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沈学础院士:半导体光谱,从当代量子革命到航天遥感应用

2021-08-28 12:30:16来源:中国金融信息中心  

CFIC导读

◆近日,在中国金融信息中心举办的第27期“海上院士讲坛”上,半导体物理学家、中国科学院院士、中国科学院上海技术物理所研究员、复旦大学教授沈学础院士受邀出席。沈学础院士在以“半导体光谱:从当代量子革命到航天遥感应用”为主题的报告中,从光谱原理开始,介绍了半导体光谱学的科学基础与发展状况,用生动的实例回顾光谱学的发展历史及其在现代科学技术中的应用。

近年来,集成电路、光伏等产业成为市场关注的热门话题,政策和资金也频频向这类高新产业倾斜。在大热的应用学科背后,固体光谱(半导体光谱)这一基础学科在科学前沿指引着学界和产业界前行。固体光谱究竟是什么?它是如何影响到产业乃至生活的方方面面?

近日,在中国金融信息中心举办的第27期“海上院士讲坛”上,半导体物理学家、中国科学院院士、中国科学院上海技术物理所研究员、复旦大学教授沈学础院士以“半导体光谱:从当代量子革命到航天遥感应用”为主题作了主旨报告。从光谱原理开始,沈学础院士介绍了半导体光谱学的科学基础与发展状况,用生动的实例全面而详尽地讲述了光谱学的发展历史及其在现代科学技术中的应用,并对纯自然科学和金融科技、社会科学等领域的结合发表展望。

沈院士认为,光谱是一个非常广泛的概念。光谱是光电磁波和物质相互作用后按能量色散开来的图谱,包含物质中的电子态、声子态以及量子相互作用的信息,是非常深刻的量子信息科学。要研究光谱、测量光谱、做光谱实验有三个要素,一是要有光源,二是要有目标,三是要有探测器件。沈院士举例,在生活中,光源是太阳,目标是万物,探测器件就是眼睛,光谱学现象在生活中是无处不在的。但他同时强调,肉眼的观测具有较强的局限性,由于电磁波谱范围非常广,肉眼观测的分辨率也较低,因此无法观测微观物理构成。

半导体物理学家、中国科学院院士、中国科学院上海技术物理所研究员、复旦大学教授沈学础院士

光谱学有着光辉的历史,也有广泛的应用空间。沈院士表示,光谱学是近代量子理论创立的实验基础,黑体辐射光谱、原子光谱和光电效应奠定了量子科学的基础。沈院士介绍,固体光谱有很多不同的分类,例如反射光谱、散射光谱、透射光谱、吸收光谱、发光光谱等,具有很高的应用价值。例如半导体光谱在微电子领域就有广泛的应用,如果没有固体光谱研究,就很难清晰半导体与量子结构,也就做不出集成电路,做不出半导体晶体管;基于半导体光谱的各种传感器和探测器构成了探测光谱的强有力工具,我国在1970年代开始研发出的碲镉汞红外探测器,依然是当前最灵敏的红外探测器之一;此外,在太阳能发电领域,将半导体光谱与大阳光谱相匹配就能在最大程度上吸收太阳光,充分利用太阳能资源。

不仅如此,光谱学的应用正在走向星辰大海,维护着绿水青山。沈院士介绍,在气象卫星、地球资源卫星、多光谱多用途卫星、海洋卫星、预警卫星等卫星中,都有半导体光谱的身影。例如太阳同步轨道的高分五号卫星中就包含了有效载荷高分辨率成像光谱议,可以同时获得目标几何信息和光谱,是全球领先的技术。海量的光谱数据在生态环境、矿产资源、土壤污染、农林牧渔、灾害监测、城市规划方面都有广泛的应用。搭载光谱仪的卫星可以监测生态环境情况、预估农作物的涨势与产量、分析城市的热发射情况、探测矿产资源的广泛分布、对智慧农业的发展也大有帮助。尽管我国的光谱学卫星技术已经领先,沈院士强调,相比起已经成熟的气象卫星尚有完善的空间,光谱学方向的研究任重而道远。

会上,沈学础院士还通过圆桌互动,与嘉宾们探讨了固体光谱在社会和产业界中的广泛应用。上海科技大学物质学院执行院长陆卫,上海交通大学特聘教授、博士生导师沈文忠,中国科学院上海技术物理研究所研究员、博士生导师刘银年,华东师范大学教授、博士生导师谭琨参加圆桌交流。

本期海上院士讲坛由上海证券报、中国金融信息中心、中国科学院上海分院、上海市科学技术协会、上海石油天然气交易中心共同主办,上海市工业经济联合会、上海市太阳能学会、上海市宇航学会协办,浙江省新昌县人民政府全程战略合作。来自长三角地区的党政机关、科研院所、金融机构、企事业单位的相关负责人和专家人士出席讲坛。

主办方致辞

中国金融信息中心总裁助理李志琴

中国金融信息中心总裁助理李志琴在致辞中提到,上海正在贯彻落实总书记对上海科创中心建设的总体要求。基础科学研究是提升科技创新策源能力的突破点之一。沈学础院士的研究领域正是关系到科创源头动力的基础物理学。其中,半导体光谱可以广泛应用到光通讯、集成光学、光计算机、新材料、卫星遥感等行业的各个方面。除了在科学领域的成就和奋斗,沈院士还培养了一大批优秀的年轻科学家。此次圆桌论坛嘉宾就有沈院士的学生,几位教授将共同为大家带来科技前沿的探讨和思想盛宴。

最后,她在致辞中介绍了本期论坛的主办方,其中,上海证券报是由新华社主办,中国证监会法定披露证券市场信息媒体,创立于1991年,是新中国第一份提供权威金融证券专业资讯的全国性财经日报,现已形成涵盖报纸、网站、客户端、视频、微信、微博等平台的全媒体财经传媒矩阵。中国金融信息中心是新华社的直属机构,是新华社与上海市人民政府的战略合作成果,致力于服务上海五个中心的建设。新华社三家单位和中科院上海分院强强联合,共同打造了“海上院士讲坛”系列论坛,立志于将学术界、产业界、资本界、政府界的人士汇聚一堂,涤荡创新的思想,助推产业的发展。

圆桌论坛

论坛上,沈学础院士就光谱研究的思考与学术界、产业界进行交流。上海科技大学物质学院执行院长陆卫主持圆桌会议。上海交通大学特聘教授、博士生导师沈文忠,中国科学院上海技术物理研究所研究员、博士生导师刘银年,华东师范大学教授、博士生导师谭琨参加圆桌互动。

圆桌主持人:上海科技大学物质学院执行院长陆卫

上海交通大学特聘教授、博士生导师沈文忠

上海交通大学特聘教授、博士生导师沈文忠教授在发言中介绍了太阳能光伏的基本情况。太阳光伏需依靠太阳,太阳本身也是一个黑体辐射,且符合普朗克定理。太阳光辐照范围约在300纳米至2.5微米,最强处能量约达1.5电子伏特,是恒定的。运用太阳能光伏最成熟的是半导体材料,其中最好的应属砷化镓,带隙1.42电子伏特,太阳电池效率最高。太阳电池率先应用是在航天领域。截至目前,航天应用的绝大部分使用的都是砷化镓电池,最高效率可以达到47%以上。尽管性能优,但存有成本较高的问题。

其次,地面应用要求成本低、性能好,比较好是硅材料,普及率也高,它已逐步成为地面上最主要光伏发电材料。经十几年发展,硅发电成本已是全球最低,目前最低价是1.04美分/度,人民币不到7分。现国内67%左右用电是煤发电,国内脱硫电价在每度0.28元左右。光伏发电做到如此低成本,又没有污染,前景明朗。我们国家光伏发电比例初始1%的目标已远远突破,鉴于光伏发电低价竞争力优势,国家规划到2050年,光伏发电市场份额要达39%,风电约33%,煤发电会降至20%以下,这才能真正为中国实现碳中和、碳达峰夯实了比较好的基础。光伏在应用方面不一定要集中式,也可是居民家用方面的分布式。光伏发电是光谱应用比较成功的案例,利用了太阳能,减少排放,有效降低成本。近十几年来,国家出台了许多利好政策,推动了我国光伏产业领先全球。

中国科学院上海技术物理研究所研究员、博士生导师刘银年

中国科学院上海技术物理研究所研究员、博士生导师刘银年介绍了在双碳背景下的遥感应用。碳达峰、碳中和以及全球温室效应,涉及到全人类未来的发展和生存。全世界的科研工作者对该主题都非常关注。刘银年研究员表示,要解决温室效应的问题,根本上要把碳排放搞清楚。要把大气里面的成份分子识别清楚,光谱分辨率需要达到和优于纳米级。以甲烷为例,甲烷的温室气体效应是二氧化碳的几十倍,甲烷在2300纳米左右有吸收带,可以用来检测空气中甲烷的含量。当把空间分辨率做到几十米的时候,就能探测甲烷排放点的位置和排放量等数据。欧美基于机载高光谱成像仪解决了该问题,但是范围比较有限。在大尺度范围上,这是一个国际性的难题。目前我们国家的高分五号和资源02D等高光谱卫星,很好地解决了天基大范围甲烷排放检测这一难题。

刘银年研究员在谈到今后的发展方向时表示,一是,提高时间分辨率,在36000公里的静止轨道上,可以24小时对地球近1/3的圆盘进行实时连续观测,但要实现陆地表面的精细探测,需要光学口径提升到数米量级;二是,虽然碳排放点源检测的问题已经解决,但在覆宽度和排放的更精细化程度方面还需要提升;三是,植被光合作用时的荧光光谱可以用来观测植被光合作用的活性,同时可以在更早期及时发现病虫害等。但植被荧光光谱的探测难度极大,光谱分辨率要达到0.03纳米,能量是地面一般反射信号的百分之几甚至更低,这非常具有挑战性,目前刘银年的科研团队正在积极研究破解这一难题。

华东师范大学教授、博士生导师谭琨

华东师范大学教授、博士生导师谭琨介绍了光谱数据在遥感卫星获取之后如何进行具体的应用。谭琨教授首先高度肯定刘银年教授研制的国产高光谱相机,在高光谱领域从数据产品质量上对比美国、欧洲的卫星数据,质量、波谱范围和信噪比都是不相上下的,并且幅宽是世界第一的。在数据质量过硬的基础上,谭琨教授进行了高光谱技术三个方面的应用举例。首先以上海的水质监测举例,可以通过高光谱技术分析上海水域范围内水体质量,例如指定水质参数的含量是否超标;藻华现象是否爆发;水体富营养化的情况;同时配合无人机搭载的高光谱成像仪可以进行黑臭水体的捕获等等。第二是在土壤质量的监测方面的应用,主要包括:土壤的含水量、土壤的矿物质含量以及土壤的有机质等。当土壤重金属如铬的含量超过某个阈值,就可以通过光谱进行捕获,从而反映土壤的环境质量。同时,对于土壤中作物长势情况可以通过对植被的叶绿素进行遥感反演,在作物生长全周期内进行监测,对农业生产进行指导。第三方面的应用,在助力“碳达峰”和“碳中和”方面,高光谱卫星能够很精准地捕获碳,从而利用遥感技术对碳排放进行测算,进一步完善碳排放交易体系。所以遥感在水、土、气、生等自然环境监测领域,因其全天候、全谱段、全方位的优势,可以为相关产业提供决策的科学依据和参考。

主持人:中国科学院上海分院学术与科普处处长章文峻

责任编辑:hnmd003

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