光電材料介紹

光電材料是指用于制造各種光電設(shè)備（主要包括各種主、被動(dòng)光電傳感器光信息處理和存儲(chǔ)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(xué)材料等。下面主要介紹一下紅外材料、激光材料及其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)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，銻化銦和碲鎘汞是軍*紅外光電系統(tǒng)采用的主要紅外探測材料，特別是碲鎘汞（Hg-Cd-Te）材料，是當(dāng)前較成熟也是各國側(cè)重研究發(fā)展的主要紅外材料。它可應(yīng)用于從近紅外、中紅外、到遠(yuǎn)紅外很寬的波長范圍，還具有以光電導(dǎo)、光伏特及光磁電等多種工作方式工作的優(yōu)點(diǎn)，但該材料也存在化學(xué)穩(wěn)定性差、難于制成大尺寸單晶、大面積均勻性差等缺點(diǎn)，Hg-Cd-Te現(xiàn)已進(jìn)入薄膜材料研制和應(yīng)用階段，為了克服該材料上述的缺點(diǎn)，國際上探索了新的技術(shù)途徑：

（1）用各種薄膜外延技術(shù)制備大尺寸晶片，這些技術(shù)包括分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）和金屬有機(jī)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(tài)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(fù)性好的碲鎘汞單晶薄膜，64×64焦平面器件已用于型號(hào)系統(tǒng)、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(xué)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(xué)穩(wěn)定性也更高。

Hg1-xMnxTe是磁性半導(dǎo)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(dǎo)材料，現(xiàn)處于研究開發(fā)階段，已有開發(fā)成功的產(chǎn)品。

③Ⅲ-V超晶格量子阱化合物材料，可用于8～14μm遠(yuǎn)紅外探測器，如：InAs/GaSb（應(yīng)變層超晶格）、GaAs/AlGaAs（量子阱結(jié)構(gòu)）等。

④SiGe材料，由于SiGe材料具有許多*的物理性質(zhì)和重要的應(yīng)用價(jià)值，又與Si平面工藝相容，因此引起了微電子及光電子產(chǎn)業(yè)的高度重視。

SiGe材料通過控制層厚、組分、應(yīng)變等，可自由調(diào)節(jié)材料的光電性能，開辟了硅材料人工設(shè)計(jì)和能帶工程的新紀(jì)元，形成國際性研究熱潮。Si/GeSi異質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于紅外探測器有如下優(yōu)點(diǎn)：截止波長可在3～30μm較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，能保證截止波長有利于優(yōu)化響應(yīng)和探測器的冷卻要求。Si/GeSi材料的缺點(diǎn)在于量子效率很低，利用多個(gè)SiGe層來解決這一問題。

（3）1996年美國國防部國防技術(shù)領(lǐng)域計(jì)劃將開發(fā)先進(jìn)紅外焦平面陣列的工作重點(diǎn)確定為：研制在各種情況下應(yīng)用（包括監(jiān)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(chǔ)的薄膜和結(jié)構(gòu)：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(dāng)前紅外探測材料發(fā)展和研究的熱點(diǎn)。

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(jìn)展和發(fā)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(lán)寶石和氮酸鋁等，特別是多晶氟化鎂，被認(rèn)為是綜合性能比較好的材料。遠(yuǎn)紅外材料是紅外透過材料當(dāng)前研究發(fā)展的重點(diǎn)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(rèn)為是一種較好的遠(yuǎn)紅外透過材料，在3～12μm范圍，厚2mm時(shí)，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(dá)95.8%。國外已采用ZnS作為遠(yuǎn)紅外窗口和頭罩材料，像美國的LANTRIRN紅外吊艙窗口，Learjel飛機(jī)窗口等。美國Norton國際公司先進(jìn)材料部每年生產(chǎn)上千個(gè)ZnS頭罩。ZnS多晶體的制備方法主要有兩種：熱壓法與化學(xué)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(fā)展的另一個(gè)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(huì)對(duì)紅外窗口和罩材產(chǎn)生高溫、高壓、強(qiáng)烈的風(fēng)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(xué)、物理、機(jī)械、化學(xué)性能的新材料。這些條件下使用的理想材料從室溫到1000℃應(yīng)具有下列特性：在使用波段內(nèi)具有高透過，低熱輻射、散射及雙折射，高強(qiáng)度，高導(dǎo)熱系數(shù)，低熱膨脹系數(shù)，抗風(fēng)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(qiáng)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(yōu)秀的紅外光學(xué)材料之一，它能在高溫、高濕、高壓、雨水、風(fēng)砂沖擊及太陽暴曬下仍保持其性質(zhì)，因而是優(yōu)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(jiān)寶石也是一種耐高溫紅外材料，它可透過從遠(yuǎn)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(dá)25cm的大尺寸藍(lán)寶石。

氧化釔和鑭增強(qiáng)氧化釔的透過波長為8μm，在氧化釔中摻入氧化鑭，材料強(qiáng)度提高30%，光學(xué)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(yán)格的說到還沒有一種理想的材料能*上述要求。但包括上述材料在內(nèi)的不少材料具有較理想的綜合性質(zhì)。

（3）紅外透過材料的第三個(gè)發(fā)展方向是：紅外/毫米波雙模材料，這是為適應(yīng)紅外/毫米波雙模復(fù)合材料制導(dǎo)技術(shù)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(yuǎn)紅外透過率又有小的介電常數(shù)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(jìn)一步研究發(fā)展。紅外材料的應(yīng)用：包括各種導(dǎo)*的制導(dǎo)、紅外預(yù)警（包括探測、識(shí)別和跟蹤、預(yù)警衛(wèi)星、預(yù)警飛機(jī)、各種偵察機(jī)等）、觀察瞄準(zhǔn)（高能束攔截武*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(diào)，為此而發(fā)現(xiàn)的可調(diào)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(diào)諧范圍，熒光壽命、激光效率、熱透鏡效應(yīng)等方面具有良好的性能。

軍事應(yīng)用

軍*光電材料研究的目的是將研究成果應(yīng)用于新一代高技術(shù)光電子裝備系統(tǒng)，提高電子進(jìn)攻和防衛(wèi)綜合電子戰(zhàn)的能力。軍*光電材料是軍*光電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，對(duì)軍*光電子裝備系統(tǒng)有重要的賦能和倍增作用。以紅外材料為基礎(chǔ)的光電成像夜視技術(shù)能增強(qiáng)坦克、裝甲車、飛機(jī)、軍艦及步兵的夜戰(zhàn)能力，為航空、衛(wèi)星偵察、預(yù)警提供重要手段，成像制導(dǎo)技術(shù)可大大提高導(dǎo)*的命中*和抗干擾能力。以新型固體激光材料為基礎(chǔ)的激光測距、激光致盲武*和火控制系統(tǒng)等使作戰(zhàn)能力大大加強(qiáng)?？烧{(diào)諧激光晶體為從可見光到紅外波段可調(diào)諧激光系統(tǒng)提供工作物質(zhì)可提高激光雷達(dá)、空中傳感和水下探測等軍*激光系統(tǒng)的領(lǐng)域監(jiān)視、偵察能力。利用光纖材料、寬帶、抗電磁和強(qiáng)核電磁脈沖干擾、保密、體積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)地面武*系統(tǒng)無人遠(yuǎn)距離傳感陣和有人控制站之間的GB/s級(jí)信息傳輸；艦船指揮可以通過光纖為遠(yuǎn)距離艦隊(duì)發(fā)送信號(hào)，進(jìn)行指揮；飛機(jī)將能發(fā)射光纖攜繩的機(jī)載無人加強(qiáng)飛機(jī)或靶機(jī)；以往的武*有線制導(dǎo)將被光纖制導(dǎo)所取代；軍*運(yùn)載體的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將被光纖陀螺所取代；戰(zhàn)略武*發(fā)射的C3I系統(tǒng)也將啟用光纖C3I網(wǎng)絡(luò)等等。總之，軍*光纖系統(tǒng)的應(yīng)用，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越話音和低速率數(shù)據(jù)通信的范圍，而進(jìn)入傳感、海上或空中武*平臺(tái)及各種高速率傳輸系統(tǒng)。

光電轉(zhuǎn)換

工作原理

光電材料的定義

通過光生伏特*應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的材料。主要用于制作太陽能電池。太陽是一個(gè)巨大的能源庫?地球上一年中接收到的太陽能高達(dá)1.8×1018千瓦時(shí)。研究和發(fā)展光電轉(zhuǎn)換材料的目的是為了利用太陽能。 光電轉(zhuǎn)換材料的工作原理是將相同的材料或兩種不同的半導(dǎo)體材料做成PN結(jié)電池結(jié)構(gòu)，當(dāng)太陽光照射到PN結(jié)電池結(jié)構(gòu)材料表面時(shí)形成新的空穴-電子對(duì)在p-n結(jié)電場的作用下空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)?接通電路后就形成電流。這就是光電材料的工作原理。

運(yùn)用*廣的是太陽能電池

其發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值*高的部分。其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。

太陽能控制器

太陽能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)并對(duì)蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。 蓄電池一般為鉛酸電池，一般有12V和24V這兩種小微型系統(tǒng)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(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來到需要的時(shí)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(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)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(fù)載時(shí)也要用到DC-DC變換器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能。

發(fā)電方式

太陽能發(fā)電有兩種方式：一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。

1.光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電。一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過程是光—熱轉(zhuǎn)換過程，后一個(gè)過程是熱—電轉(zhuǎn)換過程與普通的火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，估計(jì)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(guī)模地應(yīng)用于特殊的場合。而大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能光—電轉(zhuǎn)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*應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)光電二極管就會(huì)把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)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，具有永*性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn).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(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會(huì)引起環(huán)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*擬的。

太陽能電池的應(yīng)用領(lǐng)域

1.用戶太陽能電源小型電源不等用于邊遠(yuǎn)無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電如照明、電視、收錄機(jī)等家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。光伏水泵解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。

2. 交通領(lǐng)域 如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號(hào)燈、交通警示/標(biāo)志燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。

3. 通訊/通信領(lǐng)域 太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng) 農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等。

4. 石油、海洋、氣象領(lǐng)域 石油管道

和水庫閘門陰極保護(hù)太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象/水文觀測設(shè)備等。

5.家庭燈具電源 如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。

6.光伏電站10KW-50MW獨(dú)立光伏電站、各種大型停車廠充電站等。

7.太陽能建筑將太陽能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合,使得未來的大型建筑實(shí)現(xiàn)電力自給是未來一大發(fā)展方向。

8.其他領(lǐng)域包括

1.與汽車配套太陽能汽車/電動(dòng)車、電池充電設(shè)備、汽車空調(diào)、換氣扇、冷飲箱等

2.太陽能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng)

3.水淡化設(shè)備供電

4衛(wèi)星、航天器、空間太陽能電站等。 可見?以太陽能電池為代表的光電轉(zhuǎn)化材料已經(jīng)運(yùn)用到生活的方方面面, 隨著科技的發(fā)展,我們還將看到更多新的光電轉(zhuǎn)換材料的出現(xiàn)。