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出版者:

作者:Blaschke, Thomas (EDT)/ Lang, Stefan (EDT)/ Hay, Goeffrey (EDT)

出品人:

页数:834

译者:

出版时间:2008-8

价格:$ 394.37

装帧:

isbn号码:9783540770572

丛书系列:

图书标签:

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深入理解光学与材料科学：新一代高性能传感器的设计与实现 本书聚焦于前沿的光学材料、先进的制造工艺及其在下一代高性能传感器系统中的应用。 随着信息获取与处理技术对精度、速度和能效的要求不断提高，传统的硅基、无机材料体系已逐渐触及性能极限。本书系统性地探讨了如何通过跨学科的视角——结合凝聚态物理、化学工程与精密光学——来设计和制造具有革命性潜力的光电转换元件和信号处理系统。 本书结构严谨，内容涵盖了从基础理论到尖端实验验证的完整链条，旨在为研究人员、高级工程师以及研究生提供一套全面且深入的技术指南。 --- 第一部分：先进光学材料的物理基础与特性调控 本部分详细阐述了构成高性能传感器的核心材料体系的物理机制，重点关注如何通过材料的能带结构工程、晶格缺陷控制以及界面化学来精确调控其光响应特性。 第一章：新型半导体与超晶格结构的光电响应 本章深入探讨了III-V族、II-VI族化合物半导体以及新兴的二维（2D）材料（如过渡金属硫属化合物、拓扑绝缘体）在光电转换中的基础物理。重点分析了载流子动力学、激子效应以及俄歇复合率如何影响器件的量子效率和响应时间。我们将详细解析如何通过分子束外延（MBE）和化学气相沉积（CVD）技术构筑周期性超晶格结构，特别是引入应变工程以调控有效质量和带隙，从而实现对特定波长光子（从深紫外到中红外）的极致敏感性。 第二章：等离激元、声子晶体与光子集成 本章从电磁波与物质相互作用的宏观和微观层面展开，解析了表面等离激元共振（SPR）的机制及其在超分辨传感中的应用。我们探讨了如何利用纳米结构阵列（如金属纳米孔、纳米天线）来捕获和增强局部电磁场，从而极大地提高传感器灵敏度。此外，本书对声子晶体和光子晶体材料的能带结构计算进行了深入介绍，阐述了如何通过周期性排列的介质来控制光流，实现光限域和波导耦合，为构建片上集成光学系统奠定理论基础。 第三章：有机与混合钙钛矿光电材料 本章聚焦于对环境敏感但具有极高光捕获效率的软物质体系。详细分析了有机半导体（如聚合物、小分子）的电荷传输机制，特别是它们在柔性电子学中的优势。对于铅基和无铅钙钛矿材料，本书详尽讨论了其晶体结构缺陷（如晶界、空位）如何影响长期稳定性与光致衰减，并提出了通过表面钝化技术（如使用有机配体）来稳定界面，提高器件寿命的实验策略。 --- 第二部分：先进制造工艺与系统级集成 本部分将理论知识转化为实际可制造的高性能器件，重点在于微纳加工技术、系统级封装以及性能优化。 第四章：高精度微纳加工技术 本章详细介绍了实现高性能光学器件所需的核心制造技术。内容包括：高分辨率电子束光刻（EBL）和离子束刻蚀（IBE）在构建亚波长结构中的应用；激光直写技术在快速原型制作中的优势；以及薄膜沉积技术（如原子层沉积ALD）在实现精确界面控制和高介电常数层构建中的作用。针对大规模制造需求，本章也探讨了纳米压印技术（NIL）在降低成本和提高良率方面的潜力。 第五章：高性能光电器件的结构设计与优化 本章将理论与实践相结合，指导读者设计并优化关键的光电器件结构，包括光电探测器、调制器和集成光源。针对探测器，我们分析了“陷阱”效应、暗电流抑制的策略，以及如何通过背照式（Backside Illumination）结构来最大化有效吸收面积。对于调制器，深入探讨了等离子体效应、克尔效应和Pockels效应在超高速光开关中的应用，并对比了其在不同材料体系下的性能指标。 第六章：异质集成与三维系统封装 现代传感器性能的瓶颈往往在于系统集成而非单个元件。本章探讨了如何将不同材料（如光子、电子、微机械元件）通过先进的键合技术（如混合键合、热压键合）集成到同一平台上。重点介绍了硅光子学（Silicon Photonics）的平台优势，以及如何实现光纤到芯片的超低损耗耦合。此外，本书还涵盖了热管理策略——在微型化器件中有效导出工作热量对于维持器件性能和稳定性至关重要。 --- 第三部分：性能评估、新兴应用与未来挑战 本部分关注于如何量化和验证新一代传感器的实际性能，并展望了其在关键领域的应用前景。 第七章：先进传感器性能的量化与标准 本章提供了用于严格评估光电器件性能的实验方法论。内容包括：高动态范围下的噪声等效功率（NEP）测量；瞬态响应分析（皮秒/飞秒级）；以及如何使用傅里叶变换光谱仪（FTIR）和同步辐射光源进行高精度光谱表征。特别强调了长期稳定性测试（如高湿、高温、光照下的老化测试）在确定器件商业化潜力中的重要性。 第八章：新兴应用场景与系统级接口 本章展示了基于新一代光学和材料技术构建的创新系统。涵盖了超灵敏化学物质检测（如痕量爆炸物或生物标志物检测）、高分辨率遥感成像（如激光雷达LiDAR中的单光子探测器阵列），以及量子信息处理的前端光电接口。重点讨论了如何将这些高带宽、高灵敏度的传感器接入低功耗的边缘计算单元，实现实时智能决策。 第九章：面向工业化生产的可持续性与挑战 最后，本章对当前领域面临的瓶颈进行了批判性分析。这包括稀有元素的使用依赖性、大规模制造中的缺陷控制难题、以及器件的功耗优化。本书提出了基于非稀有元素替代品（如硅基材料的深度集成或新型钙钛矿替代方案）的研究方向，并展望了下一代光电器件在实现真正“按需制造”和“环境适应性”方面的长期研发路线图。 --- 本书特色： 深度聚焦于材料科学与器件物理的耦合，而非停留在概念描述。 提供了详尽的实验技术细节，便于读者复现和改进研究。 内容紧密结合当前工业界对高精度、高集成度光电器件的迫切需求。 理论框架扎实，兼具前瞻性与可操作性。

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