发布时间：2023-03-20 16:15:31
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的半导体材料论文样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
它具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，可实现高压、高温、高频、高抗辐射等能力。
它的应用范围覆盖半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等朝阳领域。
它被视为未来支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料，将引领光电产业的新一轮革命。
它就是以碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）等为代表的第三代半导体材料，如今世界各国争相布局的战略高地。
在世界范围内，第三代半导体材料在各个领域的产业成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍处于实验室研发阶段。尽管我国起步较晚，发展较缓，无论基础研究还是产业化推进都仍有很长的路要走，但这并未影响该领域内科研人员潜心攻关、奋起直追的决心。
哈尔滨工业大学基础与交叉科学研究院宋波教授，就是奋战在我国第三代半导体材料研究最前沿的优秀科研人员之一。
他L期从事第三代宽禁带半导体材料的生长与物性研究，凝练了气相质量输运动态平衡控制及温场调控等关键科学问题，对碳化硅、氮化铝等光电功能晶体生长过程的动力学优化、关键工艺参数控制与物理性质调控等相互关联的科学问题开展了系统研究，成果颇丰。
雏凤新声，结缘宽禁带半导体
一代材料，一代器件，一场革命。材料的重要性，在半导体产业已经得到印证。
以硅（Si）为代表的第一代半导体材料，引发了电子工业大革命；以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料，则拓展了半导体在高频、光电子等方面的应用，使人类进入光纤通信、移动通信的新时代。而如今，正是第三代半导体材料“大展身手”的时代。
第三代半导体材料又叫宽禁带半导体，是指禁带宽度大于2 eV（电子伏特）的一类半导体，以碳化硅、氮化铝、氮化镓、立方氮化硼（C-BN）等为主要代表。它们所表现出的高温下的稳定性、高效的光电转化能力、更低的能量损耗等绝对优势，吸引了业界的普遍关注，有望全面取代传统半导体材料，开启半导体新时代。
宋波进入这一领域是在博士阶段。那是2005年前后，他正就读于中国科学院物理研究所，师从我国著名晶体结构专家陈小龙研究员开展研究。当时国内宽禁带半导体研究起步不久，各项研究都非常薄弱。
2008年，宋波回到家乡哈尔滨，并在哈尔滨工业大学韩杰才院士引荐下加入该校基础与交叉科学研究院。在这里，宋波确立了宽禁带半导体生长与物性研究这一研究方向，立志从基础研究领域着手，改善我国关键性、基础性战略材料依赖进口的局面，促进宽禁带半导体材料和器件产业的发展，提升产业核心竞争力，缩小与西方国家的差距。
在近十年的研究过程中，宋波作为课题负责人承担了包括国家自然科学基金项目、总装“十二五”预先研究重点项目、科技部国际科技合作项目等在内的20多项科研项目，在J. Am. Chem. Soc.， Nano Lett.， Phys. Rev. Lett.， Adv. Funct. Mater.， Phys. Rev. B等国际著名SCI学术杂志上100余篇，论文被正面他引1000余次；获得授权发明专利13项。特别是在SiC基稀磁半导体和AIN基晶体生长研究方向，取得了一系列创新性成果，引领了国内外相关研究的进步，在行业内形成了一定的影响力。
层层深入，攻关SiC基稀磁半导体
稀磁半导体是自旋电子学的材料基础，能够同时利用电子的电荷属性和自旋属性，兼具半导体和磁性的性质，新颖而独特，是第三代半导体材料的热点研究之一。
现阶段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半导体的研究已经取得了突破性进展，但仍无法满足人们对自旋器件高温、高频、大功率和抗辐射等性能的要求，SiC基的出现恰逢其时。宋波在这一前沿方向进行了广泛而深入的研究，并取得了系列研究进展。
他提出了非磁性元素Al掺杂制备SiC基稀磁半导体，在200 K观察到了玻璃态的铁磁有序，同时实现了4H-SiC晶型的稳定可控。首次提出了非磁性元素掺杂AlN基稀磁半导体的研究思路，有效地避免磁性杂质的引入，为探讨稀磁半导体的磁性来源提供了理想的实验体系。
论文在2009年发表后，至今已被他引50余次，得到不少业内专业人士的直接认可，认为其启迪了思考。中国科学院外籍院士C.N.R. Rao教授就曾在论文中直言：宋等的工作显示了铁磁性不是来自磁性杂质而是来自于sp3杂化向sp3-sp2混合杂化转变的过程中所导致。
随着研究的不断深入，宋波的研究也渐入佳境――
同样在2009年，他利用在h-BN中的实验结果证实了美国布法罗州立大学Peihong Zhang教授等人的理论预言，即在带隙宽度达5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接诱导的内禀磁性。这一成果获得了包括波兰科学院物理研究院O. Volnianska教授在内的业界专家的正面引用和广泛认可。
2010年，他提出了双元素（Al，TM）复合掺杂SiC基稀磁半导体的研究思路。在Al掺杂稳定4H-SiC晶型的基础之上，同时掺杂磁性过渡金属元素，来获得高Tc、高矫顽力和高剩磁的稀磁半导体。
2011年，他提出了采用缺陷工程调控半导体磁性的新方向。与合作者一起采用中子辐照在碳化硅晶体中诱导出了以硅-碳双空位为主的缺陷，在实验上给出了硅-碳双空位导致铁磁性的证据，并从理论上揭示了双空位产生磁性的物理机制，证实了磁性元素并非半导体磁性的唯一来源，为深入探究宽禁带半导体的磁性起源提供了新的科学认识。在此之后，国内外有超过18个研究小组开展了缺陷诱导半导体磁性的研究工作，并在相关论文中引用了他们的成果，将其列为缺陷导致磁性的典型例子。
把握前沿，初探AIN晶体生长
AlN基的高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等现代化军事和航天装备等领域急需的电子器件。
宋波介绍，与其它的半导体材料相比，AlN基低维材料的形貌较为单一，这导致对其新性质和新应用的探索受到了较大的制约。
因此，深入开展生长动力学研究，探究生长过程中质量输运-温场分布-成核动力学的内在关联，从微观机理上阐述物性变化的原因，探索新奇物理效应，成为制约宽禁带半导体发展的关键科学问题，同时也是一项亟待开展的基础性研究工作。
在这一研究方向，宋波同样取得了不俗的成绩――
（一）在AlN机理生长方面，首次发现本征的六重螺旋生长机制。
他@得了单晶AlN纳米和微米弹簧、AlN螺旋结构、AlN平面六边形环等新颖纳米结构，系统性研究首次发现AlN纳米/微米结构和AlN单晶都遵循六重对称的旋转生长机制。
这一发现极大地丰富了人们对于AlN晶生长机理的认识，对调控AlN生长形貌，获得大尺寸、低缺陷密度的AlN晶体具有重要参考价值。
（二）在AlN新物理性质探索方面，他首次在AlN微米螺旋结构中发现了时间长达300秒的长余辉效应。
研究中，他分别从理论和实验上对AlN螺旋结构中氮空位和铝间隙耦合效应进行了研究。首次发现氮空位和铝间隙的共同作用会诱导出新的能级，进而导致长余辉效应的显现。这一发现，丰富了人们对于AlN基本物理性质的认识，为设计和制造新型AlN基光电子器件提供理论指导。
在AlN纳米线螺旋结构的力学测试中首次发现了AlN单晶螺旋中存在弹性形变。该发现为制备AlN基纳米器件提供了进一步的认识。
（三）在AlN晶体生长方面，突破了多项关键技术，包括形核温度控制技术、晶粒长大过程控制技术、形核控制技术等。
研究中，宋波掌握了包括电阻率及均匀性控制技术、多型缺陷浓度控制技术以及晶体质量稳定性控制技术等在内的多项关键技术，获得了高质量的晶体材料。
他所获得的直径达35mm的双面抛光片，位错密度小于107个/cm2，申报了国家发明专利7项，研究水平居于国内领先地位。
他重新设计和研制了全钨的晶体生长炉、AlN原料原位补充系统和垂直梯度坩埚。试验结果表明，采用新的生长组合系统大大提高了AlN的晶体质量，其中AlN晶体的主要缺陷密度，特别是O（氧）含量降低了约3个数量级，电阻率提高了约2个数量级，为进一步获得高质量的AlN晶体提供了技术支撑。
多年来，宋波非常在意与国际学者的交流与合作，不仅承担了科技部国际科技合作项目，还在多年的研究中与美国威斯康星大学麦迪逊分校Song Jin教授、西班牙科尔多瓦大学Rafael Luque教授建立了广泛的合作关系。特别值得一提的，是在对俄对乌合作方面，宋波与俄罗斯科学院固体物理研究所国际知名晶体学家Vladimir Kurlov教授、国际SiC晶体生长专家Yuri Makarov教授，以及俄罗斯科学院西伯利亚分院半导体研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作关系，曾多次出访俄罗斯与乌克兰相关科研机构，为推动双方的科技交流合作作出了重要贡献。
因表现突出，宋波获得了2009年黑龙江省自然科学一等奖、2009年黑龙江省高校自然科学一等奖等荣誉；得到了教育部“新世纪优秀人才”计划、哈尔滨工业大学“基础研究杰出人才培育计划（III类）”和“青年拔尖人才选聘计划（教授类）”的支持；并在三年内连续两次获得副教授和教授的破格提升。2016年，宋波被评为哈尔滨工业大学“先进个人”。
1 实验设计思路
将本课题组已发表的SCI论文“一锅法合成氮杂螺芴氧杂蒽有机半导体材料”[5]改为本科实验，主要根据以下原则：
1.1 新颖性原则
螺芴类分子砌块具有共轭打断效应、刚性十字交叉构象和空间位阻效应，被广泛用于有机电致发光二极管、场效应晶体管以及太阳能染料敏化电池等领域[6]，成为一类重要的有机半导体材料。氮杂芴螺环芳烃由芴基螺环芳烃发展而来在继承螺芴的各类优势的基础上增加了氮杂芴基团的功能特性包括电子受体、金属配位、质子化以及超分子弱作用等。因此，具有广阔的发展前景[7-9]。
1.2 可行性原?t
所选的科研成果的反应类型是最经典的傅克反应，与学生所学的有机化学课本紧密联系。通过实验预习、讲解、操作以及总结，进一步巩固与加深对傅克反应的理解和运用。另外，该反应原料易得，合成步骤简单易行，无毒安全性高，可以在本科实验室开展。
1.3 综合性原则
氮杂螺芴氧杂蒽的合成操作涉及反应装置的搭建、TLC点样、柱层析等各类操作。在整个操作过程中，重点学习TLC点样和柱层析。产品表征利用核磁共振。
1.4 环保性原则
目前氮杂螺芴氧杂蒽大部分合成方法具有如下缺点：（1）底物范围拓展的限制和前体合成的困难；（2）合成步骤的冗长。我们课题组发展了一锅法合成氮杂螺芴氧杂蒽有机半导体材料。反应过程中依次构建了C-C， C-O和 C-C三支化学键，并高效合成了氮杂芴螺环芳烃，符合绿色化学的理念。
2 实验内容
实验名称：一锅法合成氮杂螺芴氧杂蒽有机半导体材料
实验仪器：磁力搅拌器，圆底烧瓶，回流冷凝管、电子天平、分液漏斗、锥形瓶、层析柱、核磁共振波谱仪。
药品：氮杂芴酮，对甲基苯酚，三氟甲磺酸，1，2-二氯苯，碳酸钾，二氯甲烷，无水硫酸镁，乙酸乙酯。
2.1 实验原理
该反应是典型的傅里德-克拉夫茨反应，简称傅-克反应，英文Friedel?CCrafts reaction，是一类芳香族亲电取代反应，1877年由法国化学家查尔斯?傅里德和美国化学家詹姆斯?克拉夫茨共同发现。本实验在酸性条件下反应，首先通过氮杂芴酮与苯酚的傅克反应生成中间体I，紧接着脱水形成三正电型超亲电体II，由于电荷间的排斥作用，导致氮杂芴9 号位的正电荷会通过共振方式迁移至酚羟基上，活化酚羟基的反应活性。随后另一苯酚分子以亲核进攻的方式与中间体III 发生反应，形成醚键。紧接着分子内的质子转移与脱水过程在苯环上再次生成碳正离子V。最后碳正离子重新迁移到氮杂芴的9 号位发生分子内的傅克合环反应，得到最终的目标产物氮杂螺芴氧杂蒽。
2.2 实验步骤
2.2.1 氮杂螺芴氧杂蒽的合成
先向圆底烧瓶中加入0.18克的氮杂芴酮，再分别加入2ml 1，2-二氯苯与0.8ml三氟甲磺酸。在室温下搅拌大约半小时后，向其中加入0.54克的对甲基苯酚。随后升高温度至 85度。通过TLC 板监控反应至氮杂芴酮反应完全。将反应降温至室温，用碳酸钾溶液淬灭此反应，之后用二氯甲烷萃取，收集有机相并用无水硫酸镁干燥，抽滤。最后柱层析分离提纯得到氮杂螺芴氧杂蒽。
2.2.2 螺环氧杂蒽的结构表征
使用核磁共振（NMR）对所得到的产物进行结构表征。通过与标准的氮杂螺芴氧杂蒽的氢谱和碳谱进行对比确认结构
2.2.3 实验报告
实验报告要全面总结实验，特别强调实验结果的分析，并对实验结果提出自己的观点。
3 教学效果
3.1 理论联系实际，深化理论知识
体现有机化学基础知识的综合性，在所设计的实验中涉及《有机化学》中典型的傅克反应。通过TLC板监测反应进度，有助于理解反应现象以及反应过程。通过核磁共振表征产物，可以了解核磁测试过程以及核磁共振表征原理。通过对氢谱的解析，理解化学位移、耦合常数以及自旋裂分等理论知识。
3.2 科研和教学结合，强化创新思维
将科研和教学相结合，促进了教学方法的改革和教学方式的创新，也培养了适应社会发展需要的高素质人才。实践证明，从事科学研究的教师能更准确地把握教学内容，更好地把科?W研究的方法贯穿到教学实践之中，是培养学生的创新思维和创新能力的重要途径。同时高水平、高层次的科研项目和平台也为本科生的培养创造了优越的条件。
3.3 实验与生活相结合，激发学习兴致
将制备的氮杂螺芴氧杂蒽作为电致发光材料，应用于有机电致发光二极管、存储器以及太阳能电池中。在整个实验过程中，详细说明每个操作与所学专业的内在联系，
让学生深刻体会到所学专业知识的重要性和必要性，激发学生的学习兴趣以及求知欲望和积极探索精神。在实验操作过程中，锻炼了学生的动手能力以及实践操作能力。通过科学实验报告的撰写，锻炼并加强了学生的写作能力。
4 结语
关键词：染料敏化太阳能电池；光阳极；染料敏化剂
中图分类号：TK513 文献标识码：A
随着全球经济的迅速发展，石油等化石燃料价格的逐年攀升引发了新一轮的能源危机。人类对可再生能源的迫切需求使人们对新能源领域的研究日益兴起。太阳能作为一种可再生能源，以资源量丰富、无污染、开发利用方便等其他能源不可比拟的优势，逐步成为国内外研究的热点[1]。
利用太阳能最直接的方式便是太阳能电池，根据制备所需材料的不同，太阳能电池可以分为：硅基太阳能电池，多元化合物半导体太阳能电池，有机太阳能电池和染料敏化太阳能电池[2]，其中硅基太阳能电池是目前发展最为成熟且应用占主导地位的一类电池，单晶硅太阳能电池的工艺和技术发展的较为成熟，最高转换效率为25%[3-4]。但是由于硅基太阳能电池对原料纯度的要求高和制作成本昂贵，人们开始探索制备成本低廉且环保的新型太阳能电池。
1991年，瑞士格桑工学院M.Gr?tzel教授[5]领导的研究小组以纳米晶TiO2作为薄膜半导体电极，以羧酸联吡啶钌配合物作为染料，选用氧化还原电解质，制作了新型染料敏化纳米晶太阳能电池（Nanocrystalline Photovolatic Cells，简称NPC电池），获得了7.1%～7.9%的光电转化效率，自此各国开始了DSSC的研究之路。在2004年，M.Gr?tzel教授[6]等人使DSSC的光电转换效率提高到了10%～11%。2011年，台湾交通大学刁维光教授领导的研究小组与瑞士洛桑理工学院合作，以一种人工叶绿素-紫质分子取代钌金属络合物，成功将DSSC电池的光电转换效率提高到13.1%，这被誉为2005年之后全球替代能源发展的最大突破。
1 DSSC的基本结构和工作原理
1.1 DSSC的基本结构
染料敏化太阳能电池（DSSC）主要是由导电基底、纳米晶半导体多孔薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质以及对电极五部分组成，如图1所示。DSSC被形象地称为“三明治结构”：纳米颗粒的堆积排列构成半导体多孔薄膜附着在一侧的导电基底上；染料敏化剂吸附在薄膜表面，二者共同构成DSSC的阳极部分；另一边的导电基底制备成了镀Pt的对电极；通过surlyn热封薄膜将两片导电基底组装在一起，中间空隙处填充含有I3-/I-氧化还原电对的电解质溶液，用密封胶封好四周，形成一块完整的电池。
1.2 DSSC工作原理
DSSC的工作原理如图2所示：作为半导体多孔导电薄膜材料不易被可见光激发，为了解决这一问题，通常会在薄膜表面吸附一层具有良好吸光特性的染料光敏化剂（D）。在可见光照射下，染料分子吸收光能从而跃迁到激发态（D*），但由于激发态的染料分子不稳定，会与纳米晶TiO2薄膜的表面发生相互作用，使电子迅速从染料激发态注入到较低能级的TiO2导带。进入导带的电子在TiO2多孔薄膜中传输到导电基底并被收集，最后在外电路流向对电极，形成光电流。处于氧化态的染料（D+）由电解质溶液中的碘离子I-还原为基态，同时，被氧化的I-变成I3-，I3-在对电极上获得电子被还原，从而构成一个完整的光电转换循环[8-10]。电池的工作机制中存在着光生电子与氧化态染料分子和电解液中I3-的复合，即暗反应过程，暗反应过程会减少外电路中电子的数量，从而降低DSSC电池的光电转换效率。为了克服这一缺点，要求尽可能加快电子注入半导体薄膜和染料还原的速率，降低电子-空穴复合机率，从而提高DSSC的光电性能。
2 DSSC主要组成部分的研究进展
2.1 DSSC光阳极纳米多孔半导体薄膜
纳米多孔半导体薄膜作为DSSC的阳极部分主要起到衔接作用[11]，薄膜表面吸附着染料敏化剂，会将从染料处接收的电子转移给导电基底，因此，纳米多孔半导体薄膜的性能直接影响染料的吸附量和电子传输效率。影响纳米多孔半导体薄膜性能的因素主要包括半导体材料的晶型、比表面积、晶体粒径、薄膜的厚度以及薄膜表面的粗糙程度等[12-13]。目前，对于光阳极的研究主要在加快电子在薄膜中的传输速率，增大薄膜的染料吸附量以及提高薄膜半导体材料的光催化活性三个方面。常用作DSSC光阳极的半导体材料有ZnO、TiO2、SnO2等，其中n型半导体材料TiO2具有较大的带隙宽度（3.2EV），且化学性能稳定，无毒无污染，耐腐蚀性良好，被广泛地用作DSSC光阳极的材料。TiO2常态下有三种晶型，即金红石、锐钛矿和板钛矿，其中锐钛矿的光催化活性较高，制成DSSC的性能较好。
制备光阳极表面致密的纳米多孔TiO2薄膜的主要方法有：涂敷法[14]、溶胶-凝胶法[15]、水热合成法[16]、丝网印刷法[17]、电化学沉积法等[18-19]。其中涂敷法最为简单，制备的薄膜较为平整，丝网印刷法则适合DSSC的大规模生产，为DSSC的产业化奠定了基础。研究表明单纯的纳米TiO2薄膜光电性能并不理想，主要由于半导体TiO2的吸光范围主要存在于紫外光区，而对可见光的吸收率较低；同时，电极材料的大比表面积会增加电子在传输过程中与空穴复合的机率，产生暗电流，降低电子传输效率，进而使DSSC的转换效率大大下降[20]。近几年来研究人员采用金属离子掺杂、表面化学处理、半导体复合等多种薄膜改性技术来提高纳米晶TiO2薄膜的光电性能。彭天右等人[21]通过浸渍法用金属离子（Mg2+、Zn2+）修饰TiO2薄膜电极，浸渍后形成的金属氧化物能够有效抑制TiO2薄膜的塌陷，提高了DSSC的转换效率。李丽等人[22]对纳米TiO2薄膜进行金属镍的掺杂，随后将氧化钕包覆在掺杂后的薄膜表面，结果显示掺杂金属镍后纳米TiO2薄膜内部形成了能级势垒，有效抑制了电子-空穴复合；而氧化钕的包覆提高了电子的注入效率，DSSC的光电转换效率提高了17%。Wang等人[23]用盐酸（HCl）处理DSSC光阳极，结果显示表面处理后的DSSC的短路电流与开路电压都有大幅提升。此外，半导体复合可以扩大电极的光响应范围，改善电极的吸光性能，调节电极的禁带宽度，减少光电子与空穴复合机会，从而提高光电转换效率[24-26]。Kim等[27]运用热化学气相沉积法将ZnO半导体材料复合到纳米TiO2薄膜电极上，增加了电极的比表面积，促进染料的吸附，使DSSC的光电转换效率提高到1.21%。
将无序的TiO2薄膜作为阳极薄膜，传输的电子会与电子受体发生复合，从而造成电子的损耗，在阳极制作面积变大时尤为明显，会严重影响DSSC的光电性能[28-29]。通过制备有序的纳米线、纳米棒[30]、纳米管[31]作为薄膜电极材料，可以抑制电子-空穴复合，实现电子有序快速传输，提高DSSC的短路电流和开路电压。赵丽等[32]将水热合法制得的ZnO纳米棒与氟钛酸胺、硼酸混合，并在600℃煅烧制得了结晶度较好 ZnO/TiO2 纳米管复合电极，促进了电子的运输，光电转换效率可达到0.66%。这将是未来几年纳米薄膜电极的发展趋势。
2.2 染料敏化剂
染料敏化剂被纳米多孔半导体薄膜吸附，主要对入射光进行捕获，是DSSC工作时的首要步骤。多年的研究表明，性能良好的染料敏化剂需要满足如下条件[33-34]：
2.2.1具有很好的吸附性
迅速达到吸附平衡后不易脱色。作为DSSC的敏化剂，一般要求染料带有一些具有吸附性质的官能团，如-COOH，-PO3H2等，这些官能团可以使染料在TiO2薄膜表面吸附得为牢固，有利于提高电池的光电性能。
2.2.2要求染料处于激发态时的寿命足够长
能够在长期光照条件下完成多次循环反应，提高电子传输效率。
2.2.3光谱响应范围较宽
吸收光谱与太阳能光谱匹配度较高，可以尽可能多的吸收和利用太阳光。
2.2.4为了确保从激发态染料的最低能量轨道顺利注入TiO2倒带中，必须具有足够的氧化还原电势，即染料的氧化态电位要低于TiO2的导带电位，而染料的还原态电位要高于电解质的电位。
目前，用作DSSC的染料敏化剂主要有无机染料敏化剂、有机染料敏化剂以及纯天然染料敏化剂三种，其中无机染料敏化剂和有机染料敏化剂可以统称为合成染料敏化剂[35]。由于无机染料敏化剂通常会选择CdS、CdSe等物质为原料，对环境破坏严重，因此，现阶段各国基本上都用有机染料或纯天然染料敏化剂代替它。20世纪80年代，Gr?tzel小组[36-37]在DSSC的光阳极中添加了配合物敏化剂RuL2（NCS）2，使电池在480～600nm波长范围的IPCE超过了80%，电池的光电转换效率达到了10%，这就是后来被广泛使用的N3标准染料。1999年，继N3后Gr?tzel[38]研发的N719染料能够有效抑制暗电流的产生，电池光电转换效率达到11%。台湾大学周必泰教授[39-40]领导的研发小组，在前两种染料的基础上合成了名为TFRS和TF的新型染料敏化剂，光电转换效率均在10%左右。最近，由长春应化所王鹏教授与Gr?tzel研究小组合作开发的C101染料，可实现11%～11.3%的转化率，被认为是目前钌吡啶配合物中性能最好的敏化剂[41]。
美中不足的是，有机染料中需要钌、锇、铼等稀有金属，价格非常昂贵。而纯天然染料大多从自然界中植物体内获取，如叶绿素、黑莓素等，资源丰富、提取过程简单，生产成本较有机染料低得多，因此，天然染料近年来成为了探索的热点。Furukawa等[42]从甘蓝中提取出红色甘蓝色素，用于商用P25制备的半导体薄膜上，组装后测得电池的光电转换效率可达0.6%。周惠芝等人[43]分别从植物的叶、花等材料中提取了20种天然色素用作敏化剂，经过光电性能测试后发现山竹果皮色素敏化的DSSC开路电压达到0.68V，接近N719的效果。虽然天然染料的研究已经取得了一些进展，但是要将其广泛应用还需一定的时间。
2.3 电解质
染料敏化太阳能电池（DSSC）所用的电解质为含有I-/I-3氧化还原对或是含有（SeCN-）3/SeCN-离子体的电解液[44]。现如今电解质主要有液态电解质、准固态电解质、全固态电解质三类。液态电解质存在着易挥发、不稳定、不利于电池的密封等缺点，这使得人们不断地寻求性能更为优良的电解质。准固态电解质介于液态电解质和全固态电解质之间，主要是在液态电解质中加入凝胶剂，从而达到固定电解质、延长使用寿命的目的。常用的准固态聚合物电解质基体有[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。马莉[46]根据锂电池中制备准固态电解质的方法将PVDF和PMMA制成了共混基准固态电解质，并深入探讨了二者的最佳混合比例以及电导率的提高情况。聚氧化乙烯（简称PEO）作为一种水溶性聚合物，结构中的C-O-C醚氧键有利于与无机电解质形成缔合物。梁桂杰等人[47]以四种不同分子量的PEO为基质制成溶胶形式的准固态电解质，深入了分析电导率与PEO分子量的关系，将四种电解质运用到DSSC中，获得了3.16%～4.17%的光电转换效率。虽然准固态电解质有助于提高电解质的性能，但是毕竟具有流动性，还是存在着易挥发、难封装等一些列问题。全固态电解质完全解决了上述问题，加之全固态太阳能电池的高转化效率影响，让全固态电解质作为电池中空穴传输的材料得到了广阔地发展。目前全固态电解质的材料主要有无机p-型半导体材料、有机空穴传输材料、导电高聚物和固态复合电解质[48-49]。谭永东[50]将苯胺加入固态聚乙二醇电解质中，在一定条件下合成苯胺增塑固态电解质，加强了电解质的稳定性，提高了DSSC的光电转换效率。虽然固态电解质相对于液态电解质稳定性较高，但本身存在着浸润性差、空穴传输速率低、电阻较大等缺点，如何克服这些问题还需进一步探讨。
2.4 对电极
DSSC的对电极的作用是传导电子同时将电解质中的I3-还原为I-。作为对电极要具备电阻小，催化活性高等特点，以减少电子传递过程的能量损失。DSSC的制备中所采用的对电极主要有镀铂（Pt）对电极、碳材料电极、导电聚合物电极等，实践证实Pt对电极的性能较好[51]。
Pt是一种具有高催化活性的金属，对电极经pt修饰后具有较高的催化性能，而且镀Pt对电极表面具有平面镜的作用，可将没有被染料分子吸收的入射光重新反射给染料，增加入射光被染料吸收的几率。目前，制作Pt对电极的方法有很多，如磁控溅射真空镀法、热分解法、电化学镀膜法等[52-54]。虽然对电极经Pt修饰催化活性有所增加，但金属Pt昂贵的价格会增加电池的成本，制约了DSSC的发展。
碳材料具有良好的导电性，且资源充足、价格便宜、无污染，被视为可替代Pt的优质材料。为提高碳电极的导电性能，近几年人们除了研究各种形态的纯碳对电极外，更对以碳材料为载体的复合材料电极产生了兴趣[55-58]。清华大学的石高全教授[59]的研究小组用石墨烯/苯乙烯磺酸复合而成的60nm薄膜充当对电极，经实验证实复合电极的性能接近于同等条件的Pt对电极。南开大学窦衍叶等人[60]将磷化镍（Ni2P）与碳纳米管制成复合电极，有效降低了对电极的电阻，为开发新型对电极提供了依据。此外，高分子导电聚合物具备质量轻、稳定性好等特点，将其制成对电极应用在柔性DSSC中，也可以达到提高效率的目的。总体来说，目前研究开发的新型对电极仍然存在着催化性能低，材料与基底附着力不强等问题，对电极的研发还存在着较大的发展空间。
3 结语
目前，我国染料敏化太阳能电池的研究水平已经于世界发达国家同步，电池以及电池板的转换效率都处于国际高水平指标范围内。在染料敏化太阳能电池基础性研究获得了长足进步的基础上，在以下几个方面增加研究力度：
3.1提高DSSC光阳极薄膜的性能
寻找优良半导体材料和优化制备工艺双管齐下，实现阳极材料形貌的可控制备，提高薄膜电极的电子传输速率的同时增加染料吸光效率，不断优化半导体薄膜电极。
3.2开发天然染料
努力提高天然染料的敏化性能和光谱吸收范围，降低染料制备成本。
3.3在发展准固态电解质的基础上全力开发全固态电解质
从根本上解决流动性电解质给电池封装带来的不便。
3.4增强导体材料与基底的附着力
研究提高对电极光催化活的方法。相信随着新材料科学的不断进步，染料敏化太阳能电池的优势将展示得越来越明显，广阔的发展前景也将使染料敏化太阳能电池推动国家绿色能源产业的飞速发展。
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71岁的女科学家李爱珍的当下依然在科技第一线的实验室，在让她像钉子一样深深扎了50年的实验室里，她在探索未知世界中得到超脱尘世的喜乐。
李爱珍归隐科学，她对名利不贪婪，生活对她不薄，她知足。
她每天早上7点出现在办公室和实验室搞项目研究或带她的硕士生、研究生。尽管她名义上退休已6年，但她手上永远有科研项目在做，她的学生也离不开这位可遇不可求的导师。唯一证明她是真正退休了的是她只领二三千元的退休金，她主动拒领课题科研费。她是课题项目负责人，她悄悄的给自己立下了这个旁人并不知晓的规矩。
李爱珍很喜欢这种不被打扰的宁静生活。从周一工作到周七，节假日也不放松，可以说50年如一日。
一天的结束是所有昨天的死亡，这死亡中有重生，却没有对过去的感伤。生命活在当下，生命在无限的宁静中更新。
没想到这习惯成自然的宁静却有一天突然被打破了!
各大媒体登出了根据新华社2007年5月1日的消息：“美国国家科学院1日上午在华盛顿宣布，本年度新增选72名院士和18名外籍院士，来自中国的两位科学家张启发和李爱珍当选新一批外籍院士。”
张启发本身是中国科学院院士，现任华中农业大学生命科学技术学院院长。他的研究领域涉及转基因作物，国内媒体曾多次追踪报道过他。相比之下，身为中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员的李爱珍，国人对她的了解就比较空白。也许年轻人都知道超女李宇春，却不会知道超女李爱珍。
敏感的媒体首先注意到李爱珍成为了第一位获得美国科学院外籍院士荣誉的中国女科学家，但她居然还不是中国的院士。
网上有些人利用李爱珍的“国际含金量”开始炮轰中国的评选院士制度。
一向低调的李爱珍忐忑不安了，她努力回避着媒体，至今已经拒绝了20多家媒体的采访。
酷似居里夫人的那双大眼睛
我在17年前曾写过她的报告文学《尽人的本份》，我是她的“老粉丝”。当我提出再要采写她时，她谨慎地回绝，但答应作为老朋友见面谈谈心。科学家也需要倾诉。
又见到李爱珍那双深凹的酷似居里夫人的那双大眼睛了，那双单纯专注的眼睛射出柔情的光。不同的是居里夫人的眼瞳是蓝色的，而李爱珍是黑色的。
当我向她当面祝贺时，她只是淡淡地说了一句：“许许多多像我一样奋斗在科研第一线的人特别为我高兴，说我为他们争了光。但我清楚我这辈子只做了一件事：做好我自己。无论当不当院士，无论顺境逆境，我都是追求做好自己。即使现在当了美国科学院院士，我还是我!”
李爱珍对学生常说的一句话体现出她做人的价值：“人在历史长河中只是一粒粉尘，都会消失，只有祖国是永远存在的。身为科学家。活着总要给国家留下点东西。”
是的，真正的科学家都是超功利、超时空、超生死的人。
科学精神是一种忘我精神。是一种理想主义精神，会体现为一种信仰，甚至比宗教更虔诚的信仰。这种信仰会释放出一种锲而不舍的热能。
17年前我采访李爱珍时，她是上海市三八红旗手标兵、全国三八红旗手。当时我断言她是一个正在上升期的具有强大潜力的女科学家。
水，看上去最软弱，但如果渗入岩石缝中，结成了冰，就可以把岩石裂开；假如变成蒸气，又可以推动巨大的引擎，这就是潜力。
我从来不是李爱珍的同等对话者。和她研究的课题无关的话，她很节省，但句句烙在我心上。
“我做科研不害怕，媒体这么关注我、宣传我，我很害怕!”
“我总是记得人家给了我什么，却不记得人家没给我什么。”
“判断一个科技工作者，不能只以身份去看人，也不能只从头衔去认人，而更要看他的成就、贡献，看重他们当下正在做的事情。科学家的生命在当下。”
李爱珍用她柔婉清脆的福建普通话不紧不慢地喃喃自语。
我想起已故院士王选先生曾经说：“人们错误地把院士当成是当前领域的学术权威，我经常说时态搞错了，没分清楚过去时、现在时和将来时。院士头衔是对一个科学家曾经做出的重大成绩的一种肯定，它是荣誉，却是过去时的。它不代表现在，更不意味着将来。”
那么李爱珍的过去和现在的科学技术方面的主要成就和贡献是什么呢?
李爱珍长期致力于半导体材料与器件研究。曾任室主任，信息功能材料国家重点实验室学术委员会主任，第一期863新材料领域电子材料、光子材料专题负责人。很好地完成所负责的863、973国家自然科学基金，国家科技攻关等方面的16项任务。对III-V族半导体异质结构生长和物性研究以及器件应用进行了深入系统的开拓性的研究，获科学技术成果奖14项(7项排名第一)，其中第三世界科学院工程科学奖1项，国家科技进步奖和发明奖5项，省部级一、二等奖8项。国内外期刊论文235篇，有97篇SCI论文被他人引用318次。申请发明专利28项，授权9项。1992年～2010年任分子束外延国际顾问委员会委员和第十一届程序委员会主席、中红外光电材料和器件国际科学委员会委员和第十届会议主席。
通俗地说，李爱珍所从事的化合物半导体材料。物理及其在高速微波器和光电器件中的应用，在卫星通讯、移动通讯、光通信、地球资源卫星、海洋卫星、侦察卫星、室内外显示以及家用电器、环境污染监控、医学等方面都很重要。当今战争是以局部的高科技战争和夜战为主要特点的电子对抗和光电子对抗，雷达和导弹制导中化合物半导体材料是十分关键的材料和元器件。
李爱珍开拓性创造性成果，推动和加速我国半导体科学技术的发展和进步，得到国内外同行的认可，使我国半导体光源科学和技术从近红外波段向中远红波段推进跨出了一大步。
李爱珍是个知恩感恩的人，她向我报出了一连串长期关注和支持她的名字，包括中国科学院副院长胡启衡、中国科学院计划局副局长阎承德、自己的前任所长邹世昌和美国贝尔实验室副总裁卓以和等“贵人”。实实在在的帮助，他们给了她挑战自我、挑战极限的勇气和力量。她动情地对我说：“如果没有科研平台和团队，没有科研经费，没有实验室实实在在的工作，我将一事无成!”她说的是真心话。随后她又补充道：“我几十年里所申请的科研项目几乎百分百地都批准了，领导上对我做科研一直是信任和放手的。我是幸运的!”
一切为了爱：爱祖国、爱科学、爱劳动
天性，命也!
李爱珍出生在福建石狮的一个渔村，当她还在嗷嗷待哺时，父亲便像石狮侨村的大多青年那样告别了刚满月的女儿和年轻美貌的妻子。飘洋过海去菲律宾闯天下了。
读过4年私塾的母亲在女儿3岁时就教她认字写字。刚刚小学，母亲就让女儿写信给远
在菲律宾的父亲，那信虽然错字连篇，但却满载着母女的绵绵情思。父亲在给女儿的每封回信上都认真地纠正她信中的错别字，而且要重新誊写寄回给父亲，尤如严师批改学生的作业。直到李爱珍读小学六年级，父亲才回来住过两个月，他严格地要求女儿每天练毛笔字，还教女儿学英语。她记得12岁离家在泉州读中学时，曾写信向父亲要手表，父亲回信说：“金表会褪色，知识是永不褪色的。”她从小受到的教育就是“爱祖国、爱科学、爱劳动”，这成为她一生的准则。
1954年李爱珍考上了上海复旦大学化学系。整个晋江县只录取了3个人上大学，她是唯一的女学生。
思儿心切的父亲曾为女儿办好了去菲律宾的一切手续，但一心想报国的女儿坚决要留在国内。没想到43岁的父亲患病早逝，受不了这突如其来刺激的母亲精神失常。来上海想治疗疾病的母亲又赶上了国内“横扫一切牛鬼蛇神”的。已在上海冶金研究所工作的女儿因海外亲属关系问题遭受迫害。李爱珍和同样是科学家的丈夫一起被关进所谓的“抗大学习班”，勒令交代罪行。李爱珍被斗得吐血也不低头。她只是心痛担惊受怕的母亲，她宽慰妈妈：“你放心。一切都会过去，我这颗爱国的心是斗不倒的!”这位坚强的侨眷母亲终算活着看到李爱珍成为卓越的科学家才放心长眠。但李爱珍总是久久陷于亏欠父母、亏欠家庭。亏欠儿女的自责中。
这是中国少有的科技世家，李爱珍和丈夫，一双儿女，还有外孙女都是学习和从事科学工作的。女儿在美国研究医学；儿子从事计算机高科技；外孙女读的是经济学的应用数学，拿的是最高奖学金。李爱珍规定孩子们每年暑假回中国充电，看看祖国的变化。这是她的家教。
李爱珍私下里悄悄向我忏悔：“我承认自己不是称职的好母亲，我花在学生身上的精力远远超过对自己的儿女。我带学生是全方位的，科学人才的培养注重科学道德，培养学生的自学能力和创新能力。尤其重要的是为科学的献身精神。每一位导师都必须率先垂范，身体力行。无论资历多高，都必须亲自参加实验，任何结论，都要严谨得经得起科学数据的验证。”
李爱珍告诉我，她选学生很严格，喜欢选真正爱科学，求真务实，不喜欢张扬的实干人才。“我看重的是他们身上的那股劲。”她从1986年开始至今只培养了14个研究生，其中8个博士、4个硕士。国外的大师们纷纷看好李爱珍的学生，认为“李的学生是货真价实的，我们相信”。美国、德国、加拿大等国家的专家都主动来向李爱珍要学生。国内有些人也慕名要李爱珍写推荐信去美国等地留学。李爱珍对不了解的学生拒写推荐信，这无意中也得罪了不少人。
李爱珍对推荐出国的学生告诫道：“你们把真本事学到手就回来报效祖国。”她的学生在国内外大多都取得了令人刮目相看的成绩。
我找了马上要去美国留学的博士生李华。他28岁正值花样年华。这位从常州过来的孩子跟李爱珍才4年，憨厚的他给我描绘了一幅李爱珍的肖像：永远有一股内在的精神动力，碰上危险的话，首先自己冲在前头干，摸出规律然后再让学生干。她退休6年，依然把实验室当自己的家。身为课题项目负责人从不拿课题津贴。改学生论文从头至尾一字一句修改。她永远像母亲般为学生呕心沥血。甘做铺路石子。李华深深地吐出一句发自肺腑的赞叹：“原来科学家就是这样做出科学成就的!我们年轻人身上缺少的就是李老师身上的一股做学问的劲!”
已经自己也成了博导的李爱珍的学生张永刚由衷地说：“跟李爱珍一起工作十几年了，我们的课研条件都是她闯出来的。搞我们这一行诱惑很多，不少人坚持不了清贫的生活，下海经商当总经理的，发了财的大有人在。跟着李老师虽然比跟别的老师辛苦多了。但共同的兴趣，和她一起挑战科学极限，让我们一起坚持到今天，甘心做一个纯粹、虔诚的科学信徒。”
李爱珍播撒的岂止是科学的种子。无论是做事、做学问，还是做人，每一粒种子不仅要有健康的细胞，更重要的是要有一个健康的心灵。
我联想到人才培养存在着令人担忧的问题。不少人不过是把博士学位当做求职的敲门砖。现在科研的考核和评价体系都和个人的名誉、地位和实际利益挂上了钩，因此人们就越来越追求科学研究的个人利益最大化。加上科技人员取得突出成绩后就升官。会造成精英流失。从而弱化科学精神和学术研究中宝贵的东西的传承。不利于中国科技事业的积累和发展。
李爱珍的品牌是真诚。科学需要回归真诚。
半导园地勤耕耘
李爱珍和中国的科学事业一起成长，她活在科学的青春中和科学的挣扎中。
李爱珍永远难忘自己成长的每一步都有贵人相助。恩师邹元曦院士不避风险，举荐她这个来自华侨世家的人去美国做了两年多的访问学者，从而让她打下了在国际前沿领域做研究的基础和走创新之路的信心。
1980年8月，作为访问学者来到美国匹兹堡卡内基梅隆大学的李爱珍，正面临着痛苦的选择，她进修的课题是化合物半导体材料的生长与特性的研究，她的导师米尔纳斯教授是美国半导体权威，李爱珍进修的成功与失败全在于她这一关键性的选择上。
液相外延是一种李爱珍已研究了整整7年的驾轻就熟的方法，在权威名师的指导下，必然会搞出一批先进成果，而在国际上刚刚兴起的分子束外延的高级技术，能把制备半导体材料与器件的尺寸从微米级推进到原子层级，是生产新一代半导体器件和研究新的物理效应的先进手段，但它对中国却是禁止出口的。
李爱珍一到美国，分子束外延设备刚刚运抵这所大学，还未开箱，安装调试至少要八九个月，而自己进修时间限定两年，在后面剩下的时间里是否能搞出成果，前景很不乐观，要干就得冒风险。
身为一个科学研究工作者，出国进修究竟为了什么?是镀金。还是为得到一纸文凭和学位?李爱珍深知中国要强大需要新一代的半导体器件，对未知世界探索的激情让她决定，哪怕自己两年一事无成，也要为后来者做铺路石子。
导师经过一段时间的考察，决定把这个大难题交给可以信任的学生李爱珍，并下达了一份备忘录：我决定由李爱珍一人负责分子束外延课题，组内其他成员不参加，不得接触设备。
没有退路，也不给自己留退路，一切全靠自己往前冲。这情景就好比一个人攀登悬崖峭壁，一路上跌跌撞撞，磕磕碰碰地，只感到路真难走，山好像也没有尽头，只要继续向上爬，不停地爬，忽然爬上了一个开阔的地方，原来已经到山上了，遥望路途，简直难以置信这么高的山是自己一个人爬上来的。
在李爱珍的独立操持下，复杂而精密的分子束外延设备安装调试完毕，那已是1981年6月，李爱珍在美国的实验室里没日没夜地干了10个月。米尔纳斯教授敬佩地看着这个每天默默无闻努力进取的中国女学者像发了疯一样痴迷地钻研，他反复说：“李的勤奋，刻苦，第一流。”“她是与我合作得最好的一个学生。”在以后的一年内，李爱珍在这套设备上成功地完成了一系列实验，撰写了4篇专业论文，发表在国外第一流的学术刊物上。
离开美国时，米尔纳斯教授真有点舍不得这个特别有潜力和特别努力的学生。他对李爱珍的评价是：“在我的实验室里，李的能力、知识和技术，都是一流的，完全够美国教授的水平。”
没想到李爱珍于1982年12月学成归国，她出国前所从事的液相外延工作，早已由别人代替，至于分子束外延，所里既无设备也没有实验室，根本没有搞这种研究的起码条件。
美国导师一直在关心着自己的得意门生，他一再来信邀请李爱珍再去美国，等国内有了起码的研究条件再回国，千万别把自己两年心血换来的高精尖技术付诸东流。
面临这种局面，李爱珍真的一走了之，没人会指责她。她在美国一个月的工资就相当在中国两年的收入。她即使留在国内过几年轻松日子，等研究所从国外引进设备后再说，也合情合理。
李爱珍是个不服输的女人。她决心艰苦创业，白手起家。她争分夺秒苦苦研究国内外分子束外延材料、物理和技术的发展趋势与问题，找出理论根据，向中国科学院提出了国内外研究动态的背景材料，并且提出各研究所联合起来发展中国分子束外延科研与技术。她的可行性报告获得了采纳和支持。
李爱珍每次参加都提交给大会两篇以上的报告，介绍中国科学的进展，她曾争取到了2000年分子束外延国际会议在中国北京召开。2005年，李爱珍作为亚洲唯一的委员，她申请“中外红光电材料和器材国际会议”在中国召开。在了解李爱珍的团队所做的成绩后，科学委员会决定――2010年召开的第十届国际会议移师中国上海。
“2007年国庆期间，我要为落实这个国际会议做许多准备工作。2008年4月我要去参加美国科学院院士大会。明天我又要出差赴外地做邀请演讲……”李爱珍鲜活地活在当下。
Light-emitting diodes are electronic devices which are illuminated by the movement of 2）electrons in a 3）semiconductor material. LEDs are able to emit light with a range of wavelengths from the 4）infrared to the 5）ultraviolet.
A semiconductor is a material with an 6）electrical conductivity which is somewhere between a conductor such as copper， and an 7）insulator such as rubber. They are usually made from a poor conductor which is then “doped” by adding atoms of another material to it.
LEDs are typically made from aluminum-gallium-arsenide（AlGaAs） which in its pure form does not contain any free electrons to conduct electrical current. As a result， AlGaAs is doped with either free electrons or “8）electron holes” in order to change the material’s balance and make it more conductive.
Semiconductors can be classified into two types of material； N-type and P-type：
？ N-type semiconductors contain extra negatively charged electrons and， as a result， the free electrons flow from negatively charged areas to positively charged areas.？ P-type semiconductors have extra holes， allowing free electrons to jump between the holes and moving from negatively charged areas to positively charged areas as a result.
A diode consists of a section of an N-type semiconductor attached to a section of a P-type semiconductor （known as a p-n junction） with two 9）electrodes placed at either end of this arrangement. When current flows across a diode， the negatively charged electrons move in one direction in the material and the positively charged holes move in the opposite direction. As the holes exist in lower energy states， a free electron will lose energy when it falls to a hole and emit this energy in the form of a 10）photon of light.
The size of the fall in energy determines the energy the photon has when it is emitted， which in turns determines the colour of the light the diode emits. An emitted photon with a large amount of energy will have a shorter wavelength than light emitted with a lower amount of energy.
The first diode which was able to emit electrically produced light was created in 1907 by H.J. Round whilst he was experimenting with a 11）cat’s-whisker detector. Round applied a potential difference across a silicon carbide （SiC） crystal. He found that the colour of light emitted varied depending on the voltage which was applied across the crystal.
During the 1920s and 1930s， the phenomena of 12）electroluminescence was studied by Soviet physicist who published several journal articles on the subject.
In 1947， the electronic 13）transistor was invented at Bell Telephone Laboratories thanks in part to the advancement in understanding of semiconductors and p-n junctions.
Infrared LEDs were created in 1962 using p-n junctions made from GaAs. By the end of the 1960s， red and green LEDs were being manufactured in different countries using p-n junctions made from GaP. The development of a blue LED however proved far more difficult to scientists.
The first attempts at the emission of blue light from a diode used ZnSe and SiC， but did not produce efficient light emission. The material which enabled the development of blue LEDs was gallium nitride （GaN）.
In 1974 Isamu Akasaki began studying gallium nitride and took up a professorship at Nagoya University to continue his research alongside Hiroshi Amano. In 1986 the 14）MOVPE technique was used in order to produce GaN with high crystal quality and good 15）optical properties. Shuji Nakamura later developed a similar method in order to grow GaN at low temperatures.
A key step in the development of blue LEDs was the development of 16）heterojunctions in the early 1990s by research groups led by Akasaki and Nakamura. In 1994， Nakamura used a double heterojunction InGaN/AlGaN to produce a device with a quantum efficiency of 2.7%， which opened the door for efficient blue LEDs to be easily produced.
Illumination technology is currently undergoing a major revolution， with light bulbs and 17）fluorescent tubes being replaced by LEDs. White LEDs currently have an energy efficiency of around 50% when converting electricity into light. This is a massive improvement on the 4% energy efficiency of conventional light bulbs which were first invented in 1879 by Thomas Edison.
White LEDs have lifetimes of around 100，000 hours and are quickly becoming more affordable as market demand increases. Replacing conventional light bulbs with LEDs will drastically reduce the planet’s energy requirement for light， as between 20% and 30% of the world’s electricity consumption is as a result of lighting.
Presently， LED technology is used in the back-lit screens of many mobile phones， laptops and television screens. Blue GaN diode lasers find applications in the technology which underpins the data storage on Blu-ray Discs， which are predicted to supersede DVDs.
One day， AlGaN/GaN LEDs could find applications in water purification， as their UV light may be able to destroy viral and bacterial DNA. And for countries with poor electrical 18）infrastructure， many believe solar powered white LEDs will replace the use of kerosene lamps at night.
2014年10月7日，赤崎勇、天野浩和中村修二因发明了高效能的蓝色发光二极管（LED）而被授予诺贝尔物理学奖。红色和绿色的LED在上世纪五六十年代已经由多个实验室创造出来，但高效能的蓝色LED却要经历又一个三十年才最终被制造出来，这不禁让人心生疑问―为什么蓝色LED这么难造？
发光二极管是一种靠电流在半导体材料中流动而发光的电子器件。LED能够发出波长范围从红外线到紫外线的光。
半导体是一种导电性介乎铜导体和橡胶绝缘体之间的一种材料。通常是通过向某种导电性较差的导体中掺杂其它材料的原子制作而成。
LED一般用铝砷化镓做成，这种材料在其纯态时因不含任何自由电子而无法导电。于是，人们通过向铝砷化镓中掺入自由电子或“电子空穴”来改变材料的平衡，使之更具导电性。
半导体按材料类型可分成两种―N型和P型：
？ N型半导体带有额外的带负电荷的电子，因此，自由电子流就能从带负电荷的区域流向带正电荷的区域。
？ P型半导体带有额外的电子空穴，允许自由电子在电子空穴之间跳跃，从而实现从带负电荷的区域流向带正电荷的区域。
二极管由一块包含了N型半导体和P型半导体的基片（被称作PN结）以及位于该组合两端的电极组成。当电流通过二极管时，带负电荷的电子就会在材料中向某一方向移动，而带正电荷的空穴则会以反方向移动。由于电子空穴处于较低能阶，自由电子就会在掉入电子空穴时以光子的模式释放出能量。
能量落差的强度决定了光子释放出的光能强弱，继而决定了二极管发出的光的颜色。释放出的具有高能量的光子，其波长会比较低能量的光子短。
第一代能够通过电流发光的二极管是由H・J・朗德于1907年创造的，当时他正以一块晶体检波器进行实验。朗德在碳化硅晶体上接上不同电位差的电流。他发现晶体发出的光的颜色会随着所接电压的不同而发生变化。
在上世纪20年代及30年代间，苏联物理学家对电致发光的现象进行研究，并就该课题的研究成果发表了几篇期刊论文。
在1947年，贝尔电话实验室发明了电子晶体管，部分归功于对半导体组件和PN结的进一步理解。
红外线LED是在1962年使用由砷化镓材料做成的PN结而创造出来的。上世纪60年代末，红色和绿色的LED在不同的国家运用由磷化镓材料做成的PN结制造而成。然而蓝光LED的发展则一直是科学家们的难题。
最初，人们尝试用硒化锌和碳化硅来做发蓝光的二极管，但无法实现高效能的发光。促使蓝光LED的研发得以向前发展的材料是氮化镓。
在1974年，赤崎勇开始研究氮化镓，并且接受了名古屋大学的教授职位，与天野浩并肩继续其研究。到了1986年，金属有机物气相外延技术被应用来制造具有高晶体质量和优质光学性能的氮化镓。之后中村修二研发出一种类似的方法以实现低温环境下生成氮化镓。
在上世纪90年代初期，由赤崎和中村分别领导的研究组所取得的半导体异质结构研究成果是蓝光LED研究发展历程中的关键一步。1994年，中村使用双异质结氮化铟镓/氮化铝镓来制造一种具有2.7%量子效率的装置，继而为轻易制造出高效能蓝光LED打开了大门。
照明技术如今正在经历着一场重大的变革，电灯泡和荧光灯正逐渐被LED所取代。当前白光LED在电转光上能达到50%左右的能效。1879年，由托马斯・爱迪生发明的传统电灯泡仅具有4%的能效，两者相比，白光LED实在是巨大的进步。
白光LED的寿命约有十万小时，且其价格很快会因为市场需求的增长而愈趋合理。以LED取代传统的电灯泡将会大幅度降低因为照明所带来的对于地球的能源需求，目前全球电力消费的20%至30%都用于照明。
【论文摘要】：图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为CCD、CMOS以及CIS传感器三种。文章主要概述了CMOS图像传感器的工作原理和优势，介绍了现阶段传感器的技术和产业发展现状。
图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到400、500万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件--图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为CCD、CMOS以及CIS传感器三种。文章将主要简介CMOS传感器的技术和产业发展现状。
1.CMOS图像传感器
CMOS图像传感器于80年明以来，由于当时CMOS工艺制程的技术不高，以致于传感器在应用中的杂讯较大，商品化进程一直较慢。时至今日，CMOS传感器的应用范围也开始非常的广泛，包括数码相机、PCCamera、影像电话、第三代手机、视讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等用途。在低档产品方面，其画质质量已接近低档CCD的解析度，相关业者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐渐明朗。CMOS传感器有可细分为：被动式像素传感器CMOS与主动式像素传感器CMOS。
CMOS图像传感器是多媒体产品中不可或缺的重要器件之一，也是数码相机、监控设备、图像采集设备中的核心器件。CMOS的全称是ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，有"互补金属氧化物半导体"的意思。随着数码相机、手机相机的兴起以及对图像质量要求的不断提高，更加突显了图像传感器的重要作用。
2.CMOS图像传感器的工作原理
CMOS采用感光元件作为影像捕获的基本手段，感光元件的核心都是一个感光二极管，该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应但在周边组成上。CMOS感光元件的构成就比较复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，造成CMOS传感器的开口率远低（开口率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值）；这样CMOS感光元件所能捕捉到的光信号明显小于，灵敏度较低；体现在输出结果上，就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不太丰富，图像细节丢失情况严重且噪声明显，这也是早期CMOS传感器只能用于低端场合的一大原因。CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于，随着它的像素点密度的提高，感光元件的比重面积将因此缩小，而CMOS开口率太低，有效感光区域小得可怜，图像细节丢失情况会愈为严重。这也是CMOS长期以来都未能进入主流数码相机市场的重要原因之一。
3.CMOS图像传感器的优势
CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别。CCD只有少数几个厂商例如索尼、松下等掌握这种技术。而且CCD制造工艺较复杂，采用CCD的摄像头价格都会相对比较贵。事实上经过技术改造，目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少。
⑴与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的1/10，售价也比CCD便宜1/3的优点。
⑵与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。
⑶CMOS传感器具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一颗晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片、快闪记忆体等也可整合成单晶片，以达到降低整机生产成本的目的。
4.高速图像传感器的市场趋势
目前，CMOS是高速成像所青睐的技术。在当前市场中，我们可以发现高速图像传感器有三大发展趋势，一是向极高速方向发展，二是向片上特性集成方向发展，三是向通用高速图像传感器方向发展。高速成像领域还有另一种趋势，就是把高速ADC、时序发生器、LVDS发射器和校正算法的片上集成趋势。这种图像传感器通常在速度和灵敏度方面不如上述图像传感器，但在易用性和系统集成功能方面颇有长处。目前市场上新兴的第三种图像传感器就是通用高速图像传感器。具有模拟输出或不具有时序发生器功能的老式(简单式)通用图像传感器正在被速度更快、更复杂的图像传感器所取代。这种新型图像传感器使我们能在较短时间内就设计出通用高速摄像头。
从产品的技术发展趋势看，，体积小型化及高像素化仍是业界积极研发的目标。因为像素大则图像产品的分辨率越高，清晰度越好，体积越小，其应用面更广泛。
参考文献
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论文关键词：AlN薄膜，溅射电流，XRD，表面形貌
引言
近年来，科研工作者们对Ⅲ-V族化合物半导体材料的研究发展迅速。其中氮化铝由于有其优良的物理特性而倍受现代研究者的关注。氮化铝具有高硬度、高击穿场强（10kV/m）、高热导率[3.2W/(cm·K)] 、高电阻率等物理特性。根据理论计算，氮化铝的本征禁带宽度为6.2eV，是一种典型的宽能隙直接带隙半导体,所以其薄膜可作为基于GaAs和InP的微电子器械中，也可在SiC 大功率高温设备中作为一种绝缘物质替代 SiO2[1]。高质量的氮化铝还具有极高的声传输速率、较小的声波损耗、大压电耦合常数、与Si及GaAs相近的热膨胀系数等特点，特别是具有一定的择优取向的 AlN 薄膜具有高声波传输速度、优异的压电性质和高温热稳定性，是 GHz级表面声波（SAW） 、体面声波器件（BAW）的首选物质[2]。氮化铝独特的性质使它在机械、微电子、光学、电子元器件以及声表面波（SAW）器件制造和高频宽带通信等领域有着广阔的应用前景[3]。
薄膜结晶状况和表面粗糙度大小依赖于薄膜的制备，高质量的薄膜有利于器件应用的发展。目前国内外制备AlN薄膜的技术和方法有很多种。有脉冲激光沉积法(PLD)[4]；过滤真空弧等离子体沉积技术[5]；化学气相沉积法(CVD)[6]等。本文采用直流磁控反应溅射法直接在p型Si（111）衬底上沉积AlN薄膜，通过三组实验着重研究在直流磁控溅射沉积氮化铝过程中溅射电流对薄膜的影响。
1.实验
利用CKJ-500D多靶磁控溅射镀膜设备，直接在Si衬底上沉积AlN薄膜，以Φ100mm纯度99.99％的金属铝为靶材AlN薄膜，以纯度为99.999％的氩气为工作气体，纯度99.999％的氮气为反应气体。腔体的本底真空度5.0×10-4Pa，溅射时腔体气压P为0.6Pa，氩气和氮气流量比为1：3，溅射时间为180min，衬底温度600℃，溅射电流为0.30-0.40 A变化。
采用英国Bede-D1型X射线衍射仪（X-ray diffraction, XRD）来表征AlN薄膜结构。采用NICOLET380傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transformationinfrared spectra, FTIR）测量薄膜红外吸收光谱。采用AJ-Ⅲ型原子力显微镜（Atomicforce microscopy, AFM）对薄膜的表面形貌、表面粗糙度进行分析核心期刊。
2.结果与讨论
2.1溅射电流对氮化铝薄膜结构的影响
图1 AlN薄膜随溅射电流变化的XRD图
Fig 1 The XRD of AlN thinfilms with the change of the deposition current
图1为采用不同溅射电流制备的AlN薄膜样品的XRD图。由图可知，溅射电流对AlN薄膜的取向有很大的影响。溅射电流较小时，薄膜呈非晶态，当电流增加到0.35A时，图谱中在2q=33.2°出现h-AlN(100)衍射峰，电流增加到0.40A时，薄膜中已经有较强的h-AlN(100)衍射峰，并在59.3°处出现AlN(110)衍射峰。溅射电流太小，能够电离的Ar离子很少，则没有足够的Ar离子轰击靶材，无法从靶材溅射出Al原子，电离的氮原子也较少，则无法与Al原子在基底表面反应形成AlN薄膜。增大溅射电流，会使气体的离化率增大，从而等离子体的密度增大，溅射粒子Al与氮原子反应的充分性也会得到提高。
2.2溅射电流对氮化铝薄膜表面形貌的影响
一般情况下AlN薄膜，质量较高的AlN薄膜应用于SAW器件中要求薄膜表面粗糙度小于
30nm[7]。表1是不同溅射电流下AlN薄膜的表面粗糙度、平均粒径和扫描区域内最大高度，图2 不同溅射电流制备AlN薄膜的AFM形貌。从图中可以看出样品的最大高度、表面均方粗糙度、平均颗粒尺寸都随溅射电流的增大而减小，且样品的最大高度都小于30nm。随着溅射电流的增加，溅射粒子动能增大，能够形成连续表面的迁移能相应增加，就有更多的粒子到达基底表面结晶并形成较大颗粒[8]，逐渐形成较好的表面结构，这与XRD的结果相一致。说明所沉积的薄膜符合SAW器件的要求。
表2不同溅射电流下AlN薄膜的表面粗糙度、平均粒径和扫描区域内最大高度
(Table 2 The surface roughness, averagegrain diameter and maximal hight of scanning area of AlN thin films at different deposition current)
Deposition current / A
Surface roughness/nm
Average grain diameter /nm
Maximum hight of scanning area /nm
0.30
3.4
75.5
18.4
0.35
3.2
72.2
16.6
0.40
3.0
在本领域核心学术期刊ACS Nano、Scientific Reports、IEEE Electron Device Letters （EDL）、IEEE Transactions on Electron Devices （TED）、Applied Physics Letters（APL）及学术会议Symposium on VLSI Technology （VLSI）、International Electron Device Meeting （IEDM）等120余篇，其中2篇期刊论文为ESI（基本科学指标数据库）高被引论文（Top1%）；论文累计SCI他引800余次，h因子17。已申请中国发明专利50余项，30项获得授权；申请国际发明专利5项，3项获得授权。
兴趣使然，刘力锋从河北工业大学一路读到中国科学院半导体研究所获得博士学位，然后在北京大学完成博士后研究。那时，国际上还鲜有人提及“阻变存储器”这个新兴器件，他所在的团队负责人康晋锋教授却敏锐地预感到其广阔的应用前景，于是率领团队展开相应研究。刘力锋也自然走上这条时代科学前沿的攻坚之路。
十年磨一剑，如今的刘力锋对阻变存储器的了解有如庖丁解牛。研究初期，他的研究焦点集中在对于不同阻变材料的阻变机制的认识和理解上；现在，他将研究聚焦在如何利用阻变材料实现稳定、可靠的三维集成的阻变存储器，获得高密度低成本的器件，以满足实际的存储器件应用需求。同时，开展阻变器件的创新应用研究。
理清阻变机制
基于阻变现象实现数据存储的器件称为阻变存储器件（RRAM）。基于金属氧化物的阻变存储器可以同时满足大容量非挥发数据存储和高速度读写的需求，被认为是未来存储器技术中最有竞争力候选者之一。然而，对金属氧化物阻变存储器阻变特性的物理机制认识不清，阻碍了RRAM技术发展，“对阻变机制的争论主要集中在阻变介质中构成导电通道的成分及形貌、不同形貌下的电流输运机制，以及导电通道连通和断开的原因等问题”，刘力锋说，阻变机制不清就无法准确地理解RRAM的各种本征和非本征特性，从而难以对RRAM器件的特性做出正确评估，也难以鉴别影响RRAM阻变特性的关键因素。同时，缺乏RRAM器件的准确物理模型，难以对材料选择和工艺技术的改进提出有价值的指导。
在深入研究金属氧化物RRAM阻变开关特性的基础上，刘力锋及团队成员利用第一性原理计算并结合实验研究，提出了基于氧空位通道的电子跳跃导电输运机制，建立了以氧空位的产生和复合为基础的统一描述氧化物单极型和双极型RRAM电阻开关特性的物理模型。
探究过程中，刘力锋和团队成员们经常开会讨论，争论不断，往往上午刚刚得出的结论下午就被推倒重来。然而，功夫不负有心人，最终他们研究提出了统一的阻变微观机制――以统一的物理效应和观点阐明单、双极阻变的微观起源，可合理解释在金属氧化物阻变器件中观测到的多种现象。据刘力锋介绍，与之前所提的阻变机制不同，新机制重点突出了可动氧离子的作用，同时首次指出了氧离子与氧空位的复合是由电场作用下的氧空位电子耗尽效应决定，其对金属氧化物基RRAM材料优选和阻变开关性能的优化可谓具有重要的理论指导意义。基于阻变微观机制，他们还进一步研究发展了可以定量表征和预测阻变过程中相关物理效应及阻变器件性能的模型。
优化提高阻变性能和可靠性
尽管氧化物RRAM器件性能优越，但普遍存在电阻开关转变不稳定的问题。随着器件开关次数的增加，将发生因高阻态电阻、低阻态电阻、置位电压和复位电压的退化而导致器件失效的不稳定现象。刘力锋从器件材料优化和操作模式优化两个角度，对阻变器件特性的设计与性能改善方案做出指导性建议。
为了优化阻变器件性能，刘力锋历经大量时间筛选适合阻变材料和结构。后来，通过设计适量掺杂的阻变氧化层，电极材料以及界面层，同时引入电流扫描和优化的脉冲操作模式，成功制备出具有高性能的阻变器件。据悉，其set阻变时间小于20ns，具有阻变稳定的四级电阻态，多阻态的耐久循环次数超过106，在150度高温下的电阻态保持测量数据外推可达10年。
在此基础上，刘力锋利用提出的RRAM的微观阻变机制和理论模型，分析了影响氧化物RRAM器件阻变稳定性的关键因素；结合金属氧化物材料特性的第一性原理计算研究，提出了利用合适金属离子掺杂改善RRAM阻变开关均匀性的技术，同时提出掺杂离子种类和工艺的优化选择方法。此外，还提出一种新型编程和擦写操作模式，可有效改善氧化物RRAM阻变参数的一致性，提出了利用器件材料优化和操作模式优化相结合改善阻变器件综合性能的技术方案，为金属氧化物RRAM综合阻变性能的优化提供了指导性建议。
优化了阻变存储器的稳定性能，刘力锋又面临着提高其可靠性的问题，“目前，阻变器件的可靠性还无法满足实际器件应用的需求，这也是阻碍RRAM器件迈向产品化的一个重要技术瓶颈”。可靠性问题包括氧化物RRAM器件的保持特性失效现象，耐久力特性的失效行为等。RRAM阻变器件是基于新原理的存储器件，传统的存储器件失效评测技术将不能完全适用于RRAM器件评测，因此亟需发展一个新的可靠特性评测技术方法。
针对RRAM阻变器件保持特性失效现象、耐久力特性失效行为，刘力锋探讨了氧化物RRAM的阻变开关失效机制，提出了一种可以有效评测金属氧化物RRAM失效概率和电阻态保持时间的物理模型，并建立金属氧化物RRAM的高阻态和低阻态保持特性的评测方法；根据金属氧化物RRAM耐久力特性的各种失效特性，提出了可描述其耐久力性能退化的物理模型，用于预测RRAM阻变开关的耐久力特性。更重要的是，他提出了一种新型的器件操作模式，可将金属氧化物RRAM器件的耐久力提高一个数量级。
创新阻变器件应用
RRAM阻变器件除了在存储器领域有广阔应用前景外，还可能在逻辑电路中有所应用。众所周知，现有计算机使用的是冯诺依曼体系，即计算和存储分开。它的缺陷显而易见――运行数据必须在存储器和运算器之间相互传输，传输效率会因此降低。而若能将一些简单的运算直接在存储器中完成，就可以省去传输过程，从而实现更高的运算效率。这也被称为非挥发逻辑功能。根据这一想法，刘力锋希望研发出一种基于阻变现象的非挥发逻辑器件，可以同时实现多值存储和多值逻辑，“这将极大提高运算效率，还可以简化电路结构，实现更低的成本”。于是，他利用TiN/Gd：HfOx/Pt阻变器件实现了四进制的加法操作，成功演示了RRAM器件可用于多值非挥发逻辑器件的功能。
再进一步，刘力锋开展了RRAM阻变器件的神经网络计算应用研究。仿制生物大脑进行神经形态计算一直是人类追求的热点问题。他借鉴生物学中的神经网络的思想，采用并行运算的方法，实现人工神经网络功能电路。随着集成电路技术的发展，直接利用电子器件制造硬件神经网络系统，从而实现神经形态计算功能的设想逐渐进入人们的视线。硬件神经网络系统可以在与生物大脑类似的体积内，以相似的能量消耗，实现类似人脑的思考和计算。