导电高分子材料的研究进展范文1

【关键词】光伏材料；有机聚合物；器件

在当今全球能源高度紧张的背景下，由于高科技的快速发展，对太阳能发电领域的科技开发已经成为一个标志性起点，对光伏效应的太阳能电池的充分利用是当今高科技发展背景下清洁能源利用的根本目的，同时也是现代较热门的研究对象，原因在于传统无机材料的太阳能电池生产工序较为复杂，生产成本较高，设备较为昂贵，材料的选择不够便利，并且能量转换效率不理想等一系列原因，导致其发展受到了阻碍。

目前，光伏电池的发展方向主要有：进一步使太阳能电池性能得到改善、降低太阳能电池的制造成本，同时还要重视减少因大规模大批量的生产给环境带来的不利影响。近几年，由于导电聚合物的研究与开发，大大提高了开发低成本的有机聚合物光伏电池的可能性，有机光伏电池的主要具备有机化合物种类多样化，有机分子的化学结构较容易修饰，化合物的提纯与制备的加工工序较简便等主要优点，同时还较容易制造柔性器件、特别形状的期间以及大面积器件等，然而当前有机光伏太阳能电池与传统的无机太阳能电池相比，其光能与电能之间的转化能力还处于劣势，所以，其研究的重点是在于如何提升有机光伏电池的光电转换率。有机光伏太阳能电池与传统的无机碳杨能电池的工作原理较为相近，二者都是以半导体界面的光能福特效应为基础进行发电工作。

在当前的太阳能电池中，传统的无机太阳能电池在理论及研究方面发展较为成熟，然而有机半导体光伏太阳能电池依然处在理论构思和研究过程当中。

一、有机光伏材料的介绍

有机光伏材料与无机材料的基本区别在于有机光伏材料中的光生激子之间具有强烈的束缚作用，一般都是紧密的束缚在一起，通常不会出现自动分离而形成单独的电荷；其电荷是通过跳跃的方式在规定区域内进行分子传输工作，并非带内传输，因而其迁移率较低；相对于太阳光光谱来说，对于光的波长吸收范围较为狭窄，但其吸收系数很高，100纳米的薄膜就可以收集到较强的光密度；有机材料一般在有水条件下与有氧条件下处于不稳定状态；对于其本身是一维半导体的情况来说，其本身的电能与光性都各自具有较高的各向区别，这种特性可以为器件的研究设计带来很大的利用价值。

分子链中能够通过部分离域的不同轨道来完成光能吸收和电荷传输等过程，同时分子链中还存在共轭体系是有机光伏材料器件的激活材料所必须具有的功能。有机光伏材料还可以按照相应的机械性能与加工性能分为可溶材料、不溶材料、为荣材料以及液晶材料。其中一般包括小分子、低聚物分子、高聚物分子、液晶分子等。能够吸收可见光线的低聚物或者单体物质，称之为发色团，在此基础上，根据其本身的可溶性分为染料和颜料，一般可溶性较强或具备一定溶解性的被称为染料，没有溶解性或具备较弱溶解性的称为颜料。在通常情况下，激活层材料所具备的溶解性能决定着有机光伏材料电池的制作工艺。在制作过程中，对于可溶性较强的染料以及可溶聚合物应采用溶液旋转涂抹的方法或刮涂成膜等方法，对于不溶或难溶的颜料分子主要采用真空积沉法成膜，晶体颜料分子则应使用物理蒸发成膜的方式来对其进行加工，本文重点概述有机光伏材料中的高分子材料与低分子材料。当今主要用于有机光伏器件研究的材料有噻吩（PTH）衍生物、聚对苯（PPP）衍生物、聚苯乙炔（PPV）衍生物、聚苯胺（PANI）等一系列高分子材料，这些聚合物基本具有较大的共轭系统，可以利用相应的掺杂或者化学分子修饰来使材料的导电性能得到调节。

由于液晶分子具备很高的电子荷载迁移率同时具有较长的激子扩散长度，因而在近几年的有机光伏材料太阳能电池研究中得到重视，液晶分子材料会在一定的温度范围内介于固态与液态之间，在这种状态之下，其分子更加便于重新排列或自行组合，同时还能够充分发挥自身的机械性能，所以晶体分子对光伏电池的研究与应用方面发挥了更加有利的作用。

二、有机光伏电池的基本工作原理

有机光伏电池的基本工作原理相近于无机太阳能电池原理，其基本原理如下：

1、有机光伏器件在经过一定的光照后，会将具有能量的光子吸收到半导体层内，从而激发电子从价带到导带之间的移动，同时在价带区域留出空隙，这种空隙通常被称为“空穴”，这样的空穴中带有正电荷。

2、传统半导体内的被激发电子和通过上述过程所形成的空穴之间会出现自由的反电极方向运动，同时在导电聚合物体中所受入的射光子激发而形成的电子与空穴之间会产生相互束缚作用，从而形成激子。

3、通常情况下，这些电子与空穴的形成都是有光子的激发作用来完成的，如若在电场之内或在电场的界面位置上，这些电子与空穴所形成的组合将会产生分离活动，形成单独的电子与空穴，这也就是人们所说的带电荷载流子，它们的互相迁移运动就形成了光能电流，如图1所示。

然而有机材料的机子奋力活动与移动现象并不是全都有效的，因此，为了时光能更加有效地向电能转变，务必要具备以下几个具体条件：首先，在有机光伏材料太阳能电池中的激活区域内的采光条件必须要好，光能吸收量一定要大；其次，在对光子进行吸收后所产生的自由何在电流子必须要有足够的数目，从而使内部电场的存在表现得更加清晰；最后，在其中所产生的荷载电流子要尽可能的降低自身损耗量来向外部电路进行电能输送工作，从而使光能与电能的转换率有所提高。

然而在效果上并没有达到预定要求，事实上的光能向电能转换过程中依然有大量损耗现象的存在，是有机光伏材料太阳能电池的实际使用效率变得很低。在光能向电能转换的过程中会受到不同因素的影响，从而大量损耗，在光吸收的过程中，光能的折射与反射作用会使光能有大量的损耗，从而影响了光电转换效率，在激子产生的过程当中，激子复合也会导致能量流失，另外在光转换过程中的激子扩散、电荷分离、电荷传输、电荷收集等各个环节中也存在不同的能量流失，直接导致了有机光伏材料太阳能电池使用率降低。

三、有机光伏材料的未来发展趋势与研究方向

通过人们近几年对有机光伏材料进行研究与开发，并对其技术不断深入创新后，在有机光伏材料太阳能电池的研究方面取得了相当丰硕的成果，并获得了开路高电压的发电方法，短路电流的发生几率以及填充因子影响率也比传统的无机太阳能电池低很多，较低光电流的形成原因是由于光能吸收率不够所造成的，除此之外，光电流较低的形成原因还由于电流在产生的过程中电阻对其本身的影响所造成的额外损耗，然而填充因子的形成是由于地点和在传输过程中出现的高复合影响所造成的。因此，应重点研究一下几个关键点：

1、提高光能吸收率，并相应的改善光能吸收环境。在此过程中一般采取具有红外光能吸收的聚合材料以及共轭结晶染料，同时还要改善设备的受光条件，要保证设备安置在阳光充足的地点，使其光能接受率有所提高。

2、充分利用高有序的液晶材料和具备较高流动性能的聚合材料，从而使光电流产生条件得到改善，从而有利于降低光电能的损耗量。

3、加强器件设备的优化性能与稳定性能，器件性能的提高无非是降低电能损耗量的有效途径之一。

4、加强对有机光伏材料性能的了解，同时了解相关器件的使用性能，只有掌握了有机光伏材料的性能才会使该材料能够更好地发挥其应有的作用。

与此同时，高效有机光伏材料器件还应该具备光诱导的电荷产生与分离或产生的电荷及时传输到电极等因素，并需要在同一种材料中同时完成这两个不同的过程，决定邮局光伏器件效率的基本因素在于怎样才能有效的完成这一过程。

多功能的有机光伏材料在未来发展中应通过分子设计朝着电光特性的可调节性、加工简单并能支撑较大面积的薄膜可控制度的方向发展，同时还要求有机光伏材料能够与其他材料进行良好的融合，并保证材料成本与技术成本较低。

在器件方面应采取以下措施来进行期间优化阶段：首先，要加强金属电极的优化，使其达到“欧姆接触”，从而能够更有效的收集光能，其次，在对D/A对匹配进行优化的同时还要加强对共轭聚合物带隙的调整，以便于更好的接收光能，最后，还要注重优化相分离复合材料的网络微结构，以便于其载流子的产生效率与传送效率的提高，与此同时还需要求点和载流子在复合体中的不同分组吸收与移动达到最大数值，经过上述对器件方面的优化措施，使有机光伏材料的光电转换率得到有效提升。

四、结束语

由于有机光伏材料在近几年内的研究与应用得到快速发展，并取得了良好的成果，经有关数据统计，目前有机光伏材料的光电转换率已经达到了新高，这一成果主要归功于该领域中广大的研究人员的不懈努力，相信通过不懈的努力会使有机光伏材料在未来的清洁能源发展中发挥更好的作用。

参考文献

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导电高分子材料的研究进展范文2

[论文摘要]目前，静电在生物工程中有着重要的应用。介绍高分子抗静电的方法，阐明高分子材料抗静电技术在我国的 发展 和策略。

静电广泛地存在于 自然 界和日常生活之中，如人们每时每刻呼吸的空气每厘米就含有100500个带电粒子；自然界的雷电；干燥季节里人身上化纤衣物由于摩擦起电而粘附在身体上，这一切都是比较常见的静电现象。实际上，静电在生物工程中有着重要的应用。

一、高分子抗静电的方法概述

高聚物表面聚集的电荷量取决于高聚物本身对电荷泄放的性质，其主要泄放方式为表面传导、本体传导以及向周围的空气中辐射，三者中以表面传导为主要途径。因为表面电导率一般大于体积电导率，所以高聚物表面的静电主要受组成它的高聚物表面电导所支配。因此，通过提高高聚物表面电导率或体积电导率使高聚物材料迅速放电可防止静电的积聚。抗静电剂是一类添加在树脂或涂布于高分子材料表面以防止或消除静电产生的化学添加剂，添加抗静电剂是提高高分子材料表面电导率的有效方法，而提高高聚物体积电导率可采用添加导电填料、添加抗静电剂或与其它导电分子共混技术等。

（一）添加导电填料

这类方法通常是将各种无机导电填料掺入高分子材料基体中，目前此方法中所使用的无机导电填料主要是碳系填料、金属类填料等。

（二）与结构型导电高分子材料共混

导电高分子材料中的高分子（或聚合物）是由许多小的重复出现的结构单元组成，当在材料两端加上一定的电压，材料中就有电流通过，即具有导体的性质，凡同时具备上述两项性质的材料称为导电高分子材料。与金属导体不同，它属于分子导电物质。根本上讲，此类导电高分子材料本身就可以作为抗静电材料，但由于这类高分子一般分子刚性大、不溶不熔、成型困难、易氧化和稳定性差，无法直接单独应用，一般作导电填料与其它高分子基体进行共混，制成抗静电复合型材料，这类抗静电高分子复合材料具有较好的相容性，效果更好更持久。

（三）添加抗静电剂法

1.有机小分子抗静电剂。有机小分子抗静电剂是一类具有表面活性剂特征结构的有机物质，其结构通式为ryx，其中r为亲油基团，x为亲水基团，y为连接基。分子中非极性部分的亲油基和极性部分的亲水基之间应具有适当的平衡与高分子材料要有一定的相容性，c12以上的烷基是典型的亲油基团，羟基、羧基、磺酸基和醚键是典型的亲水基团，此类有机小分子抗静电剂可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性离子型4大类：阳离子型抗静电剂；阴离子型抗静电剂；非离子型抗静电剂；两性型抗静电剂。

导电机理无论是外涂型还是内加型，高分子材料用抗静电剂的作用机理主要有以下4种：（1）抗静电剂的亲水基增加制品表面的吸湿性，吸收空气中的水分子，形成“海一岛”型水性的导电膜。（2）离子型抗静电剂增加制品表面的离子浓度，从而增加导电性。（3）介电常数大的抗静电剂可增加摩擦体间隙的介电性。（4）增加制品的表面平滑性，降低其表面的摩擦系数。概括起来一是降**品的表面电阻，增加导电性和加快静电电荷的漏泄；二是减少摩擦电荷的产生。

2.永久性抗静电剂。永久性抗静电剂是一类相对分子质量大的亲水性高聚物，它们与基体树脂有较好的相容性，因而效果稳定、持久、性能较好。它们在基体高分子中的分散程度和分散状态对基体树脂抗静电性能有显著影响。亲水性聚合物在特殊相溶剂存在下，经较低的剪切力拉伸作用后，在基体高分子表面呈微细的筋状，即层状分散结构，而中心部分呈球状分布，这种“蕊壳”结构中的亲水性聚合物的层状分散状态能有效地降低共混物表面电阻，并且具有永久性抗静电性能。

二、我国高分子材料抗静电技术的发展状况

我国许多科研机构和生产 企业 已陆续开发出一些品种，以非离子表面活性剂为主，目前常用的品种有，大连轻工研究院开发的硬化棉籽单甘醇、abps（烷基苯氧基丙烷磺酸钠）、dpe（烷基二苯醚磺酸钾）；上海助剂厂开发目前多家企业生产的抗静电剂sn（十八烷基羟乙基二甲胺硝酸盐），另外该厂生产的抗静电剂pm（硫酸二甲酯与乙醇胺的络合物）、抗静电剂p（磷酸酯与乙醇胺的缩合物）；北京化工研究院开发的asa一10（三组份或二组份硬脂酸单甘酯复合物）、asa一150（阳离子与非离子表面活性剂复合物），近年来又开发出ash系列、asp系列和ab系列产品，其中asa系列抗静电剂由多元醇脂肪酸酯、聚氧乙烯化合物等非离子表面活性剂；asb系列产品则为有机硼表面活性剂（主要是硼酸双多元醇脂与环氧乙烷加成物的脂肪酸酯）与其他非离子表面活性剂复合而成；ash和asp系列主要是阳离子与非离子表面活性复合而成，杭州化工研究所开发的hz一1（羟乙基脂肪胺与一些配合剂复合物）、ch（烷基醇酰胺）；天津合成材料 工业 研究所开发的ic一消静电剂（咪唑一氯化钙络合物）；上海合成洗涤剂三厂开发生产的sh系列塑料抗静电剂，已经形成系列产品，在使用效果和性能上处于国内领先地位，部分品种可以替代进口，如sh一102（季铵盐型两性表面活性剂）、sh一103、104、105等（均为季铵盐型阳离子表面活性剂），sh抗静电剂属于结构较新的带多羟基阳离子表面活性剂；济南化工研究所jh一非离子型抗静电剂。（聚氧乙烯烷基胺复合物）等；

河南大学开发的kf系列等，如kf一100（非离子多羟基长碳链型抗静电剂）、kf-101（醚结构、多羟基阳离子永久型抗静电剂），另外还有聚氧乙烯醚类抗静电剂，聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯专用抗静电剂202、203、204等；抗静电剂tm系列产品也是目前国内常用的，主要用于合成纤维领域。

从抗静电剂 发展 来看，高分子型的永久抗静电剂是最为看好的产品，尤其是在精密的 电子 电气领域，目前国内多家科研机构利用聚合物合金化技术开发出高分子量永久型抗静电剂方面已取得明显进展。

三、结语

我国合成材料抗静电剂行业发展前景较好，针对目前国内研究、生产、应用与需求现状，对我国合成材料抗静电剂 工业 发展提出以下建议。

（一）加大新品种开发力度

近年来国外开发的高性能伯醇多聚氧化乙醚类非离子型表面活性剂；用于聚碳酸酯的脂肪酸单缩水甘油酯；用于磁带工业的添加了聚氯化乙烯醚醇的磷酸衍生物；适应于聚烯烃、聚氯乙烯、聚氨酯等多种合成材料的多元醇脂肪酸酯和三聚氰胺加成物等，总之国内科研院所应根据我国合成材料制品要求，开发出多种高性能、环保无毒的抗静电品种，并不断强化应用技术研究，以满足国内需求。

（二）加快复合抗静电剂和母粒的研究与生产

今后要加快多种结构抗静电剂及其他塑料助剂的复配，向适应范围广、效率高、系列化、多功能、复合型等方向发展。另外合成材料多功能母粒作为助剂已经成为今后合成树脂加工改性的重要原材料，如着色、阻燃、抗菌、成核等母粒在国内开发方兴未艾，国内要加快抗静电母粒的开发与研究，促进我国抗静电剂工业发展。

参考 文献 ：

[1]高绪珊、童俨，导电纤维及抗静电纤维[m]．北京：纺织工业出版社，1991．148154．

导电高分子材料的研究进展范文3

关键词 热电材料，温差发电，温差发电机，Seebeck系数，掺杂

1引 言

在以原油价格暴涨为标志的“能源危机”之后,世界上又相继出现以臭氧层破坏和温室气体效应为首的“地球危机”和“全球变暖危机”。各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式, 以达到合理有效利用工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的[1～3]。于是,从上个世纪九十年代以来，能源转换材料（热电材料）的研究成为材料科学的一个研究热点。

热电材料又叫温差电材料，具有交叉耦合的热电输送性质；是一类具有热效应和电效应相互转换作用的新型功能材料，利用热电材料这种性质，可将热能与电能进行直接相互转化[4～6]。用不同组成的N型和P型半导体，通过电气连接可组成温差发电器件和半导体制冷装置。与传统发电机和制冷设备相比，半导体温差发电器和制冷器具有结构简单、不需要使用传动部件、工作时无噪音、无排弃物，和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环境友好材料[7～10]。

2热电材料的理论基础

19世纪德国科学家Thomas Seebeck观察到，当两种不同的金属构成一闭合回路，若在两接合点存在有温度差时，则回路中将产生电流，此种效应被命名为Seebeck Effect，这也成为了温差发电技术的基础。

2.1 热电材料的三个效应

热电材料的研究是一个古老的话题，早在1822～1823年，塞贝克(Seebeck)就曾在《普鲁士科学院报》中描述了一个当时他这样断定的现象：在彼此接合的不同导体中，由于温度差的影响，就会出现自由磁子。Seebeck发现的温差电流，是在不同导体组成的闭合电路中当接触处具有不同的温度时产生的,在两种不同金属的连线上，若将连线的一结点置于高温状态T2（热端），而另一端处于开路且处于低温状态T1（冷端），则在冷端存在开路电压ΔV，此种现象被称为塞贝克(Seebeck)效应，Seebeck电压ΔV与热冷两端的温度差ΔT成正比，即：

ΔV=kΔT=k(T2-T1)

其中k是塞贝克系数，由材料本身的电子能带结构决定。

塞贝克效应发现后的十二年，即1834年左右，钟表匠珀耳帖(Peltier)在法国《物理学和化学年鉴》上发表了他在两种不同导体的边界附近(当有电流流过时)所观察到的温差反常的论文。这两个现象表明了热可以致电，而反过来电也能转变成热或者用来制冷，这两个现象分别被被命名为Seebeck效应和Peltier效应[11]。其中帕耳贴(Peltier)效应描述为:电流通过不同金属接触处时出现的升温或降温现象,通常被认为是塞贝克(Seebeck)效应的逆效应。

继Peltier效应之后，热力学创始人之一汤姆逊(Thomson)于1854年以各种能量的热力学分析为出发点，对温差电现象和珀耳帖现象进行了热力学分析，不仅确定了上述过程间的关系，建立了热电现象的理论基础。还发现了汤姆逊(Thomson)效应,其描述为:电流通过金属上的温度梯度场时出现的吸热和放热现象[12]。就其主要方面来说,也是一种电流的热效应。

2.2 衡量热电性能的优越指标

1911年，德国的阿持克希提出了一个令人满意的温差热电制冷和发电的理论，并提出了热电优值公式[2]：

Z＝S2σ/k

式中：

S――材料的塞贝克系数

σ――电导率

k――热导率

而这三个参数不是相互独立的，它们都取决于材料的电子结构以及载流子的输运和散射情况[13～14]。由于每种热电材料都有各自适宜的工作温度范围，因此人们常用Z与温度T之积ZT这一无量纲值来描述材料的热电性能。

温差热电现象发现之后，并未引起人们的兴趣，直到本世纪30年代，随着固体物理学的发展，尤其是半导体物理的发展，发现半导体材料的Seebeck系数可高于100μv／K，这才引起人们对温差电现象的再度重视。1949年，前苏联约飞[11]（Ioffe）院士提出了半导体温差电的理论，同时在实际应用方面做了很多工作，到50年代末期，约飞及其同事从理论和实验上通过利用半导体固溶体，使k/σ减小，并发现了温差电性能优值较高的制冷和发电材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶体，迄今为止，这些仍然是最重要的温差电材料。

3热电材料国内外的研究现状及发展情况

上世纪50～60年代，人们在热能和电能相互转化，特别是在电制冷方面的迫切要求，使得热电材料得到迅速发展。70年代以来，由于氟里昂制冷技术的发展，使得热电制冷和热电材料的研究受到冷落，并几乎陷入了停顿状态。90年代以来，由于氟里昂对环境的破坏作用已被人们普遍认识，制造无污染、无噪声的制冷剂成了制冷技术追求的目标。同时，随着计算机技术、航天技术和超导技术及微电子技术的发展，迫切需要小型、静态制冷且能固定安装的长寿命的制冷装置，因此，适用于制造这种装置的热电材料又重新引起人们的浓厚兴趣。热电材料研究重新成为国际材料研究领域的最热点的课题之一，并且取得了重要进展，美国、日本及欧洲等国家都投入大量的资金和人力开展基础与应用研究。

尤其是近几年，国际上关于热电材料的研究更是非常火热。美国倾向于军事、航天和高科技领域的应用，日本在废热利用方面居于世界领先地位，欧盟则着重于在小功率电源、传感器和运用纳米技术方面进行产品开发。

3.1 传统热电材料的研究现状

从上个世纪开始，科学工作者就开始着力于传统热电材料的研究，传统热电材料根据其工作温度可以分为三个系列：（1）低温型热电材料：碲化铋及其合金，一般在300℃以下使用；（2）中温型热电材料：碲化铅及其合金，一般在500～700℃使用；（3）高温型热电材料：锗硅合金，使用温度高达1000℃以上[15～16]。

（1） Bi-Te系列

Bi2Te3基热电材料是室温下性能最好的热电材料，它化学稳定性较好，是目前ZT值最高的半导体热电体材料，也是研究最早最成熟的热电材料之一[14]。Bi2Te3基热电材料具有较大的Seebeck系数和较低的热导率，在室温下Bi2Te3基合金的ZT值可达到1左右[17]。P型Bi2Te3基热电材料Seebeck系数最高可达260μV/K, N型Bi2Te3基热电材料Seebeck系数最低可达-270μV/K。一般而言，Sb、Pb、Ca、Sn等杂质对Bi2Te3进行掺杂可形成P型材料，而过剩的Te或掺入I、Br、Al、Se、Li等元素以及卤化物AgI、CuI、CuBr、BiI3、SbI3则使材料成为N型[15]。

Bi2Te3是一种天然的层状结构材料,为三角晶系,其空间群为R-3M(NO:166),晶胞参数为：a=0.1395nm,b= 3.0440nm,其结构如图1所示，Bi2Te3化合物为六面层状结构,单位晶胞内原子数为15,在单胞c轴方向,Bi和Te的原子层按-Te1-Bi-Te2-Bi-Te1-方式交替循环排列，在-Te1-Bi-Te2-Bi-Te1-原子层内部的成键方式为共价键[18～20]；层间一般认为Te1-Bi以共价键为主的共价键和离子键的混合键，Bi-Te2之间为共价键，而Te1-Te2之间则以范德华力结合[21～22]。

（2） Pb-Te系列

PbTe的化学键属于金属键类型，具有NaCl型晶体结构，属面心立方点阵，其熔点较高(1095K)，禁带宽度较大(约0.3eV)，是化学稳定性较好的大分子量化合物。通常被用作300～900K范围内的温差发电材料，其Seebeck系数的最大值处于600～800K范围内。PbTe材料的热电优值的极大值随掺杂浓度的增高向高温区偏移。PbTe的固溶体合金，如PbTe和PbSe形成的固溶体合金使热电性能有很大的提高，这可能是由于合金中的晶格存在短程无序，增加了短波声子的散射，使晶格热导率明显下降，故使其低温区的优值增加。但在高温区，其ZT值没有得到很好的提高，这是由于形成PbTe-PbSe合金后，材料的禁带明显变窄，导致少数载流子的影响增加，结果没能引起高温区ZT值的提高[15]。在热电器件发展中，如何将材料特性提升是很重要的问题。传统热电材料的特性ZT 值等于1 左右的限制一直无法突破，而使得器件的应用受到限制。

目前该热电材料的研究可分为模块薄膜以及非均匀块材两大类。图2为两种代表性的材料，一种是与纳米结构相关的超晶格superlattice材料的开发，目前PbTe这方面研究较多，此种材料以分子束MBE（Molecular Beam Epitaxy）方式制造，另一种则称为Clathrate，是利用自然的方式，使20或24个立方体原子自组成一团多分子的块材材料。

（3） Si-Ge系列

SiGe 合金是目前较为成熟的一种高温热电材料,适用于700K以上的高温。在1000 K时Z T 值接近1,SiGe合金单晶的ZT值也可以达到0.65,是很有潜力的热电材料。SiGe是由Si和Ge两种单质复合而成。材料单质Si和单质Ge的功率因子α2σ都比较大,但是其热导率也比较高,因此都不是好的热电材料。当Si、Ge形成合金后热导率会有很大的下降,而且这种下降明显大于载流子迁移率变化带来的影响,从而使得热电优值Z =α2σ/k有较大的提高，可以作为实用的热电材料。在选择SiGe合金中Si和Ge的比例时，考虑到提高Si含量可以得到下面三个方面的有利影响:(1)降低了材料的热导率,且合金具有较大的Seebeck 系数；(2)增加了掺杂原子的固溶度，进而获得高的载流子浓度；(3)提高了SiGe合金的禁带宽度和熔点，使其更适合高温下的工作。同时比重小，抗氧化性好，适应于空间应用。当SiGe合金的Seebeck系数α值在Si0.15Ge0.85时达到极大值（如图3），其原因是在该组分处合金系统中的状态密度和有效质量达到极大值。就热导率而言，在合金组分为60%Si和40%Ge附近达到最小值，且极小值随掺杂原子种类和载流子浓度而变化[23]。

1977 年旅行者号太空探测器首次采用SiGe 合金作为温差发电材料,此后在美国NASA 的空间计划中,SiGe差不多完全取代PbTe材料。

3.2 新型热电材料的研究进展

随着当今科学的飞速进步和新材料合成技术的发展、各种测试手段的不断提高以及计算机在材料研究中的广泛应用，使得目前热电材料的研究日新月异，除了对传统热电材料进行进一步研究改善外，大量的新型热电材料层出不穷。

（1） 金属氧化物热电材料

由于传统的热电材料制备困难，成本高；性能上存在着易氧化、强度低等缺点。科学家一直在寻求可以避开传统热电材料的这些缺点，而且制备方便的新型热电材料。

日本的Terasaki等人于1997年首次发现NaCo2O4单晶在室温下不仅具有较高的热电动势率100μv/k，而且还具有低的电阻率200mΩ／cm和低的热导率[24]，引起了科学界的重视。人们开始对3d过渡金属氧化物的热电性能进行研究，以钴基为代表的氧化物热电材料大多数无毒、无污染、制备简单、不需要真空保护就可以在空气中制备，适用于中高温区工作，可以在氧化气氛高温下长时间工作，这些优点使它们很快成为热电材料中的研究热点，掀起了过渡金属氧化物热电材料的研究热潮。

目前，钴酸盐类氧化物中的NaCo2O4、Ca3Co4O9、Ca3CO2O6处于氧化物热电材料的研究前沿。Terasaki教授发现NaCo2O4具有反常的热电性能，其传导特性如高的热电系数，与温度相关的赫尔系数，负磁致电阻以及反常的Na位置置换效应都不能用传统的单电子理论描述。NaCo2O4复合氧化物由Na0.5层和CoO2层交替排列成层状结构(见图4-a)[25]：其中CoO2主要起导电作用，而具有一半原子空位的Na0.5层呈无序排列，对声子起到很好的散射作用。实际上这也是一种新的声子玻璃－电子晶体。由能带理论计算可知，材料中的载流子浓度在1019cm-3左右时对应的热电性能**，而NaCo2O4中载流子浓度在1021～1022cm-3量级，高于常规热电材料浓度两到三个数量级，同时它又有很高的Seebeck系数。但是NaCo2O4氧化物在空气中容易潮解，而且温度高于800℃时Na离子还容易挥发，因此它的使用受到了一定限制。

Masset等人的研究结果表明[26]，Ca3Co4O9的结构与NaCo2O4相似，也是一种层状结构。它是由具有岩盐结构的Ca2CoO2.34和CoO2交替排列而成(见图4-b)。其中CoO2和Ca2CoO2.34在a轴和c轴方向有相同的晶格常数，而在b轴方向两种亚结构均存在点阵错配。

Royoji Funmhashi等人[27]认为Ca2Co2O5与Ca3Co4O9 结构一致，而且Ca2Co2O5在T>873K时，达到1.2～2.7 的优值。尽管其计算方法值得推敲，但是，这个结果仍然值得重视。类似的报道还有Siwen Li等人关于Ca9Co12O28的研究，这种材料的陶瓷试样的Seebeck系数为84uV/K，而且其ZT值已经接近当前商用的热电材料。

此外,Terasaki等还发现Bi2Sr2Co2Oy(见图4-c)等其它氧化物材料具有好的热电性能。

（2） Skutterudite热电材料

Skutterudite具有类似于CoAs3矿物的晶体结构,中文名为方钴矿材料,由于首先在挪威的Skutterudite发现而得名[28]，这是一类通式为AB3的化合物,其中A是金属元素,如Ir,Co,Rh,Fe等；而B是V族元素,如P,As,Sb等，Skutterudite化合物是立方晶系晶体结构,具有比较复杂的结构,如图5所示。一个单位晶胞包含了8个AB3分子,共32个原子,每个晶胞内还有两个较大的空隙。它实际是为了克服早期金属合金材料的缺点而进行的进一步的研究, 最初的研究集中在等结的IrSb3、RhSb3和CoSb3等二元合金,其中CoSb3的热电性能相比较而言最好，尽管二元合金有良好的电性能,但其热电数据受到热导率的限制。为了降低二元合金的热导率,人们提出了几点建议：第一,在同等结构的化合物中形成固溶体,通过增加点阵缺陷来降低二元合金的热导率；第二,将稀土元素镧、铈等加入到Skutterudite材料中形成所谓的填充式Skutterudite材料来降低晶格热导率，这种填充式Skutterudite材料的晶体结构的单位晶胞中有34个原子,其通式为RM4X12。此处X为磷、砷或锑；M是铁、钌、锇；而R为镧、铈、镨、e等稀土元素，稀土元素R起到降低热导的作用。尽管室温下的填充式Skutterudite材料的热导率已经较低,但与理论计算相比仍高3～4倍,因而有待更进一步的研究以获得**的性能优值[29～31]。

（3） 金属硅化物型热电材料

金属硅化物是指元素周期表中过渡元素与硅形成的化合物,如FeSi2,MnSi2,CrSi2等。由于这类材料的熔点很高,因此很适合于温差发电应用。目前金属硅化物研究较多的是具有半导体特征的β-FeSi3,它是一种非常有前途的热电材料。其原料丰富，在高温下（500～900℃）具有良好的热电性能，抗氧化性好，而且通过不同元素的掺杂可以制得P型或N型半导体。但由于传统的FeSi3无量纲优值ZT较低,人们也在寻求新的硅化物取代它,其中一种较有前景的是高硅化物HMS,这实际上是一种由四个相,即Mn11Si19、Mn15Si24、MN26Si45和MN27Si47组成的非均匀硅化锰材料[29]。高硅化物的温差热电优值具有各向异性的特征,目前实验得到的无量纲优值已与SiGe合金相当,具有广泛的应用前景。

近年来纳米技术在提高热电转化效率方面显示了光明的前景，广大热电材料工作者经过不断努力，在这个领域取得了引人注目的科学成果。研究成果除以上几种新型热电材料外，还有：电子晶体-声子玻璃（PGEC）热电材料、纳米超晶格热电材料、纳米线和纳米管热电材料、功能梯度热电材料等一系列新型热电材料。

4热电材料的主要研究方法与手段

热电材料制备工艺在很大程度上影响着其热电性能。因此，研究人员在改变配方的同时，也努力寻求更优的工艺条件来制备性能优越的热电材料。目前制备半导体热电材料的方法日趋成熟，主要包括：熔体生长法、粉末冶金法、气相生长法（包括物理气相沉积、化学气相沉积、分子束外延法等）、化学法、电化学法、水热合成法、机械合金化法（MA法）、热压法、放电等离子烧结法等。前两种方法适合制备体积较大的块晶体材料，气相生长法只适合制备薄膜材料，而化学法和电化学法不仅可以制备薄膜材料，而且可以制造纳米材料[14，23，32，33]。电化学法相对其他几种方法操作简单、成本降低，而且可以在微米级甚至纳米级的微区内生长温差电材料，因此被认为是一种很有前途的温差电薄膜材料以及纳米材料的制备技术。后面的几种，如水热合成、机械合金法等都是近几年发展的新型热电材料的研究方法，制备出来的热电材料具有较好的热电性能，是具有较好前景的热电材料研究方法。

5提高材料热电性能的主要途径

无论用于发电还是制冷，热电材料的Z值越高越好。从前面的公式可知，材料要得到高的Z值,应具有高的Seebeck系数、高的电导率和低的热导率，所以好的热电材料必须要像晶体那样导电，同时又像玻璃那样导热；但在常规材料中是有困难的,因为三者耦合,都是自由电子(包括空穴)密度的函数，材料的Seebeck系数随载流子数量的增大而减小,电导率和导热系数则随载流子数量的增大而增大。热导率包括晶格热导率(声子热导)k1和载流子热导率（电子热导）k2两部分,晶格热导率k1占总热导率的90%[34]；所以为增大Z值,在复杂的体系内,最关键的是降低晶格热导率,这是目前提高材料热电效率的主要途径。目前提高热电材料热电性能的主要方法有以下几种：

（1） 通过低维化改善热电材料的输运性能，如将该材料做成量子阱超晶格、在微孔中平行生长量子线、量子点等。低维化的材料之所以具有不同寻常的热电性能，主要是量子阱和量子线的作用，低维化可通过量子尺寸效应和量子阱超晶格多层界面声子散射的增加来降低热导率。当形成超晶格量子阱时，能把载流子（电子和空穴）限制在二维平面中运动，从而产生不同于常规半导体的输运特性[35]，低维化也有助于增加费米能级Ef附近的状态函数，从而使载流子的有效质量增加(重费米子），故低维化材料的热电势率相对于体材料有很大的提高。

（2） 通过掺杂修饰材料的能带结构,使材料的带隙和费米能级附近的状态密度增大。掺杂调制技术在势垒中掺杂施主，电子则由势垒层的导带进入阱层的导带，而电离施主留在势垒层中，这样在阱层运动的电子就不会受到电离施主的散射影响，从而提高了载流子的迁移率，同时势阱的宽度变小，也提高了载流子的迁移率，从而提高了材料的热电优值；当向基热电材料中掺入半金属物质如：Sb、Se、Pb等，特别是引入稀土原子，因为稀土元素有特有的f层电子能带，具较大的有效质量，有助于提高材料的热电功率因子；同时f层电子与其它元素的d电子之间的杂化效应也可以形成一种中间价态的复杂能带结构，从而可以获得高优值的热电材料[14，36]。

（3） 通过梯度化扩大热电材料的使用温区,提高热电输出功率。不同的热电材料只有在各自工作的**温度范围内才能发挥出最优的热电性能，当温度稍微偏出后，ZT值急剧下降，极大地限制了热电材料的发展和应用，梯度化是把两种或两种以上的单一材料结合在一起，使每种材料都工作在各自**的工作温度区间，这样不仅扩大了材料的应用温度范围，又获得了各段材料的**ZT值，使材料的热电性能得到大幅度的提高[37～38]。

6热电材料的应用

热电材料在研究上的飞速发展带动了其在工业上的应用，于是许多国家开始致力于热电器件的研究，热电器件方面研究较多的是热电发电机（TEG）和温差制冷机。其工作原理见图6。另外一些研究成果已逐渐进入商业化阶段，如图7所示。

前苏联的Ioffe 等人早在1956年就开始研究利用农村普遍使用的燃油灯的热量来转化成电能,以驱动无线电收音机。而在北欧地理位置相对偏远的地区,人们研制出一种能够放置在木柴炉上的小型热电发电机。它利用木柴炉燃烧释放的热量产生电能,以替代汽油发电机,为当地居民提供夜间照明用电。

在深层宇宙探测中,TEG技术被用于替代太阳能电池为探测器提供电能。美国军方和航空航天局(NASA)较早地将半导体热电堆发电技术应用于阿波罗、先锋者、开拓者、旅行者等空间任务中。比较典型的是伽利略号探测器上就装载了2台285W的碲化铅(PbTe)热电发电机(RTG)。热电发电机冷热端的工作温差为700K,效率约为7%。

早在20世纪80年代初，美国就完成了500～1000W军用温差发电机的研制，并于80年代末正式列入部队装备，放在深海中为美国导弹定位系统网络的组成部分――无线电信号转发系统供电。1999年，美国能源部又启动了“能源收获科学与技术项目”，研究利用温差发电模块，将士兵的体热收集起来用于电池充电。加拿大的Global热电公司从1977年开始,将空间RTG技术转为商业化的TEG技术。目前，Global已经成为世界上最大的热电发电机供应商为世界各地45个国家的偏远地区提供了高质量、高可靠性、低价格的基于TEG技术的电力解决方案。泰国的海上石油平台采用了Global生产的200W TEG，为其无人看守的监测控制及数据采集仪(SCADA)提供连续的电能供电。巴西在Amazon热带雨林地区分散安装了大量的120W TEG，用于输油管道中,为金属管线提供阴极保护,以防止氧化腐蚀。

日本国家功能材料研究中心(SMRC)以 Masanobu Marlo博士为首的科研人员正在研究利用汽车尾气作为热源的TEG技术。这种TEG的热端是由具有较强净化能力的特殊功能材料制造而成,一方面能够实现热电转化,为汽车提供部分电力供应；另一方面,能够通过热端材料吸附分解尾气中的NOx等有害气体,同时释放出 N2和02等气体,达到降低污染气体排放的目的。

英国威尔士大学和日本大阪大学于1991年联合研究了大规模利用钢铁厂和垃圾焚烧厂的废弃余热产生兆瓦级输出电功率的项目。该课题以373K的钢铁厂循环水为热源,冷源采用温度约为300K的冷却水,整个循环的温差约为7OK，效率在（8～10）%左右。

德国Dresden科技大学以Wemirl Qu为首的研究工作者发明了一种利用铜箔作为介质的微型热电发电机,能够循环使用将周围环境的热量转化为出能。国外研究者还发明了一种靠人体温度驱动的新款手表以及靠体温驱动的传感器，热电手表整个装置体积非常小巧,不需要安装化学电池,深受消费者青睐。

我国在热电方面的研究就整体水平而言，相对发达国家还存在一定的差距，尤其是应用方面, 目前我国比较缺乏相关配套技术以及市场的支持。因此,在国内进一步深入开展半导体热电堆发电技术的研究,具有十分重要的意义。

6展 望

导电高分子材料的研究进展范文4

微电子技术是随着超大规模集成电路而发展起来的一门新兴技术，包括了半导体集成电路设计、芯片制造、材料的制备及测试、封装等方面，是现代大学微电子学专业需要掌握的综合工艺技术。《现代半导体材料的制备与表征技术》是我校微电子专业研究生的专业课程之一，针对新型半导体器件方向的学生开设，用于介绍半导体的制备和测试表征技术，对提高物联网学院微电子专业研究生的创新和实践能力具有重要意义。针对电子技术日新月异的发展，本文结合微电子专业研究生学习此门课程的问题以及现有教学经验，探讨关于该课的教学改革，从而培养学生的创新能力和综合素质。

1课程特点及教学过程中存在的问题

《现代半导体材料的制备与表征技术》是江南大学微电子专业的一门专业基础课，涉及材料、化学、物理、光学和微电子学等多种学科，具有综合性、科学性和应用性等特点。课程内容主要通过仪器分析现代半导体材料的微观结构。通过本课程的学习，学生应掌握各种材料的制备方法，学会测试仪器的基本原理、制样方式和仪器主要的应用领域，知晓相关制备和测试技术，从而懂得如何在研究生课题中加以应用。学生学习结束后能够从本课程中选择合适和正确的制备方法及测试表征手段进行研究，为新型半導体器件的构筑课题积累基本的理论知识，成为未来社会所需要的人才。

教学过程中存在的问题有以下四个方面：（1）微电子专业研究生教育背景差异导致对课程的接受能力参差不齐。（2）教材涉及的制备和分析方法种类多，内容跨度较大，多学科交叉综合性内容较抽象，学生难以理解，致使教学效果不佳；（3）授课选用的经典教材存在和部分本科生专业课程内容相同，教授过程中过于偏重仪器的工作原理和构成部件的功能，而且内容更新速度较慢，已经远远落后于技术发展现状；（4）课程缺少实践教学，教材中的大型仪器价值昂贵，仪器测试和维护费用高，限制了动手操作仪器掌握其重要功能的途径，学生的实践能力得不到提高，学习的积极主动性较差，师生的课堂互动气氛不活跃。

2教学改革与实践

2.1结合微电子专业特点，调整教材内容

对于教学内容，除了基础性和完整性外，还需兼顾先进性和新颖性，但现有教材的更新较慢而且制备和测试方法落后。因此，针对微电子专业特点，应自编教材使教学内容具有学科前沿性，比如现有教材中涉及热分析、光谱分析、X射线衍射分析等，对于微电子专业学生热分析和红外分析技术使用频率不高，而常用XRD、紫外分析、拉曼和电镜分析等测试方法，所以教授内容上专注以上常用设备的操作及分析方法有利于研究生开展课题研究。

2.2教授方式多样化

《现代半导体材料的制备和表征技术》是多学科交叉并与时俱进的一门课程，为了取得良好的教学效果，在授课方式上应多样化，吸引学生的注意力，提高学生的主动性。首先，采用多媒体技术、动画资料等新方式和重要内容板书显示相结合的方法解决此课程教学内容多而课时较少的问题。其次，运用翻转课堂、讨论式和启发式等多种教授方法。教师选择当前热门的前沿课题和教学重点为讨论内容，如二维过渡金属材料的制备与表征、氧化锌复合材料的制备及光探测器器件的组装、氮化镓高功率器件的有效性分析等。

2.3教学与科研结合，培养学生创新能力

教学和科研结合，对于研究生日常进行的科研项目，如半导体材料的制备、表征测试、数据分析、器件组装、集成应用和仿真模拟等，都可以将实验过程中出现的问题、大型仪器的操作和维护、如何获取清晰的图片影像以及图谱中峰形位置的变化对结构的影响等等，带入到教学中，为学生答疑解惑从而验证课堂所讲基本理论，达到教学辅助科研，科研促进教学的目的，进而提高学生主动性和积极性，同时有利于课程的高效开展。

2.4鼓励研究生参与大型仪器管理

《现代半导体材料的制备和表征技术》课程中讲到的大型仪器，价格昂贵，维护成本较高。为保证大型仪器的正常运转，均有责任教师管理。为了提高微电子专业研究生的实际操作和科研创新能力，同时提高仪器利用率，鼓励研究生参与仪器管理工作，对巩固课程所讲内容具有非常重要的应用价值，也助于提高学生的科研能力。

导电高分子材料的研究进展范文5

一、21世纪物理学的几个活跃领域

蒸蒸日上的凝聚态物理学

自从80年代中期发现了所谓高临界温度超导体以来，世界上对这种应用潜力很大的新材料的研究热情和乐观情绪此起彼伏，时断时续。这种新材料能在液氮温区下传导电流而没有阻抗。高临界温度超导材料的研究仍是今后凝聚态物理学中活跃的领域之一。目前，许多国家的科学工作者仍在争分夺秒，继续进行竞争，向更高温区，甚至室温温区超导材料的研究和应用努力。可以预计，这个势头今后也不会减弱，此外，高临界温度的超导材料的机械性能、韧性强度和加工成材工艺也需进一步提高和解决。科学家们预测，21世纪初，这些技术问题可以得到解决并将有广泛的应用前景，有可能会引起一场新的工业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导计算机等将会面向市场，届时，世界超导材料市场可望达到2000亿美元。

由不同材料的薄膜交替组成的超晶格材料可望成为新一代的微电子、光电子材料。超晶格材料诞生于20世纪70年代末，在短短不到30年的时间内，已逐步揭示出其微观机制和物理图像。目前已利用半导体超晶格材料研制成许多新器件，它可以在原子尺度上对半导体的组分掺杂进行人工“设计”，从而可以研究一般半导体中根本不存在的物理现象，并将固态电子器件的应用推向一个新阶段。但目前对于其他类型的超晶格材料的制备尚需做进一步的努力。一些科学家预测，下一代的电子器件可能会被微结构器件替代，从而可能会带来一场电子工业的革命。微结构物理的研究还有许多新的物理现象有待于揭示。21世纪可能会硕果累累，它的前景不可低估。

近年来，两种与磁阻有关的引起人们强烈兴趣的现象就是所谓的巨磁阻和超巨磁阻现象。一般磁阻是物质的电阻率在磁场中会发生轻微的变化，而巨磁和超巨磁可以是几倍或数千倍的变化。超巨磁现象中令人吃惊的是，在很强的磁场中某些绝缘体会突变为导体，这种原因尚不清楚，就像高临界温度超导材料超导性的原因难以捉摸一样。目前，巨磁和超巨磁实现应用的主要障碍是强磁场和低温的要求，预计下世纪初在这方面会有很大的进展，并会有诱人的应用前景。

可以预计，新材料的发展是21世纪凝聚态物理学研究重要的发展方向之一。新材料的发展趋势是：复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微观化。如，成分密度和功能不均匀的梯度材料；可随空间时间条件而变化的智能材料；变形速度快的压电材料以及精细陶瓷材料等都将成为下世纪重要的新材料。材料专家预计，21世纪新材料品种可能突破100万种。

等离子体物理与核聚变

海水中含有大量的氢和它的同位素氘和氚。氘既重氢，氧化氘就是重水，每一吨海水中含有140克重水。如果我们将地球海水中所有的氘核能都释放出来，那么它所产生的能量足以提供人类使用数百亿年。但氘和氚的原子核在高温下才能聚合起来释放能量，这个过程称为热核反应，也叫核聚变。

核聚变反应的温度大约需要几亿度，在这样高的温度上，氘氚混合燃料形成高温等离子体态，所以等离子体物理是核聚变反应的理论基矗1986年美国普林斯顿的核聚变研究取得了令人鼓舞的成绩，他们在TFTR实验装置上进行的超起动放电达到20千电子伏，远远超过了“点火”要求。1991年11月在英国卡拉姆的JET实验装置上首次成功地进行了氘氚等离子体聚变试验。在圆形圈内，2亿度的温度下，氘氚气体相遇爆炸成功，产生了200千瓦的能量，虽然只维持了1.3秒，但这为人类探索新能源——核聚变能的实现迈进了一大步。这是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚变反应距实际应用还有相当大的距离，技术上尚有许多难题需要解决，如怎样将等离子加热到如此高的温度？高温等离子体不能与盛装它的容器壁相接触，否则等离子体要降温，容器也会被烧环，这就是如何约束问题。21世纪初有可能在该领域的研究工作中有所突破。

纳米技术向我们走来

所谓纳米技术就是在10[-9]米（即十亿分之一米）水平上，研究应用原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量级上对物质进行加工，制造出各种东西，使人类开始进入一个可以在纳米尺度范围，人为设计、加工和制造新材料、新器件的时代。粗略的分，纳米技术可分为纳米物理、纳米化学、纳米生物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工等几方面。

纳米材料具有常规材料所不具备的反常特性，如它的硬度、强度，韧性和导电性等都非常高，被誉为“21世纪最有前途的材料”。美国一研究机构认为：任何经营材料的企业，如果现在还不采取措施研究纳米材料的开发，今后势必会处于竞争的劣势。

纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为主要内容的一门新技术。例如，目前超高密度信息存储的最高存储密度为10[12]毕特／平方厘米，其信息储存量为常规光盘的10[6]倍。

纳米机械和加工，也称为分子机器，它可以不用部件制造几乎无任何缝隙的物体，它每秒能完成几十亿次操作，可以做人类想做的任何事情，可以制造出人类想得到的任何产品。目前采用分子机器加工已研制出世界上最小的（米粒大小）蒸汽机、微型汽车、微型发电机、微型马达、微型机器人和微型手术刀。微型机器人可进入血管清理血管壁上的沉积脂肪，杀死癌细胞，修复损坏的组织和基因。微型手术刀只有一根头发丝的百分之一大小，可以不用开胸破腹就能完成手术。21世纪的生物分子机器将会出现可放在人脑中的纳米计算机，实现人机对话，并且有自身复制的能力。人类还有可能制造出新的智能生命和实现物种再构。

“无限大”和“无限斜系统物理学

“无限大”和“无限斜系统物理学是当今物理学发展的一个非常活跃的领域。天体物理和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴，它从早期对太阳系的研究，逐步发展到银河系，直到对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为本世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型已经成功地解释宇宙观测的最新结果。如宇宙膨胀，宇宙年龄下限，宇宙物质的层次结构，宇宙在大尺度范围是各向同性等重要结果。可以说具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了一定的基矗但是到目前为止，关于宇宙的起源问题仍没有得到解决，暴胀宇宙论也并非十全十美，事实上想一次就能得到一个十分完善的宇宙理论是很困难的，这还有待于进一步的努力和探索。

“无限大”系统物理学还有两个比较重要的问题是“类星体”和“暗物质”。“类星体”是1961年发现的，一个类星体发出的光相当于几千个星云，而每个星云相当于1万亿个太阳所发出的光，所以对类星体的研究具有十分重大的意义。60年代末，科学家们发现一个编号为3C271的类星体，一天之内它的能量增加了一倍，到底是什么原因使它的能量增加如此迅速？有待于21世纪去解决。“暗物质”是一种具有引力，看不见，什么光也不发射的物质。宇宙中百分之九十以上的物质是所谓的“暗物质”，这种“暗物质”到底是什么？我们至今仍不清楚，也有待于下世纪去解决。

原子核物理和粒子物理学则属于“无限斜系统物理学的范畴，它从早期对原子和原子核的研究，逐步发展到对粒子的研究。粒子主要包括强子（中子、质子、超子、л介子、K介子等）、轻子（电子、μ子、τ轻子等）和媒介子（光子、胶子等）。强子是对参与强相互作用粒子的总称，其数量几乎占粒子种类的绝大部分；轻子是参与弱相互作用和电磁相互作用的，它们不参与强相互作用；而媒介子是传递相互作用的。目前，人们已经知道参与强相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”组成的，但是至今不能把单个“夸克”分离出来，也没有观察到它们可以自由地存在。为什么“夸克”独立不出来呢？还有一个不能解释的问题是“非对称性”，目前我们已有的定理都是对称的，可是世界是非对称的，这是一个有待于解决的矛盾。寻找独立的夸克和电弱统一理论预言的、导致对称性自发破缺的H粒子、解释“对称”与“非对性”的矛盾，是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。

从表面上看“无限大”系统物理学与“无限斜系统物理学似无必然的联系。其实不然，宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引力和宇宙的“无限大”结构，即可观察的宇宙范围；而粒子物理学家则利用量子力学来处理一些“无限斜微观区域的现象。其实宇宙系统与原子系统在某些方面有着惊人的相似性。预计21世纪“无限大”系统物理学将会与“无限斜系统物理学结合得更加紧密，即宏观宇宙物理学和微观粒子物理学整体联系起来。热大爆炸宇宙模型就是这种结合的典范，实际上该模型是在粒子物理学中弱电统一理论的基础上建立起来的。可以预计，这种结合对科技发展和应用都会产生巨大的影响。

二、跨世纪科学技术的发展趋势

科学技术能否取得重大突破的关键取决于基础科学的发展。所以，首先必须重视基础科学的研究，不能忽视更不能简单地以当时基础科学成果是否有用来衡量其价值。相对论和量子力学建立时好像与其他学科和日常生活无关，直到20世纪中期相对论和量子力学在许多科学领域中引起深刻的变革才引起人们的足够重视。可以说，20世纪几乎所有的重大科技突破，像原子能、半导体、激光、计算机等，都是因为有了相对论和量子力学才得以实现。可以说，没有基础科学就没有科学技术、社会和人类的发展。

20世纪重大科技成果的成功经验证明，不同学科间的互相交叉、配合和渗透是产生新的发明与发现，解释新现象，取得科学突破的关键条件之一。例如，核物理与军事技术的交叉产生了原子弹；半导体物理与计算技术的交叉产生了计算机。可以预计，21世纪待人类掌握核聚变能的那一天，一定是核物理、等离子体物理、凝聚态物理和激光技术等学科的交叉和配合的结果。这也是21世纪科学技术的发展趋势之一。

导电高分子材料的研究进展范文6

一、21世纪物理学的几个活跃领域

蒸蒸日上的凝聚态物理学

自从80年代中期发现了所谓高临界温度超导体以来,世界上对这种应用潜力很大的新材料的研究热情和乐观情绪此起彼伏,时断时续。这种新材料能在液氮温区下传导电流而没有阻抗。高临界温度超导材料的研究仍是今后凝聚态物理学中活跃的领域之一。目前,许多国家的科学工作者仍在争分夺秒,继续进行竞争,向更高温区,甚至室温温区超导材料的研究和应用努力。可以预计,这个势头今后也不会减弱,此外,高临界温度的超导材料的机械性能、韧性强度和加工成材工艺也需进一步提高和解决。科学家们预测,21世纪初,这些技术问题可以得到解决并将有广泛的应用前景,有可能会引起一场新的工业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导计算机等将会面向市场,届时,世界超导材料市场可望达到2000亿美元。

由不同材料的薄膜交替组成的超晶格材料可望成为新一代的微电子、光电子材料。超晶格材料诞生于20世纪70年代末,在短短不到30年的时间内,已逐步揭示出其微观机制和物理图像。目前已利用半导体超晶格材料研制成许多新器件,它可以在原子尺度上对半导体的组分掺杂进行人工“设计”,从而可以研究一般半导体中根本不存在的物理现象,并将固态电子器件的应用推向一个新阶段。但目前对于其他类型的超晶格材料的制备尚需做进一步的努力。一些科学家预测,下一代的电子器件可能会被微结构器件替代,从而可能会带来一场电子工业的革命。微结构物理的研究还有许多新的物理现象有待于揭示。21世纪可能会硕果累累,它的前景不可低估。

近年来,两种与磁阻有关的引起人们强烈兴趣的现象就是所谓的巨磁阻和超巨磁阻现象。一般磁阻是物质的电阻率在磁场中会发生轻微的变化,而巨磁和超巨磁可以是几倍或数千倍的变化。超巨磁现象中令人吃惊的是,在很强的磁场中某些绝缘体会突变为导体,这种原因尚不清楚,就像高临界温度超导材料超导性的原因难以捉摸一样。目前,巨磁和超巨磁实现应用的主要障碍是强磁场和低温的要求,预计下世纪初在这方面会有很大的进展,并会有诱人的应用前景。

可以预计,新材料的发展是21世纪凝聚态物理学研究重要的发展方向之一。新材料的发展趋势是:复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微观化。如,成分密度和功能不均匀的梯度材料;可随空间时间条件而变化的智能材料;变形速度快的压电材料以及精细陶瓷材料等都将成为下世纪重要的新材料。材料专家预计,21世纪新材料品种可能突破100万种。

等离子体物理与核聚变

海水中含有大量的氢和它的同位素氘和氚。氘既重氢,氧化氘就是重水,每一吨海水中含有140克重水。如果我们将地球海水中所有的氘核能都释放出来,那么它所产生的能量足以提供人类使用数百亿年。但氘和氚的原子核在高温下才能聚合起来释放能量,这个过程称为热核反应,也叫核聚变。

核聚变反应的温度大约需要几亿度,在这样高的温度上,氘氚混合燃料形成高温等离子体态,所以等离子体物理是核聚变反应的理论基矗1986年美国普林斯顿的核聚变研究取得了令人鼓舞的成绩,他们在TFTR实验装置上进行的超起动放电达到20千电子伏,远远超过了“点火”要求。1991年11月在英国卡拉姆的JET实验装置上首次成功地进行了氘氚等离子体聚变试验。在圆形圈内,2亿度的温度下,氘氚气体相遇爆炸成功,产生了200千瓦的能量,虽然只维持了1.3秒,但这为人类探索新能源——核聚变能的实现迈进了一大步。这是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚变反应距实际应用还有相当大的距离,技术上尚有许多难题需要解决,如怎样将等离子加热到如此高的温度?高温等离子体不能与盛装它的容器壁相接触,否则等离子体要降温,容器也会被烧环,这就是如何约束问题。21世纪初有可能在该领域的研究工作中有所突破。

纳米技术向我们走来

所谓纳米技术就是在10[-9]米(即十亿分之一米)水平上,研究应用原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量级上对物质进行加工,制造出各种东西,使人类开始进入一个可以在纳米尺度范围,人为设计、加工和制造新材料、新器件的时代。粗略的分,纳米技术可分为纳米物理、纳米化学、纳米生物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工等几方面。

纳米材料具有常规材料所不具备的反常特性,如它的硬度、强度,韧性和导电性等都非常高,被誉为“21世纪最有前途的材料”。美国一研究机构认为:任何经营材料的企业,如果现在还不采取措施研究纳米材料的开发,今后势必会处于竞争的劣势。

纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为主要内容的一门新技术。例如,目前超高密度信息存储的最高存储密度为10[12]毕特/平方厘米,其信息储存量为常规光盘的10[6]倍。

纳米机械和加工,也称为分子机器,它可以不用部件制造几乎无任何缝隙的物体,它每秒能完成几十亿次操作,可以做人类想做的任何事情,可以制造出人类想得到的任何产品。目前采用分子机器加工已研制出世界上最小的(米粒大小)蒸汽机、微型汽车、微型发电机、微型马达、微型机器人和微型手术刀。微型机器人可进入血管清理血管壁上的沉积脂肪,杀死癌细胞,修复损坏的组织和基因。微型手术刀只有一根头发丝的百分之一大小,可以不用开胸破腹就能完成手术。21世纪的生物分子机器将会出现可放在人脑中的纳米计算机,实现人机对话,并且有自身复制的能力。人类还有可能制造出新的智能生命和实现物种再构。

“无限大”和“无限斜系统物理学

“无限大”和“无限斜系统物理学是当今物理学发展的一个非常活跃的领域。天体物理和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴,它从早期对太阳系的研究,逐步发展到银河系,直到对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为本世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型已经成功地解释宇宙观测的最新结果。如宇宙膨胀,宇宙年龄下限,宇宙物质的层次结构,宇宙在大尺度范围是各向同性等重要结果。可以说具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了一定的基矗但是到目前为止,关于宇宙的起源问题仍没有得到解决,暴胀宇宙论也并非十全十美,事实上想一次就能得到一个十分完善的宇宙理论是很困难的,

这还有待于进一步的努力和探索。

“无限大”系统物理学还有两个比较重要的问题是“类星体”和“暗物质”。“类星体”是1961年发现的,一个类星体发出的光相当于几千个星云,而每个星云相当于1万亿个太阳所发出的光,所以对类星体的研究具有十分重大的意义。60年代末,科学家们发现一个编号为3C271的类星体,一天之内它的能量增加了一倍,到底是什么原因使它的能量增加如此迅速?有待于21世纪去解决。“暗物质”是一种具有引力,看不见,什么光也不发射的物质。宇宙中百分之九十以上的物质是所谓的“暗物质”,这种“暗物质”到底是什么?我们至今仍不清楚,也有待于下世纪去解决。

原子核物理和粒子物理学则属于“无限斜系统物理学的范畴,它从早期对原子和原子核的研究,逐步发展到对粒子的研究。粒子主要包括强子(中子、质子、超子、л介子、K介子等)、轻子(电子、μ子、τ轻子等)和媒介子(光子、胶子等)。强子是对参与强相互作用粒子的总称,其数量几乎占粒子种类的绝大部分;轻子是参与弱相互作用和电磁相互作用的,它们不参与强相互作用;而媒介子是传递相互作用的。目前,人们已经知道参与强相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”组成的,但是至今不能把单个“夸克”分离出来,也没有观察到它们可以自由地存在。为什么“夸克”独立不出来呢?还有一个不能解释的问题是“非对称性”,目前我们已有的定理都是对称的,可是世界是非对称的,这是一个有待于解决的矛盾。寻找独立的夸克和电弱统一理论预言的、导致对称性自发破缺的H粒子、解释“对称”与“非对性”的矛盾,是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。

从表面上看“无限大”系统物理学与“无限斜系统物理学似无必然的联系。其实不然,宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引力和宇宙的“无限大”结构,即可观察的宇宙范围;而粒子物理学家则利用量子力学来处理一些“无限斜微观区域的现象。其实宇宙系统与原子系统在某些方面有着惊人的相似性。预计21世纪“无限大”系统物理学将会与“无限斜系统物理学结合得更加紧密,即宏观宇宙物理学和微观粒子物理学整体联系起来。热大爆炸宇宙模型就是这种结合的典范,实际上该模型是在粒子物理学中弱电统一理论的基础上建立起来的。可以预计,这种结合对科技发展和应用都会产生巨大的影响。

二、跨世纪科学技术的发展趋势

科学技术能否取得重大突破的关键取决于基础科学的发展。所以,首先必须重视基础科学的研究,不能忽视更不能简单地以当时基础科学成果是否有用来衡量其价值。相对论和量子力学建立时好像与其他学科和日常生活无关,直到20世纪中期相对论和量子力学在许多科学领域中引起深刻的变革才引起人们的足够重视。可以说,20世纪几乎所有的重大科技突破,像原子能、半导体、激光、计算机等,都是因为有了相对论和量子力学才得以实现。可以说,没有基础科学就没有科学技术、社会和人类的发展。

20世纪重大科技成果的成功经验证明,不同学科间的互相交叉、配合和渗透是产生新的发明与发现,解释新现象,取得科学突破的关键条件之一。例如,核物理与军事技术的交叉产生了原子弹;半导体物理与计算技术的交叉产生了计算机。可以预计,21世纪待人类掌握核聚变能的那一天,一定是核物理、等离子体物理、凝聚态物理和激光技术等学科的交叉和配合的结果。这也是21世纪科学技术的发展趋势之一。