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第77期 基于单半导体纳米结构的能带调控:从一维到二维体系

时间:2016/03/16 来源: 作者:胡万超 编辑:


  尊敬的各位来宾,亲爱的同学们,大家晚上好!欢迎来到第77科学论坛,我是今天的主持人熊伟。首先请允许我十分荣幸地为大家介绍一名本期科学论坛的主讲嘉宾:潘安练教授,让我们以热烈的掌声欢迎潘教授的到来!

  潘安练,湖南省芙蓉学者特聘教授,博士生导师,现任微纳结构物理与应用技术湖南省重点实验室主任,湖南大学物理与微电子科学学院副院长,湖南省杰出青年基金获得者,教育部新世纪人才计划入选者。1998年毕业于安徽大学物理系,2003年研究生毕业于中国科学技术大学,并于2006年取得中国科学院物理研究所博士毕业。随后在德国马普微结构物理所、美国亚利桑那州立大学电子工程系从事访问研究。潘安练教授现为美国材料学会及美国光学学会会员、中国微纳米学会高级会员、湖南省物理学会理事,担任多个国际学术期刊的编辑、编委或特邀编辑,以第一作者或通讯记者在国际权威刊物上发表sci论文60余篇,合作发表论文130余篇,申请国内外专利8项。

  本期科学论坛主题是低维半导体结构可控制作及集成光子应用。半导体是现代信息技术革命的材料基础。基于传统块体材料的器件具有尺寸大、能耗高等缺点,无法在高密度、大规模集成器件得到广泛应用,于是需要新型低能耗、可集成的微纳米尺度半导体结构。半导体材料的带隙是其光电应用最重要的参数之一。由于自然界中半导体具有有限的带隙,将不同的带隙半导体合金化一直是新的带隙半导体标准方法的实现。

  此次论坛,潘教授将为我们介绍一维半导体纳米线和二维原子铂的层状材料的带隙工程,并且用一些例子展示如何通过组合控制实现带隙的可调性,以及如何实现梯度和界面特性的带隙的设计基于一个单一的纳米结构。下面让我们以热烈的掌声有请潘教授上台授课!

  谢谢,谢谢主持人!特别,真的非常非常感谢这个农大的学生会。我记得三年以前就联系过,一直很抱歉,一直拖到现在。这一次呢,给大家分享一下我的一些建议和一些研究。

  我做的研究的领域呢就是纳米材料,从大的方面就是纳米材料,而且是半导体纳米材料。因为半导体是一个最基本的一个光电,一类光电材料。在信息处理各项处理中都有广泛的应用,也是近代信息技术的一个基础的材料。随着这个科技的发展,所以说现在出现了纳米技术,可以说我们有必要对纳米结构,小尺寸的纳米结构材料进行一番研究。现在我们的研究方向就在这样的一个方向。

  这张照片是湖南,我们湖南大学在岳麓山上面拍的一张照片。这个建筑是我的实验室所在的地方。我相信大家都已经爬过岳麓山,对湖南大学应该都很熟悉,这里也就不再多讲。刚刚主持人也介绍了我的一些过去的,这十点来吧的一些经历。我首先是那个研究是在中科大做的,当时做的也是纳米材料,当时做的是金属纳米颗粒这样一个关于这些的研究,与现在这个所研究的领域也是同样一个领域,只不过是材料体系不一样。在这样一个兴趣下,我本来是可以在中科大硕本连读,继续读博士的,但是就放弃了这个机会。因为当时物理所就我后来的一个导师他做半导体方面的一些研究,可以说我对这有兴趣,我就放弃了在中科大的研究,就继续做博士研究的一个机会,就去了中科院物理所。但是我记得是2006年当年非典的时候,我去中科院去参加博士考试,考试的第二天后来就被隔离了,所以说我还是感觉到很幸运的,如果就是差一点,就不可能在北京物理所去做博士了。还是比较幸运,幸运这样一种缘分吧。

  后来在物理所做了三年博士,使我感觉到受益匪浅,使我从整个学术的眼界啊,背景啊,因为它那里那种文化,那种文化的底蕴非常的浓厚,所以说导致了我受益匪浅。06年取得博士毕业了以后我就去了德国马普研究所。德国马普研究所呢,就相当于中国科技院这样一个系统,它非常大,它里面有好几十个小一点的研究所,但整个是一个大的像中国科技院的研究所。后来我住的是一个叫马普微结构物理所,在莱比锡的旁边,在东边离柏林很近。那地方也是东德留下来的一个电镜中心,也就是做电子显微镜的一个研究所,后来因为做纳米材料,纳米技术它需要用电镜来观测。后来据说在纳米材料研究方面也有很多大的优势。所以说我去了那里做了一年博士,博士是红宝学者,红宝学者这样一个机会是,相当于一个高级的博士后吧。这是德国政府资助的一项,而且还受到了德国总统的接见,而且可以在总统府里面去参加一些活动、受他们的接见。后来呢做了一年,在这个地方他很悠闲,德国非常悠闲,他一般是上午上班的时候他比较早,一般下午3点钟的时候大家都下班了,实验室就空荡荡的,感觉到有点无聊,感觉到这样下去就把时间耽误掉了。所以说做了一年本来可以继续再连研,后来我就不做了后来就去了美国。

  美国呢,时间跟中国差不多,是大研究所。我是2007年底去了美国。后来到2010年年首回来,将近呆了三年。在美国的过程中,去的过程中也是我坚持我那的研究发现,就是纳米,半导体纳米结构材料。后来做了3年,后来2010年年初得到了湖南省芙蓉区的特级教授,就尽快回来。回来了以后呢,就是,就建立了一个微纳光子学这样一个实验室。这个实验室基本上呢,90%都是回来这五年半时间建立起来的,这个实验室是做什么的呢?就是做光电子微纳米技术,纳米光电子技术的研究。它的这个条件在全国同类实验室中几乎是最好的一个平台,这个平台已经投入了将近两千万的这样一个投入,后来就建了一个非常大的团队。而且现在博士生、本科生、研究生一起加起来就是。我们前几天还在吃饭,有4桌,差不多40个人,建立了一个平台,重点是做半导体纳米材料及相关的新型技术,一些器件技术。而且最近我们在网络的推动下又建立了另外一个v家平台,专门用来做纳米器件。这几个设计刚刚建起来,有的在调试,还没用起来。这个平台建立起来后,可以为下一步纳米、光电池这个方面的研究打下更好的基础。包括有电子曝光系统,这个系统就花了700万,做一些微型的加工,一些复合的加工,包括各种各样的其它设备。

我们研究的方向说好听点就是集成纳米、光电池、器件技术,从材料的角度叫纳米光电材料或光子材料。这个方面大的背景就是,最标准化的表述就是构建新的高集成、超标准、低能耗的一种光电信息技术。通过一些纳米结构的制作,从化学角度就是加工及性能应用、研究,实现纳米层次的光子调控与集成技术。

为什么用光子呢?因为我们知道,随着信息技术发展,现在的器件通信设备,包括我们的手机、笔记本的集成度越来越高,处理信息能力越来越快。在信息领域有一个定律叫摩尔定律,指集成器件,它每隔2年,成本会变为原来的二分之一,而性能却是原来的两倍。现在这个摩尔定律表示信息技术发展非常快,每两年就会更新换代。这就导致了我们追求的器件会越来越小,而且它的性能会越来越高。信息技术的发展不会停下来。

现在这个摩尔定律,我们做芯片的都知道,它可以做到10纳米,现在已经变成13纳米,基本可以生产,达到了这样一个水平。但是从物理角度,10纳米就非常难了,特别是8纳米。也就是说一块半导体材料直径8纳米以下的话就会发生各种各样的效应,叫量子效应。这就导致一些传统的东西、思维器件无法工作。这就是为什么我们要研究一些新技术来代替这样的一种。也就是说现在信息处理主要是我们电脑公司通过电来传递信号。我们的电子技术都是用电来传递信号,通过电子,而电子很慢。如果我们用光传递信息的话,如光纤,宏观来看,光速度很快,而且不会发热,不会损耗。不像我们的笔记本,一下就发热了,就烫手了,就死机了。用光子的话,它速度很快,而且能耗低。在这样一个背景下,我们做一些技术研究:从材料角度合成一些新的材料或者是将纳米结构的材料,因为纳米是一个长度单位,它小到一定程度的话就会有各种各样的特征。我们把这么一个新的特性应用起来的话,而且它又可以做高功率集成。因为它本身尺度小,器件可做到宏观的万分之一那么小,或者是更小。那么我们就有必要从材料角度要去打造各种各样的结构,也就是纳米结构。这就是为什么要合成这些结构出来。我们要研究它们的特性,一个是性能的调控,以及构建一些新的器件,最终实现集成系统的构建。比如说这些小的纳米材料和器件如果集成在一块小的芯片上。那么这样的话,我们就有望形成一个芯片级的信息处理系统,把我们现有的功能、器件做得更小,这就是一个大的升华。因为传统的文化材料的话,能耗高,很难实现小型化、集成化的基本发展要求。

前面已经说过,纳米材料,首先小,1纳米等于10的负九次方米。在这样一个尺度下,做器件的话,能耗小,它的集成度可以做得很高。这样一种小型化、集成化的发展显然需要满足这样的要求,对于一个材料,对于纳米材料,也叫超微粒材料,半导体超微粒材料。我们的宏观的空间是三维的空间。把一个材料做成一个小点,把这个点的尺寸比成一个小球,大小就是几个纳米,叫量子点。为什么叫量子点呢?当材料达到几纳米时,就会出现新的物理效应,它叫量子效应。

还有一个是一维材料,如果把一个半导体材料做成一个一维的形状,我们把它定义为纳米线。它的长度可以达到很长,但它的直径在几个、几十个、几百个纳米范围内。这个纳米线的结构上本身是线条模型,同时它里面最看好的话是用光波导。我们知道现在的光缆用光纤传递信号,用纳米的话,首先纳米小,它可以导光,显然这个尺寸比传统小很多,而且它的集成化可以做得更高。纳米线可以作为一个激光、激光器来…一个小的纳米纤维,它里面再加第二个激光,用激光去碰触它、激发它,它本身可以发出激光出来,这种激发出来的离子是肉眼看不到的。是边缘离子或者比边缘离子更小的,这样电离出来的激光有利于在DMPM方面的运用。你甚至在生物细胞里面可以得到它,发展到细胞里这是作为已经跟踪到比较细的结果,这是一维的,还有二维材料,我们同学理解的二维材料就是最近比较热门的在2007年获得诺贝尔奖的石墨烯。它是原子晶体,它是一个由原子材料转化的二维材料,它是一层原子排列起来的。这种材料它有什么好处呢?它可以做螺性的,因为它是一种很薄的东西,可以把它做到另一个晶体上去,它可以达到随意弯曲而不会断裂,它也可以做成大面积的晶体。这就是最近非常引人关注的石墨烯,因为它容易大面积集成,而且还可以做东西。这就是原子晶体材料。特别是一维和二维材料容易集成,所以被认为是新一代的集成光电、蓄电、气电基本的结构和功能,也就是说我们未来工作的一些信息处理系统、一些器电会用现代的纳米材料来组装、排序出来新的系统。这是一个趋势,也是一个重要的实现方向。因为我们刚才强调说现在这个摩尔电律,2030以后可能就完全到达终点,它必须要一个新的东西去替代它。

那么这个一维的纳米线,它便于导光,它虽然很小但光可以导过去。比如说500nm的一个纤维,很大的能量它也可以沿纳米线导过去,现在一个光电纤维可以把信号在微纳米之间进行信息传递。比如说进行一些网络互联,还有就是可以做纳米激光器,2001年到2003年就已经发现了纳米激光器这样一个机器,这个是纳米纤维被看好的研发方面。激光器在通讯领域是非常重要的,如果把这个问题解决了!那么后面的问题也就不大了!

刚刚说到二维材料,二维材料里面的石墨烯。但是石墨烯它不是一个半导体材料,我们说在光电运用、信息处理方面是需要半导体的。我们原来的芯片基本上是硅,硅也是半导体。石墨烯主要元素是碳,它是由碳原子排列出来的,这个材料非常好,因为它导电性、导光性、电离性能都非常好,但是这个材料致命的一点是它不是一个半导体。它不能进行光电转化,这是在信息领域运用的一个大难题。所以从2010年开始的这几年里,以二硫化钼为代表的二维材料新起,它和石墨烯一样是单原子层,但它是半导体材料,它有一个带隙,后面我会讲到半导体带隙的问题,半导体材料有一个带隙,电子可以在跳带的过程中发出光子,加电把下面的电子激发上去,电子跳下来以后引发光子。这就是光电子材料最基本的物理性质。

刚刚说的二硫化钼,前不久已经可以做成大面积的螺性电子分别启动。我们为什么说半导体重要呢?它重要的物理基础在于它独特的能带,从物理的角度,我们考虑一个原子为一个孤立的整体,不同的整体,能带是不一样的。对于一个固体或有序的晶体来说,它一个能体变成一个能带,能带中最上面一个能带就是导带,最下面一个是价带,两个带之间相隔两个能态(能量的状态)。两个状态之间跳来跳去就会发生光子和电子之间的转化。激发态之后,电子由高能态降下来,它就发出光子,这就是半导体发光的最基本原理。

自然界中半导体的种类是有限的,它是非常有限的间隙,其实这个发光的波长决定于导带与价带之间能隙的大小,不同的半导体它的能隙的大小是不一样的。有点半导体它间隙比较窄,它发的光能量比较低,它的波长越长就有可能发出红外光。有的半导体发出的光可能刚好是400nm800nm的可见光,有的可能间隙比较宽,可能发出紫外光。这就是不同的材料所决定的。我们可利用的自然界的材料,它的间隙是非常小的,而且是孤立的。要么发红光、要么发绿光……

它们之间没法调节,它的能带是不连续的,但是我们要应用广泛就必须把能带连续上,就是所谓能带调控。能带调控就是我们人为的把两个能带之间的带隙进行调控,比如说在化能合成过程中我们添加某种元素,通过控制某种元素量的多少导致改变能隙之间的距离,比如说某个元素多一点,这个材料就发红光,少一点,材料就发绿光。我们人为控制它,这就叫能带调控。

研究包括材料这些最基础的东西。比如我们平时说的太阳能电池,我们现在很热门的就是能源,现在是能源时代,我们做能源。比如说一个太阳能电池就是要把太阳光的信号、能量转化成电,这就是太阳能电池的基本原理。比如说能带调控,把一个器件做成所有可见光都可以吸收,所有波长的光都可以吸收,这样一个器件的效率就可以提升得很高。如果一个电池一个器件只能吸收某一个单波上的光,那么这个太阳能电池的效率肯定就很低。所以我们刚刚说能带调控就是把不同的能带集成在一个器件上,那么就可以有利于提高这样一个器件的效率,这是举了一个例子,包括光探测器也一样。光探测器,光打在一个器件上,想要变成一个电信号。如果你这个探测器灵敏度比较高,什么光都可以响应,那么这就是一个宽带光响应探测器。这就需要从最基本的问题来解决,从材料到器件的应用,这就是这样一个道路。比如说LED,我们在街上经常可以看见不同颜色的LED。它这里面就是不同颜色的带隙体,有的LED发蓝光,发蓝光的LED那么它的带隙、能隙就比较宽,发红光的就比较窄,这也是通过材料来调控器件的性能。还有我们的灯泡,比如说LED的白灯,我们就有可能把几种不同的光,红绿蓝或者是黄,组合以后可以形成白色或不同颜色的光。这都需要从最基本的材料问题来入手,从半导体材料的带隙的角度来做文章,来实现调控。                                            

   那么刚刚说的这种能隙一般来说怎么调控呢?刚刚说了一个材料。通过不同的材料,选择自然界中不同材料做成不同的器件可以实现不同的发光颜色。还有一个刚刚说的量子点,通过量子效应,一种最基本的物理效应,比如说一个半导体材料随着尺寸的减小,特别是到了纳米尺寸的时候,五个纳米,十个纳米,它中间的能隙就不一样。这就是通过一种物理上的效应来实现颜色上的可调,这就是量子尺寸效应。最基本的一个就是我把一个发红光跟一个发绿光的材料混合在一起,把它们做成一个新的材料,那么这个材料的带隙的大小通过前面说的元素的配比来改变,这是一个最朴实的方法。你说一个AB化合物材料,它的带隙比较宽,AC的比较窄,那么两个形成ABC的这样的材料,我们就一直觉得可以通过CB的成分的大小或X的大小来调控带隙的大小。我们选择的主要是这个东西,这个东西叫半导体的合金,不同的带隙合金在一起,组合在一起,这叫合金。我们的出发点就是通过这样来做一些新的材料。

这里呢,因为我们今天主要是本科生,虽然列举了这么的内容,但我简单地提一下,浅显地讲一下我的研究。刚刚说了纳米级别的半导体材料和能带调控。怎样把这个能带变大或变小,这样就是调控。纳米这些维度比较小的材料怎样实现能带调控,这个能带一调控的话,原来这些高密度集成的器件就可以灵动起来,这是我们研究的主要思想。当然的话,这个工作分成好几个部分来做:一个是纳米片,还有做一个一维的纳米带,包括二维的晶体,来实现新材料的能带调控;第二部分工作就是我们做了一个通信放大器,这也是我们最近做的一个工作。因为我们最重要的是做成芯片集成。芯片集成,比如说在通信领域一个最基本的就是光源,我们要做出激光出来,激光的一个光信号过去,我们通过放大器把它放大,放大以后用探测器把它探测,所以说一个最基本的芯片信号处理系统至少需要这三部分,还有好多各种调制、解调的。等下我们讲一下放大系统,我们最近做了一款纳米尺度的世界上最小的放大器,而且是通信管理放大器,我们最近做出来这样一个东西。还有一个是我们正在做什么,怎样去朝这条路关键是芯片集成这条路去走。

首先,我再强调一下,我在报告的过程中,我随时都可以被学生问问题打断,但这个毕竟离大多数学生还有点远,可能从来没有接触过这方面的东西,但是没关系,我们对于一些常识性的东西可以一起讨论。

刚刚说的纳米线是一维的材料。我们在做的过程中,提出一个新的思路,沿着这个很小的纳米线上的不同的地方上带隙是不一样的,我们怎样实现在一个眼睛看不到的很微小的尺度上,实现能带调控呢?如果在这个小的纳米线上不同的地方能带不一样,那么这个材料是非常独特的,这在自然界中是没有的,而且它会产生好多新的现象和应用。而且如果我们在纳米线上把一段做成宽带隙,另一段做成窄带隙,中间有过渡很快的一节,这便是一个很有代表性的材料。长这样的纳米材料,特别是纳米线,一般都是用一个简单的CVD系统来长的,用一种炉子---管式炉,这种炉子是怎样工作的呢?中间是加热的,两边红色的地方是电阻丝,中间放一些你要反应的材料,一些粉末之类的,然后加热,加热之后通载气,把加热蒸发以后的气体传输到下游,在下游的地方放一个基片,这个基片就是用来盛集这种纳米材料的,我们蒸发的样品随着管壁通过氮气或氩气,把它运输到下游盛装到一个基片上,会在基片上慢慢长起来,像一个小树苗一样,慢慢地长大。这个材料也会生长,所以我们叫长材料,像活的东西一样的。长材料其实就是一个原子堆积的过程。如果我们想办法把它控制沿着某一方向的话,它就会生长一个像突发事件的基本的一个积蓄,这就是纳米线的生长。但这一般来说很难控制的,所以在这里我们有一个很大的创新,那就是在这系统中我们要控制它生长的组份。在我们这一个动画里就能看到,我们在生长过程中按了个马达。这个马达沿着管壁推这个材料,甚至一面长一面推。推这个材料就是为了改变它的蒸发温度,一面长的过程中蒸发温度容易改变,它的蒸发速度也容易改变。它里面有许多不同的材料,因此它蒸发的温度和速度相对可以可控。那么长出来组份就变了,用这个方法比较多,减少生产过程中颜色的变化。这颜色意味着它的能带代谢率也在逐渐变化。关键这是纳米,是非常小的东西。我们可以通过宏观的马达来实现对微观上的能带沿空间的调控,这是我们的纳米生长的一个专利。主要是利用这个马达来改变速度以及它来往的交换,也可以实现将它抑制结构,有一个分头的镜面,沿着不同的材料反复着宽带窄带的长在一起。

这里给出一个样品,这就是我们长出来的纳米线,刚不说纳米线嘛,这就是纳米线,就像许多小虫子一样。一个方面,纳米线在紫外光的照射下,线的不同的地方颜色是不一样的。从这里取出一个纳米线,它沿着长度的方向它的发光光谱是连续可调的,这就是发光光谱。这个光谱就是用激光照射的某一点产生的光谱,这个光谱反映出它的颜色。另一方面,在一个很小的纤维上突发在不同的地方发出的颜色是不一样的,而且这颜色可以大范围调控。现场我们可以看到从400纳米到800纳米整个可见光,眼睛看得到的发光它都可以集成在一根线上。这根线的发光光谱从所有的可见光的颜色都集成这一根线上。发光光谱在这显示的不是太好。发光光谱一直从进紫外到进红外之间完全是连续可调的。

从微曲的角度来说,它的能带沿着纳米线逐渐变化。另外我们更重要的,我们可以把它做成十多微米的长度。其实一个纳米线的直径只有几十个纳米,它的长度十个微米,那么把所有的颜色都集成在一个小虫子上,而且这个虫子发光发什么光呢?它可以通过调控发不同的光,特别是可以发白光。它是一个长度为十多微米的颗粒,它就可以发白光出来。我们知道老师做LED的红绿蓝一般都是在700个微米的范围内,这样的话它也是接近眼睛的分辨。如果一个白光做的十微米,显然是眼睛看着更舒服,它显示的质量更高。在一个十微米的尺度把不同的颜色集成在一个小点,可以从大面积的采到,还有照片可以发出许多白光出来,这就是荧光屏,相当于一个彩色荧光屏或者是白光荧光屏。这个是一个纳米线。如果把这个在一些技术基础上应用在一起的话可以作为显示一种LED的验光门。老师要做LED的话,这就是一种很好的应用。但是这个的发光效率高,它的亮度各方面都有优势。随后我们把产量提高的话,这个东西其实还是非常有用的,而且同时很小的一个东西,可以把它做得更小,以至于可以放到一个生物里去甚至一个细胞检测理里。说不定,可以放在细胞的生物里去,因为它很小。

刚刚说的这个线它很有意思。这样的一个线,我们用一种激光去打线的中间,它从两端出来的信号是不一样的,一端发绿光一端发红光。这就相当于从信息方面来说,它是一个波分起点。给它一个信号灯出来两个信号,两个信号不一样,它波分了,它是一个波分器。扩展转折性的一个波导。而且,因为它沿着这个纳米线。它的物理的能带是不一样的,能带不一样意味着它是不对称的结构,一面宽带一面窄带,它不对称光在里面传输也是不对称的。我们知道我们在信息上学到的二极管,二极管实现电流的单线流动,这个结果对实现光沿单线传播,所以叫光二极管。你看我们从这边激发的光从这边传出来,它的亮斑很大。如果从这边激发出来,从那边的就关闭了,是不是?那这个单线从我们这个实验的结果可以从不同的程度上看出,它相当于一个振度曲线,它的光沿着纳米结构是单线的,单向波导出的一种功能,所以现在叫光二极管这样的一个功能。这在大家信息处理,关系处理下是很重要的,可以实现光从同一个方向传播,这些也是大家追求的。而且这个结构还有更有意思的,从这里激发沿着这个纳米线跑的过程中它的频率,它的发光的信号是不断变化的。因为它的能带代谢的比较快,代谢可以调控光波导的信号,那么,不同地方它的频率是在变。我们没法看到,就把它做成这样一个分支结构。我们看,我在这样一个纳米线上,拉起了竖支,一个小分支纳米线。这个分支的作用就是把不同地方的光支从这个地方引导出来。因为光碰到一个分支它就会漏出来了。从不同的分支出来的光是不一样的,就分离了,这就是一个信号分离。在信息上出现的一个波分期间,这就是一个波分器,但是这是一个很小的微纳米的波分器,所以从这里进去出来信号就分离。

刚刚说的是这个能带和线的代谢是逐渐变化的,另外还有一种情况就是突变。

突变就是代谢性能,说明这些代谢大小。另外一个结果就是这是宽带,这是窄带,宽带不变,这样的一个结果。这个结果我们通过这个实验已经把它展现出来了,是这样一个结果。这是给我们的一个代表性的照片,这就是展现出来的纳米线在紫外灯的照射下,一张发绿光一张发红光,中间一个是它的镜面,这个镜面我们可以通过高分辨的电镜可以看到,这个镜面明显有一个镜。中间是红色的两边是绿色的,可以做成三节,也可以做出四节五节。而且中间这个黄色做的很小,做成一个点,一个很小的点,箭头指的是一个很小的点,现在一个量子点作为一个纳米线的中间点,那么这些结构有些什么用呢?在这里我举个例子,在这里就要回到一些基础的知识,我们来回顾一下纳米线的光波导,我们刚刚说的纳米线的是一个微纳米子做的一个导光,光波导。

这里给出的这些照片是我在读博士的期间,中科院物理研究所的一个工作。这个工作做得什么呢?当时这个光波导是刚刚被发现,2004年被发现,我是2005年做的这个工作,在一个叫smother的杂志第一期发表我这个工作,这是一个新的杂志。当时这个光波导刚刚被发现,那么光在纳米结构里面到底怎么传播呢?大家也没搞清楚,当时我就有直觉研究这个问题,搞这个实验,但是相关的设备没有,我就跑到北大去做的这个实验。

后来我博士二年级的时候我就去了北京大学,去做这样一个实验,从这个实验开始我后来就两年全部都在那做实验。他们有一个叫近场光学显微镜,可以在显微镜下操控这个纳米结构,可以测出它的光谱,后来我们在做实验中发现,原来这个光在纳米线的传播过程中,信号衰减的很快,它不像光纤一样可以传几百公里,信号衰减的很小,几十公里吧,都很小。但是这个纳米线在传播过程中他的损耗太大了。这显然对这个的利用是不利的。

这个损耗有两个原因,一个原因就是结构导致的损耗,尺寸,因为纳米线直径很小,你也知道绿光,可见光的波长是400800纳米,单一个材料,一个结构,一个光纤,如果他的尺寸比你的波长还小的话,那么光显然会损耗掉很多对吧,因为他的波长容纳不进去,那么光在导的时候会损耗掉,因为他会跑出来是不是,这从直觉就可以认识这一点是吧,如果一个材料的尺寸比你这个光波的波长还小,那么光在里面导的过程显然能力是有限的,好多能量都会跑走。这是一个结构的损耗,这是纳米线损耗的一个原因。

还有一个原因就是光在传播过程中,与这个材料他是相互作用的,他是有吸收的,这个材料本身会把这个光本身吸收掉一部分,吸收的过程中,这就是损耗,是不是,这就是损耗的主要来源,这就是自吸收损耗。我们这个工作主要是发现了光在纳米的这个自吸收损耗,这个自吸收损耗导致他的波导的效率非常低,那么我们刚刚说的这个抑制结构就可以避免这一点。这个是我们么做实验的一个原理图,这是一个纳米线,中间是一个窄带隙的,边边是一个宽带隙的。如果我们利用这个纳米线的话,把激光激发到中间这个窄带隙的话,他的两端是宽带隙的,那么中间他的那个能量滤载机发射的光波长太长,两边带隙比较宽,两边的材料,这个带隙比较宽,这个波长发出的光就不会被他吸收,也就是说两端的带隙比较宽,中间一个低能量的光就激发不出上去,利用这个原理,也就是说两端的材料,宽带隙的材料相当于中间这个窄带隙发出的红光,它是透明的,它不能自吸收的,不能自吸收的话自然就不会跑出来,那么它的波导效率就很高,你看这是我们实验的一个结果,我们激发中间的一段,两边长的信号,两边就可以激光出来,是不是,像两面镜子一样,光线在里面没有自吸收这样的震荡,震荡以后激光就会从两端跑出来了。

什么时候出激光呢,我们来衡定,有一个叫激光率子,率子曲线,这就是我们常规的纳米线跟我们的粒子结构纳米线的对比,我们粒子结构纳米线它能出现激光的难度就降了很多,稍微一点光激发,它就会出激光出来,这就是一个方面的应用。你看,中间是一个窄带系的光,在这里没法跳出去,两边是透明的,光在里面没有自吸收这样的震荡,导致这个纳米激光器,这个纳米线就叫一个纳米激光器,你们在科普上会经常见到纳米激光器,这就是纳米激光器。像这个新型的纳米激光器它的自吸收损耗一直很低,对这个集成板应用起来会比较好一点。

我们讲一下探测器,刚刚我们讲这个抑制结构,我们可以找到这样一个线,这是一段材料,中间是一个镜面,这两个材料是一个是电离子数据线,一个N极一个P极,中间是一个电极,那么中间这个电极在电子器件中是非常重要的,在能源上,在探测器,在大的电子上,都需要电极,我们现在找出这样一个材料,这个东西我们就不讲,反正这个材料画成了一个光谱,材料发出红外光,这个材料带隙很窄的话,一个发光带在1.62.2微米,在红外里面眼睛是看不到的。利用这个电极完全可以做成一个光探测器,这就是一个器件,两个电极搭在这个纳米线上形成一个光探测器,这是一个I-U特性曲线不同光照下形成一个很好的整流特性,在不同的光照下,它的光电响应是不一样的,它有光亮的,它可以把光子信号变成电子信号。这里给出了一个响应谱,横坐标是波长,它这个器件刚好在1.55微米这样的波长这里响应,它的峰值在这里,这个1.55这个是我们平时通信中用的最常用的通信波段,我们通信用的是XPONSDH等离子这样一个通信光,我们通信光就是在1.5,这样一个器件刚好探测这个通信光的波段,所以它就是一个通信光探测器,它是一个很小的可集成的红外通信光探测器,这里给出一个绿光上升的曲线,一个开光特性曲线,这是一个探测级别。我们下一步做集成,这个激光器,探测器,还有放大器都需要集成一个芯片,至少我们自己来做。

    相当一部分激光,那么我们利用这样一个很小的纳米带,就可以测激光,而且可以利用这个粒子结构,还可以做成一个光探测器,高性能的光探测器,在这里就不多讲了,另外讲一下另一种情况。那原子晶体,原子晶体操控,国产的原子晶体,原子层很薄的,零点几个纳米,这是所谓的概念,一个原子多大呢,那么怎么来操控呢最简易的方法就是调控,这个代表性的原子晶体半导体,它能性的大小是不一样的。我们怎么把这不一样的放在一个小芯片上,这也是一样的,通过温度来调控,就可以合成原子晶体。而原子晶体组份是不一样的,不同的温度是会形成不同的晶体,不同的温度就会得到不同的纳慢,这个结果就说明了组合晶体在不同温度获得的组份完全不同。我们还做了一个基础的片散,你看这一个原子晶体片散。从中间往外扫描,经过扫描这样一个小件呢,中间是一个很小的半导体,慢慢长大。长大的过程中,这个成分是逐渐变化的,经过扫描仪可以看出来,扫到的波长是不一样的,也就是这一个原子晶体在组成上,在不同地方的断裂特性是不一样的。你看从这个发热不同的波长,在空间上是分明的。还有个就是,我们可以做成粒子结构,里面是一个什么的界面。首先是一个窄的,不能是一个窄一个宽的。样品分布的扫描,你看里面一层外面一层是不一样的,一个三角形套一个三角形。明显是一个三乘三的结构。这也是我们的一个突破,通过结构看到确实是这样一个例子。你看我们用这个新的原子晶体给你做一个新的探测器,而且可以做成一个气垫船。如果做大了,可以做成一个系统,进行信息处理。这就是为什么研究这个东西。你看网站给我这个东西的评价。第一次用电热的方法实现了奥维半导体的伸展。另一个非常有名的杂志给我们评价,实现了完美半导体的结构。我讲到现在就是半导体,半导体在关键应用上是最重要的,而最近我们又实现了一个压波长的一个通信光路半导体。你知道通信波长才一点五微米。那我们怎么在纳米材料中实现这显然很难,是不是?为什么难的,相对于这个纳米材料,波长太长了,光限制不住。最近我们一直,三年以前我们一直在做这个工作,比如实现一个几百纳米的光纤,怎么来实现呢,一点五微米的光压力穿过去,然后光压力放大,这个就是我们所做的事,这个对将来的信息处理非常有用。放大器的市场,随着06年到2019全世界将会有28亿的市场。对于基层小的放大器更是追求一个目标。必须要一个新的技术带进来,那我们怎么能实现可基层的放大器呢?2013年报道,是用金属结构来实现的放大,现在研究的另外一个热点就是金属表面等离器.通过表面一个很强电磁场的震荡,实现一些把信号限制住,但是这个金属本身是个损耗的东西,它损耗很大,不利于远程传播。如果你将来做成一个器件,让你远距离传播,那么这个金属显然是不利的。那么对一个纳米线,几百纳米的纳米线,光波就零点几微米,光都进不去,大部分光能都被损耗掉了。从奥维这个电磁场的模拟可以看到,这个黄色是,这是纳米线的一个直径,这个强度最大的地方是在表面,原因是限制个度,那我们怎么做呢?我们最近也是想到在传统的通信中,虽然是即使几十微米的光纤。但他利用的是一个壳层,是一个新的壳层,它里面的折射率是比较高的,外面是比较低的。里面这层,我们就是利用这样一个概念,比如说我们做成这样一个结构。里面是硅,硅的折射率很高,它是有三点五,外面是一层介质,这个介质在一点五个波长,把信号放大,可以发光。我们可以采取这样一个概念。我们做到纳米结构,这整个纳米线,你是在六百纳米,中间的这个硅可能两百纳米,外面的一层三四百纳米,那么我们利用这个晶硅的一个好处就是,利用硅这个高折射率,把一点五的光限制在这个中间,那光纤为什么限制不住光纤呢?所以在在一到一点五微米里的光是限制不下去的,如果我们是用这高折射率的硅,你要知道,我们限制还限制不住,我们看光是否在里面的发生全反射,是不是。一个方面可以融进去,另一方面看能不能有全反射。里面是一个高折射率,外面是一个基层的铝,那在界面上就有利于全反射,是不是?这是我们几何概念里最基本的常识,外面是一个高折射率的一个芯片,一个硅酸盐,硅酸,我们平时在与光通信中买到的都是掺杂这铬的放大器,一般的浓度只有百分之零点几,零点零几百分之。浓度很高,高的话就容易催裂,如果我们把它做成硅酸盐单晶的话这个浓度就会达到平衡。我们就是做了这样一个过程,我们通过CT把它打印出来。你看,这个纳米线的表面很光滑,纳米线的表面很光滑对光的传导是很有利的,因为粗糙的表面会使光散射穿不过去,对光的传导很不利,所以做了一个很干净的单晶体,这个图是把纳米线剖开,中间是硅,里面是硅酸盐单晶,总之从这个照片可以清楚的看到确实是一个这样的合格的体格。成份也很清楚,那么我们就利用这个材料做个例子。首先我们要注意一个最基本的的损耗问题,光从这里顺着纳米线,在传播过程中可以测到损耗,有关于光的损耗,首先可以得到这样一个数据,发现这个损耗非常大,哪怕只是这样一个结构,损耗也非常大,哪怕有这么大的损耗这个结构还是可以实现光的放大,为什么?因为表层微创的鋨的浓度很高,但增益非常大,可以把这个损耗大大屏蔽,这是实验的结果,这个需要放大后才能实现,这是没有放大的时候,损耗确实可以降低,从这个时候可以看到在高曝光的情况的话它可以得到净增。净增的意义就是说光在传播的过程中虽然损耗很大,但是损耗不光,它还有多余,那么这就是净增,这个器件放大的系数,放大增益非常大,一般在3倍后可以增长到零点几,可以增大30%,我们还可以调换这个结构里面的芯层角度的大小可以调换到200纳米左右,这个光刚好被限制,在这个鞘槽里面,如果光传播的信号集中在这个鞘槽,也就是说在传播过程中同时也是增益继续延长的时候,那么就非常有利于它的放大,这就是为什么实现它放大的原因,这也是很巧妙的原因。下一步我们要开展的工作,在前面思路的基础上,一方面我们要把这些结构合理有序一面做出来,我们刚刚说的最重要的应用还在基层次,计算出来我们就要把合理有序的一面做出来,这就是我们最终的成果,你看,我们可以在这个面上把纳米线排起来,这样平面的展出来,展出来以后我们利用微型的波斗可以把纳米线与纳米线之间连起来做成一些回路,这样的话可以进行一些信息的计算和直接处理,这些东西我们下课再说。同时在这些关键探测的一些进行研究,最重要的是去实现这样一个系统,这是一个简单的系统,我们马上就要实现这样一个系统,比如我们前面说的一个机关器,包括我们这个放大器,最后一个探测器,我们一定要的探测器有了,一定要的放大器我们有了,一定要的机关器我们正在做,如果机关器做成了我们这个信息处理系统可以做成,我们下一步准备做出来,今天基本上要讲的就这么多了,我还想花点时间和大家讨论一下,最后我还要谢谢大家欢迎一些优秀毕业生和专业教授加盟我们致力合作。

主持人:让我们再次以热烈的掌声感谢潘教授的精彩讲课,我相信同学们

在听到如此精彩的讲课之后,一定感触颇深,有许多问题想要深入了解,下面

进入本期科学论坛的提问环节。想和潘教授面对面交流的同学举手提问,举手

提问的同学我们的工作人员把无线话筒递给你,请想和潘教授面对面交流的同

学举手提问。

  潘教授:同学们我记得我今天来本来感触颇深,今天反正要讲一点东西,

但是我觉得任何人特别是本科生,因为你们将来人生的道路上什么都有,但我

们走过的路比你们长一些,我觉得我有一些有价值的东西和大家分享。相信大

家也给我这个机会也给你们这个机会好不好,行。

提问的老师:潘教授的报告讲得很好,大家可能都在一些时间上不太了

解,这是他发表的一些文章,都是在纳米材料领域非常体现他发明的东西,这

体现他的工作非常不错,但是确实不是专业的,因为不是做这一块的,有些东

西确实太深入听不太懂,我就问两个可能你看来比较简单的问题,我想向您请

教一下,第一,就是那个一般而言光的传播需不需要介质的,光在真空中也可

以传播,您刚刚做的那个石墨烯,那个结构的话它是通过外层结构把光又打回

去了,这样才能够传输,通过光的反射,我的问题是如果说纳米线的话,它怎

样保持光沿着纳米线传输而不是说向四周发散。

潘教授:光能沿着纳米线传输原因就是纳米线里面光也能够传输,线里面与光线接触的介质承受率大,外面小就使得纳米线表面可以反射,纳米线自身的结构就使得光被束缚,那么这就存在一个问题,如果这个纳米线小于100纳米的话,就会使得纳米线不能反射,它这个是因为这个纳米材料自身的尺寸所决定的,尺寸对这个波导的传播效率影响非常大。

金属表面的部分电子很震荡,它是贴表面的,它可以把光限在一个非常小的颗粒下,哪怕几个纳米的机械,几十个纳米的,至少十个纳米是没问题的,因为这样的话可以把机械做得更小,甚至在20纳米或在30个纳米把激光做出来,这有一定报道过。2009年,40纳米的颗粒实验激光利用表面和界面效应,通过表面波把它束缚在一个很小的电上。但是,金属有它的一个问题是损耗大,虽然能贴在表面,但是它穿梭过程中损耗大。如果在金线或者银线中穿过,表面损耗最多几个微米,十个微米的就损耗损耗完了,显然不利于利用。所以说我认为在将来现实中用的话,必须要把表面和半导体结合起来,它是有一个优点是最小,但它的穿梭损耗太大。

学生:这个问题我很满意,第二个就是说,我看了您的这个材料首先是先制备然后才是表征。您的制备斗用到了您自主设计的CVD,应该是一个改进的CVD,这里面所有材料不管是线还是面都是用这个设备制作出来的吗?

吴教授:对,我们这里有十几套。

学生:有十几套,都是自己搭建的?您有没有考虑过试着用一些其他的CVD方法,例如LD方法、Conicted visson 或其他的一些改进的方法去尝试?

潘教授:这个我们已经在搞一套MVD,因为我们一开始没钱嘛,CVD最简单。

学生:那这应该是发挥最好的一个方法了。

潘教授:对,性价比比较高。

学生:还有您刚刚提到一个表征的设备,就是您在北大念博士的时候做的。那个实验是在同时做荧光光子的检测吧。现在您有这个设备吗?

潘教授:自己有。

学生:这个设备非常好,下次我可以到您那里学习一下。好的,谢谢。

潘教授:好,辛苦发言。我们的纳米观念在全国已经超前,并且我们还可以测超快,我们的放大型激光器在去年已经到了,这在国内算领先了。

学生:我想问您一下,在科研道路上您是如何寻找目标的?

潘教授:这个问题很难,行,我给你分享一下。科研的话,首先,我说我的学生吧,我的学生其实和你们是一样大或者比你们大一点。研究生嘛,刚开始他们都非常迷茫,研究生读三年,就是上几门课嘛,至少第一年就混过去了,因为要进入状态。科研,在一定环境下,你要知道自己处理一件事时的“算盘”,自己要做什么。如果你是研究生,你做研究工作,你肯定就要读大量文献,整个科技的相关文献你要清楚。也就是说你首先要明白,我们要在这个科研上要做什么。这是首先要做的。还有一个就是要选方向。你这个方向是怎样选择的呢,自己可能很难。在这个过程中要充分和老师交流。我举一个例子。我在中科院物理所读博士的过程中,我记得我与众不同的是我喜欢和老师交流,哪怕中间有点隔阂也没关系。我是那么多学生中最愿意去找老师的,当然最后我的成果最多,这是肯定的。因为和老师交流的时间和最后你得到的几乎是成正比的。这样的话,你可以站在老师的肩膀上往上走,否则的话太难,真的太难。所以说有时候新生也会把自己搞得很高调,老师讲话也要争论一番,老师因为学生很多,包括我讲话有时候也会伤了学生的自尊心,但最后学生回过来还是觉得我对的。所以说,还是要充分的与老师交流,在中间摸索,寻找自己的方向。你有困难没关系,九个老师中时刻有八个会分享他的一些东西,这是肯定的。所以说你们不要把自己孤立起来,一定要利用好自己的老师,老师就是你们的财富。交流能力非常重要,特别是现在的学生,大部分学生的交流能力都需要有进一步的提高。

学生:谢谢老师。

学生:我想问一下,石墨烯能让电产品达到直流的效果,如果能普及的话对于我们来说是很方便的。所以说如果纳米半导体能普及到我们当代生活中,应用到电子产品中会带来什么样的更好的效果?

潘教授:现在有两种方式,一种是用光来作为信息的载体,传统是用电(作为信息的载体),你指的是这个问题吗?

学生:石墨烯如果大量普及会使手机变得更薄,携带更方便,性价比会更优。

潘教授:半导体和石墨烯是一类东西。但是石墨烯有一个缺点是无法光电转换。

学生:我的问题是假如半导体纳米材料普及到我们的现实生活中,会给我们带来一个什么样的革命性变化?

潘教授:革命性的变化就是它会做的越来越小,它的功能,技术层次会更高。最理想的可能就是半导体和石墨烯结合起来,将来很可能两者结合到一起,把所有的功能发挥出来。

学生:那现在的价格?

潘教授:价格,现在很难说。因为它是在最初的研发阶段,还是很基础的。石墨烯由于它材料很特别,各方面都有很好的特性,所以说它可能在能源各方面优先搞起来,加上我们市场上股市的飙升,炒作一下,更有前途。

学生:我看了一部关于石墨烯的宣传片,感慨它的确很好。

潘教授:但是石墨烯在观念上很基层,在能源上可能更强一些。

问:你们做这个材料, 院士注入了纳米氧化锌,他那个压电是不是公电?那怎么样才能通用呢?

答:对,我们这里也有压电。通用,但氧化铁的压电效果比这个好一些。

学生:那你把这种材料做到了极致;教授:做到极致,还可以的。

学生:还有一个就是渡静电径,因为渡静电径的那个CD,我觉得这个很有趣,因为这组我们前几天讲了那个,我们院里面另外一个博士,他要我们那个3D的,那我们这边店子里面,我觉得你们这个方法在我们店子里面特别管用的。我觉得这次收获特别大,这里这么多学生,我觉得他们的问题就,他们能特别明白这一点的。然而这个价格就。。。(私底下再谈)

教授:我们要给更多的机会给学生负责人(给你一个优惠价)。现在主持人来整理一下,把话筒递给那个人,一个一个的来。

问:我想问一下,我以前知道的电子是单向传播,但是你刚刚说光的部分也是单向传播,你能给我们解释一下到底是怎么回事吗?因为我们觉得是很奇怪的。还有一个就是,我们在现实生活中,比如说在充电器上有一个二极管,在电没充满的时候它显示的是一种颜色,在电充满的时候它又是另外一种颜色,那么就这种显示和您刚才说的那个有关系吗?反正我觉得这是一种比较简单的细节,因为我们的充电器都是很便宜的,但是按照你刚刚说的那种,对于目前的工艺来说,肯定价格不菲。所以我觉得,除了这个以外,就比如说你刚才说的那个,你把我们引入了那个方向,还有其他的,就是目前来说,实用得比较简单的办法吗?

答:这个问题,的确、、、刚刚想起来,确实有点儿老了,记性有点儿不好了。刚刚我们做的这个结构,它是个对称的结构,它从表面上来看,它的总量是非常之高;从物理的角度来看,它能带的带隙是对称的,那这个对称的当中,比如我从一端激发或者从另一端激发,它发射的光的波长是不一样的,那么从这个窄带这一端发射的波长,其能量事实上是比较低的,往它这里传播是电子失控,具体这个概念在里面我已经讲了,一边是有自信心,一边是没有;一边能量被吸收掉了,光在传播的过程中,从这个宽带往窄带传播的过程中,能量都被耗散了,被吸收掉了,吸收的本质就是带隙,电子被添上去了,光被激发,把材料的电子从价带往导带激发出去了,激发出去能量就扩散了。从另外一个方向来看,它不会激发,它能量不够高,它是透明的,这就导致了它的不对称,不知道你能不能定性的理解一下。

学生:我的意思就是,您刚刚就是相当于光的能量被跃迁的电子所吸收。

教授:对,被材料吸收了,吸收物体的过程就是把电子给激发出去了。

学生:但是我在想电子跃迁也在发射激光,那么这样的话是不是也会向外界扩散光源啊?

教授:你这个问题问得非常好,在吸收的过程中,它不会发射激光,它会跳下来在发光,发射另外一种波长的光,但是这个光,以为这个过程中能量的转化效率是特别低的,明白吗?就是这个光被吸收了,不是百分之百的发射出来,它只有很小的一部分被发射,大部分都被转化成热电子了,被耗散了,被振动那些耗散的。

学生:也就是说它会放出热能?

教授:对,热在物理上就是声子,就是振动,就是振动的能量。

学生:那既然发热了,您刚刚说的,就是现在遇到的一个问题,一个电子设备的发热问题,那现在遇到的激活(这个是不一样的,电子设备的发热和电子元件的发热是不一样的)

教授:在一个体系里面,你要知道,所有的物理现象都存在,只不过是一个相对的概念,它的侧重点难一点,我们就是用光来发射信号,就不能说它没有热点,它有时候,它中间有个过程它会发热,只不过相对来说它比较少的,就是这个道理,不能说完全并没有。第二个问题能在重复一遍吗?

学生:就是用充电器的时候,电没充满的时候是一种颜色,电充满的时候又是另外一种颜色,那个

教授:那个只能是过去的一个电路的问题。那个是因为同样一个遏抑里面有三个芯片,它只是让不同的芯片导电而已,就相当于有一个开关,刚好是做这一块的,一个很小的集结里面有三块芯片,一个芯片发蓝光,一个芯片发红光,一个芯片发绿光,然后等到你充满后,它可能有一个电晕,把那个开红光的开关打开了,这是一个很简单的电路设计。

学生:就是铜化木和锌化木这两种材料你是怎么找到的?

教授:为什么选择它们是吗?

学生:可不可以就是生产最新型的物材,就是计算机的芯片,用到我们生物医学方面做一些分子分析人?

教授:完全是不可能的,就是硫化木上已经很多在搞飞机化学的人已经很多了,利用硫化木的一些特性。

学生:我想问一下,这样的话还要多久,你能预测一下吗?

教授:你说做这个市场吗?社会好多人已经在做了, 但是用到一个什么样的程度就很难预测了,我本身也不是搞医学的,也不怎么懂的。

学生:那第一个问题呢?

教授:第一个问题就是,你要知道2017年诺贝尔奖是一个什么系得到的,后来,这几年一直为什么系感到遗憾,所以说,就这三四年开始,硫化木发现了,这个成为全世界的研究热点。为什么要研究硫化钼?硫化钼是一个单原子层的非常好的窄带隙半导体。发光效率各方面都很高,又是一个原子型的材料,这是一个非常新颖的题目,所以说我们要研究它。接下来如果它的性能提高以后,将来由此一来大面积的话,它就可以进行应用起来了,它走向应用的话可能比纳米线更快,因为它是利用了石墨烯同样的一个结构上的特点。

问:刚刚说了最领先的材料,那能不能找到更新型的材料来取代它。

答:现在还不知道,现在还没发现比它更好的。现在基本上硫化钼,硒化钼,硫化钨,硒化钨这几个材料研究的比较多,这几个材料之间没有太多本质上的区别,不相上下,但不知道有没有改进。重点说说,硫化钼在全世界竞争力非常的大,我们为什么会在硫化钼上(下功夫),这工作其实已经很不错了,大家说《Nature》那么伟大呢,在全世界一年也就一百篇文章,一个月也就十篇文章。我们的重点就是在纳米线生产上做大量的积累,就是刚刚那个系统,我们有个接口,这个接口我们刚好用的二维材料,新型的二维材料,比别人快那么一点点。其实在我们这个文章发表的同时,同时有另外两个组,一个是华盛顿大学。同时有六十个工作,同时出来,在一个刊物上同时出来。只不过我们做出了片基,别人没有把片基做出来,我们做片基之前把器件做出来了,别人还没有做出器件出来。所以说这个行业竞争力非常大的。

问:这个有没有可能会成为下一个诺贝尔?

答:这个不好说。

刚刚说这个选研究方向,我谈到这一点了,我给你补充一下。选研究方向就是一定要知道你的路途他的特长是什么,我反复在给我的学生讲,不要什么东西都要做,不要让你搞什么东西你就搞什么,不要让你搞人缘你就搞人缘,你一定要知道你自己的特长,把最热门的东西要把最特长的东西结合起来,你就成功了,一定要做自己特长的事情,这就是我们平时在本科生还是说毕业生将来下一步都需要面临的问题。首先要知道自己的特长是什么,这个问题要清楚,再去定研究方向。

问:就是我们中国目前在世界上宽带速度一直排在倒数,然后看到您这个纳米材料处理信息非常快,而且看到那个纳米线的话,我就想到以后是否在技术完善的时候可以用作我们的网络传输的一个渠道,因为它跟光纤一样都是光来处理信号的,就是问这个应用前景,因为应用这个的话可能还要考虑到它的材料成本以及技术成熟方面(的问题),那么潘教授你是否也会有这种想法。

答:没错,你这个问题问得非常好,其实我也有这个想法。我们最近有很大的突破,我们就是利用纳米线把光开关做出来了,所谓的光开关,我们加一个电压光可通过去,再加一个电压光就断掉了,这个东西我们做出来了,这就意味着我们在信息领域芯片信息战走了一大步,这一步,远。但是这个光开关的速度我们正在测,能到多少G我们不知道我们也不清楚,但是这个光开关我们做的已经很漂亮了,现在我们正在用新的设备来测这个速度,这个速度到底有多快?但是这个开关我们确实已经做出来了,我们已经突破了,我们用了半年的时间搞出来的,我们最近这可能是个大的突破,这个东西出来的话我们下一步说不定可以办公司了,把我那个材料结构在一个芯片上把它应用起来。

问:那么在大概我们可以在未来多少年可以看见这种技术的成熟?

答:这个问题很难回答啊,因为我们对纳米的期待太多了,我想可能要一二十年吧。因为这个里面确实有好多东西需要解决,牵扯到小的东西,你要知道,现在英特尔他们做芯片的人,尺度越小,他所花的时间越长,它的成本也越高,往往都是多少倍多少倍地增长,它会越来越难。

问:我想问下毕业生报考你们研究生需要具备什么专业背景?

答:我这研究场地里面有物理的、化学的、材料的、电子的、光学的。

问:有没有生物的?

答:生物的现在还没有涉及到,我们还没有牵扯到生物的,生物的话我欢迎你去我们湖南大学,我也是那个重点实验室里的成员,分析化学国家重点实验室,他们做的很好,分析化学的。

问:我就想问下,就你说的那个现在你那个芯片可以做到12拍,然后它用到主要的原理是光原理。然后看电视里面激光的光源都是做得非常庞大嘛,所以说光源是怎么集中到芯片里面去的?

答:纳米线本身就是一个光源,纳米线本身就可以作为一个微腔啊。刚刚说光波导嘛,它在里面可以光波导,可以传播嘛,如果说两边是完整的晶面,或者说我们可以人为地设计一个面,那么光就在里面反射,就成为激光了。

问:我想问下,激光的功率是比较大的嘛,那怎么通过那么小的材料实现那么大的功率。

答:它的功率就是小的不需要太大的。

问:他们说要波长非常长,如果是纳米材料波长。。。(有杂音)

答:也就是说因为它小,它对功率的要求就没那么高,它可以小一点。而且它不同的波长可以通过不同的材料去实现。

问:还有我还想问下材料的问题,就是您刚刚说的硫化钼还强调了石墨烯嘛。就是它们两个各有什么优点和缺点?

答:我刚刚已经说过了,石墨烯有最好的力学性能,有最好的电学性能,有最好的光学性能,但是它对光的变换来说它是没办法,它没有带隙,也就是说你给它一个光它没法实现光电转换,它自己也很难做出激光出来。

问:也就是它们要用到不同的结合?

答:对对,光电转换它需要结合几年吧。

问:我就想问下材料是通过什么发现的?通过一些理论和推断来发现的材料还是通过不断的实验发现的?

答:基本上是通过实验来发现的。

问:不知道我看那些加个系统能做什么的,它在系统里面那么多也不知道怎么加,是通过一些理论知识根据它一些原子性能推断出来的吗?

答:基本上是通过实验来发现的,当然在实验的基础上通过一些理论预测去改进和改善它,一般是这样的。

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