纳米光电材料论文范文2篇
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篇(1)
摘要：纳米光电子技术是一门新兴的技术，近年来越来越受到世界各国的重视，而随着该技术产生的纳米光电子器件更是成为了人们关注的焦点。主要介绍了纳米光电子器件的发展现状。
1纳米导线激光器
2001年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人的头发丝千分之一的纳米光导线上制造出世界最小的激光器-纳米激光器。这种激光器不仅能发射紫外激光，经过调整后还能发射从蓝色到深紫外的激光。研究人员使用一种称为取向附生的标准技术，用纯氧化锌晶体制造了这种激光器。他们先是"培养"纳米导线，即在金层上形成直径为20nm～150nm，长度为10000nm的纯氧化锌导线。然后，当研究人员在温室下用另一种激光将纳米导线中的纯氧化锌晶体激活时，纯氧化锌晶体会发射波长只有17nm的激光。这种纳米激光器最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。
2紫外纳米激光器
继微型激光器、微碟激光器、微环激光器、量子雪崩激光器问世后，美国加利福尼亚伯克利大学的化学家杨佩东及其同事制成了室温纳米激光器。这种氧化锌纳米激光器在光激励下能发射线宽小于0.3nm、波长为385nm的激光，被认为是世界上最小的激光器，也是采用纳米技术制造的首批实际器件之一。在开发的初始阶段，研究人员就预言这种ZnO纳米激光器容易制作、亮度高、体积小，性能等同甚至优于GaN蓝光激光器。由于能制作高密度纳米线阵列，所以，ZnO纳米激光器可以进入许多今天的GaAs器件不可能涉及的应用领域。为了生长这种激光器，ZnO纳米线要用催化外延晶体生长的气相输运法合成。首先，在蓝宝石衬底上涂敷一层1 nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一个氧化铝舟上，将材料和衬底在氨气流中加热到880℃~905℃，产生Zn蒸汽，再将Zn蒸汽输运到衬底上，在2min~10min的生长过程内生成截面积为六边形的2μm~10μm的纳米线。研究人员发现，ZnO纳米线形成天然的激光腔，其直径为20nm~150nm，其大部分(95%)直径在70nm~100nm。为了研究纳米线的受激发射，研究人员用Nd:YAG激光器(266nm波长，3ns脉宽)的四次谐波输出在温室下对样品进行光泵浦。在发射光谱演变期间，光随泵浦功率的增大而激射，当激射超过ZnO纳米线的阈值(约为40kW/cm)时，发射光谱中会出现最高点，这些最高点的线宽小于0.3nm，比阈值以下自发射顶点的线宽小1/50以上。这些窄的线宽及发射强度的迅速提高使研究人员得出结论：受激发射的确发生在这些纳米线中。因此，这种纳米线阵列可以作为天然的谐振腔，进而成为理想的微型激光光源。研究人员相信，这种短波长纳米激光器可应用在光计算、信息存储和纳米分析仪等领域中。
3量子阱激光器
2010年前后，蚀刻在半导体片上的线路宽度将达到100nm以下，在电路中移动的将只有少数几个电子，一个电子的增加和减少都会给电路的运行造成很大影响。为了解决这一问题，量子阱激光器就诞生了。在量子力学中，把能够对电子的运动产生约束并使其量子化的势场称之成为量子阱。而利用这种量子约束在半导体激光器的有源层中形成量子能级，使能级之间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，这就是量子阱激光器。目前，量子阱激光器有两种类型：量子线激光器和量子点激光器。
3.1 量子线激光器
近日，科学家研制出功率比传统激光器大1000倍的量子线激光器，从而向创造速度更快的计算机和通信设备迈进了一大步。这种激光器可以提高音频、视频、因特网及其他采用光纤网络的通信方式的速度，它是由来自耶鲁大学、位于新泽西洲的朗讯科技公司贝尔实验室及德国德累斯顿马克斯·普朗克物理研究所的科学家们共同研制的。这些较高功率的激光器会减少对昂贵的中继器的要求，因为这些中继器在通信线路中每隔80km(50mile)安装一个，再次产生激光脉冲，脉冲在光纤中传播时强度会减弱(中继器)。
3.2 量子点激光器
由直径小于20nm的一堆物质构成或者相当于60个硅原子排成一串的长度的量子点，可以控制非常小的电子群的运动而不与量子效应冲突。科学家们希望用量子点代替量子线获得更大的收获，但是，研究人员已制成的量子点激光器却不尽人意。原因是多方面的，包括制造一些大小几乎完全相同的电子群有困难。大多数量子装置要在极低的温度条件下工作，甚至微小的热量也会使电子变得难以控制，并且陷入量子效应的困境。但是，通过改变材料使量子点能够更牢地约束电子，日本电子技术实验室的松本和斯坦福大学的詹姆斯和哈里斯等少数几位工程师最近已制成可在室温下工作的单电子晶体管。但很多问题仍有待解决，开关速度不高，偶然的电能容易使单个电子脱离预定的路线。因此，大多数科学家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的计算机设计量子装置。
4 微腔激光器
微腔激光器是当代半导体研究领域的热点之一，它采用了现代超精细加工技术和超薄材料加工技术，具有高集成度、低噪声的特点，其功耗低的特点尤为显着，100万个激光器同时工作，功耗只有5W。
该激光器主要的类型就是微碟激光器，即一种形如碟型的微腔激光器，最早由贝尔实验室开发成功。其内部为采用先进的蚀刻工艺蚀刻出的直径只有几微米、厚度只有100nm的极薄的微型园碟，园碟的周围是空气，下面靠一个微小的底座支撑。由于半导体和空气的折射率相差很大，微碟内产生的光在此结构内发射，直到所产生的光波积累足够多的能量后沿着它的边缘折射，这种激光器的工作效率很高、能量阈值很低，工作时只需大约100μA的电流。
长春光学精密机械学院高功率半导体激光国家重点实验室和中国科学院北京半导体研究所从经典量子电动力学理论出发研究了微碟激光器的工作原理，采用光刻、反应离子刻蚀和选择化学腐蚀等微细加工技术制备出直径为9.5μm、低温光抽运InGaAs/InGaAsP多量子阱碟状微腔激光器。它在光通讯、光互联和光信息处理等方面有着很好的应用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。
微腔光子技术，如微腔探测器、微腔谐振器、微腔光晶体管、微腔放大器及其集成技术研究的突破，可使超大规模集成光子回路成为现实。因此，包括美国在内的一些发达国家都在微腔激光器的研究方面投人大量的人力和物力。长春光机与物理所的科技人员打破常规，用光刻方法实现了碟型微腔激光器件的图形转移，用湿法及干法刻蚀技术制作出碟型微腔结构，在国内首次研制出直径分别为8μm、4.5μm和2μm的光泵浦InGaAs/InGaAsP微碟激光器。其中，2μm直径的微碟激光器在77K温度下的激射阔值功率为5μW，是目前国际上报道中的最好水平。此外，他们还在国内首次研制出激射波长为1.55μm，激射阈值电流为2.3mA，在77K下激射直径为10μm的电泵浦InGaAs/InGaAsP微碟激光器以及国际上首个带有引出电极结构的电泵浦微柱激光器。值得一提的是，这种微碟激光器具有高集成度、低阈值、低功耗、低噪声、极高的响应、可动态模式工作等优点，在光通信、光互连、光信息处理等方面的应用前景广阔，可用于大规模光子器件集成光路，并可与光纤通信网络和大规模、超大规模集成电路匹配，组成光电子信息集成网络，是当代信息高速公路技术中最理想的光源;同时，可以和其他光电子元件实现单元集成，用于逻辑运算、光网络中的光互连等。
5 新型纳米激光器
据报道，世界上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激光。但是，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，其才会发射出激光。而新型纳米激光器具备了电子自动开关的性能，无需借助外力激活，这无疑会使其实用性大为增强。
篇(2)
摘要：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。文章发表在《中国机械》上，是工业论文发表范文，供同行参考。
关键词：纳米材料,化工生产,应用调查研究
纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系。它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。
纳米材料(又称超细微粒、超细粉未)是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统，其结构既不同于体块材料，也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应等，拥有一系列新颖的物理和化学特性，在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。
纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工生产领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。
1. 在催化方面的应用
催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。
光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。
2. 在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性;功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。
3. 在其它精细化工方面的应用
精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。
如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的;而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。
一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。
纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
4. 在医药方面的应用
21世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前发展，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织;使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。
该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。
据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。
5. 结语
纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代，为此，国家科委、中科院将纳米技术定位为“21世纪最重要、最前沿的科学”。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。
21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。
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篇(3)
1. 引言
近年来，随着社会的进步和科学的发展，对纳米材料的性能提出了更高的要求，单一的纳米材料已经不能满足人们的需求。现代材料发展的趋势是将两种或两种以上单一材料合成为一种性能优良的复合材料，使之既包括单一组分的性能，又包括各组分协同作用产生的综合性能，开创了材料设计方面的新局面。磁光双功能纳米材料是一种将磁性材料和发光材料结合为一体，同时具有磁性和发光性能的复合纳米材料，是当今新材料领域的前沿研究课题。因其具有可控的结构和界面相互作用，从而表现出新的物理和化学性质，这些新颖的性质对未来的科技具有重要的应用价值与研究价值。磁光双功能纳米材料能够进行荧光标记和磁性分离，不仅用外部磁场可以操纵，也可以用荧光成像技术即时观察，与单一纳米材料相比，具有更重要的应用价值。
2. 磁光双功能纳米颗粒的制备
目前，对磁光双功能纳米材料的研究主要是针对磁光双功能纳米颗粒的制备、性质以及应用等方面进行探索研究。作为具有广泛发展前景的磁光双功能纳米材料，磁光双功能纳米颗粒不足以满足未来更多、更新、更高的技术需求，难以满足日益增长的应用需求，迫切需要制备具有新型结构的磁光双功能纳米材料[1]。
核壳结构的磁光双功能纳米材料常以发光物质作为壳层，这些发光物质多数为量子点，有机染料分子和稀土掺杂的无机材料。尽管有机染料广泛应用于生物医学领域，但其具有荧光寿命短、光致漂白、染料分子容易聚集、对细胞潜在毒性等缺点，使其实际应用受限。而半导体量子点固有的毒性和在水中稳定性差、容易聚集、生物相容性差等缺点而未能广泛应用。稀土掺杂纳米发光材料具有发光性能独特，荧光寿命长、量子产率高、毒性低、光化学稳定性高等优点，使之成为生物标记的新类型材料。若将稀土掺杂纳米发光材料作为磁光双功能纳米材料的壳层有助于改善量子点、有机染料分子等发光材料在实际应用过程中的不足之处，使磁光双功能纳米材料具有更加广阔的应用前景。磁光双功能纳米材料多以Fe3O4、γ-Fe2O3等磁性物质作为核壳结构的核层[2]。Dr. Latif U. Khan等人[3]制备了Fe3O4@SiO2-Ag@Y2O3：Eu3+纳米颗粒，研究发现，SiO2层可以有效提高样品的荧光性能。Jia等人[4]制备了CoFe2O4/SiO2/Y2O3：Eu3+纳米颗粒，实验结果表明，SiO2层的存在有效地避免了磁性物质对发光物质荧光性能的影响，得到了同时具有良好磁性和发光性能的纳米颗粒。
3. 磁光双功能一维纳米材料的制备
随着科学技术的不断发展，单一形貌的磁光双功能纳米颗粒很难满足生物医学等领域对磁光双功能纳米材料日益增长的需求和要求。因此，制备具有新颖形貌的磁光双功能一维纳米结构材料是亟待解决的问题。目前，磁光双功能一维纳米结构材料已有报道，主要是以Fe3O4颗粒、稀土配合物或者稀土氧化物纳米颗粒为原料，高分子PVP或者PMMA为模板，采用静电纺丝技术制备磁光双功能一维纳米材料。
Ma等人[5]采用静电纺丝法制备了磁光双功能柔性Janus纳米带，Janus结构实现了将磁性物质和发光物质有效分离，避免了磁性物质对发光性能的影响。陈[6]等人采用静电纺丝法制备了钇铁石榴石(YIG)纳米纤维。在750℃下焙烧得到尺寸均匀的纳米纤维，纤维直径大约为100 nm。
4. 总结
磁光双功能纳米材料同时具有磁性和发光性能，将荧光标记和磁性分离合为一体，既可用外部磁场操纵，也可以用荧光成像技术进行即时观察，在生物成像、荧光标记、生物测定、药物传输、医学诊断治疗、生物标记、食品安全、环境监测等领域具有巨大应用前景。
参考文献：
[1]Xuegang Yu， Yan Shan， Guicun Li， et al. Synthesis and characterization of bifunctional magnetic-optical Fe3O4@SiO2@Y2O3：Yb3+， Er3+ near-infrared-to-visible up-conversion nanoparticles. Journal of Materials Chemistry， 2011， 21： 8104-8109.
[2]Wankui Su， Mingyue He， Jun Xing， et al. Facile synthesis of porous bifunctional Fe3O4@Y2O3：Ln nanocomposites using carbonized ferrocene as templates. RSC Advances， 2013， 3： 25970-25975.
[3]Latif U. Khan， Luis F. M. Zambon， Jacinete L. Santos. Red-Emitting Magnetic Nanocomposites Assembled from Ag-Decorated Fe3O4@SiO2 and Y2O3：Eu3+： Impact of Iron Oxide/Silver Nanoparticles on Eu3+ Emission. Chemistryselect， 2018， 3： 1157-1167.
[4]Yanmin Jia， Zhihua Zhou， YongbinWei， et al. Enhanced photoluminescence of core–shell CoFe2O4/SiO2/Y2O3：Eu3+ composite by remanent magnetization. Smart Materials and Structures， 2013， 22： 125014-125020.
[5]Qianli Ma， Wensheng Yu， Xiangting Dong， et al. Janus Nanobelts： Fabrication， Structure and Enhanced Magnetic-Fluorescent Bifunctional Performance. Nanoscale， 2014， 6： 2945-2952.
[6]陳莹莹， 张溪文， 候建梅， 韩高荣. 静电纺丝法制备钇铁石榴石单晶纳米纤维. 微细加工技术， 2008， 1， 35-39.
项目名称：大学生创新创业训练计划项目，项目名称(项目编号：202010191128)
作者：杨程博
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