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關鍵詞

半導體材料;多晶硅;單晶硅;砷化鎵;氮化鎵

1前言

半導體材料是指電阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金屬和絕緣體之間的材料。半導體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎材料[1]，支撐著通信、計算機、信息家電與網絡技術等電子信息產業(yè)的發(fā)展。電子信息產業(yè)規(guī)模最大的是美國和日本，其2002年的銷售收入分別為3189億美元和2320億美元[2]。近幾年來，我國電子信息產品以舉世矚目的速度發(fā)展，2002年銷售收入以1.4億人民幣居全球第3位，比上年增長20，產業(yè)規(guī)模是1997年的2.5倍，居國內各工業(yè)部門首位[3]。半導體材料及應用已成為衡量一個國家經濟發(fā)展、科技進步和國防實力的重要標志。

半導體材料的種類繁多，按化學組成分為元素半導體、化合物半導體和固溶體半導體;按組成元素分為一元、二元、三元、多元等;按晶態(tài)可分為多晶、單晶和非晶;按應用方式可分為體材料和薄膜材料。大部分半導體材料單晶制片后直接用于制造半導體材料，這些稱為“體材料”;相對應的“薄膜材料”是在半導體材料或其它材料的襯底上生長的，具有顯著減少“體材料”難以解決的固熔體偏析問題、提高純度和晶體完整性、生長異質結，能用于制造三維電路等優(yōu)點。許多新型半導體器件是在薄膜上制成的，制備薄膜的技術也在不斷發(fā)展。薄膜材料有同質外延薄膜、異質外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。

在半導體產業(yè)的發(fā)展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、砷化銦、砷化鋁及其合金等稱為第二代半導體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和金剛石等稱為第三代半導體材料[4]。上述材料是目前主要應用的半導體材料，三代半導體材料代表品種分別為硅、砷化鎵和氮化鎵。本文沿用此分類進行介紹。

2主要半導體材料性質及應用

材料的物理性質是產品應用的基礎，表1列出了主要半導體材料的物理性質及應用情況[5]。表中禁帶寬度決定發(fā)射光的波長，禁帶寬度越大發(fā)射光波長越短藍光發(fā)射;禁帶寬度越小發(fā)射光波長越長。其它參數數值越高，半導體性能越好。電子遷移速率決定半導體低壓條件下的高頻工作性能，飽和速率決定半導體高壓條件下的高頻工作性能。

硅材料具有儲量豐富、價格低廉、熱性能與機械性能優(yōu)良、易于生長大尺寸高純度晶體等優(yōu)點，處在成熟的發(fā)展階段。目前，硅材料仍是電子信息產業(yè)最主要的基礎材料，95以上的半導體器件和99以上的集成電路ic是用硅材料制作的。在21世紀，可以預見它的主導和核心地位仍不會動搖。但是硅材料的物理性質限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應用。

砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高頻、高速和光電性能，并可在同一芯片同時處理光電信號，被公認是新一代的通信用材料。隨著高速信息產業(yè)的蓬勃發(fā)展，砷化鎵成為繼硅之后發(fā)展最快、應用最廣、產量最大的半導體材料。同時，其在軍事電子系統中的應用日益廣泛，并占據不可取代的重要地位。

gan材料的禁帶寬度為硅材料的3倍多，其器件在大功率、高溫、高頻、高速和光電子應用方面具有遠比硅器件和砷化鎵器件更為優(yōu)良的特性，可制成藍綠光、紫外光的發(fā)光器件和探測器件。近年來取得了很大進展，并開始進入市場。與制造技術非常成熟和制造成本相對較低的硅半導體材料相比，第三代半導體材料目前面臨的最主要挑戰(zhàn)是發(fā)展適合gan薄膜生長的低成本襯底材料和大尺寸的gan體單晶生長工藝。

主要半導體材料的用途如表2所示。可以預見以硅材料為主體、gaas半導體材料及新一代寬禁帶半導體材料共同發(fā)展將成為集成電路及半導體器件產業(yè)發(fā)展的主流。

3半導體材料的產業(yè)現狀

3.1半導體硅材料

3.1.1多晶硅

多晶硅是制備單晶硅和太陽能電池的原料，主要生產方法為改良西門子法。目前全世界每年消耗約18000t25000t半導體級多晶硅。2001年全球多晶硅產能為23900t，生產高度集中于美、日、德3國。美國先進硅公司和哈姆洛克公司產能均達6000t/a，德國瓦克化學公司和日本德山曹達公司產能超過3000t/a，日本三菱高純硅公司、美國memc公司和三菱多晶硅公司產能超過1000t/a，絕大多數世界市場由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求為22000t，達到峰值，隨后全球半導體市場滑坡;2001年多晶硅實際產量為17900t，為產能的75左右。全球多晶硅市場供大于求，隨著半導體市場的恢復和太陽能用多晶硅的增長，多晶硅供需將逐步平衡。

我國多晶硅嚴重短缺。我國多晶硅工業(yè)起步于50年代，60年代實現工業(yè)化生產。由于技術水平低、生產規(guī)模太小、環(huán)境污染嚴重、生產成本高，目前只剩下峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠2個廠家生產多晶硅。2001年生產量為80t[7]，僅占世界產量的0.4，與當今信息產業(yè)的高速發(fā)展和多晶硅的市場需求急劇增加極不協調。我國這種多晶硅供不應求的局面還將持續(xù)下去。據專家預測，2005年國內多晶硅年需求量約為756t，2010年為1302t。

峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠1999年多晶硅生產能力分別為60t/a和20t/a。峨嵋半導體材料廠1998年建成的100t/a規(guī)模的多晶硅工業(yè)性生產示范線，提高了各項經濟技術指標，使我國擁有了多晶硅生產的自主知識產權。該廠正在積極進行1000t/a多晶硅項目建設的前期工作。洛陽單晶硅廠擬將多晶硅產量擴建至300t/a，目前處在可行性研究階段。

3.1.2單晶硅

生產單晶硅的工藝主要采用直拉法cz、磁場直拉法mcz、區(qū)熔法fz以及雙坩鍋拉晶法。硅晶片屬于資金密集型和技術密集型行業(yè)，在國際市場上產業(yè)相對成熟，市場進入平穩(wěn)發(fā)展期，生產集中在少數幾家大公司，小型公司已經很難插手其中。

目前國際市場單晶硅產量排名前5位的公司分別是日本信越化學公司、德瓦克化學公司、日本住友金屬公司、美國memc公司和日本三菱材料公司。這5家公司2000年硅晶片的銷售總額為51.47億元，占全球銷售額的70.9，其中的3家日本公司占據了市場份額的46.1，表明日本在全球硅晶片行業(yè)中占據了主導地位[8]。

集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對半導體單晶材料的電阻率均勻性、金屬雜質含量、微缺陷、晶片平整度、表面潔凈度等提出了更加苛刻的要求詳見文獻[8]，晶片大尺寸和高質量成為必然趨勢。目前全球主流硅晶片已由直徑8英寸逐漸過渡到12英寸晶片，研制水平達到16英寸。

我國單晶硅技術及產業(yè)與國外差距很大，主要產品為6英寸以下，8英寸少量生產，12英寸開始研制。隨著半導體分立元件和硅光電池用低檔和廉價硅材料需求的增加，我國單晶硅產量逐年增加。據統計，2001年我國半導體硅材料的銷售額達9.06億元，年均增長26.4。單晶硅產量為584t，拋光片產量5183萬平方英寸，主要規(guī)格為3英寸6英寸，6英寸正片已供應集成電路企業(yè)，8英寸主要用作陪片。單晶硅出口比重大，出口額為4648萬美元，占總銷售額的42.6，較2000年增長了5.3[7]。目前，國外8英寸ic生產線正向我國戰(zhàn)略性移動，我國新建和在建的f8英寸ic生產線有近10條之多，對大直徑高質量的硅晶片需求十分強勁，而國內供給明顯不足，基本依賴進口，我國硅晶片的技術差距和結構不合理可見一斑。在現有形勢和優(yōu)勢面前發(fā)展我國的硅單晶和ic技術面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。

我國硅晶片生產企業(yè)主要有北京有研硅股、浙大海納公司、洛陽單晶硅廠、上海晶華電子、浙江硅峰電子公司和河北寧晉單晶硅基地等。有研硅股在大直徑硅單晶的研制方面一直居國內領先地位，先后研制出我國第一根6英寸、8英寸和12英寸硅單晶，單晶硅在國內市場占有率為40。2000年建成國內第一條可滿足0.25μm線寬集成電路要求的8英寸硅單晶拋光片生產線;在北京市林河工業(yè)開發(fā)區(qū)建設了區(qū)熔硅單晶生產基地，一期工程計劃投資1.8億元，年產25t區(qū)熔硅和40t重摻砷硅單晶，計劃2003年6月底完工;同時承擔了投資達1.25億元的863項目重中之重課題“12英寸硅單晶拋光片的研制”。浙大海納主要從事單晶硅、半導體器件的開發(fā)、制造及自動化控制系統和儀器儀表開發(fā)，近幾年實現了高成長性的高速發(fā)展。

3.2砷化鎵材料

用于大量生產砷化鎵晶體的方法是傳統的lec法液封直拉法和hb法水平舟生產法。國外開發(fā)了兼具以上2種方法優(yōu)點的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸氣壓控制直拉法，成功制備出4英寸6英寸大直徑gaas單晶。各種方法比較詳見表3。

移動電話用電子器件和光電器件市場快速增長的要求，使全球砷化鎵晶片市場以30的年增長率迅速形成數十億美元的大市場，預計未來20年砷化鎵市場都具有高增長性。日本是最大的生產國和輸出國，占世界市場的7080;美國在1999年成功地建成了3條6英寸砷化鎵生產線，在砷化鎵生產技術上領先一步。日本住友電工是世界最大的砷化鎵生產和銷售商，年產gaas單晶30t。美國axt公司是世界最大的vgf

gaas材料生產商[8]。世界gaas單晶主要生產商情況見表4。國際上砷化鎵市場需求以4英寸單晶材料為主，而6英寸單晶材料產量和市場需求快速增加，已占據35以上的市場份額。研制和小批量生產水平達到8英寸。

我國gaas材料單晶以2英寸3英寸為主，

4英寸處在產業(yè)化前期，研制水平達6英寸。目前4英寸以上晶片及集成電路gaas晶片主要依賴進口。砷化鎵生產主要原材料為砷和鎵。雖然我國是砷和鎵的資源大國，但僅能生產品位較低的砷、鎵材料6n以下純度，主要用于生產光電子器件。集成電路用砷化鎵材料的砷和鎵原料要求達7n，基本靠進口解決。

國內gaas材料主要生產單位為中科鎵英、有研硅股、信息產業(yè)部46所、55所等。主要競爭對手來自國外。中科鎵英2001年起計劃投入近2億資金進行砷化鎵材料的產業(yè)化，初期計劃規(guī)模為4英寸6英寸砷化鎵單晶晶片5萬片8萬片，4英寸6英寸分子束外延砷化鎵基材料2萬片3萬片，目前該項目仍在建設期。目前國內砷化鎵材料主要由有研硅股供應，2002年銷售gaas晶片8萬片。我國在努力縮小gaas技術水平和生產規(guī)模的同時，應重視具有獨立知識產權的技術和產品開發(fā)，發(fā)展我國的砷化鎵產業(yè)。

3.3氮化鎵材料

gan半導體材料的商業(yè)應用研究始于1970年，其在高頻和高溫條件下能夠激發(fā)藍光的特性一開始就吸引了半導體開發(fā)人員的極大興趣。但gan的生長技術和器件制造工藝直到近幾年才取得了商業(yè)應用的實質進步和突破。由于gan半導體器件在光電子器件和光子器件領域廣闊的應用前景，其廣泛應用預示著光電信息乃至光子信息時代的來臨。

2000年9月美國kyma公司利用aln作襯底，開發(fā)出2英寸和4英寸gan新工藝;2001年1月美國nitronex公司在4英寸硅襯底上制造gan基晶體管獲得成功;2001年8月臺灣powdec公司宣布將規(guī)模生產4英寸gan外延晶片。gan基器件和產品開發(fā)方興未艾。目前進入藍光激光器開發(fā)的公司包括飛利浦、索尼、日立、施樂和惠普等。包括飛利浦、通用等光照及汽車行業(yè)的跨國公司正積極開發(fā)白光照明和汽車用gan基led發(fā)光二極管產品。涉足gan基電子器件開發(fā)最為活躍的企業(yè)包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。

目前，日本、美國等國家紛紛進行應用于照明gan基白光led的產業(yè)開發(fā)，計劃于2015年-2020年取代白熾燈和日光燈，引起新的照明革命。據美國市場調研公司strstegiesunlimited分析數據，2001年世界gan器件市場接近7億美元，還處于發(fā)展初期。該公司預測即使最保守發(fā)展，2009年世界gan器件市場將達到48億美元的銷售額。

因gan材料尚處于產業(yè)初期，我國與世界先進水平差距相對較小。深圳方大集團在國家“超級863計劃”項目支持下，2001年與中科院半導體等單位合作，首期投資8千萬元進行gan基藍光led產業(yè)化工作，率先在我國實現氮化鎵基材料產業(yè)化并成功投放市場。方大公司已批量生產出高性能gan芯片，用于封裝成藍、綠、紫、白光led，成為我國第一家具有規(guī)模化研究、開發(fā)和生產氮化鎵基半導體系列產品、并擁有自主知識產權的企業(yè)。中科院半導體所自主開發(fā)的gan激光器2英寸外延片生產設備，打破了國外關鍵設備部件的封鎖。我國應對大尺寸gan生長技術、器件及設備繼續(xù)研究，爭取在gan等第三代半導體產業(yè)中占據一定市場份額和地位。

4結語

不可否認，微電子時代將逐步過渡到光電子時代，最終發(fā)展到光子時代。預計到2010年或2014年，硅材料的技術和產業(yè)發(fā)展將走向極限，第二代和第三代半導體技術和產業(yè)將成為研究和發(fā)展的重點。我國政府決策部門、半導體科研單位和企業(yè)在現有的技術、市場和發(fā)展趨勢面前應把握歷史機遇，迎接挑戰(zhàn)。

參考文獻

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半導體材料這一概念第一次被提出是在二十世紀，被維斯和他的伙伴考尼白格首次提及并使用，半導體材料從那時起便不斷的進步發(fā)展，伴隨著現代化的生活方式對一些數字產品的應用需求，社會對半導體材料推出了更高的要求，這使得半導體材料得到了飛躍性的發(fā)展【1】。本篇論文就半導體材料的概念性理解，半導體材料的歷史性發(fā)展，新一代半導體材料的舉例以及發(fā)展應用現狀等方面展開了基本論述，談論我國在半導體材料這一領域的應用與發(fā)展的實際情形。

1.對半導體材料的概念性理解

對半導體材料的理解不能脫離當今二十一世紀這個有著高需求和高速度特點的時代，這個時代同時也是崇尚環(huán)保觀念，倡導能源節(jié)約的時代，因此新的信息時代下半導體的發(fā)展要脫離以往傳統的發(fā)展模式，向新的目標邁進。

首先，我們要了解什么是半導體材料，這將為接下來的論述打下概念性的基礎。眾所周知，氣體，液體，固體等狀態(tài)都可稱之為物質的存在狀態(tài)，還有一些絕緣體，絕緣體是指導熱性或者導電性較差的物質，比如陶瓷和琥珀，通常把F，銀，金，銅等導熱性和導電性較好的一類物質成為導體，所以顧名思義，半導體既不屬于絕緣體，也不屬于導體，它是介于導體和絕緣體性質之間的一種物質【2】。半導體沒有導體和絕緣體發(fā)現的時間早，大約在二十世紀三十年代左右才被發(fā)現，這也是由于技術原因，因為鑒定物質的導熱性和導電性的技術到了一定的時期才得到發(fā)展，而且對半導體材料的鑒定需要利用到提純技術，因此，當對物質材料的提純技術得到升級到一定水平之后，半導體的存在才真正意義上在學術界和社會上被認可。

2.半導體材料的歷史發(fā)展及早期應用

對半導體材料的現代化研究離不開對這一材料領域的歷史性探究，只有知道半導體材料是怎樣，如何從什么樣的情形下發(fā)展至今的，才能對當今現代半導體材料形成完整的認識體系。對半導體材料的接觸雛形是先認識到了半導體材料的四個特性。論文接下來將會具體介紹，并對半導體材料早期應用做出詳細解釋。

2.1半導體材料發(fā)現之初的特性

半導體材料第一個被發(fā)現的特性，在一般的情況之下，金屬材料的電阻都是隨著溫度的升高而增加的，但是巴拉迪，這位英國的科學研究學者發(fā)現硫化銀這一物質的電阻隨著溫度的升高出現了降低的情況，這就是對半導體材料特性的首次探索，也是第一個特性。

半導體材料的第二個特性是由貝克萊爾，一位偉大的法國科學技術研究者發(fā)現的，他發(fā)現電解質和半導體接觸之后形成的結會在施加光照條件之下產生一個電壓，這是后來人們熟知的光生伏特效應的前身，也是半導體材料最初被發(fā)現的第二個特性。

半導體材料的第三個特性是由德國的科學研究學者布勞恩發(fā)現的，他發(fā)現一些硫化物的電導和所加電場的方向有著緊密的聯系，也就是說某些硫化物的導電是有方向性的，如果在兩端同時施加正向的電壓，就能夠互相導通，如果極性倒置就不能實現這一過程，這也就是我們現在知道的整流效應，也是半導體材料的第三個特性。

半導體材料的第四個特性是由英國的史密斯提出的，硒晶體材料在光照環(huán)境下電導會增加，這被稱作光電導效應，也是半導體材料在早期被發(fā)現的第四個特性【3】。

2.2半導體材料在早期的應用情況

半導體材料在早期被應用在一些檢測性質的設備上，比如由于半導體材料的整流效應，半導體材料被應用在檢波器領域。除此之外，大家熟知的光伏電池也應用了早期的半導體材料，還有一些紅外探測儀器，總之，早期被發(fā)現的半導體材料的四個重要的特性都被應用在了社會中的各個領域，半導體材料得到初步的發(fā)展。

直到晶體管的發(fā)明，使得半導體材料在應用領域被提升到一個新的高度，不再僅僅是應用在簡單的檢測性質的設備中或者是電池上，晶體管的發(fā)明引起了電子工業(yè)革命，在當今來看，晶體管的發(fā)明并不僅僅只是帶來了這一電子革命，最大的貢獻在于它改變著我們的生活方式，細數我們現在使用的各種電器產品，都是有晶體管參與的。因此晶體管的發(fā)明在半導體材料的早期應用發(fā)展上有著舉足輕重的位置，同時也為今后半導體材料的深入發(fā)展做足了準備，具有里程碑式的意義與貢獻【4】。

3.現代半導體材料的發(fā)展情況

以上論文簡單的介紹了半導體材料以及其早期的發(fā)現與應用，接下來就要具體探討第三代半導體材料這一新時代背景下的產物。第三代半導體材料是在第一和第二代半導體材料的發(fā)展基礎之上衍生出的更加適應時代要求和社會需要的微電子技術產物。本篇論文接下來將介紹我國半導體材料領域的發(fā)展情況，并介紹一些新型的半導體材料的應用與發(fā)展情況。

3.1我國半導體材料領域的發(fā)展情形

半導體材料的發(fā)展屬于微電子行業(yè)，針對我國的國情和社會現狀，我國微電子行業(yè)的發(fā)展不能急于求成，這將會是一個很復雜的過程，也必定是一個長期性的工程。從現在半導體材料發(fā)展的情況來看，想要使半導體材料更加滿足受眾的需求，關鍵要在技術層面上尋求突破。我國大陸目前擁有的有關半導體材料的技術，比如IC技術還只能達到0.5微米，6英寸的程度，相較于國際上的先進水平還有較大的差距。

雖然我國目前在半導體材料領域的發(fā)展水平與國際先進水平存在著較大的差距，但是這也同時意味著我國在半導體材料領域有著更大的發(fā)展空間和更好的前景，而且當今不論是國內環(huán)境還是國際環(huán)境，又或者是政治環(huán)境影響下的我國的綜合性發(fā)展方面而言，對中國微電子行業(yè)半導體領域的發(fā)展還是十分有利的，相信我國在半導體材料這一領域一定會在未來有長足的發(fā)展。

3.2新型半導體材料的發(fā)展介紹

前文提到，第三代半導體材料如今已經成為半導體材料領域的主要發(fā)展潮流，論文接下來將會選取幾種關鍵的三代半導體材料展開論述。

第一種是碳化硅材料。它屬于一種硅基化合物半導體材料，這一類材料的優(yōu)越性體現在其較其他種類半導體材料有著更強的熱導性能。因此被應用在廣泛的領域，比如軍工領域，，也會被應用在太陽能電池，衛(wèi)星通信等領域。

第二種是氧化鋅材料。氧化鋅材料被廣泛的應用到了傳感器和光學材料領域中，這是因為它具備一些關鍵性的特性，集成度高，靈敏度高，響應速度快等，這些特征恰恰是傳感等應用范圍廣泛的領域中所看中的關鍵點，不僅如此，氧化鋅半導體材料不僅性能好，而且這類材料的原料豐富，所以價格低廉，還具有較好的環(huán)保性能【5】。

4.結語

近年來，半導體照明產業(yè)得到了飛躍式的發(fā)展，被越來越廣泛的應用到人們的日常生活中，而支撐這一產業(yè)的核心材料正是以碳化硅等半導體材料為主的某些微電子材料，半導體材料利用下的各項技術已經在全球范圍內占領者新的戰(zhàn)略高地。我國半導體材料領域雖然起步晚，發(fā)展水平較國際水平有差距，但是前景光明，尤其是第三代半導體材料的出現和應用，在人們的生活中有著更加廣泛和有建設性的應用，改變著人們的生活方式，不斷推動著半導體材料的發(fā)展。

參考文獻：

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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(yè)發(fā)展的重點新材料，將引領光電產業(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，第三代半導體材料在各個領域的產業(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，無論基礎研究還是產業(yè)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(yè)大學基礎與交叉科學研究院宋波教授，就是奮戰(zhàn)在我國第三代半導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體材料的生長與物性研究，凝練了氣相質量輸運動態(tài)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(yōu)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(yè)已經得到印證。

以硅（Si）為代表的第一代半導體材料，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(wěn)定性、高效的光電轉化能力、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(xiāng)哈爾濱，并在哈爾濱工業(yè)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(zhàn)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(yè)的發(fā)展，提升產業(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(fā)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(chuàng)新性成果，引領了國內外相關研究的進步，在行業(yè)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(tài)的鐵磁有序，同時實現了4H-SiC晶型的穩(wěn)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(fā)表后，至今已被他引50余次，得到不少業(yè)內專業(yè)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(yè)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(wěn)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(fā)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(fā)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(huán)等新穎納米結構，系統性研究首次發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)現了AlN單晶螺旋中存在彈性形變。該發(fā)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(wěn)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(fā)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。

篇（4）

 

0.引言

當代和未來信息技術都占據著重要的地位，因此隨著社會的不斷發(fā)展,對信息的處理、傳輸和存儲將要求更大的規(guī)模和速度。半導體材料在信息處理和傳輸中有著重要的作用，半導體技術應用了電子的電荷屬性；磁性材料在信息存儲有著重要的應用，磁性技術利用了電子的自旋屬性。但是半導體材料都不具有磁性,磁性材料及其化合物都不具有半導體的性質，因此人們想到了通過摻入磁性離子來獲得磁性的方法，即在GaAs、GaN、ZnO等半導體中摻雜引入過渡金屬（或稀土金屬）等磁性離子，這種通過摻雜而產生的磁性與本征磁性有一定的區(qū)別，人們稱其為稀磁性。在化合物半導體中，由磁性離子部分地代替非磁性離子所形成的一類新型半導體材料，稱之為稀磁半導體。

1. 發(fā)展現狀

1.1 摻雜具有室溫鐵磁性的Fe、Co、Ni等過渡磁性金屬離子

在ZnO中摻雜引入磁性離子可以使樣品產生磁性，因此人們在ZnO中摻入了具有室溫鐵磁性的Fe、Co、Ni等過渡磁性金屬離子，結果發(fā)現樣品的室溫鐵磁性對制備技術、生長條件等都有很大的依賴關系。侯登錄等人[1]采用磁控濺射法在Si基底上制備Fe摻雜的樣品，發(fā)現鐵磁性是其本征性質。。Liu等人用化學氣相沉積法制備了Co摻雜的樣品，分析發(fā)現摻雜Co的ZnO樣品鐵磁性與Co的不純相ZnCo2O 4無關。Akdogan等人用射頻磁控濺射法制備了摻雜不同Co離子濃度的的樣品，分析得出氧原子的自旋極化對樣品長程鐵磁序的形成有重要作用，且Co原子的摻雜引起了ZnO的本征鐵磁性。Parra-Palomino等人研究發(fā)現樣品的鐵磁性與ZnO中的缺陷有關。

1.2 摻雜具有低溫鐵磁性的Mn、Cr等過渡磁性金屬離子

在ZnO中摻雜引入磁性離子可以使樣品產生磁性，因此人們在ZnO中摻入了具有低溫鐵磁性的Mn、Cr等過渡磁性金屬離子，于宙等人[2]用化學方法制備了Mn摻雜的ZnO基稀磁半導體材料，分析發(fā)現該材料的鐵磁性是由Mn離子對ZnO中Zn離子的替代作用引起的。Robert等用射頻磁控濺射法制備了摻雜Cr的ZnO樣品。分析發(fā)現H原子占據了O的位置并產生了一個深的施主缺陷從而增強了自由載流子數和鐵磁的超交換作用，進而導致了樣品的鐵磁性。

1.3 摻入不具有室溫鐵磁性的Al、Cu等金屬離子

研究發(fā)現在ZnO樣品中摻入不具有室溫鐵磁性的Al、Cu等離子樣品也可以顯示出室溫鐵磁性。劉惠蓮等[3]用檸檬酸鹽法合成了一系列摻Cu樣品，研究發(fā)現鐵磁性是其本征性質。Ma等人用脈沖激光沉積法制備了摻雜Al的ZnO樣品，發(fā)現樣品鐵磁性與Al原子和Zn之間的電荷傳輸有關。

1.4 多元素摻雜ZnO基稀磁半導體

邱東江等人[4]用電子束反應蒸發(fā)法生長了Mn和N共摻雜的薄膜，發(fā)現樣品的室溫鐵磁性很可能源于束縛磁極化子的形成。Gu等人用射頻磁控濺射法制備了摻雜Mn和N的ZnO樣品。分析發(fā)現樣品為室溫鐵磁性,這可能與N原子的摻入使空穴的濃度增加有關。Shim等人用標準固態(tài)反應法制備了摻雜Fe、Cu的ZnO樣品，發(fā)現摻雜Fe、Cu的ZnO的鐵磁性起源于第二相。且Fe原子進入ZnO并取代Zn原子是產生鐵磁性的主要原因。宋海岸等人[5]在Si(100)襯底上制備了Ni摻雜和(Ni、Li)共摻ZnO薄膜樣品。研究發(fā)現鐵磁性的起源可以用電子調制的機制來解釋,Ni-ZnO中的施主電子形成了束縛磁極化子,束縛磁極化子能級的交疊形成自旋-自旋雜質能帶,通過這些施主電子耦合即Ni2+原子之間的遠程交換相互作用導致了鐵磁性。

由于摻雜ZnO是一個新興的研究方向，因此人們對其研究結果不盡相同有的甚至相反，例如對于Fe摻雜的ZnO基稀磁半導體，Parra-Palomino等人發(fā)現摻雜Fe的樣品的鐵磁性可以用載流子交換機制來解釋，侯登錄等人[1]發(fā)現摻雜Fe的樣品的鐵磁性可以用局域磁偶極子作用機制來解釋。又如對于摻雜樣品的鐵磁性是樣品的本征性質還是非本征性質方面人們的觀點也不盡相同，Shim等人發(fā)現鐵磁性是摻雜Ni的ZnO樣品的非本征性質。Akdogan等人發(fā)現Co原子的摻雜引起了樣品的本征鐵磁性。對于摻雜所引起的樣品磁性方面，Liu等人研究發(fā)現摻雜Co的ZnO樣品具有鐵磁性，而Tortosa等人發(fā)現摻雜Co的ZnO樣品是順磁性的。研究發(fā)現樣品的鐵磁性與制備方法、生長的氣體環(huán)境、氣體壓強、生長時間、退火溫度、退火時間、摻雜劑量、摻雜元素的種類以及相對含量均有很大的關系。

2. 結論

目前, 對于ZnO基稀磁半導體材料的研究主要集中在兩個方面:(1)優(yōu)化生長參數,獲得高質量的薄膜。。(2)選擇不同摻雜元素與摻雜量,通過單摻雜或共摻雜,提高薄膜的居里溫度,奠定其應用基礎。

通過對單摻雜金屬的ZnO樣品及共摻雜的樣品的結構分析、以及電學、磁學、導電性等性質的分析，發(fā)現對于相同的摻雜，樣品鐵磁性的強弱不同，有的結論甚至相反。這與樣品的制備技術不同、以及不同的生長環(huán)境有關。通過各種制備方法及不同制備工藝得到的ZnO薄膜的性能存在較大的差異,而且可重復率比較低。鐵磁性來源和機理分析還需要進一步的系統性研究。。對樣品的鐵磁性起源理論眾多。目前關于稀磁半導體材料鐵磁性根源的解釋有多種，有載流子交換機制(可以解釋具有室溫鐵磁性的Fe、Co、Ni、V、Cr、Cu、Al等元素摻雜的情況）。載流子導致的鐵磁性與反鐵磁性競爭機制（可以解釋Mn、Cr、Co等元素摻雜的情況）。局域磁偶極子之間相互作用機制（可以解釋V、Ni等元素摻雜的情況）。

在實驗和理論的統一方面還存在有許多的矛盾之處,而且每種理論都只得到了部分實驗證實.因此對ZnO基稀磁半導體的磁性機理的認識還需進一步的提高。可以在以下幾個方面開展進一步的更深入的研究。一是改善樣品的制備工藝，許多試驗重復率很低說明樣品的制備過程中有許多影響因素，有待于對其發(fā)現并掌握。二是改變摻雜的金屬元素，傳統的摻雜只對過渡金屬進行了大量研究對于非過渡金屬的相關研究很少。而且由單摻雜向共摻雜轉變是一條很好的思路。

參考文獻

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[2]于宙,李祥,龍雪等.Mn摻雜ZnO稀磁半導體材料的制備和磁性,物理學報.2008,57,7(4539-4544):1-6

[3]劉惠蓮, 楊景海，張永軍，等.Cu摻雜ZnO納米結構的室溫鐵磁性研究[J].半導體學報,2008, 29(11): 2257-2260.

[4]邱東江,王俊,丁扣寶.退火對Mn和N共摻雜的Zn0.88Mn0.12O :N薄膜特性的影響.物理學報,2008,57(8):5249-5255.

篇（5）

1年前我與家人從美國西海岸的加州，經過數小時的旅程，來到了位于美國東部的普林斯頓大學開始博士后研究工作。導師卡恩教授向我介紹實驗室時，介紹了我將要開展的科研項目的重要性――精確控制以硅為主的半導體材料中的摻雜量，對當今電子產品飛速發(fā)展起著至關重要作用。然而，無機半導體有著材料成本高昂和制作工藝復雜的局限性。另一方面，有機半導體材料則具有制作工藝簡易、價格低廉等互補性優(yōu)點。近年來使用有機半導體材料作為電子產品組成部分，已引起人們廣泛興趣。但人們對于有機半導體摻雜現象的認識仍然有待于進一步提高，例如摻雜材料的選擇以及各種摻雜機制的作用等。卡恩教授領導的表面科學實驗室在該領域進行了多年深入細致研究，連連取得重要成果。我要進行的這個項目由美國國家科學基金會、美國能源部和歐洲一家化學制藥公司提供資金，旨在該科學研究前沿方向取得新突破。

半導體分N型和P型兩類，我們第一步的目標就是要找到一種材料，能夠有效并穩(wěn)定地摻雜P型有機半導體。剛巧?喬治亞理工學院的合作者向我們提供了一種剛合成的有機分子材料，收到材料的當晚，我即開始做相關測試，經過數月的連續(xù)實驗，終于獲得可靠數據證明該材料摻雜能力超越目前已知的其他材料。

回首這幾個月的連續(xù)實驗，既有實驗過程中遭遇困難的挫折感，更有品嘗成功的喜悅。實驗結果與理論預測的完美吻合，更增強了我的信心。接下來我使用該材料摻雜一種在有機半導器件中廣泛應用的P型材料，做成了器件來測量，實驗結果進一步顯示：經過摻雜，該器件導電的提升達到5個數量級以上!至此，該摻雜物的有效性得到充分體現。

當得知該材料不但能有效摻雜，并通過實驗證明具有極其優(yōu)越的穩(wěn)定性(常溫和110攝氏度下均穩(wěn)定)后，導師和合作者都很高興，認為這些振奮人心的結果對有機半導體領域會產生重要影響，提議以我為第一和通訊作者將該發(fā)現于第一時間以快訊的方式發(fā)表出來。經過詳盡周密的數據分析與整理，我完成了文稿。在此過程中卡恩教授與其他合作者起了非常關鍵的作用，他們對文稿提出很多中肯的修改意見。我們將稿件投到了本領域最具影響力的學術雜志《美國化學學會期刊》。1個月后，審稿人的意見反饋回來，非常認可并推薦發(fā)表。從文章投搞到接受不到2個月。1年來的辛勤耕耘終于結出了豐碩果實。

二

在普林斯頓的這1年，除了繁忙的科研工作，我還有幸感受到了普林斯頓之美。作為一所歷史悠久的著名學府，普林斯頓人才輩出，是美國8所常春藤名校之一，年年被評為全美最佳大學。與我以前就讀的公立名校加州大學伯克利分校相比，普林斯頓規(guī)模小很多，但各學科均名列前茅，吸引著來自世界各地的精英。踏入普林斯頓校園大門，就如同進入了傳說中的童話世界。滿眼望去，一座座哥特復興風格的古堡，靜靜地矗立在校園內。普林斯頓的秋日，是一年中最美的季節(jié)，燦爛的陽光，五彩的樹葉，映襯著古老的建筑，穿梭其中的年輕學子，洋溢著蓬勃朝氣。

離校園不遠的普林斯頓高等研究所，則是做純理論研究科研工作者心中的麥加圣地。曾在研究所中工作過的最有名的科學家莫過于愛因斯坦。華人科學中楊振寧、李政道、邱成桐等也都在此學習工作過。走過靜謐的林間小道，呈現在眼前的是如世外桃園一般的高等研究所校園，我們去的時候正是夏天，深處于綠樹環(huán)繞的青蔥之中，絲毫感覺不到盛夏的炎熱。

普林斯頓的1年，是辛勤耕耘的1年，也是成果豐碩的1年。我相信，這段經歷必將對我今后的科研道路產生深遠影響。留學7年，我希望早日把在海外積累的科學知識和科研經驗用來報效祖國。

(攝影／段風華)

篇（6）

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(fā)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(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(fā)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(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(huán)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(fā)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(fā)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(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)生分子內的傅克合環(huán)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(jiān)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(huán)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(jiān)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(chuàng)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(chuàng)新，也培養(yǎng)了適應社會發(fā)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(yǎng)學生的創(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 實驗與生活相結合，激發(fā)學習興致

將制備的氮雜螺芴氧雜蒽作為電致發(fā)光材料，應用于有機電致發(fā)光二極管、存儲器以及太陽能電池中。在整個實驗過程中，詳細說明每個操作與所學專業(yè)的內在聯系，

讓學生深刻體會到所學專業(yè)知識的重要性和必要性，激發(fā)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。

篇（7）

近年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，水環(huán)境中有毒物、致癌物污染物的大量排放，嚴重地威脅著人類的健康。半導體光催化氧化技術以其眾多的優(yōu)點受到了人們的青睞[1,2]，但是，由于光催化技術的反應體系較為復雜，目前的光催化技術還基本停留在實驗室研究的層面上，其中最為突出的問題是光催化劑的光量子效率低，對光的響應范圍狹窄，催化能效率低，催化劑不穩(wěn)定等，因此光催化劑的制備及改性一直是國內外研究的熱點[1-5]。BiOX（Cl、Br、I）是一類新型的半導體材料[3-5]，具有獨特的電子結構、良好的光學性質和較高的催化活性，且隨著鹵素原子序數的增加，其光吸收和光催化性能均呈規(guī)律性變化，近年來引起了研究人員的興趣。本實驗通過水熱合成法制備了BiOBr光催化劑并對其進行表征，考察了不同溶劑下制備BiOBr光催化劑的形貌組成；以甲基橙為目標降解物，考察了不同pH值以及硫酸鈉電解質的加入對BiOBr光催化降解性能的影響。

一、實驗方法

1.催化劑的制備

二、光催化實驗

三、結果與討論

1.樣品表征

2.光催化降解

采用硝酸為溶劑制備的BiOBr粉末為光催化劑，紫外可見光下催化降解甲基橙。溶液初始pH值對光催化降解動力學的影響如圖2所示。由圖可見，pH值對催化劑的光催化活性具有顯著影響，pH=2時，甲基橙具有最好的催化降解效果，降解率達到了74%；pH=7時，降解率為52%；pH=9時，降解率只有21%，隨著pH值的升高，催化劑的光催化活性逐漸降低。

四、結論

通過水熱合成法制備產物，研究表明不同的水熱條件（溶劑）對產物的表面形貌產生了顯著的影響，以硝酸為溶劑條件下制備的片狀粉末顆粒更小。通過對BiOBr催化降解甲基橙的多組實驗數據進行研究分析，可知pH為2、加入硫酸鈉電解質條件下降解效果最好。

參考文獻

[1] Fujishima A, Honda K.. Nature.1972, 238(5358):23&37-38.

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篇（8）

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2015.24.035

1 引言

ZnSe具有較高的發(fā)光效率以及較低的吸收系數，是一種很好的發(fā)光材料。它具有直接躍遷型能帶結構，在室溫下其禁帶寬度為2.67eV，當溫度降至4.2K時其禁帶寬度可達2.828eV。透光范圍隨溫度變化較小，一般在0.5μm～22μm范圍內。近年來，廣泛應用于藍光半導體激光器件、非線性光熱器件和紅外器件等領域[1-3]。因此。制備高性能ZnSe晶體成為目前一項主要研究任務。

近些年來，制備ZnSe晶體的方法有很多種，如Bridgman法、區(qū)熔法、水熱法、化學氣相輸運法（CVT）、物理氣相輸運法（ PVT ）。國內外專家學者不斷改進這些方法和工藝，努力制備出高質量的ZnSe晶體。

2 ZnSe晶體的制備方法

2.1 溶液生長法

從溶液中生長晶體的主要方法是水熱法，其又稱為高溫溶液法，其中包括溫差法、降溫法、升溫法及等溫法。目前主要采用溫差水熱結晶，依靠容器內的溶液維持溫差對流形成飽和狀態(tài)[4，5]。

2.2 熔體生長法

ZnSe是淡黃色的面心立方閃鋅礦型結構。常壓下1000℃左右升華，約在9.8MPa高壓的惰性保護氣氛下熔點為1515℃。由于其在常壓下升華，只有在高壓高溫條件下才能得到ZnSe熔體，其一般通過使用電阻加熱方式獲得高溫。主要包括布里奇曼法和區(qū)熔生長。

（1）布里奇曼法 該法是一種常用的晶體生長方法。首先將用于晶體生長用的材料裝在圓柱型的坩堝中，然后緩慢地下降，并通過一個具有一定溫度梯度的加熱爐，爐溫控制在略高于材料的熔點附近。

（2）區(qū)熔生長 區(qū)熔法又稱Fz法，即懸浮區(qū)熔法。區(qū)熔法是利用熱能在半導體棒料的一端產生一熔區(qū)，再熔接晶體籽晶。調節(jié)溫度使熔區(qū)緩慢地向棒的另一端移動，通過整根棒料，生長成一根晶體，晶向與籽晶的相同。

2.3 氣相輸運法

氣相輸運法一般分為化學氣相輸運法和物理氣相輸運法兩種。此法一般是通過加熱等使物質揮發(fā)或分解出氣體，通過輸運至溫度較低的位置并與其他物質發(fā)生反應的材料合成方法。氣相生長分為單組分體系和多組分體系生長兩種。單組分氣相生長要求氣相具備足夠高的蒸氣壓，利用在高溫區(qū)汽化升華、在低溫區(qū)凝結生長的原理進行生長所生長的大多為針狀、片狀的晶體體。多組分氣相生長一般多用于薄膜生長，其中外延生長是一種晶體浮生于另一種晶體上。其制備工藝具有反應效率高、純度高和合成溫度低等特點。

3 ZnSe晶體基本性質

ZnSe晶體的生長技術還需要進一步的改進，急需解決的問題是晶體生長過程中溫度場的控制、物質傳輸控制、工藝條件控制以及晶體質量等，這些問題的解決都需要深刻理解ZnSe晶體的性質[7]。ZnSe的熔點是1530℃，它在常壓下1000℃直接從固體升華，只有在高溫高壓下才可以將其從固體變?yōu)槿垠w，因而給制備加工ZnSe晶體帶來很大的困難。ZnSe作為一種典型的紅外材料與光電功能材料，其分子式為ZnSe，分子量為144.33，其主要有常溫穩(wěn)定相立方閃鋅礦結構和高溫穩(wěn)定相六方纖鋅礦結構兩種晶型，兩者大約在1425°溫度下會發(fā)生相轉變。其中比較常見的閃鋅礦ZnSe結構屬于立方晶系。

4 結論

為了獲得高質量的ZnSe晶體，需要針對ZnSe的基本性質，根據各種制備方法的優(yōu)缺點，針對熔體法制備的ZnSe晶體，可以獲得大尺寸工業(yè)生產，但其純度有待改進。針對氣相法制備的ZnSe晶體，純度較高，但尺寸有待于進一步增加，如果能解決這兩個關鍵的純度和尺寸的問題，即降低了成本，又獲得了高質量的ZnSe晶體，滿足了工業(yè)化需求，將會解決這里材料的關鍵問題。

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中圖分類號：TK513 文獻標識碼：A

隨著全球經濟的迅速發(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(fā)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(fā)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(huán)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(fā)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(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(tài)的染料（D+）由電解質溶液中的碘離子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，從而構成一個完整的光電轉換循環(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(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(guī)模生產，為DSSC的產業(yè)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(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(jié)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(fā)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(fā)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(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，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(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的導帶電位，而染料的還原態(tài)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(huán)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(tài)電解質、準固態(tài)電解質、全固態(tài)電解質三類。液態(tài)電解質存在著易揮發(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。準固態(tài)電解質介于液態(tài)電解質和全固態(tài)電解質之間，主要是在液態(tài)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(tài)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(tài)電解質的方法將PVDF和PMMA制成了共混基準固態(tài)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(tài)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(tài)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(fā)、難封裝等一些列問題。全固態(tài)電解質完全解決了上述問題，加之全固態(tài)太陽能電池的高轉化效率影響，讓全固態(tài)電解質作為電池中空穴傳輸的材料得到了廣闊地發(fā)展。目前全固態(tài)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(tài)復合電解質[48-49]。譚永東[50]將苯胺加入固態(tài)聚乙二醇電解質中，在一定條件下合成苯胺增塑固態(tài)電解質，加強了電解質的穩(wěn)定性，提高了DSSC的光電轉換效率。雖然固態(tài)電解質相對于液態(tài)電解質穩(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(fā)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(yōu)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(tài)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(fā)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(wěn)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(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(fā)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(yōu)良半導體材料和優(yōu)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(yōu)化半導體薄膜電極。

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)展準固態(tài)電解質的基礎上全力開發(fā)全固態(tài)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(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業(yè)的飛速發(fā)展。

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篇（11）

一、引言

信息材料是信息技術的基石，在現代材料科學中占有非常重要的地位，其研究和應用在進入21世紀后得到了蓬勃的發(fā)展。信息材料的涵蓋非常廣泛，包括信息的獲取、處理、存儲、顯示整個信息鏈過程中涉及的各種材料。隨著信息技術、材料技術的進步，信息材料處于越來越重要的地位，國內外一流大學，如美國麻省理工大學、哈佛大學，國內清華大學、上海交通大學、北京郵電大學等紛紛將信息材料類型課程納入教學內容。信息材料的課程教學在研究生教育課程體系中，包含多門課程，如《功能材料》、《信息材料學》、《電子材料》、《半導體材料》等，形成了內容聯系緊密的系列課程，占據了材料科學與工程教學課程體系中非常重要的部分。

信息材料緊貼信息技術，其學習過程中材料的成分、結構、工藝、性能教學主線必然要和相關的信息技術和電子器件密切結合。傳統的信息材料相關課程課堂教學模式，以材料的基礎理論的講授為主，教學主線多圍繞材料“成分-結構-工藝-性能”傳統主線，與信息技術器件應用和最新科研成果的結合不夠緊密，教學環(huán)節(jié)中的“應用性”、“研究性”、“探討性”、“創(chuàng)新性”不夠突出。

二、信息材料案例教學國內外研究現狀

國外信息材料課程主要是適應近三十年來信息技術的突飛猛進，結合各自的科研特色所開設，其教學內容和教學模式多貼近各自科研實際和科研項目。如美國麻省理工學院（MIT）開設有《Electrical， Optical， and Magnetic Properties of Materials》和《Special Problems in Electronic， Photonic and Magnetic Materials》課程，哈佛大學開設有《An Introduction to Electronic Materials for Engineers》、奧克蘭大學開設有《Electronic Materials and Their Applications》課程等。

國外案例教學的歷史悠久。在古希臘、羅馬時代，就萌發(fā)了原始形態(tài)的案例，產生了案例教學的雛形。著名的古希臘哲學家、教育家蘇格拉底開創(chuàng)的“問答式"教學法，就帶有創(chuàng)設問題情境引導學生思考如何解決問題的特點，這是案例教學的萌芽。19世紀后期，哈佛法學院在法學教育之中，使用的案例教學以法院判例為教學內容，在課堂上學生充分地參與討論，考試是以假設的判例作為考試題目。這被認為是現代案例教學的開始。哈佛商學院于1921年正式推行案例教學。自此之后，案例教學在世界范圍內受到了學術界和教育界的重視和支持，開始了近代對案例教學的研究。

在國外，信息材料課程在開設之初便引入了案例教學模式。美國麻省理工大學（MIT）在開設《Electrical， Optical， and Magnetic Properties of Materials》課程時，便在授課中采用了以電、光、磁特定電子器件的應用提出問題，從材料的結構分析問題，最終以材料的性能解答問題的教學模式。這便是案例教學組織教學內容的典型代表。奧克蘭大學和哈佛大學都在教學課時中設置大量研討課程，就具體案例進行針對性研討，從中鍛煉學生的自主思維和創(chuàng)新思維能力。由于案例教學的效果明顯，而且國外大學在科研中成果突出，可借鑒的案例眾多，促使國外各大學紛紛建設信息材料教學案例體系，用于輔助課程教學，成果顯著。

國內的信息材料課程多在上世紀末才開始開設。如清華大學開設《電子材料導論》研究生課程，北京郵電大學開設《電子材料》研究生課程，上海交通大學開設《功能材料學》研究生課程等。國內各高校案例教學的推廣較晚。國內最早的案例教學是在工商管理MBA教育中開展的。由于案例教學獨特的教學效果，使得案例教學的功效日益為我國教育界所認同，近年來逐步納入許多高校的教改計劃，在許多學科教學中漸漸頻繁運用，并取得一定成效。案例教學法成為教育理論界與實踐界共同的“新寵”。但是，由于我國信息材料課程開設時間較短，且各學校信息材料課程多為門數較少，相互關聯較弱，在案例教學引入時，往往只有較少的1-2個案例，作為課程的輔助部分，其案例教學的涵蓋面太少，不成體系，效果并不明顯。

三、信息材料案例教學體系設計思路

我國信息材料課程體系、課程案例教學、可采用的案例，較之國外大學還有較大的差距。主要問題在于信息材料課程不成體系、相互間聯系不夠密切、案例數目過少、沒有系統的案例庫。因此，在進行信息材料案例教學體系設計時，明確教學案例需要同時為涉及信息材料及其相關基礎知識的多門課程提供支撐，如《材料物理》、《信息材料學》、《電子材料與器件》、《功能材料》等，建成可同時為多門課程提供案例教學素材的案例庫。

在案例設計時，突出面向應用面向實踐特色。信息材料的突出特色有以下兩點：一是和信息技術以及電子器件的發(fā)展息息相關。二是和授課高校的科研實際密切相關。因此在信息材料的課程教學內容中必須突出面向應用，案例教學所采用的素材案例必須是最新并已經應用，在工業(yè)和生活中可見的技術及器件，此外應當結合本校科研實際，借助本校已有的科研條件，設計實踐案例教學環(huán)節(jié)，讓學生動手制備和表征信息材料，這樣才能真正激發(fā)學生的興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實際工程能力。

四、信息材料案例教學體系設計

（一）案例教學主線

圍繞信息技術“信息獲取-處理-存儲-傳遞-顯示信息鏈”主線，以每個信息鏈環(huán)節(jié)中涉及的典型器件為案例，再圍繞材料的成分設計、制備工藝、應用特點、發(fā)展前景構建典型案例，形成案例體系，為信息材料系列課程案例教學服務。

信息材料教學內容圍繞信息技術中所涉及的各種器件及其所用材料展開，因此按照信“信息鏈”主線組織案例教學體系是較好的教學模式。具體案例建設實例如圍繞信息獲取材料，建設紅外輻射探測材料與器件、量子肼探測材料與器件、熱探測材料與器件教學案例；圍繞信息處理材料，建設半導體二極管集成電路材料、光子/聲子晶體材料教學案例；圍繞信息存儲，建設鐵氧體磁粉硬盤存儲材料、硒碲化合物光盤存儲材料教學案例；圍繞信息傳遞材料，建設鋁絞線電纜通信材料、石英光纖通信材料教學案例；圍繞信息顯示材料，建設電場發(fā)射顯示材料、等離子激發(fā)顯示材料、有機電子發(fā)光顯示材料、液晶受光顯示材料教學案例。每個案例按照材料的“成分-結構-工藝-性能-器件-應用”展開研討式或者實驗設計和實施實踐教學。

（二）案例教學體系結構

信息材料系列課程，如《材料物理》、《信息材料學》、《電子材料與器件》、《功能材料》、《半導體材料》等，既有共叉教學內容，又根據授課目的各有側重和區(qū)分，這是信息材料系列課程的固有特點。在案例教學體系中，既要爭取同一案例素材可以為多門課程所用，又要針對各門課程，進行同一案例素材的特色建設。如半導體材料作為信息材料基石，典型半導體材料器件，如單晶硅p-n結，在《信息材料學》、《電子材料與器件》、《半導體材料》三門課程中都可以作為案例分析教學，但可根據課程特色，在同一個案例中分析教學側重不同，按照側重點為材料導電基本原理、材料成分結構分析、材料性能特點和材料器件應用特點細化建設案例，將之建設成為可以選擇不同側重點為不同課程服務。應當具體分析，明確可為多門課程服務的共性案例和為專門課程服務的特色案例之間的關系，兩者在案例教學體系中所占比重應根據根據服務課程的體系結構設定。

（三）實踐案例設置及比重

教學案例組成要素可分為三個：基礎知識講解、案例解析或研討、案例實踐。三者相互聯系，只有三個要素各自在教學案例中所占權重合理，案例教學才能夠收到較好的效果。現有的信息材料系列課程案例教學方法多以課堂授課、課堂研討為主，不能很好的適應面向應用，注重工程實際的特點。因此，在案例教學體系設計中需要針對性重點開展實踐案例建設。結合授課院校的現有科研條件、學生創(chuàng)新實踐基地硬件條件和外部支撐條件（校企合作教學科研平臺、各類重點實驗室等），選取材料制備和應用難度較小的典型材料案例，如電介質材料及電容的制備、磁性材料的的制備及性能表征等，作為實踐教學案例進行建設，分析實踐環(huán)節(jié)中實驗設計、實驗實施、實驗結果分析、實驗和應用的聯系評價四個環(huán)節(jié)在實踐案例中的權重及相互關系，讓學生自主研討、設計材料成分、制備材料和簡單器件、考核材料和器件性能、分析總結心得體會。通過實踐案例教學更好的培養(yǎng)學生的動手、創(chuàng)新思維和面向應用的能力。實踐案例在教學案例體系中所占比例應不低于30%。

五、信息材料案例教學體系建設辦法

信息材料案例教學體系建設宜采用學習借鑒-結合科研-特色建設-研討和實踐結合的具體做法。第一，借鑒國外一流大學信息材料系列課程的案例，如麻省理工學院、奧克蘭大學等學校信息材料教學案例，學習其組織形式、案例分析手段、教學目的和效果評價手段；第二，在進行案例建設前明確結合科研項目及科研方向指導思想，依托現有科研基礎和科研條件建設課堂教學和實踐教學案例；第三，建設過程中，結合高校自身信息材料系列課程的教學需求、人才培養(yǎng)需求和學科特色，突出教學案例體系特色建設；第四，在案例建設中，合理分配課堂研討案例教學和動手實踐案例教學的比例，重點建設實踐案例教學，使案例體系更加符合面向應用需求。

六、結束語

案例教學已經成為我國高等院校信息材料系列課程教學的重要組成部分，但目前突出的問題是不成體系，效果不好。本文針對信息材料系列課程，論述了可同時服務多門課程的教學案例體系的設計基本思路、案例體系主線設計、體系結構設計、實踐環(huán)節(jié)設置和建設辦法。該教學案例體系可為多門信息材料課程教學服務，有助于強化課程與實際應用的聯系，提高學生的科研能力、創(chuàng)新能力和解決實際問題的工程能力。

[參考文獻]

[1]丁育林. 案例教學與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[D]. 東南大學碩士學位論文， 2005。