纳米材料与器件综述-盘古文库

纳米材料与器件综述

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来源：漫步者

作者：开心麻花

2025-09-19

纳米材料与器件综述（精选6篇）

纳米材料与器件综述第1篇

光电子材料与器件

绪论例举信息技术与光电子技术所涵盖的几大方面：

信息技术主要包括信息的产生、传输、获取、存储、显示、处理等六大方面；与之相对应的光电子技术主要包括光的产生与转化、光传输、光探测、光存储、光显示、光信息处理。2 简述光电子技术的定义及其特征：光电子技术：是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术。

光电子技术的特征：光源激光化、传输波导（光纤）化、手段电子化、现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化。简述信息技术的发展趋势及各阶段的主要特点：第一阶段——电子信息技术

其特征是：信息的载体是电子；半导体，计算机等

第二阶段——光电子信息技术

其特征是：光子技术和电子技术相结合；激光器，光纤等第三阶段——光子信息技术

其特征是：以光子作为信息的载体；全光通信，光计算机等 4 简述光子传递信息的特点：

（1）极快的响应时间，可用于超高速、宽带通信（2）传输信息容量大

（3）信息传输过程中失真小（4）高抗干扰、高可靠性

（5）光储存具有储存量大、速度快、密度高、误码率低的优点总之，超高速、抗干扰、大容量、高可靠性是光子技术的特点。

太阳能电池

1、举例说明太阳能利用的优缺点

优点：普遍（不受地域及技术条件限制，无需开采和运输）

洁净（不产生废渣、废水、废气，无噪声，不影响生态）



巨大（1.68×1024cal/年，相当于20万亿吨标准煤燃烧的热量）

缺点：能流密度低（1kw/m2，需要相当大的采光集热面才能满足使用要求）



不稳定（受时间，天气影响明显）

大规模使用的成本和技术难度均很高（5～15倍）

2、例举太阳能电池发展史中的里程碑事件

1839年法国科学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）

1954年美国贝尔实验室三位科学家关于单晶硅太阳电池的研制成功，在太阳电池发展史上起到里程碑的作用

3、光电效应包括哪几类？举出每类的代表性器件

光电效应(photoelectric effect)：物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。根据电子吸收光子能量后的不同行为，光电效应可分为外光电效应和内光电效应。外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。——金属

§其主要应用有光电管和光电倍增管。内光电效应：光照射到半导体材料上激发出电子-空穴对而使半导体产生了电效应。内光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。——半导体

光电导效应是指光照射下半导体材料的电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电阻率的变化。其应用为光敏电阻。——本征或掺杂半导体

光生伏特效应是指光照射下物体内产生一定方向的电动势的现象。其应用主要有光伏电池（太阳能电池）、光(电)敏二极管、光(电)敏三极管等。——PN结半导体

4、简述太阳能电池的光能-电能转化原理

当光照射p-n结上时，如果入射电子的能量大于半导体材料的禁带宽度(Eg)，就会在半导体内产生大量的自由载流子-空穴和电子。它们在p-n结内建电场的作用下，空穴往p-区移动，使p-区获得附加正电荷；而电子往n-型区移动，n-区获得负电荷，产生一个光生电动势，这就是光伏效应(光生伏打效应)。当用导线连接p-型区和n-型区时，就会形成电流.5、说明太阳能电池结构中金属梳状电极以及SiO2保护薄膜的作用

金属梳状电极：一方面金属收集载流子，要比半导体有效；另一方面梳状不会完全的阻挡阳光，增加了光的入射面积；

SiO2保护膜：硅表面非常光亮，制作者给它涂上了一层反射系数非常小的SiO2保护膜（减反层），将反射损失减小到5％甚至更小；

6、简述发光二极管、太阳能电池以及光电二极管工作原理的异同太阳能电池和光电二极管都是基于光伏效应的光电器件。其主要区别在于：①光伏电池在零偏置下工作，而光电二极管在反向偏置下工作②光伏电池的掺杂浓度较高1016-19从而具有较强的光伏效应，而光电二极管掺杂浓度较低1012-13③光伏电池的电阻率较低0.1-0.01 Ω/cm，而光电二极管则为1000Ω/cm④光伏电池的光敏面积要比光电二极管大得多，因此光电二极管的光电流小得多，一般在uA级。

发光二极管：Light Emitting Diode，在电场作用下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入，空穴和电子在发光层中相遇、复合形成激子，激子经过驰豫、扩散、迁移等过程复合而产生光子。

7、推导理想光电池最大输出功率公式

8、画出理想太阳电池的等效电路，写出通过负载电阻的电流公式，开路电压及短路电流公式。

9、太阳能电池按材料分分哪几类？例举各类型中有代表性的太阳能电池。

10、简述太阳能电池的应用能够解决人类社会发展在能源和环境方面的三个主要问题，并逐一举例说明。

开发宇宙空间所需要的连续不断的能源：太阳电池非常适合空间应用，因为它不消耗燃料，不消耗自身、不排放废物，目前通信卫星、空间探测器、空间站等都广泛采用太阳电池。地面一次能源（天然能源）的获得，解决矿物燃料短缺与环境污染问题：目前最重要的地面应用为并网发电,包括城市与建筑结合得并网光伏发电系统(BIPV)和大型荒漠光伏发电站.目前60%的太阳电池用于并网发电系统,主要用于城市.日益发展的消费电子产业所需要的电力供应：太阳电池也作为小功率电源使用,如太阳路灯、庭院灯、草坪灯、太阳能喷泉、太阳能城市景观、太阳能信号标识、太阳能广告灯箱、太阳能充电器、太阳能钟、太阳能计算器、汽车换气扇、太阳能汽车、太阳能游艇等。

光通信

1、从通信波长、传输速率、中继距离等方面说明各代光纤通信系统的主要特点。光纤通信：以光波作为载波；以光纤作为传输媒介 1.频率高、频带宽、容量大 2.损耗小，中继距离长 3.保密性能好 4.抗干扰能力强

5.原料丰富、成本低、重量轻、寿命长

6.耐高温、耐高压、抗腐蚀、性能稳定、可靠性高

2、光纤通信的主要优点有哪些？

3、光纤通信系统的主要组成部分？

光纤通信系统一般由电端机(收发)、光发射机、光接收机、光中继器以及光缆等组成。此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。

4、分别计算光信号在衰减系数为0.2dB/km、20dB/km与1000dB/km的光纤通信系统传输1km，5km以及20km距离后输出光功率与输入光功率的比值。

5、分别计算光信号在衰减系数为0.2dB/km、20dB/km与1000dB/km的光纤通信系统中传输时，光功率衰减一半所需要的传输距离。

6、简述光纤通信发展所经历的三次技术飞跃。

20世纪60年代。1962年第一台半导体激光器诞生，随后半导体光检测器也研究成功。特别是1966年英籍华人科学家高锟与Hockham提出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维，1970年美国康宁公司首先制出了20dB/km的光纤，这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备。

20世纪70年代。1970年发明了LD的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了10万小时的实用化水平。1979年发现了光纤1310nm和1550nm新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到0.5dB/km。这使得光纤通信迈进了实用化阶段，从80年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。20世纪90年代初。1989年掺铒光纤放大器EDFA的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。EDFA的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。

7、光纤通信常用的低损耗窗口有哪些？它们的最低损耗系数分别是多少？光纤通信常用的三个低损耗窗口：

0.85 m ：2dB/km、1.31 m：0.5dB/km、1.55 m：0.2dB/km

1、计算n1=1.52，n2=1.51的阶跃光纤在空气（n0=1）中的数值孔径，对于这种光纤来讲，最大入射角是多大？

0i12

2、设光纤的纤芯半径为25um，折射率n1=1.46，n2=1.45，光纤的工作波长为0.85um，求归一化频率及传播模式数。如果工作波长为1.3um，传播模式数为多少？

3、当工作波长λ=1.31μm，某光纤的损耗为0.5dB/km，如果最初射入光纤的光功率是0.5mW，试问经过40km以后，输出光功率？

4、一光信号在光纤中传输，入射光功率为200W，经过1km传输功率变为100W，又传输一段距离后功率变为25W，问后一段距离为多少？

5、影响光纤通信传输损耗的因素主要有哪些？目前有几个通信窗口？为什么光纤通信要向NAnsinnn1.55um的长波方向发展。

包括本征吸收、杂质吸收、原子缺陷三种。

影响较大的是在1.39、1.24、0.95、0.72m，峰之间的低损耗区0.85，1.30，1.55 m构成了光纤通信的三个窗口。

光探测

1.简述光电效应与光热效应的区别。

光电（光子）效应：探测器吸收光子后，直接引起原子或分子内部电子状态的改变，光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快（ns～us）。

光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。一般对光波频率没有选择性，响应速度比较慢（ms）。2.光电探测器中的常见噪声有哪些？简述它们产生的原因。

热噪声：或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。

散粒噪声：也称散弹噪声，穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。光电探测器的研究表明：散粒噪声是主要的噪声来源。

半导体受光照，载流子不断产生—复合。在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的,但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的，这种起伏导致载流子浓度的起伏，由这种起伏引起的噪声产生—复合噪声。

1/f噪声：或称闪烁噪声或低频噪声。由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲称为1/f噪声。3.根据量子效率的定义推导量子效应与电流响应度之间的关系。4.光电倍增管由哪几部分组成？简述每部分的作用。

光入射窗：光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。

光电阴极：光电阴极由光电发射材料制作。光电发射材料大体可分为：金属材料、半导体材料。

电子光学系统：(1)使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散电子散射掉，提高信噪比；

(2)使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能相等的渡越时间，以保证光电倍增管的快速响应。二次发射倍增系统：倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。阳极：阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。

5.某光电倍增管具有5级倍增系统，倍增系数（二次发射系数）δ=100。如果用λ=488nm，光功率p=10-8w的紫光照射倍增管的光电阴极，假设光电阴极的量子效率为10%，试计算收集阳极处短路电流强度。（h=6.63×10-34J·s，e=1.602×10-19C，c=3.0×108m/s）

NN解：

89

519

348

1、简述PN结的形成过程以及PN型光电二极管的工作原理。

当光照射到光电二极管的光敏面上时，能量大于或等于带隙能量Eg的光子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上（受激吸收），产生电子-空穴对（称为光生载流子）。电子-空穴对在反向偏置的外电场作用下立即分开并在结区中向两端流动，从而在外电路中形成电流（光电流）。

2、比较PIN型以及APD型光电二极管与PN型光电二极管的异同。

PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，这样可以提高其响应速度和转换效率。

利用PN结在高反向电压下（100-200V，接近反向击穿电压），光生载流子在耗尽层内的碰撞电离效应产生的雪崩效应，实现光电流倍增（电流增益达106）。具有灵敏度高，响应速度快的特点。

3、列出热电器件的种类以及其代表器件。热敏电阻—辐射热计效应热释电器件—热释电效应热电偶—温差电效应

4、画出热释电探测器的原理图，并简述其工作原理。

温度恒定时，面束缚电荷被晶体内部或外部的自由电荷所中和，而观察不到它的自发极化现象。因此静态时不能测量自发极化。

当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之变化（驰豫时间约10－12s），而自由电荷中和面束缚电荷所需时间长（一般在1~103秒量级）因此跟不上它的变化，在来不及中和之前，热电体侧表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化，失去电的平衡，这时即显现出晶体的自发极化现象。

5、简述各类热辐射探测器的特点。

热电器件的共同特点是，光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率都很高，但响应速度都较低。

1）由半导体材料制成的温差电堆：响应率很高，但机械强度较差，使用时必须十分当心。它的功耗很小，测量辐射时，应对所测的辐射强度范围有所估计，不要因电流过大烧毁热端的黑化金箔。保存时，输出端不能短路，要防止电磁感应。2）热敏电阻（测辐射热计）：响应率也很高，对灵敏面采取致冷措施后，响应率会进一步提高。但它的机械强度也较差，容易破碎，所以使用时要当心。它要求踉它相接的放大器要有很高的输入阻抗。流过它的偏置电流不能大，免得电流产生的焦耳热影响灵敏面的温度。3）热释电器件：一种比较理想的热探测器，机械强度、响应率、响应速度都很高。但根据它的工作原理，它只能测量变化的辐射，入射辐射的脉冲宽度必须小于自发极化矢量的平均作用时间。辐射恒定时无输出。利用它来测量辐射体温度时，它的直接输出，是背景与热辐PPIeehhc10488100.11001.602106.63103.0103.93A射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。另外，因各种热释电材料都存在一个居里温度，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。

光显示

1，什么是三基色原理？

自然界中任意一种颜色均可以表示为三个确定的相互独立的基色[红(700 nm)、绿(546.1 nm)、蓝(435.8nm)]的线性组合。将三基色按一定比例相加混合，就可以模拟出各种颜色。2，光度量有哪些？单位分别是什么？

(1)光通量: 单位时间内所发出的光量；单位：流明(lm)。

(2)发光强度: 在给定方向的单位立体角（）辐射的光通量，单位：坎德拉(cd)。(3)光照度:单位受光面积（S）上所接收的光通量，单位：勒克斯(lx).(4)亮度:垂直于传播方向单位面积（）上的发光强度，单位cd/m2 3，黑白CRT主要由哪几部分构成？简述其工作原理。CRT显示器的核心部件是CRT显像管（即阴极射线管），其主要由五部分组成：电子枪(Electron Gun)、偏转线圈(Defiection coils)、荫罩(Shadow mask)、荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳，其中电子枪是显像管的核心。

工作时，电子枪中阴极K被灯丝加热发射大量的电子，电子束首先由加在第一控制栅极的视频电信号调制，然后经加速和聚焦后，高速轰击荧光屏上的荧光体，荧光体发出可见光。电子束的电流是受显示信号控制的，信号电压高，电子枪发射的电子束流也越大，荧光体发光亮度也越高——不同灰度级的实现。

最后通过偏转磁轭控制电子束，在荧光屏上从上到下，从左到右依次扫描，从而将图像或文字完整地显示在荧光屏上。

4，简述彩色CRT中荫罩的作用。

荫罩的作用——为了防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体，在荧光面内设有选色电极－荫罩。当电子束到达屏幕后部时，还要通过一个非常薄的，大约只有0.1MM厚的荫罩板，只使有用的电子束通过，无用电子束击打在荫罩板上做无用功发热。对于原来孔状的荫罩板，其上每一个孔都与屏幕上的一组三个荧光粉颗粒相对应(一个点有红绿蓝三个荧光粉颗粒组成)。

5，简述CRT显示器件的优缺点。优点：

1、亮度高（可调）

2、对比度高

3、视角大

4、色彩还原度好

5、色度均匀

6、分辨率高（可调）

7、响应时间短缺点：

1、耗电量大

2、尺寸大，重量大

3、无法制造较大面积的显示屏

技术上的困难：较大真空玻璃外壳容易破裂

显示面积较大时，扫描频率降低，无法显示运动影像

4、受电磁场影响，容易发生线性失真

5、存在辐射，影响使用者身体健康

1，按照液晶分子排列状态分类，液晶可分为哪几类？简述它们的分子排列特征。按液晶分子排列状态，热致液晶相可分为三大类：

近晶相液晶:棒状或条状分子按层状排列，二维有序，层内分子长轴相互平行，其方向可垂直于层面或与层面倾斜。分子质心位置在层内无序，分子可在层内转动或者滑动。

向列相液晶:由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，像液体一样富于流动性。

胆甾相液晶:具有层状结构，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直于层的平面上，每层分子都会旋转一个角度。整体呈螺旋结构，螺距的长度与可见光波长相当。胆甾型液晶具有负的双折射性质.胆甾相和向列相液晶可互相转换。2，何为液晶的电光效应？电光效应：

液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化，这种效应称为液晶的电光效应。

3，说明TN-LCD的工作原理。

当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在无外电场作用时，由于扭曲向列液晶的旋光特性，线偏光经过扭曲向列液晶时偏振方向跟随扭曲向列液晶旋转90°，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋转了90°的偏振光可以通过，因此呈透光态。

在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，即与表面呈垂直排列，此时入射的线偏振光不能得到旋转，因而在出射处不能通过检偏片，呈不透光态。

4，何为液晶显示器的“交叉效应”？该效应存在于哪几种液晶显示器中？

若半选择点上的有效电压大于阈值电压时，在屏幕上将出现不应有的显示，使对比度下降，这就是交叉效应。TN、STN-LCD存在所谓的“交叉效应”。由于每个像素相当于一个电容，当一个像素被先通时，相邻像素将处于半选通状态，产生串扰。因此对于多路、视频运动图像的显示很难满足要求。5，简述LCD的优缺点。

优点：低压、低功耗；平板结构；显示信息量大；易于彩色化；长寿命；无辐射、无污染。缺点：显示视角小；响应速度慢；亮度相对较低；对比度低；画面均匀度相对较差、存在点缺陷。

6，PDP如何实现彩色显示？。

PDP显示原理：PDP是利用气体放电发光进行显示的平面显示板。这种屏幕采用等离子管作为发光元件，大量等离子管排列构成屏幕。每个等离子管对应的每个小室内部充满惰性气体（AC： Ne； DC： Ne, Ar, Hg；彩色：Ne:Xe, Ag:Hg）。等离子管电极间加上高压后，封装在两个玻璃之间的气体放电，产生等离子体，等离子体产生紫外光照射三基色荧光粉发出可见光。

纳米材料与器件综述第2篇

3.What are the basic requirements of modern society to electronic materials? 1.高纯度与完美的晶体结构。2.先进的制造技术。3.大尺寸。

4.寿命长且可控。5.具有优异结构与功能特性。6.减少污染节约能源。4.What is the future direction for the development of advanced electronic materials?

先进复合材料有机电子材料电子薄膜材料 5.What is Moore’s law?

集成电路上可容纳的晶体管数目将在每三年变成原来的4倍。

Chapter 2.Elementary materials science concepts 1.Please explain the shell model of atomic structure and sketch that for sodium.壳模型是基于波尔模型的。原子核：带正电的质子与中性的中子。原子序数：核电荷数。电子：质量极小，带负电，在原子中绕电子核旋转。核外电子排布：泡

利不相容定理、能量最低原理、洪特定理。

2.What’s the force between the two atoms when their separation is above the bond length, equal to the bond length and below the bond length? What are the net force and potential energy in bonding between two atoms?

距离大于键长时合力为吸引力，等于键长时合力为0，小于键长时合力为斥力。力为势能相对距离的导数。当两个原子距离无穷远时，几乎不相互作用，势能为0.当两个原子在吸引力作用下靠近时，势能逐渐下降，到达平衡位置时，势能最低。当原子距离进一步接近，要克服排斥力，使得势能重新升高。把平衡位置距离下对应的势能定义为结合能。

3.Please list three kinds of the primary bonds and the typical material.共价键：H2, CH4

金属键: copper.离子键: NaCl, ZnS.4.Please list two kinds of the secondary bonds and the typical material.诱发偶极矩: H2、CH4 氢键: H20.5.What’s the bond for semiconductors?

许多重要的半导体都是极化共价键，是一种混合键。6.What’s the origin of the Van der Waals bond? Please explain the formation of the hydrogen bond and induced dipole, respectively.范德华键：产⽣于分⼦或原⼦之间的静电相互作⽤

氢键：氧原子中的电子在远离氢原子的地方聚集，水分子是极性的有一个电偶极矩。水中各种偶极矩之间的引力引起范德华键，当一个偶极子的正电荷来自一个暴露的氢核时，范德华键便称作氢键。

诱发偶极矩：两个原子由于电子波动的同步性诱发电偶极矩彼此互相吸引。7.Please draw the body centered cubic and tetragonal crystal structure.8.What’s the miller index of the crystal plane?

9.Please draw the crystal direction and crystal plane in a cubic crystal.[110](110)

[111](111)

[12 1](12 1)10.Please describe different kinds of crystal defects.点缺陷：引起晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常数范围内的缺陷。线缺陷：晶格周期性的破坏发生在晶体内部一条线的周围近邻。面缺陷：密排晶体中原子面的堆积顺序出现了反常所造成的缺陷。11.How to determine a Burger’s vector for a dislocation in a crystal? What’s the difference between the Edge dislocation and Screw dislocation? 在实际晶体中作一伯格斯回路，在完整晶体中按其相同的路线和步伐作回路，自路线终点向起点的矢量，即伯格斯矢量。伯格斯矢量垂直于刃位错线。伯格斯矢量与位错线平行。

刃型位错必须与滑移方向slipping direction垂直，也垂直与滑移矢量slipping vector.螺旋位错线平行于滑移方向。12.What are the characteristics at grain boundary? 晶界两侧晶粒的晶体结构相同，空间取向不同。

Point group点阵：从晶体结构中抽象出来的几何点的集合称之为晶体点阵 Basis 基元：原子、分子或多个原子构成的集团

Chapter 3.Dielectric materials and devices 1.What are the direct and converse piezoelectric effect?

Direct piezoelectric effect 正压电效应: 晶体在机械力作用下，一定方向产生电压，机械能转换为电能的过程。

Converse piezoelectric effect 逆压电效应: 在外电场激励下，晶体某些方向产生形变现象，电能转换为机械能的过程。2.What is the domains?

电畴：电偶极矩具有相同方向的区域称为电畴。

3.Please explain the polarization process for the piezoelectric ceramic..对压电陶瓷施加电场，可以使电畴有序排列，发生极化。施加外电场时，电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。4.Please draw the polarization versus stress for piezoelectric ceramic.5.Please give the piezoelectric equation and explain the parameters.极化感应电荷的大小与所加力的大小成比例，极性与力的方向有关:

d为压电系数

6.Please list at least three important piezoelectric material.Single crystals 单晶 Polycrystalline ceramics 陶瓷 Polymer 高分子聚合物 Thin films 薄膜

7.Why can’t a static force be measured by the piezoelectric sensor? 理论上来讲，如果施加在晶片上的外力不变，积聚在极板上的电荷无内部泄漏，外电路负载无穷大，那么在外力作用期间，电荷量将始终保持不变。但这是不存在的,漏电阻会很快泄放掉其上的电荷。

8.How to improve the sensibility of the piezoelectric sensor using Electrometer circuit? t=R(Ca+Cc+Ci)被测作用力变化缓慢，此时如果测量回路时间常数也不大，就会造成传感器的灵敏度降低。为了增大压电传感器的工作频率范围，必须增大时间常数。增大测量回路的电容来提高时间常数τ，则会影响电压灵敏度，通常用增加电阻来提高时间常数。

9.Please list the application of piezoelectric sensors.压电加速度传感器压电压⼒传感器超声波流量计

10.Please give the frequency response for a PZT and explain the origination for each section.直流响应为0，然后有一平坦区间，接着有一谐振峰，然后快速下降。第一个区间是由于压电材料的漏电组引起的，第三个区间是由于传感器机械结构的共振引起的。

纳米材料与器件综述第3篇

关键词：微波通信,微波辐射,材料,器件,哲学思考

一、微波材料与器件是矛盾统一体

微波材料与器件是一个研究范围宽广的体系, 它们基本的研究方法是相通一致的, 下面以微波介质材料和微波天线为例来研究微波材料与器件体系的特点和研究方法。

(一) 微波介质材料。

随着微波通信事业的迅猛发展, 微波介质材料已广泛应用于电信领域, 用来制造微波滤波器、微波集成电路基片、元件、介质波导、介质天线、输出窗、衰减器、匹配终端、行波管夹持棒等微波器件。评价微波介质材料的性能, 主要看它的三个参数:介电常数﹑品质因数和谐振频率温度系数。通常要求材料具备高介电常数、高品质因数和近零的谐振频率温度系数, 但人们在从事微波介质材料的研究时, 发现这三个参数之间往往相互制约, 很难获得这些参数都很好的材料。1、材料的介电常数是将材料的微观原子尺度的极化现象同可测量的宏观性能联系起来的参数, 这些性能包括极化和电容等。因为微波在电介质材料中的波长与其介电常数的平方根成反比, 所以微波器件的小型化要求材料有高的介电常数。在微波频段, 材料的介电常数不随频率的变化而变化。在制备微波介质材料时, 通常采用高离子电价且单元晶胞体积小的材料体系, 并通过加入低熔点添加剂、提高烧结温度并延长保温时间等方法提高材料的介电常数, 但同时会大大降低其品质因数。2、品质因数是微波系统能量损耗的一个度量标准, 与能量损耗成反比。对于微波介质材料, 损耗由四种类型组成:介质损耗, 电导损耗, 辐射损耗和外部损耗。为得到高品质因数的材料, 宜采用离子电价小、单元晶胞体积大的材料, 这与希望得到高介电常数材料相矛盾。尽管在材料体系中加入低熔点添加剂、提高烧结温度或延长保温时间可以增加材料的致密度, 从而提高其介电常数, 但添加剂过量、烧结温度过高或保温时间过长, 又会导致第二相和异常长大晶粒的出现, 这都是损耗增大的主要原因, 即品质因数降低。3、谐振频率温度系数, 是描述微波介质材料热稳定性的参数, 即指随着温度变化的谐振频率的漂移程度。以离子位移极化为主的材料, 随着温度的提高, 离子间的距离增大, 离子极化率也随i增大, 因此介电常数比较大, 这种材料的谐振频率温度系数一般为正值。对于以电子位移极化为主的材料, 极化率受温度的影响不大, 介电常数值比较小, 这种材料的谐振频率温度系数一般为负值, 而且随着介电常数的增大, 其绝对值增大, 于是谐振频率温度系数也随着增大。

(二) 微波天线。

微波天线已被广泛应用于微波通信领域, 用来传输和接收微波信号, 其中微带天线是常用的一种类型。微带天线通常是指在一块介质基片的一面贴有金属薄层的接地板, 而另一面用金属沉积法或粘贴金属箔片的方法以得到所需形状的辐射器, 其形状可以是矩形、圆形或其它的规则形状。由于微带天线具有低剖面、低成本和易集成等系列优点, 从而引起人们极大的兴趣。与常规的微波天线相比, 微带天线还存在着一些缺点, 例如频带窄、有较大的介质损耗及增益下降、功率容量较小。微带天线的窄频带特性是由其高品质因数的谐振特性所决定的, 也就是说贮存于天线结构中的能量比辐射和其他的耗散能量大得多, 其中品质因数与损耗成反比, 而损耗包括辐射、介质和导体损耗。为了扩展微带天线的频带范围, 可采用厚基板或者介电常数较小和介电损耗较大的基板。但采用厚基板展宽频带会增加承载器的重量并破坏其低剖面的特性, 这在某些飞行器天线的应用中是很忌讳的。厚基板展宽频带的实质是辐射电导随基板厚度的增加而增大, 从而使辐射对应的损耗增大, 即使总品质因数降低。当基板的介电常数减小时, 介质对场的“束缚”减小, 易于辐射;且天线的贮能也因介电常数的减小而变小, 这样将使辐射对应的品质因数下降, 从而使频带变宽。同样, 基板材料的介电损耗增加也会使总品质因数降低, 频带变宽。当然在这样做的同时还存在另一方面的问题, 如介电常数的变小将使得所需要的基板尺寸加大, 而介电损耗的增加必然使天线的效率降低。

微带天线中矩形和圆形居主要地位, 多数情况下作为单独的天线或阵元是可以满足要求的, 但在实际应用中某些特殊的性能要求或安装条件的限制又必须用到其他形状的微带天线。

二、对微波材料与器件研究的哲学思考

微波材料与器件本身就是一个系统, 它们都是由相互联系、相互作用的诸要素组成的具有特定功能的有机整体, 具有整体性、相关性和结构性等特点。 (一) 整体性的含义指系统是诸要素的有机集合而不是简单相加, 系统的性质、功能与运动规律不同于它的各组成要素在独立状态时的性质、功能与运动规律, 也就是说系统具有新的属性、新的功能与整体运动规律;另一方面, 作为系统整体的组成要素的性质与功能也不同于它们在独立时的性质与功能。微波介质材料的制备工艺 (烧结温度和时间) 、组织结构、相结构和介电性能 (介电常数﹑品质因数和谐振频率温度系数) 等因素构成矛盾的统一体, 而微带天线的形状结构、尺寸大小、重量、中心频率、频带宽度、损耗功率和效率等因素构成矛盾的统一体。如果我们仅研究某些因素, 而不是从整体上研究各因素的特点和相互关系, 那么研究结果毫无意义, 制备的材料和器件也不能发挥应有的功能。 (二) 系统、要素和环境都是相互联系、相互作用、相互依存、相互制约的, 这一特征叫做“相关性”或“关联性”。系统中每个要素的存在依赖于其它要素的存在, 往往某个要素发生了变化, 其它要素也随之变化, 并引起系统变化。系统之所以运动并具有整体属性就在于系统与要素、要素与要素、系统与环境的相互联系、相互作用的结果。从上面的分析讨论结果我们已经知道微波介质材料的介电常数﹑品质因数和谐振频率温度系数之间存在相互制约的关系, 当其中某个因素发生变化, 其它因素也会随之而变, 于是u最终导致功能的改变。此外, 系统与环境之间也存在相互关系, 当材料的外部工作频率或电磁边改变时, 其系统内部的电子或离子迁移率发生变化, 导致极化率和损耗的改变, 从而使介电常数﹑品质因数和谐振频率温度系数都发生变化, 因而材料的功能也发生了改变。 (三) 结构性是系统的基本属性, 系统内部各要素的稳定联系, 形成有序结构, 从而保持系统的整体性。结构与功能是相互依存的关系, 结构是功能的内在根据, 功能是结构的外在表现。一定的结构总是表现一定的功能, 一定的功能总是由一定的结构系统产生的。没有结构的功能和没有功能的结构, 都是不存在的。在微波天线系统中, 结构对功能的影响也非常显著, 比如, 介质基板尺寸的变化将会影响天线的中心频率和频带宽度, 天线形状将影响天线的波瓣宽度和方向系数, 当某个结构因素处理不当, 都会导致天线失效, 等等。同时, 结构与功能又是相互制约和相互转化的。系统的结构决定系统的功能, 结构的变化, 制约着整体的发展变化。功能又具有相对独立性, 可反作用于结构。功能结构相比, 功能是相对活跃的因素, 结构是比较稳定的因素。在环境的变化影响下, 此时结构虽未变化, 但功能首先不断变化, 功能的变化又反过来影响结构。

三、结语

总之, 我们在研究微波材料与器件的过程中, 要利用系统论的观点, 运用矛盾分析方法, 分清主要矛盾和非主要矛盾、矛盾的主要方面和非主要方面, 弄清各因素之间的内在关系和外在关系。从整体出发, 从全局考虑问题, 从系统、要素和环境的相互关系中探求系统整体的本质和规律, 并将一些孤立事物构成系统, 既可产生新的属性, 又可把某些功能和作用放大, 同时使系统结构合理, 系统内外协同作用增强, 以提高系统功能。只有这样, 我们才能充分利用资源, 生产出性能优越、对环境和人类有益的电子通信产品。

参考文献

[1].董金明, 林萍实.微波技术[M].北京:机械工业出版社, 2003

有机光伏材料与器件研究的新进展第4篇

【关键词】光伏材料；有机聚合物；器件

在当今全球能源高度紧张的背景下，由于高科技的快速发展，对太阳能发电领域的科技开发已经成为一个标志性起点，对光伏效应的太阳能电池的充分利用是当今高科技发展背景下清洁能源利用的根本目的，同时也是现代较热门的研究对象，原因在于传统无机材料的太阳能电池生产工序较为复杂，生产成本较高，设备较为昂贵，材料的选择不够便利，并且能量转换效率不理想等一系列原因，导致其发展受到了阻碍。

目前，光伏电池的发展方向主要有：进一步使太阳能电池性能得到改善、降低太阳能电池的制造成本，同时还要重视减少因大规模大批量的生产给环境带来的不利影响。近几年，由于导电聚合物的研究与开发，大大提高了开发低成本的有机聚合物光伏电池的可能性，有机光伏电池的主要具备有机化合物种类多样化，有机分子的化学结构较容易修饰，化合物的提纯与制备的加工工序较简便等主要优点，同时还较容易制造柔性器件、特别形状的期间以及大面积器件等，然而当前有机光伏太阳能电池与传统的无机太阳能电池相比，其光能与电能之间的转化能力还处于劣势，所以，其研究的重点是在于如何提升有机光伏电池的光电转换率。有机光伏太阳能电池与传统的无机碳杨能电池的工作原理较为相近，二者都是以半导体界面的光能福特效应为基础进行发电工作。

在当前的太阳能电池中，传统的无机太阳能电池在理论及研究方面发展较为成熟，然而有机半导体光伏太阳能电池依然处在理论构思和研究过程当中。

一、有机光伏材料的介绍

有机光伏材料与无机材料的基本区别在于有机光伏材料中的光生激子之间具有强烈的束缚作用，一般都是紧密的束缚在一起，通常不会出现自动分离而形成单独的电荷；其电荷是通过跳跃的方式在规定区域内进行分子传输工作，并非带内传输，因而其迁移率较低；相对于太阳光光谱来说，对于光的波长吸收范围较为狭窄，但其吸收系数很高，100纳米的薄膜就可以收集到较强的光密度；有机材料一般在有水条件下与有氧条件下处于不稳定状态；对于其本身是一维半导体的情况来说，其本身的电能与光性都各自具有较高的各向区别，这种特性可以为器件的研究设计带来很大的利用价值。

分子链中能够通过部分离域的不同轨道来完成光能吸收和电荷传输等过程，同时分子链中还存在共轭体系是有机光伏材料器件的激活材料所必须具有的功能。有机光伏材料还可以按照相应的机械性能与加工性能分为可溶材料、不溶材料、为荣材料以及液晶材料。其中一般包括小分子、低聚物分子、高聚物分子、液晶分子等。能够吸收可见光线的低聚物或者单体物质，称之为发色团，在此基础上，根据其本身的可溶性分为染料和颜料，一般可溶性较强或具备一定溶解性的被称为染料，没有溶解性或具备较弱溶解性的称为颜料。在通常情况下，激活层材料所具备的溶解性能决定着有机光伏材料电池的制作工艺。在制作过程中，对于可溶性较强的染料以及可溶聚合物应采用溶液旋转涂抹的方法或刮涂成膜等方法，对于不溶或难溶的颜料分子主要采用真空积沉法成膜，晶体颜料分子则应使用物理蒸发成膜的方式来对其进行加工，本文重点概述有机光伏材料中的高分子材料与低分子材料。当今主要用于有机光伏器件研究的材料有噻吩（PTH）衍生物、聚对苯（PPP）衍生物、聚苯乙炔（PPV）衍生物、聚苯胺（PANI）等一系列高分子材料，这些聚合物基本具有较大的共轭系统，可以利用相应的掺杂或者化学分子修饰来使材料的导电性能得到调节。

由于液晶分子具备很高的电子荷载迁移率同时具有较长的激子扩散长度，因而在近几年的有机光伏材料太阳能电池研究中得到重视，液晶分子材料会在一定的温度范围内介于固态与液态之间，在这种状态之下，其分子更加便于重新排列或自行组合，同时还能够充分发挥自身的机械性能，所以晶体分子对光伏电池的研究与应用方面发挥了更加有利的作用。

二、有机光伏电池的基本工作原理

有机光伏电池的基本工作原理相近于无机太阳能电池原理，其基本原理如下：

1、有机光伏器件在经过一定的光照后，会将具有能量的光子吸收到半导体层内，从而激发电子从价带到导带之间的移动，同时在价带区域留出空隙，这种空隙通常被称为“空穴”，这样的空穴中带有正电荷。

2、传统半导体内的被激发电子和通过上述过程所形成的空穴之间会出现自由的反电极方向运动，同时在导电聚合物体中所受入的射光子激发而形成的电子与空穴之间会产生相互束缚作用，从而形成激子。

3、通常情况下，这些电子与空穴的形成都是有光子的激发作用来完成的，如若在电场之内或在电场的界面位置上，这些电子与空穴所形成的组合将会产生分离活动，形成单独的电子与空穴，这也就是人们所说的带电荷载流子，它们的互相迁移运动就形成了光能电流，如图1所示。

然而有机材料的机子奋力活动与移动现象并不是全都有效的，因此，为了时光能更加有效地向电能转变，务必要具备以下几个具体条件：首先，在有机光伏材料太阳能电池中的激活区域内的采光条件必须要好，光能吸收量一定要大；其次，在对光子进行吸收后所产生的自由何在电流子必须要有足够的数目，从而使内部电场的存在表现得更加清晰；最后，在其中所产生的荷载电流子要尽可能的降低自身损耗量来向外部电路进行电能输送工作，从而使光能与电能的转换率有所提高。

然而在效果上并没有达到预定要求，事实上的光能向电能转换过程中依然有大量损耗现象的存在，是有机光伏材料太阳能电池的实际使用效率变得很低。在光能向电能转换的过程中会受到不同因素的影响，从而大量损耗，在光吸收的过程中，光能的折射与反射作用会使光能有大量的损耗，从而影响了光电转换效率，在激子产生的过程当中，激子复合也会导致能量流失，另外在光转换过程中的激子扩散、电荷分离、电荷传输、电荷收集等各个环节中也存在不同的能量流失，直接导致了有机光伏材料太阳能电池使用率降低。

三、有机光伏材料的未来发展趋势与研究方向

通过人们近几年对有机光伏材料进行研究与开发，并对其技术不断深入创新后，在有机光伏材料太阳能电池的研究方面取得了相当丰硕的成果，并获得了开路高电压的发电方法，短路电流的发生几率以及填充因子影响率也比传统的无机太阳能电池低很多，较低光电流的形成原因是由于光能吸收率不够所造成的，除此之外，光电流较低的形成原因还由于电流在产生的过程中电阻对其本身的影响所造成的额外损耗，然而填充因子的形成是由于地点和在传输过程中出现的高复合影响所造成的。因此，应重点研究一下几个关键点：

1、提高光能吸收率，并相应的改善光能吸收环境。在此过程中一般采取具有红外光能吸收的聚合材料以及共轭结晶染料，同时还要改善设备的受光条件，要保证设备安置在阳光充足的地点，使其光能接受率有所提高。

2、充分利用高有序的液晶材料和具备较高流动性能的聚合材料，从而使光电流产生条件得到改善，从而有利于降低光电能的损耗量。

3、加强器件设备的优化性能与稳定性能，器件性能的提高无非是降低电能损耗量的有效途径之一。

4、加强对有机光伏材料性能的了解，同时了解相关器件的使用性能，只有掌握了有机光伏材料的性能才会使该材料能够更好地发挥其应有的作用。

与此同时，高效有机光伏材料器件还应该具备光诱导的电荷产生与分离或产生的电荷及时传输到电极等因素，并需要在同一种材料中同时完成这两个不同的过程，决定邮局光伏器件效率的基本因素在于怎样才能有效的完成这一过程。

多功能的有机光伏材料在未来发展中应通过分子设计朝着电光特性的可调节性、加工简单并能支撑较大面积的薄膜可控制度的方向发展，同时还要求有机光伏材料能够与其他材料进行良好的融合，并保证材料成本与技术成本较低。

在器件方面应采取以下措施来进行期间优化阶段：首先，要加强金属电极的优化，使其达到“欧姆接触”，从而能够更有效的收集光能，其次，在对D/A对匹配进行优化的同时还要加强对共轭聚合物带隙的调整，以便于更好的接收光能，最后，还要注重优化相分离复合材料的网络微结构，以便于其载流子的产生效率与传送效率的提高，与此同时还需要求点和载流子在复合体中的不同分组吸收与移动达到最大数值，经过上述对器件方面的优化措施，使有机光伏材料的光电转换率得到有效提升。

四、结束语

由于有机光伏材料在近几年内的研究与应用得到快速发展，并取得了良好的成果，经有关数据统计，目前有机光伏材料的光电转换率已经达到了新高，这一成果主要归功于该领域中广大的研究人员的不懈努力，相信通过不懈的努力会使有机光伏材料在未来的清洁能源发展中发挥更好的作用。

参考文献

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[7]郑建邦,任驹,郭文阁,等.太阳能电池内部电阻对其输出特性影响仿真研究[J].太阳能学报,2007(27).

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纳米材料与器件综述第5篇

【摘要】本文从高校开课情况、教学内容和教学方法，以及教材等方面对《光电材料与器件》类课程在国内高校的本科教学做了一个简要的总结，以求从中吸取经验，更好的服务于本科教学工作。

【关键词】光电材料与器件教学研究

【基金项目】2016年上海工程技术大学课程建设项目（项目名称：《光电材料与器件》全英语课程建设，项目编号：k201605007）。

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）05-0209-01

光电材料与器件在信息产业中具有极其重要的地位。随着微电子、信息通信和航空航天等行业的发展，国内对这方面人才的需求增加。很多高校则设置了《光电材料与器件》的课程，以培养这一方面的专业知识。也有人认为《光电材料与器件》应该作为电科专业的核心课程。为进一步提高《光电材料与器件》课程的教学效果，本文就国内高校开设这一课程的情况、教学内容和教学方法，以及教材等方面做一简单的分析和总结。

1.《光电材料与器件》类课程开设情况

国内大多数院校均开设了光电（子）材料和相关器件的课程。比如，北京科技大学开设了《光电功能材料》；苏州大学开设了《有机光电材料》；北京化工大学、西安工业大学开设了《光电子材料与器件》；南京邮电大学开设了《光电子器件》课程和《光电子器件与工艺》课程。

2.《光电材料与器件》类课程教学

通过研究相关课程的教学内容，除LED、液晶显示等出现频率很高外，其它讲授内容不尽相同。比如，北京科技大学在《光电功能材料》课程中加入了电功能材料比如压电铁电材料的内容；而东莞理工学院使用《薄膜技术与薄膜材料》作为教材，因此讲授内容主要也集中在薄膜材料。究其原因，一方面，光电材料与器件在有些学校开设在电类专业，在有些学校开设在材料类专业，还有些学校开设在机械类专业或物理类专业。由于学生所学的基础课程不同、将来的发展方向不同，因此教学的内容也因而各异。另一方面，也是为了体现教学特色。比如，为了让学生追踪光电领域的最新发展动态，南京邮电大学在《光电子器件与工艺》课程中涉及到诸如石墨烯、碳纳米管、拓扑绝缘体等新型光电材料在光电子领域的应用。

在教学手段上，各个学校也各有特点。比如，苏州大学、南京邮电大学均使用了双语教学；而长沙理工大学《光电材料导论》课程设置了2学时的专门讨论课。

3.《光电材料与器件》类课程教材

国防工业出版社2012年出版了候宏录主编的《光电子材料与器件》，然而该书涉及的理论知识较深，对本科生来讲有一定的难度。因此，有些院校使用了英文图书作为参考资料来进行双语教学。

近三年有一些新出版的教材。中文教材方面，王?h、李刚和李彩霞编著的《光电子技术与新型材料》，2013年由哈尔滨工业大学出版社出版；汪贵华编写的《光电子器件》、2014年由国防工业出版社出版；张道礼、张建兵和胡云香编著的《光电子器件导论》，2015年由华中科技大学出版社出版。英文教材方面，由国际上光电子材料与器件专家S.O.Kasapa教授编著的、由Pearson Education出版的《Optoelectronics and Photonics Principles and Practices》是一本经典教材。该书2013年由电子工业出版社出版，可以作为一本经典的教材来用。考虑到各个学校课时的不同，可以选择部分内容讲授。该书还包括一些科技先驱的介绍、先进技术和产品实例，可以进一步扩大学生的视野。实际上，国人也有编写的英文教材，比如上海理工大学郑继红编写的、由中国科技大学出版社出版的《光电子技术导论》，内容覆盖全面，且以原理介绍为主，通俗易懂。

4.结语

通过对国内《光电材料与器件》类课程教学的简单梳理，我们可以看出：（1）国内众多高校开设了与《光电材料与器件》相类似的课程。（2）在教学内容和教学方法上，各个学校都是“因地制宜”，突出特色，有部分学校使用了双语教学或英语教学。（3）虽然众多高校开设相关课程，但是经典教材还是比较少。近3年出版了一些教材，一方面表明国人开始重视这一课程教材的建设，也表明尚没有比较合适的通用经典教材。在此情况下，使用国外的经典教材、选取章节讲授是一个明智的选择。

参考文献：