發(fā)布時間：2023-03-20 16:15:31
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的半導(dǎo)體材料論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
它具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點，可實現(xiàn)高壓、高溫、高頻、高抗輻射等能力。
它的應(yīng)用范圍覆蓋半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等朝陽領(lǐng)域。
它被視為未來支撐信息、能源、交通、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點新材料，將引領(lǐng)光電產(chǎn)業(yè)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(dǎo)體材料，如今世界各國爭相布局的戰(zhàn)略高地。
在世界范圍內(nèi)，第三代半導(dǎo)體材料在各個領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍處于實驗室研發(fā)階段。盡管我國起步較晚，發(fā)展較緩，無論基礎(chǔ)研究還是產(chǎn)業(yè)化推進都仍有很長的路要走，但這并未影響該領(lǐng)域內(nèi)科研人員潛心攻關(guān)、奮起直追的決心。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與交叉科學(xué)研究院宋波教授，就是奮戰(zhàn)在我國第三代半導(dǎo)體材料研究最前沿的優(yōu)秀科研人員之一。
他L期從事第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的生長與物性研究，凝練了氣相質(zhì)量輸運動態(tài)平衡控制及溫場調(diào)控等關(guān)鍵科學(xué)問題，對碳化硅、氮化鋁等光電功能晶體生長過程的動力學(xué)優(yōu)化、關(guān)鍵工藝參數(shù)控制與物理性質(zhì)調(diào)控等相互關(guān)聯(lián)的科學(xué)問題開展了系統(tǒng)研究，成果頗豐。
雛鳳新聲，結(jié)緣寬禁帶半導(dǎo)體
一代材料，一代器件，一場革命。材料的重要性，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)得到印證。
以硅（Si）為代表的第一代半導(dǎo)體材料，引發(fā)了電子工業(yè)大革命；以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導(dǎo)體材料，則拓展了半導(dǎo)體在高頻、光電子等方面的應(yīng)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(dǎo)體材料“大展身手”的時代。
第三代半導(dǎo)體材料又叫寬禁帶半導(dǎo)體，是指禁帶寬度大于2 eV（電子伏特）的一類半導(dǎo)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(xiàn)出的高溫下的穩(wěn)定性、高效的光電轉(zhuǎn)化能力、更低的能量損耗等絕對優(yōu)勢，吸引了業(yè)界的普遍關(guān)注，有望全面取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，開啟半導(dǎo)體新時代。
宋波進入這一領(lǐng)域是在博士階段。那是2005年前后，他正就讀于中國科學(xué)院物理研究所，師從我國著名晶體結(jié)構(gòu)專家陳小龍研究員開展研究。當(dāng)時國內(nèi)寬禁帶半導(dǎo)體研究起步不久，各項研究都非常薄弱。
2008年，宋波回到家鄉(xiāng)哈爾濱，并在哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓杰才院士引薦下加入該?；A(chǔ)與交叉科學(xué)研究院。在這里，宋波確立了寬禁帶半導(dǎo)體生長與物性研究這一研究方向，立志從基礎(chǔ)研究領(lǐng)域著手，改善我國關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性戰(zhàn)略材料依賴進口的局面，促進寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升產(chǎn)業(yè)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(fù)責(zé)人承擔(dān)了包括國家自然科學(xué)基金項目、總裝“十二五”預(yù)先研究重點項目、科技部國際科技合作項目等在內(nèi)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(xué)術(shù)雜志上100余篇，論文被正面他引1000余次；獲得授權(quán)發(fā)明專利13項。特別是在SiC基稀磁半導(dǎo)體和AIN基晶體生長研究方向，取得了一系列創(chuàng)新性成果，引領(lǐng)了國內(nèi)外相關(guān)研究的進步，在行業(yè)內(nèi)形成了一定的影響力。
層層深入，攻關(guān)SiC基稀磁半導(dǎo)體
稀磁半導(dǎo)體是自旋電子學(xué)的材料基礎(chǔ)，能夠同時利用電子的電荷屬性和自旋屬性，兼具半導(dǎo)體和磁性的性質(zhì)，新穎而獨特，是第三代半導(dǎo)體材料的熱點研究之一。
現(xiàn)階段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半導(dǎo)體的研究已經(jīng)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(xiàn)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(dǎo)體，在200 K觀察到了玻璃態(tài)的鐵磁有序，同時實現(xiàn)了4H-SiC晶型的穩(wěn)定可控。首次提出了非磁性元素?fù)诫sAlN基稀磁半導(dǎo)體的研究思路，有效地避免磁性雜質(zhì)的引入，為探討稀磁半導(dǎo)體的磁性來源提供了理想的實驗體系。
論文在2009年發(fā)表后，至今已被他引50余次，得到不少業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的直接認(rèn)可，認(rèn)為其啟迪了思考。中國科學(xué)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(zhì)而是來自于sp3雜化向sp3-sp2混合雜化轉(zhuǎn)變的過程中所導(dǎo)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(jié)果證實了美國布法羅州立大學(xué)Peihong Zhang教授等人的理論預(yù)言，即在帶隙寬度達5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接誘導(dǎo)的內(nèi)稟磁性。這一成果獲得了包括波蘭科學(xué)院物理研究院O. Volnianska教授在內(nèi)的業(yè)界專家的正面引用和廣泛認(rèn)可。
2010年，他提出了雙元素（Al，TM）復(fù)合摻雜SiC基稀磁半導(dǎo)體的研究思路。在Al摻雜穩(wěn)定4H-SiC晶型的基礎(chǔ)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(dǎo)體。
2011年，他提出了采用缺陷工程調(diào)控半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致鐵磁性的證據(jù)，并從理論上揭示了雙空位產(chǎn)生磁性的物理機制，證實了磁性元素并非半導(dǎo)體磁性的唯一來源，為深入探究寬禁帶半導(dǎo)體的磁性起源提供了新的科學(xué)認(rèn)識。在此之后，國內(nèi)外有超過18個研究小組開展了缺陷誘導(dǎo)半導(dǎo)體磁性的研究工作，并在相關(guān)論文中引用了他們的成果，將其列為缺陷導(dǎo)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(xiàn)代化軍事和航天裝備等領(lǐng)域急需的電子器件。
宋波介紹，與其它的半導(dǎo)體材料相比，AlN基低維材料的形貌較為單一，這導(dǎo)致對其新性質(zhì)和新應(yīng)用的探索受到了較大的制約。
因此，深入開展生長動力學(xué)研究，探究生長過程中質(zhì)量輸運-溫場分布-成核動力學(xué)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，從微觀機理上闡述物性變化的原因，探索新奇物理效應(yīng)，成為制約寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題，同時也是一項亟待開展的基礎(chǔ)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(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)、AlN平面六邊形環(huán)等新穎納米結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)性研究首次發(fā)現(xiàn)AlN納米/微米結(jié)構(gòu)和AlN單晶都遵循六重對稱的旋轉(zhuǎn)生長機制。
這一發(fā)現(xiàn)極大地豐富了人們對于AlN晶生長機理的認(rèn)識，對調(diào)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(zhì)探索方面，他首次在AlN微米螺旋結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了時間長達300秒的長余輝效應(yīng)。
研究中，他分別從理論和實驗上對AlN螺旋結(jié)構(gòu)中氮空位和鋁間隙耦合效應(yīng)進行了研究。首次發(fā)現(xiàn)氮空位和鋁間隙的共同作用會誘導(dǎo)出新的能級，進而導(dǎo)致長余輝效應(yīng)的顯現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)，豐富了人們對于AlN基本物理性質(zhì)的認(rèn)識，為設(shè)計和制造新型AlN基光電子器件提供理論指導(dǎo)。
在AlN納米線螺旋結(jié)構(gòu)的力學(xué)測試中首次發(fā)現(xiàn)了AlN單晶螺旋中存在彈性形變。該發(fā)現(xiàn)為制備AlN基納米器件提供了進一步的認(rèn)識。
（三）在AlN晶體生長方面，突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，包括形核溫度控制技術(shù)、晶粒長大過程控制技術(shù)、形核控制技術(shù)等。
研究中，宋波掌握了包括電阻率及均勻性控制技術(shù)、多型缺陷濃度控制技術(shù)以及晶體質(zhì)量穩(wěn)定性控制技術(shù)等在內(nèi)的多項關(guān)鍵技術(shù)，獲得了高質(zhì)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(fā)明專利7項，研究水平居于國內(nèi)領(lǐng)先地位。
他重新設(shè)計和研制了全鎢的晶體生長爐、AlN原料原位補充系統(tǒng)和垂直梯度坩堝。試驗結(jié)果表明，采用新的生長組合系統(tǒng)大大提高了AlN的晶體質(zhì)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(shù)量級，電阻率提高了約2個數(shù)量級，為進一步獲得高質(zhì)量的AlN晶體提供了技術(shù)支撐。
多年來，宋波非常在意與國際學(xué)者的交流與合作，不僅承擔(dān)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(xué)麥迪遜分校Song Jin教授、西班牙科爾多瓦大學(xué)Rafael Luque教授建立了廣泛的合作關(guān)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(xué)院固體物理研究所國際知名晶體學(xué)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(xué)院西伯利亞分院半導(dǎo)體研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作關(guān)系，曾多次出訪俄羅斯與烏克蘭相關(guān)科研機構(gòu)，為推動雙方的科技交流合作作出了重要貢獻。
因表現(xiàn)突出，宋波獲得了2009年黑龍江省自然科學(xué)一等獎、2009年黑龍江省高校自然科學(xué)一等獎等榮譽；得到了教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”計劃、哈爾濱工業(yè)大學(xué)“基礎(chǔ)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(nèi)連續(xù)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(yè)大學(xué)“先進個人”。
1 實驗設(shè)計思路
將本課題組已發(fā)表的SCI論文“一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導(dǎo)體材料”[5]改為本科實驗，主要根據(jù)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(yīng)、剛性十字交叉構(gòu)象和空間位阻效應(yīng)，被廣泛用于有機電致發(fā)光二極管、場效應(yīng)晶體管以及太陽能染料敏化電池等領(lǐng)域[6]，成為一類重要的有機半導(dǎo)體材料。氮雜芴螺環(huán)芳烴由芴基螺環(huán)芳烴發(fā)展而來在繼承螺芴的各類優(yōu)勢的基礎(chǔ)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(zhì)子化以及超分子弱作用等。因此，具有廣闊的發(fā)展前景[7-9]。
1.2 可行性原?t
所選的科研成果的反應(yīng)類型是最經(jīng)典的傅克反應(yīng)，與學(xué)生所學(xué)的有機化學(xué)課本緊密聯(lián)系。通過實驗預(yù)習(xí)、講解、操作以及總結(jié)，進一步鞏固與加深對傅克反應(yīng)的理解和運用。另外，該反應(yīng)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(yīng)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(xué)習(xí)TLC點樣和柱層析。產(chǎn)品表征利用核磁共振。
1.4 環(huán)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(fā)展了一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導(dǎo)體材料。反應(yīng)過程中依次構(gòu)建了C-C， C-O和 C-C三支化學(xué)鍵，并高效合成了氮雜芴螺環(huán)芳烴，符合綠色化學(xué)的理念。
2 實驗內(nèi)容
實驗名稱：一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導(dǎo)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(yīng)是典型的傅里德-克拉夫茨反應(yīng)，簡稱傅-克反應(yīng)，英文Friedel?CCrafts reaction，是一類芳香族親電取代反應(yīng)，1877年由法國化學(xué)家查爾斯?傅里德和美國化學(xué)家詹姆斯?克拉夫茨共同發(fā)現(xiàn)。本實驗在酸性條件下反應(yīng)，首先通過氮雜芴酮與苯酚的傅克反應(yīng)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(dǎo)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(yīng)活性。隨后另一苯酚分子以親核進攻的方式與中間體III 發(fā)生反應(yīng)，形成醚鍵。緊接著分子內(nèi)的質(zhì)子轉(zhuǎn)移與脫水過程在苯環(huán)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(fā)生分子內(nèi)的傅克合環(huán)反應(yīng)，得到最終的目標(biāo)產(chǎn)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(jiān)控反應(yīng)至氮雜芴酮反應(yīng)完全。將反應(yīng)降溫至室溫，用碳酸鉀溶液淬滅此反應(yīng)，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(huán)氧雜蒽的結(jié)構(gòu)表征
使用核磁共振（NMR）對所得到的產(chǎn)物進行結(jié)構(gòu)表征。通過與標(biāo)準(zhǔn)的氮雜螺芴氧雜蒽的氫譜和碳譜進行對比確認(rèn)結(jié)構(gòu)
2.2.3 實驗報告
實驗報告要全面總結(jié)實驗，特別強調(diào)實驗結(jié)果的分析，并對實驗結(jié)果提出自己的觀點。
3 教學(xué)效果
3.1 理論聯(lián)系實際，深化理論知識
體現(xiàn)有機化學(xué)基礎(chǔ)知識的綜合性，在所設(shè)計的實驗中涉及《有機化學(xué)》中典型的傅克反應(yīng)。通過TLC板監(jiān)測反應(yīng)進度，有助于理解反應(yīng)現(xiàn)象以及反應(yīng)過程。通過核磁共振表征產(chǎn)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(xué)位移、耦合常數(shù)以及自旋裂分等理論知識。
3.2 科研和教學(xué)結(jié)合，強化創(chuàng)新思維
將科研和教學(xué)相結(jié)合，促進了教學(xué)方法的改革和教學(xué)方式的創(chuàng)新，也培養(yǎng)了適應(yīng)社會發(fā)展需要的高素質(zhì)人才。實踐證明，從事科學(xué)研究的教師能更準(zhǔn)確地把握教學(xué)內(nèi)容，更好地把科?W研究的方法貫穿到教學(xué)實踐之中，是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)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(yǎng)創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。
3.3 實驗與生活相結(jié)合，激發(fā)學(xué)習(xí)興致
將制備的氮雜螺芴氧雜蒽作為電致發(fā)光材料，應(yīng)用于有機電致發(fā)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(xì)說明每個操作與所學(xué)專業(yè)的內(nèi)在聯(lián)系，
讓學(xué)生深刻體會到所學(xué)專業(yè)知識的重要性和必要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)生的動手能力以及實踐操作能力。通過科學(xué)實驗報告的撰寫，鍛煉并加強了學(xué)生的寫作能力。
4 結(jié)語
關(guān)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(biāo)識碼：A
隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展，石油等化石燃料價格的逐年攀升引發(fā)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(lǐng)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(fā)利用方便等其他能源不可比擬的優(yōu)勢，逐步成為國內(nèi)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(jù)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(dǎo)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(fā)展最為成熟且應(yīng)用占主導(dǎo)地位的一類電池，單晶硅太陽能電池的工藝和技術(shù)發(fā)展的較為成熟，最高轉(zhuǎn)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(huán)保的新型太陽能電池。
1991年，瑞士格桑工學(xué)院M.Gr?tzel教授[5]領(lǐng)導(dǎo)的研究小組以納米晶TiO2作為薄膜半導(dǎo)體電極，以羧酸聯(lián)吡啶釕配合物作為染料，選用氧化還原電解質(zhì)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率提高到了10%～11%。2011年，臺灣交通大學(xué)刁維光教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與瑞士洛桑理工學(xué)院合作，以一種人工葉綠素-紫質(zhì)分子取代釕金屬絡(luò)合物，成功將DSSC電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高到13.1%，這被譽為2005年之后全球替代能源發(fā)展的最大突破。
1 DSSC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理
1.1 DSSC的基本結(jié)構(gòu)
染料敏化太陽能電池（DSSC）主要是由導(dǎo)電基底、納米晶半導(dǎo)體多孔薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)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(jié)構(gòu)”：納米顆粒的堆積排列構(gòu)成半導(dǎo)體多孔薄膜附著在一側(cè)的導(dǎo)電基底上；染料敏化劑吸附在薄膜表面，二者共同構(gòu)成DSSC的陽極部分；另一邊的導(dǎo)電基底制備成了鍍Pt的對電極；通過surlyn熱封薄膜將兩片導(dǎo)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(zhì)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(dǎo)體多孔導(dǎo)電薄膜材料不易被可見光激發(fā)，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(fā)態(tài)（D*），但由于激發(fā)態(tài)的染料分子不穩(wěn)定，會與納米晶TiO2薄膜的表面發(fā)生相互作用，使電子迅速從染料激發(fā)態(tài)注入到較低能級的TiO2導(dǎo)帶。進入導(dǎo)帶的電子在TiO2多孔薄膜中傳輸?shù)綄?dǎo)電基底并被收集，最后在外電路流向?qū)﹄姌O，形成光電流。處于氧化態(tài)的染料（D+）由電解質(zhì)溶液中的碘離子I-還原為基態(tài)，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(gòu)成一個完整的光電轉(zhuǎn)換循環(huán)[8-10]。電池的工作機制中存在著光生電子與氧化態(tài)染料分子和電解液中I3-的復(fù)合，即暗反應(yīng)過程，暗反應(yīng)過程會減少外電路中電子的數(shù)量，從而降低DSSC電池的光電轉(zhuǎn)換效率。為了克服這一缺點，要求盡可能加快電子注入半導(dǎo)體薄膜和染料還原的速率，降低電子-空穴復(fù)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(dǎo)體薄膜
納米多孔半導(dǎo)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(zhuǎn)移給導(dǎo)電基底，因此，納米多孔半導(dǎo)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(dǎo)體薄膜性能的因素主要包括半導(dǎo)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(dǎo)體材料的光催化活性三個方面。常用作DSSC光陽極的半導(dǎo)體材料有ZnO、TiO2、SnO2等，其中n型半導(dǎo)體材料TiO2具有較大的帶隙寬度（3.2EV），且化學(xué)性能穩(wěn)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(tài)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(wǎng)印刷法[17]、電化學(xué)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(wǎng)印刷法則適合DSSC的大規(guī)模生產(chǎn)，為DSSC的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。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(dǎo)體TiO2的吸光范圍主要存在于紫外光區(qū)，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(fù)合的機率，產(chǎn)生暗電流，降低電子傳輸效率，進而使DSSC的轉(zhuǎn)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(xué)處理、半導(dǎo)體復(fù)合等多種薄膜改性技術(shù)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(zhuǎn)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(jié)果顯示摻雜金屬鎳后納米TiO2薄膜內(nèi)部形成了能級勢壘，有效抑制了電子-空穴復(fù)合；而氧化釹的包覆提高了電子的注入效率，DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率提高了17%。Wang等人[23]用鹽酸（HCl）處理DSSC光陽極，結(jié)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(dǎo)體復(fù)合可以擴大電極的光響應(yīng)范圍，改善電極的吸光性能，調(diào)節(jié)電極的禁帶寬度，減少光電子與空穴復(fù)合機會，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率[24-26]。Kim等[27]運用熱化學(xué)氣相沉積法將ZnO半導(dǎo)體材料復(fù)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(zhuǎn)換效率提高到1.21%。
將無序的TiO2薄膜作為陽極薄膜，傳輸?shù)碾娮訒c電子受體發(fā)生復(fù)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(yán)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(fù)合，實現(xiàn)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(jié)晶度較好 ZnO/TiO2 納米管復(fù)合電極，促進了電子的運輸，光電轉(zhuǎn)換效率可達到0.66%。這將是未來幾年納米薄膜電極的發(fā)展趨勢。
2.2 染料敏化劑
染料敏化劑被納米多孔半導(dǎo)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(zhì)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(fā)態(tài)時的壽命足夠長
能夠在長期光照條件下完成多次循環(huán)反應(yīng)，提高電子傳輸效率。
2.2.3光譜響應(yīng)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(fā)態(tài)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(tài)電位要低于TiO2的導(dǎo)帶電位，而染料的還原態(tài)電位要高于電解質(zhì)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(tǒng)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(zhì)為原料，對環(huán)境破壞嚴(yán)重，因此，現(xiàn)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(jì)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(zhuǎn)換效率達到了10%，這就是后來被廣泛使用的N3標(biāo)準(zhǔn)染料。1999年，繼N3后Gr?tzel[38]研發(fā)的N719染料能夠有效抑制暗電流的產(chǎn)生，電池光電轉(zhuǎn)換效率達到11%。臺灣大學(xué)周必泰教授[39-40]領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)小組，在前兩種染料的基礎(chǔ)上合成了名為TFRS和TF的新型染料敏化劑，光電轉(zhuǎn)換效率均在10%左右。最近，由長春應(yīng)化所王鵬教授與Gr?tzel研究小組合作開發(fā)的C101染料，可實現(xiàn)11%～11.3%的轉(zhuǎn)化率，被認(rèn)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(nèi)獲取，如葉綠素、黑莓素等，資源豐富、提取過程簡單，生產(chǎn)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(lán)中提取出紅色甘藍(lán)色素，用于商用P25制備的半導(dǎo)體薄膜上，組裝后測得電池的光電轉(zhuǎn)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(jīng)過光電性能測試后發(fā)現(xiàn)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(jīng)取得了一些進展，但是要將其廣泛應(yīng)用還需一定的時間。
2.3 電解質(zhì)
染料敏化太陽能電池（DSSC）所用的電解質(zhì)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]?，F(xiàn)如今電解質(zhì)主要有液態(tài)電解質(zhì)、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)、全固態(tài)電解質(zhì)三類。液態(tài)電解質(zhì)存在著易揮發(fā)、不穩(wěn)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(yōu)良的電解質(zhì)。準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)介于液態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電解質(zhì)之間，主要是在液態(tài)電解質(zhì)中加入凝膠劑，從而達到固定電解質(zhì)、延長使用壽命的目的。常用的準(zhǔn)固態(tài)聚合物電解質(zhì)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(jù)鋰電池中制備準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的方法將PVDF和PMMA制成了共混基準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，并深入探討了二者的最佳混合比例以及電導(dǎo)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(jié)構(gòu)中的C-O-C醚氧鍵有利于與無機電解質(zhì)形成締合物。梁桂杰等人[47]以四種不同分子量的PEO為基質(zhì)制成溶膠形式的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，深入了分析電導(dǎo)率與PEO分子量的關(guān)系，將四種電解質(zhì)運用到DSSC中，獲得了3.16%～4.17%的光電轉(zhuǎn)換效率。雖然準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)有助于提高電解質(zhì)的性能，但是畢竟具有流動性，還是存在著易揮發(fā)、難封裝等一些列問題。全固態(tài)電解質(zhì)完全解決了上述問題，加之全固態(tài)太陽能電池的高轉(zhuǎn)化效率影響，讓全固態(tài)電解質(zhì)作為電池中空穴傳輸?shù)牟牧系玫搅藦V闊地發(fā)展。目前全固態(tài)電解質(zhì)的材料主要有無機p-型半導(dǎo)體材料、有機空穴傳輸材料、導(dǎo)電高聚物和固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)[48-49]。譚永東[50]將苯胺加入固態(tài)聚乙二醇電解質(zhì)中，在一定條件下合成苯胺增塑固態(tài)電解質(zhì)，加強了電解質(zhì)的穩(wěn)定性，提高了DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率。雖然固態(tài)電解質(zhì)相對于液態(tài)電解質(zhì)穩(wěn)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(dǎo)電子同時將電解質(zhì)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(dǎo)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(jīng)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(xué)鍍膜法等[52-54]。雖然對電極經(jīng)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(fā)展。
碳材料具有良好的導(dǎo)電性，且資源充足、價格便宜、無污染，被視為可替代Pt的優(yōu)質(zhì)材料。為提高碳電極的導(dǎo)電性能，近幾年人們除了研究各種形態(tài)的純碳對電極外，更對以碳材料為載體的復(fù)合材料電極產(chǎn)生了興趣[55-58]。清華大學(xué)的石高全教授[59]的研究小組用石墨烯/苯乙烯磺酸復(fù)合而成的60nm薄膜充當(dāng)對電極，經(jīng)實驗證實復(fù)合電極的性能接近于同等條件的Pt對電極。南開大學(xué)竇衍葉等人[60]將磷化鎳（Ni2P）與碳納米管制成復(fù)合電極，有效降低了對電極的電阻，為開發(fā)新型對電極提供了依據(jù)。此外，高分子導(dǎo)電聚合物具備質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好等特點，將其制成對電極應(yīng)用在柔性DSSC中，也可以達到提高效率的目的?？傮w來說，目前研究開發(fā)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(fā)還存在著較大的發(fā)展空間。
3 結(jié)語
目前，我國染料敏化太陽能電池的研究水平已經(jīng)于世界發(fā)達國家同步，電池以及電池板的轉(zhuǎn)換效率都處于國際高水平指標(biāo)范圍內(nèi)。在染料敏化太陽能電池基礎(chǔ)性研究獲得了長足進步的基礎(chǔ)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(yōu)良半導(dǎo)體材料和優(yōu)化制備工藝雙管齊下，實現(xiàn)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(yōu)化半導(dǎo)體薄膜電極。
3.2開發(fā)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(fā)展準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的基礎(chǔ)上全力開發(fā)全固態(tài)電解質(zhì)
從根本上解決流動性電解質(zhì)給電池封裝帶來的不便。
3.4增強導(dǎo)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(xué)的不斷進步，染料敏化太陽能電池的優(yōu)勢將展示得越來越明顯，廣闊的發(fā)展前景也將使染料敏化太陽能電池推動國家綠色能源產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。
參考文獻
[1] K.Kalyanasundaram and M.Gr?tzel. Applications of functionalized transition metal complexes in photonic and optoelectronic devices [J]. Coord Chem Rev， . 1998，177：347-349.
[2] O’ Regan B， Gr?tzel.M. A Low-cost， high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films [J]. Nature， 1991，353（6346）： 717
[3]戴松元，王孔嘉，鎢欽崇，王瑜. 納米晶體化學(xué)太陽能電池的研究. 太陽能學(xué)報. 1997： 228-232
[4] 彭天右， 趙德， 盧蘭蘭， 柯丁寧， 戴珂， 馬亮. 離子修飾對介孔膜電極及其DSSC性能的影響. 功能材料. 2008.5（5-6）：51-54
[5] 李麗， 張貴友， 陳人杰， Dorina Walther et al. 染料敏化太陽能電池用TiO2薄膜電極的改性制備及光電化學(xué)性能. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報.2009.30（11）：2247-2251
[6] Wang Z S， Li F Y， Huang C H. Photocurrent Enhancement of Hemicyanine Dyes Containing RSO3-Group through Treating TiO2 Films with Hydrochloric Acid [J]. J Phys Chem B， 2001， 105（38）：9210-9217
[7] Kim K E， Jang S R， Park J ，et al. Enhancement in the performance of dye-sensitized solar cells containing ZnO-covered TiO2 electrodes prepared by thermal chemical vapor deposition.Solar Energy Materials & Solar Cells， 2007， 91（4）：366-370
[8] 趙麗， 范佳杰， 李靜， 戴國田， 王世敏， ZnO/TiO2納米管晶膜電極的制備及光電性能. 無機材料學(xué)報. 2012.27（6）：585-590
[9] Nazeeruddin M K， Pe’chy P，et al. Engineering of efficient panchromatic semitizers for nanocrystalline TiO2-based solar cells.[J]. J Am Chem Soc，2001，123：1619-1624
[10] Chuncheng chou， Kuanlin Wu，Yun Chi，et al.Ruthenium（Ⅱ）sensitizers with Heteroleptic Tridentate Chelates for Dye-Sensitized Solar Cells [J].Angew Chem. Int. Ed.，2011，50（9）：2054-2058
[11] Gao F ， Wang Y， Shi D ， et al . Enhance the optical absorptivity of nanocrystalline TiO2 film with high mola rextinction coeff icient ruthenium sensitizers for high performance dye-sensitized solar cells [J]. Journal of the American Chemical Society， 2008，130（32）：10720-10728
[12] Shoji Furukawa， Hiroshi Iino， Tomohisa Iwanmoto， et al. Characteristics of dye-sensitized solar cells using natural dye [J].Thin Solid Films， 2009， 518（2）：526
[13] 周惠芝. 基于天然染料的光敏化太陽能電池的研究.大連理工大學(xué)碩士論文，2010
[14] 馬莉. DSSC中PVDF/PMMA基準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的制備與性能表征. 南京航空航天大學(xué). 碩士論文. 2008：27-28
[15] 梁桂杰， 徐衛(wèi)林， 沈小林，楊. 高分子量PEO基凝膠電解質(zhì)在DSSC中導(dǎo)電性能的研究. 太陽能學(xué)報. 2008.29（8）：933-938
[16] 譚永東. 基于苯胺增塑的聚乙二醇固態(tài)電解質(zhì)染料敏化太陽能電池. 廣東化工. 2010. 6（37）：127-130
[17] Hong W J， Xu Y X， Lu G W， et al. Transparent graphere/PEDOT-PSS composite films as counter electrodes of dye-sensitized solar cells. Electrochemistry Commusications. 2008：10（10）：1555-1558
71歲的女科學(xué)家李愛珍的當(dāng)下依然在科技第一線的實驗室，在讓她像釘子一樣深深扎了50年的實驗室里，她在探索未知世界中得到超脫塵世的喜樂。
李愛珍歸隱科學(xué)，她對名利不貪婪，生活對她不薄，她知足。
她每天早上7點出現(xiàn)在辦公室和實驗室搞項目研究或帶她的碩士生、研究生。盡管她名義上退休已6年，但她手上永遠(yuǎn)有科研項目在做，她的學(xué)生也離不開這位可遇不可求的導(dǎo)師。唯一證明她是真正退休了的是她只領(lǐng)二三千元的退休金，她主動拒領(lǐng)課題科研費。她是課題項目負(fù)責(zé)人，她悄悄的給自己立下了這個旁人并不知曉的規(guī)矩。
李愛珍很喜歡這種不被打擾的寧靜生活。從周一工作到周七，節(jié)假日也不放松，可以說50年如一日。
一天的結(jié)束是所有昨天的死亡，這死亡中有重生，卻沒有對過去的感傷。生命活在當(dāng)下，生命在無限的寧靜中更新。
沒想到這習(xí)慣成自然的寧靜卻有一天突然被打破了!
各大媒體登出了根據(jù)新華社2007年5月1日的消息：“美國國家科學(xué)院1日上午在華盛頓宣布，本年度新增選72名院士和18名外籍院士，來自中國的兩位科學(xué)家張啟發(fā)和李愛珍當(dāng)選新一批外籍院士?！?/p>
張啟發(fā)本身是中國科學(xué)院院士，現(xiàn)任華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長。他的研究領(lǐng)域涉及轉(zhuǎn)基因作物，國內(nèi)媒體曾多次追蹤報道過他。相比之下，身為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員的李愛珍，國人對她的了解就比較空白。也許年輕人都知道超女李宇春，卻不會知道超女李愛珍。
敏感的媒體首先注意到李愛珍成為了第一位獲得美國科學(xué)院外籍院士榮譽的中國女科學(xué)家，但她居然還不是中國的院士。
網(wǎng)上有些人利用李愛珍的“國際含金量”開始炮轟中國的評選院士制度。
一向低調(diào)的李愛珍忐忑不安了，她努力回避著媒體，至今已經(jīng)拒絕了20多家媒體的采訪。
酷似居里夫人的那雙大眼睛
我在17年前曾寫過她的報告文學(xué)《盡人的本份》，我是她的“老粉絲”。當(dāng)我提出再要采寫她時，她謹(jǐn)慎地回絕，但答應(yīng)作為老朋友見面談?wù)勑??？茖W(xué)家也需要傾訴。
又見到李愛珍那雙深凹的酷似居里夫人的那雙大眼睛了，那雙單純專注的眼睛射出柔情的光。不同的是居里夫人的眼瞳是藍(lán)色的，而李愛珍是黑色的。
當(dāng)我向她當(dāng)面祝賀時，她只是淡淡地說了一句：“許許多多像我一樣奮斗在科研第一線的人特別為我高興，說我為他們爭了光。但我清楚我這輩子只做了一件事：做好我自己。無論當(dāng)不當(dāng)院士，無論順境逆境，我都是追求做好自己。即使現(xiàn)在當(dāng)了美國科學(xué)院院士，我還是我!”
李愛珍對學(xué)生常說的一句話體現(xiàn)出她做人的價值：“人在歷史長河中只是一粒粉塵，都會消失，只有祖國是永遠(yuǎn)存在的。身為科學(xué)家。活著總要給國家留下點東西?！?/p>
是的，真正的科學(xué)家都是超功利、超時空、超生死的人。
科學(xué)精神是一種忘我精神。是一種理想主義精神，會體現(xiàn)為一種信仰，甚至比宗教更虔誠的信仰。這種信仰會釋放出一種鍥而不舍的熱能。
17年前我采訪李愛珍時，她是上海市三八紅旗手標(biāo)兵、全國三八紅旗手。當(dāng)時我斷言她是一個正在上升期的具有強大潛力的女科學(xué)家。
水，看上去最軟弱，但如果滲入巖石縫中，結(jié)成了冰，就可以把巖石裂開；假如變成蒸氣，又可以推動巨大的引擎，這就是潛力。
我從來不是李愛珍的同等對話者。和她研究的課題無關(guān)的話，她很節(jié)省，但句句烙在我心上。
“我做科研不害怕，媒體這么關(guān)注我、宣傳我，我很害怕!”
“我總是記得人家給了我什么，卻不記得人家沒給我什么?！?/p>
“判斷一個科技工作者，不能只以身份去看人，也不能只從頭銜去認(rèn)人，而更要看他的成就、貢獻，看重他們當(dāng)下正在做的事情。科學(xué)家的生命在當(dāng)下。”
李愛珍用她柔婉清脆的福建普通話不緊不慢地喃喃自語。
我想起已故院士王選先生曾經(jīng)說：“人們錯誤地把院士當(dāng)成是當(dāng)前領(lǐng)域的學(xué)術(shù)權(quán)威，我經(jīng)常說時態(tài)搞錯了，沒分清楚過去時、現(xiàn)在時和將來時。院士頭銜是對一個科學(xué)家曾經(jīng)做出的重大成績的一種肯定，它是榮譽，卻是過去時的。它不代表現(xiàn)在，更不意味著將來?！?/p>
那么李愛珍的過去和現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)方面的主要成就和貢獻是什么呢?
李愛珍長期致力于半導(dǎo)體材料與器件研究。曾任室主任，信息功能材料國家重點實驗室學(xué)術(shù)委員會主任，第一期863新材料領(lǐng)域電子材料、光子材料專題負(fù)責(zé)人。很好地完成所負(fù)責(zé)的863、973國家自然科學(xué)基金，國家科技攻關(guān)等方面的16項任務(wù)。對III-V族半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長和物性研究以及器件應(yīng)用進行了深入系統(tǒng)的開拓性的研究，獲科學(xué)技術(shù)成果獎14項(7項排名第一)，其中第三世界科學(xué)院工程科學(xué)獎1項，國家科技進步獎和發(fā)明獎5項，省部級一、二等獎8項。國內(nèi)外期刊論文235篇，有97篇SCI論文被他人引用318次。申請發(fā)明專利28項，授權(quán)9項。1992年～2010年任分子束外延國際顧問委員會委員和第十一屆程序委員會主席、中紅外光電材料和器件國際科學(xué)委員會委員和第十屆會議主席。
通俗地說，李愛珍所從事的化合物半導(dǎo)體材料。物理及其在高速微波器和光電器件中的應(yīng)用，在衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信、地球資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、室內(nèi)外顯示以及家用電器、環(huán)境污染監(jiān)控、醫(yī)學(xué)等方面都很重要。當(dāng)今戰(zhàn)爭是以局部的高科技戰(zhàn)爭和夜戰(zhàn)為主要特點的電子對抗和光電子對抗，雷達和導(dǎo)彈制導(dǎo)中化合物半導(dǎo)體材料是十分關(guān)鍵的材料和元器件。
李愛珍開拓性創(chuàng)造性成果，推動和加速我國半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步，得到國內(nèi)外同行的認(rèn)可，使我國半導(dǎo)體光源科學(xué)和技術(shù)從近紅外波段向中遠(yuǎn)紅波段推進跨出了一大步。
李愛珍是個知恩感恩的人，她向我報出了一連串長期關(guān)注和支持她的名字，包括中國科學(xué)院副院長胡啟衡、中國科學(xué)院計劃局副局長閻承德、自己的前任所長鄒世昌和美國貝爾實驗室副總裁卓以和等“貴人”。實實在在的幫助，他們給了她挑戰(zhàn)自我、挑戰(zhàn)極限的勇氣和力量。她動情地對我說：“如果沒有科研平臺和團隊，沒有科研經(jīng)費，沒有實驗室實實在在的工作，我將一事無成!”她說的是真心話。隨后她又補充道：“我?guī)资昀锼暾埖目蒲许椖繋缀醢俜职俚囟寂鷾?zhǔn)了，領(lǐng)導(dǎo)上對我做科研一直是信任和放手的。我是幸運的!”
一切為了愛：愛祖國、愛科學(xué)、愛勞動
天性，命也!
李愛珍出生在福建石獅的一個漁村，當(dāng)她還在嗷嗷待哺時，父親便像石獅僑村的大多青年那樣告別了剛滿月的女兒和年輕美貌的妻子。飄洋過海去菲律賓闖天下了。
讀過4年私塾的母親在女兒3歲時就教她認(rèn)字寫字。剛剛小學(xué)，母親就讓女兒寫信給遠(yuǎn)
在菲律賓的父親，那信雖然錯字連篇，但卻滿載著母女的綿綿情思。父親在給女兒的每封回信上都認(rèn)真地糾正她信中的錯別字，而且要重新謄寫寄回給父親，尤如嚴(yán)師批改學(xué)生的作業(yè)。直到李愛珍讀小學(xué)六年級，父親才回來住過兩個月，他嚴(yán)格地要求女兒每天練毛筆字，還教女兒學(xué)英語。她記得12歲離家在泉州讀中學(xué)時，曾寫信向父親要手表，父親回信說：“金表會褪色，知識是永不褪色的?！彼龔男∈艿降慕逃褪恰皭圩鎳?、愛科學(xué)、愛勞動”，這成為她一生的準(zhǔn)則。
1954年李愛珍考上了上海復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系。整個晉江縣只錄取了3個人上大學(xué)，她是唯一的女學(xué)生。
思兒心切的父親曾為女兒辦好了去菲律賓的一切手續(xù)，但一心想報國的女兒堅決要留在國內(nèi)。沒想到43歲的父親患病早逝，受不了這突如其來刺激的母親精神失常。來上海想治療疾病的母親又趕上了國內(nèi)“橫掃一切牛鬼蛇神”的。已在上海冶金研究所工作的女兒因海外親屬關(guān)系問題遭受迫害。李愛珍和同樣是科學(xué)家的丈夫一起被關(guān)進所謂的“抗大學(xué)習(xí)班”，勒令交代罪行。李愛珍被斗得吐血也不低頭。她只是心痛擔(dān)驚受怕的母親，她寬慰媽媽：“你放心。一切都會過去，我這顆愛國的心是斗不倒的!”這位堅強的僑眷母親終算活著看到李愛珍成為卓越的科學(xué)家才放心長眠。但李愛珍總是久久陷于虧欠父母、虧欠家庭。虧欠兒女的自責(zé)中。
這是中國少有的科技世家，李愛珍和丈夫，一雙兒女，還有外孫女都是學(xué)習(xí)和從事科學(xué)工作的。女兒在美國研究醫(yī)學(xué)；兒子從事計算機高科技；外孫女讀的是經(jīng)濟學(xué)的應(yīng)用數(shù)學(xué)，拿的是最高獎學(xué)金。李愛珍規(guī)定孩子們每年暑假回中國充電，看看祖國的變化。這是她的家教。
李愛珍私下里悄悄向我懺悔：“我承認(rèn)自己不是稱職的好母親，我花在學(xué)生身上的精力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對自己的兒女。我?guī)W(xué)生是全方位的，科學(xué)人才的培養(yǎng)注重科學(xué)道德，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。尤其重要的是為科學(xué)的獻身精神。每一位導(dǎo)師都必須率先垂范，身體力行。無論資歷多高，都必須親自參加實驗，任何結(jié)論，都要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)媒?jīng)得起科學(xué)數(shù)據(jù)的驗證。”
李愛珍告訴我，她選學(xué)生很嚴(yán)格，喜歡選真正愛科學(xué)，求真務(wù)實，不喜歡張揚的實干人才?！拔铱粗氐氖撬麄兩砩系哪枪蓜?。”她從1986年開始至今只培養(yǎng)了14個研究生，其中8個博士、4個碩士。國外的大師們紛紛看好李愛珍的學(xué)生，認(rèn)為“李的學(xué)生是貨真價實的，我們相信”。美國、德國、加拿大等國家的專家都主動來向李愛珍要學(xué)生。國內(nèi)有些人也慕名要李愛珍寫推薦信去美國等地留學(xué)。李愛珍對不了解的學(xué)生拒寫推薦信，這無意中也得罪了不少人。
李愛珍對推薦出國的學(xué)生告誡道：“你們把真本事學(xué)到手就回來報效祖國。”她的學(xué)生在國內(nèi)外大多都取得了令人刮目相看的成績。
我找了馬上要去美國留學(xué)的博士生李華。他28歲正值花樣年華。這位從常州過來的孩子跟李愛珍才4年，憨厚的他給我描繪了一幅李愛珍的肖像：永遠(yuǎn)有一股內(nèi)在的精神動力，碰上危險的話，首先自己沖在前頭干，摸出規(guī)律然后再讓學(xué)生干。她退休6年，依然把實驗室當(dāng)自己的家。身為課題項目負(fù)責(zé)人從不拿課題津貼。改學(xué)生論文從頭至尾一字一句修改。她永遠(yuǎn)像母親般為學(xué)生嘔心瀝血。甘做鋪路石子。李華深深地吐出一句發(fā)自肺腑的贊嘆：“原來科學(xué)家就是這樣做出科學(xué)成就的!我們年輕人身上缺少的就是李老師身上的一股做學(xué)問的勁!”
已經(jīng)自己也成了博導(dǎo)的李愛珍的學(xué)生張永剛由衷地說：“跟李愛珍一起工作十幾年了，我們的課研條件都是她闖出來的。搞我們這一行誘惑很多，不少人堅持不了清貧的生活，下海經(jīng)商當(dāng)總經(jīng)理的，發(fā)了財?shù)拇笥腥嗽?。跟著李老師雖然比跟別的老師辛苦多了。但共同的興趣，和她一起挑戰(zhàn)科學(xué)極限，讓我們一起堅持到今天，甘心做一個純粹、虔誠的科學(xué)信徒?！?/p>
李愛珍播撒的豈止是科學(xué)的種子。無論是做事、做學(xué)問，還是做人，每一粒種子不僅要有健康的細(xì)胞，更重要的是要有一個健康的心靈。
我聯(lián)想到人才培養(yǎng)存在著令人擔(dān)憂的問題。不少人不過是把博士學(xué)位當(dāng)做求職的敲門磚?，F(xiàn)在科研的考核和評價體系都和個人的名譽、地位和實際利益掛上了鉤，因此人們就越來越追求科學(xué)研究的個人利益最大化。加上科技人員取得突出成績后就升官。會造成精英流失。從而弱化科學(xué)精神和學(xué)術(shù)研究中寶貴的東西的傳承。不利于中國科技事業(yè)的積累和發(fā)展。
李愛珍的品牌是真誠?？茖W(xué)需要回歸真誠。
半導(dǎo)園地勤耕耘
李愛珍和中國的科學(xué)事業(yè)一起成長，她活在科學(xué)的青春中和科學(xué)的掙扎中。
李愛珍永遠(yuǎn)難忘自己成長的每一步都有貴人相助。恩師鄒元曦院士不避風(fēng)險，舉薦她這個來自華僑世家的人去美國做了兩年多的訪問學(xué)者，從而讓她打下了在國際前沿領(lǐng)域做研究的基礎(chǔ)和走創(chuàng)新之路的信心。
1980年8月，作為訪問學(xué)者來到美國匹茲堡卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的李愛珍，正面臨著痛苦的選擇，她進修的課題是化合物半導(dǎo)體材料的生長與特性的研究，她的導(dǎo)師米爾納斯教授是美國半導(dǎo)體權(quán)威，李愛珍進修的成功與失敗全在于她這一關(guān)鍵性的選擇上。
液相外延是一種李愛珍已研究了整整7年的駕輕就熟的方法，在權(quán)威名師的指導(dǎo)下，必然會搞出一批先進成果，而在國際上剛剛興起的分子束外延的高級技術(shù)，能把制備半導(dǎo)體材料與器件的尺寸從微米級推進到原子層級，是生產(chǎn)新一代半導(dǎo)體器件和研究新的物理效應(yīng)的先進手段，但它對中國卻是禁止出口的。
李愛珍一到美國，分子束外延設(shè)備剛剛運抵這所大學(xué)，還未開箱，安裝調(diào)試至少要八九個月，而自己進修時間限定兩年，在后面剩下的時間里是否能搞出成果，前景很不樂觀，要干就得冒風(fēng)險。
身為一個科學(xué)研究工作者，出國進修究竟為了什么?是鍍金。還是為得到一紙文憑和學(xué)位?李愛珍深知中國要強大需要新一代的半導(dǎo)體器件，對未知世界探索的激情讓她決定，哪怕自己兩年一事無成，也要為后來者做鋪路石子。
導(dǎo)師經(jīng)過一段時間的考察，決定把這個大難題交給可以信任的學(xué)生李愛珍，并下達了一份備忘錄：我決定由李愛珍一人負(fù)責(zé)分子束外延課題，組內(nèi)其他成員不參加，不得接觸設(shè)備。
沒有退路，也不給自己留退路，一切全靠自己往前沖。這情景就好比一個人攀登懸崖峭壁，一路上跌跌撞撞，磕磕碰碰地，只感到路真難走，山好像也沒有盡頭，只要繼續(xù)向上爬，不停地爬，忽然爬上了一個開闊的地方，原來已經(jīng)到山上了，遙望路途，簡直難以置信這么高的山是自己一個人爬上來的。
在李愛珍的獨立操持下，復(fù)雜而精密的分子束外延設(shè)備安裝調(diào)試完畢，那已是1981年6月，李愛珍在美國的實驗室里沒日沒夜地干了10個月。米爾納斯教授敬佩地看著這個每天默默無聞努力進取的中國女學(xué)者像發(fā)了瘋一樣癡迷地鉆研，他反復(fù)說：“李的勤奮，刻苦，第一流?！薄八桥c我合作得最好的一個學(xué)生。”在以后的一年內(nèi)，李愛珍在這套設(shè)備上成功地完成了一系列實驗，撰寫了4篇專業(yè)論文，發(fā)表在國外第一流的學(xué)術(shù)刊物上。
離開美國時，米爾納斯教授真有點舍不得這個特別有潛力和特別努力的學(xué)生。他對李愛珍的評價是：“在我的實驗室里，李的能力、知識和技術(shù)，都是一流的，完全夠美國教授的水平?！?/p>
沒想到李愛珍于1982年12月學(xué)成歸國，她出國前所從事的液相外延工作，早已由別人代替，至于分子束外延，所里既無設(shè)備也沒有實驗室，根本沒有搞這種研究的起碼條件。
美國導(dǎo)師一直在關(guān)心著自己的得意門生，他一再來信邀請李愛珍再去美國，等國內(nèi)有了起碼的研究條件再回國，千萬別把自己兩年心血換來的高精尖技術(shù)付諸東流。
面臨這種局面，李愛珍真的一走了之，沒人會指責(zé)她。她在美國一個月的工資就相當(dāng)在中國兩年的收入。她即使留在國內(nèi)過幾年輕松日子，等研究所從國外引進設(shè)備后再說，也合情合理。
李愛珍是個不服輸?shù)呐恕Ｋ龥Q心艱苦創(chuàng)業(yè)，白手起家。她爭分奪秒苦苦研究國內(nèi)外分子束外延材料、物理和技術(shù)的發(fā)展趨勢與問題，找出理論根據(jù)，向中國科學(xué)院提出了國內(nèi)外研究動態(tài)的背景材料，并且提出各研究所聯(lián)合起來發(fā)展中國分子束外延科研與技術(shù)。她的可行性報告獲得了采納和支持。
李愛珍每次參加都提交給大會兩篇以上的報告，介紹中國科學(xué)的進展，她曾爭取到了2000年分子束外延國際會議在中國北京召開。2005年，李愛珍作為亞洲唯一的委員，她申請“中外紅光電材料和器材國際會議”在中國召開。在了解李愛珍的團隊所做的成績后，科學(xué)委員會決定――2010年召開的第十屆國際會議移師中國上海。
“2007年國慶期間，我要為落實這個國際會議做許多準(zhǔn)備工作。2008年4月我要去參加美國科學(xué)院院士大會。明天我又要出差赴外地做邀請演講……”李愛珍鮮活地活在當(dāng)下。
Light-emitting diodes are electronic devices which are illuminated by the movement of 2）electrons in a 3）semiconductor material. LEDs are able to emit light with a range of wavelengths from the 4）infrared to the 5）ultraviolet.
A semiconductor is a material with an 6）electrical conductivity which is somewhere between a conductor such as copper， and an 7）insulator such as rubber. They are usually made from a poor conductor which is then “doped” by adding atoms of another material to it.
LEDs are typically made from aluminum-gallium-arsenide（AlGaAs） which in its pure form does not contain any free electrons to conduct electrical current. As a result， AlGaAs is doped with either free electrons or “8）electron holes” in order to change the material’s balance and make it more conductive.
Semiconductors can be classified into two types of material； N-type and P-type：
？ N-type semiconductors contain extra negatively charged electrons and， as a result， the free electrons flow from negatively charged areas to positively charged areas.？ P-type semiconductors have extra holes， allowing free electrons to jump between the holes and moving from negatively charged areas to positively charged areas as a result.
A diode consists of a section of an N-type semiconductor attached to a section of a P-type semiconductor （known as a p-n junction） with two 9）electrodes placed at either end of this arrangement. When current flows across a diode， the negatively charged electrons move in one direction in the material and the positively charged holes move in the opposite direction. As the holes exist in lower energy states， a free electron will lose energy when it falls to a hole and emit this energy in the form of a 10）photon of light.
The size of the fall in energy determines the energy the photon has when it is emitted， which in turns determines the colour of the light the diode emits. An emitted photon with a large amount of energy will have a shorter wavelength than light emitted with a lower amount of energy.
The first diode which was able to emit electrically produced light was created in 1907 by H.J. Round whilst he was experimenting with a 11）cat’s-whisker detector. Round applied a potential difference across a silicon carbide （SiC） crystal. He found that the colour of light emitted varied depending on the voltage which was applied across the crystal.
During the 1920s and 1930s， the phenomena of 12）electroluminescence was studied by Soviet physicist who published several journal articles on the subject.
In 1947， the electronic 13）transistor was invented at Bell Telephone Laboratories thanks in part to the advancement in understanding of semiconductors and p-n junctions.
Infrared LEDs were created in 1962 using p-n junctions made from GaAs. By the end of the 1960s， red and green LEDs were being manufactured in different countries using p-n junctions made from GaP. The development of a blue LED however proved far more difficult to scientists.
The first attempts at the emission of blue light from a diode used ZnSe and SiC， but did not produce efficient light emission. The material which enabled the development of blue LEDs was gallium nitride （GaN）.
In 1974 Isamu Akasaki began studying gallium nitride and took up a professorship at Nagoya University to continue his research alongside Hiroshi Amano. In 1986 the 14）MOVPE technique was used in order to produce GaN with high crystal quality and good 15）optical properties. Shuji Nakamura later developed a similar method in order to grow GaN at low temperatures.
A key step in the development of blue LEDs was the development of 16）heterojunctions in the early 1990s by research groups led by Akasaki and Nakamura. In 1994， Nakamura used a double heterojunction InGaN/AlGaN to produce a device with a quantum efficiency of 2.7%， which opened the door for efficient blue LEDs to be easily produced.
Illumination technology is currently undergoing a major revolution， with light bulbs and 17）fluorescent tubes being replaced by LEDs. White LEDs currently have an energy efficiency of around 50% when converting electricity into light. This is a massive improvement on the 4% energy efficiency of conventional light bulbs which were first invented in 1879 by Thomas Edison.
White LEDs have lifetimes of around 100，000 hours and are quickly becoming more affordable as market demand increases. Replacing conventional light bulbs with LEDs will drastically reduce the planet’s energy requirement for light， as between 20% and 30% of the world’s electricity consumption is as a result of lighting.
Presently， LED technology is used in the back-lit screens of many mobile phones， laptops and television screens. Blue GaN diode lasers find applications in the technology which underpins the data storage on Blu-ray Discs， which are predicted to supersede DVDs.
One day， AlGaN/GaN LEDs could find applications in water purification， as their UV light may be able to destroy viral and bacterial DNA. And for countries with poor electrical 18）infrastructure， many believe solar powered white LEDs will replace the use of kerosene lamps at night.
2014年10月7日，赤崎勇、天野浩和中村修二因發(fā)明了高效能的藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）而被授予諾貝爾物理學(xué)獎。紅色和綠色的LED在上世紀(jì)五六十年代已經(jīng)由多個實驗室創(chuàng)造出來，但高效能的藍(lán)色LED卻要經(jīng)歷又一個三十年才最終被制造出來，這不禁讓人心生疑問―為什么藍(lán)色LED這么難造？
發(fā)光二極管是一種靠電流在半導(dǎo)體材料中流動而發(fā)光的電子器件。LED能夠發(fā)出波長范圍從紅外線到紫外線的光。
半導(dǎo)體是一種導(dǎo)電性介乎銅導(dǎo)體和橡膠絕緣體之間的一種材料。通常是通過向某種導(dǎo)電性較差的導(dǎo)體中摻雜其它材料的原子制作而成。
LED一般用鋁砷化鎵做成，這種材料在其純態(tài)時因不含任何自由電子而無法導(dǎo)電。于是，人們通過向鋁砷化鎵中摻入自由電子或“電子空穴”來改變材料的平衡，使之更具導(dǎo)電性。
半導(dǎo)體按材料類型可分成兩種―N型和P型：
？ N型半導(dǎo)體帶有額外的帶負(fù)電荷的電子，因此，自由電子流就能從帶負(fù)電荷的區(qū)域流向帶正電荷的區(qū)域。
？ P型半導(dǎo)體帶有額外的電子空穴，允許自由電子在電子空穴之間跳躍，從而實現(xiàn)從帶負(fù)電荷的區(qū)域流向帶正電荷的區(qū)域。
二極管由一塊包含了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的基片（被稱作PN結(jié)）以及位于該組合兩端的電極組成。當(dāng)電流通過二極管時，帶負(fù)電荷的電子就會在材料中向某一方向移動，而帶正電荷的空穴則會以反方向移動。由于電子空穴處于較低能階，自由電子就會在掉入電子空穴時以光子的模式釋放出能量。
能量落差的強度決定了光子釋放出的光能強弱，繼而決定了二極管發(fā)出的光的顏色。釋放出的具有高能量的光子，其波長會比較低能量的光子短。
第一代能夠通過電流發(fā)光的二極管是由H?J?朗德于1907年創(chuàng)造的，當(dāng)時他正以一塊晶體檢波器進行實驗。朗德在碳化硅晶體上接上不同電位差的電流。他發(fā)現(xiàn)晶體發(fā)出的光的顏色會隨著所接電壓的不同而發(fā)生變化。
在上世紀(jì)20年代及30年代間，蘇聯(lián)物理學(xué)家對電致發(fā)光的現(xiàn)象進行研究，并就該課題的研究成果發(fā)表了幾篇期刊論文。
在1947年，貝爾電話實驗室發(fā)明了電子晶體管，部分歸功于對半導(dǎo)體組件和PN結(jié)的進一步理解。
紅外線LED是在1962年使用由砷化鎵材料做成的PN結(jié)而創(chuàng)造出來的。上世紀(jì)60年代末，紅色和綠色的LED在不同的國家運用由磷化鎵材料做成的PN結(jié)制造而成。然而藍(lán)光LED的發(fā)展則一直是科學(xué)家們的難題。
最初，人們嘗試用硒化鋅和碳化硅來做發(fā)藍(lán)光的二極管，但無法實現(xiàn)高效能的發(fā)光。促使藍(lán)光LED的研發(fā)得以向前發(fā)展的材料是氮化鎵。
在1974年，赤崎勇開始研究氮化鎵，并且接受了名古屋大學(xué)的教授職位，與天野浩并肩繼續(xù)其研究。到了1986年，金屬有機物氣相外延技術(shù)被應(yīng)用來制造具有高晶體質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)光學(xué)性能的氮化鎵。之后中村修二研發(fā)出一種類似的方法以實現(xiàn)低溫環(huán)境下生成氮化鎵。
在上世紀(jì)90年代初期，由赤崎和中村分別領(lǐng)導(dǎo)的研究組所取得的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)研究成果是藍(lán)光LED研究發(fā)展歷程中的關(guān)鍵一步。1994年，中村使用雙異質(zhì)結(jié)氮化銦鎵/氮化鋁鎵來制造一種具有2.7%量子效率的裝置，繼而為輕易制造出高效能藍(lán)光LED打開了大門。
照明技術(shù)如今正在經(jīng)歷著一場重大的變革，電燈泡和熒光燈正逐漸被LED所取代。當(dāng)前白光LED在電轉(zhuǎn)光上能達到50%左右的能效。1879年，由托馬斯?愛迪生發(fā)明的傳統(tǒng)電燈泡僅具有4%的能效，兩者相比，白光LED實在是巨大的進步。
白光LED的壽命約有十萬小時，且其價格很快會因為市場需求的增長而愈趨合理。以LED取代傳統(tǒng)的電燈泡將會大幅度降低因為照明所帶來的對于地球的能源需求，目前全球電力消費的20%至30%都用于照明。
【論文摘要】：圖像傳感器產(chǎn)品就成為當(dāng)前以及未來業(yè)界關(guān)注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產(chǎn)品類別區(qū)分，圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。文章主要概述了CMOS圖像傳感器的工作原理和優(yōu)勢，介紹了現(xiàn)階段傳感器的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。
圖像傳感器屬于光電產(chǎn)業(yè)里的光電元件類，隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，目前市場和業(yè)界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾劃著未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應(yīng)用，無疑要屬數(shù)碼相機產(chǎn)品，其發(fā)展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數(shù)碼相機就由幾十萬像素，發(fā)展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發(fā)達的歐美國家，數(shù)碼相機已經(jīng)占有很大的市場，就是在發(fā)展中的中國，數(shù)碼相機的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關(guān)鍵零部件--圖像傳感器產(chǎn)品就成為當(dāng)前以及未來業(yè)界關(guān)注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產(chǎn)品類別區(qū)分，圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。文章將主要簡介CMOS傳感器的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。
1.CMOS圖像傳感器
CMOS圖像傳感器于80年明以來，由于當(dāng)時CMOS工藝制程的技術(shù)不高，以致于傳感器在應(yīng)用中的雜訊較大，商品化進程一直較慢。時至今日，CMOS傳感器的應(yīng)用范圍也開始非常的廣泛，包括數(shù)碼相機、PCCamera、影像電話、第三代手機、視訊會議、智能型保全系統(tǒng)、汽車倒車?yán)走_、玩具，以及工業(yè)、醫(yī)療等用途。在低檔產(chǎn)品方面，其畫質(zhì)質(zhì)量已接近低檔CCD的解析度，相關(guān)業(yè)者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐漸明朗。CMOS傳感器有可細(xì)分為：被動式像素傳感器CMOS與主動式像素傳感器CMOS。
CMOS圖像傳感器是多媒體產(chǎn)品中不可或缺的重要器件之一，也是數(shù)碼相機、監(jiān)控設(shè)備、圖像采集設(shè)備中的核心器件。CMOS的全稱是ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，有"互補金屬氧化物半導(dǎo)體"的意思。隨著數(shù)碼相機、手機相機的興起以及對圖像質(zhì)量要求的不斷提高，更加突顯了圖像傳感器的重要作用。
2.CMOS圖像傳感器的工作原理
CMOS采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，感光元件的核心都是一個感光二極管，該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強度則與光照的強度對應(yīng)但在周邊組成上。CMOS感光元件的構(gòu)成就比較復(fù)雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，每個像點的構(gòu)成為一個感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據(jù)的面積只是整個元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開口率遠(yuǎn)低（開口率：有效感光區(qū)域與整個感光元件的面積比值）；這樣CMOS感光元件所能捕捉到的光信號明顯小于，靈敏度較低；體現(xiàn)在輸出結(jié)果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內(nèi)容不太豐富，圖像細(xì)節(jié)丟失情況嚴(yán)重且噪聲明顯，這也是早期CMOS傳感器只能用于低端場合的一大原因。CMOS開口率低造成的另一個麻煩在于，隨著它的像素點密度的提高，感光元件的比重面積將因此縮小，而CMOS開口率太低，有效感光區(qū)域小得可憐，圖像細(xì)節(jié)丟失情況會愈為嚴(yán)重。這也是CMOS長期以來都未能進入主流數(shù)碼相機市場的重要原因之一。
3.CMOS圖像傳感器的優(yōu)勢
CCD和CMOS在制造上的主要區(qū)別是CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上，工作原理沒有本質(zhì)的區(qū)別。CCD只有少數(shù)幾個廠商例如索尼、松下等掌握這種技術(shù)。而且CCD制造工藝較復(fù)雜，采用CCD的攝像頭價格都會相對比較貴。事實上經(jīng)過技術(shù)改造，目前CCD和CMOS的實際效果的差距已經(jīng)減小了不少。
⑴與CCD相比，CMOS具有體積小，耗電量不到CCD的1/10，售價也比CCD便宜1/3的優(yōu)點。
⑵與CCD產(chǎn)品相比，CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備，不需額外的投資設(shè)備，且品質(zhì)可隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進步。同時，全球晶圓廠的CMOS生產(chǎn)線較多，日后量產(chǎn)時也有利于成本的降低。
⑶CMOS傳感器具有高度系統(tǒng)整合的條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一顆晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片、快閃記憶體等也可整合成單晶片，以達到降低整機生產(chǎn)成本的目的。
4.高速圖像傳感器的市場趨勢
目前，CMOS是高速成像所青睞的技術(shù)。在當(dāng)前市場中，我們可以發(fā)現(xiàn)高速圖像傳感器有三大發(fā)展趨勢，一是向極高速方向發(fā)展，二是向片上特性集成方向發(fā)展，三是向通用高速圖像傳感器方向發(fā)展。高速成像領(lǐng)域還有另一種趨勢，就是把高速ADC、時序發(fā)生器、LVDS發(fā)射器和校正算法的片上集成趨勢。這種圖像傳感器通常在速度和靈敏度方面不如上述圖像傳感器，但在易用性和系統(tǒng)集成功能方面頗有長處。目前市場上新興的第三種圖像傳感器就是通用高速圖像傳感器。具有模擬輸出或不具有時序發(fā)生器功能的老式(簡單式)通用圖像傳感器正在被速度更快、更復(fù)雜的圖像傳感器所取代。這種新型圖像傳感器使我們能在較短時間內(nèi)就設(shè)計出通用高速攝像頭。
從產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展趨勢看，，體積小型化及高像素化仍是業(yè)界積極研發(fā)的目標(biāo)。因為像素大則圖像產(chǎn)品的分辨率越高，清晰度越好，體積越小，其應(yīng)用面更廣泛。
參考文獻
[1]李清勇,羅四維,史忠植.基于獨立紋元矩的紋理圖像檢索[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2007.
[2]安志勇,曾智勇,周利華.基于Radon和小波變換的紋理圖像檢索[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報,2007.
[3]張恒博,歐宗瑛.一種基于顏色基元共生矩陣的圖像檢索方法[J].計算機工程,2007.
[4]彭輝.基于紋理特征的圖像分類識別[J].計算機與信息技術(shù),2007.
[5]田卉,覃團發(fā),梁琳.綜合顏色、紋理、形狀和相關(guān)反饋的圖像檢索[J].計算機應(yīng)用研究,2007.
論文關(guān)鍵詞：AlN薄膜，濺射電流，XRD，表面形貌
引言
近年來，科研工作者們對Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體材料的研究發(fā)展迅速。其中氮化鋁由于有其優(yōu)良的物理特性而倍受現(xiàn)代研究者的關(guān)注。氮化鋁具有高硬度、高擊穿場強（10kV/m）、高熱導(dǎo)率[3.2W/(cm·K)] 、高電阻率等物理特性。根據(jù)理論計算，氮化鋁的本征禁帶寬度為6.2eV，是一種典型的寬能隙直接帶隙半導(dǎo)體,所以其薄膜可作為基于GaAs和InP的微電子器械中，也可在SiC 大功率高溫設(shè)備中作為一種絕緣物質(zhì)替代 SiO2[1]。高質(zhì)量的氮化鋁還具有極高的聲傳輸速率、較小的聲波損耗、大壓電耦合常數(shù)、與Si及GaAs相近的熱膨脹系數(shù)等特點，特別是具有一定的擇優(yōu)取向的 AlN 薄膜具有高聲波傳輸速度、優(yōu)異的壓電性質(zhì)和高溫?zé)岱€(wěn)定性，是 GHz級表面聲波（SAW） 、體面聲波器件（BAW）的首選物質(zhì)[2]。氮化鋁獨特的性質(zhì)使它在機械、微電子、光學(xué)、電子元器件以及聲表面波（SAW）器件制造和高頻寬帶通信等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[3]。
薄膜結(jié)晶狀況和表面粗糙度大小依賴于薄膜的制備，高質(zhì)量的薄膜有利于器件應(yīng)用的發(fā)展。目前國內(nèi)外制備AlN薄膜的技術(shù)和方法有很多種。有脈沖激光沉積法(PLD)[4]；過濾真空弧等離子體沉積技術(shù)[5]；化學(xué)氣相沉積法(CVD)[6]等。本文采用直流磁控反應(yīng)濺射法直接在p型Si（111）襯底上沉積AlN薄膜，通過三組實驗著重研究在直流磁控濺射沉積氮化鋁過程中濺射電流對薄膜的影響。
1.實驗
利用CKJ-500D多靶磁控濺射鍍膜設(shè)備，直接在Si襯底上沉積AlN薄膜，以Φ100mm純度99.99％的金屬鋁為靶材AlN薄膜，以純度為99.999％的氬氣為工作氣體，純度99.999％的氮氣為反應(yīng)氣體。腔體的本底真空度5.0×10-4Pa，濺射時腔體氣壓P為0.6Pa，氬氣和氮氣流量比為1：3，濺射時間為180min，襯底溫度600℃，濺射電流為0.30-0.40 A變化。
采用英國Bede-D1型X射線衍射儀（X-ray diffraction, XRD）來表征AlN薄膜結(jié)構(gòu)。采用NICOLET380傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transformationinfrared spectra, FTIR）測量薄膜紅外吸收光譜。采用AJ-Ⅲ型原子力顯微鏡（Atomicforce microscopy, AFM）對薄膜的表面形貌、表面粗糙度進行分析核心期刊。
2.結(jié)果與討論
2.1濺射電流對氮化鋁薄膜結(jié)構(gòu)的影響
圖1 AlN薄膜隨濺射電流變化的XRD圖
Fig 1 The XRD of AlN thinfilms with the change of the deposition current
圖1為采用不同濺射電流制備的AlN薄膜樣品的XRD圖。由圖可知，濺射電流對AlN薄膜的取向有很大的影響。濺射電流較小時，薄膜呈非晶態(tài)，當(dāng)電流增加到0.35A時，圖譜中在2q=33.2°出現(xiàn)h-AlN(100)衍射峰，電流增加到0.40A時，薄膜中已經(jīng)有較強的h-AlN(100)衍射峰，并在59.3°處出現(xiàn)AlN(110)衍射峰。濺射電流太小，能夠電離的Ar離子很少，則沒有足夠的Ar離子轟擊靶材，無法從靶材濺射出Al原子，電離的氮原子也較少，則無法與Al原子在基底表面反應(yīng)形成AlN薄膜。增大濺射電流，會使氣體的離化率增大，從而等離子體的密度增大，濺射粒子Al與氮原子反應(yīng)的充分性也會得到提高。
2.2濺射電流對氮化鋁薄膜表面形貌的影響
一般情況下AlN薄膜，質(zhì)量較高的AlN薄膜應(yīng)用于SAW器件中要求薄膜表面粗糙度小于
30nm[7]。表1是不同濺射電流下AlN薄膜的表面粗糙度、平均粒徑和掃描區(qū)域內(nèi)最大高度，圖2 不同濺射電流制備AlN薄膜的AFM形貌。從圖中可以看出樣品的最大高度、表面均方粗糙度、平均顆粒尺寸都隨濺射電流的增大而減小，且樣品的最大高度都小于30nm。隨著濺射電流的增加，濺射粒子動能增大，能夠形成連續(xù)表面的遷移能相應(yīng)增加，就有更多的粒子到達基底表面結(jié)晶并形成較大顆粒[8]，逐漸形成較好的表面結(jié)構(gòu)，這與XRD的結(jié)果相一致。說明所沉積的薄膜符合SAW器件的要求。
表2不同濺射電流下AlN薄膜的表面粗糙度、平均粒徑和掃描區(qū)域內(nèi)最大高度
(Table 2 The surface roughness, averagegrain diameter and maximal hight of scanning area of AlN thin films at different deposition current)
Deposition current / A
Surface roughness/nm
Average grain diameter /nm
Maximum hight of scanning area /nm
0.30
3.4
75.5
18.4
0.35
3.2
72.2
16.6
0.40
3.0
在本領(lǐng)域核心學(xué)術(shù)期刊ACS Nano、Scientific Reports、IEEE Electron Device Letters （EDL）、IEEE Transactions on Electron Devices （TED）、Applied Physics Letters（APL）及學(xué)術(shù)會議Symposium on VLSI Technology （VLSI）、International Electron Device Meeting （IEDM）等120余篇，其中2篇期刊論文為ESI（基本科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫）高被引論文（Top1%）；論文累計SCI他引800余次，h因子17。已申請中國發(fā)明專利50余項，30項獲得授權(quán)；申請國際發(fā)明專利5項，3項獲得授權(quán)。
興趣使然，劉力鋒從河北工業(yè)大學(xué)一路讀到中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所獲得博士學(xué)位，然后在北京大學(xué)完成博士后研究。那時，國際上還鮮有人提及“阻變存儲器”這個新興器件，他所在的團隊負(fù)責(zé)人康晉鋒教授卻敏銳地預(yù)感到其廣闊的應(yīng)用前景，于是率領(lǐng)團隊展開相應(yīng)研究。劉力鋒也自然走上這條時代科學(xué)前沿的攻堅之路。
十年磨一劍，如今的劉力鋒對阻變存儲器的了解有如庖丁解牛。研究初期，他的研究焦點集中在對于不同阻變材料的阻變機制的認(rèn)識和理解上；現(xiàn)在，他將研究聚焦在如何利用阻變材料實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的三維集成的阻變存儲器，獲得高密度低成本的器件，以滿足實際的存儲器件應(yīng)用需求。同時，開展阻變器件的創(chuàng)新應(yīng)用研究。
理清阻變機制
基于阻變現(xiàn)象實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的器件稱為阻變存儲器件（RRAM）?；诮饘傺趸锏淖枳兇鎯ζ骺梢酝瑫r滿足大容量非揮發(fā)數(shù)據(jù)存儲和高速度讀寫的需求，被認(rèn)為是未來存儲器技術(shù)中最有競爭力候選者之一。然而，對金屬氧化物阻變存儲器阻變特性的物理機制認(rèn)識不清，阻礙了RRAM技術(shù)發(fā)展，“對阻變機制的爭論主要集中在阻變介質(zhì)中構(gòu)成導(dǎo)電通道的成分及形貌、不同形貌下的電流輸運機制，以及導(dǎo)電通道連通和斷開的原因等問題”，劉力鋒說，阻變機制不清就無法準(zhǔn)確地理解RRAM的各種本征和非本征特性，從而難以對RRAM器件的特性做出正確評估，也難以鑒別影響RRAM阻變特性的關(guān)鍵因素。同時，缺乏RRAM器件的準(zhǔn)確物理模型，難以對材料選擇和工藝技術(shù)的改進提出有價值的指導(dǎo)。
在深入研究金屬氧化物RRAM阻變開關(guān)特性的基礎(chǔ)上，劉力鋒及團隊成員利用第一性原理計算并結(jié)合實驗研究，提出了基于氧空位通道的電子跳躍導(dǎo)電輸運機制，建立了以氧空位的產(chǎn)生和復(fù)合為基礎(chǔ)的統(tǒng)一描述氧化物單極型和雙極型RRAM電阻開關(guān)特性的物理模型。
探究過程中，劉力鋒和團隊成員們經(jīng)常開會討論，爭論不斷，往往上午剛剛得出的結(jié)論下午就被推倒重來。然而，功夫不負(fù)有心人，最終他們研究提出了統(tǒng)一的阻變微觀機制――以統(tǒng)一的物理效應(yīng)和觀點闡明單、雙極阻變的微觀起源，可合理解釋在金屬氧化物阻變器件中觀測到的多種現(xiàn)象。據(jù)劉力鋒介紹，與之前所提的阻變機制不同，新機制重點突出了可動氧離子的作用，同時首次指出了氧離子與氧空位的復(fù)合是由電場作用下的氧空位電子耗盡效應(yīng)決定，其對金屬氧化物基RRAM材料優(yōu)選和阻變開關(guān)性能的優(yōu)化可謂具有重要的理論指導(dǎo)意義?；谧枳兾⒂^機制，他們還進一步研究發(fā)展了可以定量表征和預(yù)測阻變過程中相關(guān)物理效應(yīng)及阻變器件性能的模型。
優(yōu)化提高阻變性能和可靠性
盡管氧化物RRAM器件性能優(yōu)越，但普遍存在電阻開關(guān)轉(zhuǎn)變不穩(wěn)定的問題。隨著器件開關(guān)次數(shù)的增加，將發(fā)生因高阻態(tài)電阻、低阻態(tài)電阻、置位電壓和復(fù)位電壓的退化而導(dǎo)致器件失效的不穩(wěn)定現(xiàn)象。劉力鋒從器件材料優(yōu)化和操作模式優(yōu)化兩個角度，對阻變器件特性的設(shè)計與性能改善方案做出指導(dǎo)性建議。
為了優(yōu)化阻變器件性能，劉力鋒歷經(jīng)大量時間篩選適合阻變材料和結(jié)構(gòu)。后來，通過設(shè)計適量摻雜的阻變氧化層，電極材料以及界面層，同時引入電流掃描和優(yōu)化的脈沖操作模式，成功制備出具有高性能的阻變器件。據(jù)悉，其set阻變時間小于20ns，具有阻變穩(wěn)定的四級電阻態(tài)，多阻態(tài)的耐久循環(huán)次數(shù)超過106，在150度高溫下的電阻態(tài)保持測量數(shù)據(jù)外推可達10年。
在此基礎(chǔ)上，劉力鋒利用提出的RRAM的微觀阻變機制和理論模型，分析了影響氧化物RRAM器件阻變穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素；結(jié)合金屬氧化物材料特性的第一性原理計算研究，提出了利用合適金屬離子摻雜改善RRAM阻變開關(guān)均勻性的技術(shù)，同時提出摻雜離子種類和工藝的優(yōu)化選擇方法。此外，還提出一種新型編程和擦寫操作模式，可有效改善氧化物RRAM阻變參數(shù)的一致性，提出了利用器件材料優(yōu)化和操作模式優(yōu)化相結(jié)合改善阻變器件綜合性能的技術(shù)方案，為金屬氧化物RRAM綜合阻變性能的優(yōu)化提供了指導(dǎo)性建議。
優(yōu)化了阻變存儲器的穩(wěn)定性能，劉力鋒又面臨著提高其可靠性的問題，“目前，阻變器件的可靠性還無法滿足實際器件應(yīng)用的需求，這也是阻礙RRAM器件邁向產(chǎn)品化的一個重要技術(shù)瓶頸”。可靠性問題包括氧化物RRAM器件的保持特性失效現(xiàn)象，耐久力特性的失效行為等。RRAM阻變器件是基于新原理的存儲器件，傳統(tǒng)的存儲器件失效評測技術(shù)將不能完全適用于RRAM器件評測，因此亟需發(fā)展一個新的可靠特性評測技術(shù)方法。
針對RRAM阻變器件保持特性失效現(xiàn)象、耐久力特性失效行為，劉力鋒探討了氧化物RRAM的阻變開關(guān)失效機制，提出了一種可以有效評測金屬氧化物RRAM失效概率和電阻態(tài)保持時間的物理模型，并建立金屬氧化物RRAM的高阻態(tài)和低阻態(tài)保持特性的評測方法；根據(jù)金屬氧化物RRAM耐久力特性的各種失效特性，提出了可描述其耐久力性能退化的物理模型，用于預(yù)測RRAM阻變開關(guān)的耐久力特性。更重要的是，他提出了一種新型的器件操作模式，可將金屬氧化物RRAM器件的耐久力提高一個數(shù)量級。
創(chuàng)新阻變器件應(yīng)用
RRAM阻變器件除了在存儲器領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景外，還可能在邏輯電路中有所應(yīng)用。眾所周知，現(xiàn)有計算機使用的是馮諾依曼體系，即計算和存儲分開。它的缺陷顯而易見――運行數(shù)據(jù)必須在存儲器和運算器之間相互傳輸，傳輸效率會因此降低。而若能將一些簡單的運算直接在存儲器中完成，就可以省去傳輸過程，從而實現(xiàn)更高的運算效率。這也被稱為非揮發(fā)邏輯功能。根據(jù)這一想法，劉力鋒希望研發(fā)出一種基于阻變現(xiàn)象的非揮發(fā)邏輯器件，可以同時實現(xiàn)多值存儲和多值邏輯，“這將極大提高運算效率，還可以簡化電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更低的成本”。于是，他利用TiN/Gd：HfOx/Pt阻變器件實現(xiàn)了四進制的加法操作，成功演示了RRAM器件可用于多值非揮發(fā)邏輯器件的功能。
再進一步，劉力鋒開展了RRAM阻變器件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算應(yīng)用研究。仿制生物大腦進行神經(jīng)形態(tài)計算一直是人類追求的熱點問題。他借鑒生物學(xué)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的思想，采用并行運算的方法，實現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能電路。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，直接利用電子器件制造硬件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計算功能的設(shè)想逐漸進入人們的視線。硬件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以在與生物大腦類似的體積內(nèi)，以相似的能量消耗，實現(xiàn)類似人腦的思考和計算。