1．液晶光开关的工作原理液晶作为一种显示器件，其种类很多，下面以常用的TN（扭曲向列）型液晶为例，说明其工作原理。入射的自然光偏振片P1偏振片P2出射光扭曲排列的液晶分子具有光波导效应光波导已被电场拉伸TN型光开关的结构如图1所示。在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃（1埃 = 10-10米 ），直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5-8微米。玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理（可用软绒布朝一个方向摩擦，也可在电极表面涂取向剂），这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；使电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的沿－45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿+45度方向排列，整个扭曲了90度。如图1左图所示。理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度。取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交。在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90°。这时光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。在施加足够电压情况下(一般为1～2伏)，在静电场的吸引下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构，如图1右图所示。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。若P1和P2的透光轴相互平行，则构成常黑模式。2．液晶光开关的电光特性和时间响应特性液晶可分为热致液晶与溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。目前用于显示器件的都是热致液晶，它的电光特性随温度的改变而有一定变化。图2为光线垂直入射时本实验所用液晶相对透射率（以不加电场时的透射率为100%）与外加电压的关系。由图2可见，对于常白模式的液晶，其透射率随外加电压的升高而逐渐降低，在一定电压下达到最低点，此后略有变化。可以根据此电光特性曲线图得出液晶的阈值电压和关断电压。；。V另外，在给液晶板加上一个周期性的作用电压（如图3上图），液晶的透过率也就会随电压的改变而变化，就可以得到液晶的相应时间上升时间Δt1和下降时间Δt2。如图3下图所示。上升时间：透过率由10%升到90%所需时间；。Δt1液晶的响应时间越短，显示动态图像的效果越好。3．液晶光开关的视角特性液晶光开关的视角特性表示对比度与视角的关系。对比度定义为光开关打开和关断时透射光强度之比，对比度大于5时，可以获得满意的图像，对比度小于2，图像就模糊不清了。图4表示了某种液晶视角特性的理论计算结果。图4中，用与原点的距离表示垂直视角（入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角）的大小。图中4个同心圆分别表示垂直视角为30，60和90度。90度同心圆外面标注的数字表示水平视角（入射光线在液晶屏上的投影与0度方向之间的夹角）的大小。图3中的闭合曲线为不同对比度时的等对比度曲线。由图4可以看出，对比度与垂直与水平视角都有关。而且，视角特性具有非对称性。
当液晶分子有序排列时表现出光学各向异性，光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。液晶分子是含有极性基团的极性分子，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。液晶是1888年奥地利植物学家Reinitzer在做有机物溶解实验时，在一定的温度范围内观察到的，1961年美国RCA公司的Heimeier发现了液晶的一系列电光效应，并制成了显示器件。液晶显示器件由于具有驱动电压低（一般为几伏），功耗极小，体积小，寿命长，环保无辐射等优点，在当今已广泛应用于各种显示器件中。
平板显示技术现状与发展趋势分析 姓 班 学 名： 级： 号： 指导老师： 日 期： ～ 1 摘 要：平板显示与 CRT 显示技术简介与对比，介绍平板显示 的主要技术类型以及主流产品。 分析中国平板显示市场现状以及发展 趋势，对该产业的发展提出具体建议。 关键词：平板显示；显像管技术；液晶显示技术；等离子显示技 关键词 术； 发展现状；前景。 An Analysis of the Current Situation and Development Trend of FPD Technology LIU gui-liang (Class 3，College major of Electronic Science and Technology,SCAU.) Abstract:Differents between the FPD and CRT the main technology and mainstream products of of the current stage and development trend of suggestion. Keyword: flat panel display; television picture tube technology; liquid-crystal display; plasma display panel; situation of development; future prospect. 目录 一．引言 …………………………………………………………3 …………………………………………3 二．平板显示技术概述 ．阴极射线管（CRT） …………………………………3 ．液晶显示器（LCD） …………………………………5 ．等离子显示器（PDP） ………………………………6 ．其他平板显示产品 四．中国平板行业前景 五．发展规划 六．结论 参考文献 …………………………………6 ……………………………7 三．中国平板电视行业的发展现状 …………………………………………7 ……………………………………………………8 …………………………………………………………9 …………………………………………………………9 一.引言 2 从 1999 年-2009 年，中国平板行业走过了不平凡的十年。十年来中国平板 电视行业经历了从无到有、从小到大、从弱到强的成长历程。在这波澜壮阔的发 展进程中，造就了一批行业明星，同时也倒下了一些辉煌一时的品牌。 10 年对于中国平板电视行业，是一段曲折崛起的峥嵘岁月。总结过去经验， 我们可以很清楚地看到自身优势与不足；立足现在，我们可以坦然地面对困惑与 问题，寻找突破之道；展望未来，我们期待中国的平板电视行业能突破瓶颈，取 得关键性进展。 本文立足于各种显示技术特点以及中国平板显示行业自身特点， 对此行业目 前的境况作出较为客观的分析。 二.平板显示技术概述平板显示（FPD）技术，顾名思义，就是采用平面屏幕显示的技术，它是相 对于传统阴极射线管作比较而言的一类显示技术，主要包括液晶显示（LCD）、 等离子显示 （PDP） 有机电致发光显示 、 （OLED） 表面传导电子发射显示 、 （SED） 等几大技术类型的相关产品。 平板显示器与传统的阴极射线管（CRT）相比，具有薄、轻、功耗小、辐射 低、没有闪烁、有利于人体健康等优点。下面将分类简单介绍几种主要显示技术 的主要原理。 阴极射线管（CRT） 阴极射线管的关键部件是连在荧光屏后部成为一体的电子枪。 电子枪发射出 一束经过图像信号调制的窄电子流，经过加速、聚焦、偏转后打在荧光屏的荧光 粉上使之发光。电子枪以一个相当快的速度发射电子流，同时偏转线圈控制电子 束方向，逐行在屏幕上扫过，达到显示图像的目的。CRT 显示图像是是不断连 续刷新着的，因此此类显示器看上去给眼睛一种“闪烁”的感觉。容易引起眼睛 疲劳损坏视力。 CRT 有黑白和彩色两种，黑白的显像管构造相对简单。图 1.为黑白显像管 的构造示意图。 3 图 1.阴极射线管 彩色显像管与黑白显像管的区别是前者有三个电子枪， 前端多一个布满微小 孔洞的 “荫罩” 以及荧光粉是红绿蓝三种原色排列的。 ， 彩色显像管显示图像时， 三个电子枪发射出三束电子，在同一个荫罩小孔上通过，分别打在三种颜色的荧 光粉上，人眼看到的效果会自动把三种色光混合，组成一幅图像。如图 2. 图 2. 彩色显像原理 4 荫罩的作用就是保证三个电子共同穿过同一个荫罩小孔，以激发荧光粉，使 之发出红、绿、蓝三色光。不同形状的荫罩有不同的透光率、对比度、分辨率等 参数。制造成本也不同。有一种栅条状的荫罩其透过率达到 95%。如图 3. 图 3. 孔状荫罩（左上）、沟槽状荫罩（右上）以及栅条状荫罩（下） 液晶显示器（LCD） 液晶显示器的关键物质是液晶材料，此类显示器也因此而得名。液晶材料具 有一个特别的特性：当它被加上适当电压时，液晶材料的分子会发生偏转，引起 其透射率变化，从而由“遮光”状态变换到“通光”状态，达到显示的目的。如 图： 5 图 1.液晶显示器件构成示意图 按照不同的分类方式，液晶显示有多种类型，根据所采用的液晶材料不同而 异：分别有扭曲向列型（TN）等多种，并不一一列举。根据显示像素构成不同， 液晶显示器分为无源矩阵液晶显示器（PM-LCD）与有源矩阵液晶显示器 （AM-LCD） 较早期的扭曲向列型 。 （TN） 液晶显示器与超扭曲向列型 （STN） 液晶显示器均同属于无源矩阵液晶显示器。新一代的薄膜晶体管液晶显示 器（TFT-LCD）等属于有源矩阵液晶显示器。作为 STN 的换代产品具有响应 速度快、不产生闪烁等优点。 AM-LCD 与 PM-LCD 的差别在于前者每象素 加有开关器件，可克服交叉干扰，可得到高对比度和高分辨率显示。 等离子显示器（PDP） 等离子显示器是利用两块玻璃基板之间的惰性气体电子放电，产生紫 外线激发所涂布的红、绿、蓝荧光粉，呈现各种彩色光点的画面。PDP 适 合应用于中大型尺寸（约 40-70 寸）显示器。等离子体显示器具有阴极射 线管的优点，但其超薄体积与重量远优越于传统大尺寸 CRT 电视，在高解 析度、不受磁场影响、视角广及主动发光等胜于 TFT-LCD 的特点，图像具 有丰富的层次。缺点是功率大，比较耗电。 其他平板显示产品 除了 LCD、PDP 外，还有应用于各种智能家电、汽车仪表、数码电子 产品显示屏、投影设备以及电子纸等等多种显示技术，都属于平板产品的 范畴。 6 三.中国平板电视行业的发展现状从行业的技术与产品成熟程度来看，虽然经过不断地改进，平板电视的画质 和产品性能都已经达到比较稳定和舒适的水平，特别是 LED 背光模组的大规模 应用，确实带动了液晶电视的响应速度和画面质量取得较大进步。但是与国外起 步早的大型企业相比，中国平板行业还有较大差距，各种自主知识产权的关键技 术并不多。这也是中国平板行业脚步沉重的一大因素。 从市场形态来看，2009 年，平板电视的零售量占比达到 80%，零售额占比 超过 95%， 平板电视在市场消费形态上已经为彩电行业的绝对主流， 这说明平板 电视对 CRT 电视的市场替代已经基本实现。 从消费需求看， 平板电视已经逐渐成为老百姓购置新家电的首选， 少量 CRT 电视的购买者主要集中在流动人口、低保户家庭和边远乡村。随着平板电视的价 格进一步下降，这一部分 CRT 人群还会快速转化； 从厂家的产品策略来看，一线品牌已经停产 CRT 电视，二线品牌还在少量 维持，但是从总体趋势看，都已经把 CRT 作为补充和辅助，预计 2010 年各厂家 的 CRT 产品线将基本上处于清理库存状态； 从产业链来看，平板上下游相关的面板、模组、玻璃、IC 和化学材料等企 业都与日韩企业有较大差距。 中国平板若要真正立足世界市场一方，整个产业链势必要经过大幅度升级。 以目前的状况观察，此路虽远但并非遥不可及。我国政府在十一五的后期已经把 显示产业的复兴上升到国家意志，并通过《电子信息产业振兴规划》和其他的科 技发展规划，加大了对平板显示产业的扶持力度，赋予平板显示产业链建设以重 要任务和使命；预计在十二五规划中，显示产业的重要性和产业地位将会更加突 出。作为平板显示产业的重要支撑和重要支柱，平板电视行业将会从以上扶持政 策中得到最直接的支持。各地方政府和社会投资的持续跟进，将为平板电视产业 链的建设和为发展提供强大的资金来源、技术合作支持和人才培养支持。所以可 以推断中国平板电视行业在未来十年将迎来前所未有的宽松政策环境。 四.中国平板行业前景总体来说，中国平板在未来的十多年将会是机遇与挑战并存的局面。 旺盛的市场需求为中国平板行业提供稳定的成长空间。人民生活水平提高、 新增家庭、 旧彩电自然淘汰、 家电下乡政策城市化进程、 房地产发展、 商用市场、 国际市场需要等等，都将成为中国平板行业稳步快速发展的契机。 7 而起步晚，设备旧，世代早等等，是限制中国平板发展的绊脚石。中国的平 板行业比起日韩等普遍晚 2-3 年，世代线也较之落后。还要避免产业链建成即落 后的风险、现有品牌格局被颠覆的风险、对行业方向判断错误和反应迟钝的风险 等等，都将影响中国平板行业前行的脚步。 五.发展规划中国平板行业过去凭借着一定的优势，已经取得较为瞩目的成就。但是未 来是否能继续保持，就不但是要看行业的机会，更要看企业能否抓住机遇，规避 风险，还要看政府的支持和引导是否得力而有效。关键的几点是： 1、需要借鉴韩国和台湾地区在平板显示产业的发展经验 2、必须推动行业的核心技术研发 3、在下一代显示技术上的及早布局 4、借助行业标准力量规范和引导行业发展 5、建立和完善资本进出机制，加强行业融资渠道建设 从整个行业层面上，需要有正确的战略布局： 要推动行业整体的联合和协作，解决一些单个企业无法解决的行业共性问 题；比如由中国电子视像行业协会牵头成立的中彩联，积极主动的应对国外专利 公司的谈判，大幅度降低了企业的专利费用标准，取得了非常重大的专利授权突 破； 要通过集体协作，通过争取国家主管政府部门的支持，在行业标准建设、 行业准入门槛和行业游戏规则的制定等方面，进行持续努力和推动，为中国彩电 行业的长远发展和整体竞争力的提升创造条件。比如在产品的接口标准规范、尺 寸规范、售后服务规范等方面，积极行动起来，为推动行业的健康和有序发展创 造条件。 为了应对下一代显示技术核心技术的专利限制，我们可以推动行业骨干企 业成立联合技术研发开发小组，共同进行前沿技术的战略性投入，这样可以使行 业花最小的代价获得最高程度的收益。 从企业层面看，为了企业的长远发展，提前做好战略布局是十分有必要的。 要解决核心资源的站队问题。在平板时代，没有核心上游面板资源供应的 支持，就意味着要流血和被其他竞争对手伤害。但是这个资源的来源，究竟是自 己建还是选择与现有主力面板供应商合作，是和其中主要的少数几家合作，还是 货比三家全面合作，这都是值得深思熟虑的问题。由于在 2010 年-2011 年期间 全球平板显示产业还会不定期出现面板资源相对紧张的局面， 因此要避免断货和 供应不及时的问题，就首先要考虑好如何站队的问题 8 要找准自身的行业定位，在技术、资源和产品的持续建设上，梳理出适合 自身特征的阶段性发展目标。 要时刻保持清醒，做好企业应对彩电行业转型和升级的具体战略规划。 六.结论总而言之，一个行业的崛起离不开核心技术和扶持力量。若具备了这两方面 的有利因素，中国平板显示技术行业迅速跟上世界领先脚步，将会是时间问题而 已。 参考文献：《平板显示技术》 《液晶显示技术》 《等离子体技术及应用》 应根裕等 毛学军 赵青, 刘述章, 童洪辉 北京人民邮电出版社，2002 北京电子工业出版社，2008 北京国防工业出版社，2009 9
答：光电效应实验思考题1什么是光电效应,光照射到金属上,引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应( Phot cel ectric effect )。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应,又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。只要光的频率超过某一极限频率,受光照射的金属表面立即就会逸出光电子,发生光电效应。当在金属外面加一个闭合电路,加上正向电源,这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。在入射光一定时,增大光电管两极的正向电压,提高光电子的动能,光电流会随之増大。但光电流不会无限增大,要受到光电子数量的约束,有一个最大值,这个值叫饱和电流。所以,当入射光强度塔大时,根据光子假设,入射光的强度。
液晶光开关构成图像显示矩阵的方法除了液晶显示器以外，其他显示器靠自身发光来实现信息显示功能。这些显示器主要有以下一些：阴极射线管显示（CRT），等离子体显示(PDP)，电致发光显示(ELD)，发光二极管（LED）显示，有机发光二极管（OLED）显示，真空荧光管显示（VFD），场发射显示（FED）。这些显示器因为要发光，所以要消耗大量的能量。液晶显示器通过对外界光线的开关控制来完成信息显示任务，为非主动发光型显示，其最大的优点在于能耗极低。正因为如此，液晶显示器在便携式装置的显示方面，例如电子表、万用表、手机、传呼机等具有不可代替地位。下面我们来看看如何利用液晶光开关来实现图形和图像显示任务。矩阵显示方式，是把图5（a）所示的横条形状的透明电极做在一块玻璃片上，叫做行驱动电极，简称行电极（常用 表示），而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，叫做列驱动电极，简称列电极（常用 表示）。把这两块玻璃片面对面组合起来，把液晶灌注在这两片玻璃之间构成液晶盒。为了画面简洁，通常将横条形状和竖条形状的ITO电极抽象为横线和竖线，分别代表扫描电极和信号电极矩阵型显示器的工作方式为扫描方式。显示原理可依以下的简化说明作一介绍。欲显示图5（b）的那些有方块的像素，首先在第A行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极c、d 上加上低电平，于是A行的那些带有方块的像素就被显示出来了。然后第B行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极b、e 上加上低电平，因而B行的那些带有方块的像素被显示出来了。然后是第C行、第D行 …… ，余此类推，最后显示出一整场的图像。这种工作方式称为扫描方式。这种分时间扫描每一行的方式是平板显示器的共同的寻址方式，依这种方式，可以让每一个液晶光开关按照其上的电压的幅值让外界光关断或通过，从而显示出任意文字、图形和图像。
1．液晶光开关的工作原理液晶作为一种显示器件，其种类很多，下面以常用的TN（扭曲向列）型液晶为例，说明其工作原理。入射的自然光偏振片P1偏振片P2出射光扭曲排列的液晶分子具有光波导效应光波导已被电场拉伸TN型光开关的结构如图1所示。在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃（1埃 = 10-10米 ），直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5-8微米。玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理（可用软绒布朝一个方向摩擦，也可在电极表面涂取向剂），这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；使电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的沿－45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿+45度方向排列，整个扭曲了90度。如图1左图所示。理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度。取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交。在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90°。这时光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。在施加足够电压情况下(一般为1～2伏)，在静电场的吸引下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构，如图1右图所示。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。若P1和P2的透光轴相互平行，则构成常黑模式。2．液晶光开关的电光特性和时间响应特性液晶可分为热致液晶与溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。目前用于显示器件的都是热致液晶，它的电光特性随温度的改变而有一定变化。图2为光线垂直入射时本实验所用液晶相对透射率（以不加电场时的透射率为100%）与外加电压的关系。由图2可见，对于常白模式的液晶，其透射率随外加电压的升高而逐渐降低，在一定电压下达到最低点，此后略有变化。可以根据此电光特性曲线图得出液晶的阈值电压和关断电压。；。V另外，在给液晶板加上一个周期性的作用电压（如图3上图），液晶的透过率也就会随电压的改变而变化，就可以得到液晶的相应时间上升时间Δt1和下降时间Δt2。如图3下图所示。上升时间：透过率由10%升到90%所需时间；。Δt1液晶的响应时间越短，显示动态图像的效果越好。3．液晶光开关的视角特性液晶光开关的视角特性表示对比度与视角的关系。对比度定义为光开关打开和关断时透射光强度之比，对比度大于5时，可以获得满意的图像，对比度小于2，图像就模糊不清了。图4表示了某种液晶视角特性的理论计算结果。图4中，用与原点的距离表示垂直视角（入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角）的大小。图中4个同心圆分别表示垂直视角为30，60和90度。90度同心圆外面标注的数字表示水平视角（入射光线在液晶屏上的投影与0度方向之间的夹角）的大小。图3中的闭合曲线为不同对比度时的等对比度曲线。由图4可以看出，对比度与垂直与水平视角都有关。而且，视角特性具有非对称性。
光敏电阻是用半导体制作的，半导体有一个特性，对温度，压力，光照，声音等等外界因素敏感，当条件变化时，电阻大小随之变化。光敏电阻就是电阻随着光照电阻值发生变化。从而有利于自动控制。
光敏电阻是由硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器，它属半导体光敏器件，具有灵敏度高，反应速度快，光谱特性好，光敏电阻值一致性好，不管是高温还是潮湿的环境下，能保持高稳定性和高稳定度。光敏电阻是由其特定的可见波长光(自然光)来控制其阻值的增大与减小，当有特定波长的可见光照射时，其阻值迅速减小，无光照时阻值立刻增大。这是由于光照产生的截流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子流向电源正极，空穴流向电源负极，这样就使光敏电阻器的阻值迅速下降。实际上光敏电阻就相当于一个太阳能电池的原理，有光阻值减小，无光阻值增大。
1、伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。2、光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。
实验目的〕1．学会探索物理规律、建立经验公式的实验思想和实验方法。2．学会测量未知物理量之间的关系曲线，熟练测量二极管和小灯泡的伏安特性曲线。3．学会通过合理选择接线方式减小电表接入系统误差的方法。4．掌握用变量代换法把曲线改直进行线性拟合或通过计算机软件作图用最小二乘法进行曲线拟合。5．掌握建立经验公式的基本方法。（器材)实验仪器和用具。（1）电压表、电流表：测量电压、电流。（2）滑线变阻器：组成二级分压电路。（3）稳压电源：提供工作电压。（4）待测电阻元件和其他用具：2CW104稳压二极管，小灯泡，开关，导线等〔实验内容)1．实验内容（1）测量2CW型二极管的正向伏安特性。（2）测量2CW型二极管的反向伏安特性。（3）测量小灯泡的伏安特性曲线。2．测量与数据处理要求（1）做实验前仔细阅读“实验指示牌”中各项内容，并且贯彻在自己的实验中。（2）自己阅读教材P76～81、P86～87、P5，了解电学实验的基本操作规程，认识电表，学习电表极限误差的计算方法，了解分压电路和限流电路，理解探索物理规律、建立经验公式的基本实验方法。（3）正确选用电流表内接法或外接法连接测量电路，合理选择电压表和电流表量程，练习熟悉不同量程下电表的正确读数。（4）测量二极管正向伏安特性曲线时，在电流值1mA以下，从0开始，以电压变化为基准，每隔测量一个点；在电流值1mA以上，电压每隔测量一个点；测量电流最大值小于最大工作电流。（5）测量二极管反向伏安特性曲线时，在电流值1mA以下，从0开始，以电压变化为基准，每隔1V测量一个点；在电流值1mA以上，电流每隔5mA测量一个点；测量电压最大值小于额定工作电压。（6）测量小灯泡伏安特性曲线时，在电压值1V以下，从0开始，以电压变化为基准，每隔测量一个点；在电压值1V以上，每隔测量一个点；测量电压最大值小于额定工作电压。（7）在同一张直角坐标纸上画出2CW型二极管的正向和反向伏安特性曲线，分析二极管的伏安特性。正确选择坐标轴比例，标明刻度、单位和图名，连平滑的曲线，曲线不必通过每个实验点。（8）在直角坐标纸上画出小灯泡的伏安特性曲线，并与二极管的正向伏安特性比较分析伏安特性。（9）在直角坐标纸上作小灯泡 图线（直线），求解斜率和截距，建立小灯泡伏安经验公式，并进行验证。求斜率时不能利用测量的数据点，而应从所画的直线上取相距比较远的两个点。（10）列表记录数据，表格规范，不能使用铅笔记录数据。（11）在数据签字之前不要整理实验仪器，保持测量原貌；老师检查合格、数据签字之后必须整理好实验器材，方可离开实验室。〔实验步骤〕（1）测量伏安特性曲线电学元件的电流和电压之间关系曲线称为伏安特性曲线，不同电学元件的伏安特性曲线不同。电阻的伏安特性曲线――线性，小灯泡的伏安特性曲线――非线性，二极管（正向和反向）的伏安特性曲线――非线性。测量电阻元件伏安特性曲线的一般方法，在电阻元件上加不同的电压，测量相应的电流。采用电压表和电流表同时测量电压和电流的测量线路有两种接法，电流表内接和电流表外接。为了减小电表接入产生的误差，一般情况，待测对象阻值很大，采用电流表内接；待测对象阻值很小，采用电流表外接。为了消除电表接入误差，可以采用理论修正的方法。因此，测量二极管正向和小灯泡伏安特性曲线时，采用电流表外接电路；测量二极管反向伏安特性曲线时，采用电流表内接电路。正向（死区电压），最高电压很小， 2CW型稳压二极管一般约1V左右。反向，一旦达到击穿电压，继续增加电压，电流变化相当快。因此，测量时须仔细调节电压电流，不要使电流超过最大工作电流。（2）建立经验公式通过实验方法探索物理规律，寻找两个相关物理量之间的函数关系式，建立经验公式。基本方法如下：① 实验测量相关两个物理量的变化关系数据。② 用直角坐标做出物理量之间的关系曲线，并根据曲线形状选择函数关系的形式，建立数学模型。③ 利用数据处理的有关知识，求解函数关系中常数，确定经验公式。一般采用最小二乘法通过计算机进行曲线拟合，也可以通过曲线改直用作图法、最小二乘法、逐差法等数据处理方法进行计算。④ 用实验数据验证经验公式。（3）伏安特性曲线函数形式二极管正向伏安特性曲线函数形式： 小灯泡伏安特性曲线的函数形式：
高深了不能帮你
引言：提起“纳米”这个词，可能很多人都听说过，但什么是纳米，什么是纳米材料，可能很多人并不一定清楚，本文主要对纳米及纳米材料的研究现状和发展前景做了简介，相信随着科学技术的发展，会有越来越多的纳米材料走进人们的生活，为人类造福。 纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100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。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。 在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400g的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。 研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。 1研究形状和趋势 纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。 纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。美国已成功地制备了晶粒为50urn的纳米cu材料，硬度比粗晶cu提高5倍；晶粒为7urn的pd，屈服应力比粗晶pd高5倍；具有高强度的金属间化合物的增塑问题一直引起人们的关注，晶粒的纳米化为解决这一问题带来了希望， 根据纳米材料发展趋势以及它在对世纪高技术发展所占有的重要地位，世界发达国家的政府都在部署本来10～15年有关纳米科技研究规划。美国国家基金委员会（nsf）1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标；美国darpa（国家先进技术研究部）的几个计划里也把纳米科技作为重要研究对象；日本近年来制定了各种计划用于纳米科技的研究，例如 ogala计划、erato计划和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究计划，1997年，纳米科技投资亿美元；德国科研技术部帮助联邦政府制定了1995年到2010年15年发展纳米科技的计划；英国政府出巨资资助纳米科技的研究；1997年西欧投资亿美元。据1999年7月8日《自然》最新报道，纳米材料应用潜力引起美国白宫的注意；美国总统克林顿亲自过问纳米材料和纳米技术的研究，决定加大投资，今后3年经费资助从亿美元增 加至5亿美元。这说明纳米材料和纳米结构的研究热潮在下一世纪相当长的一段时间内保持继续发展的势头。 2国际动态和发展战略 1999年7月8日《自然》（400卷）发布重要消息 题为“美国政府计划加大投资支持纳米技术的兴 起”。在这篇文章里，报道了美国政府在3年内对纳米技术研究经费投入加倍，从亿美元增加到5亿美元。克林顿总统明年2月将向国会提交支持纳米技术研究的议案请国会批准。为了加速美国纳米材料和技术的研究，白宫采取了临时紧急措施，把原亿美元的资助强度提高到亿美元。《美国商业周刊》8月19日报道，美国政府决定把纳米技术研究列人21世纪前10年前11个关键领域之一，《美国商业周刊》在掌握21世纪可能取得重要突破的3个领域中就包括了纳米技术领域（其它两个为生命科学和生物技术，从外星球获得能源）。美国白宫之所以在20世纪即将结束的关键时刻突然对纳米材料和技术如此重视，其原因有两个方面：一是德科学技术部1996年对2010年纳米技术的市场做了预测，估计能达到14400亿美元，美国试图在这样一个诱人的市场中占有相当大的份额。美国基础研究的负责人威廉姆斯说：纳米技术本来的应用远远超过计算机工业。美国白宫战略规划办公室还认为纳米材料是纳米技术最为重要的组成部分。在《自然》的报道中还特别提到美国已在纳米结构组装体系和高比表面纳米颗粒制备与合成方面领导世界的潮流，在纳米功能涂层设计改性及纳米材料在生物技术中的应用与欧共体并列世界第一，纳米尺寸度的元器件和纳米固体也要与日本分庭抗礼。1999年7月，美国加尼福尼亚大学洛杉矾分校与惠普公司合作研制成功100urn芯片，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学于1998年制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系，10bit／s尺寸的密度已达109bit／s，美国商家已组织有关人员迅速转化，预计2005年市场为400亿美元。1988年法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世，在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。 最近美国柯达公司研究部成功地研究了一种即具有颜料又具有分子染料功能的新型纳米粉体，预计将给彩色印橡带来革命性的变革。纳米粉体材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面很可能给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来市场上占有重要的份额。纳米材料在医药方面的应用研究也使人瞩目，正是这些研究使美国白宫认识到纳米材料和技术将占有重要的战略地位。原因之二是纳米材料和技术领域是知识创新和技术创新的源泉，新的规律新原理的发现和新理论的建立给基础科学提供了新的机遇，美国计划在这个领域的基础研究独占“老大”的地位。 3国内研究进展 我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员分别在纳米材料各个分支领域开展工作，国家自然科学基金委员会还资助了20多项课题，国家“863”新材料主题也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。1996年以后，纳米材料的应用研究出现了可喜的苗头，地方政府和部分企业家的介入，使我国纳米材料的研究进入了以基础研究带动应用研究的新局面。 目前，我国有60多个研究小组，有600多人从事纳米材料的基础和应用研究，其中，承担国家重大基础研究项目的和纳米材料研究工作开展比较早的单位有：中国科学院上海硅酸盐研究所、南京大学。中国科学院固体物理研究所、金属研究所、物理研究所、中国科技大学、中国科学院化学研究所、清华大学，还有吉林大学、东北大学、西安交通大学、天津大学、青岛化工学院、华东师范大学，华东理工大学、浙江大学、中科院大连化学物理研究所、长春应用化学 研究所、长春物理研究所、感光化学研究所等也相继开展了纳米材料的基础研究和应用研究。我国纳米材料基础研究在过去10年取得了令人瞩目的重要研究成果。已采用了多种物理、化学方法制备金属与合金（晶态、非晶态及纳米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，建立了相应的设备，做到纳米微粒的尺寸可控，并制成了纳米薄膜和块材。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合微粒和粉体的制取等各个方面都有所创新，取得了重大的进展，成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化铝晶粒在拉伸疲劳中应力集中区出现超塑性形变；在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁嫡变超过金属gd；设计和制备了纳米复合氧化物新体系，它们的中红外波段吸收率可达 92％，在红外保暖纤维得到了应用；发展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金中的反常hall－petch效应。 近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成果，引起了国际上的关注。一是大面积定向碳管阵列合成：利用化学气相法高效制备纯净碳纳米管技术，用这种技术合成的纳米管，孔径基本一致，约20urn，长度约100pm，纳米管阵列面积达到 3mm 3mm。其定向排列程度高，碳纳米管之间间距为100pm。这种大面积定向纳米碳管阵列，在平板显示的场发射阴极等方面有着重要应用前景。这方面的文章发表在1996年的美国《科学》杂志上。二是超长纳米碳管制备：首次大批量地制备出长度为2～3mm的超长定向碳纳米管列阵。这种超长碳纳米管比现有碳纳米管的长度提高1～2个数量级。该项成果已发表于1998年8月出版的英国《自然》杂志上。英国《金融时报》以“碳纳米管进入长的阶段”为题介绍了有关长纳米管的工作。三是氮化嫁纳米棒制备：首次利用碳纳米管作模板成功地制备出直径为3～40urn、长度达微米量级的发蓝光氮化像一维纳米棒，并提出了碳纳米管限制反应的概念。该项成果被评为1998年度中国十大科技新闻之一。四是硅衬底上碳纳米管阵列研制成功，推进碳纳米管在场发射平面和纳米器件方面的应用。五是制备成功一维纳米丝和纳米电缆，该成果研究论文在瑞典召开的1998年第四届国际纳米会议宣读后，许多外国科学家给予高度评价。六是用苯热法制备纳米氮化像微晶；发现了非水溶剂热合成技术，首次在300℃左右制成粒度达30urn的氮化锌微晶。还用苯合成制备氮化铬（crn）、磷化钴（cop）和硫化锑（sbs）纳米微晶，论文发表在1997年的《科学》杂志上。七是用催化热解法制成纳米金刚石；在高压釜中用中温（70℃）催化热解法使四氯化碳和钠反应制备出金刚石纳米粉，论文发表在1998年的《科学》杂志上。美国《化学与工程新闻》杂志还发表题为“稻草变黄金---从四氯化碳（cc14）制成金刚石”一文，予以高度评价。 我国纳米材料和纳米结构的研究已有10年的工作基础和工作积累，在“八五”研究工作的基础上初步形成了几个纳米材料研究基地，中科院上海硅酸盐研究所、南京大学、中科院固体物理所、中科院金属所、物理所、中国科技大学、清华大学和中科院化学所等已形成我国纳米材料和纳米结构基础研究的重要单位。无论从研究对象的前瞻性、基础性，还是成果的学术水平和适用性来分析，都为我国纳米材料研究在国际上争得一席之地，促进我国纳米材料研究的发展，培养高水平的纳米材料研究人才做出了贡献。在纳米材料基础研究和应用研究的衔接，加快成果转化也发挥了重要的作用。目前和今后一个时期内这些单位仍然是我国纳米材料和纳米结构研究的中坚力量。 在过去10年，我国已建立了多种物理和化学方法制备纳米材料，研制了气体蒸发、磁控溅射、激光诱导cvd、等离子加热气相合成等10多台制备纳米材料的装置，发展了化学共沉淀、溶胶一凝胶、微乳液水热、非水溶剂合成和超临界液相合成制备包括金属、合金、氧化物、氮化物、碳化物、离子晶体和半导体等多种纳米材料的方法，研制了性能优良的多种纳米复合材料。近年来，根据国际纳米材料研究的发展趋势，建立和发展了制备纳米结构（如纳米有序阵列体系、介孔组装体系、mcm－41等）组装体系的多种方法，特别是自组装与分子自组装、模板合成、碳热还原、液滴外延生长、介孔内延生长等也积累了丰富的经验，已成功地制备出多种准一维纳米材料和纳米组装体系。这些方法为进一步研究纳米结构和准一纳米材料的物性，推进它们在纳米结构器件的应用奠定了良好的基础。纳米材料和纳米结构的评价手段基本齐全，达到了国际90年代末的先进水平。 综上所述，“八五”期间我国在纳米材料研究上获得了一批创新性的成果，形成了一支高水平的科研队伍，基础研究在国际上占有一席之地，应用开发研究也出现了新局面，为我国纳米材料研究的继续发展奠定了基础。10年来，我国科技工作者在国内外学术刊物上共发表纳米材料和纳米结构的论文2400多篇，在国际上排名第五位，其中纳米碳管和纳米团簇在1998年度欧洲文献情报交流会上德国马普学会固体所一篇研究报告中报道中国科技工作者发表论文已超过德国，在国际排名第三位，在国际历次召开的有关纳米材料和纳米结构的国际会议上，我国纳米材料科技工作者共做邀请报告24次。到目前为止，纳米材料研究获得国家自然科学三等奖1项，国家发明奖2项；院部级自然科学一、二等奖3项，发明一等奖3项，科技进步特等奖1项；申请专利 79项，其中发明专利占50％，已正式授权的发明专利6项，已实现成果转化的发明专利6项。 最近几年，我国纳米科技工作者在国际上发表了一些有影响的学术论文，引起了国际同行的关注和称赞。在《自然》和《科学》杂志上发表有关纳米材料和纳米结构制备方面的论文6篇，影响因子在6以上的学术论文（phys．rev．lett，j．ain．chem．soc ．）近20篇，影响因子在3以上的31篇，被sci和ei收录的文章占整个发表论文的 59％。 1998年 6月在瑞典斯特哥尔摩召开的国际第四届纳米材料会议上，对中国纳米材料研究给予了很高评价，指出这几年来中国在纳米材料制备方面取得了激动人心的成果，在大会总结中选择了8个纳米材料研究式作取得了比较好的国家在闭幕式上进行介绍，中国是在美国、日本、德国、瑞典之后进行了大会发言。 4 纳米产业发展趋势 （1）信息产业中的纳米技术：信息产业不仅在国外，在我国也占有举足轻重的地位。2000年，中国的信息产业创造了gdp5800亿人民币。纳米技术在信息产业中应用主要表现在3个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。因为不管通讯、集成还是显示器件，都要原器件，美国已经着手研制，现在有了单电子器件、隧穿电子器件、自旋电子器件，这种器件已经在实验室研制成功，而且可能在2001年进入市场。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件，这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要10年时间，所以，中国要超前15年到20年对这些方面进行研究。③网络通讯的关键纳米器件，如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面，我国的研究水平不落后，在安徽省就有。④压敏电阻、非线性电阻等，可添加氧化锌纳米材料改性。 （2）环境产业中的纳米技术：纳米技术对空气中20纳米以及水中的200纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，必须用纳米技术。我们现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备，可使空气中的大于10ppm的有害气体降低到，该设备已进入实用化生产阶段；利用多孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水中有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。近年来，不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功。 (3)能源环保中的纳米技术：合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当中自循环，使硫减少排放，不再需要辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。在开发新能源方面国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。 (4)纳米生物医药：这是我国进入wto以后一个最有潜力的领域。目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医药就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法。在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。 (5)纳米新材料：虽然纳米新材料不是最终产品，但是很重要。据美国测算，到21世纪30年代，汽车上40％钢铁和金属材料要被轻质高强材料所代替，这样可以节省汽油40％，减少co2，排放40％，就这一项，每年就可给美国创造社会效益1000亿美元。此外，还有各种功能材料，玻璃透明度好但份量重，用纳米改进它，使它变轻，使这种材料不仅有力学性能，而且还具有其他功能，还有光的变色、贮光，反射各种紫外线、红外线，光的吸收、贮藏等功能。 (6)纳米技术对传统产业改造：对于中国来说，当前是纳米技术切入传统产业、将纳米技术和各个领域技术相结合的最好机遇。首先是家电、轻工、电子行业。合肥美菱集团从1996开始研制纳米冰箱，可折叠的pvc磁性冰箱门封不发霉，用的是抗菌涂料，里面的果盘都采用纳米材料，发展轻工、电子和家用电器可以带动涂料、材料、电子原器件等行业发展；其次是纺织。人造纤维是化纤和纺织行业发展的趋势，中国纺织要在进入wto后能占据有利地位，现在就必须全方位应用纳米技术、纳米材料。去年关于保温被、保温衣的电视宣传，提到应用了纳米技术，特殊功能的有防静电的、阻燃的等等，把纳米的导电材料组装到里面，可以在11万伏的高压下，把人体屏蔽，在这一方面，纺织行业应用纳米技术形势看好；第三是电力工业。利用纳米技术改造20万伏和11万伏的变压输电瓷瓶，可以全方位提高11万伏的瓷瓶耐电冲击的性能，而且釉不结霜，其它综合性能都很好；第四是建材工业中的油漆和涂料，包括各种陶瓷的釉料、油墨，纳米技术的介入，可以使产品性能升级。 1999年8月20日《美国商业周刊》在展望21世纪可能有突破性进展的领域时，对生命科学和生物技术、纳米科学和纳米技术及从外星球上索取能源进行了预测和评价，并指出这是人类跨入21世纪面临的新的挑战和机遇。诺贝尔奖获得者罗雷尔也曾说过：70年代重视微米的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为下一世纪先进的国家。挑战严峻，机遇难得，我们必须加倍重视纳米科技的研究，注意纳米技术与其它领域的交叉，加速知识创新和技术创新，为21世纪中国经济的腾飞奠定雄厚的基础。 编者按：激动人心的纳米时代已经到来，人们的生活即刻将发生巨大的变化，然而，我们也要清醒地看到，市场上真正成熟的纳米材料并不是很多。中科院院士白春礼院士认为，“真正意义的纳米时代还没有到来，我们正在充满信心地迎接纳米时代的到来。” 白春礼说，“人类进入纳米科技时代的重要标志是纳米器件的研制水平和应用程度。”纳米科技发展到今天，距离纳米时代的到来还有多远呢，白春礼说，“纳米研究目前还有许多基础研究在进行中，在纳米尺度上还有大量原理性问题尚待研究，纳米科技现在的发展水平大概相当于计算机技术在20世纪50年代的发展水平，人类最终进入纳米时代还需要30到50年的时间，50年后纳米科技有可能像今天计算机技术一样普及。” 对于纳米科技，科学的态度是积极参与，脚踏实地地推动这一前沿科技的健康发展，既不需要商业炒作，也不需要科学炒作。
【报告名称:】纳米材料研究现状和发展前景及医药应用纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100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。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。1、研究形状和趋势纳米材料制备和应用研究所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。美国已成功地制备了晶粒为50urn的纳米Cu材料，硬度比粗晶Cu提高5倍；晶粒为7urn的Pd，屈服应力比粗晶Pd高5倍；具有高强度的金属间化合物的增塑问题一直引起人们的关注，晶粒的纳米化为解决这一问题带来了希望。根据纳米材料发展趋势以及它在对世纪高技术发展所占有的重要地位，世界发达国家的政府都在部署本来10～15年有关纳米科技研究规划。美国国家基金委员会（NSF）1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标；美国DARPA（国家先进技术研究部）的几个计划里也把纳米科技作为重要研究对象；日本近年来制定了各种计划用于纳米科技的研究，例如Ogala计划、ERATO计划和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究计划，1997年，纳米科技投资亿美元；德国科研技术部帮助联邦政府制定了1995年到2010年15年发展纳米科技的计划；英国政府出巨资资助纳米科技的研究；1997年西欧投资亿美元。据1999年7月8日《自然》最新报道，纳米材料应用潜力引起美国白宫的注意；美国总统克林顿亲自过问纳米材料和纳米技术的研究，决定加大投资，今后3年经费资助从亿美元增加至5亿美元。这说明纳米材料和纳米结构的研究热潮在下一世纪相当长的一段时间内保持继续发展的势头。2、国际动态和发展战略1999年7月8日《自然》（400卷）发布重要消息题为“美国政府计划加大投资支持纳米技术的兴起”。在这篇文章里，报道了美国政府在3年内对纳米技术研究经费投入加倍，从亿美元增加到5亿美元。克林顿总统明年2月将向国会提交支持纳米技术研究的议案请国会批准。为了加速美国纳米材料和技术的研究，白宫采取了临时紧急措施，把原亿美元的资助强度提高到亿美元。《美国商业周刊》8月19日报道，美政府决定把纳米技术研究列人21世纪前10年前11个关键领域之一，《美国商业周刊》在掌握21世纪可能取得重要突破的3个领域就包括了纳米技术领域（其它两个为生命科学和生物技术，从外星球获得能源）。美国白宫之所以在20世纪即将结束的关键时刻突然对纳米材料和技术如此视，其原因有两个方面：一是德科学技术部1996年对2010年纳米技术的市场做了预测，估计能达到14400亿美元，美国试图在这样一个诱人的市场占有相当大的份额。美国基础研究的负责人威廉姆斯说：纳米技术本来的应用远远超过算机工业。美国白宫战略规划办公室还认为纳米材料是纳米技术最为重要的组成部分。在《自然》的报道还特别提到美国已在纳米结构组装体系和高比表面纳米颗粒制备与合成方面领导世界的潮流，在纳米功能涂层设计改性及纳米材料在生物技术的应用与欧共体并列世界第一，纳米尺寸度的元器件和纳米固体也要与日本分庭抗礼。1999年7月，美国加尼福尼亚大学洛杉矾分校与惠普公司合作研制成功100urn芯片，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学于1998年制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系，10bit／s尺寸的密度已达109bit／s，美国商家已组织有关人员迅速转化，预计2005年市场为400亿美元。1988年法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世，在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。最近美国柯达公司研究部成功地研究了一种即具有颜料又具有分子染料功能的新型纳米粉体，预计将给彩色印橡带来革命性的变革。纳米粉体材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面很可能给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来市场上占有重要的份额。纳米材料在医药方面的应用研究也使人瞩目，正是这些研究使美国白宫认识到纳米材料和技术将占有重要的战略地位。原因之二是纳米材料和技术领域是知识创新和技术创新的源泉，新的规律新原理的发现和新理论的建立给基础科学提供了新的机遇，美国计划在这个领域的基础研究独占“老大”的地位。我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。国家自然科学基金委员会、国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员分别在纳米材料各个分支领域开展工作，国家自然科学基金委员会还资助了20多项课题，国家“863”新材料主题也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。1996年以后，纳米材料的应用研究出现了可喜的苗头，地方政府和部分企业家的介入，使我国纳米材料的研究进入了以基础研究带动应用研究的新局面。目前，我国有60多个研究小组，有600多人从事纳米材料的基础和应用研究，其，承担国家重大基础研究项目的和纳米材料研究工作开展比较早的单位有：国科学院上海硅酸盐研究所、南京大学。国科学院固体物理研究所、金属研究所、物理研究所、国科技大学、国科学院化学研究所、清华大学，还有吉林大学、东北大学、西安交通大学、天津大学、青岛化工学院、华东师范大学，华东理工大学、浙江大学、科院大连化学物理研究所、长春应用化学研究所、长春物理研究所、感光化学研究所等也相继开展了纳米材料的基础研究和应用研究。我国纳米材料基础研究在过去10年取得了令人瞩目的重要研究成果。已采用了多种物理、化学方法制备金属与合金（晶态、非晶态及纳米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，建立了相应的设备，做到纳米微粒的尺寸可控，并制成了纳米薄膜和块材。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合微粒和粉体的制取等各个方面都有所创新，取得了重大的进展，成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化铝晶粒在拉伸疲劳应力集区出现超塑性形变；在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁嫡变超过金属Gd；设计和制备了纳米复合氧化物新体系，它们的红外波近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成果，引起了国际上的关注。一是大面积定向碳管阵列合成：利用化学气相法高效制备纯净碳纳米管技术，用这种技术合成的纳米管，孔径基本一致，约20urn，长度约100pm，纳米管阵列面积达到3mm。其定向排列程度高，碳纳米管之间间距为100pm。这种大面积定向纳米碳管阵列，在平板显示的场发射阴极等方面有着重要应用前景。这方面的文章发表在1996年的美国《科学》杂志上。二是超长纳米碳管制备：首次大批量地制备出长度为2～3mm的超长定向碳纳米管列阵。这种超长碳纳米管比现有碳纳米管的长度提高1～2个数量级。该项成果已发表于1998年8月出版的英国《自然》杂志上。英国《金融时报》以“碳纳米管进入长的阶段”为题介绍了有关长纳米管的工作。三是氮化嫁纳米棒制备：首次利用碳纳米管作模板成功地制备出直径为3～40urn、长度达微米量级的发蓝光氮化像一维纳米棒，并提出了碳纳米管限制反应的概念。该项成果被评为1998年度国十大科技新闻之一。四是硅衬底上碳纳米管阵列研制成功，推进碳纳米管在场发射平面和纳米器件方面的应用。五是制备成功一维纳米丝和纳米电缆，该成果研究论文在瑞典召开的1998年第四届国际纳米会议宣读后，许多外国科学家给予高度评价。六是用苯热法制备纳米氮化像微晶；发现了非水溶剂热合成技术，首次在300℃左右制成粒度达30urn的氮化锌微晶。还用苯合成制备氮化铬（CrN）、磷化钴（COP）和硫化锑（SbS）纳米微晶，论文发表在1997年的《科学》杂志上。七是用催化热解法制成纳米金刚石；在高压釜用温（70℃）催化热解法使四氯化碳和钠反应制备出金刚石纳米粉，论文发表在1998年的《科学》杂志上。美国《化学与工程新闻》杂志还发表题为“稻草变黄金---从四氯化碳（CC14）制成金刚石”一文，予以高度评价。我国纳米材料和纳米结构的研究已有10年的工作基础和工作积累，在“八五”研究工作的基础上初步形成了几个纳米材料研究基地，科院上海硅酸盐研究所、南京大学、科院固体物理所、科院金属所、物理所、国科技大学、清华大学和科院化学所等已形成我国纳米材料和纳米结构基础研究的重要单位。无论从研究对象的前瞻性、基础性，还是成果的学术水平和适用性来分析，都为我国纳米材料研究在国际上争得一席之地，促进我国纳米材料研究的发展，培养高水平的纳米材料研究人才做出了贡献。在纳米材料基础研究和应用研究的衔接，加快成果转化也发挥了重要的作用。目前和今后一个时期内这些单位仍然是我国纳米材料和纳米结构研究的坚力量。在过去10年，我国已建立了多种物理和化学方法制备纳米材料，研制了气体蒸发、磁控溅射、激光诱导CVD、等离子加热气相合成等10多台制备纳米材料的装置，发展了化学共沉淀、溶胶一凝胶、微乳液水热、非水溶剂合成和超临界液相合成制备包括金属、合金、氧化物、氮化物、碳化物、离子晶体和半导体等多种纳米材料的方法，研制了性能优良的多种纳米复合材料。近年来，根据国际纳米材料研究的发展趋势，建立和发展了制备纳米结构（如纳米有序阵列体系、介孔组装体系、MCM－41等）组装体系的多种方法，特别是自组装与分子自组装、模板合成、碳热还原、液滴外延生长、介孔内延生长等也积累了丰富的经验，已成功地制备出多种准一维纳米材料和纳米组装体系。这些方法为进一步研究纳米结构和准一纳米材料的物性，推进它们在纳米结构器件的应用奠定了良好的基础。纳米材料和纳米结构的评价手段基本齐全，达到了国际90年代末的先进水平。段吸收率可达92％，在红外保暖纤维得到了应用；发展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金的反常Hall－Petch效应。综上所述，“八五”期间我国在纳米材料研究上获得了一批创新性的成果，形成了一支高水平的科研队伍，基础研究在国际上占有一席之地，应用开发研究也出现了新局面，为我国纳米材料研究的继续发展奠定了基础。10年来，我国科技工作者在国内外学术刊物上共发表纳米材料和纳米结构的论文2400多篇，在国际上排名第五位，其纳米碳管和纳米团簇在1998年度欧洲文献情报交流会上德国马普学会固体所一篇研究报告报道国科技工作者发表论文已超过德国，在国际排名第三位，在国际历次召开的有关纳米材料和纳米结构的国际会议上，我国纳米材料科技工作者共做邀请报告24次。到目前为止，纳米材料研究获得国家自然科学三等奖1项，国家发明奖2项；院部级自然科学一、二等奖3项，发明一等奖3项，科技进步特等奖1项；申请专利79项，其发明专利占50％，已正式授权的发明专利6项，已实现成果转化的发明专利6项。最近几年，我国纳米科技工作者在国际上发表了一些有影响的学术论文，引起了国际同行的关注和称赞。在《自然》和《科学》杂志上发表有关纳米材料和纳米结构制备方面的论文6篇，影响因子在6以上的学术论文（Phys．Rev．Lett，J．AIn．Chem．Soc．）近20篇，影响因子在3以上的31篇，被SCI和EI收录的文章占整个发表论文的59％。1998年6月在瑞典斯特哥尔摩召开的国际第四届纳米材料会议上，对国纳米材料研究给予了很高评价，指出这几年来国在纳米材料制备方面取得了激动人心的成果，在大会总结选择了8个纳米材料研究式作取得了比较好的国家在闭幕式上进行介绍，国是在美国、日本、德国、瑞典之后进行了大会发言。4纳米产业发展趋势（1）信息产业的纳米技术：信息产业不仅在国外，在我国也占有举足轻重的地位。2000年，国的信息产业创造了GDP5800亿人民币。纳米技术在信息产业应用主要表现在3个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。因为不管通讯、集成还是显示器件，都要原器件，美国已经着手研制，现在有了单电子器件、隧穿电子器件、自旋电子器件，这种器件已经在实验室研制成功，而且可能在2001年进入市场。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件，这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要10年时间，所以，国要超前15年到20年对这些方面进行研究。③网络通讯的关键纳米器件，如网络通讯激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面，我国的研究水平不落后，在安徽省就有。④压敏电阻、非线性电阻等，可添加氧化锌纳米材料改性。（2）环境产业的纳米技术：纳米技术对空气20纳米以及水的200纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，必须用纳米技术。我们现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备，可使空气的大于10ppm的有害气体降低到，该设备已进入实用化生产阶段；利用多孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。近年来，不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功。(3)能源环保的纳米技术：合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当自循环，使硫减少排放，不再需要辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。在开发新能源方面国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。(4)纳米生物医药：这是我国进入WTO以后一个最有潜力的领域。目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医药就是从动植物提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国医的想法。在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。(5)纳米新材料：虽然纳米新材料不是最终产品，但是很重要。据美国测算，到21世纪30年代，汽车上40％钢铁和金属材料要被轻质高强材料所代替，这样可以节省汽油40％，减少CO2，排放40％，就这一项，每年就可给美国创造社会效益1000亿美元。此外，还有各种功能材料，玻璃透明度好但份量重，用纳米改进它，使它变轻，使这种材料不仅有力学性能，而且还具有其他功能，还有光的变色、贮光，反射各种紫外线、红外线，光的吸收、贮藏等功能。(6)纳米技术对传统产业改造：对于国来说，当前是纳米技术切入传统产业、将纳米技术和各个领域技术相结合的最好机遇。首先是家电、轻工、电子行业。合肥美菱集团从1996开始研制纳米冰箱，可折叠的PVC磁性冰箱门封不发霉，用的是抗菌涂料，里面的果盘都采用纳米材料，发展轻工、电子和家用电器可以带动涂料、材料、电子原器件等行业发展；其次是纺织。人造纤维是化纤和纺织行业发展的趋势，国纺织要在进入WTO后能占据有利地位，现在就必须全方位应用纳米技术、纳米材料。去年关于保温被、保温衣的电视宣传，提到应用了纳米技术，特殊功能的有防静电的、阻燃的等等，把纳米的导电材料组装到里面，可以在11万伏的高压下，把人体屏蔽，在这一方面，纺织行业应用纳米技术形势看好；第三是电力工业。利用纳米技术改造20万伏和11万伏的变压输电瓷瓶，可以全方位提高11万伏的瓷瓶耐电冲击的性能，而且釉不结霜，其它综合性能都很好；第四是建材工业的油漆和涂料，包括各种陶瓷的釉料、油墨，纳米技术的介入，可以使产品性能升级。1999年8月20日《美国商业周刊》在展望21世纪可能有突破性进展的领域时，对生命科学和生物技术、纳米科学和纳米技术及从外星球上索取能源进行了预测和评价，并指出这是人类跨入21世纪面临的新的挑战和机遇。诺贝尔奖获得者罗雷尔也曾说过：70年代重视微米的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为下一世纪先进的国家。挑战严峻，机遇难得，我们必须加倍重视纳米科技的研究，注意纳米技术与其它领域的交叉，加速知识创新和技术创新，为21世纪国经济的腾飞奠定雄厚的基础。
纳米材料技术的概况 纳米级结构材料简称为纳米材料，是指其晶粒大小介于1纳米～100 纳米范围之间。由于它的尺寸已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于材料生产（超微粉、镀膜等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。 纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由 10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有 109倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。 一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。 纳米粒子的粒径（10纳米～100纳米）小于光波的长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜形成时高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。 纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。（中国建材报/ 汪一佛）
【实验目的】 1． 通过光的偏振实验，了解光的偏振特性。 2． 找出穿过两个偏振器的透射光强度与两个偏振器轴的夹角φ之间的关系。 3． 对在物理量的测量中如何使用计算机控制实时测量系统有初步的掌握。 【实验原理】 在本实验中利用一种叫偏振器的光学元件，其原理如图22-1所示。一个偏振器只允许在一特定平面内振动的光通过，这个平面就形成所谓的偏振轴。自然光在垂直于传播方面的所有平面内振动。若自然光入射到理想偏振器，则只有一半的光能通过它。而实际上，通过实际的偏振器的光
1.定义2.偏振不良作用 通信中引起的色散 ... 3.消除偏振的影响 保偏光纤 光子晶体光纤的保偏4. 偏振的应用 测折射率 测厚度 ......上期刊网搜搜 论文多得是
课 题 偏振光现象的研究1．观察光的偏振现象，掌握产生与检验偏振光的条件和方法；教 学 目 的 2．测量布儒斯特角；3．验证马吕斯定律。重 难 点 1．激光器与光具组的共轴调节；2．布儒斯特角的测定。 教 学 方 法 讲授、讨论、实验演示相结合。 学 时 3个学时一、前言 光的偏振是指光的振动方向与光的传播方向的不对称性.偏振现象是证明光为横波的最有力的证据，在科学上具有极其重要的意义。它不但丰富了光的波动说的内容，而且具有重要的应用价值。 自然光是各方向的振幅相同的光，对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等.线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动.起偏器是将非偏振光变成线偏振光的器件；检偏器是用于鉴别光的偏振状态的器件。 二、实验仪器 He-Ne激光器，光具座，光靶，光学测角台，偏振片，黑玻璃镜，1/2波片，1/4波片，白屏，光功率计等三、实验原理1.光的偏振性 光波是波长较短的电磁波，电磁波是横波，光波中的电矢量与波的传播方向垂直。光的偏振观象清楚地显示了光的横波性。光大体上有五种偏振态，即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光。而线偏振光和圆偏振光又可看作椭圆偏振光的特例。（1）自然光 光是由光源中大量原子或分子发出的。普通光源中各个原子发出的光的波列不仅初相彼此不相关，而且光振动方向也是彼此不相关的，呈随机分布。在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均说来，光矢量具有轴对称而且均匀的分布，各方向光振动的振幅相同，各个振动之间没有固定的相联系，这种光称为自然光或非偏振光（见下图）。 我们设想把每个波列的光矢量都沿任意取定的x轴和y轴分解，由于各波列的光矢量的相和振动方向都是无规则分布的，将所有波列光矢量的x分量和y分量分别叠加起来，得到的总光矢量的分量Ex和Ey之间没有固定的相关系，因而它们之间是不相干的。同时Ex和Ey的振幅是相等的，即Ax=Ay。这样，我们可以把自然光分解为两束等幅的、振动方向互相垂直的、不相干的线偏振光。这就是自然光的线偏振表示，如下图（a）所示。分解的两束线偏振光具有相等的强度Ix=Iy，又因 自然光强度I=Ix+Iy 所以每束线偏振光的强度是自然光强度的1/2，即 通常用图（b）的图示法表示自然光。图中用短线和点分别表示在纸面内和垂直于纸面的光振动，点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称而均匀的分布。（2）线偏振光 光矢量只沿一个固定的方向振动时，这种光称为线偏振光，又称为平面偏振光。光矢量的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面，如图（a）所示。线偏振光的振动面是固定不动的，图（b）所示是线偏振光的表示方法，图中短竖线表示光振动在纸面内，点表示光振动垂直于纸面。（3）部分偏振光 这是介于线偏振光与自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的光振动都有，但它们的振幅不相等，如图（a）所示。这种部分偏振光用数目不等的点和短线表示。在图（b）中，上图表示在纸面内的光振动较强，下图表示垂直纸面的光振动较强。要注意，这种偏振光各方向的光矢量之间也没有固定的相的关系。（4）圆偏振光和椭圆偏振光 这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转（左旋或右旋）。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光（见图（a））。如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光（见图（b））。2. 布儒斯特角 当光从折射率为n1的介质（例如空气）入射到折射率为n2的介质（例如玻璃）交界面，而入射角又满足时，反射光即成完全偏振光，其振动面垂直于入射面。iB称布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。显然，θB角的大小因相关物质折射率大小而异。若n1表示的是空气折射率，（数值近似等于1）上式可写成3.马吕斯定律 如果光源中的任一波列（用振动平面E表示）投射在起偏器P上（如下图），只有相当于它的成份之一的Ey（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份Ex（=E cosθ）则被吸收。与此类似，若投射在检偏器A上的线偏振光的振幅为E0，则透过A的振幅为E0 cosθ（这里θ是P与A偏振化方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，可知透射光强I随θ而变化的关系为这就是马吕斯定律。4.波片 若使线偏振光垂直入射一透光面平行于光轴，厚度为d的晶片，此光因晶片的各向异性而分裂成遵从折射定律的寻常光（o光）和不遵从折射定律的非常光（e光）。因o光和e光在晶体中这两个相互垂直的振动方向有不同的光速，分别称做快轴和慢轴。设入射光振幅为A，振动方向与光轴夹角为θ，入射晶面后o光和e光振幅分别为Asin θ和Acos θ,出射后相位差式中λ0是光在真空中的波长，no和ne分别是o光和e光的折射率。这种能使相互垂直振动的平面偏振光产生一定相位差的晶片就叫做波片。 如果以平行于波片光轴方向为x坐标，，垂直于光轴方向为y坐标出射的o光和e光可用两个简谐振动方程式表示：该两式的合振动方程式可写成一般说来，这是一个椭圆方程，代表椭圆偏振光。但是当 （k＝1、2、3…）或 （k＝0、1、2…）时，合振动变成振动方向不同的线偏振光。后一种情况，晶片厚度可使o光和e光产生（2k+1）λ/2的光程差，这样的晶片称做半波片,而当 （k＝1、2、3…）时，合振动方程化为正椭圆方程这时晶片厚度，称做1/4波片。它能使线偏振光改变偏振态，变成椭圆偏振光。但是当入射光振动面与波片光轴夹角θ＝45°时，Ae＝Ao，合振动方程可写成 即获得圆偏振光。四、实验内容与步骤1.布儒斯特角的测定 在光具座上，由氦氖激光器发出的光束擦盘直接入射到立在光学测角台直径上的黑玻璃镜面，先转动测角台，使反射光束原路返回，由此定出入射光束的零度方位，利用滑动座的升降微调装置适当降低角度盘，然后再从入射角为10°~85°范围内寻找反射光束通过检偏器后，光强变到最小（甚至为零）时的角度（器件布置示如下图，也可直接用白屏观察）。这里的检偏器是一个能在支架上转动的偏振片，支架锁紧在测角台的转臂上。用检偏器检查任一反射光束，都是偏振光，在改变入射角的过程中，检偏器透振轴指向水平方向（为什么？）。为了更准确的测量，可以选取48°~64°角的入射角范围，根据消光位置找出布儒斯特角。测量5次，取平均值，将数据填入表（一）。2.马吕斯定律的验证 如果光源中的任一波列（用振动平面E表示）投射在起偏器P上，只有相当于它的成分之一的（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成分则被吸收。若投射在检偏器A上的线偏振光的振幅为E0，则透过A的振幅为（这里 是P与A偏振方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，所以透射光强I随而变化的关系为 这就是马吕斯定律。 实验内容：让激光束垂直通过起偏器成为偏振光，用检偏器检查时，使两个偏振器的透振方向的夹角在从0°转动一周的过程中，用连接光电流放大器的光电探头测量透射光强的相对值I，每10°读取一次数据。将数据填入表（二），然后画出I-关系曲线，或将实验数据输入计算机打印出关系曲线。3.分析半波片的作用（选做） 在由布儒斯特窗和偏振棱镜联合组成的起偏器D和检偏器A之间加入半波片H，并使其绕水平轴转动360°，观察屏幕上发生消光现象的次数；然后使起偏器的偏振面与检偏器的光轴正交，加入半波片后，将它转到消光位置，再分别转动15°，30°，45°，60°，75°和90°，相应记录每次将A逐次转到消光位置所需转动的角度，根据实验数据分析半波片的作用。将数据填入表（三）中，并作解释。4.分析1/4波片的作用（选做） 先使线偏振光的偏振面P与检偏器A的光轴正交（这时通过A的光强显示最小），然后在两个偏振棱镜之间加入1/4波片Q，并转动Q，直到通过A的光强恢复到最小。从此位置每当Q转动15°，30°，45°，60°，75°和90°时，都将A转动360°，将数据填入表（四）中，并作解释。五、数据表格及数据处理1. θB的测定表 （一）θB1 θB2 θB3 θB4 θ° ° ° ° °θB平均值=°不确定度的计算：2. 马吕斯定律的验证表 （二） 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° 100° 110° 120°I 758 670 558 450 300 171 67 22 12 45 132 248130° 140° 150° 160° 170° 180° 190° 200° 210° 220° 230° 240° 250°380 515 640 737 794 803 777 720 602 470 322 186 85260° 270° 280° 290° 300° 310° 320° 330° 340° 350° 360°19 11 38 118 239 377 501 640 718 775 793画出I-关系曲线3. 分析半波片的作用表 （三）λ/2波片转动角度 15° 30° 45° 60° 75° 90°检偏器转动角 4.分析1/4波片的作用表 （四）λ/4波片转动角度 15° 30° 45° 60° 75° 90°检偏器转动360°过程中看到的现象 六、注意事项 1、保护光学元件的光学表面，不得触摸光学元件的光学表面。 2、激光管两端的高压引线头是裸露的，且激光电源空载输出电压高达数千伏，要警惕误触。 3、激光束光强极高，切勿用眼睛对视，防止视网膜遭永久性损伤。七、思考题 1、有四束光,它们的偏振态分别是:线偏振光,圆偏振光,椭圆偏振光和自然光,怎样鉴别它们？答:用一块检偏振器分别对四束光迎光旋转检验,当检偏振器旋转一周,发现出射光强两个方位最大,两个方位为零时,该光就是线偏振光;出射光强两个方位最大,两个方位变小时,该光即是椭圆偏振光;当出射光强不变时为圆偏振光和自然光.然后再区别圆偏振光和自然光.将这两束光分别通过l/4波片.通过l/4波片后,自然光还是自然光,用旋转的检偏振器检验,仍然光强不变;而圆偏振光通过l/4波片后变为线偏振光,用检偏振器检验,出现两次最大,两次零光强. 2. 三块外形相同的偏振片、1/2波片、1/4波片被弄混了，能否把它们区分开来？需要借助什么工具？答:用实验室中的光滑桌面(或玻璃板面)反射钠光,透过三块未知的偏振器件观看反射的钠光,在此过程中,一边旋转偏振器件,一边改变反射光方向，三块偏振器件中必有一块出现"两明两零"的现象,它就是偏振片.此时,钠光的入射角就是布儒斯特角,反射光是振动面垂直于入射面的线偏振光.另两块是波片,无论怎样旋转它,无论怎样改变反射光线的方向,光强都不发生变化.现在有了一块偏振片,还有已知振动方向的线偏振光.将两块波片分别迎着线偏振光旋转,用偏振片检验出射光强的变化.如果不管在什么方位,总是出现"两明两零"的现象,这块波片一定是l/2波片,因为线偏振光经过l/2波片后仍然是线偏振光.而线偏振光通过l/4波片,仅在线偏振光的振动方向平行(或垂直)l/4波片晶轴的情况下,才会出射线偏振光.在线偏振光振动方向与晶轴成450角时,出射圆偏振光,一般情况下出射椭圆偏振光. 3、用怎样的措施获得圆偏振光？ 答：让自然光通过起偏镜,得到振动方向平行于起偏镜透振方向的线偏振光.再让线偏振光通过一块1 /4波片,波片晶轴z与线偏振光振动方向成45度角,自l/4波片出射的就是圆偏振光.选取l/4波片使分解的o光和e光有±π/2的相位差,光轴z与入射线偏振光振动方向45度的夹角,可使分解的o光和e光有相等振幅.八、教学后记 一定要对学生强调激光器切不可用眼睛直视，以免出现人生伤害事故；本实验要测量的数据较多，实验的实际操作比较繁琐，因而学生感到完成实验有一定难度，因此在授课中强调学生一定要耐心；实验中要让学生在出现故障时，学会排除故障，并且能够自己动手解决问题，培养学生的动手能力。 执笔人：陈晨