半导体材料论文大全11篇

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关键词

半导体材料;多晶硅;单晶硅;砷化镓;氮化镓

1前言

半导体材料是指电阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金属和绝缘体之间的材料。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料[1]，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。电子信息产业规模最大的是美国和日本，其2002年的销售收入分别为3189亿美元和2320亿美元[2]。近几年来，我国电子信息产品以举世瞩目的速度发展，2002年销售收入以1.4亿人民币居全球第3位，比上年增长20，产业规模是1997年的2.5倍，居国内各工业部门首位[3]。半导体材料及应用已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。

半导体材料的种类繁多，按化学组成分为元素半导体、化合物半导体和固溶体半导体;按组成元素分为一元、二元、三元、多元等;按晶态可分为多晶、单晶和非晶;按应用方式可分为体材料和薄膜材料。大部分半导体材料单晶制片后直接用于制造半导体材料，这些称为“体材料”;相对应的“薄膜材料”是在半导体材料或其它材料的衬底上生长的，具有显著减少“体材料”难以解决的固熔体偏析问题、提高纯度和晶体完整性、生长异质结，能用于制造三维电路等优点。许多新型半导体器件是在薄膜上制成的，制备薄膜的技术也在不断发展。薄膜材料有同质外延薄膜、异质外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。

在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料;将砷化镓、磷化铟、磷化镓、砷化铟、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料;而将宽禁带eg2.3ev的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料[4]。上述材料是目前主要应用的半导体材料，三代半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化镓。本文沿用此分类进行介绍。

2主要半导体材料性质及应用

材料的物理性质是产品应用的基础，表1列出了主要半导体材料的物理性质及应用情况[5]。表中禁带宽度决定发射光的波长，禁带宽度越大发射光波长越短蓝光发射;禁带宽度越小发射光波长越长。其它参数数值越高，半导体性能越好。电子迁移速率决定半导体低压条件下的高频工作性能，饱和速率决定半导体高压条件下的高频工作性能。

硅材料具有储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良、易于生长大尺寸高纯度晶体等优点，处在成熟的发展阶段。目前，硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材料，95以上的半导体器件和99以上的集成电路ic是用硅材料制作的。在21世纪，可以预见它的主导和核心地位仍不会动摇。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。

砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高频、高速和光电性能，并可在同一芯片同时处理光电信号，被公认是新一代的通信用材料。随着高速信息产业的蓬勃发展，砷化镓成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛，并占据不可取代的重要地位。

gan材料的禁带宽度为硅材料的3倍多，其器件在大功率、高温、高频、高速和光电子应用方面具有远比硅器件和砷化镓器件更为优良的特性，可制成蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件。近年来取得了很大进展，并开始进入市场。与制造技术非常成熟和制造成本相对较低的硅半导体材料相比，第三代半导体材料目前面临的最主要挑战是发展适合gan薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的gan体单晶生长工艺。

主要半导体材料的用途如表2所示。可以预见以硅材料为主体、gaas半导体材料及新一代宽禁带半导体材料共同发展将成为集成电路及半导体器件产业发展的主流。

3半导体材料的产业现状

3.1半导体硅材料

3.1.1多晶硅

多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料，主要生产方法为改良西门子法。目前全世界每年消耗约18000t25000t半导体级多晶硅。2001年全球多晶硅产能为23900t，生产高度集中于美、日、德3国。美国先进硅公司和哈姆洛克公司产能均达6000t/a，德国瓦克化学公司和日本德山曹达公司产能超过3000t/a，日本三菱高纯硅公司、美国memc公司和三菱多晶硅公司产能超过1000t/a，绝大多数世界市场由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求为22000t，达到峰值，随后全球半导体市场滑坡;2001年多晶硅实际产量为17900t，为产能的75左右。全球多晶硅市场供大于求，随着半导体市场的恢复和太阳能用多晶硅的增长，多晶硅供需将逐步平衡。

我国多晶硅严重短缺。我国多晶硅工业起步于50年代，60年代实现工业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂2个厂家生产多晶硅。2001年生产量为80t[7]，仅占世界产量的0.4，与当今信息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面还将持续下去。据专家预测，2005年国内多晶硅年需求量约为756t，2010年为1302t。

峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂1999年多晶硅生产能力分别为60t/a和20t/a。峨嵋半导体材料厂1998年建成的100t/a规模的多晶硅工业性生产示范线，提高了各项经济技术指标，使我国拥有了多晶硅生产的自主知识产权。该厂正在积极进行1000t/a多晶硅项目建设的前期工作。洛阳单晶硅厂拟将多晶硅产量扩建至300t/a，目前处在可行性研究阶段。

3.1.2单晶硅

生产单晶硅的工艺主要采用直拉法cz、磁场直拉法mcz、区熔法fz以及双坩锅拉晶法。硅晶片属于资金密集型和技术密集型行业，在国际市场上产业相对成熟，市场进入平稳发展期，生产集中在少数几家大公司，小型公司已经很难插手其中。

目前国际市场单晶硅产量排名前5位的公司分别是日本信越化学公司、德瓦克化学公司、日本住友金属公司、美国memc公司和日本三菱材料公司。这5家公司2000年硅晶片的销售总额为51.47亿元，占全球销售额的70.9，其中的3家日本公司占据了市场份额的46.1，表明日本在全球硅晶片行业中占据了主导地位[8]。

集成电路高集成度、微型化和低成本的要求对半导体单晶材料的电阻率均匀性、金属杂质含量、微缺陷、晶片平整度、表面洁净度等提出了更加苛刻的要求详见文献[8]，晶片大尺寸和高质量成为必然趋势。目前全球主流硅晶片已由直径8英寸逐渐过渡到12英寸晶片，研制水平达到16英寸。

我国单晶硅技术及产业与国外差距很大，主要产品为6英寸以下，8英寸少量生产，12英寸开始研制。随着半导体分立元件和硅光电池用低档和廉价硅材料需求的增加，我国单晶硅产量逐年增加。据统计，2001年我国半导体硅材料的销售额达9.06亿元，年均增长26.4。单晶硅产量为584t，抛光片产量5183万平方英寸，主要规格为3英寸6英寸，6英寸正片已供应集成电路企业，8英寸主要用作陪片。单晶硅出口比重大，出口额为4648万美元，占总销售额的42.6，较2000年增长了5.3[7]。目前，国外8英寸ic生产线正向我国战略性移动，我国新建和在建的f8英寸ic生产线有近10条之多，对大直径高质量的硅晶片需求十分强劲，而国内供给明显不足，基本依赖进口，我国硅晶片的技术差距和结构不合理可见一斑。在现有形势和优势面前发展我国的硅单晶和ic技术面临着巨大的机遇和挑战。

我国硅晶片生产企业主要有北京有研硅股、浙大海纳公司、洛阳单晶硅厂、上海晶华电子、浙江硅峰电子公司和河北宁晋单晶硅基地等。有研硅股在大直径硅单晶的研制方面一直居国内领先地位，先后研制出我国第一根6英寸、8英寸和12英寸硅单晶，单晶硅在国内市场占有率为40。2000年建成国内第一条可满足0.25μm线宽集成电路要求的8英寸硅单晶抛光片生产线;在北京市林河工业开发区建设了区熔硅单晶生产基地，一期工程计划投资1.8亿元，年产25t区熔硅和40t重掺砷硅单晶，计划2003年6月底完工;同时承担了投资达1.25亿元的863项目重中之重课题“12英寸硅单晶抛光片的研制”。浙大海纳主要从事单晶硅、半导体器件的开发、制造及自动化控制系统和仪器仪表开发，近几年实现了高成长性的高速发展。

3.2砷化镓材料

用于大量生产砷化镓晶体的方法是传统的lec法液封直拉法和hb法水平舟生产法。国外开发了兼具以上2种方法优点的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸气压控制直拉法，成功制备出4英寸6英寸大直径gaas单晶。各种方法比较详见表3。

移动电话用电子器件和光电器件市场快速增长的要求，使全球砷化镓晶片市场以30的年增长率迅速形成数十亿美元的大市场，预计未来20年砷化镓市场都具有高增长性。日本是最大的生产国和输出国，占世界市场的7080;美国在1999年成功地建成了3条6英寸砷化镓生产线，在砷化镓生产技术上领先一步。日本住友电工是世界最大的砷化镓生产和销售商，年产gaas单晶30t。美国axt公司是世界最大的vgf

gaas材料生产商[8]。世界gaas单晶主要生产商情况见表4。国际上砷化镓市场需求以4英寸单晶材料为主，而6英寸单晶材料产量和市场需求快速增加，已占据35以上的市场份额。研制和小批量生产水平达到8英寸。

我国gaas材料单晶以2英寸3英寸为主，

4英寸处在产业化前期，研制水平达6英寸。目前4英寸以上晶片及集成电路gaas晶片主要依赖进口。砷化镓生产主要原材料为砷和镓。虽然我国是砷和镓的资源大国，但仅能生产品位较低的砷、镓材料6n以下纯度，主要用于生产光电子器件。集成电路用砷化镓材料的砷和镓原料要求达7n，基本靠进口解决。

国内gaas材料主要生产单位为中科镓英、有研硅股、信息产业部46所、55所等。主要竞争对手来自国外。中科镓英2001年起计划投入近2亿资金进行砷化镓材料的产业化，初期计划规模为4英寸6英寸砷化镓单晶晶片5万片8万片，4英寸6英寸分子束外延砷化镓基材料2万片3万片，目前该项目仍在建设期。目前国内砷化镓材料主要由有研硅股供应，2002年销售gaas晶片8万片。我国在努力缩小gaas技术水平和生产规模的同时，应重视具有独立知识产权的技术和产品开发，发展我国的砷化镓产业。

3.3氮化镓材料

gan半导体材料的商业应用研究始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的特性一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但gan的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破。由于gan半导体器件在光电子器件和光子器件领域广阔的应用前景，其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。

2000年9月美国kyma公司利用aln作衬底，开发出2英寸和4英寸gan新工艺;2001年1月美国nitronex公司在4英寸硅衬底上制造gan基晶体管获得成功;2001年8月台湾powdec公司宣布将规模生产4英寸gan外延晶片。gan基器件和产品开发方兴未艾。目前进入蓝光激光器开发的公司包括飞利浦、索尼、日立、施乐和惠普等。包括飞利浦、通用等光照及汽车行业的跨国公司正积极开发白光照明和汽车用gan基led发光二极管产品。涉足gan基电子器件开发最为活跃的企业包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。

目前，日本、美国等国家纷纷进行应用于照明gan基白光led的产业开发，计划于2015年-2020年取代白炽灯和日光灯，引起新的照明革命。据美国市场调研公司strstegiesunlimited分析数据，2001年世界gan器件市场接近7亿美元，还处于发展初期。该公司预测即使最保守发展，2009年世界gan器件市场将达到48亿美元的销售额。

因gan材料尚处于产业初期，我国与世界先进水平差距相对较小。深圳方大集团在国家“超级863计划”项目支持下，2001年与中科院半导体等单位合作，首期投资8千万元进行gan基蓝光led产业化工作，率先在我国实现氮化镓基材料产业化并成功投放市场。方大公司已批量生产出高性能gan芯片，用于封装成蓝、绿、紫、白光led，成为我国第一家具有规模化研究、开发和生产氮化镓基半导体系列产品、并拥有自主知识产权的企业。中科院半导体所自主开发的gan激光器2英寸外延片生产设备，打破了国外关键设备部件的封锁。我国应对大尺寸gan生长技术、器件及设备继续研究，争取在gan等第三代半导体产业中占据一定市场份额和地位。

4结语

不可否认，微电子时代将逐步过渡到光电子时代，最终发展到光子时代。预计到2010年或2014年，硅材料的技术和产业发展将走向极限，第二代和第三代半导体技术和产业将成为研究和发展的重点。我国政府决策部门、半导体科研单位和企业在现有的技术、市场和发展趋势面前应把握历史机遇，迎接挑战。

参考文献

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[3]蓬勃发展的中国电子信息产业.信息产业部电子信息产品管理司司长张琪在“icchina2003”上的主题报告

[4]梁春广.gan-第三代半导体的曙光.新材料产业，2000，53136

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[6]万群，钟俊辉.电子信息材料[m].北京冶金工业出版社，199012

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半导体材料这一概念第一次被提出是在二十世纪，被维斯和他的伙伴考尼白格首次提及并使用，半导体材料从那时起便不断的进步发展，伴随着现代化的生活方式对一些数字产品的应用需求，社会对半导体材料推出了更高的要求，这使得半导体材料得到了飞跃性的发展【1】。本篇论文就半导体材料的概念性理解，半导体材料的历史性发展，新一代半导体材料的举例以及发展应用现状等方面展开了基本论述，谈论我国在半导体材料这一领域的应用与发展的实际情形。

1.对半导体材料的概念性理解

对半导体材料的理解不能脱离当今二十一世纪这个有着高需求和高速度特点的时代，这个时代同时也是崇尚环保观念，倡导能源节约的时代，因此新的信息时代下半导体的发展要脱离以往传统的发展模式，向新的目标迈进。

首先，我们要了解什么是半导体材料，这将为接下来的论述打下概念性的基础。众所周知，气体，液体，固体等状态都可称之为物质的存在状态，还有一些绝缘体，绝缘体是指导热性或者导电性较差的物质，比如陶瓷和琥珀，通常把F，银，金，铜等导热性和导电性较好的一类物质成为导体，所以顾名思义，半导体既不属于绝缘体，也不属于导体，它是介于导体和绝缘体性质之间的一种物质【2】。半导体没有导体和绝缘体发现的时间早，大约在二十世纪三十年代左右才被发现，这也是由于技术原因，因为鉴定物质的导热性和导电性的技术到了一定的时期才得到发展，而且对半导体材料的鉴定需要利用到提纯技术，因此，当对物质材料的提纯技术得到升级到一定水平之后，半导体的存在才真正意义上在学术界和社会上被认可。

2.半导体材料的历史发展及早期应用

对半导体材料的现代化研究离不开对这一材料领域的历史性探究，只有知道半导体材料是怎样，如何从什么样的情形下发展至今的，才能对当今现代半导体材料形成完整的认识体系。对半导体材料的接触雏形是先认识到了半导体材料的四个特性。论文接下来将会具体介绍，并对半导体材料早期应用做出详细解释。

2.1半导体材料发现之初的特性

半导体材料第一个被发现的特性，在一般的情况之下，金属材料的电阻都是随着温度的升高而增加的，但是巴拉迪，这位英国的科学研究学者发现硫化银这一物质的电阻随着温度的升高出现了降低的情况，这就是对半导体材料特性的首次探索，也是第一个特性。

半导体材料的第二个特性是由贝克莱尔，一位伟大的法国科学技术研究者发现的，他发现电解质和半导体接触之后形成的结会在施加光照条件之下产生一个电压，这是后来人们熟知的光生伏特效应的前身，也是半导体材料最初被发现的第二个特性。

半导体材料的第三个特性是由德国的科学研究学者布劳恩发现的，他发现一些硫化物的电导和所加电场的方向有着紧密的联系，也就是说某些硫化物的导电是有方向性的，如果在两端同时施加正向的电压，就能够互相导通，如果极性倒置就不能实现这一过程，这也就是我们现在知道的整流效应，也是半导体材料的第三个特性。

半导体材料的第四个特性是由英国的史密斯提出的，硒晶体材料在光照环境下电导会增加，这被称作光电导效应，也是半导体材料在早期被发现的第四个特性【3】。

2.2半导体材料在早期的应用情况

半导体材料在早期被应用在一些检测性质的设备上，比如由于半导体材料的整流效应，半导体材料被应用在检波器领域。除此之外，大家熟知的光伏电池也应用了早期的半导体材料，还有一些红外探测仪器，总之，早期被发现的半导体材料的四个重要的特性都被应用在了社会中的各个领域，半导体材料得到初步的发展。

直到晶体管的发明，使得半导体材料在应用领域被提升到一个新的高度，不再仅仅是应用在简单的检测性质的设备中或者是电池上，晶体管的发明引起了电子工业革命，在当今来看，晶体管的发明并不仅仅只是带来了这一电子革命，最大的贡献在于它改变着我们的生活方式，细数我们现在使用的各种电器产品，都是有晶体管参与的。因此晶体管的发明在半导体材料的早期应用发展上有着举足轻重的位置，同时也为今后半导体材料的深入发展做足了准备，具有里程碑式的意义与贡献【4】。

3.现代半导体材料的发展情况

以上论文简单的介绍了半导体材料以及其早期的发现与应用，接下来就要具体探讨第三代半导体材料这一新时代背景下的产物。第三代半导体材料是在第一和第二代半导体材料的发展基础之上衍生出的更加适应时代要求和社会需要的微电子技术产物。本篇论文接下来将介绍我国半导体材料领域的发展情况，并介绍一些新型的半导体材料的应用与发展情况。

3.1我国半导体材料领域的发展情形

半导体材料的发展属于微电子行业，针对我国的国情和社会现状，我国微电子行业的发展不能急于求成，这将会是一个很复杂的过程，也必定是一个长期性的工程。从现在半导体材料发展的情况来看，想要使半导体材料更加满足受众的需求，关键要在技术层面上寻求突破。我国大陆目前拥有的有关半导体材料的技术，比如IC技术还只能达到0.5微米，6英寸的程度，相较于国际上的先进水平还有较大的差距。

虽然我国目前在半导体材料领域的发展水平与国际先进水平存在着较大的差距，但是这也同时意味着我国在半导体材料领域有着更大的发展空间和更好的前景，而且当今不论是国内环境还是国际环境，又或者是政治环境影响下的我国的综合性发展方面而言，对中国微电子行业半导体领域的发展还是十分有利的，相信我国在半导体材料这一领域一定会在未来有长足的发展。

3.2新型半导体材料的发展介绍

前文提到，第三代半导体材料如今已经成为半导体材料领域的主要发展潮流，论文接下来将会选取几种关键的三代半导体材料展开论述。

第一种是碳化硅材料。它属于一种硅基化合物半导体材料，这一类材料的优越性体现在其较其他种类半导体材料有着更强的热导性能。因此被应用在广泛的领域，比如军工领域，，也会被应用在太阳能电池，卫星通信等领域。

第二种是氧化锌材料。氧化锌材料被广泛的应用到了传感器和光学材料领域中，这是因为它具备一些关键性的特性，集成度高，灵敏度高，响应速度快等，这些特征恰恰是传感等应用范围广泛的领域中所看中的关键点，不仅如此，氧化锌半导体材料不仅性能好，而且这类材料的原料丰富，所以价格低廉，还具有较好的环保性能【5】。

4.结语

近年来，半导体照明产业得到了飞跃式的发展，被越来越广泛的应用到人们的日常生活中，而支撑这一产业的核心材料正是以碳化硅等半导体材料为主的某些微电子材料，半导体材料利用下的各项技术已经在全球范围内占领者新的战略高地。我国半导体材料领域虽然起步晚，发展水平较国际水平有差距，但是前景光明，尤其是第三代半导体材料的出现和应用，在人们的生活中有着更加广泛和有建设性的应用，改变着人们的生活方式，不断推动着半导体材料的发展。

参考文献：

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[2]黄裕贤.浅谈157nm激光微加工工艺及自动化编程[J].科学与财富，2015，（7）：560-560.

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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。

篇（4）

 

0.引言

当代和未来信息技术都占据着重要的地位，因此随着社会的不断发展,对信息的处理、传输和存储将要求更大的规模和速度。半导体材料在信息处理和传输中有着重要的作用，半导体技术应用了电子的电荷属性；磁性材料在信息存储有着重要的应用，磁性技术利用了电子的自旋属性。但是半导体材料都不具有磁性,磁性材料及其化合物都不具有半导体的性质，因此人们想到了通过掺入磁性离子来获得磁性的方法，即在GaAs、GaN、ZnO等半导体中掺杂引入过渡金属（或稀土金属）等磁性离子，这种通过掺杂而产生的磁性与本征磁性有一定的区别，人们称其为稀磁性。在化合物半导体中，由磁性离子部分地代替非磁性离子所形成的一类新型半导体材料，称之为稀磁半导体。

1. 发展现状

1.1 掺杂具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni等过渡磁性金属离子

在ZnO中掺杂引入磁性离子可以使样品产生磁性，因此人们在ZnO中掺入了具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni等过渡磁性金属离子，结果发现样品的室温铁磁性对制备技术、生长条件等都有很大的依赖关系。侯登录等人[1]采用磁控溅射法在Si基底上制备Fe掺杂的样品，发现铁磁性是其本征性质。。Liu等人用化学气相沉积法制备了Co掺杂的样品，分析发现掺杂Co的ZnO样品铁磁性与Co的不纯相ZnCo2O 4无关。Akdogan等人用射频磁控溅射法制备了掺杂不同Co离子浓度的的样品，分析得出氧原子的自旋极化对样品长程铁磁序的形成有重要作用，且Co原子的掺杂引起了ZnO的本征铁磁性。Parra-Palomino等人研究发现样品的铁磁性与ZnO中的缺陷有关。

1.2 掺杂具有低温铁磁性的Mn、Cr等过渡磁性金属离子

在ZnO中掺杂引入磁性离子可以使样品产生磁性，因此人们在ZnO中掺入了具有低温铁磁性的Mn、Cr等过渡磁性金属离子，于宙等人[2]用化学方法制备了Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体材料，分析发现该材料的铁磁性是由Mn离子对ZnO中Zn离子的替代作用引起的。Robert等用射频磁控溅射法制备了掺杂Cr的ZnO样品。分析发现H原子占据了O的位置并产生了一个深的施主缺陷从而增强了自由载流子数和铁磁的超交换作用，进而导致了样品的铁磁性。

1.3 掺入不具有室温铁磁性的Al、Cu等金属离子

研究发现在ZnO样品中掺入不具有室温铁磁性的Al、Cu等离子样品也可以显示出室温铁磁性。刘惠莲等[3]用柠檬酸盐法合成了一系列掺Cu样品，研究发现铁磁性是其本征性质。Ma等人用脉冲激光沉积法制备了掺杂Al的ZnO样品，发现样品铁磁性与Al原子和Zn之间的电荷传输有关。

1.4 多元素掺杂ZnO基稀磁半导体

邱东江等人[4]用电子束反应蒸发法生长了Mn和N共掺杂的薄膜，发现样品的室温铁磁性很可能源于束缚磁极化子的形成。Gu等人用射频磁控溅射法制备了掺杂Mn和N的ZnO样品。分析发现样品为室温铁磁性,这可能与N原子的掺入使空穴的浓度增加有关。Shim等人用标准固态反应法制备了掺杂Fe、Cu的ZnO样品，发现掺杂Fe、Cu的ZnO的铁磁性起源于第二相。且Fe原子进入ZnO并取代Zn原子是产生铁磁性的主要原因。宋海岸等人[5]在Si(100)衬底上制备了Ni掺杂和(Ni、Li)共掺ZnO薄膜样品。研究发现铁磁性的起源可以用电子调制的机制来解释,Ni-ZnO中的施主电子形成了束缚磁极化子,束缚磁极化子能级的交叠形成自旋-自旋杂质能带,通过这些施主电子耦合即Ni2+原子之间的远程交换相互作用导致了铁磁性。

由于掺杂ZnO是一个新兴的研究方向，因此人们对其研究结果不尽相同有的甚至相反，例如对于Fe掺杂的ZnO基稀磁半导体，Parra-Palomino等人发现掺杂Fe的样品的铁磁性可以用载流子交换机制来解释，侯登录等人[1]发现掺杂Fe的样品的铁磁性可以用局域磁偶极子作用机制来解释。又如对于掺杂样品的铁磁性是样品的本征性质还是非本征性质方面人们的观点也不尽相同，Shim等人发现铁磁性是掺杂Ni的ZnO样品的非本征性质。Akdogan等人发现Co原子的掺杂引起了样品的本征铁磁性。对于掺杂所引起的样品磁性方面，Liu等人研究发现掺杂Co的ZnO样品具有铁磁性，而Tortosa等人发现掺杂Co的ZnO样品是顺磁性的。研究发现样品的铁磁性与制备方法、生长的气体环境、气体压强、生长时间、退火温度、退火时间、掺杂剂量、掺杂元素的种类以及相对含量均有很大的关系。

2. 结论

目前, 对于ZnO基稀磁半导体材料的研究主要集中在两个方面:(1)优化生长参数,获得高质量的薄膜。。(2)选择不同掺杂元素与掺杂量,通过单掺杂或共掺杂,提高薄膜的居里温度,奠定其应用基础。

通过对单掺杂金属的ZnO样品及共掺杂的样品的结构分析、以及电学、磁学、导电性等性质的分析，发现对于相同的掺杂，样品铁磁性的强弱不同，有的结论甚至相反。这与样品的制备技术不同、以及不同的生长环境有关。通过各种制备方法及不同制备工艺得到的ZnO薄膜的性能存在较大的差异,而且可重复率比较低。铁磁性来源和机理分析还需要进一步的系统性研究。。对样品的铁磁性起源理论众多。目前关于稀磁半导体材料铁磁性根源的解释有多种，有载流子交换机制(可以解释具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni、V、Cr、Cu、Al等元素掺杂的情况）。载流子导致的铁磁性与反铁磁性竞争机制（可以解释Mn、Cr、Co等元素掺杂的情况）。局域磁偶极子之间相互作用机制（可以解释V、Ni等元素掺杂的情况）。

在实验和理论的统一方面还存在有许多的矛盾之处,而且每种理论都只得到了部分实验证实.因此对ZnO基稀磁半导体的磁性机理的认识还需进一步的提高。可以在以下几个方面开展进一步的更深入的研究。一是改善样品的制备工艺，许多试验重复率很低说明样品的制备过程中有许多影响因素，有待于对其发现并掌握。二是改变掺杂的金属元素，传统的掺杂只对过渡金属进行了大量研究对于非过渡金属的相关研究很少。而且由单掺杂向共掺杂转变是一条很好的思路。

参考文献

[1]侯登录,赵瑞斌.氧空位对Fe掺杂ZnO的铁磁性的影响.商丘学报.2008,24(12):1-6.

[2]于宙,李祥,龙雪等.Mn掺杂ZnO稀磁半导体材料的制备和磁性,物理学报.2008,57,7(4539-4544):1-6

[3]刘惠莲, 杨景海，张永军，等.Cu掺杂ZnO纳米结构的室温铁磁性研究[J].半导体学报,2008, 29(11): 2257-2260.

[4]邱东江,王俊,丁扣宝.退火对Mn和N共掺杂的Zn0.88Mn0.12O :N薄膜特性的影响.物理学报,2008,57(8):5249-5255.

篇（5）

1年前我与家人从美国西海岸的加州，经过数小时的旅程，来到了位于美国东部的普林斯顿大学开始博士后研究工作。导师卡恩教授向我介绍实验室时，介绍了我将要开展的科研项目的重要性――精确控制以硅为主的半导体材料中的掺杂量，对当今电子产品飞速发展起着至关重要作用。然而，无机半导体有着材料成本高昂和制作工艺复杂的局限性。另一方面，有机半导体材料则具有制作工艺简易、价格低廉等互补性优点。近年来使用有机半导体材料作为电子产品组成部分，已引起人们广泛兴趣。但人们对于有机半导体掺杂现象的认识仍然有待于进一步提高，例如掺杂材料的选择以及各种掺杂机制的作用等。卡恩教授领导的表面科学实验室在该领域进行了多年深入细致研究，连连取得重要成果。我要进行的这个项目由美国国家科学基金会、美国能源部和欧洲一家化学制药公司提供资金，旨在该科学研究前沿方向取得新突破。

半导体分N型和P型两类，我们第一步的目标就是要找到一种材料，能够有效并稳定地掺杂P型有机半导体。刚巧・乔治亚理工学院的合作者向我们提供了一种刚合成的有机分子材料，收到材料的当晚，我即开始做相关测试，经过数月的连续实验，终于获得可靠数据证明该材料掺杂能力超越目前已知的其他材料。

回首这几个月的连续实验，既有实验过程中遭遇困难的挫折感，更有品尝成功的喜悦。实验结果与理论预测的完美吻合，更增强了我的信心。接下来我使用该材料掺杂一种在有机半导器件中广泛应用的P型材料，做成了器件来测量，实验结果进一步显示：经过掺杂，该器件导电的提升达到5个数量级以上!至此，该掺杂物的有效性得到充分体现。

当得知该材料不但能有效掺杂，并通过实验证明具有极其优越的稳定性(常温和110摄氏度下均稳定)后，导师和合作者都很高兴，认为这些振奋人心的结果对有机半导体领域会产生重要影响，提议以我为第一和通讯作者将该发现于第一时间以快讯的方式发表出来。经过详尽周密的数据分析与整理，我完成了文稿。在此过程中卡恩教授与其他合作者起了非常关键的作用，他们对文稿提出很多中肯的修改意见。我们将稿件投到了本领域最具影响力的学术杂志《美国化学学会期刊》。1个月后，审稿人的意见反馈回来，非常认可并推荐发表。从文章投搞到接受不到2个月。1年来的辛勤耕耘终于结出了丰硕果实。

二

在普林斯顿的这1年，除了繁忙的科研工作，我还有幸感受到了普林斯顿之美。作为一所历史悠久的著名学府，普林斯顿人才辈出，是美国8所常春藤名校之一，年年被评为全美最佳大学。与我以前就读的公立名校加州大学伯克利分校相比，普林斯顿规模小很多，但各学科均名列前茅，吸引着来自世界各地的精英。踏入普林斯顿校园大门，就如同进入了传说中的童话世界。满眼望去，一座座哥特复兴风格的古堡，静静地矗立在校园内。普林斯顿的秋日，是一年中最美的季节，灿烂的阳光，五彩的树叶，映衬着古老的建筑，穿梭其中的年轻学子，洋溢着蓬勃朝气。

离校园不远的普林斯顿高等研究所，则是做纯理论研究科研工作者心中的麦加圣地。曾在研究所中工作过的最有名的科学家莫过于爱因斯坦。华人科学中杨振宁、李政道、邱成桐等也都在此学习工作过。走过静谧的林间小道，呈现在眼前的是如世外桃园一般的高等研究所校园，我们去的时候正是夏天，深处于绿树环绕的青葱之中，丝毫感觉不到盛夏的炎热。

普林斯顿的1年，是辛勤耕耘的1年，也是成果丰硕的1年。我相信，这段经历必将对我今后的科研道路产生深远影响。留学7年，我希望早日把在海外积累的科学知识和科研经验用来报效祖国。

(摄影／段风华)

篇（6）

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。

篇（7）

近年来，随着工业的快速发展，水环境中有毒物、致癌物污染物的大量排放，严重地威胁着人类的健康。半导体光催化氧化技术以其众多的优点受到了人们的青睐[1,2]，但是，由于光催化技术的反应体系较为复杂，目前的光催化技术还基本停留在实验室研究的层面上，其中最为突出的问题是光催化剂的光量子效率低，对光的响应范围狭窄，催化能效率低，催化剂不稳定等，因此光催化剂的制备及改性一直是国内外研究的热点[1-5]。BiOX（Cl、Br、I）是一类新型的半导体材料[3-5]，具有独特的电子结构、良好的光学性质和较高的催化活性，且随着卤素原子序数的增加，其光吸收和光催化性能均呈规律性变化，近年来引起了研究人员的兴趣。本实验通过水热合成法制备了BiOBr光催化剂并对其进行表征，考察了不同溶剂下制备BiOBr光催化剂的形貌组成；以甲基橙为目标降解物，考察了不同pH值以及硫酸钠电解质的加入对BiOBr光催化降解性能的影响。

一、实验方法

1.催化剂的制备

二、光催化实验

三、结果与讨论

1.样品表征

2.光催化降解

采用硝酸为溶剂制备的BiOBr粉末为光催化剂，紫外可见光下催化降解甲基橙。溶液初始pH值对光催化降解动力学的影响如图2所示。由图可见，pH值对催化剂的光催化活性具有显著影响，pH=2时，甲基橙具有最好的催化降解效果，降解率达到了74%；pH=7时，降解率为52%；pH=9时，降解率只有21%，随着pH值的升高，催化剂的光催化活性逐渐降低。

四、结论

通过水热合成法制备产物，研究表明不同的水热条件（溶剂）对产物的表面形貌产生了显著的影响，以硝酸为溶剂条件下制备的片状粉末颗粒更小。通过对BiOBr催化降解甲基橙的多组实验数据进行研究分析，可知pH为2、加入硫酸钠电解质条件下降解效果最好。

参考文献

[1] Fujishima A, Honda K.. Nature.1972, 238(5358):23&37-38.

[2] Zhichao Shan, Wendeng Wang, Xinping Lin. Journal of Solid State Chenistry. 2008 (181):1361-1366.

篇（8）

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2015.24.035

1 引言

ZnSe具有较高的发光效率以及较低的吸收系数，是一种很好的发光材料。它具有直接跃迁型能带结构，在室温下其禁带宽度为2.67eV，当温度降至4.2K时其禁带宽度可达2.828eV。透光范围随温度变化较小，一般在0.5μm～22μm范围内。近年来，广泛应用于蓝光半导体激光器件、非线性光热器件和红外器件等领域[1-3]。因此。制备高性能ZnSe晶体成为目前一项主要研究任务。

近些年来，制备ZnSe晶体的方法有很多种，如Bridgman法、区熔法、水热法、化学气相输运法（CVT）、物理气相输运法（ PVT ）。国内外专家学者不断改进这些方法和工艺，努力制备出高质量的ZnSe晶体。

2 ZnSe晶体的制备方法

2.1 溶液生长法

从溶液中生长晶体的主要方法是水热法，其又称为高温溶液法，其中包括温差法、降温法、升温法及等温法。目前主要采用温差水热结晶，依靠容器内的溶液维持温差对流形成饱和状态[4，5]。

2.2 熔体生长法

ZnSe是淡黄色的面心立方闪锌矿型结构。常压下1000℃左右升华，约在9.8MPa高压的惰性保护气氛下熔点为1515℃。由于其在常压下升华，只有在高压高温条件下才能得到ZnSe熔体，其一般通过使用电阻加热方式获得高温。主要包括布里奇曼法和区熔生长。

（1）布里奇曼法 该法是一种常用的晶体生长方法。首先将用于晶体生长用的材料装在圆柱型的坩埚中，然后缓慢地下降，并通过一个具有一定温度梯度的加热炉，炉温控制在略高于材料的熔点附近。

（2）区熔生长 区熔法又称Fz法，即悬浮区熔法。区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接晶体籽晶。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根晶体，晶向与籽晶的相同。

2.3 气相输运法

气相输运法一般分为化学气相输运法和物理气相输运法两种。此法一般是通过加热等使物质挥发或分解出气体，通过输运至温度较低的位置并与其他物质发生反应的材料合成方法。气相生长分为单组分体系和多组分体系生长两种。单组分气相生长要求气相具备足够高的蒸气压，利用在高温区汽化升华、在低温区凝结生长的原理进行生长所生长的大多为针状、片状的晶体体。多组分气相生长一般多用于薄膜生长，其中外延生长是一种晶体浮生于另一种晶体上。其制备工艺具有反应效率高、纯度高和合成温度低等特点。

3 ZnSe晶体基本性质

ZnSe晶体的生长技术还需要进一步的改进，急需解决的问题是晶体生长过程中温度场的控制、物质传输控制、工艺条件控制以及晶体质量等，这些问题的解决都需要深刻理解ZnSe晶体的性质[7]。ZnSe的熔点是1530℃，它在常压下1000℃直接从固体升华，只有在高温高压下才可以将其从固体变为熔体，因而给制备加工ZnSe晶体带来很大的困难。ZnSe作为一种典型的红外材料与光电功能材料，其分子式为ZnSe，分子量为144.33，其主要有常温稳定相立方闪锌矿结构和高温稳定相六方纤锌矿结构两种晶型，两者大约在1425°温度下会发生相转变。其中比较常见的闪锌矿ZnSe结构属于立方晶系。

4 结论

为了获得高质量的ZnSe晶体，需要针对ZnSe的基本性质，根据各种制备方法的优缺点，针对熔体法制备的ZnSe晶体，可以获得大尺寸工业生产，但其纯度有待改进。针对气相法制备的ZnSe晶体，纯度较高，但尺寸有待于进一步增加，如果能解决这两个关键的纯度和尺寸的问题，即降低了成本，又获得了高质量的ZnSe晶体，满足了工业化需求，将会解决这里材料的关键问题。

参考文献：

[1]S.Fujiwara，H.Morishita，T.Kotani，K.Matsumoto，T.Shirakawa. Growth of large ZnSe single crystal by CVT method[J]. Journal of Crystal Growth， 1998，186：60-66.

[2]C.S.Fang， Q.T.Gu， J.Q.Wei， Q.W.Pan. et al. Growth of ZnSe single crystal[J]. Journal of crystal Growth， 2000， 209： 542-546.

[3]A.Urbiata， P. Femaade， J.Piqueras， et al. Scanning Electron Microscopy Characterization of ZnSe Single Crystals Grown by Solid-phase Recrystallization [J]. Materials Science and Engineering B， 2000， 78（2）：105-108.

[4]王占国.半导体材料研究的新进展[J].半导体技术，2002，27（03）：8-14.

[5]宫华.水热法制备硒化锌半导体材料及其性能研究.硕士学位论文.西安：长安大学，2004

篇（9）

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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篇（10）

主管单位：中国科协

主办单位：中国稀土学会

出版周期：双月刊

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国际刊号：1000-4343

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创刊时间：1983

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Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)

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篇（11）

一、引言

信息材料是信息技术的基石，在现代材料科学中占有非常重要的地位，其研究和应用在进入21世纪后得到了蓬勃的发展。信息材料的涵盖非常广泛，包括信息的获取、处理、存储、显示整个信息链过程中涉及的各种材料。随着信息技术、材料技术的进步，信息材料处于越来越重要的地位，国内外一流大学，如美国麻省理工大学、哈佛大学，国内清华大学、上海交通大学、北京邮电大学等纷纷将信息材料类型课程纳入教学内容。信息材料的课程教学在研究生教育课程体系中，包含多门课程，如《功能材料》、《信息材料学》、《电子材料》、《半导体材料》等，形成了内容联系紧密的系列课程，占据了材料科学与工程教学课程体系中非常重要的部分。

信息材料紧贴信息技术，其学习过程中材料的成分、结构、工艺、性能教学主线必然要和相关的信息技术和电子器件密切结合。传统的信息材料相关课程课堂教学模式，以材料的基础理论的讲授为主，教学主线多围绕材料“成分-结构-工艺-性能”传统主线，与信息技术器件应用和最新科研成果的结合不够紧密，教学环节中的“应用性”、“研究性”、“探讨性”、“创新性”不够突出。

二、信息材料案例教学国内外研究现状

国外信息材料课程主要是适应近三十年来信息技术的突飞猛进，结合各自的科研特色所开设，其教学内容和教学模式多贴近各自科研实际和科研项目。如美国麻省理工学院（MIT）开设有《Electrical， Optical， and Magnetic Properties of Materials》和《Special Problems in Electronic， Photonic and Magnetic Materials》课程，哈佛大学开设有《An Introduction to Electronic Materials for Engineers》、奥克兰大学开设有《Electronic Materials and Their Applications》课程等。

国外案例教学的历史悠久。在古希腊、罗马时代，就萌发了原始形态的案例，产生了案例教学的雏形。著名的古希腊哲学家、教育家苏格拉底开创的“问答式"教学法，就带有创设问题情境引导学生思考如何解决问题的特点，这是案例教学的萌芽。19世纪后期，哈佛法学院在法学教育之中，使用的案例教学以法院判例为教学内容，在课堂上学生充分地参与讨论，考试是以假设的判例作为考试题目。这被认为是现代案例教学的开始。哈佛商学院于1921年正式推行案例教学。自此之后，案例教学在世界范围内受到了学术界和教育界的重视和支持，开始了近代对案例教学的研究。

在国外，信息材料课程在开设之初便引入了案例教学模式。美国麻省理工大学（MIT）在开设《Electrical， Optical， and Magnetic Properties of Materials》课程时，便在授课中采用了以电、光、磁特定电子器件的应用提出问题，从材料的结构分析问题，最终以材料的性能解答问题的教学模式。这便是案例教学组织教学内容的典型代表。奥克兰大学和哈佛大学都在教学课时中设置大量研讨课程，就具体案例进行针对性研讨，从中锻炼学生的自主思维和创新思维能力。由于案例教学的效果明显，而且国外大学在科研中成果突出，可借鉴的案例众多，促使国外各大学纷纷建设信息材料教学案例体系，用于辅助课程教学，成果显著。

国内的信息材料课程多在上世纪末才开始开设。如清华大学开设《电子材料导论》研究生课程，北京邮电大学开设《电子材料》研究生课程，上海交通大学开设《功能材料学》研究生课程等。国内各高校案例教学的推广较晚。国内最早的案例教学是在工商管理MBA教育中开展的。由于案例教学独特的教学效果，使得案例教学的功效日益为我国教育界所认同，近年来逐步纳入许多高校的教改计划，在许多学科教学中渐渐频繁运用，并取得一定成效。案例教学法成为教育理论界与实践界共同的“新宠”。但是，由于我国信息材料课程开设时间较短，且各学校信息材料课程多为门数较少，相互关联较弱，在案例教学引入时，往往只有较少的1-2个案例，作为课程的辅助部分，其案例教学的涵盖面太少，不成体系，效果并不明显。

三、信息材料案例教学体系设计思路

我国信息材料课程体系、课程案例教学、可采用的案例，较之国外大学还有较大的差距。主要问题在于信息材料课程不成体系、相互间联系不够密切、案例数目过少、没有系统的案例库。因此，在进行信息材料案例教学体系设计时，明确教学案例需要同时为涉及信息材料及其相关基础知识的多门课程提供支撑，如《材料物理》、《信息材料学》、《电子材料与器件》、《功能材料》等，建成可同时为多门课程提供案例教学素材的案例库。

在案例设计时，突出面向应用面向实践特色。信息材料的突出特色有以下两点：一是和信息技术以及电子器件的发展息息相关。二是和授课高校的科研实际密切相关。因此在信息材料的课程教学内容中必须突出面向应用，案例教学所采用的素材案例必须是最新并已经应用，在工业和生活中可见的技术及器件，此外应当结合本校科研实际，借助本校已有的科研条件，设计实践案例教学环节，让学生动手制备和表征信息材料，这样才能真正激发学生的兴趣，培养学生的创新能力和实际工程能力。

四、信息材料案例教学体系设计

（一）案例教学主线

围绕信息技术“信息获取-处理-存储-传递-显示信息链”主线，以每个信息链环节中涉及的典型器件为案例，再围绕材料的成分设计、制备工艺、应用特点、发展前景构建典型案例，形成案例体系，为信息材料系列课程案例教学服务。

信息材料教学内容围绕信息技术中所涉及的各种器件及其所用材料展开，因此按照信“信息链”主线组织案例教学体系是较好的教学模式。具体案例建设实例如围绕信息获取材料，建设红外辐射探测材料与器件、量子肼探测材料与器件、热探测材料与器件教学案例；围绕信息处理材料，建设半导体二极管集成电路材料、光子/声子晶体材料教学案例；围绕信息存储，建设铁氧体磁粉硬盘存储材料、硒碲化合物光盘存储材料教学案例；围绕信息传递材料，建设铝绞线电缆通信材料、石英光纤通信材料教学案例；围绕信息显示材料，建设电场发射显示材料、等离子激发显示材料、有机电子发光显示材料、液晶受光显示材料教学案例。每个案例按照材料的“成分-结构-工艺-性能-器件-应用”展开研讨式或者实验设计和实施实践教学。

（二）案例教学体系结构

信息材料系列课程，如《材料物理》、《信息材料学》、《电子材料与器件》、《功能材料》、《半导体材料》等，既有共叉教学内容，又根据授课目的各有侧重和区分，这是信息材料系列课程的固有特点。在案例教学体系中，既要争取同一案例素材可以为多门课程所用，又要针对各门课程，进行同一案例素材的特色建设。如半导体材料作为信息材料基石，典型半导体材料器件，如单晶硅p-n结，在《信息材料学》、《电子材料与器件》、《半导体材料》三门课程中都可以作为案例分析教学，但可根据课程特色，在同一个案例中分析教学侧重不同，按照侧重点为材料导电基本原理、材料成分结构分析、材料性能特点和材料器件应用特点细化建设案例，将之建设成为可以选择不同侧重点为不同课程服务。应当具体分析，明确可为多门课程服务的共性案例和为专门课程服务的特色案例之间的关系，两者在案例教学体系中所占比重应根据根据服务课程的体系结构设定。

（三）实践案例设置及比重

教学案例组成要素可分为三个：基础知识讲解、案例解析或研讨、案例实践。三者相互联系，只有三个要素各自在教学案例中所占权重合理，案例教学才能够收到较好的效果。现有的信息材料系列课程案例教学方法多以课堂授课、课堂研讨为主，不能很好的适应面向应用，注重工程实际的特点。因此，在案例教学体系设计中需要针对性重点开展实践案例建设。结合授课院校的现有科研条件、学生创新实践基地硬件条件和外部支撑条件（校企合作教学科研平台、各类重点实验室等），选取材料制备和应用难度较小的典型材料案例，如电介质材料及电容的制备、磁性材料的的制备及性能表征等，作为实践教学案例进行建设，分析实践环节中实验设计、实验实施、实验结果分析、实验和应用的联系评价四个环节在实践案例中的权重及相互关系，让学生自主研讨、设计材料成分、制备材料和简单器件、考核材料和器件性能、分析总结心得体会。通过实践案例教学更好的培养学生的动手、创新思维和面向应用的能力。实践案例在教学案例体系中所占比例应不低于30%。

五、信息材料案例教学体系建设办法

信息材料案例教学体系建设宜采用学习借鉴-结合科研-特色建设-研讨和实践结合的具体做法。第一，借鉴国外一流大学信息材料系列课程的案例，如麻省理工学院、奥克兰大学等学校信息材料教学案例，学习其组织形式、案例分析手段、教学目的和效果评价手段；第二，在进行案例建设前明确结合科研项目及科研方向指导思想，依托现有科研基础和科研条件建设课堂教学和实践教学案例；第三，建设过程中，结合高校自身信息材料系列课程的教学需求、人才培养需求和学科特色，突出教学案例体系特色建设；第四，在案例建设中，合理分配课堂研讨案例教学和动手实践案例教学的比例，重点建设实践案例教学，使案例体系更加符合面向应用需求。

六、结束语

案例教学已经成为我国高等院校信息材料系列课程教学的重要组成部分，但目前突出的问题是不成体系，效果不好。本文针对信息材料系列课程，论述了可同时服务多门课程的教学案例体系的设计基本思路、案例体系主线设计、体系结构设计、实践环节设置和建设办法。该教学案例体系可为多门信息材料课程教学服务，有助于强化课程与实际应用的联系，提高学生的科研能力、创新能力和解决实际问题的工程能力。

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