功能材料-功能玻璃

1、硕士研究生课程硕士研究生课程 功能材料功能材料 吉林大学材料科学与工程学院吉林大学材料科学与工程学院 功功 能能 玻玻 璃璃 讲授：孙彦彬讲授：孙彦彬 由于原子能、电子工业、计算机、医疗、激由于原子能、电子工业、计算机、医疗、激 光等近代科学技术的发展及国防工业的需要，光等近代科学技术的发展及国防工业的需要， 玻璃材料和其他无机非金属材料一样，发展玻璃材料和其他无机非金属材料一样，发展 非常迅速。在玻璃分类中把许多新型玻璃材非常迅速。在玻璃分类中把许多新型玻璃材 料归入特种玻璃。功能玻璃是指与传统玻璃料归入特种玻璃。功能玻璃是指与传统玻璃 结构不同的、有某一方面独特性能的、有专结构不同的、有某

2、一方面独特性能的、有专 门用途的、或者制造工艺有明显差别的一些门用途的、或者制造工艺有明显差别的一些 新品种新品种“玻璃玻璃”。功能玻璃近年来发展迅速，。功能玻璃近年来发展迅速， 它除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具它除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具 有许多独特的性质，如磁光玻璃的磁有许多独特的性质，如磁光玻璃的磁-光转换光转换 功能、声光玻璃的声光特性、导电玻璃的导功能、声光玻璃的声光特性、导电玻璃的导 电性、记忆玻璃的记忆特性等。电性、记忆玻璃的记忆特性等。 新型功能玻璃材料的开发主要依赖于如新型功能玻璃材料的开发主要依赖于如CVD、 PVD、等离子溅射、溶胶、等离子溅射、溶胶-凝胶

3、、材料复合等凝胶、材料复合等 各种高新技术、新工艺在玻璃制造中的巧妙各种高新技术、新工艺在玻璃制造中的巧妙 运用，这些巧妙运用赋予功能玻璃材料许多运用，这些巧妙运用赋予功能玻璃材料许多 新的特性，使其塑造成具有各种专用功能的新的特性，使其塑造成具有各种专用功能的 特性材料从而为现代光量子技术提供了更特性材料从而为现代光量子技术提供了更 新的材料和器件。新的材料和器件。 随着材料制备手段的不断提高和发展，新技随着材料制备手段的不断提高和发展，新技 术、新工艺的出现，玻璃材料的开发日新月术、新工艺的出现，玻璃材料的开发日新月 异，具有各种探索性能的玻璃不断的涌现出异，具有各种探索性能的玻璃不断的涌

4、现出 来。来。 新型功能玻璃就是采用高纯原料、新型技术、新型功能玻璃就是采用高纯原料、新型技术、 新的制备方法或在特殊的条件下形成的具有新的制备方法或在特殊的条件下形成的具有 某种特殊功能的玻璃或无机非晶态材料，它某种特殊功能的玻璃或无机非晶态材料，它 与通常玻璃相比具有许多明显的特征，主要与通常玻璃相比具有许多明显的特征，主要 表现在：表现在： (1)玻璃化方面，通常玻璃是在大气中进行熔玻璃化方面，通常玻璃是在大气中进行熔 融而制得的，而新型功能玻璃是采用超急冷融而制得的，而新型功能玻璃是采用超急冷 法、溶胶法、溶胶-凝胶法、凝胶法、PVD法、法、CVD法以及特法以及特 种气氛等方法而制得的

5、；种气氛等方法而制得的； (2)成型方面，通常玻璃主要产品是板材、管成型方面，通常玻璃主要产品是板材、管 材、成瓶、成纤等，而新型功能玻璃则是微材、成瓶、成纤等，而新型功能玻璃则是微 粉末、薄膜、纤维状等；粉末、薄膜、纤维状等； (3)在加工方面，通常玻璃采用烧制、研磨、在加工方面，通常玻璃采用烧制、研磨、 急冷强化等方法，而新型功能玻璃则采用结急冷强化等方法，而新型功能玻璃则采用结 晶化、离子交换法、分子溅射、分相、微细晶化、离子交换法、分子溅射、分相、微细 加工技术等；加工技术等； (4)在用途方面，通常玻璃主要用于建筑、容在用途方面，通常玻璃主要用于建筑、容 器、光学制品等，而新型功能玻

6、璃主要用于器、光学制品等，而新型功能玻璃主要用于 光电子、光信息情报处理、传感显示、精密光电子、光信息情报处理、传感显示、精密 机械以及生物工程等领域。机械以及生物工程等领域。 功能玻璃按照其功能来划分，可分为以下几功能玻璃按照其功能来划分，可分为以下几 种。种。 微晶玻璃微晶玻璃 光导纤维玻璃光导纤维玻璃 激光玻璃激光玻璃 光色玻璃光色玻璃 半导体玻璃半导体玻璃 非线性光学玻璃非线性光学玻璃 功功 能能 玻玻 璃璃 磁功能玻璃磁功能玻璃 生物玻璃生物玻璃 机械功能玻璃机械功能玻璃 功能玻璃薄膜功能玻璃薄膜 半导体玻璃半导体玻璃 提到半导体材料人们很自然地就会想起硅和提到半导体材料人们很自然地

7、就会想起硅和 锗单晶体，并且用它制作了一系列电子器件，锗单晶体，并且用它制作了一系列电子器件， 从最简单的二极管发展到目前的绿豆大小面从最简单的二极管发展到目前的绿豆大小面 积的硅片上集成几万乃至几十万个元件的大积的硅片上集成几万乃至几十万个元件的大 规模集成电路，这些用单晶半导体材料做成规模集成电路，这些用单晶半导体材料做成 的电子元件已经在各个方面得到了广泛的应的电子元件已经在各个方面得到了广泛的应 用。至于玻璃通常被认为是绝缘体，但是当用。至于玻璃通常被认为是绝缘体，但是当 人们对玻璃材料的性能深入研究以后，也确人们对玻璃材料的性能深入研究以后，也确 实发现有些玻璃在一定的条件下并不是真

8、正实发现有些玻璃在一定的条件下并不是真正 的的“绝缘体，它们是具有一定的导电本领的，绝缘体，它们是具有一定的导电本领的， 其电阻大小介于绝缘体与导电体之间，我们其电阻大小介于绝缘体与导电体之间，我们 称这种玻璃为半导玻璃或玻璃半导体。称这种玻璃为半导玻璃或玻璃半导体。 一、半导体玻璃分类一、半导体玻璃分类 玻璃的种类是很多的，五颜六色，其化学成玻璃的种类是很多的，五颜六色，其化学成 分也是各种各样，其中能形成玻璃半导体的分也是各种各样，其中能形成玻璃半导体的 大体上有三类，一类是元素大体上有三类，一类是元素(如硒、硅如硒、硅)半导半导 玻璃，另一类是金属的氮化物、氧化物半导玻璃，另一类是金属的

9、氮化物、氧化物半导 体玻璃，还有一类是硫系体玻璃，还有一类是硫系(如含硫、砷、碲如含硫、砷、碲 的化合物的化合物)半导体玻璃。半导体玻璃。 一般半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间，一般半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间， 在在10-6107m，并分为本征半导体和杂质，并分为本征半导体和杂质 半导体两种。杂质半导体包括空穴型半导体两种。杂质半导体包括空穴型(p型型) 半导体和电子型半导体和电子型(n型型)半导体，玻璃半导体半导体，玻璃半导体 主要属于杂质半导体类型。主要属于杂质半导体类型。 (1) 元素半导体玻璃元素半导体玻璃 如硒、硅、锗等。如硒、硅、锗等。 (2) 氧化物半导体玻璃氧化物半导

10、体玻璃 这类玻璃含有大量钒、铁、钨、钴、镍这类玻璃含有大量钒、铁、钨、钴、镍 等过渡元素，研究得较多的是钒磷酸盐玻等过渡元素，研究得较多的是钒磷酸盐玻 璃和铜硼酸盐玻璃，如璃和铜硼酸盐玻璃，如V2O5-P2O5-BaO， CuO-B2O3-CaO及及MnO-Al2O3-SiO2等系统。等系统。 其导电性是由于过渡金属离子具有两种不其导电性是由于过渡金属离子具有两种不 同价态而引起的电子跃迁过程所造成的。同价态而引起的电子跃迁过程所造成的。 这种玻璃通常是这种玻璃通常是n型半导体，电阻率在型半导体，电阻率在10 106m之间，载流子密度为之间，载流子密度为1010cm-3，迁移，迁移 率一般在率

11、一般在10810-2cm2V-1s-1。表征氧化物。表征氧化物 玻璃的热电转换常数玻璃的热电转换常数赛贝克系数在赛贝克系数在100 1000VK-1(300以下以下)范围变化。范围变化。（一块导（一块导 体或者半导体的两端如果温度不同就会产体或者半导体的两端如果温度不同就会产 生温差电动势生温差电动势,称为赛贝克效应，又称热电称为赛贝克效应，又称热电 效应）效应） (3) 非氧化物半导体玻璃非氧化物半导体玻璃 (硫系玻璃硫系玻璃) 这类玻璃是这类玻璃是As、Sb、Ti、P、Ge、Si等等 元素的硫化物、硒化物、碲化物或这几种元素的硫化物、硒化物、碲化物或这几种 化合物的混合物以适当比例混合熔融

12、而成。化合物的混合物以适当比例混合熔融而成。 其电导率随成分而变，界限从其电导率随成分而变，界限从10 -12 10 - 1Sm-1 (西门子每米 西门子每米)。这类玻璃是电子导电。这类玻璃是电子导电。 硫系玻璃半导体的品种很多，迄今研究得硫系玻璃半导体的品种很多，迄今研究得 比较充分的有比较充分的有As2S3、As2Se3、As2Te3及及 As2Se3-As2Te3、As2Se3-As2Te3-Te2Se等。等。 与晶态半导体相似，玻璃与晶态半导体相似，玻璃 半导体也存在导带和价带，半导体也存在导带和价带， 两者间也有禁带。能带的两者间也有禁带。能带的 存在不依赖于晶格的周期存在不依赖于晶

13、格的周期 性，但是由于玻璃半导体性，但是由于玻璃半导体 中原子排列的无序性，能中原子排列的无序性，能 带拖有带拖有“尾巴尾巴”，见，见右图右图， 在晶态半导体中能带的状在晶态半导体中能带的状 态是电子共有化运动的状态是电子共有化运动的状 态，而在玻璃半导体能带态，而在玻璃半导体能带 中的状态分为两类，一类中的状态分为两类，一类 叫扩展态；另一类叫定域叫扩展态；另一类叫定域 态。态。 二、玻璃半导体的导电机理二、玻璃半导体的导电机理 在导带中，能量在导带中，能量EEc 的状态是扩展态，而的状态是扩展态，而 EAEEC的状态是定的状态是定 域 态 ； 在 价 带 中 ，域 态 ； 在 价 带 中

14、， EEV的状态是扩展态，的状态是扩展态， 而而EVEEB的状态是的状态是 定域态。定域态。EC和和EV分别分别 表示导带和价带中扩展表示导带和价带中扩展 态和定域态的为界。当态和定域态的为界。当 电子处于扩展态时，电电子处于扩展态时，电 子运动的波函数延展到子运动的波函数延展到 整个空间，它类似于晶整个空间，它类似于晶 态半导体中的共有化运态半导体中的共有化运 动状态。动状态。 当电子处于定域态时，它的波函数仅局限当电子处于定域态时，它的波函数仅局限 在一些中心点附近，这时电子不能在整个在一些中心点附近，这时电子不能在整个 玻璃中作共有化运动，而只是在比较小的玻璃中作共有化运动，而只是在比较

15、小的 范围内作定域运动。范围内作定域运动。 在扩展态中，载流子的导电机理和晶态半在扩展态中，载流子的导电机理和晶态半 导体相似，但在定域态中的载流子却只能导体相似，但在定域态中的载流子却只能 和晶格振动相互作用、交换能量，才能从和晶格振动相互作用、交换能量，才能从 一个定域态跳到另一个定域态，进行跳跃一个定域态跳到另一个定域态，进行跳跃 式导电。式导电。 三、半导体玻璃的制备方法三、半导体玻璃的制备方法 半导体玻璃的制备方法与普通玻璃相似，半导体玻璃的制备方法与普通玻璃相似， 只是在制造普通玻璃的原料中按一定比例只是在制造普通玻璃的原料中按一定比例 加入一些其他元素化合物，把原料加热熔加入一些

16、其他元素化合物，把原料加热熔 化后再冷却，即可制得各种不同用途的半化后再冷却，即可制得各种不同用途的半 导体玻璃。因而与单晶半导体材料硅、锗导体玻璃。因而与单晶半导体材料硅、锗 的生长工艺比较起来，要简单方便得多，的生长工艺比较起来，要简单方便得多， 成本也会大大下降。成本也会大大下降。 1. 非晶硅的制备非晶硅的制备 由非晶态合金的制备知道，要获得非晶态，需要由非晶态合金的制备知道，要获得非晶态，需要 有高的冷却速率，而对冷却速率的具体要求随材有高的冷却速率，而对冷却速率的具体要求随材 料而定。硅要求有极高的冷却速率，用液态快速料而定。硅要求有极高的冷却速率，用液态快速 淬火的方法目前还无法

17、得到非晶态。近年来，发淬火的方法目前还无法得到非晶态。近年来，发 展了许多种气相淀积非晶态硅膜的技术，其中包展了许多种气相淀积非晶态硅膜的技术，其中包 括真空蒸发、辉光放电、溅射及化学气相淀积等括真空蒸发、辉光放电、溅射及化学气相淀积等 方法。一般所用的主要原料是单硅烷方法。一般所用的主要原料是单硅烷(SiH4)、二硅、二硅 烷烷(Si2H6)、四氟化硅、四氟化硅(SiF4)等，纯度要求很高。非等，纯度要求很高。非 晶硅膜的结构和性质与制备工艺的关系非常密切，晶硅膜的结构和性质与制备工艺的关系非常密切， 目前认为以辉光放电法制备的非晶硅膜质量最好，目前认为以辉光放电法制备的非晶硅膜质量最好，

18、设备也并不复杂。以下简介辉光放电法。设备也并不复杂。以下简介辉光放电法。 辉光放电法是利用反应气体在等离子体中辉光放电法是利用反应气体在等离子体中 发生分解而在衬底上淀积成薄膜，实际上发生分解而在衬底上淀积成薄膜，实际上 是在等离子体帮助下进行的化学气相淀积。是在等离子体帮助下进行的化学气相淀积。 等离子体是由高频电源在真空系统中产生等离子体是由高频电源在真空系统中产生 的。根据在真空室内施加电场的方式，可的。根据在真空室内施加电场的方式，可 将辉光放电法分为直流电、高频法、微波将辉光放电法分为直流电、高频法、微波 法及附加磁场的辉光放电。在辉光放电装法及附加磁场的辉光放电。在辉光放电装 置中

19、，非晶硅膜的生长过程就是硅烷在等置中，非晶硅膜的生长过程就是硅烷在等 离子体中分解并在衬底上淀积的过程。对离子体中分解并在衬底上淀积的过程。对 这一过程的细节目前了解得还很不充分，这一过程的细节目前了解得还很不充分， 但这一过程对于膜的结构和性质有很大影但这一过程对于膜的结构和性质有很大影 响。响。 2. 氧化物半导体玻璃的制备氧化物半导体玻璃的制备 只需将氧化物如氧化铜、氧化硼、氧化钙只需将氧化物如氧化铜、氧化硼、氧化钙 等混合后放在坩埚里在空气中加热到等混合后放在坩埚里在空气中加热到900 左右，熔化后冷却即可制成。氧化物玻璃左右，熔化后冷却即可制成。氧化物玻璃 半导体的熔制温度随组成而变

20、化，当半导体的熔制温度随组成而变化，当P2O5、 WO3等含量增加时，熔制温度相应提高。等含量增加时，熔制温度相应提高。 坩埚可选用陶瓷质或石英质的。由于钒玻坩埚可选用陶瓷质或石英质的。由于钒玻 璃料性很短，粘度小，易流动和软化，因璃料性很短，粘度小，易流动和软化，因 此需在特殊模中成型。此需在特殊模中成型。 3. 硫系半导体玻璃的制备硫系半导体玻璃的制备 将砷、碲、硅、锗等元素按一定比例混合，将砷、碲、硅、锗等元素按一定比例混合， 封于石英玻璃管中加热至封于石英玻璃管中加热至1000左右熔融左右熔融 后冷却，便可得到所需要的玻璃。硫系玻后冷却，便可得到所需要的玻璃。硫系玻 璃的析晶倾向较大，

21、合成条件和称量误差璃的析晶倾向较大，合成条件和称量误差 对电性能有较大的影响，因此其原料纯度对电性能有较大的影响，因此其原料纯度 一般高于一般高于99.99(质量分数质量分数)，称量精度达，称量精度达 210-4g，在抽真空的石英容器中熔制，一，在抽真空的石英容器中熔制，一 面熔制，一面转动。析晶倾向小的可以自面熔制，一面转动。析晶倾向小的可以自 然冷却，析晶倾向大的则需把容器投入冰然冷却，析晶倾向大的则需把容器投入冰 水水(或干冰或干冰)中淬冷，以确保玻璃态的生成。中淬冷，以确保玻璃态的生成。 如此所得到的玻璃就是进一步应用时的玻璃半导体如此所得到的玻璃就是进一步应用时的玻璃半导体 原料。例

22、如作激光全息存储材料应用时，只要把冷原料。例如作激光全息存储材料应用时，只要把冷 却得到的块状的硫砷玻璃研磨成粉末后，放入真空却得到的块状的硫砷玻璃研磨成粉末后，放入真空 镀膜机内，在真空度小于或等于镀膜机内，在真空度小于或等于210-5毫米汞柱下毫米汞柱下 进行蒸发，便能在玻璃底板上沉积一层厚度为进行蒸发，便能在玻璃底板上沉积一层厚度为10 15微米的硫砷玻璃薄膜，这就是全息照相的底片。微米的硫砷玻璃薄膜，这就是全息照相的底片。 此外玻璃半导体的成分可作大幅度的调节、因而可此外玻璃半导体的成分可作大幅度的调节、因而可 以得到各种特性的玻璃半导体材料，例如对可见光以得到各种特性的玻璃半导体材料

23、，例如对可见光 具有较高灵敏度的光电转换特性，有热敏效应，能具有较高灵敏度的光电转换特性，有热敏效应，能 透红外线，电阻值非线性变化及具有开关记忆等特透红外线，电阻值非线性变化及具有开关记忆等特 性。玻璃半导体还有一个特点就是耐辐照能力很强，性。玻璃半导体还有一个特点就是耐辐照能力很强， 也就是说当外界有强的射线照射时，它所具有的特也就是说当外界有强的射线照射时，它所具有的特 性不会受到影响，因此这种材料在宇宙空间的应用性不会受到影响，因此这种材料在宇宙空间的应用 方面是很有前途的。方面是很有前途的。 四、半导体玻璃的特性及应用四、半导体玻璃的特性及应用 半导体玻璃的应用是基于一些玻璃的半导半

24、导体玻璃的应用是基于一些玻璃的半导 体特性。半导体玻璃具有开关、存储、整体特性。半导体玻璃具有开关、存储、整 流、光敏、热敏、二次电子发射等多种功流、光敏、热敏、二次电子发射等多种功 能，可以制作电子线路温度补偿用敏感元能，可以制作电子线路温度补偿用敏感元 件、红外检测器、测定高压用敏感元件、件、红外检测器、测定高压用敏感元件、 摄像管靶子、三极管、声光偏转器、光敏摄像管靶子、三极管、声光偏转器、光敏 元件等。元件等。 普通玻璃在熔融状态下具有很好的导电本领，普通玻璃在熔融状态下具有很好的导电本领， 即它的电阻变得很小，而且温度即使有点变即它的电阻变得很小，而且温度即使有点变 化对它的电阻影响

25、不大。可是有些玻璃半导化对它的电阻影响不大。可是有些玻璃半导 体就不一样，它的电阻值与温度的关系非常体就不一样，它的电阻值与温度的关系非常 密切，温度稍有变化其电阻值会发生较大的密切，温度稍有变化其电阻值会发生较大的 变化。利用这种特性就可把它制成热敏电阻变化。利用这种特性就可把它制成热敏电阻 或玻璃半导体温度计，根据测得的电阻值便或玻璃半导体温度计，根据测得的电阻值便 可确定温度。这种温度计制作方便，成本低，可确定温度。这种温度计制作方便，成本低， 体积小，可测量的温度范围广，所以是一种体积小，可测量的温度范围广，所以是一种 有希望的测温元件。有希望的测温元件。 一般说材料的电阻值是固定的，

26、当加在电阻材料一般说材料的电阻值是固定的，当加在电阻材料 上的电压大时，流过电阻材料的电流也就大，反上的电压大时，流过电阻材料的电流也就大，反 之电压小时，流过的电流就小，电流与电压呈线之电压小时，流过的电流就小，电流与电压呈线 性关系，我们称这种电阻材料为线性电阻。然而性关系，我们称这种电阻材料为线性电阻。然而 有些玻璃半导体的电阻是随所加的电压而变化的，有些玻璃半导体的电阻是随所加的电压而变化的， 它的电压电流间的关系就不是一根直线，我们称它的电压电流间的关系就不是一根直线，我们称 它为非线性电阻。玻璃半导体的这种电阻非线性它为非线性电阻。玻璃半导体的这种电阻非线性 变化特性在有些场合下是

27、很有用的，例如场致发变化特性在有些场合下是很有用的，例如场致发 光大屏幕图象显示用的显示屏，它是在大的玻璃光大屏幕图象显示用的显示屏，它是在大的玻璃 底板上蒸上纵横交叉的网格电极和荧光粉。如果底板上蒸上纵横交叉的网格电极和荧光粉。如果 在网格电极与荧光粉之间搞上一层薄薄的这种非在网格电极与荧光粉之间搞上一层薄薄的这种非 线性电阻材料，利用这种电阻的非线性，就可使线性电阻材料，利用这种电阻的非线性，就可使 图象变得很清晰，图象质量大大提高。图象变得很清晰，图象质量大大提高。 一束光照在半导体上和照在金属或绝缘体上效果一束光照在半导体上和照在金属或绝缘体上效果 截然不同。由于金属中自由电子如此之多

28、，以致截然不同。由于金属中自由电子如此之多，以致 光引起的导电性能的变化完全可忽略。绝缘体在光引起的导电性能的变化完全可忽略。绝缘体在 很高温度下仍未能激发出更多的电子参加导电。很高温度下仍未能激发出更多的电子参加导电。 而导电性能介于金属和绝缘体之间的半导体对体而导电性能介于金属和绝缘体之间的半导体对体 内电子的束缚力远小于绝缘体，可见光的光子能内电子的束缚力远小于绝缘体，可见光的光子能 量就可以把它从束缚激发到自由导电状态，这就量就可以把它从束缚激发到自由导电状态，这就 是半导体的光电效应。当半导体内局部区域存在是半导体的光电效应。当半导体内局部区域存在 电场时，光生载流子将会积累，和没有

29、电场时有电场时，光生载流子将会积累，和没有电场时有 很大区别，电场的两侧由于电荷积累将产生光电很大区别，电场的两侧由于电荷积累将产生光电 电压，这就是光生伏特效应，简称光伏效应。太电压，这就是光生伏特效应，简称光伏效应。太 阳电池就是利用这种效应制成的。阳电池就是利用这种效应制成的。 我们知道太阳是个取之不尽用之不竭的无我们知道太阳是个取之不尽用之不竭的无 污染的清洁能源，如何利用太阳能来为人污染的清洁能源，如何利用太阳能来为人 类造福，人们动了不少脑筋，想了许多办类造福，人们动了不少脑筋，想了许多办 法。有一种办法就是通过太阳能电池，把法。有一种办法就是通过太阳能电池，把 太阳的能量直接转换

30、成电能。到目前为止太阳的能量直接转换成电能。到目前为止 太阳能电池主要是用硅单晶半导体材料做太阳能电池主要是用硅单晶半导体材料做 成的，将单晶硅片采用扩散工艺制成成的，将单晶硅片采用扩散工艺制成PN结，结， 再在它的两面蒸上电极（如下图）。当太再在它的两面蒸上电极（如下图）。当太 阳光照射时，就会在电极两端产生电压，阳光照射时，就会在电极两端产生电压， 这样就成了一个小小的电源。目前最好的这样就成了一个小小的电源。目前最好的 太阳能电池也只能把照到它上面的很小一太阳能电池也只能把照到它上面的很小一 部分部分(15左右左右)太阳能转变成电能。太阳能转变成电能。 由于硅单晶体的生长比较麻烦，加上切

31、成由于硅单晶体的生长比较麻烦，加上切成 做太阳能电池所需要的薄片，材料的浪费做太阳能电池所需要的薄片，材料的浪费 很大，因此又发展出一种生长片状硅单晶很大，因此又发展出一种生长片状硅单晶 的方法，使长出的晶体就是薄片状的，大的方法，使长出的晶体就是薄片状的，大 大减少了加工的工作量和提高了材料的利大减少了加工的工作量和提高了材料的利 用率和成品的质量，但成本毕竟还是很贵。用率和成品的质量，但成本毕竟还是很贵。 所以太阳能电池目前主要还只用于空间技所以太阳能电池目前主要还只用于空间技 术，作为卫星、宁亩飞船等航天飞行器的术，作为卫星、宁亩飞船等航天飞行器的 能源，大规模的应用受到了限制。能源，大

32、规模的应用受到了限制。 近来，人们发现玻璃态硅也具有与晶体硅一近来，人们发现玻璃态硅也具有与晶体硅一 样的半导性，玻璃态硅对太阳光的吸收能力样的半导性，玻璃态硅对太阳光的吸收能力 还比晶体硅强得多，已经用玻璃态硅做成了还比晶体硅强得多，已经用玻璃态硅做成了 太阳能电池。人们还发现这种玻璃态硅做成太阳能电池。人们还发现这种玻璃态硅做成 的电池还能把荧光灯发出的光转变成电能，的电池还能把荧光灯发出的光转变成电能， 所以室内的日光灯除了照明外，它发出的光所以室内的日光灯除了照明外，它发出的光 还可以通过这种电池的转换作用，对室内一还可以通过这种电池的转换作用，对室内一 些电子设备如电子钟、台式电子计

33、算机等提些电子设备如电子钟、台式电子计算机等提 供能量，真是供能量，真是“一举多得一举多得”。这种电池是将。这种电池是将 一种叫硅烷一种叫硅烷(SiH4)的硅有机化合物通过直流的硅有机化合物通过直流 或高频放电的方法进行分解、掺杂，在金属或高频放电的方法进行分解、掺杂，在金属 底板上沉积一层玻璃态硅做成的。底板上沉积一层玻璃态硅做成的。 非晶硅太阳能电池是目前非晶硅材料应用最非晶硅太阳能电池是目前非晶硅材料应用最 广泛的领域，也是太阳能电池的理想材料，广泛的领域，也是太阳能电池的理想材料， 光电转换效率已达到光电转换效率已达到13%，这种太阳能电池，这种太阳能电池 将成为无污染的特殊能源。将成

34、为无污染的特殊能源。1988年全世界各年全世界各 类太阳能电池的总产量类太阳能电池的总产量35.2兆瓦，其中非晶兆瓦，其中非晶 硅太阳能电池为硅太阳能电池为13.9兆瓦，居首位，占总产兆瓦，居首位，占总产 量的量的40%左右。尽管目前这种太阳能电池的左右。尽管目前这种太阳能电池的 转换效率还不及晶体硅太阳能电池，但由于转换效率还不及晶体硅太阳能电池，但由于 它制备工艺相对简单，原材料消耗少，成本它制备工艺相对简单，原材料消耗少，成本 低，且能得到大面积，是很有发展前途的一低，且能得到大面积，是很有发展前途的一 种新能源材料。种新能源材料。 非晶硅的用途很多，可以制成非晶硅场效非晶硅的用途很多，

35、可以制成非晶硅场效 应晶体管；用于液晶显示器件、集成式图应晶体管；用于液晶显示器件、集成式图 象传感器、以及双稳态多谐振荡器等器件象传感器、以及双稳态多谐振荡器等器件 中作为非线性器件；利用非晶硅膜可以制中作为非线性器件；利用非晶硅膜可以制 成各种光敏、位敏、力敏、热敏等传感器；成各种光敏、位敏、力敏、热敏等传感器； 利用非晶硅膜制做静电复印感光膜，不仅利用非晶硅膜制做静电复印感光膜，不仅 复印速率会大大提高，而且图象清晰，使复印速率会大大提高，而且图象清晰，使 用寿命长；等等。目前非晶硅的应用正在用寿命长；等等。目前非晶硅的应用正在 日新月异地发展着，可以相信，在不久的日新月异地发展着，可以

36、相信，在不久的 将来，还会有更多的新器件产生。将来，还会有更多的新器件产生。 根据玻璃半导体的光电转换特性发展起来根据玻璃半导体的光电转换特性发展起来 的静电复印技术的静电复印技术(又称电子照相又称电子照相)是目前这类是目前这类 玻璃最成熟的一种应用。静电复印机中有玻璃最成熟的一种应用。静电复印机中有 一关键部件叫硒鼓，它就是在金属底板上一关键部件叫硒鼓，它就是在金属底板上 沉积上一层硒玻璃薄膜做成的。当光源发沉积上一层硒玻璃薄膜做成的。当光源发 出的光照到要复制的文件上时，原稿上没出的光照到要复制的文件上时，原稿上没 有印文字的地方就有光反射到硒鼓上，印有印文字的地方就有光反射到硒鼓上，印

37、有字的地方光被吸收而没有反射光，硒鼓有字的地方光被吸收而没有反射光，硒鼓 上有光照射与没有光照射的地方就表现出上有光照射与没有光照射的地方就表现出 不同的电性，有文字的地方带正电，带负不同的电性，有文字的地方带正电，带负 电的显色剂颗粒就被玻璃的正电荷区吸附，电的显色剂颗粒就被玻璃的正电荷区吸附， 显色剂然后转移到带正电荷的纸上，这样显色剂然后转移到带正电荷的纸上，这样 就完成了文件的复印过程。就完成了文件的复印过程。 这种静电复印效率高，清晰度好。后来又发展出这种静电复印效率高，清晰度好。后来又发展出 一种彩色复印的技术，它的基本原理与上述普通一种彩色复印的技术，它的基本原理与上述普通 的复

38、印是一样的，不过采用了对整个可见光谱有的复印是一样的，不过采用了对整个可见光谱有 不同响应的三层不同的硫系玻璃，再与滤色片和不同响应的三层不同的硫系玻璃，再与滤色片和 不同颜色的显色剂连用后，就可进行彩色原稿的不同颜色的显色剂连用后，就可进行彩色原稿的 复制。利用这类硫系玻璃薄膜的光电转换待性，复制。利用这类硫系玻璃薄膜的光电转换待性， 它还可以作电视光导摄象管的靶面材料，这种材它还可以作电视光导摄象管的靶面材料，这种材 料分辨率高，做成的管子体积可大大缩小，整个料分辨率高，做成的管子体积可大大缩小，整个 长度还不到一英寸，得到的图象很清晰。在飞往长度还不到一英寸，得到的图象很清晰。在飞往 月

39、球的飞行器中就装有这种光导摄象管，已从月月球的飞行器中就装有这种光导摄象管，已从月 球发回了它所拍摄的清晰图像，现在这种摄象管球发回了它所拍摄的清晰图像，现在这种摄象管 己广泛用于小型彩色电视摄象机中。己广泛用于小型彩色电视摄象机中。 普通玻璃对可见光是普通玻璃对可见光是“透明透明”的，所以我们的，所以我们 能通过玻璃窗看到各种物体的颜色，但普通能通过玻璃窗看到各种物体的颜色，但普通 玻璃对热辐射红外线是吸收的，因此一般玻玻璃对热辐射红外线是吸收的，因此一般玻 璃具有一定的隔热作用，而某些半导体玻璃璃具有一定的隔热作用，而某些半导体玻璃 就不一样，它能允许红外线通过，这种半导就不一样，它能允许

40、红外线通过，这种半导 体玻璃称作红外玻璃。具有这种透红外线特体玻璃称作红外玻璃。具有这种透红外线特 性的玻璃在军事上是十分有用的，例如根据性的玻璃在军事上是十分有用的，例如根据 目标辐射出来的红外线，我们就可发现敌人目标辐射出来的红外线，我们就可发现敌人 的行迹，而各种各样红外侦察仪器的一些窗的行迹，而各种各样红外侦察仪器的一些窗 口、光源用的灯罩、红外照相机镜头等往往口、光源用的灯罩、红外照相机镜头等往往 都离不开这些材料。都离不开这些材料。 玻璃半导体材料还有一个有趣的性质就是它玻璃半导体材料还有一个有趣的性质就是它 的开关和存储特性。在一定电压下，玻璃半的开关和存储特性。在一定电压下，玻

41、璃半 导体的电阻值是很大的，为兆欧级，这时我导体的电阻值是很大的，为兆欧级，这时我 们称它处于高阻态们称它处于高阻态(关态关态)，而当加在玻璃半，而当加在玻璃半 导体上的电压超过一定数值导体上的电压超过一定数值(阈值阈值)后，它的后，它的 电阻值就会在电阻值就会在10-9s级时间内变得很小，只有级时间内变得很小，只有 几十欧姆，我们称这为低阻态几十欧姆，我们称这为低阻态(开态开态)。这种。这种 突然由高阻态变为低阻态的过程很类似于闸突然由高阻态变为低阻态的过程很类似于闸 门突然打开一样，如果把它用到电子线路中门突然打开一样，如果把它用到电子线路中 去，就起到了很好的开关作用，这种特性称去，就起

42、到了很好的开关作用，这种特性称 为为“开关效应开关效应”。这种电开关作用在触发器。这种电开关作用在触发器 等电路中是很有用的。等电路中是很有用的。 有的玻璃半导体加上电压由高阻态变成低阻有的玻璃半导体加上电压由高阻态变成低阻 态后，即使把电压全部移去也不会回复到原态后，即使把电压全部移去也不会回复到原 来的高阻态，而仍保持在低阻态，就好象人来的高阻态，而仍保持在低阻态，就好象人 脑有记忆作用一样，它能把这电压的作用保脑有记忆作用一样，它能把这电压的作用保 存下来，具有永久记忆特性，这就是玻璃半存下来，具有永久记忆特性，这就是玻璃半 导体特有的导体特有的“存贮效应存贮效应”。然而，如果瞬时。然而

43、，如果瞬时 对其加一个大的电流脉冲后，它又会恢复到对其加一个大的电流脉冲后，它又会恢复到 兆欧级的高阻态。因此利用玻璃半导体的两兆欧级的高阻态。因此利用玻璃半导体的两 种高低阻态可逆变化的特性可制作电存贮器种高低阻态可逆变化的特性可制作电存贮器 件。件。 产生这种存贮效应的原因是：硫系玻璃在阈产生这种存贮效应的原因是：硫系玻璃在阈 值电压作用下较容易晶化，形成小的晶态区值电压作用下较容易晶化，形成小的晶态区 域，俗称导电丝，丝的直径为域，俗称导电丝，丝的直径为35m，它，它 的电导率比玻璃态区域高几个数量级，达到的电导率比玻璃态区域高几个数量级，达到 低阻态；脉冲电流的作用是使已形成的导电低阻

44、态；脉冲电流的作用是使已形成的导电 丝重新熔化掉，从而可以反复存贮。许多硫丝重新熔化掉，从而可以反复存贮。许多硫 系玻璃具有存贮特性，如系玻璃具有存贮特性，如Te-Ge-X(X：As、 Sb、P、S等元素等元素)、Se-As-Ge、S-Sb-I等系统。等系统。 组成为组成为Te8lGel5S2Sb2的硫系玻璃是典型的电的硫系玻璃是典型的电 存贮材料。存贮材料。 玻璃半导体存贮器件的特点是：玻璃半导体存贮器件的特点是：结构简单，结构简单， 体积小，读出速度快，可达体积小，读出速度快，可达10-9s级，这对提级，这对提 高电子计算机的运算速度很重要；高电子计算机的运算速度很重要；对杂质对杂质 不大

45、敏感，抗辐射能力强，这对需要抗辐射不大敏感，抗辐射能力强，这对需要抗辐射 的导弹、宇宙飞船以及原子能反应堆的器件的导弹、宇宙飞船以及原子能反应堆的器件 很有价值；很有价值；无功耗记忆。无功耗记忆。 这类玻璃半导体的薄膜除了在加和不加电压这类玻璃半导体的薄膜除了在加和不加电压 时能引起其电阻值产生两种截然不同状态，时能引起其电阻值产生两种截然不同状态， 从而具有能存储电信息的本领。光的照射也从而具有能存储电信息的本领。光的照射也 会使这类玻璃薄膜的内部结构发生变化，譬会使这类玻璃薄膜的内部结构发生变化，譬 如说原来是均匀的玻璃膜，有光照射的局部如说原来是均匀的玻璃膜，有光照射的局部 区域就会析晶

46、，这样这个区域的光学性质区域就会析晶，这样这个区域的光学性质(如如 对光线的透射、反射对光线的透射、反射)就和没有光照射的区域就和没有光照射的区域 不同了。利用它的这种性质，采用全息照相不同了。利用它的这种性质，采用全息照相 的技术，就能高密度地存储信息，而且它有的技术，就能高密度地存储信息，而且它有 良好的稳定性，不怕射线辐照，不怕酸腐蚀，良好的稳定性，不怕射线辐照，不怕酸腐蚀， 不怕潮湿等，是一种有希望的激光全息感光不怕潮湿等，是一种有希望的激光全息感光 材料，可应用在下列一些方面，例如：材料，可应用在下列一些方面，例如： 将硫砷玻璃薄膜采用光学干涉的方法可以容将硫砷玻璃薄膜采用光学干涉的方法可以容 易地制作全息光栅，一块易地制作全息光栅，一块1800条毫米的全条毫