半导体材料论文精品(七篇)
半导体材料论文篇(1)
关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体
1半导体材料的战略地位
上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。
2几种主要半导体材料的发展现状与趋势
2.1硅材料
从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。
从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。
理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。
2.2GaAs和InP单晶材料
GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。
目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。
GaAs和InP单晶的发展趋势是：
（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。
（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。
（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。
（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。
2.3半导体超晶格、量子阱材料
半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。
（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。
GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。
虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。
为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。
（2）硅基应变异质结构材料。
硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。
另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。
尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。
2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料
基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。
目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。
在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。
与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。
王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。
低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。
2.5宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。
以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。
II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。
宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。
目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶体
光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。
4量子比特构建与材料
随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。
所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。
这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。
5发展我国半导体材料的几点建议
鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。
5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位
至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。
5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议
GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。
5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议
（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。
宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。
（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。
半导体材料论文篇(2)
关键词：半导体，超晶格，集成电路，电子器件
1.半导体材料的概念与特性
当今，以半导体材料为芯片的各种产品普遍进入人们的生活，如电视机，电子计算机，电子表，半导体收音机等都已经成为我们日常所不可缺少的家用电器。半导体材料为什么在今天拥有如此巨大的作用，这需要我们从了解半导体材料的概念和特性开始。
半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质，在某些情形下具有导体的性质。半导体材料广泛的应用源于它们独特的性质。首先，一般的半导体材料的电导率随温度的升高迅速增大，各种热敏电阻的开发就是利用了这个特性；其次，杂质参入对半导体的性质起着决定性的作用，它们可使半导体的特性多样化，使得PN结形成，进而制作出各种二极管和三极管；再次，半导体的电学性质会因光照引起变化，光敏电阻随之诞生；一些半导体具有较强的温差效应，可以利用它制作半导体制冷器等；半导体基片可以实现元器件集中制作在一个芯片上，于是产生了各种规模的集成电路。这种种特性使得半导体获得各种各样的用途，在科技的发展和人们的生活中都起到十分重要的作用。
2.半导体材料的发展历程
半导体材料从发现到发展，从使用到创新，也拥有着一段长久的历史。在20世纪初期，就曾出现过点接触矿石检波器。1930年，氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用，使半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成，成为半导体的研究得到重大突破。50年代末，薄膜生长技术的开发和集成电路的发明，使得微电子技术得到进一步发展。60年代，砷化镓材料制成半导体激光器，固溶体半导体材料在红外线方面的研究发展，半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研究成功，使得半导体器件的设计与制造从“杂志工程”发展到“能带工程”，将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展，砷化镓和磷化铟等半导体材料得成为焦点，用于制作高速、高频、大功率及发光电子器件等；近些年，新型半导体材料的研究得到突破，以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出其超强优越性，被称为IT产业新的发动机。
3.各类半导体材料的介绍与应用
半导体材料多种多样，要对其进一步的学习，我们需要从不同的类别来认识和探究。通常半导体材料分为：元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、有机半导体、超晶格半导体材料。不同的半导体材料拥有着独自的特点，在它们适用的领域都起到重要的作用。
3.1元素半导体材料
元素半导体材料是指由单一元素构成的具有半导体性质的材料，分布于元素周期表三至五族元素之中，以硅和锗为典型。硅在在地壳中的含量较为丰富，约占25%，仅次于氧气。硅在当前的应用相当广泛，它不仅是半导体集成电路、半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上元件都离不开硅材料。锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中于制作各种二极管，三极管等。而以锗制作的其他器件如探测器，也具备着许多的优点，广泛的应用于多个领域。
3.2化合物半导体材料
通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即是指由两种或两种以上元素确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构的半导体性质。化合物半导体材料种类繁多，按元素在元素周期表族来分类，分为三五族（如砷化镓、磷化铟等），二六族（如硒化锌），四四族（如碳化硅）等。如今化合物半导体材料已经在太阳能电池、光电器件、超高速器件、微波等领域占据重要的位置，且不同种类具有不同的性质，也得到不同的应用。。
3.3固溶体半导体材料
固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的固态溶液材料，又称为混晶体半导体或者合金半导体。随着每种成分在固溶体中所占百分比（X值）在一定范围内连续地改变，固溶体半导体材料的各种性质（尤其是禁带宽度）将会连续地改变，但这种变化不会引起原来半导体材料的晶格发生变化.利用固溶体半导体这种特性可以得到多种性能的材料。
3.4非晶半导体材料
非晶半导体材料是具有半导体特性的非晶体组成的材料，如α-硅、α-锗、α-砷化镓、α-硫化砷、α-硒等。。这类材料，原子排列短程有序，长程无序，又称无定形半导体，部分称作玻璃半导体。非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸发或溅射的方法制备。在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器、太阳能电池薄膜晶体管等非晶半导体器件。
3.5有机半导体材料
有机半导体是导电能力介于金属和绝缘体之间，具有热激活电导率且电导率在10-10～100S·cm的负一次方范围内的有机物，如萘蒽、聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物等.其中聚丙烯腈等有机高分子半导体又称塑料半导体。有机半导体可分为有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。相比于硅电子产品，有机半导体芯片等产品的生产能力较差，但是拥有加工处理更方便、结实耐用、成本低廉的独特优点。目前，有机半导体材料及器件已广泛应用于手机，笔记本电脑，数码相机，有机太阳能电池等方面。
3.6超晶格微结构半导体材料
超晶格微结构半导体材料是指按所需特性设计的能带结构，用分子束外延或金属有机化学气相沉积等超薄层生产技术制造出来的具有各种特异性能的超薄膜多层结构材料。由于载流子在超晶格微结构半导体中的特殊运动，使得其出现许多新的物理特性并以此开发了新一代半导体技术。。当前，对超晶格微结构半导体材料的研究和应用依然在研究之中，它的发展将不断推动许多领域的提高和进步。
4.半导体材料的发展方向
随着信息技术的快速发展和各种电子器件、产品等要求不断的提高，半导体材料在未来的发展中依然起着重要的作用。在经过以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料发展历程后，第三代半导体材料的成为了当前的研究热点。我们应当在兼顾第一代和第二代半导体发展的同时，加速发展第三代半导体材料。目前的半导体材料整体朝着高完整性、高均匀性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向迈进。随着微电子时代向光电子时代逐渐过渡，我们需要进一步提高半导体技术和产业的研究，开创出半导体材料的新领域。相信不久的将来，通过各种半导体材料的不断探究和应用，我们的科技、产品、生活等方面定能得到巨大的提高和发展！
参考文献
[1]沈能珏,孙同年,余声明,张臣.现代电子材料技术.信息装备的基石[M].北京：国防工业出版社,2002.
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[3]彭杰.浅析几种半导体材料的应用与发展[J].硅谷, 2008,(10).
[4]半导体技术天地.http://www.2ic.cn/html/bbs.html.
半导体材料论文篇(3)
关键词：氮化镓 室温铁磁性 MOCVD
电荷是电子最基本的一个内禀属性，以电荷自由度为基础的传统电子学造就了现代半导体工业的辉煌。然而除了电荷，电子还具有另外一个内禀属性——自旋。在传统的电子学技术当中，电子的自旋特性并没有被充分利用。随着科学技术的进步，怎样有效的操控电子自旋从而设计新型的器件引起了科学家们的广泛关注，同时也促进了一门新的交叉学科——自旋电子学（Spintronics）的发展。作为自旋电子学材料的一个重要组成分类，磁性半导体是指由磁性过渡族金属元素或稀土金属元素部分替代半导体材料中的非磁性元素后所形成的一类新型化合物半导体材料。相对于传统的磁性材料而言，其磁性元素的含量比较少，所以又称之为稀释磁性半导体。稀释磁性半导体在自旋电子器件的实现上有着很大的优势，在晶体结构上，稀释磁性半导体的制备完全可以借鉴现有的半导体制备工艺技术，在材料生长过程中进行同质外延，生长出高质量的薄膜，足以满足器件要求；另一方面，晶格中磁性离子介入后，能带结构由于塞曼分裂而产生巨大的自旋劈裂，从而产生自旋极化电流，所以完全可以充当自旋极化电流的源层应用到自旋电子学器件当中去。
目前关于稀释磁性半导体磁性起源的理论主要可以分为两类。第一类理论立足于平均场近似的前提之上。该理论认为，磁性离子均匀随机的以替位形式进入半导体晶格当中，并通过某种均匀场的形式相互耦合，从而对外显现出宏观铁磁性。第二类理论把磁性的产生归功于晶格中磁性原子集结成的纳米团簇，主要是指含量极少的磁性金属颗粒以及其他相化合物。而对于不同方法制备的稀释磁性半导体材料，其结构相对有所不同，也就导致了其磁学、光学以及输运性质的不同。在第一类理论之中，由Dietl等人提出的基于Zerner模型的平均场理论[1，2]被普遍接受用以解释稀释磁性半导体的磁性来源。Zerner模型最初被用来解释稀土金属的磁性起源问题，该模型认为磁性的产生来源于巡游电子与局域自旋之间的交换作用。Dietl等人发现基于该模型并结合考虑等效平均场、以及极化载流子诱导的离子间交换耦合作用的各向异性之后，可以很好的解释GaMnAs、InMnAs等DMS材料的磁学行为，并能相对准确的验证此类DMS材料的居里温度。尤为重要的是，该理论结果指出，当材料中Mn离子浓度达到5%、空穴浓度达到1020cm-3之后，ZnO、GaN以及其他一些半导体材料可以表现出室温铁磁性。虽然相对于目前的实验技术，这些条件比较难以达到，但该理论仍然掀起了ZnO、GaN基等稀磁半导体的研究热潮。N化物半导体材料具有比较小的晶格常数，从而使得价带轨道与磁性离子之间产生很强的杂化效应。所以，在N化物稀磁半导体材料内部，价带空穴和局域磁性离子间的自旋相关耦合相对比较大，而这种自旋相关的耦合效应正是载流子诱导的铁磁耦合的关键。
目前，GaN薄膜的制备方法主要有分子束外延技术（MBE，Molecular Beam Epitaxy），金属有机物化学气相外延技术（MOCVD，Metal Organic Chemical Vapor Deposition）和氢化物外延技术（HVPE）等。在各种生长方法中，前驱物的种类、衬底的选择、缓冲层的选择、生长温度等条件直接影响着薄膜的晶体质量。
由于Dietl等人根据理论计算表明，Mn掺杂的GaN材料其居里温度可以达到室温以上，所以大量工作很早就在Mn掺杂GaN领域展开，各种材料合成方法也被用来制备Mn掺杂的GaN材料，比如固态扩散[3]，分子束外延（MBE）[4]，离子注入（ion implantation）[5]和金属有机物化学气相沉积（MOCVD）等[6]。Reed等人[3]应用固态离子扩散的方式在MOCVD生长的GaN薄膜里成功的掺入了Mn离子。通过XRD和TEM表征证实，样品保持了很好的均一性，没有磁性第二相物质存在。VSM结果表明，样品具有室温铁磁性。更为重要的是，不同温度下输运性质的测量，显现很明显的反常霍尔效应，从而在一定程度上说明了VSM观察到的铁磁性为内禀铁磁性。Kane等人应用MOCVD方法制备出Mn掺杂、（Mn，Mg）共掺以及（Mn， Si）共掺GaN薄膜[7]，对于Mn掺杂浓度为0.8%的样品，他们观察到了明显的磁滞回线图，样品具有很明显的室温铁磁性。但是对于（Mn，Mg）共掺的样品，几乎没有铁磁行为存在。他们对样品进行了热退火处理，希望激活样品内部的Mg离子，但是经过退火的样品其导电特性和磁学性能和未退火时几乎一样。通过SIMS测量他们发现，当固定Mn有机源流量时，随着Mg离子浓度升高，生成样品中Mn的浓度不断下降。于是可以得出这样的结论，（Mn，Mg）共掺的GaN样品生长时，与Mn离子相比，Mg离子更容易进入GaN晶格；Mg离子的进入减少了Mn离子的浓度，从而大大降低了样品的铁磁性。
Fe掺杂GaN材料的研究工作早期作主要集中在电学和光学的性能研究上，各种制备方法也被应用到该材料的制备上来。H.Akinaga及其合作者采用低温MBE技术制备出均质Fe掺杂GaN样品，并用TEM、EXAFS等手段对材料进行了分析[8]。应用EXAFS技术对样品的局域微观结构进行分析，证实了绝大多数的Fe离子取代Ga离子进入晶格，并且保证了Fe原子周围晶格的短程有序性。Theodoropoulou等人通过离子注入方法制备出了含Fe离子浓度高达5%的p型Fe掺杂GaN样品[9]。他们用传统MOCVD工艺制备出空穴浓度为3×1017cm-3的P型GaN样品，随后把高能Fe离子注入样品之中。同样，通过TEM分析可以得出结论，样品中没有第二相物质或纳米团簇的存在。样品在低温（10K）时具有很明显的铁磁性，掺Fe浓度为3%的样品其居里温度更是高达约250K，然而5%样品的居里温度略低于3%的样品，该小组认为，这是由于随着注入离子量的增加，会引发更多的缺陷以及施主能级，降低了样品中的空穴浓度，从而减弱磁性。对于载流子诱发铁磁性机制来说，这是一个很好的结果。
Bonanni小组对MOCVD生长的Fe掺杂GaN以及（Fe，Si）、（Fe，Mg）共掺GaN薄膜也进行了细致深入的研究，并把成果发表在Physical Review Letters等杂志上[10]。他们对高浓度Fe离子掺杂GaN进行了研究。结果表明，Fe在GaN中的固溶度仅有0.4%，当Fe离子浓度远远大于其在GaN的固溶度时，便会以Fe纳米团簇和Fe3N纳米团簇的形式存在。尤为重要的是，该组通过同步辐射XRD和高分辨TEM对Fe掺杂GaN、（Fe，Si）或（Fe，Mg）共掺GaN材料进行了研究，在材料里观察到了亚稳态相分离现象，即观察到了不同区域Fe元素有显著差别，但晶格结构仍能保持原有GaN的晶格结构，并没有观察到其他相的存在。更重要的是，Si或Mg离子的掺入，为GaN材料带来了额外载流子，而这些载流子易于被Fe离子束缚中心所俘获。与晶格中的孤立Fe离子相比，束缚了空穴或电子的Fe离子相互之间的库伦相互作用被大大降低，从而抑制了富Fe区域以及Fe纳米团簇和Fe3N纳米团簇的形成。
为了生长出质量较好的Mn（Fe）掺杂GaN样品，我们采用在GaN上同质外延。首先在c面取向的蓝宝石（Al2O3）衬底上生长低温GaN缓冲层，然后在高温下（1050℃）生长高质量的未掺杂GaN薄膜，最后在上面继续外延Mn（Fe）掺杂的GaN薄膜。材料生长采用三甲基镓做镓源，甲基二茂锰（二茂铁）做锰（Fe）源，氨气（NH3）做氮源。稀磁半导体材料的光电磁等物理性质与材料中磁性离子的浓度直接相关，我们通过改变通入反应腔的Ga源Mn（Fe）源的流量比，从而改变GaN中掺入的离子浓度，尽可能在大范围离子浓度下对样品的各项性能进行研究。随着掺杂离子浓度的增加，GaN的晶体质量会受到很大影响，尤其是稀释磁性半导体材料，要求磁性离子的浓度远远高于传统的半导体掺杂工艺所达到的浓度。同时，不同掺杂浓度的样品，其结构和成份的变化也直接影响了材料的光学、电学以及磁学特性，所以弄清稀磁半导体材料的微观结构以及成分对于材料制备过程的优化以及自旋电子器件的实现至关重要。针对这些问题，我们对Mn掺杂GaN以及Fe掺杂GaN的结构、光学、电学以及磁学性能进行了详细的研究[11，12]。
如图1（a）所示，由X射线衍射测量结果可以知道，当Mn离子的浓度小于2.7%时，Mn掺杂GaN材料的XRD衍射峰除了对应宝石衬底和六角结构的GaN相外没有其他相的衍射峰，这说明该Mn离子浓度下的掺杂GaN晶体保持了单一的六角结构；而当Mn原子百分比为3.9%时除了宝石衬底和六角结构GaN相的衍射峰外，在θ值为18.3°附近还有一个很宽的衍射峰，这对应于六角结构的Mn6N2.58（002）晶面的衍射峰。由此我们可以认为，Mn离子在GaN中的最大掺杂浓度不大于3.9%，当离子浓度过大时，将会以其他相物质的形式析出。我们用超导量子干涉仪对薄膜进行了磁性测量，测量的结果如图1（b）所示，测量在5K温度下进行。除了Mn掺杂浓度为3.9%的样品，我们没有在其他样品中发现铁磁信号。样品3.9%中观测到了微弱的铁磁，我们认为这可能是由于样品中MnxNy类似化合物引起的。
图2（a）为Fe掺杂GaN材料的XRD衍射图谱，从图中我们可以看出，在低浓度Fe掺杂时（Fe浓度小于1%），没有其他相物质的出现，样品保持很好的晶格结构和晶体质量，而当Fe离子浓度较高时，样品内部出现了Fe3N等纳米团簇。图2（b）样品室温下测得的磁滞回线，我们可以看到，样品均体现出清晰室温铁磁，与低浓度样品相比，高浓度样品的饱和磁化强度有大幅度提高，我们认为这是由于样品中存在的第二相物质引起的。
为了研究并且比较一下Mn和Fe掺杂GaN材料二者的掺杂效率，我们定义了一个效率系数k，其计算过程由下式所示：k=（Dion/DGa）/（Pion/PTMGa）。其中，Dion和DGa为合成材料中磁性离子和Ga离子的浓度，pion和pTMGa为通入反应腔的磁性离子有机源（Cp2Fe， MCp2Mn）和三甲基镓（TMGa）的摩尔量。该式的物理含义不难理解，对于理想条件下，通入反应腔的有机源完全反应，所生成的掺杂GaN样品中的磁性离子与Ga离子比应等于通入反应腔的前驱物的摩尔流量比，即 k值应该为1。但实际样品制备过程中还要考虑到诸多其他因素，一方面，通入反应腔的有机源并不能按照摩尔比完全反应，另一方面，离子浓度还受到固溶度的限制，导致实际制备的样品中掺杂离子浓度要远远小于理想条件下。
通过该我们可以计算得到，对于样品Fe2和样品Fe4，k值分别为0.40和0.58，而对于样品Mn2和Mn3，k值则分别为0.10和0.07。Heikman小组曾经对MOCVD方法制备的Fe掺杂GaN也进行了类似的掺杂效率研究[13]，他们应用SIMS精确测量了材料中Fe与Ga的离子浓度，对于不同的样品，最后得到k值约为0.6，与我们的结果比较接近。对于Mn掺杂GaN材料，目前还没有相关研究结果报道，但是基于我们不同系列的Mn掺杂GaN材料生长经验，可以肯定，其掺杂效率要远远低于Fe掺杂GaN材料。
参考文献
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[7] M.H.Kane，M.Strassburg，A.Asghar et al，Mater.Sci.Eng.B 126， 230（2006）.
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[11] Z.K.Tao，R.Zhang，X.G.Cui et al，Chinese Physics Letters，25， 1476-1478 （2008）.
半导体材料论文篇(4)
自从三次科技革命以来，能源成为了国家经济的命脉，资源危机的乌云多次在世界的上空弥漫。生物质因其资源丰富、可再生被认为是21世纪可被人类利用的最丰富的绿色资源。
生物质可以转化为能源和各种化工产品与生物质基材料。目前我国生物质材料工业采用直接转化的模式，生产过程存在效率低、能耗高、产物类型少等问题，因此如何将生物质进行高附加值的综合开发利用是生物质产业面临的主要瓶颈之一。
绽放梦想
任俊莉在攻读博士期间，师从于华南理工大学孙润仓教授（杰青、长江学者特聘教授）。在良师的教导下，她主要针对蔗渣和麦草秸秆中半纤维素的分离、结构表征及定向转化为造纸助剂进行了系统研究，完成了博士论文。怀揣着对校园的热爱，对科研的执著，她选择了毕业留校，继续从事于农林生物质半纤维素的分离及其转化为高附加值的多元化产品的基础和应用研究。
2008年2月，任俊莉受单位资助赴瑞典隆德大学化学工程系做访问学者，在此期间，她针对农业秸秆转化生物乙醇过程中的关键技术问题进行了深入研究，考察了碱预浸渍和蒸汽爆破相结合的技术对麦草秸秆转化乙醇产率的影响。
东西方文化的碰撞，学术氛围的交融在任俊莉身上起了奇妙的化学反应，对于科研的激情更甚。
在生物质能源的科研道路上，她不高大，但执著。
半纤维素在自然界中的含量十分丰富，在植物中的含量占1/4-1/3，仅次于纤维素的含量。因半纤维素独特的化学结构，较高的环保价值，使其在造纸、食品包装、生物医药、污水处理等领域有着潜在的商业价值。半纤维素被公认为是制备环保材料的理想材料。因此，以半纤维素为基质制备功能材料的研究为农林生物质资源的高值化利用提供了新的资源化道路。
为此，任俊莉将研究方向定为农林生物质高值化利用的基础和应用研究，尤其在半纤维素转化为多元化高附加值产品方面有着丰富的研究经验。
放飞梦想
每个人都有梦想，难得的是将梦想坚持下去。
恩格斯曾说过，社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。在任俊莉负责的诸多有影响力的项目中，主要以基础研究为主，其中，她带领的课题组在研的广州市科信局应用基础研究计划项目“新型环保半纤维素基重金属离子吸附材料的制备及应用研究”凝结了团队成员的心血和智慧。制备的半纤维素吸附材料具有较好的吸附性能，尤其对重金属离子具有较好的吸附性能，同时还对尿素具有一定的缓释效应，将在农业、污水处理等行业有着潜在的商业应用前景。
其中，该项目体现了两大创新：首先提出一种新型环保生物质基吸附剂的方法。该方法工艺简单易行，该方法的提出基于“过程绿色，产物与环境友好”，具有科学性与先进性。该吸附剂具有生物可降解性，能够多次循环利用，可应用于污水处理中的重金属离子富集和回收，将为半纤维素在新材料研究应用领域开辟一条资源化道路。
其次提出一种温和条件下均相体系制备带有碳碳双键的半纤维素衍生物新方法。该方法在较温和的条件下合成出均一性好、分子量高的GMA修饰的半纤维素。该聚合物可以进一步通过接枝共聚等技术制备功能材料。该研究将为半纤维素工业化均相改性以及大规模应用于污水处理、造纸、医药等工业领域奠定理论依据。
谈到实实在在的成果，任俊莉告诉记者，该项目以农林废弃物半纤维素转化为可生物降解的功能材料为目标，研发了一种吸附重金属离子的新型环保材料，属于污水处理、高分子材料、高分子化学、林产化学等多学科交叉研究领域，涵及可降解高分子材料技术及污水处理技术，具体为一种新型环保重金属离子吸附剂的制备及其对重金属离子吸附和脱吸行为以及再生性能的研究。
这个项目主要以农林生物质蔗渣和竹材加工下脚料分离和纯化得到的木聚糖类型的半纤维素为原料，从分子学角度设计了半纤维素基新型吸附材料的组成和结构；通过调控反应参数，制备了系列阴离子型的木聚糖基水凝胶，其吸水率在80-900范围内，表现出对pH、有机溶剂极好的智能响应行为和反复的开-关特性。该水凝胶对铅、铬、锌重金属离子的最大吸附量达859、495、274mg/g，重复使用8次之后仍保留原来90%的吸附容量。制备的系列木聚糖基水凝胶可以作为吸附材料、吸水/保水材料、智能开关等可以应用于污水处理、医药等行业。该功能材料具有生物可降解性、可再生能力，能够循环使用，富集的重金属离子能够被分离和回收，在污水处理工业具有潜在的应用前景。
我们可以预见到，利用生物质制备生物能源、生物质基材料和化学品，以补充或逐步替代不可再生石化资源是目前资源转化的一种重要发展趋势，将推动现有的庞大的化石基工业体系向生物质工业体系的良性转变。
实现梦想
科技人才最重要的价值体现在他们的创造价值上。科技人才能够利用他们掌握的专业知识进行创造性的劳动，提出新的理论和新的解决方法，并转化为新的生产力。
目前，任俊莉的具体研究方向是构建半纤维素功能材料理论体系和方法，制备高性能的复合膜材料、具有良好选择性的吸附材料以及对药物具良好控释性能的药物载体等功能材料，并考察了它们在食品、污水、农业及医药行业的应用。
另外，她将“绿色催化化学”理念应用于半纤维素高选择性合成化工中间体的研究中，主要利用纳米催化技术在水相和绿色溶剂体系催化转化半纤维素及单糖合成糠醛及糠醛衍生物等高附加值化学品，实现了原料天然、过程绿色、产物环保的目的，符合当前绿色经济的发展。
为此，从工作至今，任俊莉主持了大大小小多个项目，如国家自然科学基金面上项目、教育部新世纪人才支持计划项目、教育部高等学校全国优博论文作者专项基金项目、广东省自然科学杰出青年基金（首届）、广东市科技计划项目、广东省教育厅育苗工程、华南理工大学第一批优秀青年学者培养对象、华南理工大学中央业务费重点项目和面上项目、中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室、重点实验室人才基金、新教师基金及开放基金等多项项目。
目前，她主持的国家自然科学基金面上项目、教育部新世纪人才支持计划项目、教育部高等学校全国优博论文作者专项基金项目、广东省自然科学杰出青年基金（首届）等项目主要是针对农林生物质半纤维素的清洁高效分离及高值化利用进行基础研究，建立了半纤维素高效分离技术体系，提出均相改性新方法，创立半纤维素均相化学修饰体系，揭示半纤维素在离子液体体系的溶解机理，依据半纤维素的化学结构，设计合成了系列不同功能的半纤维素基材料，阐明了半纤维素结构与材料性能之间的关系，这些研究为半纤维素的工业应用提供了重要的理论依据。
除了在半纤维素领域取得了一定成果，任俊莉同时还担负着传道授业的师者责任。她协助孙润仓教授指导了博士研究生3名，其中两名研究生分别获得华南理工大学优博创新基金的特等资助。指导5名硕士研究生。在指导研究生时，任俊莉在生活上给予他们物质和精神的双重支持；在科研方面，她细心指导，时刻跟踪学生科研工作动态，及时发现问题，及时解决。并且，还积极参与和协助学科带头人对学科的建设，帮助团队青年教师在项目申报、等方面快速成长，完善学术梯队建设。
收获梦想
6月22日，由《科学中国人》杂志主办的“科学中国人（2012）年度人物颁奖典礼”在北京万寿宾馆举行。此次，共评选出百余位科学中国人（2012）年度人物及年度人物特别奖。
荣誉的殿堂上，任俊莉如莲花般夺目。当杰出青年科学家获奖者登台领奖，所有人都关注到了那万花丛中一点红，她是获奖者中唯一的女性。组委会给她的提名理由这样描述：多年来以造纸植物资源半纤维素的高值化利用为研究核心，针对制浆造纸过程中半纤维素资源化利用效率低、成本高及转化产品类型少等瓶颈问题开展工作，在解译蔗渣、麦草和黄竹半纤维素化学结构的基础上，依据半纤维素的构效关系构建了多元化半纤维素基产品合成新理论和新方法，建立了具有自主创新的半纤维素转化技术体系，研究成果受到国内外学术界的广泛关注和跟进。研究成果获高等学校科学技术奖自然科学奖一等奖2项（2012年，2008年，排名第五）。申请人2010年获“全国百篇优秀博士论文”奖，2012年入选广东省高等学校“千百十工程”第七批校级培养对象，同年获得教育部新世纪人才支持计划项目、广东省自然科学杰出青年基金项目、华南理工大学首批杰出人才培养计划培养对象―优秀青年学者等人才项目资助。
年轻如她，坚持如她，勤奋如她。也许她的专业你根本不懂，也许她从事的科研无法理解，但作为中国人，你应该知道造纸术是中国四大发明之一，人类文明史上的一项杰出的发明创造。在任俊莉的工作中，主要致力于以制浆造纸产业为平台的生物质炼制新模式的研究，重点对造纸过程中半纤维素资源综合利用进行系统研究。针对制浆造纸过程中半纤维素资源未得到充分利用的现状，提出了造纸原料制浆前预处理提取半纤维素及纯化半纤维的技术体系，并对其结构及定向转化进行了详细的研究。这不仅是科研的进步，更是中华文明的传承。
半导体材料论文篇(5)
《光电材料导论》是我校无机非金属材料专业2013年开设的专业课程。开设这门课程的原因是：（1）国家在十二五规划中提出了重点发展的七大战略性新兴产业，其中之一的的新材料产业包含了功能材料，而光电材料是功能材料的一种；（2）我校的无机非金属材料教研室的很多老师从事光电材料相关的研究，具备开设这门课程的师资力量。所以在课程的教学内容的选材方面，我们会着重从这两个方面考虑。而教学方法会利用现在的多媒体技术，与传统的板书相结合，让学生更加形象生动的加深对知识的理解[1]。
1 教学内容的选材
在教学内容的选材方面，我们综合考虑了以下几个因素：
首先，学生必须能够有所学，开设一门课程才是有意义的。光电材料是功能材料的一种，为了便于学生循序渐进地吸收理解光电材料的专业知识点，教学内容分成三个方面：光功能材料、电功能材料、光电材料及器件。首先，讲解光功能材料和电功能材料方面的知识点，在具有这些知识的基础上，再讲解光电材料及器件方面的知识，学生们就比较容易理解。
其次，我们结合现在的就业情况及研究热点。我们设置的教学内容，既考虑了学生们以后的就业，也考虑到想进一步深造读研究生的学生们的研究工作。光功能材料方面的教学内容包含了激光材料、发光材料、红外材料及光纤材料。电功能材料方面的教学内容包含了导电材料、半导体材料、介电材料、铁电材料及超导材料，其实半导体材料也是一种导电材料，之所以把半导体材料单独作为一个章节，是因为半导体材料是太阳能电池和LED照明灯的核心材料，这也是为后面的光电材料及器件的讲解做铺垫。光电材料及器件方面的教学内容包含了光电子发射材料、光电导材料、透明导电薄膜材料、光伏材料与太阳能电池及光电显示材料。
2 教学方法的探索
光电材料的内容更新很快，现在的学生不仅应该掌握传统基础的材料知识，更应该掌握最新的知识点，更应该了解光电材料的最新研究进展，而使用多媒体教学能够及时地更新课件的内容，使得教学内容能够跟上最新的研究成果[2]，也能让学生及时了解学习最新的材料知识。
多媒体教学还有助于激发学生学习的兴趣[3]，因为它在视觉上能够让学生很直观的学习知识，比如：太阳能电池的工作原理，我们可以在Powerpoint（PPT）上给出太阳能电池工作原理图，然后再对照图给学生详细讲解其原理，学生将更深刻的理解其原理。再比如，在讲解光纤的传输原理时，可以通过多媒体技术使用动画，让学生很直观地了解光纤的原理。
但是多媒体教学应该和传统的板书结合起来，因为有些知识仅仅通过多媒体展示，学生可能比较难理解，还需要老师再次将其中的重点和难点板书出来详细讲解，同时也可以加深同学的印象。
同时，我们在整个的教学过程中，采用的是启发式及提问式的教学方法。通过对学生进行提问，启发学生自主思考，加深学生对知识点的理解。
3 课程考核方式的选择
课程考核的成绩包含两个方面，一个是平时成绩的考核，一个是期末成绩的考核。
平时成绩的考核，我们通过上课提问、课后习题、出勤率等方面进行考核。上课提问可以考查学生对上节课内容的掌握程度，还可以考查学生是否认真听讲、是否认真思考问题。课后习题包括两个方面，一个是对课上内容的考查，帮助学生巩固课上知识，另一个是对课外知识的拓展，督促学生课后查阅文献，培养学生的学习能力。
期末成绩的考核，我们采用撰写科技论文的形式进行考核。《光电材料导论》开设在大四上学期，总共24个课时。因为光电材料的内容更新比较快，而教学课时比较有限，通过撰写科技论文的形式，既可以督促学生去更全面的了解光电材料最新的研究进展，又可以锻炼学生查阅文献的能力，培养学生总结文献的能力，有利于大四学生在下学期更快进入本科毕业论文的工作。
4 需要改进的地方
作为本专业开设的新课，在教学的探索与实践过程中，肯定存在一些不足，有很多地方需要我们去反省和改进。我们自己对此进行了总结，具体包括以下三个方面：
（1）在多媒体教学过程中，我们不仅只是使用了PPT这个软件，还应该引入视频，比如，在讲解使用直拉法制备单晶硅时，就可以引入一段视频，让学生更直观地了解使用直拉法是如何制备单晶硅的。
（2）在教学的过程中，我们还应该出示实物，让学生能够直接接触，加深印象。可以出示实物包括光纤、发光二极管LED，单晶硅片和多晶硅片（这时，还可以教学生从宏观上如何分辨单晶硅片和非晶硅片）、ITO玻璃、闪锌矿及纤锌矿结构模型等，不但增强生学习光电材料的兴趣，而且让他们对光电材料实体有直接的感性认识[4]。
（3）在教学过程中，我们还应该加入两个学时的讨论课，老师布置一个题目，让学生课后准备，几个学生一组，进行资料搜集与整理，然后让一个学生做代表，在讨论课上做PPT报告，其他组的学生进行提问，作报告的学生做解答。同时这个也要纳入平时成绩中，占总成绩的20%。
半导体材料论文篇(6)
【关键词】微铸造；熔模材料；石膏
熔模微铸造来源于传统的熔模铸造，而熔模铸造必不可少要提到熔模材料，熔模材料的优劣直接影响到铸件质量，对于熔模微铸造这点尤为重要。
传统的熔模材料主要分两种：磷酸盐基熔模材料和石膏基熔模材料。因为熔模材料对于铸件质量的影响相当大，为了制备出尺寸精度和表面粗糙度俱佳的高质量铸件，无论是哪种铸型材料，均应有好的流动性和好的细节复制能力。并应有低的表面粗糙度和孔隙率[1]，并在干燥和焙烧之后，仍具有优异的力学性能和热稳定性，且在高温液态金属浇注时应不与熔化的金属反应。本文旨在对微铸造用熔模材料的应用加以综述。
1.磷酸盐基熔模材料
磷酸盐基熔模材料可应用于铸造温度在1200～1500℃之间的金属，并且磷酸盐基熔模材料具有高的热阻和好的机械强度，所以现在磷酸盐基熔模材料广泛应用于多种合金的牙科铸造。
在磷酸盐基熔模材料中一般添加氧化镁和磷酸氢氨作为粘结剂，二氧化硅作为添加材料，特定情况下对于金基合金也加入石墨粉作为添加材料。粘结剂和添加物混合时，通常加入水性的硅溶胶增加强度。磷酸盐基熔模材料水化主要的反应[2]：
NH4H2PO4+MgO+5H2OMgNH4PO4·6H2O
在燃烧过程中，磷酸氨基转化为一水磷酸镁释放出水和氨，反应如下：
MgNH4PO4·6H2OMgNH4PO4·H2O+5H2O>160℃
2（MgNH4PO4·H2O）Mg2P2O7+3H2O+2NH3>250℃
熔模材料在高于1000℃就会通过多余的氧化镁和磷酸粘结剂以及二氧化硅添加物反应分解，反应如下：
Mg2P2O7+MgOMg3（PO4）2>1000℃
2MgO+SiO2Mg2SiO4>1000℃
由以上的反应可知，在1000℃以下，磷酸盐基熔模材料反应放出气体，气体的放出严重影响铸件的表面质量，对于牙科和首饰铸造可以通过后期打磨去除表面缺陷，但对于无法进行后期处理的微小零件就显得不适用。另一方面，磷酸盐基熔模材料的去除只能使用化学方法，这就把铸造合金限制在不容易被腐蚀的贵重金属及合金，而除此之外易腐蚀的多种工业铸造金属，磷酸盐基熔模材料则显得无能为力[3]。
2.石膏基熔模材料
石膏基熔模熔模材料主要是石膏，对不同合金材料的浇注，要加入不同的填料和添加剂，以改变石膏的整体性能，来满足铸造的需要。对于熔模微铸造，因为铸件整体尺寸小（
在石膏（CaSO4-H2O）系统中[4]，一般认为石膏相有五种形态，五种形态是：二水石膏、半水石膏、硬石膏Ⅲ、硬石膏Ⅱ、硬石膏Ⅰ或七种变体，七种变体是：二水石膏（CaSO4·2H2O）、α型半水石膏（α-CaSO4·1/2H2O）、β型半水石膏（β-CaSO4·1/2H2O）、α型硬石膏Ⅲ（α-CaSO4Ⅲ）、β型硬石膏（β-CaSO4Ⅲ）、硬石膏Ⅱ（CaSO4Ⅱ）、硬石膏Ⅰ（CaSO4Ⅰ）。
熔模材料所用的石膏首先要使半水石膏和水发生水化反应，然后干燥、定型，最后应用于铸造生产。而上述半水石膏有两种变体，这两种变体石膏的生产工艺是不同的。如图1所示[4]，α型半水石膏是在高压蒸汽条件下生产的，而β型半水石膏是在干燥的空气条件下生产的。两种半水石膏在晶形上没有太大的差别，如图2所示[5]，但两种半水石膏的特性差别很大，如表1所示[6]。
关于半水石膏的水化机理一般认为有两种[7]：即溶解析晶理论和胶体理论。溶解析晶理论认为，熟石膏加水拌合后，首先是半水石膏在水中的溶解，由于半水石膏的溶解度比二水石膏的溶解度大（在20℃时，前者为8.85g/L，而后者为2.04g/L），当溶液达到半水石膏的饱和溶解度时，这时对于二水石膏的平衡溶解度来说已高度过饱和，所以在半水石膏的溶液中二水石膏会自发地析晶。由于二水石膏的析出，便破坏了半水石膏溶解的平衡，使半水石膏进一步溶解，以补偿溶液中由于二水石膏析晶所消耗的Ca+2和SO4-2离子，如此不断地进行，直到半水石膏完全溶解全部形成二水石膏为止；胶体理论认为，在半水石膏水化过程中，半水石膏首先与水生成某种吸附络合物（即形成某种水溶胶），水溶胶凝聚形成胶凝体，然后这些凝胶体再进一步转化为结晶态二水石膏。西安科技学院的牟国栋[8]研究了半水石膏水化过程的物相变化，给出了无胶凝机理存在的实验证据。Singh[5]综述了半个世纪以来研究者对于半水石膏水化的机制和动力学研究成果，认为第一种水化机制最有可能发生。
表1 半水石膏形成条件及其不同特性[6]
熔模微铸造生产的微小件尺寸只有亚毫米级，要求相应的微铸型具有很高的表面粗糙度，现有的熔模材料由于其晶粒尺寸粗大，均满足不了如此之低的表面粗糙度需要。对于熔模材料显微组织细化的研究很少，文献都是通过填料来细化熔模材料[9]。德国卡尔斯鲁厄研究所[10]采取添加超细石英粉从而达到熔模材料的细化的目的，但是由于添加大量超细石英粉，就使得熔模材料的比表面积增加，使水膏比增加，这样就会降低铸型材料的强度，使透气性也随着降低，从而因铸型内气体压力增大，而导致微铸件无法圆满成形。
3.结语
由此可见，现有的熔模材料研究根本没有改变石膏的晶粒尺寸，只是通过增加微细的添加物试图降低熔模材料的表面粗糙度。为了制备出具有优异表面粗糙度的微铸型，从而制备出低表面粗糙度和高尺寸精度的微铸件，仅仅是通过添加颗粒细小的材料来改变熔模材料的复制性能是远远不够的。因此，通过先进方法制备出适用于微铸造的熔模材料是熔模微铸造发展的关键因素。
【参考文献】
[1]H.H.Schulz.Modelling and Anatomy of Tooth Crowns.Dental Labor，1976，24（1）：51-54.
[2]G.Baumeister，J.Hausselt，S.Roth and R.Ruprecht.Microcasting.In：DL？he J.Haubelt（eds） Advanced Micro and Nanosystems： Micro-engineering in Metals and Ceramics.Wiley-VCH.Weinheim，2005：357-393.
[3]S.Rath，G.Baumeister and J.Hausselt.Investments for Casting Micro Parts with Base Alloys.Microsystem Technologies，2006，12（3）：258-266.
[4]高以熹.石膏型熔模精铸工艺及理论.西北工业大学出版社，1992：145.
[5]N.B.Singh and B.Middendorf.Calcium Sulphate Hemihydrate Hydration Leading to Gypsum Crystallization.Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials，2007，53（1）：57-77.
[6]罗启全.铝合金石膏型精密铸造.广东科技出版社，2005：234.
[7]袁润章.胶凝材料学.武汉工业大学出版社，1996：115.
[8]牟国栋.半水石膏水化过程中的物相变化研究.硅酸盐学报，2002，30（4）：532-536.
半导体材料论文篇(7)
关键词：太阳能电池；半导体 ；非晶硅薄膜材料；
【分类号】：TK519；TK121
一、太阳能电池半导体工作原理
制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池材料可分为：1、硅太阳能电池材料；2、以无机盐如砷化镓 III-V 化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶材料太阳能电池等。
二、太阳能电池材料的严格要求
不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：1、半导体材料的禁带不能太宽；2、要有较高的光电转换效率；3、材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上 几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主 的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它村料为基础的 太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。
三、太阳能电池产业化发展
太阳能电池是将太阳光能直接转换成电能的光电池 。以太阳电池组成的地面发电系统， 管理简单、使用可靠、易于实现无人值守。 由于组件框架式结构 ，质量轻 ，运输 、安装 、拆卸都很方便。安装时对场地基础要求不高，建设工期短，运行时无噪声、无振动 。作为一种特殊的供电装置，受到广大无电地区的用户欢迎。近年来全球太阳能电池产量增长迅速，1994 年产量为 72.7M w ，1995 年产量为 90M w 。国内市场也 出现需求旺盛 ，产量同步增长的情况。
四、薄膜太阳能电池材料的发展状况
为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池材料的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池材料，其中多晶硅薄膜太阳能电池材料和非晶硅薄膜太阳能电池材料就是典型代表。
1、多晶硅薄膜材料电池
通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350～450μm 的高质量硅片上制成的， 这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省 材料，人们从 70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的 硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。 解决这一问题办法是先用 LPCVD 在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚 的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主 要有固相结晶法和中区熔再结晶法。
2、非晶硅薄膜太阳能电池
开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜材料太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到 迅速发展，其实早在 70 年代初，Carlson 等就已经开始了对非晶硅材料电池的研 制工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展，目前世界上己有许多家公司在此种 材料的基础上生产该种电池产品。 非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为 1.7eV， 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶 硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即 所谓的光致衰退 S 一 W 效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的 p、i、n 层单结太阳能电池 上再沉积一个或多个 P-i-n 子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；②顶电池的 i 层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保 证 i 层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰 退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。 非晶硅薄膜材料太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、 PECVD 法、LPCVD 法等，反应原料气体为 H2 稀释的 SiH4，衬底主要为玻璃及 不锈钢片， 制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。
3、化合物薄膜太阳能电池
3.1 碲化镉太阳能电池
碲化镉（ Cd Te）材料成本低、效率高.且光谱响应与太阳光谱分吻合。薄膜的 生长工艺主要有丝网印刷烧结法、近空间升华法、真空蒸发法等。碲化镉半导体 光伏材料理论转换效为 30 % o。Cd Te 电池实验室效率 16. 4%大规模生产的商业 化电池平均效率 8%一 10%。四川大学制备出的电池率达 11.6 %。以 cd Te 吸收 层，CdS 作窗口层的结构为：减反射膜/玻璃/ SnOz ： F/ CdS/ P-CdTe/背电极，这种 电池转换效率达 16 %。
3.2砷化镓太阳能电池
1954 年.首次发现砷化镓材料具有光生伏特效应，1974 年砷化镓电池效率的 理论值达 22 %～25 %。实验室条件下在 CaA s 单结电池效率已超过 25 %。目前 研究的砷化镓系列太阳能电池有单品砷化镓、多品砷化镓 ， 镓铝砷一砷化镓异 质结、金属一半导体砷化镓、金属一绝缘体半导体砷化镓等。材料的制备类似于 硅半导体的制备，有晶体生长法、直.接拉制法、气相生长法、液相外延法等。 另外 III-V 族三、四元化合物（ CaInP ，Al CaInP ， CaInA s 等）半导体材料的技术日 益成熟，可通过设计电池结构来提高效率和降低成本。双结电池的效率最高为 30%，三结电池为 38%，四结电池为 41 %。
4、聚合物薄膜太阳能电池
以聚合物为材料的太阳能电池是近些年开始的研究方 向.具有分子结构自行设计合成、易加工、毒性小、成本低等特点。目前制作聚合物半导体层主要是：真空技术，主要包括真空镀膜溅射和分子束外延生长技术； 溶液处理成膜技术.主要有电化学沉积技术、铸膜技术、分子组装技术、印刷技 术等；单品技术.主要有电化学法、扩散法和气相法。 Heeger 等发现.聚乙炔用 Iz ，AsFs 掺杂后电导率明显增高。口前 P3 H T/ PCB M 体系最高的光电转化效率为 4% 。使带双嚓嗯乙烯撑边链的二维共 扼聚嚓吩与 PCB M 共混时.能量转换效率达 3. 18%。虽然聚合物电池有着众多优点，但性能无法与传统太阳能电池相比。
参考文献： [1]梁宗存.沈辉.李戮洪.太 GR 能电池及材料}J（ufJ l.
[2]耿新华.张建军.硅基薄膜太阳电池新进展[[J].
