“光子掺杂”技术使得超材料容易制造

  【据固态电子技术网站2017年3月10日报道】超材料领域是材料科学、物理、纳米技术和电气工程的交叉学科，旨在产生具有不寻常的电磁特性的结构。通过以精确的周期性排列仔细地组合多种材料，所得超材料显示出本不能存在的性质，例如负折射率。一些超材料甚至可以在它们的表面周围引导电磁波，使得它们对于某些波长的光是不可见的。

  用于布置超材料的构成部件（也称为夹杂物）所需的精度在其开发和应用中是一个具有挑战性的步骤。

  现在，宾夕法尼亚大学的工程师已经展示了一种方法，使超材料具有单一的包容性，可实现更容易的制造，以及其他有用的功能。

  类似于电子“掺杂”，向“纯”材料添加少量原子杂质，给予其许多计算和感测装置所必需的电子性质，这种“光子掺杂”将允许雕刻和定制光与物质相互作用的新方式，影响未来光学技术，如柔性光子学。

  该研究发表在“科学”杂志上，由电气与系统工程Nader Engheta，H、Nedwill Ramsey教授，以及他的团队成员I?igoLiberal，Ahmed M. Mahmoud，Yue Li和Brian Edwards完成。

  Engheta说：“正如电子掺杂，在原本纯材料中添加一组外来原子可以显着改变主体的电子和光学性质，光子掺杂是指在专门的光子主结构中添加外部光子对象，这是改变原始结构光学散射的一种主要方式。”

  该现象与具有介电常数的特定类别的材料一起工作，该介电常数是与材料的电响应有关的参数，数学上由希腊字母ε表示，几乎为零。

  这些ε-近零或ENZ材料的关键性质是波的磁场均匀分布在整个二维ENZ主结构上，而不管它们的横截面形状如何。这种ENZ材料天然存在或者可以通过传统的超材料方法制成。

  与工程师采用复杂的周期性结构显著地改变这种材料的光学和磁学性质不同，Engheta和他的团队设计了一种用于在2-D ENZ结构中的单一夹杂物以完成相同任务的方式：改变反射或通过的光的波长，或改变结构的磁响应。

  “如果我想改变一块材料与光线相互作用的方式，我通常必须改变它的所有。”Engheta说，“但这里不同。如果我在这个ENZ材料的任何地方放置一个单一的介质棒，对于外部的波来说，整个结构将看起来不同。”

  介电棒是由可以被极化的绝缘材料制成的圆柱形结构。当插入2-D ENZ主机构时，其可以影响该主机构内的磁场，并且因此可以显着地改变ENZ材料主结构的光学性质。

  因为2-D ENZ主结构中的波的磁场具有均匀的空间分布，所以介电棒可以放置在材料内的任何地方。因此，入射波表现为好像主体材料具有显着不同的光学性质。由于介质棒不需要放置在精确的位置，因此可以相对容易地实现这种光子掺杂结构的构造。

  通过“光子掺杂”应用这些超材料概念对电信内的信息处理系统和应用具有影响。

  “当我们使用波，这种光子掺杂可以是一种新的方式，我们来确定波在一个设备内从A到B的路径。”Engheta说。 “由于介质棒的变化相对较小，我们只需要改变棒，这只是主结构的一小部分材料，便可以使波”这样走“和”不这样“，这应该有助于设备的速度，并且，因为对于任意形状的ENZ主结构的效果是相同的，同时保持其横截面面积固定，该性质对于柔性光子学可能是非常有用的。”

  进一步的研究表明更多复杂的方法应用光子掺杂到ENZ材料，如添加多个不同直径的棒。

  “棒的介电性能可以响应热、光学或电气变化，”Engheta说。 “这意味着我们可以使用ENZ材料主结构作为传感器的读出，因为它会由于棒中的变化而传输或反射光。添加更多的棒将能够更精细地调整材料的响应。”（ 张慧 工业和信息化部电子科学技术情报研究所 ）

  新材料有助于用光记录数据

  【据固态电子技术网站2017年3月9日报道】俄罗斯物理学家与欧洲的同事通过改变光参数，学会了产生准粒子——激子。激子是完全可控的，并且还有助于在室温下记录信息。这些颗粒充当光子和电子之间的过渡形式，因此研究人员认为，通过使用激子，他们将能够创建用于快速记录和处理光信号的紧凑光电子器件。所提出的方法基于使用称为金属—— 有机骨架的特殊类别的材料。该研究发表在先进材料期刊上。

  为了简化对量子力学中复杂效应的描述，科学家们引入了准粒子的概念。其中一个称为激子的是“电子 - 空穴”对，其提供光子和电子之间的能量传递。根据科学界称，这种准粒子的调解将有助于将光学与电子学相结合，创造一种全新的更紧凑和更节能的设备类型。然而，所有激子演示器件仅在低温下操作，或者难以制造，这抑制了它们的大量应用。

  在新的研究中，来自圣彼得堡的ITMO大学、德国的莱比锡大学和荷兰的埃因霍温理工大学的科学家们可以通过改变光参数在室温下产生激子。研究人员还设法控制准粒子具有大约几百飞秒（10-13秒）的超高灵敏度。最后，他们开发了一种用激子进行数据记录的简单方法。这一切都可能通过使用称为金属有机框架的特殊类别材料。

  在ITMO大学合成的金属有机骨架（MOF）具有层状结构。层之间存在称为范德华力的物理吸引力。为了防止层与层不可控地汇合，层间空间填充有有机液体，其将框架固定为三维结构。

  在这样的晶体中，研究人员学会了单独提供两种类型的激子：层内和层间。第一种情况是被晶体吸收的光子转变为层内的电子 - 空穴对，而第二种情况电子和空穴属于相邻层。在某些时候，这两种准粒子解体，作为光子再辐射能量。但是激子可以在晶体存在时在晶体周围移动。

  层内激子的寿命相对短，但是它们的高密度和灵敏性使人们能够用这些准颗粒在例如LED和激光器中产生光。层间激子更稳定，但移动缓慢，因此研究人员提出将它们用于数据记录。根据物理学家，两种类型的激子适合光信号的处理。

  用于信息记录的创新方法涉及改变晶体层之间的距离以切换“开”和“关”层间激子。ITMO大学纳米光子学和超材料系副教授Valentin Milichko评论说：“我们用激光局部加热晶体。在暴露的地方，层粘在一起，激子的发光消失，而晶体的其余部分继续发光。这可能意味着我们记录了1位信息，并且以暗点形式的记录被保存了许多天。为了删除数据，将MOF放入层间填充的同一有机液体中就足够了。在这种情况下，晶体本身不受影响，但记录的信息（暗点）消失。”

  作者认为，未来新材料将有助于将光信号的处理带到零和一的模式：“事实上，我们可以改变光强度以影响晶体中的激子行为。在弱照射下，激子累积（在‘1’状态），但是如果激光功率增加，准颗粒的浓度生长得如此之大，使得它们可以立即分解（在‘0’状态）。”Valentin Milichko说。

  通常，激子发生在电介质和半导体晶体中，但是科学家可以在完全不同类别的材料中创建这些准粒子并且控制它们，这从未被用于此。 MOF晶体将有机组分与无机组分结合，赋予其单一材料无法具备的附加性质。因此，有机部分允许在室温下产生激子，但无机部分提供其在晶体周围的有效转移。（ 张慧  工业和信息化部电子科学技术情报研究所 ）

  研究发现钙钛矿纳米晶体可同时实现照明和数据通信

  【据激光电子世界网站2017年3月16日报道】国王阿卜杜拉科技大学研究人员已经证明，铯铅溴化物钙钛矿纳米晶体可以产生白光，能用作高效照明源和超快数据传输。

  最近提出的可见光通信（VLC）是一种有潜力同时实现节能照明和高速数据通信的技术，其使用可见波长（380-700nm）的电磁辐射，而不是常规的射频（RF）波进行通信。实际上与常规基于RF的通信系统相比，VLC具若干优点，包括高安全性，快速，以及不需调整和不拥挤的带宽。

  在典型的VLC系统中，发射器使用具有磷光体（蓝色，绿色和黄色/红色颜色转换器）的LED或激光二极管（LD）来产生白光用于固态光（SSL）和数据通信。然而，这使VLC系统的调制带宽受到磷的限制。也就是说，常规钇铝石榴石（YAG）基磷光体的长激发态寿命（重新发射吸收光子所需的时间）在VLC应用中带来严重的瓶颈。因此，与磷光体相关的带宽将VLC系统限制到约10MHz，并且抵消了其相对于RF通信系统的关键优点。

  近年来，钙钛矿已经成为光电子应用（光伏和光电探测器）的“魔术”材料。此外，最近的研究已经揭示了钙钛矿纳米晶体（NC） - 以铯溴化铅的形式 - 具有相对高的光致发光量子产率（PLQY）和短的光致发光（PL）寿命。事实上，高PLQY和短PL寿命的这种结合是理想的SSL和VLC颜色转换器的基本要求。（ 张慧 工业和信息化部电子科学技术情报研究所 ）

  NASA使用X射线测试新的编织碳纤维柔性热防护系统

  【据每日科学网站2017年3月1日报道】NASA埃姆斯研究中心正在研发一种新的编织碳纤维基底柔性热防护系统——ADEPT（也称为“自适应可展开进入和放置技术”）。为了在微观尺度上了解ADEPT系统的性能，NASA研究人员正在劳伦斯伯克利国家“先进光源实验室”（ACL）进行X射线实验，以跟踪材料对极端温度和压力的响应。

  与NASA航天飞机上的可重复使用陶瓷砖不同，ADEPT系统的编织碳纤维材料设计为一次性使用，在下降着落过程中缓慢燃烧，保护有效载荷。在ADEPT系统中，编织材料的柔性特性能够适应搭载有重型着陆载荷（包括航天员）大型航天器的设计，并可通过调整织造技术，对材料的耐热性和结构性能进行微调。ADEPT系统由一系列坚固的金属支柱支撑，将被存放在航天器内，可在进入大气层前像伞一样展开，还能在下降着陆过程中对航天器进行操控。

  ALS的研究人员目前正在开发一种测试平台，使用气动活塞来拉伸材料，并结合热和气体流动控制，来模拟进入火星大气条件；同时还在研发高速X射线成像技术，在热防护材料经历热载荷和转换时进行实时扫描，捕获实时反应和分解情况，X射线断层扫描能对热防护材料进行实时3D微结构数字化。在此基础上，NASA研究人员开发了一种名为PuMA（孔隙材料分析）的软件工具，可从X射线成像数据及细节中提取材料特性信息，如材料孔隙如何形成、材料如何导热、材料在模拟进入大气条件下如何分解等。

  ALS研究人员还将开发更快速的显微成像方法，捕获材料随时间变化对压力的响应，更快的成像速度可以产生大约2000帧/秒的数据；并计划开展更多实验，研究不同织造布置和材料类型的下一代热防护材料，在模拟进入大气条件下的逐渐分解过程。（孙棕檀 中国航天系统科学与工程研究院）

  圣迭戈复合材料公司开始交付 无人机碳纤维机身部件

  【据美国复合材料世界3月20日报道】圣迭戈复合材料公司（SDC，圣迭戈，加利福尼亚州）已经开始为Leigh Aerosystems公司的SkyEye R4G-50无人机提供碳纤维部件。SkyEye R4G-50无人机是已经服役了三十多年的R4E-50无人机的下一代。新的R4G-50翼展30英尺（9.15米），有效载荷能力为150磅（68公斤），飞行时间为12小时。其有效载荷可以包括高分辨率多光谱电光传感器和合成孔径雷达。全碳纤维机身加上坚固的起落架，使其能够在粗糙跑道或平坦的沙漠表面上进行活动。

  SDC为机身生产了超过50个独立部件，包括机身纵梁，舱壁和蒙皮，以及机翼和尾翼，蒙皮和控制面。SDC与Leigh Aerosystems合作，重新精确设计了材料和接口处，并对机身纵梁进行性能分析，以确保足够的强度。以铝、低成本泡沫和冲洗材料的组合被用于生产模具。所有复合材料制造都在SDC位于圣迭戈的70000平方英尺的工厂中进行。（ 陈济桁  中国航空工业发展研究中心 ）

  航空航天工业大批量生产热塑性树脂材料的新解决方案

  【据今日复材网站3月17日报道】Victrex和Tri-Mack的合资公司TxV航空复合材料公司，决定从德国迪芬巴赫（Dieffenbacher）公司引进的全新的Fiberforge铺设系统，为商用航空航天工业中大规模生产PAEK（聚芳醚酮）复合材料提供了解决方案。

  热塑性复合材料正在越来越多地被航空航天工业用作制造轻质，具有成本效益的飞机。为了满足成本挑战和大规模生产的需求，热塑性复合材料制造工艺需要高提效率，缩短周期。

  TxV航空复合材料公司将为航空航天工业提供大规模生产PAEK复合材料的解决方案。为了实现这一目标，TxV航空复合材料决定使用来自德国迪芬巴赫公司最新的Fiberforge铺设系统。TxV总监Tim Herr表示：“我们的使命是提供从聚合物到最终产品的全套解决方案。Fiberforge系统将成为我们生产过程的基础。我们的客户将从更有效率的大规模制造连续纤维增强热塑性树脂中获益。

  迪芬巴赫的销售总监Markus Geier补充说：”新的Fiberforge系统是世界上最快的带状铺叠系统。每道工序仅需要不到1秒钟。它与下游系统（如搬运机器人和成型压机）集成，每年只需一条生产线即可生产100多万个件产品。

  Fiberforge系统利用连续玻璃纤维带或碳纤维带，制造平面、网状工程层压板。该系统在一次生产运行中可以处理多达四种不同的带材料。整个的生产过程是完全自动化的，包括自动化的卷轴更换系统以实现不间断的生产。，采用不连续织物材料铺叠方式会造成原料浪费，成本畸高，而使用连续纤维带后，可使高成本浪费最小化，同时可生产出具有比织物层压材料结构性能高10%-30％的轻质层压板。

  航空航天工业中的应用包括负载的支架，内部和在其他商业飞机应用中的座椅。新方法将为金属或传统复合材料提供降低成本的解决方案。（陈济桁  中国航空工业发展研究中心）

  纳米“星条旗”的发现有望催生出更为先进的电子器件

  【据物理学组织网站2017年3月20日报道】为了找到适合用于制造下一代电子器件中小巧、节能晶体管的材料，在过去的几年里，美国达拉斯德克萨斯大学的Moon Kim教授领导的研究小组一直在对各种可能的材料进行研究。最近，他们终于找到了这种材料，即碲化钼（MoTe2）。他们发现这种材料具有从未见到过甚至从未被理论预测过的独特相变特性，他们的相关研究论文已于3月10日在著名期刊《先进材料》的网站上发表。

  碲化钼（MoTe2）属过渡金属二硫化物（TMDs），是一种具有原子尺寸厚度的新型二维材料，由一层钼原子和两层碲原子构成，有望替代硅成为制造晶体管的材料。Moon Kim教授及其合作者认为该材料是制造下一代纳电子器件极佳的的候选材料，便期望通过实验来了解这种材料的热稳定性。当他们将实验温度升高到摄氏450度之上时，神奇的事情发生了，通过透射电子显微镜的观察，一个极其美观的全新图案展现在研究人员的眼前。样品表面周期性成行排列的条状碲化钼层开始转变成微小的六角星或具有六个花瓣的花的形状。材料在高温下发生了相变，形成了一维的线状结构。该结构的截面由六个碲原子环绕位于中心的六个钼原子构成。由于在相变的过程中，条纹状图案和星状图案可同时出现在视野内，非常像美国的国旗“星条旗”，于是研究人员使用假色彩对图像进行了处理，得到了纳米“星条旗”。研究人员通过查阅资料发现，这种由“条状”变为“星状”的相变过程还从未有过相图记载。这说明他们发现了一个全新的相。经相变后的每一根纳米线都是半导体，这意味着电流流经纳米线时可以被打开或者关闭，当大量纳米线组装在一起时其更接近金属的性质，是电的良导体。Moon Kim教授打算利用这种单根的碲化钼纳米线制作尺寸更小的晶体管，从而应用于下一代的电子器件当中。这种纳米线的直径都在1纳米以下，而目前应用的最小晶体管的尺寸都在纳米线直径的10以上。

  Moon Kim教授说：“在将这一发现应用于实际器件之前，虽然我们还有很多的研究工作要做，包括如何将单根纳米线分离和如何克服与制造和大规模生产相关的技术上的挑战等，但这一发现是一个美好的开始。”（工业和信息化部电子科学技术情报研究所  李铁成）

更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态，我们网站会不断更新。希望大家一直关注国家材料腐蚀与防护科学数据中心http://www.ecorr.org