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盘点中美两国近几年在光电研究上的“蜜月期”

时间：2019-5-14 10:35作者：update 阅读(705) 评论: 6

导读：最近一段时间，中美贸易战的氛围升温，当前的中美当前的局面就像快结婚的男女在谈婚事一样，这段姻缘本应是天作之合，但婚姻并非仅仅是个人的结合，更是双方具有不同习俗家庭的结合，所以谈起来比较曲折，而婚后怎么 ...

　　最近一段时间，中美贸易战的氛围升温，当前的中美当前的局面就像快结婚的男女在谈婚事一样，这段姻缘本应是天作之合，但婚姻并非仅仅是个人的结合，更是双方具有不同习俗家庭的结合，所以谈起来比较曲折，而婚后怎么经营好生活也任重道远。中美之前在各个领域有很多好的合作，今天为大家盘点一下过去中美在光电研究上的“蜜月期”！

　　中美科学家合作研制

　　新型石墨烯导电复合材料

　　在石墨烯、碳纳米管以新型复合材料等新材料的创新技术的驱动下，各大院校、机构以及科技公司对这些新材料展开了各种各样的深入研究。新材料能够很好的替代传统的金属材料和其他传统材料。例如就有说法称，硅时代即将结束，石墨烯将会带来一个全新的时代。

　　美国莱斯大学的化学家JamesTour与莱斯大学的材料科学家PulickelAjayan、RouzbehShahsavari，北京航空航天大学的研究人员合作研发出一款十分坚韧，并且导电性能优异的复合材料。这种材料主要由环氧树脂和石墨烯等一系列高分子聚合物复合而成。

　　中美科学家合作研制新型石墨烯导电复合材料，高强度成为亮点

　　该石墨烯环氧树脂复合材料的制备方法与熔融共混法、溶液共混法、原位聚合法等典型的石墨烯复合材料制备方法不同，它首先将碳源、聚丙烯晴、镍粉进行混合，利用冷压技术将材料压实，然后通过加热和化学处理去除镍，得到多孔的3D支架，最后利用真空将环氧树脂注入支架中。值得一提的是，研究人员将多壁碳纳米管作为增强材料混合到石墨烯泡沫中，这种做法使得复合得到的材料硬度比纯环氧树脂高出约17倍，电导率约为每厘米14西门子。

　　研究人员表示，该材料在未来的航空航天以及民用领域能够很好地代替目前所用的碳复合树脂。

　　其实，航空航天、汽车工业利用碳纤维复合材料制作部件已经不是什么新鲜事了。早在1950年，美国Wright－Patterson空军基地开始研究用人造丝制造碳纤维。到目前为止，美国很多大型的战斗机中碳纤维复合材料的使用比例已经大幅提升了，例如，第四代战斗力F－22采用了约24％的碳纤维复合材料，以及洛克希德·马丁公司在制造F－35战斗机时碳纤维复合材料多达35％。

　　中美科学家合作研制新型石墨烯导电复合材料，高强度成为亮点

　　要说碳纤维复合材料真正开始发展，就不得不提到日本东丽公司了，从1969年研制出高性能碳纤维后，产量一直处于世界首位，目前在航空航天领域应用比较出色的产品就是东丽的T1100G、T2000两种材料了，号称是世界上强度最高的碳纤维，其中T1100G的拉伸强度6．6Gpa，虽然T2000还在研发中心，但是据说其强度可达到60GPa。此前，东丽旗下CarbonMagic公司在2017年就已经被波音公司认定为供应商，并于去年10月开始交付一级碳纤维复合材料结构零部件。

　　国内航空航天领域的碳纤维复合材料发展也是最近几年才发展起来的，不久前试飞成功的国产大飞机C919的碳纤维复合材料用到了12％，并且中俄正在研发的CR929所使用的碳纤维用量将会达到51％。

　　如果中美科学家本次研究出的这种石墨烯环氧树脂复合材料的强度比东丽公司T1100G、T2000更大、导电性能良好，并且能够实现量产，未来飞机的重量将会减轻不少，抗疲劳能力、部件导电性能也会在现有基础上提升一大截，人类离最终的航空航天梦也会更近一步。

　　中美科学家开发出微型电光调制器

　　中美两国科学家2018年9月24日在英国《自然》杂志网络版发布报告说，他们开发出一种微型、高效的电光调制器，其数据传输速度更快，能耗和成本更低，有望促进5G产业发展。

　　电光调制器是现代通信产业的核心部件，用来将计算机设备中的高速电子信号转化为光信号，从而通过光纤传输。

　　研究人员说，目前使用铌酸锂晶体制造的电光调制器需要3到5伏特的驱动电压，远高于互补式金属氧化物半导体集成电路1伏特的水平。结果整套设备需要加装电流放大器，使设备笨重、昂贵且耗能高。

　　中国香港城市大学、美国哈佛大学和诺基亚贝尔实验室的研究人员利用纳米制造技术开发出新型铌酸锂电光调制器，其大小是传统电光调制器的约百分之一，可在1伏特电压下工作，其数据带宽达100千兆赫，数据传输速度提升到每秒210千兆比特，而光损耗只有现有器件的约十分之一。

　　研究人员说，铌酸锂的电光学性质最适合制造调制器，但它的化学惰性强，传统的化学蚀刻法难以处理，全新的纳米制造法解决了这一问题。

　　香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室计划将该技术用于5G通信应用中，该技术在量子光子学领域也有应用前景。

　　中美科学家联合研发超材料光学器件

　　据麦姆斯咨询报道，麻省理工学院（MIT）联合其他地区的研究人员共同开发了一种利用中红外波段光谱拍摄图像的新方法，该方法可应用于包括热成像、生物医学传感和自由空间通信在内的各类应用。

　　中红外（mid-IR）波段的电磁辐射是光谱中特别有用的部分：它可在黑暗中提供成像，追踪热信号，并可敏感地探测许多生物分子和化学信号。但是该频率波段的光学系统很难制造，而且应用它们的设别都很专业且高贵。目前，研究人员称，已找到一种高效的、可大规模量产的方法来控制并探测该波段光波。

　　该成果已发表于NatureCommunications期刊，由麻省理工学院的研究员TianGu和JuejunHu，马萨诸塞大学（UniversityofMassachusetts）洛厄尔分校的研究员HualiangZhang和来自麻省理工学院、中国电子科学技术大学以及华东师范大学的其他13名研究员共同撰写。

　　这种新方法使用了由纳米结构光学元件组成的平整人造材料，代替了传统光学镜片中常用的较厚的曲面玻璃透镜。这些纳米结构光学元件可按需提供电磁响应，并使用类似于计算机芯片的制造技术。Gu说：“这种超材料表面（metasurface）可使用标准微加工技术制造，且其制造可以规模扩展。”

　　Gu补充道：“在可见光和近红外波段，超材料表面光学器件已有卓越表现，但在中红外波段，这方面的发展相当缓慢。”当该研究团队开始这项研究时，他们有能力令这些器件变得非常薄，问题在于：“我们是否还能让这些材料更高效、成本更低”现在，他们成功做到了！

　　这款新器件使用了一组被称为“超原子”的精确成形的薄膜光学元件，该“超原子”由硫族化合物合金制成，具有很高的折射率，可形成高性能、超薄的超原子结构。这些“超原子”沉积在红外透射的（IR-transparent）氟衬底上并形成图案，形状类似于I或H这样的字母。同时，这些微小结构的厚度仅为被观测光波的几分之一，它们整体可起到透镜作用。另外，这些“超原子”可提供几乎任意的波前操作，这在尺寸更大的天然材料上是无法实现的，同时该材料很薄，因此制造时仅需少量材料。Gu说：“这与传统的光学系统有着本质的区别。”

　　Gu继续解释道：“该工艺允许我们使用非常简单的制备技术，即通过热蒸发将材料沉积在衬底上。”该团队已经在6英寸晶圆上展示了这种高产能、微加工标准的技术，而且研究团队表明：“我们正在研究更大规模的量产。”

　　Gu补充说：“这些器件可传输80%的中红外光，且光学效率最高可达75%，比起现有的中红外超光学器件（mid-IRmetaoptics）有了显著的改进。”这些器件也比传统红外光学材料更轻、更薄。研究人员使用相同的方法，仅通过改变阵列模式，就可以任意地制造出不同类型的光学器件，主要器件包括简单的光束偏转器，圆柱形或球形透镜，以及复杂的非球面透镜。这些透镜已证明能够以理论锐度最大值聚焦中红外光，也即所谓的衍射极限。

　　Gu说，这些技术创造了超光学器件（metaopticaldevices），这类器件相比传统大尺寸透明材料，能够以更复杂的方式操纵光，这些器件还能控制偏振及其他特性。

　　中红外光在诸多领域都有着非常重要的地位。研究人员说，中红外光包含了绝大多数分子的特征光谱带，且能有效地穿透大气，因此它是环境监测、军事和工业应用等领域探测各种物质时的关键因素。由于可见光或近红外波段中使用的大部分普通光学材料，对中红外波段的光都是完全不透明的，因此中红外传感器的制作复杂且昂贵。因此，这种新方法将会带来包括消费类传感或成像产品在内的全新潜在应用。

　　该项研究由美国国防部高级研究计划局（DARPA）极限光学和成像项目以及中国国家自然科学基金共同资助。

　　中美科学家研制微型量子点光谱仪

　　来自美国麻省理工学院网站消息称，化学家们的一项成就为制造更高性能的光谱铺平了道路，而这种光谱仪将比手机照相机镜头的图像传感器还要微型。《自然》杂志上的一篇论文，详细描述了一种微型量子点光谱仪，其未来应用包括太空探索、个性化医疗、微流控芯片实验室诊断平台等。

　　光谱仪作为一种分析仪器，几乎在每个科学领域都会用到，尤其在物理、化学和生物学研究中必不可少。这类设备通常体积过大以至于难以移动。科学家长期致力于让光谱仪小型化、成本低廉且易于使用，以便增加它们的使用范围。

　　但一直以来，相关努力都不是很成功。此次，麻省理工学院博士后、中国清华大学的鲍捷以及麻省理工学院化学教授莫吉·巴旺迪提出，现有微型光谱仪的设计局限可以用胶体量子点克服，量子点是高度可调控的、微型的并且对光敏感的半导体晶体，使用量子点可以在减小光谱仪体积的同时不影响它的分辨率、使用范围和效率。

　　研究人员展示了一个用195个不同的量子点做成的光谱仪，其每一个量子点都对特定光谱范围敏感，可以过滤各种波长的光并检测到非常小的光谱移位。美国加州大学伯克利分校物理学副教授王锋（音）认为，这个堪称“美丽”的方式，利用半导体量子点微型光谱仪来控制光吸收，该设备体积之小、性能之高，在以前还从未实现过。

　　论文作者们表示，这一系统兼具了高性能和简洁性，容易制造并有进一步小型化的可能，所以将会在很大程度上有利于那些需要缩小尺寸、重量、成本和复杂性的应用。其与小型设备结合后，可用于诊断皮肤状况或分析尿液样本，甚至用于追踪生命体征诸如脉搏和血氧水平等。与此同时，这一研究也代表了量子点的新应用，这种纳米结构材料现主要适用于标记细胞和生物分子，在计算机及电视显示屏领域也大有用武之地。

　　中美科学家发明

　　增强拉曼光谱检测新技术

　　中科院院士、厦门大学化学化工学院田中群教授课题组与美国佐治亚理工学院王中林教授课题组合作，在电化学控制条件下获得了多种分子或离子吸附在铂、金等单晶电极上的表面拉曼光谱，该新技术尚属首次，其研究成果发表在10年3月18日的英国《自然》杂志上。

　　表面增强拉曼光谱是一种非常强大的高灵敏分析技术，它可以探测和分析物质表层所吸附的各类分子，对于有些体系，它的灵敏度甚至达到检测单分子水平。但是，它的应用具有很大局限性——仅有少数几种金属（金、银、铜）可产生如此强大的表面增强拉曼散射效应，并且这些金属的基底必须是粗糙或需要制备成纳米粒子。

　　据介绍，课题组提出建立了名为“壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱”新技术，相当于在金属或其他材料（例如半导体硅表面甚至橘子皮）面上铺撒一层“聪明的灰尘”，即用化学惰性材料超薄壳层（约2至4个纳米厚度）所隔绝的金纳米粒子，利用这些纳米粒子能使各种材料表面的拉曼光谱得到增强。

　　课题组采用时域有限差分法对有关增强效应进行模拟，数据显示，与纳米粒子接触的微小区域的表面分子的拉曼信号可增强约七个数量级。他们用该方法检测了半导体硅表面物种、细胞壁组分乃至橘子皮的残留农药，结果证明拉曼光谱方法可以应用于检测各类材料的最表层化学组分和任何形貌的基底，使得表面拉曼光谱提升为更为通用和实用的方法，将在材料科学和生命科学中得到运用，例如，通过结合便携式的拉曼谱仪，可望在食物安全、药物、炸药以及环境污染检测中发挥作用。

　　课题组认为，壳层隔绝纳米粒子增强光谱信号的思路有望拓展至表面红外光谱、和频振动光谱和荧光光谱等其它谱学技术。

　　中美合作：光电子记忆材料

　　这项研究得到了陆军研究办公室多学科大学研究倡议、半导体技术先进研究网络功能加速纳米材料工程分部、微电子先进研究协会、国防高级研究计划局、荷兰科学研究组织、罗伯特A.韦尔奇基金会、国家安全科学与工程学院奖学金和海军研究办公室的资金支持。重视程度可见一斑，外行看热闹，内行看门道……

　　美国莱斯大学研发的一个原子级薄的材料，这或可能导致研发目前最薄的成像平台。基于金属硫族化合物的合成二维材料可能是超薄设备的基础，莱斯大学的研究人员这样表示。其中一个这样的材料二硫化钼，因其检测光的特性而被广泛研究，但是铜铟硒化物（CIS）也表现出同样非凡的潜力。

　　莱斯大学材料学科学家普利克尔·阿加延(PulickelAjayan)实验室的研究生雷思东（SidongLei）合成了CIS，一种单层铜、铟和硒原子矩阵。雷还建立了一个模型——一个三像素电荷耦合器件（CCD）——以证明材料捕捉图像的能力。这项研究被发表在美国化学协会的期刊《纳米快报》上。

　　雷表示这种光电子记忆材料可能是捕捉图像的二维电子元件的重要组成部分。“传统的电荷耦合器件厚重且坚硬，将它们与二维元素相结合是没有意义的。”雷解释道。“而基于铜铟硒化物的电荷耦合器件非常薄、透明和灵活，这正是二维成像器件所缺失的。”

　　当光照射到材料上，这一器件可以围困形成的原子，并一直保留它们直到它们被释放用于存储目的。铜铟硒化物对光高度敏感，因为被围困的电子会缓慢消散，莱斯大学材料科学和纳米工程学院的研究员罗伯特·沃伊塔伊（RobertVajtai）这样解释道。“感知光的二维材料有很多，但没有一种能够如此高效。这种新材料比我们之前见过最好的材料高效10倍。”

　　由于这种材料是透明的，基于铜铟硒化物的扫描仪可以从一面利用光照亮图片，而另一边用于捕捉图片。在医疗方面的应用，雷设想铜铟硒化物可以用于小型生物成像器件，通过与其它二维电子元件相结合，从而进行实时监测。

　　在这项最新研究的实验里，雷与同事培养了合成的铜铟硒化物晶体，他们从晶体里抽取了单层，然而测试单层捕捉光的能力。这一铜铟硒化物单层厚度大约为2纳米，包含9个原子厚的晶格。这一材料也可以通过化学气相沉积（chemicalvapordeposition）的方法培养，产生的晶体大小将受到熔炉大小的限制。

　　由于铜铟硒化物是灵活的，它还能弯曲以匹配成像透镜系统的焦面。雷表示这将支持对像差的实时纠正以及极大的简化整个光学系统。这项研究的其它合作作者还包括莱斯大学研究生温芳芳（FangfangWen）和龚勇吉（YongjiGong）；博士后研究员李博（BoLi）、董培（PeiDong）、安东尼·乔治（AnthonyGeorge）和葛烈辉（LiehuiGe）；本科生王琦中（QizhongWang）、詹姆斯·贝拉（JamesBellah）和黄一瀚（YihanHuang）；以及一些补充人员，包括来自中国兰州大学的何永敏（YongminHe）、科学与纳米工程的助理教授娄军（JunLou）、电子和计算机工程系斯坦利C.穆尔教授、化学、生物医学工程、物理学和天文学教授、材料科学和纳米工程学院的内奥米·哈拉斯（NaomiHalas）。阿加延是莱斯大学本杰明M和玛丽格林伍德安德森研究机械工程和材料科学教授、材料科学与纳米工程教授兼院长和化学系教授。

　　中美合作共同创造

　　太阳能电池效率破世界纪录

　　如何提高聚合物太阳电池能量转化效率，一直是国际前沿难题。笔者昨日从华南理工大学获悉，华工发光材料与器件国家重点实验室、高分子光电材料与器件研究所与美国Phillips66公司、Solarmer能源公司近日对外宣布：三方联合创造了单结聚合物（高分子）太阳电池效率新的世界纪录，达到了9.31%。该效率获得了位于美国加州长滩的Newport技术和应用中心光伏实验室的独立认证。

　　该聚合物太阳电池采用由华南理工大学高分子光电材料与器件研究所开发的水/醇溶性聚合物太阳电池界面调控材料与技术。

　　据介绍，聚合物太阳电池是指核心组成为聚合物（高分子）半导体材料的一种新型的太阳电池，在太阳能发电、野外便携式充电器、太阳能电动交通工具、发电式建筑外墙等方面具有广阔的应用前景。

　　中美合作纳米激光器

　　研究将刷新世界纪录

　　湖南大学纳米光子学小组与美国亚利桑那州立大学合作，将半导体激光芯片调谐范围(指发光波长所能调节的范围)扩大，成功地演示出500纳米绿光直至700纳米红光，创造了新的半导体激光器调谐范围世界纪录。据介绍，此前半导体激光器调谐范围最长只能达到几十纳米。

　　这一科研项目的领衔学者邹炳锁教授介绍，反映这一成果的论文发表在最近一期国际最权威纳米专业杂志《纳米快报》上。该项成果的材料将可应用于新光源、光通讯、分子和生物传感、太阳能电池等领域。比如替换白炽灯而改用该种材料的发光器件后，同等条件下发出的光将比现在亮得多。此外，这种材料还可用来做太阳能电池的基板，将大大提高光电转换效率。

　　据介绍，国内外的许多激光专家都在研究如何提高半导体激光器的调谐范围，以更充分发挥激光的作用。邹炳锁教授领衔的纳米光子学小组，采用一维纳米结构生长技术，避免了材料中的结构配合问题，可制出成分大范围调节的纳米线。纳米光子学小组又通过与美国亚利桑那州立大学的光子学团队合作，实现了从绿光、黄光、橙光到红光的单芯片上可调谐的激光发射。

　　以上就是为大家整理的一些近些年中美关于光电研究的合作。中美两国还是应该多做一些有利双方的合作，获取更多的双赢，对世界的发展也会起到很好的推动作用！

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