纳米光电子技术的发展及应用摘要：纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质 的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应 用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它 是现代科学和现代技术结合的产物，由纳米技术而产生一些先进交叉 学科技术，本文主要讲述的纳米光电子技术就是纳米技术与光电技术 的结合的一个实例，随着纳米技术的不断成熟和光电子技术的不断发 展，两者的结合而产生的纳米光电子器件也在不断的发展，其应用也 在不断扩大。关键词：纳米技术 纳米光电子技术 纳米光电子器件 应用一、刖言纳米材料与技术是20世纪80年代末才逐步发展起来的前沿性， 交叉性的学科领域，为 21 世纪三大高新科技之一。而如今，纳米技 术给各行各业带来了崭新的活力甚至变革性的发展，该性能的纳米产 品也已经走进我们的日常生活，成为公众视线中的焦点。 2纳米技术的概念由已故美国著名物理学家理查德。费因曼提出， 而不同领域对纳米技术的看法大相径庭，就目前发展现状而言大体分 为三种：第一种，是美国科学家德雷克斯勒博士提出的分子纳米技术。 而根据这一概念，可以制造出任何种类的分子结构；第二种概念把纳 米技术定位为微加工技术的极限，也就是通过纳米技术精度的“加工” 来人工形成纳米大小的结构的技术；第三种概念是从生物角度出发而 提出的，而在生物细胞和生物膜内就存在纳米级的结构二、纳米技术及其发展史1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米 技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电 子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该 技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家 纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1 100nm)的材料、 设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级 测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术； 纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。 其中纳米技术主要为以下四个方面1、 纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1100 纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变， 出现特殊性能。 这 种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特 殊性能构成的材料，即为纳米材料。2、纳米动力学：主要是微机械和微电机，或总称为微型电动 机械系统(MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤 通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等 .3 、纳米生物学和纳米药物学：如在云母表面用纳米微粒度的 胶体金固定 dna 的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜， dna 的精细 结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或 组件使构成新的材料4 、纳米电子学：包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结 构的光 /电性质、纳米电子材料的表征， 以及原子操纵和原子组装 等三、光电子技术介绍光电子技术指利用光子激发电子或电子跃迁产生光子的物理现 象所能提供的手段和方法。作为具有比电子更高频率和速度的信息载 体以其不存在电磁串扰和路径延迟的优点，光电子技术在信息领域的 应用无可替代。本文首先对光电子技术的优越性做简单介绍，然后阐 述了光电子技术在世界及中国的发展历程，接着叙述了光电子技术在 纺织工业，数据的超速传输和获取图像信息方面等方面巨大的应用前 景，表现了光电子技术在当今信息时代愈发占有重要的关键地位。光电子技术是继微电子技术之后近 30 年来迅猛发展的综合性高 新技术，是由光学技术和电子学技术相结合而形成的。1962 年半导 体激光器的诞生是近代科学技术史上一个重大事件。经历十多年的初 期探索，从 70 年代后期起，随着半导体光电子器件和硅基光导纤维 两大基础元件在原理和制造工艺上的突破，光子技术与电子技术开始 结合并形成了具有强大生命力的信息光电子技术和产业。可以说光电 子学技术是电子学技术在光频波段的延伸与扩展，当代社会和经济发 展中，信息的容量日益聚增，随着高容量和高速度的信息发展，电子 学和微电子学遇到其局限性，而光作为更高频率和速度的信息载体， 会使信息技术的发展产生突破，信息的探测，传输，存储，显示，运 算和处理将由光子和电子共同参与来完成。四、纳米光电子技术的发展光电子正向光电子集成，进而向纳米光电子集成的方向发展。纳 米光电子学是在纳米半导体材料的基础上发展起来的，是纳米电子学 发展的方向。纳米光电子学是研究纳米结构中电子与光子的相互作用 及其器件的一门高技术学科。光电子技术与纳米电子技术相结合而产 生了纳米光电子技术，是在纳米半导体的基础上发展起来的 , 是纳 米光电子器件的基础 , 且将成为纳米光通信技术发展的重要支 柱。纳米光电子学的发展模式 光：学f光电子学f纳米光学f纳 米电子学f纳米光电子学f纳米光电子技术f纳米光电工程f纳 米光电子产业。纳米光电子器件发展现状 纳米光电子器件的概述 随着纳米半导体材料的出现和纳米电子器件的蓬勃发展 , 纳米光 电子学应运而生。纳米技术的问世具有划时代的意义 ,光电子技术 与纳米技术相结合而产生的纳米光电子技术 , 为光电子技术的发 展开辟了一个全新的领域。纳米光电子有四大关键技术 : 纳米半 导体发光材料技术、超高精度纳米光电子加工技术、纳米光电子 器件制造技术和纳米微光电机械系统技术。纳米光电子学的发展模式：光电子学 -纳米电子学 -纳米光电 子学-纳米光电子技术 -纳米广电子工程 -纳米光电子产业五、纳米光电子技术的应用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20nm150nm,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。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。六、总结纳米电子技术和纳米光电子技术是 21 世纪的主要信息技术之 一，而纳米电子器件和纳米光电子器件的研制水平和应用程度更是进 入纳米电子和纳米光电子时代的重要标志。根据我国纳米技术发展的 现状，必须大力倡导纳米器件尤其是纳米电子器件和纳米光电子器件 的研究、开发和应用研究。因为纳米电子器件和纳米光电子器件的研 究是纳米技术和信息技术的支点，对经济和科学技术将起着至关重要 的作用。参考文献1 梁瑞丽路明，引导光电子产业J.东方企业文化.2009, V4： 422 王希军，陈丹中日美光电子技术产业的发展趋势与对策分析J. 工业技术经济.2006, V25(11)： 118-1213 :干福熹.光电子技术和产业的发展J.中国科学院院报.1996, V5： 366-3674 徐小田.“十五”期间中国光电子技术产业发展战略J.电子质量.142-1435 何文瑶光电子技术发展态势分析J.科技进步与对策.2008, V25(9)： 1946 刘华.英特尔实现硅光电子学重大技术突破J.中国数字医学.2008, 237 牛憨笨.图像信息获取中的光电子技术J.深圳大学学报(理工版).2001, V18(3): 75-868 程开富 纳米光电子器件的最新进展及发展趋势J光子技术，2003. 9( 1):4- 109 程开富，纳米光通信技术的核心J纳米光电子器件47-5410 朱长纯贺永宁 ， 纳米电子材料与器件 M ， 国防工业出版社 ， 2006. 5( 1) : 17511 陈维德李秀琼， 硅基发光材料和器件研究的进展 J ， 光电子技术与信息， 2000. 4( 2): 13- 1912 Tsybeskov L， Duttagupta S P et a.l Thin So lid F ilm s， 1997: 29713 H irschm an K D， Tsybeskov L et a.l Na ture， 1996: 38414 顾宁付德刚张海黔等 纳米技术与应用 M， 人民邮电出版社 ，2002.4(1):10715 朱长纯贺永宁 ， 纳米电子材料与器件 J ， 国防工业出版社 ，2006. 5( 1) : 19816 朱长纯贺永宁 ， 纳米电子材料与器件 M ， 国防工业