3/SeCN-離子體的電解液[44]。現如今電解質主要有液態電解質、準固態電解質、全固態電解質三類。液態電解質存在著易揮發、不穩定、不利于電池的密封等缺點，這使得人們不斷地尋求性能更為優良的電解質。準固態電解質介于液態電解質和全固態電解質之間，主要是在液態電解質中加入凝膠劑，從而達到固定電解質、延長使用壽命的目的。常用的準固態聚合物電解質基體有[45]：聚氧乙烯（PEO）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚氧丙烯（PPO）等。馬莉[46]根據鋰電池中制備準固態電解質的方法將PVDF和PMMA制成了共混基準固態電解質，并深入探討了二者的最佳混合比例以及電導率的提高情況。聚氧化乙烯（簡稱PEO）作為一種水溶性聚合物，結構中的C-O-C醚氧鍵有利于與無機電解質形成締合物。梁桂杰等人[47]以四種不同分子量的PEO為基質制成溶膠形式的準固態電解質，深入了分析電導率與PEO分子量的關系，將四種電解質運用到DSSC中，獲得了3.16%～4.17%的光電轉換效率。雖然準固態電解質有助于提高電解質的性能，但是畢竟具有流動性，還是存在著易揮發、難封裝等一些列問題。全固態電解質完全解決了上述問題，加之全固態太陽能電池的高轉化效率影響，讓全固態電解質作為電池中空穴傳輸的材料得到了廣闊地發展。目前全固態電解質的材料主要有無機p-型半導體材料、有機空穴傳輸材料、導電高聚物和固態復合電解質[48-49]。譚永東[50]將苯胺加入固態聚乙二醇電解質中，在一定條件下合成苯胺增塑固態電解質，加強了電解質的穩定性，提高了DSSC的光電轉換效率。雖然固態電解質相對于液態電解質穩定性較高，但本身存在著浸潤性差、空穴傳輸速率低、電阻較大等缺點，如何克服這些問題還需進一步探討。
2.4 對電極
DSSC的對電極的作用是傳導電子同時將電解質中的I3-還原為I-。作為對電極要具備電阻小，催化活性高等特點，以減少電子傳遞過程的能量損失。DSSC的制備中所采用的對電極主要有鍍鉑（Pt）對電極、碳材料電極、導電聚合物電極等，實踐證實Pt對電極的性能較好[51]。
Pt是一種具有高催化活性的金屬，對電極經pt修飾后具有較高的催化性能，而且鍍Pt對電極表面具有平面鏡的作用，可將沒有被染料分子吸收的入射光重新反射給染料，增加入射光被染料吸收的幾率。目前，制作Pt對電極的方法有很多，如磁控濺射真空鍍法、熱分解法、電化學鍍膜法等[52-54]。雖然對電極經Pt修飾催化活性有所增加，但金屬Pt昂貴的價格會增加電池的成本，制約了DSSC的發展。
碳材料具有良好的導電性，且資源充足、價格便宜、無污染，被視為可替代Pt的優質材料。為提高碳電極的導電性能，近幾年人們除了研究各種形態的純碳對電極外，更對以碳材料為載體的復合材料電極產生了興趣[55-58]。清華大學的石高全教授[59]的研究小組用石墨烯/苯乙烯磺酸復合而成的60nm薄膜充當對電極，經實驗證實復合電極的性能接近于同等條件的Pt對電極。南開大學竇衍葉等人[60]將磷化鎳（Ni2P）與碳納米管制成復合電極，有效降低了對電極的電阻，為開發新型對電極提供了依據。此外，高分子導電聚合物具備質量輕、穩定性好等特點，將其制成對電極應用在柔性DSSC中，也可以達到提高效率的目的。總體來說，目前研究開發的新型對電極仍然存在著催化性能低，材料與基底附著力不強等問題，對電極的研發還存在著較大的發展空間。
3 結語
目前，我國染料敏化太陽能電池的研究水平已經于世界發達國家同步，電池以及電池板的轉換效率都處于國際高水平指標范圍內。在染料敏化太陽能電池基礎性研究獲得了長足進步的基礎上，在以下幾個方面增加研究力度：
3.1提高DSSC光陽極薄膜的性能
尋找優良半導體材料和優化制備工藝雙管齊下，實現陽極材料形貌的可控制備，提高薄膜電極的電子傳輸速率的同時增加染料吸光效率，不斷優化半導體薄膜電極。
3.2開發天然染料
努力提高天然染料的敏化性能和光譜吸收范圍，降低染料制備成本。
3.3在發展準固態電解質的基礎上全力開發全固態電解質
從根本上解決流動性電解質給電池封裝帶來的不便。
3.4增強導體材料與基底的附著力
研究提高對電極光催化活的方法。相信隨著新材料科學的不斷進步，染料敏化太陽能電池的優勢將展示得越來越明顯，廣闊的發展前景也將使染料敏化太陽能電池推動國家綠色能源產業的飛速發展。
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