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告诉你我呕心沥血的三年在做什么
flyingghost 2011-4-17 17:23
4月1日，由中科院北京基因组研究所与中科院半导体研究所共同承担的中科院重大科研装备研制项目——“模块化DNA分析系统”项目，通过专家组评审验收。该项目的完成，标志着我国在第二代DNA测序仪研发方面，形成了具有自主知识产权的高通量DNA测序技术及其系统样机，在高端生命科学仪器装备国产化方面取得了突破性进展，填补了国内空白。 3月30日至4月1日期间，在中科院计划财务局的组织协调下，由动物所魏辅文、赵建国研究员，生物物理所杭海英、蒋太交研究员，昆明植物所高立志、龙春林研究员，物理所魏志义研究员等众多不同领域专家组成验收组对该项目进行了全面详实的测试和验收考核。期内，验收组认真听取了由基因组所项目负责人于军研究员、半导体所项目负责人俞育德研究员等人所作的项目研制工作、用户使用、测试和经费决算报告，验收组成员现场考察了研制的系统设备，并进行实际操作使用，审核了测试组提供的模块化DNA分析系统数据产出情况。通过三天的评审及对各项指标的逐一考核，验收组充分讨论并形成验收意见：认为此项目完成了仪器研制项目实施方案所要求的各项技术指标，有效测序片段数量、平均读长和有效序列数据总产量等关键技术性能指标远远优于立项指标，该成果实现了与国际主流设备性能相当的国产化DNA测序能力，在基因组学、生物信息学，乃至生命科学诸多方向的基础研究和应用研究方面具有重要实用价值。 自2007年北京基因组研究所和半导体研究所开始对此项目进行探讨和设计实施，在一系列调研活动的基础上于技术层次达成共识，充分发挥北京基因组研究所在分子生物学、基因组学、生物信息学、DNA合成化学等方面的优势，以及半导体研究所在微电子技术、半导体微纳加工技术、光电技术等领域的研究基础，实现跨学科的联合，并联合成立项目组，申请承担了中科院重大科研装备研制“模块化DNA分析系统”项目研发工作。经过三年多的不懈努力，通过两所科研人员跨学科、跨专业领域的精诚合作和勤奋工作，项目组在完成预期的原型样机研制及实现高通量测序功能的同时，还引进和培养了一批具有DNA测序技术研发和攻关能力的专业技术人才团队，形成了一条可持续性发展的高效技术研发模式。该项目组表示：计划下一步继续开展研发工作，开发适应于我国科研需求的下一代测序仪、配套试剂、芯片和测序分析软件等，使这一设备全面实现系统功能。让我国DNA测序技术和设备研发能力能够真正站在世界科技发展的巅峰，在世界科学舞台上，发出中国科学家自己的声音。 基因组所党委书记、常务副所长杨卫平和生物局、半导体所、中科院农业项目办公室相关领导，以及项目承担单位科技处、重点实验室、联合项目组成员等有关同仁一同出席。
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一种合成半导体氧化物多孔纳米材料的新方法
热度 5 wzhong 2011-4-8 16:39
一种合成半导体氧化物多孔纳米材料的新方法
CdO 是重要的 n- 型半导体材料，其直接帯隙 2.5 eV 、间接帯隙 1.98 eV 。 CdO 纳米材料是重要的光电功能材料，在太阳能电池、光晶体管、 光二极管、催化和气体传感器等许多领域具有广阔的应用前景。目前文献报道的 CdO 纳米材料的合成多采用气相输运法、化学气相沉积法、电弧放电法、激光熔炼等技术，所需设备要求高、设备投资规模大、 合成工艺复杂、制备过程繁琐，不适宜大规模生产。也有文献报道采用化学方法先合成出 CdCO3 或 Cd4Cl3(OH)5 等纳米材料作为前躯体，然后在氧气中高温处理得到纳米结构的 CdO 。但到目前为止文献所报道的含 Cd 纳米结构前躯体的合成都采用无机或有机模板，或添加有机表面活性剂，合成的成本高、工艺难控制，并且有机模板和表面活性剂在合成过程中全部分解为气体产物，不仅浪费而且还面对许多环境污染问题。 最近，我们采用水热法，以 Cd(NO3)2•4H2O为原料， 不同比例的乙醇和水为溶剂，在不需要任何模板、不需要添加任何表面活性剂的情况下，通过调节乙醇和水的比例、 Cd(NO3)2•4H2O 的浓度、反应温度、反应时间得到具有不同纳米结构的 Cd5(OH)8(NO3)2(H2O)2 前驱体（可以有选择性地合成出纳米线簇、纳米带、由纳米线“编织”成的纳米“毡子”，由纳米棒组成的放射型花状物等）。 将得到的 Cd5(OH)8(NO3)2(H2O)2 纳米结构前驱体在空气或氧气中缓慢加热即可得到具有高比表面积的 CdO 多孔纳米材料。 用该 方法制备得到的 CdO 多孔纳米材料基本上保持了 Cd5(OH)8(NO3)2(H2O)2 前驱体的形貌，具有大量的纳米空洞结构，比表面积高，可应用于 太阳能电池、光晶体管、 光二极管、催化和气体传感器等许多领域。与文献报道的制备 CdO 纳米材料的方法相比，我们所采用的方法的最大区别在于不使用 任何模板、不需要添加任何表面活性剂，经济环保，有利于规模生产。 相关研究工作结果发表于最新出版的Nanascale 3, 1887 (2011) 以上为具有不同纳米结构的 Cd5(OH)8(NO3)2(H2O)2 前驱体FESEM照片 以上为 多孔 CdO 纳米结构 的 场发射 扫描电子显微镜（ FE-SEM ）照片 论文全文： 2011-Nanoscale-3-1887.pdf
个人分类: 论文交流|7674 次阅读|5 个评论
镜子微博：回答: 电荷在电路中是如何流动的？
liwei999 2011-2-20 03:38
回答: 又：电荷在电路中是如何流动的？ 由 JFF 于 June 24, 2005 01:50:48: 真空二极管是个很好的例子：就是从一端到另一端。电镀也是。 电荷在电路中流动速度是个“传送”的课题，而能量的“传递”是“势”的传递。电流是电荷比时间，没有“速度”的问题。 到了技术的现场，就要想这些问题了。如何能镀得好，如何能控制腐蚀速度等等，半导体产业都是这些东西，不理解也得理解。
个人分类: 镜子大全|2372 次阅读|0 个评论
找回继承中丢失的本质
热度 1 snowboyice 2011-2-4 21:22
信息时代-其前提是人类，化学-其前提是分子，然后除分子化学之外其本质也包含了其他多层次元素的合成与反应过程，半导体-其前提是电子，然后半导体的本质超越电子半导体，哲学博士-其行为具有哲学系统性的人，从这个意义上讲，目前毕业的理学博士能毕业的鲜也！
个人分类: 生活点滴|2417 次阅读|0 个评论
黄辉 北邮教师 从事半导体光电子集成方面的研究 欢迎同行交流
热度 1 huihuang 2011-1-24 10:16
黄辉， 博士，教授，博士生导师， 1974 年生于福州，现为 北京邮电大学“信息光子学与光通信”（国家重点实验室）研究院教师，致力于半导体光电子器件以及光电子集成方面的研究。在器件方面，主要从事可调谐滤波器、高性能光电探测器、高速异质结双级晶体管（ HBT ）、以及单片集成光接收机的研究。在材料方面，从事微电子材料－硅（ Si ）和光电子材料（ GaAs 、 InP 等 III-V 族材料）间的集成技术研究。 联系方式： uihuang@163.com , huihuang@bupt.edu.cn . 器件方面的原创成果有：液晶调谐的谐振腔增强型（ RCE ）光探测器；具有透明欧姆微结构的高速、高耦合效率 RCE 光探测器；基于微空气隙的长波长、高速 RCE 光探测器；及窄线宽、可调谐的“一镜斜置三镜腔”光探测器。 材料工艺方面的原创成果有：在半导体外延层上制备倾角可控、表面平坦的楔型结构；基于表面化学处理的 GaAs/InP 、 InP/Si 和 Si/Si 低温晶片键合； GaAs/InP 和 Si/GaAs 异质外延生长（MOCVD外延）；以及在 Si 衬底上生长 III-V 族半导体单晶纳米线。 主要学习 与 工作经历 1991.9 至 1995.9 ，福州大学 电子科学与应用物理系，本科生； 1995.9 至 1998.9 ，福州大学 物理化学专业，硕士研究生； 1998.9 至 2001.12 ，北京邮电大学 电磁场与微波技术专业，博士研究生； 2002.3 至 2008.12 ，北京邮电大学 原电信工程学院，历任讲师、副教授； 2008.12 至今，北京邮电大学 信息光子学与光通信研究院 / 国家重点实验室，教授。 获奖情况 2005 年获教育部 “ 新世纪人才支持计划 ” 资助； 2006 年获北京市 “ 科技新星计划 ” 的资助； 2006 年度中国高等学校十大科技进展（本人第二完成人）； 2006 北京市科技奖二等奖（本人第二完成人）。 代表性文章 1. Hui Huang , Xiaomin Ren, Xian Ye, Jingwei Guo, Qi Wang, Xia Zhang, Shiwei Cai and Yongqing Huang, “Control of the crystal structure of InAs nanowires by tuning contributions of adatom diffusion”, Nanotechnology , vol.21, pp.475602, 2010. 2. Hui Huang , Xiaomin Ren, Xian Ye, Jingwei Guo, Qi Wang, Yisu Yang, Shiwei Cai and Yongqing Huang, “Growth of stacking-faults-Free zinc blende GaAs nanowires on Si substrate by using AlGaAs/GaAs buffer layers”, Nano Letters , vol.10, pp.64–68, 2010. 3. X. Ren, H. Huang , V. G. Dubrovskii, N. V. Sibirev, M. V. Nazarenk, A. D. Bolshakov, X. Ye, Q. Wang, Y. Huang, X. Zhang, J. Guo and X. Liu, “Experimental and theoretical investigations on the phase purity of GaAs zincblende nanowires”, Semicond. Sci. Technol. , vol.26, pp.014034, 2011. 4. Hui Huang , Xiaomin Ren, Jihe Lv, Qi Wang, Hailan Song, Shiwei Cai, Yongqing Huang, and Bo Qu, “Crack-free GaAs epitaxy on Si by using midpatterned growth: Application to Si-based wavelength-selective photodetector”, Journal of Applied Physics , vol.104, pp.113114, 2008. 5. Hui Huang , Xiaomin Ren, et al, “Low temperature InP/Si wafer bonding using boride treated surface”, Applied Physics Letters , 90 (16), pp.161102(1-3), 2007. 6. Jihe Lv, Hui Huang , Yongqing Huang, Xiaomin Ren, et al, “A monothically integrated dual-wavelength tunable photodetector based on a taper GaAs substrate”, IEEE Transactions on Electron Devices , vol.55, pp.322- 328, 2008. 7. Jihe Lv, Hui Huang , Xiaomin Ren, et al, “Monothically integrated long- wavelength tunable photodetector”, IEEE Journal of Lightwave Technology , vol. 26, pp.338-342, 2008. 8. Huang Hui , Ren Xiaomin, Wang Xingyan, Gui Hailin, Wang Wenjuan, Miao Ang, Li Yiqun, Wang Qi, and Huang Yongqing, “Theory and experiments of a tunable wavelength-selective photodetector based on a taper cavity”, Applied Optics , vol.45, no.33, pp.8448-8453, 2006. 9. Huang Hui , Wang Xingyan, Ren Xiaomin, Wang Qi, and Huang Yongqing, “Selective wet etching of InGaAs/InGaAsP in HCl/HF/CrO3 solution: Application to vertical taper structures in integrated optoelectronic devices”, Journal of Vacuum Science and Technology B , vol.23, no.4, pp.1650-1653, 2005. 10. Huang Hui , Ren Xiaomin, Wang Xinyan, Wang Qi, and Huang Yongqing, “Low-temperature InP/GaAs wafer bonding using sulfide-treated surface”, Applied Physics Letters , vol.88, no.6, pp.061104, 2006. 11. Huang Hui , Ren Xiaomin, Wang Xingyan, Cui Hailin, Wang Wenjuan, Wang Qi, and Huang Yongqing, “An ultra-narrow spectral linewidth photodetector operating at a long wavelength”, Semiconductor Science and Technology , vol.21, no.12, pp.1724-1727, 2006. 12. Huang Hui , Huang Yongqing, Wang Xingyan, Wang Qi, and Ren Xiaomin, “Long Wavelength Resonant Cavity Photodetector Based on InP/Air-Gap Bragg Reflectors”, IEEE Photonics Technology Letters , vol.16, no.1, pp.245-247, 2004. 13. Huang Hui , Huang Yongqing, and Ren Xiaomin, “Ultra-narrow spectral linewidth photodetector based on taper cavity”, Electronics Letters , vol.39, no.1, pp.113-115, 2003. 14. Huang Hui , Huang Yongqing, and Ren Xiaomin, “Selective wet etching of AlGaAs in HF/CrO3 solutions: Application to vertical taper structures in integrated optoelectronic devices”, Journal of Vacuum Science and Technology B , vol.20, no.3, pp.1107-1110, 2002. 15. Huang Hui , Zhang Ruikang, Wang Qi, Zhong Yuan, Wang Xingyan, Lei Lei, Xia Yuehui, Liu Liyi, Huang Yongqing, and Ren Xiaomin, “Wavelength-selective photodetector with integrated vertical taper structure”, Conference on Optical Fiber Communication (OFC) , Californian, vol.70, pp.714-715, 2002. 16. Wenjuan Wang, Xiaomin Ren, Hui Huang , Xingyan Wang, Hailin Cui, Ang Miao, Yiqun Li, and Yongqing Huang, “Tunable photodetector based on GaAs/InP wafer bonding”, IEEE Electron Device Letters , vol.27, no.10, pp.827-829, 2006. 17. Xiaofeng Duan, Yongqing Huang, Xiaomin Ren, Hui Huang , Sanxian Xie, Qi Wang and Shiwei Cai, “Reconfigurable multi-channel WDM drop module using a tunable wavelength-selective photodetector array”, Optics Express , vol.18, pp.5879-5889, 2010.
6410 次阅读|1 个评论
石墨烯问题释疑II
热度 8 sulihong 2011-1-17 10:01
因为与多位老师讨论，他们提出了疑问，为了更清楚解释，对原文作了修改，再次发表。我要强调这只是我们研究结果的一个推论，2009年长沙纳米会议上就提出了相关研究结论。在2010年诺贝尔物理奖的公告发表前就已经有定论的东西，只是当时并未拿起人们重视。诺奖公告中很多对于石墨稀的宏观应用预测，如石墨稀吊床等是不真实的，应该打假；但对于石墨稀微观性能研究还应继续深入，比如半导体器件等研究。 广为传播的网上石墨烯由多个正六边形组成的图案，是想当然的图案，因为边界处碳原子与两个碳原子连接，键长短强度大，而石墨烯内部碳原子与三个碳原子连接，键长长强度小，两者以现有试验数据，就可知化学键能差距约在40%左右（注意有误差，但差距明显不容否认），石墨烯边界处碳碳之间和内部碳碳之间，是不同的化学键在相互连接。这点得到了包括前诺奖得主在内的多位科学家认同。 石墨烯的特异性是依靠其边界而存在的，我们提出边界碳原子的色散作用导致石墨烯可以存在的微观结构本质原因。我们认为其悬浮态下，很难制备更大尺度超过数十微米的稳定的单层悬浮石墨烯。若石墨稀附着载体上，其尺寸会达到几十厘米级别，但是大尺寸石墨稀与微米级以下的石墨烯性质已经不同，此时若石墨稀悬浮，它会极不稳定而发生破裂或者褶皱（注意这也形成了新的边界，此时化学键的键角发生了变化）。诺奖公告中的与此相关的很多宏观应用的结论是不真实的。 打个比方就象两种不同强度的弹簧联接着碳原子，而边界处的碳原子受到短而更高强度的弹簧来连接，那么其结果是对于内的较弱强度长的弹簧会起到收紧的作用。而在表观上起到了限制石墨烯内部碳原子自由振动的作用，石墨烯才在现实中可以稳定存在，所以二维石墨烯才能有制备分离出来的可能。 因为键长键角不同，边界处石墨烯六边形结构会变形，而因为原子和原子间结构的紧密性，保持六边形必然使得相邻碳原子电子云受到色散应力，这一应力作用范围有限，但是它会想接力赛一样，将这一应力一级一级传递下去，而在微观尺度下，传递效率会很高，受不同角度和方向边界传递过来的这一色散应力作用，会发生抵消衰减的，石墨烯内部的就会难以稳定存在，所以石墨烯（我强调单一完整的悬浮）不可能获得尺寸无限增大。而且即使增大到数百微米的石墨烯与一微米大小的石墨烯相比，因为上述原因，其性质也会有差异，而且具体可以获得的石墨烯最大尺寸与制备时大气环境下的温度和压力也相关。 实际能稳定存在的石墨烯其内部每个碳碳化学键的电子云分布都要受到边界不同碳碳键导致的色散应力的影响，而达到一个动态均化的平衡，这是悬浮石墨稀能够存在的动力学基础。2010年诺奖得主应当是对此认识不清，诺奖委员会对此也是未搞清楚，以为单层悬浮石墨烯可以达到作石墨烯吊床之类而写入其公告中。 为了方便大家理解，石墨烯之所以存在，实际是打个比方来说就像一个网球拍，这个网是固定在一个由收紧的边界“箍”上，而这个“箍”所能施加的色散应力是有限的，一旦这网变大，网中间的碳原子自有振动受到约束力会越来越小，一旦其振动超出化学键作用范围，这个网必然破损。石墨烯不能制备很大道理与此类似。这样比喻更形象，仅是为了向大家介绍采用。实际物理机理还要考虑的势函数和电子轨道分布的影响（实际这些理论本身误差也很大，目前可用的数据准确性差, 所以不罗列这些公式计算了，这些计算结果误差大，但不影响结论)，主要是利于大家理解这一问题。 诺奖研究者的很多结论和预期应用并不能推广到宏观尺度。根据其结果，因为热门，所发表的研究很多，但并未考虑到实际随着尺寸增大，其研究对象性质已经起了很大变化。诺奖和其后续很多研究者应当是忽视了这一问题。很多其材料研究存在跟风盲目的错误。 这一结论，不仅限于石墨烯，对于其他纳米材料也是一样的。十几纳米陶瓷粉体，可以在其熔点一半左右的温度成瓷，而微米级陶瓷粉体无法实现这一点，要到接近熔点温度才可以实现，这充分说明纳米晶界面能的作用，固体材料纳米尺度与宏观尺度最大的物质结构差别之一就在于界面在其体积中所占比例大小，换言之是界面化学键量子效应对于整个纳米结构都存在影响的尺寸，才是纳米材料的定义尺寸，对于每一种物质包括其同分异构体都会是不同的。除此之外，我们在其他纳米材料研究中，也测试到随着尺寸增大，在小于某一尺寸时，粉体地一些性质发生近似非线性的变化。
个人分类: 石墨烯|7488 次阅读|19 个评论
诺奖石墨烯问题再释疑
热度 3 sulihong 2010-11-9 22:31
2010年诺贝尔物理奖的公告中很多对于石墨稀的宏观应用预测，如石墨稀吊床等是不真实的，应该打假；但对于石墨稀微观性能研究还应继续深入，比如半导体器件等研究。 广为传播的网上石墨烯由多个正六边形组成的图案，是想当然的图案，因为边界处碳原子与两个碳原子连接，键长短强度大，而石墨烯内部碳原子与三个碳原子连接，键长长强度小，两者以现有试验数据，就可知化学键能差距约在40%左右（注意有误差，但差距明显不容否认），石墨烯边界处碳碳之间和内部碳碳之间，是不同的化学键在相互连接。这点得到了包括前诺奖得主在内的多位科学家认同。 石墨烯的特异性是依靠其边界而存在的，我们提出边界碳原子的色散作用导致石墨烯可以存在的微观结构本质原因。 为了方便大家理解，石墨烯之所以存在，实际是打个比方来说就像一个网球拍，这个网是固定在一个由收紧的边界“箍”上，而这个“箍”所能施加的色散应力是有限的，一旦这网变大，网中间的碳原子自有振动受到约束力会越来越小，一旦其振动超出化学键作用范围，这个网必然破损。石墨烯不能制备很大道理与此类似。这样比喻更形象，仅是为了向大家介绍采用。实际物理机理还要考虑的势函数和电子轨道分布的影响（实际这些理论本身误差也很大，目前可用的数据准确性差, 所以不罗列这些公式计算了，这些计算结果误差大，但不影响结论)，主要是利于大家理解这一问题。 诺奖研究者的很多结论和预期应用并不能推广到宏观尺度。根据其结果，因为热门，所发表的研究很多，但并未考虑到实际随着尺寸增大，其研究对象性质已经起了很大变化。诺奖和其后续很多研究者应当是忽视了这一问题。很多其材料研究存在跟风盲目的错误。 这一结论，不仅限于石墨烯，对于其他纳米材料也是一样的。十几纳米陶瓷粉体，可以在其熔点一半左右的温度成瓷，而微米级陶瓷粉体无法实现这一点，要到接近熔点温度才可以实现，这充分说明晶界的作用，固体材料纳米尺度与宏观尺度最大的物质结构差别之一就在于界面在其中的所占比例大小，换言之是界面化学键对于整个纳米结构都存在影响的尺寸，才是纳米材料的定义尺寸，对于每一种物质包括其同分异构体都会是不同的。除此之外，我们在其他纳米材料研究中，也测试到随着尺寸增大，在小于某一尺寸时，粉体地一些性质发生近似非线性的变化。
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半导体设备公司工作
cygwai09 2010-5-17 17:25
2008年3月硕士毕业。自己学的是材料专业，偏化学方向。但是自从上硕士起就不太喜欢以后搞化工材料方面的东西。打算博士读哲学、逻辑、科学哲学等方向，准备了好多，但是一直未能如愿。好像从心底不太喜欢做实验什么的，更喜欢思考一些。一转眼，毕业已两年。虽然不说曾经的理想现在如何如何，但是现实总是让你身不由己。 毕业之后来到一家大学出版社工作，然而出版社千篇一律单调的工作加上工资低，在工作一年半之后还是毅然离开了。但是不能说没有收获，在出版社我会使用了以前从来没用过的latex软件。学校内部的一些讲座等等让我知道了以前的知识很多缺陷，虽然试图弥补，但总还是感叹以前的时光没利用好。学校内的学生大都在考GRE和托福，自己也逐渐了解到出国留学是怎么回事。要在学术上做出些东西，不出国大概是不行的。 辞职后打算考博士，但是很遗憾地没能考上，人生真是世事难料。突然之间就感到生活的压力问题，女朋友，自己也老大不小了今后到底该怎么办，钱不够花等等。大概找了两个多月的工作，原先一直不想去公司做工程师，但是为了生计，还是来到了一家做半导体设备的公司。 学了工科是不是就是摆弄仪器、做实验的命，改行到其他行业会突然发现自己所学的几乎一无所用。有多少人会真正因为喜欢而工作，如果不是为了生计，为了赚钱，有谁会日复一日地愿意忍受在厂房、实验室内的重复性劳动和加班。的确，工程师的待遇不会低，但也不会很高。工业社会的机器化生产造成了人的这种状况。记得上次富士康的一篇报道，那些普通工人日复一日地工作，在那里耗尽了自己的青春，根本无法把握自己的未来。工程师是大学生，出了工资比他们高一些，本质上都是一样的。就像我一直认为的，这是一个丧失了生活意义的社会，难道生活就是为了能活着和赚钱花钱。到了公司后，我突然也有这种感觉了。我一直认为自己是学工科，如果没有真正地来到公司里做工程师，那也可能是人生的遗憾。但现在我是为了赚钱而来。 当然啦，如果这里也不是一无是处，也会发现新东西的。今天我就第一次进入到黄光无尘室，进行光刻机设备操作。以前只在电视里看过，全身被白色外套裹的严严实实的。今天自己真正穿上还是别有一番滋味。在里面主要看别人操作机器，自己找了块硅片，涂上胶之后进行光刻，然后用晶圆检测设备观察。光刻机涉及到光学、机械、软件、电子、材料等多个学科领域，确实自己有好多要学的。当然我们公司大部分的东西都是买来进行组装的。如果还有人不知道光刻机的话，我介绍下，光刻机就是在硅片上做集成电路、液晶平板显示器、生物芯片等的非常重要的设备，价格也是非常昂贵。 今天就写到这里，下次再与大家分享。
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mirror - 读了太簇的两篇科普文章
liwei999 2010-3-27 04:45
mirror - 读了太簇的两篇科普文章 读了太簇的两篇科普文章。 mirror Date: December 07, 2008 06:10AM 与太簇对过话。印象是解释什么是电动力学。太簇听出来其中的道理来，算是知音了。他的那些文章属于大脑的体操，活动一下脑筋的产物。在镜某这里有个政治上不正确的标准：聪明人些的东西即便是荒谬一些也可以理解。而傻人的荒谬文章就难以容忍了。说白了，还是对不聪明的人有些偏见。当老师的第一喜欢聪明的孩子，第二喜欢漂亮的孩子。但是这类话不好明说。 《跳蚤的弹跳本领没那么神奇》 是对隔壁论坛上跳蚤大战的一个总结。那是镜某的一个认识转折点：承认了有学不会的和教不会的人了。在此之前，镜某以为人是可以学会或者是教会的。有人认为太簇写得太罗嗦了，也有人写的满好的，基本上各个方面都论述清楚了。毕竟是众多人争论了许多天的话题，各类说法都顾及到就难免造成构文罗唆。 话题的引子是吃跳蚤肉 《跳蚤肉真的值得吃吗？请教齐国立教授》 。跳蚤肉神奇不神奇？这是个问题。作者给出了一个结论说： 引用: 如果有一只人体一样大的跳蚤，它的肌肉没的说，是最好的。它能跳多高呢？我的结论是，仍旧是一米；不会比一米高，更谈不上跳到月球上去。 其证明是 引用: 论证很简单，可想象这只大跳蚤是由千万只小跳蚤组成，大家一齐跳，能跳多高，读者自己回答吧。 镜某对此证明很感叹了一番。以为如此明晰的证明，应该人人可以理解了吧？结果不是。有人愿意相信跳蚤肌肉的奇迹，因此也就相信了放大了以后就可以跳得更高推论。方博士的当然，把跳蚤放大到人体那么大，也不可能跳到月球上去，最多跳个几百米高是个有代表性的意见。小法挑拨说镜某不批判版主最多跳个几百米高错误说法，点燃了大战的导火索。 爱迪生是位美国梦、美国文化的代表人物了。贫苦出身，通过努力获得成功的故事，被大人们利用来教育孩子。因为大人们需要这样的故事，很多的细节就被歪曲了。比如太簇描写的版本就是一个常见的说法。 引用: 爱迪生在带领部下发明灯丝时，象勤劳的蚂蚁一样，用穷尽法，众里寻他千百度，终于功夫不负有心人，总算让他找到了合适的材料。 实际上爱迪生做的工作是优化炭灯丝。材料已经锁定了，剩下的是如何能产业化的问题。按照着个思路，爱迪生关心发电和输电的问题就属于理所当然的事情了。显然教孩子如何发财不是合适的题材。 交流优越于直流的说法属于市井的常识了。太簇文章里讲的就是这个问题。特斯拉被爱迪生雇用过，也为雇主出过点子。可惜那些主意没有被采纳，只好投奔他人。 如同某某主义优越性的提法那样，好像没有什么一成不变的东西。某某主义优越得大家吃不饱饭的时候，显然那个市场主义救了中国。如今美国闹次贷危机，大金融企业被国有化了，反到在资本主义的大本营里体现出某某主义能够就美国来了。真有三十年河东四十年河西的感觉。那么自从爱迪生败给交流电优越性之后，有没有翻案的可能呢？ 在今天，直流输电又成了时尚的高科技了。当年交流可以用变压器升压后输电，长距离的欧姆损失会变小。但是到了100万伏的档次上，交流的峰值要达到140万伏。因此实际上绝缘的档次要达到这个档次才能使用，这就显得吃亏了。还有交流的电压和电流有个相位差，使得用电量与名目上的VA不吻合。另外几百公里长的电线也是很大的成本。交流输电要三根，直流的只要两根就可以了。但是要实现直流输电，需要有很好的变频技术。而这个技术是半导体产业发达之后才解决的课题。 一说半导体一般的认识都是家用的电器产品。其实这类弱电只是被百姓看到的地方。电力调配用的半导体器件也十分多。比如家电的冰箱、空调往往有调频的说法。这就是通过半导体器件（可控硅）来改变电力的频率达到改变马达的转速的目的。这样所可以比开和关的控制方法节省电力，但成本偏高一些。 如果留心一下就会发现，调频技术在日常生活中可以看到很多。比如好一点的日光灯照明就利用比较高的频率，减少闪烁的感觉。这算是个灯具的卖点了吧。电磁炉里也用到调频技术。能用所有金属锅的炉子比只能用鉄基锅的炉子的差价是来自电源调频能力的不同。 开关电源的叫法大约都听说过。实际上这也是一类调频的电源。因为高频的变压器可以做得更小些。因为使用了调频技术，由此产生的噪音也就不可避免。开关电源噪音大已经是个常识了。但是对于一般几百瓦乃至几千瓦的用电系统，0.1%的噪音水平不过是带来几瓦的损失，不会有什么破坏性的问题。但是系统电功率到了MW级，情况就大不相同了。MW级的开关电源的0.1%就是kW级。这个噪音就是破坏性的功率了。很可能将系统中的过滤器各个击穿。这类事情光靠计算机模拟也没有结论。只有被打坏了东西之后才有些长进。 因此，吃一堑长一智是刚够本，要长几智才能有提高。当然也有光吃堑不长智的。 就是论事儿，就事儿论是，就事儿论事儿。 12月 8th, 2008 in 镜子大全 Comments (4) ironman 12月 8th, 2008 at 3:47 pm 好文，学习了。 海水一滴 12月 8th, 2008 at 5:11 pm 调频技术就是变频技术吧，很多电动机都采用变频器连接，或者用变频电机，但是价格比普通电机高出很多，另外直流输电成本会不会高呐？目前这方面的资料也不多。或者我可查到的不多。 liwei 12月 8th, 2008 at 8:50 pm 虽然是举手之劳，但是有必要么？ (195079) Posted by: mirror Date: December 08, 2008 04:26AM 还是科普的话题。 有人问光子的大小，而且问得还很正经。虽是举手之劳，但镜某仍然没有这个心情。学问的另一个说法是学会问。能让人觉得愿意回答的问题就是好问了。 关于直流输电有人提问。其中有很多电动机都采用变频器连接，或者用变频电机的说法。镜某往往要求提问的人把握住所提问题的本意，因为许多时候提问人的表达有问题。 对多数人而言，更多的场面并不是要求知道某个技术的好坏、优劣，而是懂得划得来划不来的判断。判断划算与否最难的地方是时间的尺度上。因此，最有趣的事情是读MBA的匣子（case）。 就是论事儿，就事儿论是，就事儿论事儿。 敬禹 12月 8th, 2008 at 8:54 pm 好文。如果能够更详细就某个问题展开更好。 http://www.de-sci.org/blogs/liwei/archives/11982
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半导体 仿真模拟
COMSOLFEM 2010-1-11 10:00
Charge Carrier Motion in Semiconductors
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ZnS纳米棒簇的合成与性能研究
wzhong 2010-1-9 14:18
采用 ZnS 和 Zn 共沉积 的方法在 Au 膜上成功地制备出 ZnS 纳米棒簇，结果表明 ZnS 纳米棒的直径约 200 纳米，长约 1-2 微米，沿着 方向择优生长，非常均匀。该纳米结构材料在室温呈现出非常强的绿光（ 520 纳米）发射峰。 如果 单纯采用 ZnS 为原料 ，则得到的产物是又细又长的纳米线（直径 60 纳米，长度达几十微米）阵列。我们研究了 ZnS 纳米棒簇和纳米线阵列的生成机理，并给出了合理的解释。相关结果发表在 CrystEngComm, 11(11), pp 2260-2263, 2009 上。 论文原文
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ZnxCd1-xS单晶一维纳米结构的合成与光学性能调控
wzhong 2010-1-9 14:06
ZnS具有 较高的红外透过率及优良的光、热学性能，是良好的飞行器及激光器窗口材料，在光电子方面也有很广泛的应用前景，比如激光发生器和基于非线性光学性质基础上的光学仪器。近年来， ZnS 一维纳米结构（纳米管，纳米带，纳米线）受到了广泛关注。就半导体而言，能带是一个非常重要的参数。改变能带的大小或者结构将扩宽这种材料在光电领域的应用范围。 ZnS 基的三元复合合金（比如 Zn x Cd 1-x S ）是一个非常好的选择。目前，人们在 Zn x Cd 1-x S 薄膜和量子点方面的研究工作比较多，而对于一维结构的合成和设计方面的工作非常少。我们采用气相传输沉积的两步方法在镀金的硅片上制备了组分均一的 ZnxCd1-xS 单晶一维纳米结构。此纳米结构的近带发射随着组分 x 的变化而变化，即我们可以通过调变 Zn 和 Cd 的组成来调控材料的发光性能。并且通过改变蒸发温度和加入 ZnS 的量进而改变 ZnS 蒸汽的浓度，可以控制 ZnS 纳米带模板的宽度，达到调整 ZnxCd1-xS 纳米结构的宽度的目的。通过较高温度的退火，能够减少晶体缺陷和晶体内的应力，达到提高近带发射的目的。相关结果发表在 Crystal Growth Design, 9(11), pp 4602-4606, 2009 上。 论文原文
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半导体材料
footwhf 2009-7-14 21:00
我们日常用的铜、铁、铝等，都很容易导电，因而叫做导体；而橡胶、 塑料等几乎不导电，因而叫做绝缘体。如果某物质不是导体，那它就一定是 绝缘体吗？答案是否定的。在导体和绝缘体之间还存在大量半导体，其导电 能力居中，并且随温度升高而增大，随温度下降而减小。 半导体分三种：本征半导体、 p 型半导体和n型半导体。 不含杂质的纯净半导体叫本征半导体，它的导电能力很差。为了提高纯 质半导体的导电能力，常常在本征半导体中掺入少量杂质。如在硅中掺入硼， 硅原子周围就形成可移动的空穴，这就是 p 型半导体；如果在硅中掺入磷， 材料中就会出现多余电子，这就是 n 型半导体。它们各有自己的特性，常常 联合使用。人们为了获得所需要的半导体，就必须制得纯净的本征半导体。 目前，人们所获得硅的纯度已达 14 个 9 。这是人类 材料史上的一个奇迹。 半导体材料有许多奇妙用途，在各个领域发挥重要的作用，无论是收音 机、电视机，还是大型计算机、工业电气化系统，都离不开半导体材料。 半导体材料是制造电子元件的主要材料，而我们用的收音机、电视机、 电子游戏机以及工业用的电子计算机、机器人等，都是由无数的电子元件构 成的。半导体材料制成的电子元件不仅功能强、效果好，而且重量轻、寿命 长、耗电省。 1946 年，美国研制出世界上第一台电子计算机，使用了 18000 个真空电子管， 1500 个继电器，重量达 30 吨，占地面积 170 平方米 ，真是 一个庞然大物。而现在运算速度比它快得多的微型计算机，还没有一张书桌 大。 电子元件的发展已经历了四个时代， 1947 年美国的布拉坦和同事制成了 晶体管，这是第一代。晶体管因性能优于电子管而被广泛使用。 1962 年，在 一小块硅片上制成了几个元件组成一个小型电路，这就是小型集成电路。集 成电路体积小而功能大，因而迅速发展起来。 1965 年发展到中规模集成电 路，指甲大的一块硅片上可制作上百个元件。 1968 年出现了大规模集成电 路，在 5 ～ 7 平方毫米的硅片上制成了上万个元件。 1979 年日本在 6 平方毫 米的硅片上制成了 15 万个元件，这就是超大规模集成电路。目前人们正在研 制三维集成电路。前几代集成电路都是平面式的，像一排排的平房。而三维 集成电路则像高楼大厦，在一层元件上再重叠一层元件，这样，每个元件与 周围元件的联络构成一个空间网络，便于信息的传递和处理。用这种三维集 成电路也许可以模拟人脑的思维，如果是这样，那么我们就可以制造出会思 考、会自行解决问题的机器人了。 半导体材料具有良好的光电转换效应，是制造光电电池的好材料。有了 廉价高效的光电电池，我们才能充分利用清洁的太阳能。有些半导体材料的 温差电动势很大，能直接把热能转换为电能，这就是所谓的热电材料。 这种 温差发电机适用于缺电的 边远地区。在宇宙飞行器、导航设备上也用到它。 半导体材料还用于制造激光器。激光方向性好，能量集中，在现代各个 行业都得到广泛应用。大功率的激光武器为各国所重视。用半导体制成的发 光二极管，在光纤通讯方面有重要用途。光纤通讯比微波通讯效果更好，一 条光缆可载上亿门电话。人们预计，光计算机将比电子计算机运算速度快几 十倍。 半导体材料经过几十年的发展，已历经三代，最早人们用锗，但锗元件 的寿命和效果都不大理想，人们转而重视开发硅，目前硅已成为应用最广泛 的半导体材料。为了在高温、高频领域取得进展，人们又看重砷化镓。它是 砷在高温下和镓结合生成的化合物，是高频、高温电子元件的理想材料，它 必将在巨型计算机、高效机器人、激光、光纤通讯等方面发挥重要作用。
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【会议】Failure of Small-Scale Structures/ 2010 TMS Annual Meeting
yahuang 2009-6-26 14:53
Dear Colleague: We would like to let you know of our symposia Failure of Small-Scale Structures at the 2010 TMS Annual Meeting. This symposia will focus on failures in small scale structures (flexible and semiconductor electronic systems, actuators, resonating cantilever, biological systems, fuel cells, MEMS devices, etc) and will discuss combinations of possible failure mechanisms. Possible mechanisms could include, but are not limited to: electromigration, diffusion, crack formation and propagation, oxidation, corrosion, fatigue (thermal, corrosion, cyclic), creep, delamination, wear etc. Anticipated topics include: fracture and deformation of small-scale biological systems, nanowires/nanotubes, thin films and film structures, microlectronics, MEMS, micro pillars, etc. . Invited speakers to include: Markus Buehler (MIT), Bob Keller (NIST), Jianyu Huang (Sandia National Labs), Xiao-Yan Gong (Medical Implant Mechanics), William Nix (Stanford), Daniel Gianola (U. Penn), Julia Greer (Cal Tech), Ahmed-Amine Benzerga(Texax AM), Mike Dugger (Sandia National Labs), Chung-Souk Han (North Dakota State), Gerhard Dehm (MU-Leoben), Michael Uchic (Air Force Research Labs), and Johann Michler (EMPA). More information can be found at: http://www.tms.org/meetings/annual-10/AM10home.aspx
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请教一个很外行的问题
zhshxboshi 2009-3-10 10:07
有没有哪位大侠给我解释一下怎么来判断材料是不是半导体材料,我是外行啊,不好意思问这样的问题? 我想知道可以通过什么方法表征材料属于半导体,不知道大家理解我的意思否? 迫切需要知道答案,各位路过的给点支持!
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热电材料科学进展及其对当代社会发展的影响及启示
热度 3 xwang0822 2008-12-7 20:08
发了几篇生活中的感悟，却迟迟没有专业相关的博文，以下是我的一个课程报告，算是对我的专业方向的一个交代吧，内容浅显，欢迎各位专家学者与我在此平台交流专业问题，并对文中知识性错误进行批评指正。 热电材料科学进展及其对当代社会发展的影响及启示 摘要： 热电材料是热 - 电能量转换的基础。其研究与发展已历经一百多年，特别是在 1955-1965 的 10 年间，国际上热电材料的研究曾达到高潮。随后由于高效率氟利昂压缩机的发现及应用等原因，热电材料经历了 30 多年的冷落期，然而自上世纪 90 年代，国际上又重新燃起了寻找新的高效热电材料的战火，任何技术上的突破将会对工业及环境产生巨大影响。 1 引言 早在 19 世纪初，法国物理学家 T.J.Seebeck 就发现了金属中的热电效应，即将两种材料组成圆环的两个接头置于不同的温度环境中，该环状导体中将产生电动势，这是热传导与电传导之间的两场耦合效应，亦称为温差发电效应。随后， Peltier 与 Tomson 发现了热电材料的其他两种效应，即电子致冷效应与 Tomson 效应。基于这些耦合效应，可用热电材料及器件实现热电之间的转换，把热能直接转换为电能；或反之，利用热电材料的 Peltier 效应产生热电致冷。因此，自热电材料发现伊始，科学家与工程师们便大力挖掘热电材料在发电、致冷、恒温控制与温度测量等领域的应用。其中，广泛用于温度测量的热电偶是热电科学应用中最成功最经典的例子 。 2 热电材料科学研究的发展历程 2.1 热电材料科学初期的艰难进展 自 1823 年热电效应发现至今已有一百多年的历史。利用简单合金制作热电偶测量温度及辐射能已得到了极其广泛的应用，然而热电偶的应用仅仅是将热能转换成电信号，而不是用于热电发电。在 1909 年， Altenkirch 建立了热电发电与制冷理论，提出了热电材料性能由它的优值 (Figure of merit)Z 来表征， Z 值越大则转换效率越高。实际工作中也常使用无量纲因子 ZT 的概念， ZT 值主要由三个参数来表征，要求具有高的 Seebeck 系数 ( a ) 和电导率 ( ) 、低的热导率 (k) ，如下式 : ZT = a 2 * *T/k 最初热电材料的研究仅限于金属，但金属材料的 Seebeck 系数 a 很小，故转换效率极低 ( 约 1 ％ ) ，致使热电发电应用方面的研究一直没有实质性的进展。直到上个世纪 50 年代，前苏联物理学家 Abram loffe 发现半导体掺杂后具有比金属高出几个数量级的 Seebeck 系数 a ，从而掀起来一股世界范围的热电材料研究热潮。在这段研究期间，对纵多的半导体和合金体系的热电性能进行了研究，发现碲化铋 ( 在室温 ) 是最好的热电材料，它的优值 ZT 约为 1 。但即便如此，其转换效率仅为家用氟利昂压缩机制冷效率的 1/3 ，这使 Loffe 最初将热电材料应用于家用电冷箱的设想变的不切实际。为了成功地与其他换能系统竞争，热电材料的 ZT 值必须提高至 1.5 ～ 3 。 尽管研究初期开发的热电材料转换效率低下，但由于热电器件的系列优点，如无移动部件、结构紧凑、无工作噪声、无污染、无振颤、安全不实效等，使得热电材料与器件在少数尖端高科领域得到了成功的应用。例如， 1977 年美国发射的旅行者号飞船中即安装了 1200 多个热电发电器，这些装置为飞船上的无线电系统、罗盘等科学仪器提供稳定长寿的动力源。 由于热电转换的独特优点，西方发达国家和前苏联的科学家一直进行艰辛的探索，也总结出来了不少研究成果，表明 a 、和 k 三个参数均为温度的函数，三者相互关联互为约束，仅可在半导体中通过适当掺杂等办法优化材料结构。受当时半导体制备工艺水平的限制，当时的研究思路还仅停留在掺杂工程层面，尽管如此，根据理论原则进行选择并经实验结果论证，不少同时具有高的迁移率、载流子有效质量和低的晶格热导率 ( 在此仅考虑晶格热导，因为电子热导与电导率呈正比关系 ) 的半导体热电体系相继被发现，如适合中温区间的碲化铅、适于高温使用的硅锗合金等，另外非常规半导体如，极化子半导体 n 型 FeSi 2 和富硼化合物等也具有较优良的热电性能。 在长期不懈的努力下尽管有了上述一些阶段性结论成果，但在近 40 年的时期内， ZT 约为 1 的记录一直未被打破，为热电科学研究领域蒙上了一层阴影， 科学家们逐渐对该领域丧失信心与兴趣，从而热电材料研究转入了长达三十多年的低谷。 2.2 热电效应及材料的新发展 近年来随着人们对能源、环境与可持续性发展之间关系问题的日益重视，以及半导体科学的新思路新发展，热电科学又获得新的活力。 Hicks 等人首先提出了超晶格量子阱 (MQW) 结构对热电效应的影响，认为减少维度会使费米面附近的电子态密度变大，增大了电导率，且使得载流子的有效质量增加，从而使超晶格量子阱的热电动势率相对于体材料有大幅的提高；另一方面，多层化引起的声子界面散射增加及量子禁闭效应减少了材料的热导率。与此同时，形式各异且各具特点的薄膜制备方法为半导体热电科学的发展指出了新的方向，如制备超晶格的主要技术主要有真空蒸镀方法、分子束外延 (MBE) 、磁控溅射、电化学原子层外延 (ECALE) 、金属有机化合物气相沉积 (MOCVD) 和连续离子层吸附反应法等。制备方法的引入结合新颖的思路反过来丰富了热电科学的理论，使得实验科学与理论模型互为借鉴，形成良好的发展趋势。 热电科学除了在低维度材料 的进展，体材料 领域同样有令人瞩目的进展。 Slack 描述了作为候选热电材料的特点窄禁带半导体， E g 10K B T(K B 为玻尔兹曼常数 ) ， 300K 时约为 0.25eV ，迁移率达 2000cm 2 /vs ，而同时热导率应较低。于是电子晶体声子玻璃 (PGEC) 概念的材料应运而生，即同时具有非晶态玻璃的低物性和晶体良好的电性能。自此，大量的不同体系 PGEC 热电材料成为科研人员争相开发的热点。实验表明，几种性能优良的 PGEC 热电体为方钴矿 (Skutterudite) 、笼形化合物 (Clathrates) 、 Half-Heusler 结构、 Zintl 相结构以及准晶材料等。上诉几类材料均具有独特的晶体结构，如 Skutterudite 和 Clathrates 体系即在其结构中存在一系列的结构空隙 ( 或笼子 ) ，可供插入外来原子 (Guest) 如稀土等，实现笼内填充原子与笼壁主体 (Host) 原子之间弱的键合，笼内插入原子的剧烈振动与主体原子晶格振动模式耦合形成新的光学支振动模式，从而降低材料的热导，此即为声子玻璃的由来。同时，主体原子仍保持良好的周期势场，载流子仍具有极好的迁移性能，此即电子晶体。另外， Half-Heusler 结构、 Zintl 相结构则是利用其自身的复杂结构 ( 包括内部的多面体空隙笼式结构、孤立线型络合阴离子基团等 ) 以晶体化学的角度对热电的多个参数进行控制和调整，从而实现热电优值的优化。 3 当代社会对热电材料科学提出的新要求 近年来，人类社会从几个方面的发展角度考虑对热电材料寄予了更为迫切的要求和期望。在此前提下，各个国家和地区的政府也为热电科学的发展注入了大量财力物力和新的活力。首先，能源问题。目前化石燃料的大量消耗和逐渐枯竭的趋势已经是不争的事实，人类文明和工业生产离不开动力源的支持，能源的贮备和控制成为各个国家和地区亟待解决的战略性问题。这个矛盾的解决方案要求人类必须用发展的眼光去看待未来的出路，所幸世界上大部分的国家和地区已经注意到了这一点。在技术层面上，采用可再生能源已成为绝对的焦点，太阳能，核能，风能，水利势能发电，地热能以及工业废热利用等不同能量转换模式都普遍得到了重视，其中不少业已得到了规模化的应用，比如太阳能光伏电池的广泛研发和试用，风能风车发电在北欧季风地区（瑞典芬兰等国）已实用化。热电转换作为候补机制之一，同样被人们寄予了厚望。丰富地热能源的利用、工业废热的回收利用以及汽车尾气废热的循环利用供电以作为车内驱动源之一等，都促使了人们对高效热电转换材料的大力开发。 再者，环境保护问题。生态环境与人类社会之间的和谐共存已得到全人类的共识，可持续性发展是全人类共同面对的挑战。在我国，第二代领导人提出科学发展观 和五个统筹发展方针旨在践行将我国工业发展模式由粗旷型向集约型转变，走新型工业化道路；第三代领导集体提出全民构建和谐社会，其中内涵更加系统和深入的认识到了国民经济和自然环境之间的依存关系。目前，由于化石燃料的过度开采使用和废弃产物的肆意排放，生态平衡遭到破坏，形形色色的恶性反馈已威胁到了人类社会文明的良性发展，乃至人类的生存处境。 生态链的破坏致使物种减少，过度砍伐以至森林面积大幅缩减，土地沙漠化，河流污染生活水源缺失等，影响人类生活；更严重者，如使用氟利昂导致大气臭氧层漏洞，紫外光谱及其它宇宙射线穿透大气层威胁人体健康，而工业生产和汽车尾气中 CO 2 及硫化物等温室气体的肆意释放，导致地球大气层浓度厚度异常，其温室效应造成地表温度上升冰川融化，直接威胁人类生存。开发利用清洁能源以避免工业生产对生态进一步恶化是大势所趋。各种新能源技术应运而生，包括燃料电池 (FC) 技术、光伏太阳能电池技术、超导技术和热电转换技术等，采用环保技术以缓解人类社会对生态环境的压力。比如，热电材料和器件的开发使用，可通过无污染的热电转换效应利用废弃热能 ( 来自地热、太阳光热、汽车尾气热、工业废热等 ) 获取电能供生产生活用电，或利用热电材料的电子致冷效应取代氟利昂压缩制冷技术，从而避免氟利昂对大气臭氧的破坏。 第三，科学技术自身发展的需要。热电科学作为凝聚态理论的一个分支，自身需要发展。现时代世界范围内对热电系统的研究主要集中在半导体，作为前沿交叉学科之一，热电科学涉及到固体理论在半导体中的应用，集成了纳米科技，晶体化学、热科学和能源科学等多学科的内容。而实验科学和理论研究又是相辅相成，互为促进的。比如，材料计算科学采用早期经典的热电理论为依据，结合第一性原理分子动力学或蒙特卡罗等建模的方式模拟热电材料与器件的制备生长环境，从理论上给出热电体系及实验参数的选取原则，实现对实验制备的指导。反之，计算机建模的前提是必要的近似和假设，与制备环境必然存在偏差，客观的实验结论则可对理论进行修正和补充。 4 展望 由于近年来环境和能源问题日益严峻，热电转换技术已经得到日、美、欧等西方先进国家的普遍重视，目前已有一部分成果得到了应用。毋庸讳言，我国在热电科学领域的研究还处于初步阶段，离国际先进水平还存在较大差距。但我们具有这样的信心，即在不久的将来，我国的热电科技水平将随着国家整体科技实力的进步而实现大幅的跨越。以下工作方向值得引起热电工作者的重视 ： (1) 加强器件的工艺研究，全面开发不同温度区间的高效热电转换材料，实现器件使用过程中温度梯度条件下有不同的高效选材，同时注重不同材料间匹配性 ( 相容性因子 1) ； (2) 在量子理论和固体理论的指导下，结合新的实验结论，促进热电科学理论的发展，进而拓宽热电研究的思路； (3) 加强纳米尺度微结构与热电性能之间关系的研究，如低维量子效应热电材料、有机无机纳米复合材料、氧化物热电材料等。
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说说帕耳帖效应
songshuhui 2008-9-2 15:21
Melipal 发表于2008-06-18 星期三 14:45 分类: 学科 , 物理 | | 前些天和同实验室的同学聊天，无意间聊到了饮水机如何制冷的问题。要说也是，这东西一来价钱不算太贵，二来耗电也不算太大，不大可能是用压缩机，那么是用什么方式让水降温？于是google之，赫然发现用的是半导体制冷，原理就是所谓的帕耳帖效应。原来这东西跟业余天文用CCD的制冷是一个道理，于是连忙去翻实测天体物理的讲义 帕耳帖效应其实是诸多热电效应的一种，算是Seebeck效应（也就是温差电效应）的逆过程。Seebeck效应是在两种导电材料的接合处通过温差来产生电压，帕耳帖效应就是让施加有电压的两种导电材料产生温差。具体计算也很简单，如下式所示： 其中 是产热率， I 是电流， 指两种导体的帕耳帖系数，物理意义是单位电流在某种材料中携带的热流数量。由于两种材料连接处电流连续而帕耳帖系数不连续，此处就会有热量的积累或是损失。通过改变电流的方向，就可以决定让设备产热或是制冷。 其实帕耳帖效应的发现不算晚，是在1834年。当年的发现者John-Charles-Athanase Peltier用的是铜线与铋线组成热电耦，不过现在出于效率的考虑，一般还是选择半导体材料，一端连接P型半导体，一端连N型，如今在小电器里用得遍地开花的应该就是它了。通常前者的帕耳帖系数为正，后者为负，这样就可以保证相对系数较大，增大热流进而是增大所产生的温差。 帕耳帖效应发现者、法国自然科学爱好者Peltier（1785 - 1845） 半导体热电耦示意 该效应的物理解释？可参考下图，电流可以归为电子的运动。在不同的导电材料中，电子所处能级并不相同。若从低能级运动至高能级，就需要将部分动能转化为势能，速度降低。微观运动速度是温度的表征，表现在宏观上，就是温度的下降。反之则是温度升高。在下图中，红绿色区域分别表示不同的材料，电子在绿色部分能级较低，红色部分能级高，因此电流从绿色流至红色时，在接合处就是降温区（上），由红至绿的接合点则为升温区（下）。至于Seebeck效应与帕耳帖效应的关系，其实就是帕耳帖系数等于Seebeck效应中温差与温差电动势的乘积。 对于天文CCD应用，号称是将多个热电耦组成热电堆，多堆合用可以做到摄氏零下70余度。当然这纯粹是掉书袋地一说，照搬实测天体物理学讲义的说法，不清楚实际情况如何，至少对于本人曾经使用过的SBIG ST7型CCD来说，最低是降到过零下20度上下，应付教学足矣，对于科研应用却有些过高。 不过对于日常用途，这帕耳帖效应真可谓优点多多，首先是环保，绝无氟利昂泄露之忧，也基本上没有恼人的噪音。当然还有结构的可靠性，因为本身没有什么可移动的部件，只是简单电路而已，制作维护也都方便。另外成本低廉也是其一大好处，电效应饮水机要比配有压缩机的饮水机便宜得多就是明证。不过由于该效应效率低、制冷速度慢，并不适合追求大面积或是高速的场合。 话说不知道有没有什么利用帕耳帖效应设计的日用品问世，比如做成椅垫，用开关控制电流方向来决定是产热还是制冷，冬夏使用皆宜，如此岂不妙哉？ 标签： 制冷 , 半导体 , 帕耳帖效应
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加州阳光之二十七 III-V族的革命
songshuhui 2008-9-2 14:29
siccashq 发表于2008-07-14 星期一 9:07 分类: 物理 | | 公元 02007 年 10 月 3 日，一位叫做周正龙的农民声称拍到了一只野生华南虎，镇坪县林业局绕过安康市林业局，越级上报省林业厅，省林业厅当即决定奖给拍虎英雄 2 万元，并最终演变本世纪初中国一场啼笑皆非的年画虎事件。公元 01988 年，在日本一个叫阿南的小城市里，一位普通的日亚公司职员厌倦了十年来生长一些磷化镓砷化镓单晶的活，也冒然越级走进公司董事长的办公室，提出了要制备氮化镓蓝光发光二极管，董事长当即决定资助 500 万美元的设备支持。三年后这位中村修二同学便在《应用物理快报》上发表了生平第一篇英文文章：一种用于生长氮化镓新颖的金属有机物化学气相沉积法。论文一发表便轰动了世界半导体产业界和科学界，要知道这个时候世界上有多少大公司、著名大学科研机构都在为半导体蓝光光源薄膜材料的制备工艺头痛不已，而氮化镓正是 III - V 族半导体材料中最具有希望的宽禁带光学材料。 问题并不在于这些科学家们不知道氮化镓，物理学上关于这种材料的能带结构、 PN 导电类型调控以及发光特性都有大量的理论和实验上的成果，真正让人头疼的是如果要实现这种材料的器件化，必须要使基板材料和氮化镓晶格匹配才行！正是因为这个难题全世界科学界和产业界几乎都把氮化镓抛在脑后，一股风地去研究能生长在砷化镓基板上的硫化锌、硒化锌等 II - VI 族半导体，即便这些半导体材料发光效率并不高，而且使用寿命很短。正如中村修二后来打趣的说，因为这些大公司的研发力量把 II - VI 族半导体的山头都占满了，不能竞争，只有另辟蹊径走别人不走的路。 一个人走在这条荒无人烟的路上，这确实是一条中村修二自己踏出的路，没有实验员，没有助手，难怪整个科学界都感到惊讶。他在短短四年时间克服了两个重大材料制备工艺难题，一个是高质量氮化镓薄膜的生长；另一个是氮化镓空穴导电的调控。前者他改进了金属有机物气相生长过程中组分气流进入的方式，经过多达 500 次试验，终于在普通蓝宝石基片上获得高电子迁移率的氮化镓薄膜；解决后一个问题采用的方法更加具有传奇色彩，当时日本 Meiji 大学的 Akasaki 和 Amano 教授已经报道镁掺杂的氮化镓薄膜利用电子束辐射可以实现空穴导电，但是中村修二实验发现只要控制工艺中的氢气浓度就可以大规模地得到 p 型掺杂材料。 01994 年 4 月，当中村修二在美国旧金山举办的春季材料会议上打开他发明的蓝色激光器那一瞬间，整个会议厅的科学家们如同小孩看烟火一般不断发出赞叹的声音。 我有时候很惊讶为什么日本这个国家总是出现这么多科学上的奇迹，中村修二是个公司的普通职员而已，发明蓝色激光器之前他也只是日本一个不知名大学（德岛大学）毕业的硕士生。回想到 02002 年诺贝尔化学奖奖给日本的田中耕一，一时间世界化学家们都不知道这个人是谁，日本化学界也都茫然地面对记者的提问，后来才知道田中耕一只是岛津制造所的一个小职员，本科生学历，所发表的关于测定蛋白质质量的论文也只是登载在日本一个小刊物上。我在想，当我们科学界沉醉于谈论 SCI 、影响因子和量化指标的时候，科学变成了一个急功近利炫耀的舞台，而不是充满冒险、乐趣、坚守和奉献的探索之旅，浮躁有理么？我们的科技体制到底要将科学轨道扳向何方？ 闲聊一句，中村修二虽然把最有显示度的结果都发表在美国的《应用物理快报》上面，但是对于核心的工艺成果却是通通发表在《日本应用物理杂志》上面。当然器件物理领域一些繁琐的革新是无法上一些物理化学明星期刊的，成果的优劣当然没有必要用这些期刊的高影响因子来证明。我们很多时候喜欢反过来说，国内大学科研院所网站上科技新闻的特点就是一有突破就是在 Nature ， Science ， JACS ， PRL 等等上面发了什么文章，如果没有这些期刊充面子简直提不上创新。另一方面，为什么中村会将工艺上的突破全部让本国刊物来发表？我猜测这个和日本应用物理学会对于重大知识产权的保护有很大的关系，如果试图发表在他国刊物上，必然会经受同行求疵而不是同行评价，严重的还会出现被压制或者被某个小组抢先一步发表。原创性成果的抢先发表有时候是科学家们的战争。但是我还是鼓励好的成果在做好知识产权保护之后（如申请专利或者在国际会议上简要宣布）发表在国际刊物上，我不认为这是学术殖民化，难道美国人会因为向英国《自然》投稿而感到被殖民化？真正的问题在于我们如果选择在一个平等的舞台上表达，就要面对暂时性的开发利用能力的不平等。在知识的转化上面我们是远远处于劣势的，这是真正让人感到不平衡的地方。如果我们因为领悟力不足而放弃在世界舞台自主创新做出努力，那么最后连交学费的机会都没有。 中村修二发明的氮化镓发光二极管对人类的贡献是显而易见的：利用深紫外发光可以高效率地净化生活用水；光纤通信的传输效率得到提高；超长使用寿命和高电光转换效率的全固态白光光源将极大促进绿色能源进程。美国能源部主持的一个关于全固态照明应用节能报告中指出， 02027 年如果用半导体发光技术取代现有主要照明工具的话，将可以节省近 660TWh ，相当于让 40 个 1000 兆瓦的发电站停工。 杜祥琬院士也帮中国算了一个帐： 如果都改用节能灯，可以节约一千亿度电，长江三峡每年是 800亿度，就是说我们能节约一个三峡还要多。我总是很同情环保主义者的很多偏激做法，之所以同情，是因为他们提供不了比科学更有效的方法来促成自然生态和人类社会融洽共处。 爱迪生曾经说过一句很有名的话：我们将生产出最便宜的电力，让富人去买蜡烛！半导体发光照明的最终实现，将来在昏黄的白炽灯下怀旧或会变成一种奢侈的享受呢。这真是一场 III - V 族半导体引发的能源革命。 标签： 二极管 , 半导体
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我的博客前言
许少鸿 2008-7-17 13:18
发光 (Luminescence) 是一个涉及固体物理、光学、有机和无机材料、半导体等等许多领域的交叉学科。固体发光的教科书虽然很多， 但是每本书通常只侧重发光机制的某一方面。近十几年我在上海科技大学和上海大学给研究生讲课时，感到没有一本适合于发光专业研究生学习的教科书。其原因是多方面的。首先， 研究生的知识背景不同。 其次，研究生将来的研究方向也不同。 因此我在讲课时， 尽量考虑具有不同本科专业背景的学生的需要， 并且比较全面地介绍发光的基本理论。 这样使学生在阅读有关文献时，能够比较容易地掌握其主要内容。经过多年的积累，形成了一本讲义。现在我把这份讲义放在我的博客里，以便在与发光有关的各领域中工作的科技人员参考。
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