第27卷第10期强激光与粒子束V o l.27,N o.10 2015年10月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S O c t.,2015
光学超材料的制备方法与参数提取*
李克训1,赵亚丽1,4,江波1,王东红1,王军梅2,3
(1.中国电子科技集团公司第三十三研究所电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原030006;
2.中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室,太原030001;
3.中国科学院大学,北京100049;
4.山西大学化学化工学院,太原030006)
摘要:在光学超材料研究过程中,其微观结构的控制制备技术至关重要三综述了国内外在光学超材料制备方法方面的大致发展历程三重点介绍了二维光学超材料的制备技术,并分析对比了各种经典制备方法的
优缺点三在二维光学超材料制备方法基础上,进一步叙述了三维光学超材料的传统制备和新的研究制备方法三
简要介绍了均匀介质光学超材料的介电常数二磁导率二折射率和阻抗等有效电磁参数的提取过程三
关键词:光学超材料;实验;有效参数;刻蚀;自组装
中图分类号: O436文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201527.103233光学超材料是由亚波长结构单元或具有特异电磁特性的超原子组成的人工微纳结构材料三随着各个相关领域的发展,包括光磁学[1],光负折射率材料[2],巨大的人工手性[3],超材料非线性光学[4]和电磁隐身斗篷[5]等在内的光学超材料的诸多研究领域受到广泛关注三正如材料科学的许多分支一样,光学超材料的研究重点不仅仅是理论分析二设计与性能检测,还包括其具体微纳结构的制备技术与结构实现三在理论预测和仿真模拟方面,无论具有多么奇特的物理现象,都只有当其结构能够真正得以实现时,才能真正去验证理论推测和模拟结果三近年来,随着纳米加工技术的发展,特别是激光器[6]二飞秒激光[7]以及先进光学制造技术[8]的出现,使得光学超材料的制备技术得以快速发展三由于其结构单元需要控制在光波长范围,即几百纳米,所以相比微波频段的超材料结构,光学超材料的制备更富有挑战性三本文将分别叙述二维(2D)和三维(3D)光学超材料的制备方法,并简要介绍光学参数的提取,这将有利于光学超材料的模拟仿真和设计制备三
12D光学超材料制备
2D光学超材料的制备方法,主要包括电子束刻蚀(E B L)[9-11]二聚焦离子束(F I B)[12]二干涉刻蚀(I L)[13-14]和纳米压印刻蚀(N I L)技术[15-16]等方法三
1.1电子束刻蚀
电子束刻蚀是以电子聚焦束来代替光刻蚀中的光束,通过曝光在样品表面形成所需要的图案[9]三在光学超材料领域,大多数具有里程碑意义的研究结果,如负折射现象[10]二显著的磁响应[11]和巨大的手性效应[3]等都是通过电子束刻蚀来实现的三由于高能电子的德布罗意波长要远小于光波长,可以明显改变E B L系统中由于光的衍射极限造成的斑点,使其可以小到几个纳米,以便得到精细到纳米级别的图案三由于E B L为无掩模工艺,图形可以通过软件来控制,使其成为制备平面纳米结构最为普遍的工具三其主要缺点是效率低,时间长,价格高三因此,不适合制作大面积或批量制备光学超材料结构三
1.2聚焦离子束
与E B L不同,该法是用镓离子聚焦束来实现图形化,加速离子具有几十k e V的能量,足以溅射出样品表面的金属或电介质原子,其离子束聚焦光斑约为10n m,使其成为制造光学超材料的一种替代技术三与电子束刻蚀相比,不涉及后处理过程,且操作过程相对比较简单,能在短短20m i n内,制备出面积为16μm?16μm 的开口谐振环纳米图形结构[12]三虽然F I B法在时间上效率比较高,但其并不是制造高品质光学超材料的首选三该过程在本质上是一种破坏和污染过程,过程中高能离子束可以注入到样品表面,导致超材料结构的单元成分和形状发生改变,并进一步造成超材料性能预测与实际观测之间的差异三因此,该法在特定设计中可以快速图形化,但不作为2D光学超材料结构的一般性制备方法三
*收稿日期:2015-05-01;修订日期:2015-07-17
基金项目:山西省青年科学基金项目(2014021020-1);预研项目(201262401090404);国家重点基础研究发展计划(2013C B A01700)
作者简介:李克训(1982 ),男,硕士,主要从事电磁防护研究;l i k e x u n c c@126.c o m三
通信作者:王军梅(1986 ),女,博士,主要从事发光与光催化研究;j u n m e i_88@126.c o m三
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强激光与粒子束
E B L与
F I B都不适于光学超材料结构的大面积和批量制备,只适合不超过毫米量级尺寸的纳米结构制备三
1.3干涉刻蚀
干涉刻蚀法,又称全息光刻,是一种无掩模周期结构的光刻制备技术三通过两个或以上相干光束干涉产生一个驻波,可以记录在光致抗蚀剂上三对于制造光学超材料,其显著优点是具备制备大面积图形的能力,能够制备商业光学器件量级面积的超材料薄膜和涂层三类似标准光刻蚀技术,该法利用单步曝光替代了缓慢的光栅扫描三因此,一个相干光束大小的图形区域可以一次完成,所得图形可以达到c m量级三通过该法已经制备出近-中红外波段光学超材料[13-14]三但限制I L法成为光学超材料制备通用方法的原因是其仍属于光刻蚀过程,同样受到光波衍射极限的限制三所以该法制备的光学超材料多工作在红外区域而不是可见光波段三另外,不同于E B L和标准光刻蚀技术可处理几乎任意形状的图形,I L法在周期结构的几何形状方面受到限制三1.4纳米压印刻蚀
纳米压印刻蚀技术为批量制备纳米结构和降低成本提供了可能[15]三该法涉及的模板需要具有纳米尺寸特征并在可控的环境条件下压在软刻蚀剂上,制作过程不受任何衍射或散射效应限制,最小可实现10n m量级的结构三而具有大面积渔网结构的金属-电介质-金属结构,在近红外波段可观察到负折射现象三该技术成功应用于室温下的红外手性超材料结构制备[16],但很少用于新型超材料结构的制备验证,因为其模版或模具的制备过程相当复杂,往往涉及到其他刻蚀过程,如电子束刻蚀二光刻蚀二聚焦离子束以及反应离子刻蚀等方法三
2D光学超材料典型结构基于平面结构或厚度远小于波长的尺寸范围三为了充分展现其新颖特性,从平面结构到三维超材料结构的制备尤为重要,因此,必然涉及到对3D光学超材料亚波长和复杂超原子的合成三23D光学超材料制备
3D光学超材料的制备方法,主要分为自上而下法包括层层堆垛[17-18]二双光子光聚合[19-21]二电子束直写[22]二三维全息光刻[23]等,以及自下而上法如化学自组装[24-27]等两大类三
2.1层层堆垛
许多方法已经提出并验证了足够厚度光学超材料结构的制备,其中一个比较简单的方法就是二维超材料结构的层层堆垛法[17]三该法同样可以由标准的E B L过程实现,是朝着制备更厚的超材料结构迈出的重要一步,但并不是制备真正3D光学超材料结构的理想方法,因为其总的厚度一般不超过200n m三一方面抗蚀剂厚度不能任意超过电子束处理厚度,另一方面刻蚀过程中会产生非垂直的侧壁,使横截面呈梯形结构,开口处底层比顶层小得多,随着总厚度的不断增加,顶层图形结构尺寸会不断减小,直至为零三为了克服这一缺陷,图形平坦法被用来制备多层超材料结构[17],图形化和平坦化过程被重复进行,以产生多个平面层,通过该过程四层呈良好排列的开口谐振环得以制备三尽管用平面的电子束刻蚀技术可以通过层层堆叠的方式制备更多层纳米结构,但不能制备出大面积和较厚的真正意义上的三维光学超材料结构三除了E B L,F I B也可用于多层光学超材料结构的制造,通过该法已制备出十层呈渔网结构的负折射超材料结构[18]三多层金属-电介质超材料结构的E B L和F I B制备过程是平面2D光学超材料制备方法的扩展,但并不能制备任意结构的超原子结构三
2.2双光子光聚合
双光子光聚合法,也被称为激光直写,聚合是通过非线性二多光子聚焦过程实现,聚合作用发生在激光束的聚焦点[19]三通过控制三维点阵的聚合位置,可以在空间分辨率下制备超衍射极限三维纳米结构;然后以该法得到的三维聚合物结构为骨架,进行涂敷金属过程以完成金属纳米结构制备,最终结构包含了金属和电介质单元三该金属化工艺通常是通过电解电镀的方式沉积完成,是比较灵活的金属化方法[20]三许多具有小于1μm 特征单元的复杂结构光子晶体已由激光直写法实现三相比于该法在光子晶体中的应用,制备块体的光学超材料结构则更富有挑战性三因为在同一波长下,超材料结构特征尺寸要小于光子晶体结构三大多数超材料结构要求单元结构中含有金属成分,这是蒸发或溅射等常规金属化方法不易实现的三除了以上几种金属化方法外,新的金属化聚合物骨架的方法如化学气相沉积已得到验证[21],并且可以进行特定区域的金属化操作三
2.3化学自组装
利用通过可控化学过程的自组装或自组织法,能够产生几乎所有图案的堆垛结构三此法成本较低,但所有
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的自组装都是非常具体的,尤其是一些特定的阵列结构对材料有严格的限制三尽管如此,已经出现了实验验证的自下而上的自组装法制备光学超材料,如自组装蛋白石作为多功能模板,可以向其中填充的客体材料包括金
属二半导体和绝缘体等等[24]
,这种模板法已经成功用于硅光子晶体和三维空心银球阵列的制备,它们都是采用聚合物胶体晶体为模板[25
]三另外,还有组装而成的负折射材料是基于自组织的多孔氧化铝和金属电镀模板合成的[26]三能够实现自组装的方法很多,张日东等[27]
通过提拉法自组装S i O 2膜并研究了厚度与折射率的变化
规律,该法同样也可以用于多层三维纳米结构的组装三
2.4 其他方法
其他制备3D 金属-电介质光学超材料纳米结构的方法主要包括电子束直写[22]
二聚焦离子束化学气相沉积[28]二三维全息光刻等[23
]三其中有些方法可能会受到材料和几何结构的严格限制,但它们已经成功用于三维
光子晶体结构的制备,也同样可以用于精细3D 光学超材料结构的实现三另外,
还有等离子刻蚀以及以上几种方法的结合使用,潘鑫等[29]
正是采用等离子体刻蚀与化学气相沉积相结合的方法对金刚石膜刻蚀效果与影响
机理进行了研究三
3 提取材料参数
对于给定特定结构的光学超材料,其中最重要的任务之一就是提取有效参数,包括由实验观测的介电常数
ε,
磁导率μ,折射率n 和阻抗Z 三一般情况,所有这些参数都包含实部和虚部两部分三四个参数可分成两组,一组是介电常数ε和磁导率μ,如式(1)二式(2
),可直接代入麦克斯韦方程组三D =ε0εr
E (1
)B =μ0μ
r H (2)另外两个量折射率n 和阻抗Z ,更方便描述不同材料边界处的波现象三两组参数通过式(3)二式(4
)关联三ε=n /Z
(3)μ=n
Z (4
)严格来说,所有这些变量是与频率相关的三
获取超材料的有效参数最简单的方法之一是所谓的(R ,T )
法三其中只需要观测法向入射光入射特定厚度介质的反射率R 和透射率T 三R ,T 和折射率n 之间的关系由广义的菲涅耳定律描述,包括不同界面的相干条件三另一个方法是在垂直入射谱下,仅测量R (ω)或T (ω)光谱,然后进行克拉默斯-克朗尼(K r a m e r s -
K r o n i g )关系转换三当样品是非透明时只有R (ω)被测量三然而,如果仅有一些特定的反射谱线,还必须采集幅度和相位信息三
对于一般超材料来说,至少有四个变量需要确定三无论介电常数ε,还是磁导率μ,都有未知的实部和虚
部三也可以利用折射率n 和阻抗Z 表征,如式(5)二式(6),同样存在实部n ?与Z ?和虚部n ?与Z ?四个未知变量,因此这些变量需要通过试验去提取有效参数来获取三考虑垂直入射厚度为d 的均匀介质板,假设板在真空中,则复透射系数t 和复反射系数r 与阻抗Z 和折射率n 有关,如式(7)二式(8
)三n =n ?+i n ?
(5
)Z =Z ?+i Z ?
(6)t =[c o s ()n k d -i 2(Z +1Z
)s i n (n k d )
]-1(7
)r =-
i 2(Z -1Z
)s i n (n k d )t (8
)式中:k =2π/λ0是自由空间波矢,能够通过菲涅耳公式简单求和得到;t 等同于传统透射系数乘以因子e i k d
,是归一值[30]
三由式(7),(8)可得式(9),(10)三由于平方根和三角函数的存在,需要综合考虑ε,μ,n 和Z 之间的因果关系,使得式(9
)的解唯一确定,同理求得n 解三Z =?1+()r 2-t 21-()r 2-t é?êêù
?úú
21/
2
(9)c o s ()n k d =1-r 2+
t
2
2t
(10
)当得到n 和Z ,则可由式(3)二式(4
)可得到另一组材料参数三李克训等:光学超材料的制备方法与参数提取
强激光与粒子束
从复透射系数t和复反射系数r中提取有效参数的方法,不仅有利于实验数据的处理,还是超材料仿真和建模不可或缺的工具三但该处理过程是基于理想化均质模型而展开的,而实际中纳米结构的堆垛往往存在明显的各向异性,这就给微纳米结构电磁参数的提取带来困难,或提取的参数与实际情况存在较大差异三
4结论
针对光学超材料的理论分析二仿真模拟以及新颖物理特性的研究开展广泛,并取得丰硕成果三但光学超材料的实际应用却很少,其中主要原因之一便是光学超材料的设计与制备技术的局限三随着相关技术的发展和科学工作者研究的不断深入,光学超材料的设计和制备技术必将走向成熟,实现精确化二批量化和大面积光学超材料结构的制备,从而推动其实际应用三
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[28]M o r i t aT,K o n d oK,H o s h i n oT,e t a l.N a n o m e c h a n i c a l s w i t c h f a b r i c a t i o nb y f o c u s e d-i o n-b e a mc h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n[J].JV a cS c i
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G u o w e i,e t a l.M e c h a n i s mo f e t c h i n g C V Dd i a m o n d f i l mb y o x y g e n p l a s m a.H i g hP o w e rL a s e r a n dP a r t i c l eB e a m s,2014,26:074001)
[30]S m i t hDR,S c h u l t z S,M a r k o s,e t a l.D e t e r m i n a t i o no f e f f e c t i v e p e r m i t t i v i t y a n d p e r m e a b i l i t y o fm e t a m a t e r i a l s f r o mr e f l e c t i o na n d t r a n s-
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P r e p a r a t i o nm e t h o do f o p t i c a lm e t a m a t e r i a l s a n d p a r a m e t e r e x t r a c t i o n
L iK e x u n1, Z h a oY a l i1,4,J i a n g B o1, W a n g D o n g h o n g1, W a n g J u n m e i2,3
(1.T h e E l e c t r o m a g n e t i cP r o t e c t i o n M a t e r i a l s a n dT e c h n o l o g y K e y L a b o r a t o r y o f S h a n x i,
N o.33R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n aE l e c t r o n i cT e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n,T a i y u a n030006,C h i n a;
2.S t a t eK a y L a b o r a t o r y o f C o a lC o n v e r s i o nI n s t i t u t e o f C o a lC h e m i s t r y,
C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,T a i y u a n030001,C h i n a;
3.U n i v e r s i t y o f C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,B e i j i n g100049,C h i n a;
4.D e p a r t m e n t o f C h e m i s t r y a n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g,S h a n x i U n i v e r s i t y,T a i y u a n030006,C h i n a)
A b s t r a c t:I n t h e o p t i c a lm e t a m a t e r i a l s r e s e a r c h p r o c e s s,i t i s e x t r e m e l y i m p o r t a n t t o c o n t r o l a n d p r e p a r e t h em i c r o s t r u c t u r e o f o p t i c a lm e t a m a t e r i a l s.T h i s p a p e r r o u g h l y r e v i e w s t h e d e v e l o p m e n t h i s t o r y o f p r e p a r a t i o nm e t h o d s o f o p t i c a lm e t a m a t e r i a l s a-b r o a d.T h e p r e p a r a t i o n o f t w o-d i m e n s i o n a l o p t i c a lm e t a m a t e r i a l sw a s h i g h l i g h t e d,w h i l e t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f v a r i-o u s c l a s s i c p r e p a r a t i o nm e t h o d sw e r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d.O nt h eb a s i so f p r e p a r a t i o no f t w o-d i m e n s i o n a l o p t i c s,t r a d i t i o n a l a n dn e w m e t h o d s o f p r e p a r i n g t h r e e-d i m e n s i o n a l o p t i c a lm e t a m a t e r i a l sw e r e f u r t h e r d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r.T h e p r o c e s s o f e x t r a c-t i n g t h ee f f e c t i v e p a r a m e t e r si n c l u d i n g e l e c t r i c p e r m i t t i v i t y,m a g n e t i c p e r m e a b i l i t y,r e f r a c t i v ei n d e xa n di m p e d a n c eo fo p t i c a l m e t a m a t e r i a l sw a s i n t r o d u c e d.
K e y w o r d s:o p t i c a lm e t a m a t e r i a l s;e x p e r i m e n t a l;e f f e c t i v e p a r a m e t e r s;l i t h o g r a p h y;s e l f-a s s e m b l y
P A C S:81.05.X j;78.67.P t;42.70.-a
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第27卷第10期强激光与粒子束V o l.27,N o.10 2015年10月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S O c t.,2015 光学超材料的制备方法与参数提取* 李克训1,赵亚丽1,4,江波1,王东红1,王军梅2,3 (1.中国电子科技集团公司第三十三研究所电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原030006; 2.中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室,太原030001; 3.中国科学院大学,北京100049; 4.山西大学化学化工学院,太原030006) 摘要:在光学超材料研究过程中,其微观结构的控制制备技术至关重要三综述了国内外在光学超材料制备方法方面的大致发展历程三重点介绍了二维光学超材料的制备技术,并分析对比了各种经典制备方法的 优缺点三在二维光学超材料制备方法基础上,进一步叙述了三维光学超材料的传统制备和新的研究制备方法三 简要介绍了均匀介质光学超材料的介电常数二磁导率二折射率和阻抗等有效电磁参数的提取过程三 关键词:光学超材料;实验;有效参数;刻蚀;自组装 中图分类号: O436文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201527.103233光学超材料是由亚波长结构单元或具有特异电磁特性的超原子组成的人工微纳结构材料三随着各个相关领域的发展,包括光磁学[1],光负折射率材料[2],巨大的人工手性[3],超材料非线性光学[4]和电磁隐身斗篷[5]等在内的光学超材料的诸多研究领域受到广泛关注三正如材料科学的许多分支一样,光学超材料的研究重点不仅仅是理论分析二设计与性能检测,还包括其具体微纳结构的制备技术与结构实现三在理论预测和仿真模拟方面,无论具有多么奇特的物理现象,都只有当其结构能够真正得以实现时,才能真正去验证理论推测和模拟结果三近年来,随着纳米加工技术的发展,特别是激光器[6]二飞秒激光[7]以及先进光学制造技术[8]的出现,使得光学超材料的制备技术得以快速发展三由于其结构单元需要控制在光波长范围,即几百纳米,所以相比微波频段的超材料结构,光学超材料的制备更富有挑战性三本文将分别叙述二维(2D)和三维(3D)光学超材料的制备方法,并简要介绍光学参数的提取,这将有利于光学超材料的模拟仿真和设计制备三 12D光学超材料制备 2D光学超材料的制备方法,主要包括电子束刻蚀(E B L)[9-11]二聚焦离子束(F I B)[12]二干涉刻蚀(I L)[13-14]和纳米压印刻蚀(N I L)技术[15-16]等方法三 1.1电子束刻蚀 电子束刻蚀是以电子聚焦束来代替光刻蚀中的光束,通过曝光在样品表面形成所需要的图案[9]三在光学超材料领域,大多数具有里程碑意义的研究结果,如负折射现象[10]二显著的磁响应[11]和巨大的手性效应[3]等都是通过电子束刻蚀来实现的三由于高能电子的德布罗意波长要远小于光波长,可以明显改变E B L系统中由于光的衍射极限造成的斑点,使其可以小到几个纳米,以便得到精细到纳米级别的图案三由于E B L为无掩模工艺,图形可以通过软件来控制,使其成为制备平面纳米结构最为普遍的工具三其主要缺点是效率低,时间长,价格高三因此,不适合制作大面积或批量制备光学超材料结构三 1.2聚焦离子束 与E B L不同,该法是用镓离子聚焦束来实现图形化,加速离子具有几十k e V的能量,足以溅射出样品表面的金属或电介质原子,其离子束聚焦光斑约为10n m,使其成为制造光学超材料的一种替代技术三与电子束刻蚀相比,不涉及后处理过程,且操作过程相对比较简单,能在短短20m i n内,制备出面积为16μm?16μm 的开口谐振环纳米图形结构[12]三虽然F I B法在时间上效率比较高,但其并不是制造高品质光学超材料的首选三该过程在本质上是一种破坏和污染过程,过程中高能离子束可以注入到样品表面,导致超材料结构的单元成分和形状发生改变,并进一步造成超材料性能预测与实际观测之间的差异三因此,该法在特定设计中可以快速图形化,但不作为2D光学超材料结构的一般性制备方法三 *收稿日期:2015-05-01;修订日期:2015-07-17 基金项目:山西省青年科学基金项目(2014021020-1);预研项目(201262401090404);国家重点基础研究发展计划(2013C B A01700) 作者简介:李克训(1982 ),男,硕士,主要从事电磁防护研究;l i k e x u n c c@126.c o m三 通信作者:王军梅(1986 ),女,博士,主要从事发光与光催化研究;j u n m e i_88@126.c o m三 103233-1
第四章材料的光学性质 1.光吸收的本质 光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。此外，介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激时，在运动中与其他分子碰撞，电子的能量转变成分子的动能亦即热能，从而构成光能的衰减。即是在对光不发生散射的透明介质，如玻璃、水溶液中，光也会有能量的损失，这就是产生光吸收的原因。 2.图4.19金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化。 3.光的色散材料的折射率随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。 4.光的散射 光通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射。光的散射导致原来传播方向上光强的减弱。 5.弹性散射散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的散射称为弹性散射。 σλ1 ∝s I （I s 表示散射光强度，参量σ与散射中心尺度大小a 0有关） a.Tyndall 散射当a 0>>λ时，0→σ，即当散射中心的尺度远大于光波的波长，散射光强与入射光波长无关。 B.Mie 散射当a 0λ≈时，即散射中心尺度与入射光波长可以比拟时，σ在0~4之间，具体数值与散射中心尺度有关。 C.Rayleidl 散射当a 0<<λ时，4=σ。换言之，当散射中心线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比（4 /1λ=s I ）。这一关系称为瑞利散射定律。 6.非弹性散射当光束通过介质时，从侧向接收到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。除此之外，使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪器，可以发现散射光中还有其他光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱得多，这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为“非弹性散射”。从波动观点来看，光的非弹性散射机制乃是光波电磁场与介质内微观粒子固有振动之间的耦合，可激 发介质微观结构的振动或导致振动的淬灭，以至散射光波频率相应出现“红移”（频率降低）或“蓝移”（频率升高）。通常能产生拉曼散射的介质多由相互束缚的正负离子所组成。正负离子的周期性振动导致偶极矩与光波电磁场的相互作用引起能量交换，发生光波的非弹性散射。布里渊散射是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射，也可以说是点阵振动的声学声子（声学摸）与光波之间能量交换的结果。 ωs R AS
研究生课程结课综述 ------新能源材料心得体会 姓名： 学院： 专业： 学号： 新能源材料 一、新能源概况 新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部伸出所产生
的热能，包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核聚变能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。一般地说，常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，而新能源通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。因此，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源，而把太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及核能、氢能等作为新能源。 以新能源中的太阳能为例，新能源具有无可替代的资源优势：太阳能资源取之不竭，太阳能是地球上分布最广泛的可再生能源，每年到达地球陆地上的太阳辐射能量约27万亿吨标准煤，是目前世界能源消费总量的2000多倍。可开发的风能资源为53000 TWh，是目前全球发电量的两倍，水力发电资源量的三倍。太阳能、风能已成为各国实施可持续发展的重要选择，是一种朝阳的产业，孕育着巨大的潜在经济利益为维持技术优势、占领市场的需要。 二、我国发展新能源的重要性 太阳能、风能已成为各国实施可持续发展的重要选择。同国外相比，我国的能源系统更加不具备可持续发展特点：能源枯竭的威胁可能来的更早。人口多，人均资源占有量仅及世界的一半，石油和天然气资源仅占世界人均量的17.1％和13.2％；加之能源利用技术落后，效率低下，能耗高，枯竭速度可能会比国外更加迅速，能源匮乏的威胁可能来的更早、能源供需缺口将越来越大。2020年全国需求量27亿吨TOE，尚缺4.8亿吨标煤；2050年一次需求量达到40亿吨标煤，缺口达10亿吨标煤，短缺25％以上。过度依赖煤炭，环境影响更加严重。煤炭几乎满足了我国一次能源需求的70％，66％的城市大气颗粒物的含量和22％的城市的二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标准，在冬季这些污染物的浓度更大，通常为夏季的2倍。环境专家估计，大气中90％的二氧化硫和70％的烟尘来自于燃煤。 煤废料的处理仍是问题。煤炭开发利用过程中产生的大量的矸石、腐蚀性水、煤泥、灰渣和飞灰等，已构成对工农业生产和生态环境的危害，成为制约所在地区可持续发展的一个制约因素。 在我国，近13亿人中约80％居住在农村，每年消耗6亿多吨标煤的能量，其中约一半来自可再生能源，但这些能源目前还是以传统的利用方式为主。另外我国还有700万户无电人口，无法用常规电网延伸解决用电问题。 发展新能源可以满足安排剩余劳动力的需要。如丹麦的风力发电制造业，1999年风机制造、维护、安装和咨询服务，即为丹麦提供了1.2万至1.5万个工作机会；它的风机零部件的供应遍及全球，同时还创造了约6,000个工作机会。 发展新能源同时可以维护生态建设成果、改善农村生活环境。目前有2亿多人面临沙漠化的威胁，但燃烧传统生物质能源在很多地区仍是主要的生活用能方
材料常用制备方法
材料常用制备方法 一．晶体生长技术 1．熔体生长法【melt growth method】（将欲生长晶体的原料熔化，然后让熔体达到一定的过冷而形成单晶） 1.1 提拉法 特点：a. 可以在短时间内生长大而无错位晶体 b.生长速度快，单晶质量好 c.适合于大尺寸完美晶体的批量生产 1.2 坩埚下降法 特点：装有熔体的坩埚缓慢通过具有一定温度梯度的温场，开始时整个物料熔 融，当坩埚下降通过熔点时，熔体结 晶，随坩埚的移动，固液界面不断沿 坩埚平移，至熔体全部结晶。 1.3 区熔法 特点：a.狭窄的加热体在多晶原料棒上移动，在加热体所处区域，原料变成熔 体，该熔体在加热器移开后因温度下 降而形成单晶
c.外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。 2. 溶液生长法【solution growth method】(使溶液达到过饱和的状态而结晶) 2.1 水溶液法 原理：通过控制合适的降温速度，使溶液处于亚稳态并维持适宜的过饱和度，从而结晶 2.2 水热法【Hydrothermal Method】 特点：a. 在高压釜中，通过对反应体系加 热加压（或自生蒸汽压），创造一个 相对高温高压的反应环境，使通常难 溶或不溶的物质溶解而达到过饱和、 进而析出晶体 b. 利用水热法在较低的温度下实现 单晶的生长，从而避免了晶体相变引 起的物理缺陷 2.3 高温溶液生长法（熔盐法） 特点：a.使用液态金属或熔融无机化合物作为溶剂 b.常用溶剂： 液态金属 液态Ga（溶解As）
Pb、Sn或Zn（溶解S、Ge、GaAs） KF（溶解BaTiO3） Na2B4O7（溶解Fe2O3） c.典型温度在1000 C左右 d.利用这些无机溶剂有效地降低溶 质的熔点，能生长其他方法不易制备 的高熔点化合物，如钛酸钡BaTiO3二．气相沉积法 1. 物理气相沉积法(PVD)【Physical Vapor Deposition】 1.1 真空蒸镀【Evaporation Deposition】 特点：a.真空条件下通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面； b.常用镀膜技术之一； c.用于电容器、光学薄膜、塑料等的镀膜； d.具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜 分类：电阻加热法、电子轰击法 1.2 阴极溅射法（溅镀）【Sputtering Deposition】 原理：利用高能粒子轰击固体表面（靶材），
新能源材料学习心得 班级：094 姓名：刘建德学号：200910204428 一、新能源概况 新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部伸出所产生的热能，包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核聚变能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。一般地说，常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，而新能源通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。因此，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源，而把太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及核能、氢能等作为新能源。 以新能源中的太阳能为例，新能源具有无可替代的资源优势：太阳能资源取之不竭，太阳能是地球上分布最广泛的可再生能源，每年到达地球陆地上的太阳辐射能量约27万亿吨标准煤，是目前世界能源消费总量的2000多倍。可开发的风能资源为53000 TWh，是目前全球发电量的两倍，水力发电资源量的三倍。太阳能、风能已成为各国实施可持续发展的重要选择，是一种朝阳的产业，孕育着巨大的潜在经济利益为维持技术优势、占领市场的需要。 二、我国发展新能源的重要性 太阳能、风能已成为各国实施可持续发展的重要选择。同国外相比，我国的能源系统更加不具备可持续发展特点：能源枯竭的威胁可能来的更早。人口多，人均资源占有量仅及世界的一半，石油和天然气资源仅占世界人均量的17.1％和13.2％；加之能源利用技术落后，效率低下，能耗高，枯竭速度可能会比国外更加迅速，能源匮乏的威胁可能来的更早、能源供需缺口将越来越大。2020年全国需求量27亿吨TOE，尚缺4.8亿吨标煤；2050年一次需求量达到40亿吨标煤，缺口达10亿吨标煤，短缺25％以上。过度依赖煤炭，环境影响更加严重。煤炭几乎满足了我国一次能源需求的70％，66％的城市大气颗粒物的含量和22％的城市的二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标准，在冬季这些污染物的浓度更大，通常为夏季的2倍。环境专家估计，大气中90％的二氧化硫和70％的烟尘来自于燃煤。 煤废料的处理仍是问题。煤炭开发利用过程中产生的大量的矸石、腐蚀性水、
材料常用制备方法集团标准化工作小组 [Q8QX9QT-X8QQB8Q8-NQ8QJ8-M8QMN]
材料常用制备方法 一．晶体生长技术 1．熔体生长法【melt growth method】（将欲生长晶体的原料熔化，然后让熔体达到一定的过冷而形成单晶） 提拉法 特点：a. 可以在短时间内生长大而无错位晶体 b.生长速度快，单晶质量好 c.适合于大尺寸完美晶体的批量生产 坩埚下降法 特点：装有熔体的坩埚缓慢通过具有一定温度梯度的温场，开始时整个物料熔融，当坩埚下降通过熔点时，熔体结晶，随坩埚的移动，固液 界面不断沿坩埚平移，至熔体全部结晶。 区熔法 特点：a.狭窄的加热体在多晶原料棒上移动，在加热体所处区域，原料变成熔体，该熔体在加热器移开后因温度下降而形成单晶 b.随着加热体的移动，整个原料棒经历受热熔融到冷却结晶的过 程，最后形成单晶棒 c.有时也会固定加热器而移动原料棒 焰熔法 特点：a.能生长出很大的晶体（长达1m） b.适用于制备高熔点的氧化物 c.缺点是生长的晶体内应力很大 液相外延法 优点：a.生长设备比较简单； b.生长速率快； c.外延材料纯度比较高； d.掺杂剂选择范围较广泛； e.外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低； f.成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好； 操作安全。 缺点：a.当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难； b.由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料； c.外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。 2. 溶液生长法【solution growth method】(使溶液达到过饱和的状态而结晶) 水溶液法 原理：通过控制合适的降温速度，使溶液处于亚稳态并维持适宜的过饱和度，从而结晶 水热法【Hydrothermal Method】 特点：a. 在高压釜中，通过对反应体系加热加压（或自生蒸汽压），创造一个相对高温高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解而达 到过饱和、进而析出晶体
粉末冶金技术在新能源材料中的应用探讨 摘要：新能源的使用和普及是人类社会发展必经之路，新能源的使用所需要的 新能源材料是使用新能源的关键，对新能源材料和储存新能源材料的制备发挥作 用的技术上，粉末冶金技术是首选。本文将介绍什么是粉末冶金技术，并对粉末 冶金技术在新能源运用和储存中的作用进行分析和探讨。 关键词：粉末冶金技术；新能源储存 一、引言 随着人类社会经济的不断发展，人们生活变得越来越快节奏，越来越注重生 活品质的提升，与人们的需求相契合的是一切方便人们生活，出行等各方面的改变，如塑料制品越来越多，汽车等的普及。而这一切在为人们的生活带来方便的 同时，给我们的环境带来了压力，造成资源的短缺。为响应国家“统筹兼顾”、等 保护环境节约资源的政策措施，除了从衣食住行进行节约以外，我们还需要找出 一些可替代能源。本文将介绍粉末冶金技术在新能源技术中的应用。 二、粉末冶金技术介绍 粉末冶金是一种具有传统传统熔铸工艺无法获得的、独特的物理化学性质的 技术工艺。粉末冶金通过制备金属粉末能够做出半致密或者完全致密的工艺品， 不仅包括金属，现如今许多3D成型的制品均由粉末冶金技术制成。与传统工艺 相比，不需要切削便可制造出刀具、齿轮等还有更多精密成型的工具。 粉末冶金技术具有四个主要的特点。首先，粉末冶金能够传统工艺制造工具 时出现的合金偏聚现象，这是由于其能够在制备之前制备出合金的粉末，从根本 上解决合金偏聚的发生。其次，粉末冶金技术还能够制备出一些晶体，比如非晶、微晶等高性能非平衡材料，这些材料在电学、力学、磁学等领域具有超高的价值。再次，粉末冶金技术还能够实现多种类型材料的复合，例如金属－陶瓷材料的复合，这是一种极其低成本高性能的进行材料复合的工艺技术。最后，它还能够制 备出普通传统工艺无法制备的特殊结构、特殊材料的工艺制品，在我们的生活之中，许多机加工刀具、五金模具实际中就是由粉末冶金技术制备的。 三、新能源的定义和特点 新能源是除了传统的能源例如水、石油、天然气等人们日常使用的为人熟知 的能源以外的或者还在研究中和制备中的、未来能够最为某一种传统能源替代品 进入人们生活的能源。比如说我们经常提到的太阳能、氢能、核聚变能等等，都 属于新能源。这些新能源对于环境保护、节约能源来说十分的重要，如果我们能 够很好的加以利用，它们必然能够发挥自身优势，为人们的生活，为地球的环境 等等做出贡献。 四、粉末冶金技术的引进与使用 前文已述，粉末冶金技术的诸多优点，不论是制造生活所用的刀具，抑或是 制备具有良好性能，难以制备的具有超高力学性能的晶体，对它来说都不再话下。对于粉末冶金技术所需要的粉末冶金的材料是属于信息类的一种材料，主要是软 磁材料。随着一些科研学家在进行科研等活动中运用到的磁记录材料的需求的增多，粉末冶金技术也越来越变得不可或缺，极大的满足了人们的需求。同时，粉 末冶金技术在能源领域也发挥着作用，对着新能源的不断创新和发展，对于新能 源的储存和运行都需要粉末冶金技术材料的支持。例如能够满足航空航天工业的 足够强度和硬度的材料都需要粉末冶金技术来制成。 五、粉末冶金技术在新能源运用中的作用
材料常用制备方法 一．晶体生长技术 1．熔体生长法【melt growth method】（将欲生长晶体的原料熔化，然后让熔体达到一定的过冷而形成单晶） 1.1 提拉法 特点：a. 可以在短时间内生长大而无错位晶体 b.生长速度快，单晶质量好 c.适合于大尺寸完美晶体的批量生产 1.2坩埚下降法 特点：装有熔体的坩埚缓慢通过具有一定温度梯度的温场，开始时整个物料熔融，当坩埚下降通过熔点时，熔体结晶，随坩埚的移动，固液界面不断沿坩埚平移，至熔 体全部结晶。 1.3 区熔法 特点：a.狭窄的加热体在多晶原料棒上移动，在加热体所处区域，原料变成熔体，该熔体在加热器移开后因温度下降而形成单晶 b.随着加热体的移动，整个原料棒经历受热熔融到冷却结晶的过程，最后形成单 晶棒 c.有时也会固定加热器而移动原料棒 1.4焰熔法 特点：a.能生长出很大的晶体（长达1m） b.适用于制备高熔点的氧化物 c.缺点是生长的晶体内应力很大
1.5 液相外延法 优点：a.生长设备比较简单； b.生长速率快； c.外延材料纯度比较高； d.掺杂剂选择范围较广泛； e.外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低； f.成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好； 操作安全。 缺点：a.当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难； b.由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料； c.外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。 2. 溶液生长法【solution growth method】(使溶液达到过饱和的状态而结晶) 2.1 水溶液法 原理：通过控制合适的降温速度，使溶液处于亚稳态并维持适宜的过饱和度，从而结晶2.2 水热法【Hydrothermal Method】 特点：a. 在高压釜中，通过对反应体系加热加压（或自生蒸汽压），创造一个相对高温高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解而达到过饱和、进而析出晶体 b. 利用水热法在较低的温度下实现单晶的生长，从而避免了晶体相变引起的物 理缺陷 2.3 高温溶液生长法（熔盐法） 特点：a.使用液态金属或熔融无机化合物作为溶剂 b.常用溶剂：
当前高性能聚合物材料的研究热点中包括哪些聚合物的光学材料 1.含硫树脂巯基化合物 含硫树脂具有折射率高、色散低、密度小等特点。尤其是它的热光稳定性明显好于含卤树脂。硫元素大多通过巯基与各种官能团的反应引入到树脂中。如巯基与丙烯酰氯的反应, 此反应多用于制备含硫可聚合单体，二巯基化合物与丙烯酰氯反应制得含硫单体，单体聚合后折射率为1. 62。巯基与双键或炔基的反应，用于直接制备高折射率的聚合物或齐聚物。支化的多巯基齐聚物与含双键单体聚合后折射率为1. 60左右。巯基与芳香卤代烷的反应，需要高温、碱性催化, 所得聚合物多为高性能聚合物, 可用于特殊领域, 但巯基在此条件下易被氧化, 极不稳定, 反应难度大。巯基与醛基或酮基的反应等。 2.含溴树脂型 卤素( 除氟外) 可提高树脂折射率, 其中氯气毒性大, 难以操作, 且树脂折射率提高有限; 含碘树脂折射率高, 但不稳定、价格昂贵; 而溴为液体, 易操作, 折射率提高较大, 因此卤素中有实用价值的是溴元素。含溴树脂折射率最高, 达1. 72, 但该树脂密度大、易于着色和老化, 且体积较大的溴原子会限制与之相连基团的自由旋转, 使得均聚树脂的耐冲击性能较差。因此含溴单体的最大应用在于与其他单体共聚, 改善树脂的耐热性、尺寸稳定性、耐擦伤性, 降低吸水率, 并适当提高树脂折射率, 如将20%( 质量分数) 的含溴甲基丙烯酸酯与80%的含硫甲基丙烯酸酯共聚, 所得树脂综合性能好, 折射率达1. 63。 3.环氧树脂型 环氧树脂因耐热性和耐溶剂性好、收缩率小、易成型、粘结性强等特点而被广泛使用, 如用作光学装置的粘合剂, 但通用型环氧树脂的折射率较低, 纯度不高, 很难做到无色透明, 限制了它在光学材料方面的应用。向主链中引入硫元素、卤素, 将环氧制成环硫等均可提高树脂折射率。其中, 环硫化合物的三元环结构张力大、稳定性不好, 化合物中的杂质、pH 值过高或过低都会引发聚合, 不易储存, 但环硫树脂具有很高的折射率及优异的性能, 因此近几年来发展较快。 4.含硫聚氨酯型 传统光学塑料如PMMA、PC-39 的耐磨性和强度都较差, 影响了它们在光学器件上的应用, 因此耐磨性好、强度大的聚氨酯光学塑料近年来发展较快, 特别是含硫聚氨酯, 即通过多元硫醇与异氰酸酯或异硫氰酸酯聚合。含三嗪结构的异硫氰酸酯与均苯三硫酚聚合, 所得树脂的折射率竟高达1. 80, 极大缩小了高折射率树脂与无机材料之间的差距。然而含极性基团的树脂易结晶, 透明性差, 原料中的小分子会与氰酸根反应放出气体, 产生气泡, 影响光学性能。因此通过共聚或交联破坏结晶、除去原料中的水分和其它易挥发的小分子成为制备含硫聚氨酯时的必需步骤。利用异氰酸酯和氨基甲酸酯基等强极性基团与含活泼氢的材料( 玻璃等) 之间的优良粘附力, 有望开发继环氧之后的另一种光学装置粘合剂, 该材料具有广阔的应用前景。 5.聚酰亚胺类 聚酰亚胺( PI) 是一类典型的高性能聚合物, 特别是它的热稳定性, 可承受苛刻的热处理加工, 常被制成耐高温材料。酰胺键是一种极化度很大的官能团, 根据聚酰亚胺具有很高的折射率, 如均苯四酸酐/ 4, 4，-二苯醚二胺聚酰亚胺在632. 8nm 处的折射率高达1. 6950, 因此近年来关于PI 薄膜在高折射率方面的研究较多。在这方面刘金刚等做了系统研究, 制备出多种新型含硫聚酰亚胺, 折射率都在1. 7 左右, 其中苯环含量越高, 折射率越大。从目前的研究不难发现,
新能源材料制备与加工技术李长久 西安交 通 大 学 《新能源材料制 备 与加 工技 西安交 通大学 材料 制备与加工技 术》 本课程的安排
第1讲绪论:能源结构与太阳辐射特点 第2讲太阳电池原理 第3讲太阳电池原理(续 第4讲单晶硅太阳电池制造工艺 第5讲薄膜太阳电池与DSC 制造工艺 第6讲燃料电池基础 第7讲固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池制备成形技术第8讲新型2次电池材料 试验1 单晶硅太阳电池特性 试验2 单晶硅、非晶硅、多晶硅太阳电池特性比较 试验3 SOFC 电池输出特性 试验4 PEMFC 试验 西 安 交 通 大
学《新能源材料制备与加工技西安交通大学材料
制 备 与 加 工技 术》 本课程的基本要求 了解能源结构与发展趋势,可再生能源与化石燃料高效能源转换系统 能源转换材料基本特征 太阳电池原理,太阳电池转换效率的影响因素及其影响规律、提高转换效率的基本途径; 太阳电池的种类与制造工艺及其特点; 燃料电池的原理、特点、开发现状与应用前景。二次电池及其相关材料技术 材料制备、加工与制造器件一体化的特征 西 安 交 通
大 学 《 新 能 源 材 料 制 备 与加 工技 西 安 交通 大 学材 料制备与加工技术》
主要参考书 1.(美胡晨明,R.M. 还特著,(李采华译,太阳电 池,北京大学出版社,1990年 2. Chenming HU and Richard M. White, Solar Cell, From Basic to Advanced System, McGraw Hill Book Company, 1983 3.(澳马丁格林著,李秀文等译,太阳电池,电子工 业出版社,1987年 4. 赵富鑫,魏彦章,太阳电池及其应用,国防工业出版社,1985 5. 雷永泉主编,新能源材料,天津大学出版社, 2000。 6. 衣宝廉著,燃料电池,化学工业出版社,2003。 7. Fuel Cell Handbook 西 安 交
《新能源材料》课程教学大纲 一、课程基本情况 二、课程性质与作用 《新能源材料》是光电技术学院材料物理专业的一门专业方向选修课程。本课程介绍新能源材料的基础与应用方面的基础知识，涉及锂离子电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料等领域。通过本课程的学习，使学生了解新能源材料领域的基础知识和前沿动态，为以后从事新能源领域的相关研究及进行新能源技术与工程方面的工作提供理论指导。同时，也为学生进行后续课程《硅材料与晶圆技术》的学习打下理论基础。 本课程与《信息功能材料》、《电子陶瓷材料》、《磁性功能材料》及相关后续课程一起培养了学生在功能材料的设计、制备与性能方面的核心基础知识及工程能力，为本专业工程实践一级和二级项目顺利开展提供理论与研究方法的指导。 三、培养目标与标准 通过本课程的学习，使学生了解新能源材料的基本类型和特点，初步掌握新能源材料工程基础知识、原理和技术，具有初步的功能材料研究和设计能力，为将来学生进行新材料的利用与开发奠定理论基础，同时也为学生以后从事新能源领域的相关工作提供必备的工程基础知识。 本课程具体完成培养方案中以下指标，重点完成指标、、。
息渠道获得知识，侧重知识的获取，没有实训要求。T：讲授，指教、学活动中由教师引导开展的基础测试或练习，匹配有课程讨论、课后研讨等环节。U：运用，指以学生为主导，通过实践而形成的对完成某种任务所必须的活动方式，匹配有课程的三级项目或其它实践环节。 四、理论教学内容与学时分配
五、实践教学内容与学时分配 本课程开出的实践项目详见下表： 六、学业考核 七、其他说明 建议后续课程选修《硅材料与晶圆技术》。 撰写人：院（部、中心）教学主管签字（盖章）： 年月
新材料产业——新能源材料 发展领域 新材料是指那些新出现的或正在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料；或采用新技术(工艺,装备)，使传统材料性能有明显提高或产生新功能的材料；一般认为满足高技术产业发展需要的一些关键材料也属于新材料的范畴。 新材料作为高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛，它同信息技术、生物技术一起成为21世纪最重要和最具发展潜力的领域。随着我国能源消耗大幅度增长，煤炭、石油、天然气等传统能源已难于满足长期发展的需求，并会在消耗过程中对环境造成巨大破坏，要解决上述问题必须提高燃烧效率，实现清洁煤燃烧，开发新能源，节能降耗。这3个方面都与材料有着极为密切的关系。 新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，它是发展新能源的核心和基础。主要包括储氢合金材料为代表的镍氢电池材料、嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、Si半导体材料为代表的太阳能电池材料和发展风能、生物质能以及核能所需的关键材料等。
前景展望 新能源和再生清洁能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五个技术领域之一，新能源包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次电源中的氢能等。新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，主要应用于照明、供电、供热等领域。 主要包括以镍氢电池材料、锂离子电池材料为代表的 绿色电池材料；燃料电池材料；太阳能电池材料以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。 当前绿色电池材料研究的热点和前沿技术包括高能储氢材料、聚合物电池材料、磷酸铁锂正极材料等。在燃料电池材料领域当前研究的热点和前沿技术包括中温固体氧化物燃料电池，电解质材料等。在太阳能电池材料领域当前研究的热点和前沿技术包括晶体硅太阳能电池材料、非晶硅薄膜电池材料、化合物薄膜电池材料和染料敏化电池材料等。 对我国来说，首先要考虑的是提高能源生产效率、减少污染，其中当务之急是逐步实现洁净煤燃烧。为了提高燃烧效率，提高热效和增加机动性，要发展超临界蒸汽发电机组、整体煤气化联合循环技术和大功率工业燃气轮机组，这些技术对材料的要求都十分苛刻，需要耐热、耐蚀、抗磨蚀、抗
2017春季学期 新能源材料--课程论文 院（系）材料科学与工程 专业材料科学与工程 学生曾波 学号1141900225 班号1419002
石墨烯电池应用与展望 曾波 材料科学与工程1141900225 摘要石墨烯作为近年来炙手可热的新材料，凭借其独特微纳米尺度的二维平面结构和良好的导电导热特性在锂离子电池电极材料中也有着可观的的应用前景。本文介绍了石墨烯电池的概念提出和工作原理，调研了市场最新的石墨烯电池信息和商用情况，分析了特点和潜在问题以及根据现状的合理展望。 关键词石墨烯锂离子电池能量密度石墨烯电极材料 1 引言 在现已有广泛应用基础的新能源材料中，锂电池作为二次电池中的佼佼者具有开路电压高"能量密度大"使用寿命长"无记忆效应"无污染以及自放电率小等优点。如图一所示，锂离子电池工作原理，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，正极主要是磷酸铁锂，钴镍锰酸锂（三元材料）等负极主要是碳棒和石墨。充电时Li+从正极脱出经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态,正极处于贫锂态,同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极,保证负极的电荷平衡;放电时则相反。由于Li的原子序数很小,故Li+的质量很轻,单位重量的电极材料就可以储存较多的Li+,所以通常锂离子电池具有较高的能量密度。然而,受限于电极材料的结构与电解质的性能,锂离子电池的功率性能相对较弱,针对动力锂离子电池,这一点表现得尤为突出。故如何增加锂电池的功率密度是当务之急。 要攻破这一难关，需要制备具有高效储能特性的负极材料。碳材料的储锂机理复杂，因此尽管计算化学论证了石墨烯的高储锂容量，但目前制备的石墨烯的可逆容量接近甚至超过理论容量的储锂机理还需进一步分析证明。石墨烯电池是 指用石墨烯掺杂改性的复合材料替 代传统锂电池的电极材料，其他碳、 石墨材料比容量较小，每6个碳原子 与一个锂离子形成LiC6结构存储锂 离子，理论比容量为372mAh/g而石 墨烯是以单片层单原子厚度的碳原 子无序松散聚集形成，这种结构有利 于锂离子的插入，在片层双面都能储 存锂离子，理论容量明显提高。并且 锂离子在石墨烯表面和电极之间快 速大量穿梭运动的特性也将加快充 放电速度。石墨烯电池有望解决现在 锂电池不稳定、充电慢、容量低的难 题。 2 石墨烯电池介绍 2.1石墨烯 石墨烯是是由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，厚度仅为0.34纳米，单层厚度相当于头发丝直径的十五万分之一。是目前世界上已知的最轻薄、
实验研究 引言 电子技术是时代发展产物，是利用电子元件实现对电能应用的一种现代化技术，在我国众多领域中有着广泛的应用。现代化的生产与研究都离不开各种用电装置和设备的支持，电子技术的应用为人们的生活带来巨大便利的同时也促进了科技水平的提升，目前，约75%以上的电能都需要经过电力电子处理后才开始使用，当前我国面临的环境污染综合防治和能源短缺问题也需要通过控制技术、电力变换和高效发电技术来解决，为此，电子技术也为新能源的发展提供了一条新的道路，促进了新能源材料行业的进步，在国家经济发展中占据十分重要的地位。 1.电子技术概述 电子技术是一种将电能转换成不同用途、不同性质的电能，从而满足不同用电需求的现代化技术，主要包括电子器件、电子设备、电子系统、电子控制等方面，促进了现代科技的进步。目前，电子技术在社会中的地位不断上升，并且逐渐朝着智能化、数字化和网络化的方向发展，满足当今高端化、大功率产品的用电需求，可以说没有哪个行业能够脱离电子技术而独自存在，电子技术在我国乃至全世界范围内的经济发展中都具有重要的作用，是现代国防、工业和科学的重要支撑技术。 2.我国新能源材料行业发展现状 近年来，随着我国的经济升级转型和社会快速发展，对能源的过度开采不仅引发了温度变化、空气质量等一系列环境问题，而且也造成了能源的紧缺问题。能源是人类赖以生存的能量来源，随着煤炭、石油、天然气等不可再生资源的逐渐减少，人类正面临着巨大的能源危机，人们迫切的需要对新能源、新材料进行探索与开发。新能源材料不仅可以再生，且无污染、清洁、蕴藏量大，只有积极开发新能源才能从根本上解决我国经济发展与能源紧缺之间的矛盾。现阶段的新能源主要是指风能、水能、太阳能、潮汐能、生物质能、地热能等，其中，由于我国地域辽阔，资源分布较为广泛，风能和水能在我国的许多地区已经投入实际应用中，且日趋成熟；利用太阳能发电，设备安置灵活，且太阳能源异常丰富，得到了广泛的使用；利用潮汐能、生物质能、地热能发电，开发过程无污染，少排放，且效益高。对于这些新能源的研究，与发达国家相比，我国仍然处于初级阶段，仍需进一步深入的探索。 3.电子技术在新能源材料方面的应用优势及效果 电子技术的发展为新能源材料行业提供了一条新的途径，成为我国经济发展的重要基础。电子技术在应用过程中，对于节能降耗、低碳环保、提升控制准确度和安全性等方面起到良好效果。 第一，节能和环保效果显著。相比于传统的能源生产系统，电子技术通过对电能的转换能够实现对电能的充分利用，减少了资源浪费，在节能方面有着明显的优势。同时，随着电子技术朝着智能化、数字化方面的发展，实现了电力系统对外界零污染的要求，具有环保效果。 第二，控制准确度提升。传统的模拟控制电路具有元器件多、控制准确度低、系统反应速度慢、调试程序繁杂等缺点，随着电子器件和电子产品的不断更新，网络系统、通信系统、编码系统等内容的不断融合，改善了现有设备的电子系统，增加了控制、纠正、调试等功能，使得设备更加简洁，系统更新、远程控制等操作变得更加便捷，满足控制的准确性要求。 第三，安全性高。近年来，我国各地区的电力设备频繁出现问题，严重危害了人民群众的生命财产安全，而且导致了社会稳定性的衰减。为此，安全性的提升成为当前电力设备生产与使用中十分关键的一个环节。电子技术的应用能使新能源材料在研发过程中保持一定的安全性，降低能源消耗量，而且通过对新型电子设备的研发能够提高电力设备的安全性。 电子技术在新能源材料方面的应用探讨 作者/王立志，江苏省宿迁经贸高等职业技术学校 摘要：随着我国社会全面进步及经济升级转型，经济发展和能源消耗之间的矛盾日益严峻，因此，开发和利用新能源、新技术和新材料成为势在必行的需求趋势。目前，电子技术的快速发展，为汽车、军事、电能等众多领域中能源替代、发展行业提供了必要基础，有效缓解了我国面临的能源危机，降低了对自然和环境的影响，在未来的新能源材料行业中发挥着不可替代的作用。本文从电子技术和新能源材料的发展研究出发，阐述了电子技术在新能源材料中的应用优势及效果，并对如何将电子技术应用到新能源材料中进行了深入探讨，以期能促进我国新能源材料行业的发展。 关键词：电子技术；能源问题；新能源材料；应用优势；具体应用 www?ele169?com | 95
新能源材料与器件 电气工程及其自动化学院 姓名： 发展领域 新材料是指那些新出现的或正在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料；或采用新技术(工艺,装备)，使传统材料性能有明显提高或产生新功能的材料；一般认为满足高技术产业发展需要的一些关键材料也属于新材料的范畴。 新材料作为高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛，它同信息技术、生物技术一起成为21世纪最重要和最具发展潜力的领域。随着我国能源消耗大幅度增长，煤炭、石油、天然气等传统能源已难于满足长期发展的需求，并会在消耗过程中对环境造成巨大破坏，要解决上述问题必须提高燃烧效率，实现清洁煤燃烧，开发新能源，节能降耗。这3个方面都与材料有着极为密切的关系。 新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，它是发展新能源的核心和基础。主要包括储氢合金材料为代表的镍氢电池材料、嵌锂
碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、Si半导体材料为代表的太阳能电池材料和发展风能、生物质能以及核能所需的关键材料等。 前景展望 新能源和再生清洁能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五个技术领域之一，新能源包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次电源中的氢能等。新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，主要应用于照明、供电、供热等领域。 主要包括以镍氢电池材料、锂离子电池材料为代表的绿色电池材料；燃料电池材料；太阳能电池材料以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。 当前绿色电池材料研究的热点和前沿技术包括高能储氢材料、聚合物电池材料、磷酸铁锂正极材料等。在燃料电池材料领域当前研究的热点和前沿技术包括中温固体氧化物燃料电池，电解质材料等。在太阳能电池材料领域当前研究的热点和前沿技术包括晶体硅太阳能电池材料、非晶硅薄膜电池材料、化合物薄膜电池材料和染料敏化电池材料等。 对我国来说，首先要考虑的是提高能源生产效率、减少污染，其中当务之急是逐步实现洁净煤燃烧。为了提高燃烧
新能源材料的研究进展及其应用 摘要:新能源材料是指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。新能源是降低碳排放、优化能源结构、实现可持续发展的重要途径, 新能源材料是引导和支撑新能源发展的重要基础,对新能源的发展发挥了重要作用,一些新能源材料的发明催生了新能源系统的诞生。在新能源系统中得到了大量应用。主要介绍目前在新能源发展过程中发挥重要作用的锂离子电池关键材料、相变储热材料及储氢材料等新能源材料的现状应用及存在问题。 关键词:新能源; 储热；储氢 Progress in Research of Green Energy Materials Abstract: New energy materials refers to the functional material or structure function integration material supporting the development of new energy, with energy storage and conversion function. Utilizing green energy is one of the ways to decrease carbon em ission, optimize energy structure and realize sustainable development. New energy materials are important for guiding and supporting the development of new energy and are extensively used in the new energy systems. Current status and existing problems of some new energy materials that play important roles in the developing process of new energy, such as related materials for batteries, and hydrogen energy and fuel cells, phase change thermal storage materials and hydrogen storage materials are briefly introduced. Key words: new energy; thermal storage；hydrogen storage 引言 新能源和再生清洁能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的5个技术领域之一。新能源包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次能源中的氢能等。新能源材料是指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。[1]新能源材料对新能源的发展发挥了重要作用,一些新能源材料的发明催生了新能源系统的诞生,一些新能源材料的应用提高了新能源系统的效率,新能源材料的使用直接影响着新能源系统的投资与运行成本。本文主要介绍锂离子电池关键材料、相变储热材料及储