科学研究

河南省光电信息材料与器件重点学科开放实验室

信息技术是21世纪最重要的领域之一,计算机、网络和通信的结合使信息技术逐渐成为社会运作的核心。20世纪以来,信息技术是依靠电子学和微电子技术发展起来的,很长时间社会发展处于电子信息时代,其特征是信息的载体为电子。随着高容量和高速度信息的发展,已显示出电子学和微电子学具有局限性。由于光子的速度比电子的速度快得多,光的频率比无线电(如微波)的频率高得多,所以为提高传输速度和载波密度,信息的载体必然由电子发展到光子。光子会使信息技术的发展产生突破性进展。目前,信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参与来完成,产生的光电子学技术已应用在信息领域。光通信、光存储和光电显示技术的兴起和它们近20年来的飞快发展,已使人们认识到光电子技术的重要性和它广阔的发展前景。继光电子技术以后,光子技术正在崛起。例如,美国把电子和光子材料、微电子学和光电子学列为国家关键技术,认为“光子学在国家安全与经济竞争方面有着深远的意义和潜力”,“通信及计算机研究与发展的未来属于光子学领域”。从电子学到光电子学再到光子学是跨世纪的发展,所以人们认为,对于今后信息技术的发展,微电子材料是最重要的信息材料,光电子材料是发展最快的信息材料,而光子材料是最有前途的信息材料。

光子学与光子技术在促进信息科学的发展中越来越显示出不可替代的重要作用,它们作为信息科学的重要支柱与新材料技术相互渗透、补充,发挥着越来越重要的作用。致力于信息技术应用的光子材料和技术在当前国际科学和技术产业领域里倍受重视。研制新型光子材料,揭示光子全新的物理特性、开发新型光子器件是该领域科学家的工作重点。本实验室着重研究信息光子技术领域内作为信息和能量载体的光子的行为及其在新材料、新器件和新工艺中的应用。在理论上,主要研究信息功能材料的光物理特性,研究与光子过程有关的各种物理现象、效应和规律以及在光电器件中表现出来的各种新奇特性等;在应用方面,主要研究有器件应用前景的新型结构的光子材料,以及由此材料构筑的光子、光电子器件,寻找构造多功能、微型化、集成化器件的新思想、新方法、新材料和新工艺。

信息技术几个重要环节(获取、传输、存储、显示、处理)的发展在很大程度上依靠信息功能材料和器件的发展。发展各种固态光源器件如激光器、全固态白光光源,各种存储器如光盘以及在不同能量区域的探测器、传感器等是信息光子技术的核心。

结合我省国民经济和光子技术研究发展的需要以及本实验室的学科优势,实验室主要研究方向如下:


1. 外光电器件与技术

将氧化物半导体Sb-SnO2TiO2SrTiO3Bi2O3以及(Cu2Sn)x/3Zn1-xS制成异质结半导体纳米材料,研究了影响异质结半导体光生电荷产生、传输和复合的主要因素;高温熔融法制备了氟氧化物微晶玻璃,在Ce3+Er3+Yb3+三掺中同时实现了上转换和下转换发光,能有效的产生光合作用最敏感的红光,可应用于温室玻璃;③改进钙钛矿电池的阴极制备工艺,有效提高电池效率,目前光电转换效率超过10%;④成功合成氟钇共掺杂和氟锌共掺杂TiO2纳米光催化剂,讨论了掺杂后光吸收与光催化活性变化的机制;⑤制备了ZnS/PVPCdS/PEGPbSe/PVA聚合物纳米复合材料,对其三阶非线性光学性质进行深入研究,发现II-VI族半导体/透明聚合物纳米复合材料具有较大非线性极化率系数,在光子器件方面有潜在的应用前景。用湿化学方法合成了Cd II-VI族半导体多壁碳纳米管复合材料,研究了三阶非线性光学性质,分别得到了共非线性吸收和非线性折射系数,为进一步在激光技术Q开关和锁模器件方面的应用奠定了实验基础。

2. 全息存储材料与技术

①首次在丙烯酰胺为单体、三乙醇胺为引发剂、亚甲基蓝等为光敏剂的光致聚合体系中掺入Al2O3PbSe量子点,提高材料的抗缩皱能力和曝光灵敏性,增加折射率调制度,提高信息记录的密度和容量。②结合双染料或核黄素敏化全息记录光致聚合物,合成具有宽感光范围、高衍射效率、高曝光灵敏度和抗湿性的高密度数字全息存储记录光致聚合物厚膜,材料的敏感波长范围超过200nm,最大衍射效率达到93%。③研究了基于结构照明的数字全息显微,可实现对微小物体的振幅和相位的超分辨成像,提高相位成像分辨率。有望为生物和医学领域提供了一种高分辨、无损、快速成像手段。

3. 材料设计与模拟

以几种Zintl相和氧化物热电材料为研究对象,研究了电子结构和热电性质,利用刚性带模型研究了不同掺杂类型及浓度的影响:Sr3GaSb3n型掺杂能显著提高热电性质,最大ZT值为1.74;②Sr5Sn2As6n型掺杂会导致较高的Seebeck系数和电导率,沿z方向最大ZT值可达到3;③Rb2Zn5As4p型掺杂有更好热电性质,重带和轻带同时出现在其价带顶,有利于提高热电性能;A5M2Pn6 (A=Ca, Sr, Ba; M=Ga, Al; Pn=As, Sb)PnA位以及PnM之间的电负性之差对其带隙有较大的影响,选取合适的元素可实现带隙大小的调控,提高其热电性质;⑤BiCuSeO,导带底沿c方向出现了BiCu之间的导电通道,使nBiCuSeO具有较高的电导率,热电性质远远好于p型掺杂;⑥Al, Ga, Sb掺杂ZnO纳米线,AlGa掺杂会导致ZnO纳米线带隙减小,Sb掺杂会变大;⑦CuGaTe2n型掺杂使ZT值在950 K时提高到2.1,比p型高25%