物理学前沿讲座

一、曲秀荣

1、材料分类：（1）结构材料：力学性能、热学性能。（2）功能材料：热电、压电、铁电、发光

2、微观组成:状块材料、纳米材料

3、纳米特点：比面积大①高的活性 ②韧性 ③磁学性能 ④量子隧道效应

20世纪的两大话题能源环境 LETTERS

4、热电材料的优点：是绿色能源①体积小（例如：热电发电、热电制冷、发电系统） ②重量轻 ③结构简单 ④坚固耐用 ⑤无需运动部件 ⑥无磨损 ⑦无噪音 ⑧无污染 ⑨无需监控 *** 作

5、热电材料的应用：（1）温差电池（热电芯片、手机用的电池）（2）小汽车的发电系统（3）空间站的热电能转换装置，深海作业的热电能转换装置

6、热电制冷的应用：①变协式冰箱 ②空调 ③手术刀

7、热电材料及热点效应的基础知识

①什么事热电材料？（热电材料发电效率低）

定义：一种利用固体内部载流子运动，实现热能的电能直接相互转换的功能材料

8、新材料的探索：（有哪些材料）

答： Bi Te / Sb Te 体系 PbTe体系 SiGe体系 CoSb 为代表的方钴 型热电材料 Zn Sb金属硅化物（如 —FeSi 、MnSi 、CrSi 等） NaCo O 为代表氧化物

9、什么是热电材料？

答：热电材料也是温差材料，是一种利用固体内部载流子运动，实现热能和电能相互转化的功能材料

10、什么是热电效应？（简）

答：热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称。

包括Seebeck效应 Peltier效应 和 Thomson效应

赛贝克 帕尔贴 汤姆逊

11、赛贝克效应：当两种不同导体构成闭合电路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产生，且在回路中有电流通过，即温差电现象或Seebeck效应（可能为简、填、选）

论+应 主要应用：①用采热电发电 例如：利用放射性同位素做热源给航天器空间站发电②还可利用海洋温差、太阳能等发电 ③汽车尾气等废热发电 ④可以用于偏远山村供电以及深海作业供电(论=概+应）

12、Peltier效应：当电流通过两个不同导体形成的接点时，接点处会发生放热或吸热现象，称为Peltier效应 当半导体通以电流时，两端会有温差现象出现，此现象为帕尔贴效应（应用：热电效应 用于冰箱、空调、计算机系统、手术刀等）

13、热电材料用于发电和这冷目前存在的问题是什么？解决办法有哪些？答：与常规能源相比热电转换效率低 解决办法：提高材料的热电性能①探索新材料 ②将材料低维化

14、帕Peltier的特点：体积小、重量轻、结构简单、坚固耐用、无需运动部件、无磨损、无噪音、无污染

15、热电转换装置，热电材料用于发电和制冷，存在的问题是什么及解决办法？答：热电转换效率低

一维ZnO纳米材料简介（高红）

1、半导体简介 2研究一维ZnO纳米材料的意义 3、一维ZnO纳米结构的生长

1、半导体

什么是半导体？在绝缘体和导体之间，没有明显界限

半导体的特征？对外界条件（力、热、光、电、磁、杂质等）变化非常敏感

半导体的应用：计算机芯片、发光材料、传感器

常见半导体：Si（硅）Ge（锗）ZnO（氧化锌）

2、研究一维ZnO纳米材料的意义

2.1纳米材料的定义

纳米材料：是指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸1—100纳米。包括纳米颗粒、纳米线、纳米超薄膜、夹层结构、多层膜和超晶格等材料

2.2纳米材料的效应：小尺寸效应、量子效应、表面效应

小尺寸效应：由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应

量子效应：一是纳米粒子尺寸小到某一值时，在费米能级附近的电子能级是由准连续变为离散的现象 二是纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能级间隔变宽，出现蓝移的现象

表面效应：粒子的大小与表面原子数的关系

直径/nm 1 5 10 100

原子总数/N 30 4000 3000 300000

表面原子百分比/表面积 100 40 20 2

纳米材料的表面积大大增加，表面结构也发生很大的变化。因此，与表面状态有关的吸附、催化以及扩散等物理化学性质。

2、ZnO一维纳米材料的性质：⑴、直接带隙宽禁带半导体（3.4eV）⑵、具有高自由激子束缚能（室温60meV）⑶、紫外发光材料⑷、光电、压电、气敏、生物安全等特性⑸、一维纳米材料的特性

3、研究意义

3.1制备方法：化学气相沉积、脉冲激光沉积（经常用） 水热法

一维ZnO纳米材料的表征

3.1、形貌表征（SEM）

3.2、晶体结构表征（XRD）

3.3、微观晶格结构表征（HRTEM）

3.4、成分表征（EDX）

3.5、光学性质表征（PL，Raman）

稀土及其发光（孟庆裕）

一、什么是稀土

1.1稀土的定义

答：稀土是稀土类元素群的总称。包含钪Sc、钇Y及元素周期表的ⅢB族镧系中的镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Gd、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu共17个元素。稀土元素的单质都属于有色金属。

⑴、传统领域：农业、冶金、石化、玻璃、陶瓷、机械加工、照明光源

⑵、高新科技领域：新型照明与显示技术、储氢技术、激光材料、光通信、精密陶瓷、高温超导、精细化学催化剂

1.2、稀土的分类：稀土元素分为“轻稀土元素”和“重稀土材料”。“轻稀土材料”指原子序数较小的钪Sc、钇Y和镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm

2.1、什么是发光

答：发光石物体内部以某种方式吸收能量后转化为光辐射的过程（概括的说，发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量，而这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间）

发光是热辐射之外的一种辐射，这种辐射的持续时间超过光的振动周期。（广播的振动周期的量级在10 秒以下，而发光的辐射期间在10 秒以上。因此，用辐射期间作为判据，很容易把发光与反射、散射这类辐射区分开来。

2.2、稀土元素的价态

答：稀土离子在固中一般呈现三价，镧系元素中的某些元素还有二价和四价

2.3、什么样离子容易变成+2价或+3价，为什么？

答：4f电子轨道全空、半充满和全充满电子的稀土离子为稳定态，如La 、Gd 、Lu 和Y ，它们结构稳定，具有光学惰性，很适合作为发光的材料的基质。而一些三价稀土离子的4f轨道中比稳定态一或二个电子为趋于稳定态，它们易失去一个电子而被氧化为+4价，而另一些三价稀土离子比稳定态少一或两个电子为趋于稳定态，它们易被还原为+2价

2.4、稀土离子发光的特点

答：对于三价稀土离子，由于4f 电子在空间上受到5s 5p 电子的屏蔽，因此，几乎不受配体的影响，故4f—4f跃迁的光谱有如下特点①光谱呈狭窄线状 ②谱线强度较低 ③跃迁概率很小，激发态寿命较长

2.5、5d到4f跃迁的特点？

答：5d—4f跃迁 =1，根据选择定则，这种跃迁是允许的，并且5d处于外层，5d—4f跃迁受晶体场影响较大，所以5d—4f跃迁发光的特点与4f—4f跃迁几乎完全相反，其光谱呈现带宽，强度较高，荧光寿命的特点

光的强度随波长的变化就叫光谱

2.6常见的稀土发光材料？

光源：日光灯 BaMg Al O Eu

Mg Al OCeTe 特

Y OEu 有

高压汞灯 Y（Pv）OEu YUOEnTb

黑光灯YPOCe Tb MgSrBFEu

固体光源 YAG Ge

一、纳米技术

纳米是一个尺度的量度1nm=10 m

纳米科技是和研究由尺寸在1点10 nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术

二、纳米材料具有的基本特性

⑴、表面效应

纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数的比值随粒径的变小而急剧增大，引起的性质上的变化，由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来。所以纳米材料具有很高的化学活性。

⑵、小尺寸效应

当纳米微粒尺寸与光波的波长，传导电子的德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征，尺寸相当时，晶体周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热、力学等特征是新的物理性质的变化称为小尺寸效应。

⑶、量子尺寸效应

当粒子尺寸下降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级会由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能级变宽现象，这称为量子尺寸效应。

⑷、宏观量子隧道效应

隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力，人们发现一些宏观量，如磁化强度，量子相于器中的隧道通量等具有隧道效应，称之为宏观量子轨道效应

⑸、尺寸限制效应（体积效应）

当物体体积减小时与体积密切相关的性质将发生变化，如半导体电子自由程变小，磁体的磁区变小，能量传输的范围变小等，这就是体积效应

三、由于以上几种效应存在，纳米材料呈现如下巨大应用潜力的宏观物理和化学性能：⑴、高强度的高韧性⑵、高热膨胀系数、高比热容和低熔点⑶、特殊的电磁学性质⑷、较高的化学活性⑸、极强的吸波性

投影显示技术（孙文军）

1、分类

2、结构高度 投影机 电压值 芯片 光 光学 屏幕

3、评价体系

4、投影显示种类

⑴、CRT ⑵、LCD ⑶、DLP ⑷、LCOS

5、投影显示的光源

⑴、卤素灯 ⑵UHP ⑶LED

6、光学调制（空间调制器）

LCD（透射)PDPLCOS（透射式） DLP

加电压与输出亮度为线性

被动发光：（1）照明光均匀性（2）输出截面与芯片相匹配（3）亮度

颜色的合成

1、空间合成R+G+B=W

2、时间合成C+M+Y=B

芯片DL中：（1）不需偏振（2）矩形（3）均匀化（4）结构简单化（5）能量利用率高

半导体量子级联激光器①波导层 ①工作物质

一、结构②作电极 ②激励条件

二、粒子数反转③粒子数反转

三、半导体中电子能级结构 ④谐振腔

四、如何实现粒子数反转 激励条件：外加电场Fo、内部极化场Fp

胡建民

地球辐射带

电子0~7MeV

航天器常见轨道的环境特点

低地球轨道：200—1000km 微流星和空间碎片

中地球轨道：约2000km 高能粒子

空间环境模拟器

热真空环境模拟器

空间动力学模拟器

空间组合环境模拟器

如何实现等效？

空间环境粒子 地面实验粒子

通量连续 通量单一

能谱连续 单能粒子

多种粒子 一种粒子

太阳能电池

1、JPL等效注量法

优点：传统：1980年提出 1982Si 1996GaAs

应用广泛，形成成熟的评价系统

考虑了低能粒子的损伤效应

缺点：过程繁琐，实验数据过多（4e+8P）

与电池设计参数关系密切

2、位移损伤剂量法

优点：所需的地面实验数据较少，地面粒子的能量选取方便

评价方法简单易行

缺点：1995年提出，方法较新，缺少前期研究基础

更适用于厚度较薄的电池（几个 m)

没有考虑低能粒子的辐照损伤效应

3、目前空间电池的分类与应用

⑴、单晶硅太阳电池

①1958年3月，美国先锋号首次用太阳电池板供电

②价格低廉，工艺简单

⑵、GaAs/Ge单结太阳电池

①1983年，美国首次在LIPS卫星使用，共计1800片

②1986年，前苏联和平号空间站全部使用

③2002年3月25日，神舟3号进行搭载试验

⑶、GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池

①1997年，美国HP系列卫星开始使用双结电池

②2002年，美GaLaxy卫星首次使用三结电池

4、……关键：

⑴、确定辐照缺陷的类型浓度等参数

⑵、建立太阳电池的辐照损伤模型

5、揭示损伤机理的关键

⑴、探测辐照损伤缺陷的类型浓度分布

针对缺陷类型提高电池材料的抗辐射能力

根据缺陷浓度和粒子能量提高防护方法

⑵、建立辐射损伤的物理模型

为了提高电池的抗辐射能力提供理论依据

可以科学评价电池在轨行为，对于提高航天器在轨运行的稳定性和可靠性具有重要意义

燃料电池（李仲秋）

一、概述

工作原理：从正极处的氢气中抽取电子。（氢气被电化学氧化掉或称燃烧掉了）这些负电子流到导电的正极，同时，余下的正原子通过电解液被送到负极，在负极，离子与氧气发生反应并从负极吸收电子。这一反应的产品是电流、热量和水

二、燃料电池技术分类

燃料电池的种类按不同的方法可大致分类如下：

1、按燃料电池的运行机理分 分为酸性燃料电池和碱性燃料电池

2、按电解质的种类不同有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质 碱性燃料电池，磷酸燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池，质子交换膜燃料电池

3、按燃料类型分 有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天然气等气体燃料

4、按燃料电池工作温度分有低温型，温度低于200℃，中温型温度为200~750℃，高温型，温度高于750℃

处理芯片是硬件配置设备的关键所属，也是我国高新科技水准里边最经典的意味着。“中芯国际人”的小故事持续运转，紧系着中国半导体产业的运势与运行。

5月5日，上海积塔半导体官方微博公布的文章表明，张汝京博士研究生以积塔半导体监事会主席、积塔学院医生真实身份，应邀在积塔半导体临港厂区讲谈公司文化专题讲座。与此同时，据芯榜信息，张汝京已辞职青岛芯恩。从打开树林到功成身退，张汝京一手带下去的芯恩，将来将如何选择？

在中国半导体材料发展历程中，张汝京的每一次自主创业都为中国半导体产业的进步进行了开拓性的奉献。他创建的中芯国际为大陆第一家半导体器件公司，新升半导体为大陆第一家300mm大单晶硅片公司，芯恩为大陆第一家CIDM方式的公司。

前不久获知，张汝京已辞职青岛芯恩，调任上海积塔半导体监事会主席一职。回放张汝京上一次“放开手”，2017年年末，在新升半导体慢慢走上正轨之时，张汝京挑选离开：“我就很高兴如今中国缺大单晶硅片的问题逐渐拥有实际性的解决方法，那么就交到我国来再次发展壮大。实际上我非常想要做的是IDM。”

2018年，张汝京带上芯恩项目落户口青岛，基本建设、建成投产中饱经曲折。三年后，这一新项目宣布投片取得成功，也为青岛发展趋势半导体产业引入了一针强心剂。现如今，74岁的中国半导体材料鼻祖再度挥手告别自身的自主创业之作，打开一段在半导体芯片行业的辉煌旅途。

据了解，张汝京此次进军的上海积塔半导体是一家特点加工工艺集成电路芯片制造公司，所制造的BCD、IGBT/FRD、SGT/MOSFET、TVS、SiC元器件等处理芯片普遍业务于汽车电子产品、工业控制系统、电池管理、移动智能终端，乃至城市轨道、智能电网等高档应用商店。

积塔半导体是华大半导体集团旗下全资子公司，华大半导体归属于中国电子CEC，是中央政府可以直接监管的国有控股超大型企业集团。将来，积塔半导体将担负打造出网络信息安全“国家队”的历史进程每日任务，张汝京再一次走到了行业发展的窘境上。返回青岛芯恩，张汝京的放开手离开，或代表着其已完成“取得成功工作交接”，发展趋势彻底走上正轨。

2018年，在集成电路进出口额做到3120.58亿美金、中兴事情暴发之时，提高自主可控工作能力、摆脱海外高端芯片垄断性看起来刻不容缓。

张汝京在接收访谈时曾讲到：“中国到了这一环节，特别是在要做仿真模拟和数学模型混和商品，而IDM（融合元器件生产制造）最好。但是，IDM必须较强的设计工作能力。期待根据一共有共享资源方式，邀约全世界会做仿真模拟和数学模型混和处理芯片的设计部门一起加盟协同创立IDM公司，根据订制化开发设计生产制造高端芯片，从而取代海外进口的。”

因此，他放下过去善于的晶圆代工线路，挑选CIDM方式（C指Commune），即一共有共享资源式的IDM，再弥补一项大陆集成电路产业链的空缺。2018年4月，70岁的张汝京在西海岸新城区的中德生态园带领创立了青岛芯恩，这也是他继世大半导体、中芯国际、LED产品研发生产制造行业、上海新升以后的第五次自主创业。

一个月后，芯恩处理芯片新项目签字仪式全面启动，为中国第一个协同式集成电路生产制造(CIDM)新项目。签订期内的公布数据表明，该项目规划2019年底一期整线建成投产，2022年满产。

但芯恩的进步之途可以说一波三折。2019年12月，芯恩6栋裙楼到顶，8英尺厂机器设备逐渐搬进。接着又遭受新冠疫情等冲击性，相继传来股权融资不如意、控股股东移主的信息，总体进展再度被推迟。

2021年8月，芯恩于青岛举行动员会。大会上官方宣布8英尺厂投片取得成功，投片商品为电力电子器件，合格率达90%以上，光罩厂也于同期完成了商品交货。而8英尺生产线仅仅第一步，芯恩将来挥剑现阶段最现代化的12英尺圆晶的芯片制造。

2021年9月起，芯恩与国银租用相继签定2份融资租赁合同，总共股权融资29亿人民币；11月，国银租用又发布消息，其与芯恩集成电路再签融资租赁业务协议书，以先购买设备再回租的方法向芯恩股权融资27亿人民币。8英尺厂投片取得成功、积放融资租赁合同签定，芯恩以真实的行为展示出对新项目成功推动的自信心与信心。

半导体产业特点相悖，除资产、技术装备外，优秀人才及时也是公司完成经营规模扩张、尖端技术、配套设施齐备的主要支撑点之一。

张汝京曾在2021年胡润财富榜全世界500强品牌发布会上那样表明：现阶段的半导体业较大的问题是优秀人才匮乏。他大力号召同行要加速人才的培养服务体系和梯队建设，要眼光长久。

据了解，芯恩现阶段待岗的1400多名职工，在其中300位以上为领域专业工作人员，全体人员平均年龄为33岁。精英团队关键职工在国际期刊、杂志期刊上论文发表超出300篇，发布半导体材料有关专利权2000多项，包含好几个半导体材料基本专利权。截止到2021年12月，芯恩已提交308项申请专利，在其中275件得到审理号。“我还在青岛做的事便是‘抛砖’，期待可以打动越来越多的‘玉’参加到中国的半导体产业之中来。”

为了更好地增加人才培养和贮备，张汝京邀约了许多领域人员，2018年和青岛大学携手并肩共创了青岛大学微纳技术学院，与此同时出任了终生声誉医生。芯恩不但与学校创建产学研合作方式，芯恩的技术专家也会经常性校园内进行培训讲座，共享全新半导体产业动态性。

高薪职位“挖”高端人才，也变成青岛新经济企业招兵买马的一个普遍存在。2022年4月，芯恩一次性公布了百余个招聘职位，涉及到技术研发、信息科技、检测中心等好几个岗位，薪酬范围在10k-30k不一。

除此之外，芯恩生产制造的IC商品主要是面对汽车电子产品、智能家居系统与IDT工业电子等主要用途，与青岛的行业优点行业相切合。一直以来，青岛将新一代信息技术产业放置发展趋势的第一位。

青岛党代会明确提出了构建现代化产业链优先大城市总体目标，在其中，集成电路、新式表明、虚拟现实技术、人工智能技术、生物技术等十大新型产业，将打造出一批五百亿级和万亿级产业群，基本建设我国战略新型产业产业基地。

2022年3月底，青岛市颁布了适用集成电路发展趋势的十条对策：给与设计方案公司本年度最大500万余元补助；给与新项目最大500万余元适用；给与公司最大500万的一次性奖赏；给与全职的引入的顶级优秀人才（精英团队）500万余元安置费；给与各家创业投资风险投资组织每一年总计奖赏额度最大500万余元……一条条全是“真金白银”。

张汝京引入的自主创业遗传基因、青岛终端产品用户要求切合、地市级方面国家扶持政策等，均为芯恩发展方向引入了决心和支撑点。

半导体(Semiconductor)是一种电导率在绝缘体至导体之间的物质，其电导率容易受控制，可作为信息处理的元件材料。

从科技或是经济发展的角度来看，半导体非常重要。很多电子产品，如计算机、移动电话、数字录音机的核心单元都是利用半导体的电导率变化来处理信息。

常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高 *** 控保真度，以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。

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