光電材料介紹

光電材料是指用于制造各種光電設備（主要包括各種主、被動光電傳感器光信息處理和存儲裝置及光通信等）的材料，主要包括紅外材料、激光材料、光纖材料、非線性光學材料等。下面主要介紹一下紅外材料、激光材料及其在**領域的應用。

紅外材料   

紅外材料主要有兩類：紅外探測材料和紅外透波材料。

紅外探測材料

包括硫化鉛、銻化銦、鍺摻雜（金、汞）、碲錫鉛、碲鎘汞、硫酸三甘酞、鉭酸鋰、鍺酸鉛、氧化鎂等一系列材料，銻化銦和碲鎘汞是**紅外光電系統采用的主要紅外探測材料，特別是碲鎘汞（Hg-Cd-Te）材料，是當前較成熟也是各國側重研究發展的主要紅外材料。它可應用于從近紅外、中紅外、到遠紅外很寬的波長范圍，還具有以光電導、光伏特及光磁電等多種工作方式工作的優點，但該材料也存在化學穩定性差、難于制成大尺寸單晶、大面積均勻性差等缺點，Hg-Cd-Te現已進入薄膜材料研制和應用階段，為了克服該材料上述的缺點，國際上探索了新的技術途徑：

（1）用各種薄膜外延技術制備大尺寸晶片，這些技術包括分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）和金屬有機化合物氣相淀積（MOCVD）等。特別是用MOCVD可以制出大面積、組分均勻、表面狀態好的Hg-Cd-Te薄膜，用于制備大面積焦平面陣列紅外探測器。國外用MOCVD法已制成面積大于5cm2、均勻性良好、Δx=0.2±0.005、工藝重復性好的碲鎘汞單晶薄膜，64×64焦平面器件已用于型號系統、512×512已有樣品。

（2）尋找高性能新紅外材料取代Hg-Cd-Te，主要包括：

①Hg-Mn-Te和Hg-Zn-Te，美國和烏克蘭等國從80年代中就開展了這方面的研究，研究表明，Hg1-xZnxTe和Hg1-x CdxZnyTe的光學特性和碲鎘汞很相似，但較容易獲得大尺寸、低缺陷的單晶，化學穩定性也更高。

Hg1-xMnxTe是磁性半導體材料，在磁場中的光伏特性與碲鎘汞幾乎相同，但它克服了Hg-Te弱鍵引起的問題。

②高溫超導材料，現處于研究開發階段，已有開發成功的產品。

③Ⅲ-V超晶格量子阱化合物材料，可用于8～14μm遠紅外探測器，如：InAs/GaSb（應變層超晶格）、GaAs/AlGaAs（量子阱結構）等。

④SiGe材料，由于SiGe材料具有許多獨特的物理性質和重要的應用價值，又與Si平面工藝相容，因此引起了微電子及光電子產業的高度重視。

SiGe材料通過控制層厚、組分、應變等，可自由調節材料的光電性能，開辟了硅材料人工設計和能帶工程的新紀元，形成國際性研究熱潮。Si/GeSi異質結構應用于紅外探測器有如下優點：截止波長可在3～30μm較大范圍內調節，能保證截止波長有利于優化響應和探測器的冷卻要求。Si/GeSi材料的缺點在于量子效率很低，利用多個SiGe層來解決這一問題。

（3）1996年美國國防部國防技術領域計劃將開發先進紅外焦平面陣列的工作重點確定為：研制在各種情況下應用（包括監視和夜間/不利氣象條件下使用的紅外焦平面陣列）的紅外探測器材料，其中包括以如下三種材料為基礎的薄膜和結構：具有芯片上處理能力的GgCdTe單片薄膜、InAs/GaSb超晶格和SiGe（肖特基勢壘器件）。這三種材料也正是當前紅外探測材料發展和研究的熱點。

紅外透波材料

主要用作紅外探測器和飛行器中的窗口、頭罩或整流罩等，它的*新進展和發展方向如下：

（1）在中紅外波段采用的紅外透過材料有鍺鹽玻璃、人工多晶鍺、氟化鎂（MgF2）、人工藍寶石和氮酸鋁等，特別是多晶氟化鎂，被認為是綜合性能比較好的材料。遠紅外材料是紅外透過材料當前研究發展的重點方向之一，8～14μm長波紅外透過材料有：硫化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）、硫化鑭鈣（CaLa2S4）、砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）和鍺（Ge）等。ZnS被認為是一種較好的遠紅外透過材料，在3～12μm范圍，厚2mm時，平均透過率大于70%，無吸收峰，采取特殊措施，*大紅外透過率達95.8%。國外已采用ZnS作為遠紅外窗口和頭罩材料，像美國的LANTRIRN紅外吊艙窗口，Learjel飛機窗口等。美國Norton國際公司先進材料部每年生產上千個ZnS頭罩。ZnS多晶體的制備方法主要有兩種：熱壓法與化學氣相淀積法（CVD），CVD法制備的材料性能較好。

（2）紅外透過材料發展的另一個重要方向是：耐高溫紅外透過材料的研究。高速飛行器在飛行過程中會對紅外窗口和罩材產生高溫、高壓、強烈的風砂雨水的沖刷和浸蝕，影響紅外透過材料的性能，因此需要一系列新型的耐高溫、具有綜合光學、物理、機械、化學性能的新材料。這些條件下使用的理想材料從室溫到1000℃應具有下列特性：在使用波段內具有高透過，低熱輻射、散射及雙折射，高強度，高導熱系數，低熱膨脹系數，抗風砂雨水的沖擊和浸蝕，耐超聲波輻射等。

*近研究較多的耐高溫紅外透過材料有鎂鋁尖晶石、蘭寶石、氧化釔、鑭增強氧化釔和鋁氧氮化物ALON等。鎂鋁尖晶石是近年來研究*多的*優良的紅外光學材料之一，它能在高溫、高濕、高壓、雨水、風砂沖擊及太陽暴曬下仍保持其性質，因而是優先選用的耐高溫紅外透過材料，它可透過200nm到6μm的紫外、可見光及紅外光。單晶監寶石也是一種耐高溫紅外材料，它可透過從遠紫外0.17μm到6.5μm的紅外光，用新研制的熱交換法晶體生長過程可以制造直徑達25cm的大尺寸藍寶石。

氧化釔和鑭增強氧化釔的透過波長為8μm，在氧化釔中摻入氧化鑭，材料強度提高30%，光學特性不變。由于高溫下具有很高的硬度，所以它具有很好的抗沖擊、抗浸蝕性能。嚴格的說到還沒有一種理想的材料能完全滿足上述要求。但包括上述材料在內的不少材料具有較理想的綜合性質。

（3）紅外透過材料的第三個發展方向是：紅外/毫米波雙模材料，這是為適應紅外/毫米波雙模復合材料制導技術的需要。還沒有一種材料能滿足紅外/毫米波雙模材料既要有高的遠紅外透過率又有小的介電常數和損耗角正切的要求，高性能的紅外/毫米波雙模材料尚待進一步研究發展。紅外材料的應用：包括各種導彈的制導、紅外預警（包括探測、識別和跟蹤、預警衛星、預警飛機、各種偵察機等）、觀察瞄準（高能束攔截武器等）。

激光材料

固體激光器正尋求在可見和近可見光譜范圍波長可調，為此而發現的可調諧激光晶體已有30多種，其中，Cr3離子摻雜新晶體具有較高受激輻射截面和低飽和能量密度，它們的波長范圍是：Cr3 :LiCaAlF3為0.72～0.84μm、Cr3 :LiSrAlF6為0.78～1.01μm，特別是Cr:LiSAF，它的飽和能量密度為5J/cm2，在激光調諧范圍，熒光壽命、激光效率、熱透鏡效應等方面具有良好的性能。

**應用

**光電材料研究的目的是將研究成果應用于新一代高技術光電子裝備系統，提高電子進攻和防衛綜合電子戰的能力。**光電材料是**光電子技術的重要基礎，對**光電子裝備系統有重要的賦能和倍增作用。以紅外材料為基礎的光電成像夜視技術能增強坦克、裝甲車、飛機、軍艦及步兵的夜戰能力，為航空、衛星偵察、預警提供重要手段，成像制導技術可大大提高導彈的命中率和抗干擾能力。以新型固體激光材料為基礎的激光測距、激光致盲武器和火控制系統等使作戰能力大大加強。可調諧激光晶體為從可見光到紅外波段可調諧激光系統提供工作物質可提高激光雷達、空中傳感和水下探測等**激光系統的領域監視、偵察能力。利用光纖材料、寬帶、抗電磁和強核電磁脈沖干擾、保密、體積小、環境適應性強和抗輻照等優點，可實現地面武器系統無人遠距離傳感陣和有人控制站之間的GB/s級信息傳輸；艦船指揮可以通過光纖為遠距離艦隊發送信號，進行指揮；飛機將能發射光纖攜繩的機載無人加強飛機或靶機；以往的武器有線制導將被光纖制導所取代；**運載體的慣性導航系統將被光纖陀螺所取代；戰略武器發射的C3I系統也將啟用光纖C3I網絡等等。總之，**光纖系統的應用，將遠遠超越話音和低速率數據通信的范圍，而進入傳感、海上或空中武器平臺及各種高速率傳輸系統。

光電轉換

工作原理

光電材料的定義

通過光生伏特效應將太陽能轉換為電能的材料。主要用于制作太陽能電池。太陽是一個巨大的能源庫?地球上一年中接收到的太陽能高達1.8×1018千瓦時。研究和發展光電轉換材料的目的是為了利用太陽能。光電轉換材料的工作原理是將相同的材料或兩種不同的半導體材料做成PN結電池結構，當太陽光照射到PN結電池結構材料表面時形成新的空穴-電子對在p-n結電場的作用下空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區?接通電路后就形成電流。這就是光電材料的工作原理。

運用*廣的是太陽能電池

其發電系統主要由太陽能電池板

太陽能控制器蓄電池及逆變器組成。

太陽能電池板太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中價值*高的部分。其作用是將太陽能轉化為電能或送往蓄電池中存儲起來或推動負載工作。太陽能電池板的質量和成本將直接決定整個系統的質量和成本。

太陽能控制器

太陽能控制器的作用是控制整個系統的工作狀態并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方合格的控制器還應具備溫度補償的功能。其他附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項。蓄電池一般為鉛酸電池，一般有12V和24V這兩種小微型系統中也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發出的電能儲存起來到需要的時候再釋放出來。逆變器在很多場合都需要提供AC220V、AC110V的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。為能向AC220V的電器提供電能，需要將太陽能發電系統所發出的直流電能轉換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合需要使用多種電壓的負載時也要用到DC-DC變換器，如將24VDC的電能轉換成5VDC的電能。

發電方式

太陽能發電有兩種方式：一種是光—熱—電轉換方式，另一種是光—電直接轉換方式。

1.光—熱—電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發電。一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣再驅動汽輪機發電。前一個過程是光—熱轉換過程，后一個過程是熱—電轉換過程與普通的火力發電一樣。太陽能熱發電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴5~10倍。一座1000MW的太陽能熱電站需要投資20~25億美元，平均1kW的投資為2000~2500美元。因此，只能小規模地應用于特殊的場合。而大規模利用在經濟上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競爭。

2.光—電直接轉換方式該方式是利用光電效應將太陽輻射能直接轉換成電能光—電轉換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件是一個半導體光電二極管當太陽光照到光電二極管上時光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流。當許多個電池串聯或并聯起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有長久性、清潔性和靈活性三大優點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用，與火力發電、核能發電相比，太陽能電池不會引起環境污染，太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的。