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标题: [转帖]纳米技术的光电应用 [打印本页]

作者: 乏味 时间: 2004-4-28 12:08
标题: [转帖]纳米技术的光电应用
今年5月，位于美国纽约的IBM研究中心在《科学》杂志上发表了其最新研究成果：在纳米管的相关实验中探测到了光。这就是说，使碳纳米管发光的理想将变为现实。随着纳米领域新技术的层出不穷，纳米技术在"光电产品"的应用将有可能更快到来。
事实上，目前各国的科研机构都在加快纳米技术的研究脚步，以IBM研究中心为例，该机构在过去的20余年里一直致力于这一领域的研究。近几年来，研究中心的科学家已经取得了一系列重大的突破，尤其是在使用碳纳米管制造微小光电子器件方面。
碳纳米管有着不可思议的强度与韧性，重量却极轻，导电性极强，兼有金属和半导体的性能；把纳米管组合起来，比同体积的钢强度高100倍，重量却只有1/6。令人惊奇的是，最近美国、中国、法国和巴西科学用精密的电子显微镜测量纳米管在电流中出现的摆动频率时，发现可以测出纳米管上极小微粒引起的变化，从而发明了能称量亿亿分之二百克的单个病毒的"纳米秤"。这种世界上最小的秤，为科学家区分病毒种类，发现新病毒作出了贡献。在电子工业上、用碳纳米管生产的晶体管，体积只有半导体的1/10，用碳基分子电子装置取代电脑芯片，将引发计算机的新的革命。
碳纳米管是"纳米世界"中的重要一员，包括碳纳米管、碳纳米纤维在内的碳纳米材料一直是这些年来国际科学的前沿领域之一。碳纳米管又称为"巴基管"，是一种具有独特结构的电子管状分子，仅有人头发的五万分之一粗细，由日本科学家于1991年发现。碳纳米管本身所拥有的潜在优越性，决定了它无论是在物理、化学还是材料科学领域都将有重大的发展前景。
例如，碳纳米管被认为是制造新一代平面显示屏的好材料。自从1991年Iijima发表纳米碳管(Carbon Nanotubes)的文章以后，纳米碳管在场发射特性方面最被平面显示业界看好，一般都公认这种新材料可以在传统十分之一的电场下发射出过去千倍以上强度的电子束。目前的电视都是利用电子枪向屏幕发射电子来成像，如果使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，还可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制造更薄的壁挂电视成为可能。在产业界，最早投入纳米碳管CNT-FED的是韩国的三星电子与美国的Motorola，其中三星电子在1999年已经展示了4.5吋彩色的CNT-FED，Motorola也有60人以上的团队积极研发。但是事过多年一直没有见到产品上市。
2001年，日本的伊势电子工业成功试制了在发射极使用碳纳米管（CNT）的14.5英寸大画面彩色FED（Field Emission Display，场发射式显示器）、其亮度高达1万cd/m2。在15英寸级别的大画面CNT-FED中亮度达到1万cd/m2，这在业界还是首次；日本双叶电子工业在2003年的"NanoTech 2003"上，展示了由该公司开发的采用碳纳米管（CNT）的FED面板。这是该公司首次公开使用CNT的FED面板。此前该公司一直在进行FED面板的开发。
纳米碳管优异的场发射特性也可以推展显示器以外的应用，这些应用的要求条件没有显示器来得高，所以应该可以游刃有余。例如利用这种电子源做发光照明用，只要有适当低电子能量的萤光粉，将电子直接打在萤光粉上，可以做高效率的光源，可以与现行的日光灯媲美，而无日光灯水银污染的问题。同时，利用纳米碳管场发射电子源来做X光源、微波源、新一代真空管等都是有潜力的方向，还有更多等待我们去梦想到的。
今天的计算机世界可以说是硅的世界，大众对碳纳米管的了解还不多，不过或许在20年以后，碳纳米管也会因为应用的普及而像今天的硅一样被人们普遍认识。看好碳纳米管的人不在少数，认为它将在纳米电子学中扮演极为重要的角色，而且是未来替代硅纳米芯片的首选。
在过去的几十年中，芯片领域的技术专家一直在努力寻找一种能使普通硅发光的方法。由于硅芯片只能携带电子信号而不能携带光信号，因此，在制造微激光器、发光二极管等光纤设备时，还必须采用砷化镓来承担发送和接收光脉冲的任务。IBM研究中心表示，纳米管光信号发射器可以被做成阵列或整合在碳纳米管或硅电子部件中，这项尝试可以为电子学和光电子学开创出新的发展空间。IBM希望，此次发现能激发起行业内的研究兴趣，从而在纳米级电子和光子领域中开发出更多碳纳米管的用途。
IBM此次发表的科研成果，展示的光信号发射器是一个直径为1.4纳米的单纳米管，实验所探测到的是1.5微米的光，正好与目前光纤网络广泛使用的光波一致。Avouris表示，如果使用体积较大或较小的纳米管，还可以产生其他颜色（意味着不同波长）的光束。IBM获得此项成果并非偶然，早在2001年，蓝色巨人首家开发出能够大量制造碳纳米管晶体管的技术，而在这之前，虽然研究人员早就找到了将碳纳米管装配成晶体管的方法，但只能将碳纳米管逐个处理，无法大量获得。
除了IBM之外，像通用汽车、惠普以及其他许多公司都在研究和使用这些纳米技术来尝试制造只能用显微镜才能看到的电路。即便是在硅半导体领域极为风光的英特尔公司也开始了"两手准备"，该公司正与哈佛等大学进行合作，共同研制硅纳米线和碳纳米管。在2010年之后，其中的一种技术将取代目前的标准晶体管，并逐渐成为芯片的基础元件。目前，这两种技术看起来都很有前途，决定因素将在于谁更适合大规模生产。
在廉价批量生产巴基管产品方面，日本东京大学日前开发出用酒精制取碳纳米管的新技术，为廉价批量生产巴基管提供了可能。
这种新技术是利用布满细孔的陶瓷进行的。首先把金属催化剂填入陶瓷的细孔中，然后在高温电炉中使气化的酒精和催化剂起反应，生成碳纳米管。使用酒精时，电炉的温度为800℃，生成的碳纳米管是单层的，直径为1纳米。如果原料改用甲醇，反应温度可适度降低。在生成过程中，基本没有非晶质的碳或多层型碳纳米管，这可能是酒精和甲醇中所含羟基所致。　　
目前在制取巴基管方面，一般都采取激光照射法，用激光照射碳原料，使其蒸发，形成巴基管。但这种方法很难实现廉价批量生产，极大地限制了巴基管的工业生产发展。新的巴基管生产技术，为巴基管廉价批量生产开辟了广阔前景。　　
用新技术制取的单层巴基管结晶性优良，硬度可和金刚石媲美，电特性也很好。这种巴基管可在下一代超微半导体管元件和下一代显示装置元件等领域得到广泛应用。
目前，各国政府都对纳米技术在光电领域的应用研发，给予了重点支持。如日本经济产业省计划在3年内提供总值达20亿日圆的资金，赞助FED的研发工作，即采用纳米碳管制作射极，研发场发射平面显示器（FED）。目标是在5年后使大尺寸30寸 FED显示器商业化。该项计划从今年4月开始，其他参与厂商还包括了Mitsubishi Electric(JP-6503；三菱电机)、Noritake Itron以及大阪大学、三重大学等。相信通过各国科研界和产业界的研发努力，纳米管技术在光电产品领域中的应用前景，将越来越"光明"。
光电产品应用新领域-光电幕墙
一、前言　　
地球上每平方米土地每年所获得的太阳直射光和斜射光平均为1000 千瓦时，怎样才能有效利用大自然所赋予的宝贵财富呢？早在100多年前，人们就发明了光电模板，即利用光照使浸入电解液的锌电板产生电流。到了1954年，美国研究人员使用元素硅取得巨大成就，光电模板首先被用在宇宙航行上。现在，人们越来越关注健康，绿色环境意识日益增强，科技发展进步已将光电模板装入建筑幕墙中变为可能，应用光电幕墙的时代到了。
二、发光无污染的光电幕墙　　
光电模板简称为PV，已是使用三四十年的光电材料，它的优点是可在气候恶劣的情况下照常工作。这是一种完善的技术，可应用于许多领域，比如在当今不可或缺的通信领域。将光电模板装入建筑幕墙中，无需再增加建筑平面面积。　　
那么，光能是如何转变成电能，又是如何运用到幕墙上呢？　　
设计光电幕墙需考虑电池、模板、导线和变压器各个因素，各电池组成模板，各模板组成小分格，并通过导线连接，所有导线又组成一个 PV变压器。一个PV变压器是一个封闭的幕墙部分，每套光电设备可由一个或多个变压器组成。每套光电设备都先产生直流电，再由直流电转变成交流电，并由电压网传输，逆整流器再将230／400伏的电压转变成频率通常为50赫兹的电能。　　
晶体电池通过导线相互连通，并被接在大表面的模板上，这些电池被嵌入坚硬的树脂玻璃中，导线可接在模板背面或玻璃边缘。作为模板一个组成部分的非晶体是一个完整的平面，相互连通，被嵌入两块玻璃和透明度高的树脂中。所有模板都可作为幕墙的建筑材料使用，这些模板极为坚固，电绝缘性好，符合二级安全标准。采取这些措施后，即使发生失误，在可触摸部位也不会出现危险的电压。光电模板具备抵御外界环境侵扰的能力，或在臭氧，或在酸雨，或在零下50摄氏度至90摄氏度的环境中，光电模板仍可使用几十年，而且是极为美观的造型材料。
三、应用简介　　
光电幕墙是一种集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一身的新型建材，充分体现了建筑的智能化与人性化特点，实际上它就是太阳能光电幕墙玻璃。进入90年代后，随着常规发电成本的上升和人们对环境保护的日益重视，一些国家纷纷实施、推广太阳能屋顶计划，并提出了"建筑物产生能源"的新概念，由此推动了光电技术的大规模开发与应用。美国、日本、德国、意大利、印度等许多国家都已建有太阳能屋顶或外墙的建筑。　　
在1991年慕尼黑最大的建筑行业展览会上，旭格公司首先展出了光电幕墙，这是一个发展项目，也是将光能应用于建筑装饰业的开始，自此，光电幕墙这一产品的应用引起了专业人士的关注。目前，世界上最大的太阳能屋顶光电系统安装在新慕尼黑贸易展览中心。该系统由7812块西门子单晶硅组件组成方阵，每块功率130W，总容量超过IMW，所发电力与20KV电网相联，每年能发电100万KWH，足够340户德国家庭使用。　　
目前光电幕墙现多用于标志性建筑的屋顶和外墙。随着节能和环保的需要，我国正在逐渐接受这种光电幕墙。为了满足国内市场需求，已经有多家企业通过与海外企业合资、合作，引进、生产这种光电幕墙产品。在研发具有自主知识产权的光电幕墙产品方面，国内业界紧紧追踪国际先进技术，于2002年开发出具有自主知识产权的光电幕墙产品，并成功首次应用在位于深圳高新技术产业园区的方大集团科技中心大厦工程中，其采用的光电幕墙有效面积为93.8平方米，设计峰值发电功率10.3千瓦，建筑标高97米，是我国第一幢光电幕墙建筑。　　
太阳能光电幕墙集合了光伏发电技术和幕墙技术，充分利用建筑物的表面和空间，把传统幕墙试图屏蔽在建筑物外的太阳能转化成对人们有益的电能，最大特点是具有通风换气、环保、节能的功能，节省了对地球珍贵化石类能源的消耗，降低了对环境的污染，同时为现代建筑提供一种新的美学装饰效果。是一种高科技产品，代表着国际上建筑光伏一体化的最新发展方向。
三、光电幕墙的优势　　
光电幕墙首先是一种高科技的建筑外壳，可满足抵御恶劣天气的所有要求，当然也可满足建筑物理上的要求，比如阻燃、隔热和消音等。光电幕墙还提供了一种与众不同的造型，因为这是科技发展进步的标志，也是企业文化不可或缺的一个要素。　　
光电幕墙加装光电模板后，可节省传统的建筑材料，比如光电模板可代替抛光的自然建材。光电幕墙也大大减轻了环境的负担，因为它保护自然资源免受损失。特别是太阳能电池发电不会排放二氧化碳或产生对温室效应有害的气体，也无噪音，是一种净能源，与环境有很好的相容性。光电幕墙的最大优点在于，它不需燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪音污染，可用来发电。由于能发电，可少交电费，在国外还可将多余的电卖给电力局。由此可见，光电幕墙本身就是一种可以产生经济效益和绿色环保效益的高科技新产品。　　
LCOS背投影电视被视为是未来大尺寸电视的主流技术之一，抢食这块市场的投影技术包括了LCD、DLP（数字光源处理）以及LCOS（单晶硅液晶反射式）三项技术，其中DLP为微机电技术，而LCOS则整合了液晶封装及半导体制程技术。　　
一片LCOS面板的结构包括了以硅晶圆为基板，镀上反射层材料之后，在最上层的玻璃基之间灌入液晶，这个步骤也是LCOS面板制程中最困难的部份。透过半导体蚀刻的技术可以达到高分辨率的效果，这也是吸引众多厂商投入的主要原因。　　
LCOS的投影技术与DLP相同，均为反射式技术，光线经由分光装置，将RGB三原色透过LCOS面板反射，再合光投射讯号。以0.8吋的LCOS面板尺寸计算，且不考虑良率，每片8吋晶圆可以生产出近三十片的LCOS面板，业界预期LCOS在量产顺利之后，将可以在价格上胜过LCD及DLP。
台湾数字化电视市场争夺战成形随着数字视讯时代来临，国内数字电视市场争夺战已然形成，包括东森超媒体、和信集团中嘉网络、美商卡莱尔集团转投资的台湾宽频通讯，以及由FDS科技集团成立的台湾子公司富全终端科技公司，均积极进行布局及卡位。　　
目前全世界都在为电视数字化进行努力，电视产业正面临改朝换代的变革，因为实施讯号发送数字化之后，电视扮演的角色将大幅跃升，电视讯号不再像现在的模拟电视，容易受到干扰，数字电视的扫描线增加到 1,050 条，透过数字讯号处理，除可消除噪声与干扰，电视画面也可以进行分割、子母画面，甚至自行安排电视播放时间，不必受限电视台的节目表；此外，民众还可以透过互动机制，完成缴税、上网、购物等，不过这些都必须使用数字电视机，或透过数字机上盒 (Set Top Box) 转换视讯才能收看。目前台湾规划在 2006 年全面开播数字电视节目，全台湾85%以上节目都必须透过数字讯号传送，届时就面临电视机全面更新，或安装数字机上盒的问题，目前一部29吋的数字电视机价格约 5 万元，安装一个机上盒约 6,000 元，不过，安装机上盒的收视品质仍无法与数字电视机相比。　　
东森超媒体张树森表示，东森目前全力推广数字视讯转换器的装设，预计今 (92)年底可拓展20万付费数字电视频道收视户，数字电视营收可达6亿元；另外，东森向瑞士商Nagravision及法商Thomson采购的数字端头及锁码系统等设备，已全面安装完成，将透过全省12个有线电视台，推出数字电视服务，并计划两年内推出100个数字频道，让台湾数字电视服务在三年内全面普及。　　
和信超媒体旗下负责音乐传播业务的 G-MUSIC，与中嘉网络合作「互动 TV 」机制，也跨入数字电视平台业务，民众只要透过互动 TV 服务，就可同时收看 G-MUSIC 提供的网站内容。G-MUSIC 营运长陈维仁指出，看好互动电视将蓬勃发展，G-MUSIC抢攻数字电视收视户，达更广泛拓展数字音乐的目的。另外，FDS 集团旗下富全科技也积极投入数字电视的生产及提供数字内容服务。FDS 集团董事长谢庆勋信心满满的表示， FDS 挟欧洲专业技术及 know-how，全力进军国内数字电视市场，初期主推 17 吋 TFT 液晶及 29 吋 CRT 全功能的数字电视机，预估今年全球出货量可达 17 万台，目前与新世纪资通速博 sparq 合作，提供完整的数字节目软件内容服务，预期今年市占率可达 20%、明年达 40%，将以三年内成为国内数字电视龙头为目标。

作者: youfishno 时间: 2004-4-28 22:47
总是觉得，纳米很“虚”，制造的手段不行

作者: aleck 时间: 2004-4-29 14:19

只需要十年，运用纳米技术的芯片就会普及

作者: daniel_dai 时间: 2004-5-12 17:17
我与你有同样的感受哦

作者: fermi 时间: 2004-5-18 08:35

纳米器件在国内短期不可能实现

作者: yangjy 时间: 2004-6-3 16:27
不要那么灰心, 其实事在人为.

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