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【專家解說】：納米光學(xué)材料在通訊領(lǐng)域的最新進(jìn)展 摘要: 本文綜述了納米材料光學(xué)特性的研究進(jìn)展, 以期使納米材料的光學(xué)特性得到更加深入細(xì)致的研究。概述了納米技術(shù)在通訊領(lǐng)域的應(yīng)用,并著重介紹了國內(nèi)外納米光通信用納米光電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀。 關(guān)鍵詞:納米光纜;納米光電子學(xué);納米光導(dǎo)集成電路;納米光通信 1.引言 納米材料是納米科學(xué)技術(shù)的一個重要的發(fā)展方向。納米材料是指由極細(xì)晶粒組成, 特征維度尺寸在納米量級(1～100nm ) 的固態(tài)材料。由于極細(xì)的晶粒, 大量處于晶界和晶粒內(nèi)缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等, 納米材料與同組成的微米晶體(體相) 材料相比, 在催化、光學(xué)、磁性、力學(xué)等方面具有許多奇異的性能, 因而成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。 納米技術(shù)已成為當(dāng)今研究領(lǐng)域中最富有活力、對未來經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展有著十分重要的研究對象。納米科技正在推動人類社會產(chǎn)生巨大的變革,它不僅將促進(jìn)人類認(rèn)識的革命,而且將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)對電子信息技術(shù)和光通信技術(shù)亦將產(chǎn)生重要影響。 2.國際發(fā)展?fàn)顩r 2. 1 整齊排列的交叉式納米光纜線 美國化學(xué)學(xué)會會刊上刊登了由旅美學(xué)者、佐治亞理工學(xué)院王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組,利用液態(tài)鉀做催化劑,首次生長出整齊排列且具有“Y2形狀”的氧化硅納米光纜線。據(jù)介紹,該納米光纜線的直徑為10nm ,長度可達(dá)毫米級,線直而均勻并且是透明的,最重要的是該納米光纜線在生長過程中自動由1 根分叉成為2 根,2 根可以分叉成4 根,依次繼續(xù)分裂。氧化硅是傳統(tǒng)光纜的主要組成材料,因此這些納米線有可能會用來做納米級的分叉光纜,形成納米分光器。王中林等人的實(shí)驗(yàn)可以生產(chǎn)出大量而且結(jié)構(gòu)均勻的分叉納米線。他們的研究結(jié)果同時也對經(jīng)典的“氣相2液相2固相”(VLS) 納米線生長原理提出了挑戰(zhàn)。 VLS 原理認(rèn)為一個催化劑顆粒只能長出1 根納米線,而線的直徑接近顆粒的大小。然而,他們在一滴約半毫米直徑的鉀丸上就可以生長出成千上萬根整齊排列的納米線。 2. 2 納米級導(dǎo)電纖維 1999 年12 月,日本研究人員研制出一種僅有一個分子粗細(xì)的導(dǎo)電纖維,可謂世界上最細(xì)“電線”。這種導(dǎo)電纖維是由日本工業(yè)技術(shù)院物質(zhì)工程工業(yè)技術(shù)中心研制出來的。它的直徑僅3nm ,中心部分具有良好導(dǎo)電性的丁二炔鏈,四周包覆著糖的衍生物,并作為絕緣層,防止漏電。據(jù)分析,這種納米級“電線”可以應(yīng)用在超小型的電子元器件和微型機(jī)械上。 2. 3 納米光導(dǎo)集成電路 日本NTT 公司尖端技術(shù)綜合研究所于2001年開發(fā)成功了制作光導(dǎo)集成電路芯片的基礎(chǔ)技術(shù)。NTT 公司的這家研究所采用先進(jìn)加工技術(shù),在硅芯片上制作出了可通過極細(xì)光束的通道(光導(dǎo)通路) ,使光束按直角方向轉(zhuǎn)彎,將其封閉在極為狹小的場所之中。由于不將光信號轉(zhuǎn)變成電信號,故這是直接處理光信號的納米光導(dǎo)集成電路。NTT 的科學(xué)家在夾有玻璃薄膜的硅芯片上,按照與光的波長相同的間距開發(fā)微細(xì)加工技術(shù)。 在一排排的孔之間,形成了沒有孔的線狀區(qū)域。如果從線狀區(qū)域的端部射入光線,則光通信中最常用的1. 3～1. 6μm 就基本沒有什么光線向周圍漏出。經(jīng)檢測后確認(rèn),這部分光是沿著線傳播的。只要能找出最優(yōu)的線狀區(qū)域?qū)挾?就能成功地使光通過。這是日本NTT 公司尖端技術(shù)研究所在光芯片技術(shù)上取得的重要成果。 2. 4 納米聚合體電子器件 將打印機(jī)、電腦和視屏一股腦地折起來裝入你的錢包、這就是以色列專家為人們展現(xiàn)的納米聚合體電子器件應(yīng)用的一個未來景象。以色列技術(shù)工程學(xué)院和希伯來大學(xué)曾宣布,他們在研究具有高能信息傳輸功能的有機(jī)發(fā)光二極管中取得了最新突破,為實(shí)現(xiàn)這一夢想邁出了第一步。相關(guān)成果刊登在新出版的Science 雜志上。使塑料發(fā)射近紅外光將是把一個不可能的未來世界變成現(xiàn)實(shí)的開始。研究初期,以色列科學(xué)家采用鉺原子滲入有機(jī)材料的方法,結(jié)果得到的紅外線非常弱,轉(zhuǎn)化效率僅有0. 01 %。后來,此項(xiàng)研究的主持者之一,以色列技術(shù)工程學(xué)院的特斯勒博士和希伯萊大學(xué)的班尼博士共同提出了利用一種制造聚合體所需的納米粒子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生近紅外光的研究思路。研究中,他們將化學(xué)合成的納米粒子和與其共軛的聚合體組合制成二極管發(fā)光作用區(qū),首次實(shí)現(xiàn)了具有應(yīng)用價值,轉(zhuǎn)化效率達(dá)2 %～3 %的有機(jī)近紅外發(fā)光二極管。目前,他們正致力開發(fā)第二代效率更高,波段更寬的新器件。特斯勒博士稱:“最近有機(jī)近紅外發(fā)光二極管的研究取得了重大突破,已為未來的光纖通信器件采用幾乎所有可能的有機(jī)材料奠定了基礎(chǔ)。將來每家只需一個光纖傳輸器就可使家用網(wǎng)絡(luò)、電視、可視電話與全球連接。高效、廉價的大容量有機(jī)信息傳輸設(shè)備的誕生正使這一構(gòu)想變?yōu)榭赡堋薄? 2. 5新型納米激光器提高電腦信息存儲量 2003年1月16日的Nature雜志報道,美國哈佛大學(xué)已成功開發(fā)出一種新型納米激光器,比人的頭發(fā)絲還細(xì)千倍,可自動調(diào)控開關(guān)。將其安裝于微芯片上,能提高計算機(jī)磁盤和光子計算機(jī)的信息存儲量,加強(qiáng)信息技術(shù)的集成化發(fā)展。這種新型激光器實(shí)際上是以半導(dǎo)體硫化鎘為原料制成的納米線,直徑僅為1/ 10000mm。研究人員將硫化鎘納米線安裝在涂有硅材料的基底上,制成一個回路。接通電源后,研究人員觀察到,在一定電壓下,電流通過硅材料流向硫化鎘納米線,納米線的另一端隨即發(fā)出藍(lán)綠色的光。隨著電流強(qiáng)度增大,光的著色變得單一,波長也相當(dāng)短。由于白熾燈泡和二極管發(fā)出的光波長都很長,因此研究人員斷定硫化鎘納米線發(fā)出的光是激光。在隨后的實(shí)驗(yàn)中,研究人員使用不同的半導(dǎo)體材料,由此制成的激光器發(fā)出的激光顏色也各不相同,氮化鎵納米線發(fā)出藍(lán)色到紫外的光,磷化銦納米線發(fā)出紅外光。據(jù)報道,最早的納米激光器是由美國加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家于2001 年制造出來的,當(dāng)時使用的是氧化鋅納米線,可發(fā)射紫外光,經(jīng)過調(diào)整后還能發(fā)射從藍(lán)色到深紫外的光。但美中不足的是,只有用另一束激光將納米線中的氧化鋅晶體激活時,氧化鋅晶體才會發(fā)射出激光。因此,新型納米激光器的技術(shù)關(guān)鍵就在于,它具備電子自動開關(guān)的性能,無需借助外力激活。由于光纖激光技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于信息通信領(lǐng)域,這一新的技術(shù)成果無疑會使納米激光器的實(shí)用性大為增強(qiáng)。 3.國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 為了在納米光電技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地,我國在納米電子技術(shù)研究的基礎(chǔ)上開展了納米光電子技術(shù)研究,相繼建立了相關(guān)的專門實(shí)驗(yàn)室,例如北京市在2000 年就在首都師范大學(xué)建成納米光電子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。其發(fā)展和目標(biāo)是:發(fā)展納米材料和納米技術(shù)理論和實(shí)驗(yàn)研究。著重于其光電子學(xué)、光譜學(xué)特性的研究和學(xué)科交叉研究,突出實(shí)驗(yàn)室的光電子學(xué)研究特色,為新型納米材料和納米技術(shù)的開發(fā)提供科學(xué)基礎(chǔ);進(jìn)而解決與納米材料和納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)緊密相關(guān)的重要科學(xué)技術(shù)問題。該實(shí)驗(yàn)室的主要研究方向?yàn)?納米超薄膜傳感器件與分子器件的光電子學(xué)研究;納米結(jié)構(gòu)與超分子結(jié)構(gòu)光電子學(xué)研究;中藥納米化應(yīng)用研究;富勒烯衍生物合成;富勒烯材料光電特性研究;金屬半導(dǎo)體米粒子電磁特性研究;光子作探針的分子吸附動力學(xué)及應(yīng)用研究;原子分子團(tuán)簇材料理論與計算機(jī)模擬研究等。我國納米科技的大部分研究工作主要集中在硬件條件要求不太高的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,涉及納米主流技術(shù)高、精、尖的研究內(nèi)容不多,特別是一些具有重要應(yīng)用前景的技術(shù)研究比較薄弱,在納米材料、納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造和控制以及實(shí)用化方面與國際先進(jìn)水平存在較大的差距。 5.結(jié) 論 在信息通信領(lǐng)域,光通信技術(shù)已經(jīng)改變了人們的生產(chǎn)和生活方式,特別是信息高速公路的建設(shè),為人們掌握信息、獲取信息、快速傳遞信息創(chuàng)造了有利條件。未來光通信將向光孤子通信、高速量子保密通信、紫外通信和納米光通信方向發(fā)展。目前,制作納米光電子器件有兩條技術(shù)途徑: (1) 自上而下路線的將尺寸逐漸變小的方法; (2) 自下而上路線的利用有機(jī)/ 無機(jī)分子組裝功能器件的方法。要研究和開發(fā)出實(shí)用的納米光電子器件,除了必須解決單個納米光電子器件的工作原理、納米光電子材料和納米加工技術(shù)問題外,還必須解決納米光電子器件的集成技術(shù)以及與外部的連接技術(shù)。顯然,納米光電子技術(shù)和納米光電子學(xué)是納米光電子器件研究的核心技術(shù),而納米光通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)是納米光電器件的研制。 人類以駕馭原子能進(jìn)入現(xiàn)代社會,以制造和利用單晶基礎(chǔ)半導(dǎo)體進(jìn)入電腦與網(wǎng)絡(luò)信息時代。進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代,全球以IT 為核心的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展,它將由新興產(chǎn)業(yè)逐步成為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。但是,真正實(shí)現(xiàn)使用以納米電腦為基礎(chǔ)的信息高速公路,離不開納米光通信技術(shù),它將使人類真正進(jìn)入信息時代,并將領(lǐng)導(dǎo)下一場工業(yè)革命,以推動社會的發(fā)展。