氧化锌纳米结构的光学性能？

纳米光学材料在通讯领域的最新进展 摘要: 本文综述了纳米材料光学特性的研究进展, 以期使纳米材料的光学特性得到更加深入细致的研究。概述了纳米技术在通讯领域的应用,并着重介绍了国内外纳米光通信用纳米光电子器件的发展现状。 关键词:纳米光缆;纳米光电子学;纳米光导集成电路;纳米光通信 1.引言 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成, 特征维度尺寸在纳米量级(1～100nm ) 的固态材料。由于极细的晶粒, 大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等, 纳米材料与同组成的微米晶体(体相) 材料相比, 在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能, 因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 纳米技术已成为当今研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要的研究对象。纳米科技正在推动人类社会产生巨大的变革,它不仅将促进人类认识的革命,而且将引发一系列新的科学技术。纳米技术对电子信息技术和光通信技术亦将产生重要影响。 2.国际发展状况 2. 1 整齐排列的交叉式纳米光缆线 美国化学学会会刊上刊登了由旅美学者、佐治亚理工学院王中林教授领导的研究小组,利用液态钾做催化剂,首次生长出整齐排列且具有“Y2形状”的氧化硅纳米光缆线。据介绍,该纳米光缆线的直径为10nm ,长度可达毫米级,线直而均匀并且是透明的,最重要的是该纳米光缆线在生长过程中自动由1 根分叉成为2 根,2 根可以分叉成4 根,依次继续分裂。氧化硅是传统光缆的主要组成材料,因此这些纳米线有可能会用来做纳米级的分叉光缆,形成纳米分光器。王中林等人的实验可以生产出大量而且结构均匀的分叉纳米线。他们的研究结果同时也对经典的“气相2液相2固相”(VLS) 纳米线生长原理提出了挑战。 VLS 原理认为一个催化剂颗粒只能长出1 根纳米线,而线的直径接近颗粒的大小。然而,他们在一滴约半毫米直径的钾丸上就可以生长出成千上万根整齐排列的纳米线。 2. 2 纳米级导电纤维 1999 年12 月,日本研究人员研制出一种仅有一个分子粗细的导电纤维,可谓世界上最细“电线”。这种导电纤维是由日本工业技术院物质工程工业技术中心研制出来的。它的直径仅3nm ,中心部分具有良好导电性的丁二炔链,四周包覆着糖的衍生物,并作为绝缘层,防止漏电。据分析,这种纳米级“电线”可以应用在超小型的电子元器件和微型机械上。 2. 3 纳米光导集成电路 日本NTT 公司尖端技术综合研究所于2001年开发成功了制作光导集成电路芯片的基础技术。NTT 公司的这家研究所采用先进加工技术,在硅芯片上制作出了可通过极细光束的通道(光导通路) ,使光束按直角方向转弯,将其封闭在极为狭小的场所之中。由于不将光信号转变成电信号,故这是直接处理光信号的纳米光导集成电路。NTT 的科学家在夹有玻璃薄膜的硅芯片上,按照与光的波长相同的间距开发微细加工技术。 在一排排的孔之间,形成了没有孔的线状区域。如果从线状区域的端部射入光线,则光通信中最常用的1. 3～1. 6μm 就基本没有什么光线向周围漏出。经检测后确认,这部分光是沿着线传播的。只要能找出最优的线状区域宽度,就能成功地使光通过。这是日本NTT 公司尖端技术研究所在光芯片技术上取得的重要成果。 2. 4 纳米聚合体电子器件 将打印机、电脑和视屏一股脑地折起来装入你的钱包、这就是以色列专家为人们展现的纳米聚合体电子器件应用的一个未来景象。以色列技术工程学院和希伯来大学曾宣布,他们在研究具有高能信息传输功能的有机发光二极管中取得了最新突破,为实现这一梦想迈出了第一步。相关成果刊登在新出版的Science 杂志上。使塑料发射近红外光将是把一个不可能的未来世界变成现实的开始。研究初期,以色列科学家采用铒原子渗入有机材料的方法,结果得到的红外线非常弱,转化效率仅有0. 01 %。后来,此项研究的主持者之一,以色列技术工程学院的特斯勒博士和希伯莱大学的班尼博士共同提出了利用一种制造聚合体所需的纳米粒子结构产生近红外光的研究思路。研究中,他们将化学合成的纳米粒子和与其共轭的聚合体组合制成二极管发光作用区,首次实现了具有应用价值,转化效率达2 %～3 %的有机近红外发光二极管。目前,他们正致力开发第二代效率更高,波段更宽的新器件。特斯勒博士称:“最近有机近红外发光二极管的研究取得了重大突破,已为未来的光纤通信器件采用几乎所有可能的有机材料奠定了基础。将来每家只需一个光纤传输器就可使家用网络、电视、可视电话与全球连接。高效、廉价的大容量有机信息传输设备的诞生正使这一构想变为可能”。 2. 5新型纳米激光器提高电脑信息存储量 2003年1月16日的Nature杂志报道,美国哈佛大学已成功开发出一种新型纳米激光器,比人的头发丝还细千倍,可自动调控开关。将其安装于微芯片上,能提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量,加强信息技术的集成化发展。这种新型激光器实际上是以半导体硫化镉为原料制成的纳米线,直径仅为1/ 10000mm。研究人员将硫化镉纳米线安装在涂有硅材料的基底上,制成一个回路。接通电源后,研究人员观察到,在一定电压下,电流通过硅材料流向硫化镉纳米线,纳米线的另一端随即发出蓝绿色的光。随着电流强度增大,光的着色变得单一,波长也相当短。由于白炽灯泡和二极管发出的光波长都很长,因此研究人员断定硫化镉纳米线发出的光是激光。在随后的实验中,研究人员使用不同的半导体材料,由此制成的激光器发出的激光颜色也各不相同,氮化镓纳米线发出蓝色到紫外的光,磷化铟纳米线发出红外光。据报道,最早的纳米激光器是由美国加州大学伯克利分校的科学家于2001 年制造出来的,当时使用的是氧化锌纳米线,可发射紫外光,经过调整后还能发射从蓝色到深紫外的光。但美中不足的是,只有用另一束激光将纳米线中的氧化锌晶体激活时,氧化锌晶体才会发射出激光。因此,新型纳米激光器的技术关键就在于,它具备电子自动开关的性能,无需借助外力激活。由于光纤激光技术目前广泛应用于信息通信领域,这一新的技术成果无疑会使纳米激光器的实用性大为增强。 3.国内发展状况 为了在纳米光电技术领域占有一席之地,我国在纳米电子技术研究的基础上开展了纳米光电子技术研究,相继建立了相关的专门实验室,例如北京市在2000 年就在首都师范大学建成纳米光电子学重点实验室。其发展和目标是:发展纳米材料和纳米技术理论和实验研究。着重于其光电子学、光谱学特性的研究和学科交叉研究,突出实验室的光电子学研究特色,为新型纳米材料和纳米技术的开发提供科学基础;进而解决与纳米材料和纳米技术产业紧密相关的重要科学技术问题。该实验室的主要研究方向为:纳米超薄膜传感器件与分子器件的光电子学研究;纳米结构与超分子结构光电子学研究;中药纳米化应用研究;富勒烯衍生物合成;富勒烯材料光电特性研究;金属半导体米粒子电磁特性研究;光子作探针的分子吸附动力学及应用研究;原子分子团簇材料理论与计算机模拟研究等。我国纳米科技的大部分研究工作主要集中在硬件条件要求不太高的基础研究领域,涉及纳米主流技术高、精、尖的研究内容不多,特别是一些具有重要应用前景的技术研究比较薄弱,在纳米材料、纳米结构的设计、制造和控制以及实用化方面与国际先进水平存在较大的差距。 5.结 论 在信息通信领域,光通信技术已经改变了人们的生产和生活方式,特别是信息高速公路的建设,为人们掌握信息、获取信息、快速传递信息创造了有利条件。未来光通信将向光孤子通信、高速量子保密通信、紫外通信和纳米光通信方向发展。目前,制作纳米光电子器件有两条技术途径: (1) 自上而下路线的将尺寸逐渐变小的方法; (2) 自下而上路线的利用有机/ 无机分子组装功能器件的方法。要研究和开发出实用的纳米光电子器件,除了必须解决单个纳米光电子器件的工作原理、纳米光电子材料和纳米加工技术问题外,还必须解决纳米光电子器件的集成技术以及与外部的连接技术。显然,纳米光电子技术和纳米光电子学是纳米光电子器件研究的核心技术,而纳米光通信技术的关键技术是纳米光电器件的研制。 人类以驾驭原子能进入现代社会,以制造和利用单晶基础半导体进入电脑与网络信息时代。进入20 世纪90 年代,全球以IT 为核心的高新技术产业得到了迅猛发展,它将由新兴产业逐步成为主导产业。但是,真正实现使用以纳米电脑为基础的信息高速公路,离不开纳米光通信技术,它将使人类真正进入信息时代,并将领导下一场工业革命,以推动社会的发展。