第一篇：納米天線(xiàn)的超常特性及應(yīng)用

納米天線(xiàn)的超常特性

都世民

最近筆者發(fā)現(xiàn)有多則科技報(bào)道與納米光學(xué)天線(xiàn)有關(guān)。為此從百度文庫(kù)、道客巴巴文庫(kù)、光明網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)、騰訊網(wǎng)、國(guó)家納米研究中心網(wǎng)、中科院納米研究中心網(wǎng)等，查詢(xún)納米光學(xué)天線(xiàn)有關(guān)資料，分析整理后，對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行一些討論。

近日，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，用一種新穎的反射式金納米天線(xiàn)陣列，成功應(yīng)用於激光全息領(lǐng)域。這是一種在襯底表面加工出超薄金屬微納結(jié)構(gòu)材料，與光波相互作用，呈現(xiàn)出一些超常特性。武漢大學(xué)鄭國(guó)興與伯明翰大學(xué)教授張霜開(kāi)展合作，在實(shí)驗(yàn)中不僅捕捉到令人滿(mǎn)意的愛(ài)因斯坦激光全息圖像，而且實(shí)現(xiàn)了高達(dá)80%的實(shí)測(cè)衍射效率。這一成果超越了傳統(tǒng)材料的激光全息水平，而且工藝流程大大簡(jiǎn)化——僅需一步光刻工藝。

另?yè)?jù)報(bào)道，蘇格蘭大學(xué)物理學(xué)聯(lián)盟高校的科學(xué)家，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成功降低了光的速度，即便光子回到自由的空間中，仍然以較低的速度運(yùn)行。在自由空間中光速接近每秒30萬(wàn)公里，當(dāng)光通過(guò)諸如冰體、玻璃等材料時(shí)，光速會(huì)出現(xiàn)降低，但只要它再次返回自由空間中，其速度就會(huì)回歸正常。

美國(guó)伊利諾斯大學(xué)厄本那—香檳分校一個(gè)研究小組基曼尼·圖森特,用已制作好的納米陣列結(jié)構(gòu)，在電子掃描顯微鏡下，調(diào)整陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子光學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步重組。因此人們能在制作好之后，決定所需的納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的控制。

這種納米天線(xiàn)陣列為柱-領(lǐng)結(jié)納米天線(xiàn)（p-BNA）陣列模板，每根直徑約250納米，用金制作成領(lǐng)結(jié)狀柱塊，“領(lǐng)結(jié)”下墊有500納米高的玻璃柱。用掃描電子顯微鏡（SEM）發(fā)出的電子束，可以讓單根或多根p-BNA子陣列，以60納米/秒的速度變形。在電子束的激發(fā)下，等離子推動(dòng)納米天線(xiàn)陣列，使其出現(xiàn)明顯變形，這在金粒子之間形成納牛（10的負(fù)9次方牛）量級(jí)的受力差異。

2015-03-05，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)計(jì)了一類(lèi)尺寸為50納米，且具有內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)的金屬鈀納米材料，通過(guò)降低結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性和增大顆粒尺寸，使其能夠在可見(jiàn)光寬譜范圍內(nèi)吸光，吸光后的光熱效應(yīng)足以為有機(jī)加氫反應(yīng)提供熱源。納米結(jié)構(gòu)的尖端棱角處具有超強(qiáng)的聚光能力從而產(chǎn)生局部高溫。

內(nèi)外科技專(zhuān)家上述研究進(jìn)展，這些成果很受關(guān)注。無(wú)論是軍用或民用上，這些成果的轉(zhuǎn)化都可能產(chǎn)生顛覆性影響。其應(yīng)用前景十分廣闊。當(dāng)然這些領(lǐng)域的研究是相互交叉的，有一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期的融合過(guò)程。將會(huì)在哪些方面出現(xiàn)巨大變化，還需試目以待。這是筆者關(guān)注的原因之一。另外，筆者從事天線(xiàn)技術(shù)五十年，專(zhuān)業(yè)上愛(ài)好和興趣也是一個(gè)原因。

納米光學(xué)天線(xiàn)的基本關(guān)注點(diǎn)

[size=14.0000pt]1.納米光學(xué)天線(xiàn)最小尺寸

納米光學(xué)天線(xiàn)與傳統(tǒng)天線(xiàn)比較，首先在維度上是最小尺寸。1985年，wessel教授基于金屬小顆粒能有類(lèi)似于傳統(tǒng)天線(xiàn)接收入射電磁波的屬性，最早提出光學(xué)天線(xiàn)的概念。隨后，Pohl教授對(duì)這種類(lèi)似性進(jìn)行系統(tǒng)的討論，通過(guò)比較近場(chǎng)光學(xué)探針與傳統(tǒng)天線(xiàn)的相似性，得出傳統(tǒng)天線(xiàn)理論可以應(yīng)用于近場(chǎng)光學(xué)。由于光學(xué)偶極子天線(xiàn)諧振長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光半波長(zhǎng)，這與傳統(tǒng)天線(xiàn)理論相悖，Novotny教授用有效波長(zhǎng)的概念解決了該問(wèn)題。

2010年03月17日新華網(wǎng)報(bào)道：日本廣島大學(xué)的研究小組日前開(kāi)發(fā)出納米級(jí)超小型天線(xiàn).天線(xiàn)寬75至125納米、長(zhǎng)500納米，相當(dāng)于把普通電視天線(xiàn)縮小到百萬(wàn)分之一。構(gòu)成天線(xiàn)的5根“枝杈”是用金制作的，固定在透明的氧化硅板中。這種天線(xiàn)能夠收發(fā)波長(zhǎng)為400至800納米的電磁波。納米光學(xué)天線(xiàn)是自赫茲發(fā)明天線(xiàn)以來(lái)，所有天線(xiàn)中最小天線(xiàn)，它的工作頻段進(jìn)入光頻段，即THz。然而納米天線(xiàn)進(jìn)入光頻段，出現(xiàn)一些超常特性。2.納米光學(xué)天線(xiàn)的超常特性

天線(xiàn)是接收和輻射電磁能的工具，具有非常廣泛的應(yīng)用，在光學(xué)波段可以利用光學(xué)天線(xiàn)在納米尺度對(duì)光波進(jìn)行調(diào)控?；诒砻娴入x子體共振的納米光學(xué)天線(xiàn)的一個(gè)獨(dú)特性質(zhì)是約束場(chǎng)。一個(gè)很小金屬顆粒受光激后，經(jīng)常被看作一個(gè)偶極子天線(xiàn)，納米粒子可以通過(guò)外場(chǎng)的激發(fā)，而成為光源,并擁有其獨(dú)特的光學(xué)性能。納米天線(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)的輻射，具有強(qiáng)吸收和強(qiáng)散射的特性，該特性與粒子的大小、形狀、介質(zhì)環(huán)境等因素緊密相關(guān)。

當(dāng)表面等離子體諧振時(shí)，納米金屬粒子的極化作用明顯增強(qiáng)，誘發(fā)的偶極子也極大地增強(qiáng)，這也導(dǎo)致電磁場(chǎng)大大增強(qiáng)。這種性能常常被用來(lái)增強(qiáng)某些光學(xué)過(guò)程的弱輻射截面,如拉曼散射、熒光現(xiàn)象或者提高非線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng)。這種性能與微波線(xiàn)天線(xiàn)受外場(chǎng)激勵(lì)后，在諧振狀態(tài)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流在平行極化時(shí)，會(huì)使天線(xiàn)輻射場(chǎng)明顯增強(qiáng)，這兩者有相類(lèi)似的現(xiàn)象。A.頻譜調(diào)控：

據(jù)科學(xué)時(shí)報(bào)2010年1月27日?qǐng)?bào)道：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研人員發(fā)現(xiàn)：無(wú)線(xiàn)電通信天線(xiàn)尖端尺寸減少到納米量級(jí)，并非常接近另一金屬表面而形成一個(gè)納米腔室時(shí)，就可以調(diào)控局域等離激元諧振模式，來(lái)對(duì)腔內(nèi)熒光體的發(fā)光特性進(jìn)行有效控制，在光頻區(qū)實(shí)現(xiàn)新奇的電光效應(yīng)：電致熱熒光、上轉(zhuǎn)換發(fā)光和“彩色”頻譜調(diào)控。這些發(fā)現(xiàn)及其隱含的物理機(jī)制，揭示了局域的納腔等離激元場(chǎng)，可以作為一種近場(chǎng)相干光源，在光電耦合與轉(zhuǎn)化過(guò)程中，起著至關(guān)重要的調(diào)控與放大作用，為納米光電集成提供了新的思路。B.實(shí)現(xiàn)高增益單波束輻射：

單向納米天線(xiàn)可以為任何無(wú)方向性的光發(fā)射器（如微激光器、納激光器或等離子激光器（Spasers），甚至量子點(diǎn)）引入方向性。立方體天線(xiàn)通過(guò)精確控制光束寬度與方向，實(shí)現(xiàn)光會(huì)聚。特殊結(jié)構(gòu)的納米天線(xiàn)能夠改變與其相耦合的點(diǎn)光源的方向性，甚至可實(shí)現(xiàn)高增益單波束輻射。調(diào)天線(xiàn)單元間距可實(shí)現(xiàn)對(duì)光束指向的微調(diào)。

C.利用非對(duì)稱(chēng)光學(xué)縫隙納米天線(xiàn)，可以調(diào)控光的耦合和輻射方向。

D.圓偏振光的調(diào)控: 利用L形光學(xué)縫隙納米天線(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)天線(xiàn)尺寸來(lái)改變兩個(gè)相互正交的線(xiàn)偏振的不同模式的相位，可以獲得90度的相位差和近似相等的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)圓偏振光。

E.增強(qiáng)自發(fā)光輻射： 用由金制成的外部天線(xiàn)，來(lái)增強(qiáng)銦鎵砷磷(InGaAsP)制成的納米棒的自發(fā)光輻射，可增加115倍。

F.產(chǎn)生開(kāi)關(guān)效應(yīng): 由北京大學(xué)物理學(xué)院、美國(guó)Rice大學(xué)、國(guó)家納米科學(xué)中心、北京大學(xué)前沿交叉學(xué)院共同合作完成的“導(dǎo)電襯底金屬九聚體納米天線(xiàn)結(jié)構(gòu)Fano共振開(kāi)關(guān)效應(yīng)”.G.改變納米天線(xiàn)尺寸與波長(zhǎng)的關(guān)系: 使用不規(guī)則碎片形狀，可改變納米天線(xiàn)尺寸至非常小，或增大至人類(lèi)頭發(fā)的寬度.H.改善天線(xiàn)的性能: 使用3D打印技術(shù)制成的半球立體天線(xiàn),其性能比普通的單極天線(xiàn)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)也能大大減小納米天線(xiàn)尺寸，不足波長(zhǎng)的十二分之一.I.創(chuàng)建負(fù)折射現(xiàn)象來(lái)控制光的偏振: 2011年12月26日 ,科技日?qǐng)?bào)報(bào)道：(http://004km.cn)實(shí)驗(yàn)證明，纖細(xì)的等離子體納米天線(xiàn)陣列能采用新奇的方式對(duì)光進(jìn)行精確地操控，改變光的相位，形成負(fù)折射現(xiàn)象.通過(guò)改變光的相位，能顯著改變光的傳播方式，同一種光波通過(guò)折射率不同的物質(zhì)時(shí)，相位就會(huì)發(fā)生變化。創(chuàng)建負(fù)折射現(xiàn)象，也可以控制光的偏振。有別于經(jīng)典的折射和反射定律。普渡大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)制造出了這種納米天線(xiàn)陣列，光波波介于1微米(百萬(wàn)分之一米)到1.9微米之間的近紅外光附近，大大改變了光波的相位和傳播方向。J.控制和引導(dǎo)吸收光的能量: 據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)2011年7月10日?qǐng)?bào)道，加拿大科學(xué)家從植物的光合作用裝置——捕光天線(xiàn)中獲取靈感，研制出了新型納米捕光“天線(xiàn)”，它能控制和引導(dǎo)吸光能量。這是整合在DNA（脫氧核糖核酸）和半導(dǎo)體研究?jī)煞矫娴南冗M(jìn)成果，發(fā)明了這種方法，讓某些類(lèi)型的納米粒子相互依附在一起，自我組裝成最新的納米天線(xiàn)復(fù)合物，并將這種由量子點(diǎn)自我組裝而成的材料命名為“人造分子”。令人吃驚的是，這種天線(xiàn)能自我組裝而成，用篩選出來(lái)的特定DNA序列包裹不同類(lèi)型的納米粒子，將其整合在一起。隨后按照自然規(guī)律，自我組裝成擁有特定屬性的類(lèi)似于分子的納米粒子復(fù)合物。這種新型納米天線(xiàn)能增加吸收光的能量，還可以將此光能量釋放到該復(fù)合物內(nèi)特定的位置上。新復(fù)合物也能捕捉太陽(yáng)光中所包含的各種波長(zhǎng)的光。這是一種新型能量產(chǎn)生器，這對(duì)探索小宇宙內(nèi)能量形成機(jī)制有很好的啟發(fā)。

K.調(diào)控光的速度: 蘇格蘭大學(xué)物理學(xué)聯(lián)盟高校的科學(xué)家，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成功降低光的速度，即便光子回到自由的空間中，仍然以較低的速度運(yùn)行。

L.重組光的性質(zhì)：納米紋理表面就像一種預(yù)編程序，入射光與表面相互作用后，光的性質(zhì)就會(huì)發(fā)生改變。用已制作好的納米陣列結(jié)構(gòu)，在電子掃描顯微鏡下對(duì)陣列進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子光學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步重組。因此能在制作好之后，而不是之前，決定所需的納米結(jié)構(gòu)來(lái)改變光的性質(zhì)。

[size=15.0000pt]3.納米光學(xué)天線(xiàn)形狀與結(jié)構(gòu)

納米光學(xué)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)種類(lèi)繁多，常見(jiàn)結(jié)構(gòu):分別是納米棒、蝴蝶結(jié)形、納米粒子對(duì)、八木-宇田天線(xiàn)、納米粒子陣列。對(duì)稱(chēng)振子納米光學(xué)天線(xiàn)，由兩片金屬薄膜和饋電間隙構(gòu)成。共振時(shí)天線(xiàn)長(zhǎng)度約為入射光波長(zhǎng)的一半。振子臂形狀除了長(zhǎng)方形外，也可以為梯形，蝴蝶結(jié)形、圓盤(pán)形、三角形等。金屬納米顆粒的不同結(jié)構(gòu)或組合決定了其等離子體共振峰值的位置，也就是結(jié)構(gòu)決定其工作波長(zhǎng)。不同結(jié)構(gòu)的納米天線(xiàn)具有不同的光學(xué)性能，這也提供了對(duì)基于納米光學(xué)天線(xiàn)的光學(xué)元件的調(diào)控方法。.新近科技報(bào)道表明，納米光學(xué)天線(xiàn)還有下列形狀：

A.澳大利亞spacedaily網(wǎng)站2015年2月25日?qǐng)?bào)道：澳大利亞科學(xué)家發(fā)明200納米絕緣材料組成的立方體形狀的納米天線(xiàn).性能優(yōu)于先前的由導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料組成的球形天線(xiàn)。B.納米光學(xué)L形縫隙天線(xiàn),可以輻射出圓偏振光。

C.不規(guī)則碎片形，也就是說(shuō)它們由重復(fù)樣板組成，復(fù)制最小屬性的形狀，以打造相似卻更大的結(jié)構(gòu)。使用這一不規(guī)則碎片形法，意味著研究人員研發(fā)的納米天線(xiàn)可縮小至非常小的尺寸，或擴(kuò)大至人類(lèi)頭發(fā)的寬度.D 3D立體半球天線(xiàn)

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程系以及材料科學(xué)和工程系的兩位教授聯(lián)手，造出了一種突破性的“3D天線(xiàn)”。使用納米級(jí)的“銀墨水”，用類(lèi)似打印機(jī)的原理，在一顆半球體表面上“打印”出了依附在弧形表面上的立體天線(xiàn)。這種3D立體天線(xiàn)的性能比普通的單極天線(xiàn)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)尺寸也能大大縮小，不足波長(zhǎng)的十二分之一。通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)多種天線(xiàn)形狀，可以實(shí)現(xiàn)在各種基板，包括塑料薄膜、紙質(zhì)、陶瓷等表面，實(shí)現(xiàn)“一鍵”打印天線(xiàn)，該技術(shù)非常便捷，可以實(shí)現(xiàn)諸如辦公室打印文檔一樣快速打印制造天線(xiàn)。

E.V型結(jié)構(gòu)納米天線(xiàn)：普渡大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)制造出了納米天線(xiàn)陣列,這種納米天線(xiàn)是蝕刻在一層硅上方的金做成的V型結(jié)構(gòu)，它們是一種“超材料”(一般都是所謂的等離子體結(jié)構(gòu))，寬40納米?？茖W(xué)家們也已證明，他們能讓光通過(guò)一個(gè)寬度僅為光波波長(zhǎng)五十分之一的超薄“等離子體納米天線(xiàn)層”。

F.人造分子式納米天線(xiàn)：讓某些類(lèi)型的納米粒子相互依附在一起，自我組裝成最新的納米天線(xiàn)復(fù)合物，將這種由量子點(diǎn)自我組裝而成的材料命名為“人造分子”。

G.Bow-tie金屬天線(xiàn)，通過(guò)利用雙光子熒光增強(qiáng)作用，得到了天線(xiàn)間隙處場(chǎng)增強(qiáng)大約在1000量級(jí)。Bow-tie天線(xiàn)間隙處的場(chǎng)高度增強(qiáng)，應(yīng)用于雙光子聚合，得到30 nm的分辨率。H.單極納米天線(xiàn)：在SNOM針尖上，制備單極光學(xué)天線(xiàn)，探測(cè)單分子熒光，得到了～25nm的光學(xué)分辨率。

I.金子塔形的納米天線(xiàn)：荷蘭阿姆斯特丹FOM研究所和飛利浦研究所的研究人員，設(shè)計(jì)了一種新型小金子塔形的納米天線(xiàn),而不是通常所采用的直柱形。這種形狀能夠增強(qiáng)光的電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的干涉，使場(chǎng)增強(qiáng)或改變光束的方向。[size=15.0000pt]4.納米光學(xué)天線(xiàn)的材料

按材料的不同，光學(xué)天線(xiàn)可分為介質(zhì)光學(xué)天線(xiàn)和金屬光學(xué)天線(xiàn)。其中，介質(zhì)光學(xué)天線(xiàn)可以作為近場(chǎng)光學(xué)探針對(duì)樣本表面的隱逝場(chǎng)進(jìn)行散射，實(shí)現(xiàn)局域場(chǎng)與傳播場(chǎng)的相互轉(zhuǎn)換。金屬(金、銀、銅、鋁等)光學(xué)天線(xiàn)，一般由金屬納米結(jié)構(gòu)組成，利用金屬納米結(jié)構(gòu)與光的作用，實(shí)現(xiàn)傳播場(chǎng)與局域場(chǎng)的相互轉(zhuǎn)換和電磁場(chǎng)局域增強(qiáng)。

A.對(duì)稱(chēng)振子納米光學(xué)天線(xiàn)，由兩片金屬薄膜和饋電間隙構(gòu)成。兩片金屬薄膜材料多為金、銀，也可用碳納米管制成。

B.3D立體半球天線(xiàn).使用納米級(jí)的“銀墨水”，用類(lèi)似打印機(jī)的原理，在一顆半球體表面上“打印”出了依附在弧形表面上的立體天線(xiàn)。

C.納米捕光“天線(xiàn)”.讓某些類(lèi)型的納米粒子相互依附在一起，自我組裝成最新的納米天線(xiàn)復(fù)合物，這種由量子點(diǎn)自我組裝而成的材料命名為“人造分子”。

D.創(chuàng)建負(fù)折射現(xiàn)象，控制光的偏振。有別于經(jīng)典的折射和反射定律.制造出了納米天線(xiàn)陣列并大大改變了光波波長(zhǎng)介于1微米(百萬(wàn)分之一米)到1.9微米之間的近紅外線(xiàn)附近光波的相位和傳播方向。

E.使用由金制成的外部天線(xiàn)，并使用銦鎵砷磷(InGaAsP)制成納米棒光學(xué)天線(xiàn)。

F.用一種新穎的反射式金納米天線(xiàn)陣列，在襯底表面加工出超薄金屬微納結(jié)構(gòu)材料，與光波相互作用，呈現(xiàn)出一些超常特性。

G.使用絕緣材料組成的立方體形狀的納米天線(xiàn)。H.使用由導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料組成的球形天線(xiàn)。

I.使用微型半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)(QC)激光器,在QC激光器上安裝納米天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)的精度對(duì)激光點(diǎn)聚焦，從而可以使QC激光器執(zhí)行亞微米級(jí)的掃描。使分辨率提高到可見(jiàn)光波長(zhǎng)的百分之一。使體積更小，有更好的信噪比。

J.石墨烯制作的納米天線(xiàn): 佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的研究人員，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，用石墨烯制作的納米天線(xiàn),可以用于納米機(jī)器的網(wǎng)絡(luò)中。除了能夠在納米機(jī)器之間通信外，石墨烯天線(xiàn)還能用于移動(dòng)手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)連接的筆記本上，使它們得到更遠(yuǎn)的通信距離。石墨烯使用非常少的能源就能夠運(yùn)行。由于石墨烯的蜂窩結(jié)構(gòu)，所以它的表面產(chǎn)生表面波的范圍也最廣。這種天線(xiàn)的特性是，在大小相同的情況下，輻射頻率比普通材料天線(xiàn)的輻射頻率還要低。

在 0.1 到 10 太赫茲之間波段,石墨烯納米天線(xiàn)將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)速率提高超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

K.稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料具有高光化學(xué)穩(wěn)定性、幾乎無(wú)毒性、窄線(xiàn)寬、長(zhǎng)熒光壽命、可調(diào)諧熒光發(fā)射波長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，是目前普遍看好且有望成為替代傳統(tǒng)下轉(zhuǎn)換熒光探針的新一代熒光生物標(biāo)記材料。

L.用具有內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)的金屬鈀納米材料，制作的納米天線(xiàn).這種獨(dú)特設(shè)計(jì)的金屬鈀納米材料，具有高催化活性和太陽(yáng)能利用價(jià)值，在光驅(qū)動(dòng)有機(jī)加氫反應(yīng)中，展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能.

第二篇：納米固體材料的特性及應(yīng)用

納米固體材料的特性及應(yīng)用

摘要

本文闡述了納米固體材料的概念及歷史，說(shuō)明了納米固體材料的結(jié)構(gòu)和由它引起的特性，介紹了納米固體材料的各種應(yīng)用。

關(guān) 鍵 詞：納米固體材料

特性

應(yīng)用

納米材料是目前材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn), 是21 世紀(jì)最有前途的領(lǐng)域。由于納米材料具有特異的光、電、磁、熱、聲、力、化學(xué)等性能, 廣泛應(yīng)用于宇航、國(guó)防工業(yè)、磁記錄材料、計(jì)算機(jī)工程、環(huán)境保護(hù)、化工、醫(yī)藥、建材、生物工程和核工業(yè)等領(lǐng)域, 其市場(chǎng)前景相當(dāng)廣闊。

目前我國(guó)從事納米材料生產(chǎn)的企業(yè)有100 多家, 并建立了幾個(gè)納米材料研究基地, 有關(guān)科研部門(mén)和生產(chǎn)企業(yè)還對(duì)納米復(fù)合塑料、納米涂料、納米橡膠和纖維的改性以及納米材料在能源和環(huán)保等方面的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究和開(kāi)發(fā), 并取得一定的成果。近年來(lái)一些重大的研究成果不斷問(wèn)世, 如成功合成世界最長(zhǎng)的碳納米管, 制成性能優(yōu)良的納米掃描顯微鏡, 合成出高質(zhì)量的儲(chǔ)氫碳納米材料等, 具有國(guó)際領(lǐng)先水平。我國(guó)已能生產(chǎn)鐵、鎳、鋅、銀、銅、鋁、鈷等金屬納米粉和氧化物粉末以及陶瓷粉末等30 多種, 有些產(chǎn)品已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所工程塑料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用天然粘土礦物蒙脫土作為分散相, 成功開(kāi)發(fā)以聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯等為基材的一系列納米材料, 并實(shí)現(xiàn)了部分納米塑料的工業(yè)化生產(chǎn)。

納米材料一般分為：納米微粒、納米薄膜（多層膜和顆粒膜）、納米固體。

其中納米固體材料是一類(lèi)有廣闊應(yīng)用前景的新型材料,它是由納米量級(jí)的超細(xì)微粒壓制燒結(jié)而成的人工凝聚態(tài)固體。這種材料具有新型的固態(tài)結(jié)構(gòu),其性質(zhì)與處于晶態(tài)或非晶態(tài)的同種材料大不一樣,因此將它稱(chēng)為納米固體材料。1963年，日本名古屋大學(xué)教授田良二首先用蒸發(fā)冷凝法獲得了表面清潔的納米粒子。1984年，由德國(guó)H.格萊特教授領(lǐng)導(dǎo)的小組首先研制成第一批人工金屬固體（Cu、Pa、Ag和Fe）。同年美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室研制成TiO2納米固體。20世紀(jì)80年代末，合金、半導(dǎo)體和陶瓷離子晶體等人工納米固體相繼問(wèn)世。納米固體材料具有全新的“類(lèi)氣態(tài)”結(jié)構(gòu)，性能十分奇特。如納米固體鐵的斷裂應(yīng)力比常規(guī)鐵材料一下子提高了近12倍；納米固體銅又比一般銅材料的熱擴(kuò)散增強(qiáng)了近一倍。更為奇怪的是，普通狀態(tài)下呈脆性的陶瓷，在納米固體材料中卻能被彎曲，其塑性形變竟然高達(dá)100%……來(lái)自太空的隕石和海底的錳結(jié)核中，都有超細(xì)微粒成分。人和動(dòng)物的牙齒之所以特別堅(jiān)硬，也與構(gòu)成它們的物質(zhì)是納米尺度的超細(xì)微粒密切相關(guān)……

納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5納米顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個(gè)晶界，原子的擴(kuò)散系數(shù)要比大塊材料高1014～1016倍，從而使得納米材料具有高韌性。由于納米粒子特有的結(jié)構(gòu)，納米粒子或納米固體表現(xiàn)出一系列奇異而獨(dú)特的性質(zhì)，例如：①顆粒為6納米的鐵晶體，其斷裂強(qiáng)度比普通多晶鐵提高約12倍。普通陶瓷在常溫下很脆，而納米陶瓷不僅強(qiáng)度高，而且具有良好的韌性。②納米金屬的比熱容比是普通金屬的2倍，熱膨脹率提高1～2倍。納米晶體熔化時(shí)具有所謂準(zhǔn)熔化相的中間相變過(guò)程。納米銅晶體的自擴(kuò)散率是普通點(diǎn)陣擴(kuò)散的106～1019倍，這與納米固體中存在較大空隙有關(guān)。③金屬是電的良導(dǎo)體，納米態(tài)下可能變?yōu)榻^緣體。無(wú)極性的氮化硅是典型的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)和絕緣體，在納米態(tài)下不再是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，而且具有很強(qiáng)的極性，其高頻交流電導(dǎo)急劇增大。一些典型的鐵電體（見(jiàn)電介質(zhì)物理學(xué)）在納米態(tài)下變?yōu)轫橂婓w。④鐵磁性物質(zhì)在納米態(tài)下矯頑力幾乎增大1000倍，但當(dāng)尺寸減小到5納米時(shí)，磁有序向磁無(wú)序轉(zhuǎn)變，鐵磁性消失變?yōu)轫槾判裕ㄒ?jiàn)磁介質(zhì)）。磁性金屬的磁化率和飽和磁化強(qiáng)度均有很大改變。⑤納米固體在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)顯示出對(duì)光的均勻吸收，幾十納米厚的薄膜相當(dāng)于幾十微米厚的普通材料的吸收效果。普通金屬對(duì)光的反射率很高，而納米金屬微粒的反射率顯著下降，通常低于1％。因等離子共振頻率隨粒子尺寸而變，當(dāng)粒子尺寸改變時(shí)，對(duì)微波的吸收峰將發(fā)生頻移。

固體的許多性能，在很大程度上取決于原子近鄰間的狀況。納米固體的結(jié)構(gòu)和原子排列的特殊性必將使其與結(jié)構(gòu)相關(guān)的性能發(fā)生相當(dāng)大的變化。納米晶體物質(zhì)的性能與通常的大晶粒多晶物質(zhì)作比較，其差異是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由晶態(tài)到非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)變化所引起性質(zhì)的變化。

不同的化學(xué)組分在原子尺度的合金，是被限制在相圖上所允許的范圍內(nèi)，即嚴(yán)格限制于一些在固態(tài)或熔融態(tài)中能互溶的化學(xué)成分之間。而大多數(shù)化學(xué)組分卻是不互溶的……但是對(duì)于納米固體，二元甚至多元的復(fù)合材料，可以通過(guò)把不同化學(xué)成分的超細(xì)微粒壓制成多晶固體來(lái)獲得，而不必考慮組成部分是否互溶。這樣獲得的納米相復(fù)合材料，還不是在原子尺度上的合金，而是在納米微粒尺度上的合金。但是如果微粒的尺寸達(dá)到有限幾個(gè)原子間隙的大小時(shí)，兩類(lèi)合金的差異就大為縮小了。

由較大顆粒制備的常規(guī)材料中，相鄰顆粒界面上的固態(tài)反應(yīng)，由于參與反應(yīng)的物質(zhì)的顆粒和層厚較大，界面附近的原子與體內(nèi)原子數(shù)量量比很小。所以，只能引起固體局部結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改變。而納米固體中存在的濃度極大且具有高度無(wú)序結(jié)構(gòu)的界面，使得內(nèi)部原子輸運(yùn)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，導(dǎo)致自擴(kuò)散系數(shù)的劇烈增大。加之納米尺度的層厚及粒度使反應(yīng)的距離變短，使相鄰微粒之間的固態(tài)反應(yīng)在較低的溫度下就能進(jìn)行。這將足以使納米固體材料的界面組元中實(shí)現(xiàn)原子的混合，形成各種不同的亞穩(wěn)相，實(shí)現(xiàn)材料的整體轉(zhuǎn)變。這樣，人們就有可能按預(yù)定的目的來(lái)改造和設(shè)計(jì)材料的性能。除了自擴(kuò)散外，納米固體中的量子隧道效應(yīng)還使電子輸運(yùn)反常，某些合金的電導(dǎo)率可下降百倍以上，而其電導(dǎo)熱系數(shù)也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現(xiàn)負(fù)值。

納米固體在較寬的頻譜范圍內(nèi)，顯示出對(duì)電磁波均勻的吸收性能……“隱身飛機(jī)”需在其外殼包上某種吸波材料（又稱(chēng)隱身材料）。而幾十納米的納米固體薄膜的吸收效果，與比它厚1000倍的現(xiàn)有吸波材料相同。

納米陶瓷TiO2在常溫下具有很好的韌性和延展性能。由于其高純度的邊界及小尺寸的晶粒，可在較低溫度下燒結(jié)，并大大改善其性能。室溫下的納米陶瓷TiO2在壓實(shí)中已結(jié)合得很好。當(dāng)燒結(jié)溫度高于500℃時(shí)就迅速增稠，而晶粒尺度卻僅有微小增加。所以它能在比大晶粒樣品低600℃的溫度下達(dá)到類(lèi)似于普通陶瓷的硬度……在冷加工成形后，可使之轉(zhuǎn)變到常規(guī)陶瓷。若采用表面退火的辦法，就能制成一種表面保持常規(guī)陶瓷的硬度和穩(wěn)定性，而內(nèi)部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷……

利用納米粒子的高度活性可制備活性極高的催化劑，應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑, 特別是在有機(jī)物制備方面。分散在溶液中的每一個(gè)半導(dǎo)體顆粒, 可近似地看成是一個(gè)短路的微型電池, 用能量大于半導(dǎo)體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時(shí), 半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對(duì)。在電場(chǎng)作用下, 電子與空穴分離,分別遷移到粒子表面的不同位置, 與溶液中相似的組分進(jìn)行氧化和還原反應(yīng)。

納米鋁粉是一種納米金屬催化劑, 因粒徑小, 烴類(lèi)與催化劑的混合接觸充分, 傳質(zhì)效果好。無(wú)錫威孚吉大應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究所, 投入資金約500 萬(wàn)元, 進(jìn)行納米鋁粉應(yīng)用于改進(jìn)三元催化劑的研究和開(kāi)發(fā)。同時(shí)公司還將納米技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)尾氣凈化, 應(yīng)用前景較樂(lè)觀。武漢塑料工業(yè)集團(tuán)股份有限公司以中科院化學(xué)所工程塑料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為技術(shù)依托, 建設(shè)兩條納米材料生產(chǎn)線(xiàn), 制造高性能聚合物/ 粘土納米復(fù)合材料。該材料具有高強(qiáng)度、耐熱、高阻隔及自熄滅性等優(yōu)點(diǎn), 在汽車(chē)、電子、建材、包裝等領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力。另外, 江蘇五菱常泰納米材料股份有限責(zé)任公司也進(jìn)行納米材料及其產(chǎn)品的研究、制造及營(yíng)銷(xiāo)。江蘇和陜西等地也分別建成納米氧化鋅生產(chǎn)線(xiàn)。

在火箭固體燃料中摻入鋁的納米微粒，可提高燃燒效率若干倍。利用鐵磁納米材料具有很高矯頑力的特點(diǎn)，可制成磁性信用卡、磁性鑰匙，以及高性能錄像帶等。利用納米材料等離子共振頻率的可調(diào)性可制成隱形飛機(jī)的涂料。納米材料的表面積大，對(duì)外界環(huán)境（物理的和化學(xué)的）十分敏感，在制造傳感器方面是有前途的材料，目前已開(kāi)發(fā)出測(cè)量溫度、熱輻射和檢測(cè)各種特定氣體的傳感器。在生物和醫(yī)學(xué)中也有重要應(yīng)用。

Nano solid material properties and applications

Tiansainan Chemistry engineering of Beijing Institute of Petrochemical Technology Beijing 1026174；化092

090040 This paper expounds the concept and nano solid materials history, explained the structure of solid materials and nanotechnology caused by its characteristics, this paper introduces the application of nano solid materials.參考文獻(xiàn)

（1）文齋;納米科技發(fā)展史[N];北京科技報(bào);2000年

（2）杜鄭帥.水性UV節(jié)能環(huán)保涂料的研究和應(yīng)用[D].江南大學(xué), 2009（3）鐘俊輝 納米固體材料 稀有金屬材料與工程 , Rare Metal Materials and Engineering, 1993年 04期（4）胡善榮;劉佩華 納米固體材料

物理, Physics, 1991年 05期

（5）楊得全

范垂禎 納米固體材料的界面及其對(duì)性能的影響 《真空與低溫》1995年03期（6）Gleiter H Nanostructured Materials 1997(01)

（7）Saryanarayana C.Frose F H Thestructure and Mechanical Properties of Metallic Nanocrystals 1992（8）林晨.納米材料在化工行業(yè)中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備, 2010,(07).（9）平德海.李斗星.葉恒強(qiáng) 幾種納米固體材料的微觀結(jié)構(gòu)特征 1995(02)（10）饒欣.淺談納米材料在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].大眾科學(xué)(科學(xué)研究與實(shí)踐), 2007,(10)（11）魏方芳 納米材料的研究及應(yīng)用 [期刊論文]-化學(xué)工程與裝備2007(3)

第三篇：淺論納米材料的特性及應(yīng)用

淺論納米材料的特性及應(yīng)用

人類(lèi) 論文關(guān)鍵詞：納米尺寸；性能

論文摘要：納米尺寸開(kāi)辟科學(xué)新領(lǐng)域，介紹納米材料的神奇特性及在生活中的應(yīng)用。

對(duì)物質(zhì)世界的研究，曾小到原子、分子，大到宇宙空間。從無(wú)限小和無(wú)限大兩個(gè)物質(zhì)尺寸去認(rèn)識(shí)物質(zhì)，使人們了解到世界是物質(zhì)的。物質(zhì)是由原子或分子構(gòu)成的，原子、分子是保持物質(zhì)化學(xué)、物理理特性的最小微粒。這為人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界、改造世界推進(jìn)科學(xué)的向前發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，也產(chǎn)生了一個(gè)個(gè)的科學(xué)原理和定理，推動(dòng)了人類(lèi)生產(chǎn)和生活的不斷向前發(fā)展。

隨著科學(xué)研究的進(jìn)一步發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)物質(zhì)達(dá)到納米尺度以后，大約在這個(gè)范圍空間。物質(zhì)的性能就會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既不同于原來(lái)組成的原子、分子，也不同于宏觀物質(zhì)的特殊性能的物質(zhì)構(gòu)成的材料，即為納米材料。

過(guò)去，人們只注意原子、分子，或者宇宙空間，常常忽略他們的中間領(lǐng)域，而這個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H上大量存在于自然界，它的性能并引用納米概念的是日本科學(xué)家。他們發(fā)現(xiàn)：一個(gè)導(dǎo)電，米尺度以后，它就失去原來(lái)的性質(zhì)，度，大約是在1效應(yīng)，量子隧道效應(yīng)等及由這些效應(yīng)所引起的諸多奇特性能。學(xué)特性，這些特性在光、電、磁、催化等方面具有非常重大應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，已在醫(yī)藥、1醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用：

目前，國(guó)際醫(yī)學(xué)行業(yè)面臨新的決策，從動(dòng)植物中提取必要的物質(zhì)，的想法，隨著健康科學(xué)的發(fā)展，高藥效，發(fā)展藥物定向治療，必須憑借納米技術(shù)。數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體，以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，覆蛋白質(zhì)表面攜帶藥物，納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由的滾動(dòng)，因此可以用檢查和治療身體各部位的病變。利用納米系統(tǒng)檢查和給藥，受人們的歡迎。

2在涂料方面的應(yīng)用；

納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性，的涂層技術(shù)，再給涂料中添加納米材料，傳統(tǒng)涂層功能改性從而獲得傳統(tǒng)涂層沒(méi)有的功能，耐腐蝕、變色等。在涂料中加入納米材料，可進(jìn)一步提高其防護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)防紫外線(xiàn)照射，耐大氣侵害和抗降解等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保結(jié)作用。在建材產(chǎn)品如玻璃中加入適宜的納米材料，可達(dá)到減少光的透射和熱估遞效果，產(chǎn)生隔熱，阻燃等效果。由于氧化物納米微粒的顏色不同，黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。色的效應(yīng)。在汽車(chē)的裝飾噴涂業(yè)中，將納米使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車(chē)面色彩多樣化。

3在化工方面的應(yīng)用；只是以前沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這個(gè)尺度的范圍的性能。表現(xiàn)出既不導(dǎo)電，也不導(dǎo)熱。納米這個(gè)范圍空間，就會(huì)產(chǎn)生特殊的表面效應(yīng)，體積效應(yīng)，量子尺寸生物、環(huán)境保護(hù)和化工等方面得到了應(yīng)用，那就是用納米尺度發(fā)展制藥業(yè)。然后在納米尺度組合，人們對(duì)藥物的要求越來(lái)越高?？芍鲃?dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織，注射到人體血管中，避免身體健康部位受損，可獲得納米復(fù)合體系涂層，實(shí)現(xiàn)功能的飛躍，納米材料的顏色不僅限粒徑而變，第一個(gè)真正認(rèn)識(shí)到導(dǎo)熱的銅、材料在尺寸上達(dá)到納米尺擁有一系列的新穎的物理和化 并顯示出它的獨(dú)特魅力。納米生物醫(yī)學(xué)就是最大限度發(fā)揮藥效，這恰恰是我國(guó)中醫(yī)控制藥物釋放減少副作用，提納米粒子可使藥物在人體內(nèi)方便傳輸。用稱(chēng)為“定向?qū)棥?。該技術(shù)是在磁性納米微粒包通過(guò)磁場(chǎng)導(dǎo)航輸送到病變部位，可以大大減小藥物的毒副作用，如；有超硬、耐磨，抗氧化、這樣可以通過(guò)復(fù)合控制涂料的顏色，而具有隨角度變Tio2添加在汽車(chē)、轎車(chē)的金屬閃光面漆中，能 ～100納米 尤其是因而深借助于傳統(tǒng)使得阻燃、克服碳1銀導(dǎo)體做成納～100然后釋放藥物。

具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能。耐熱、化工業(yè)影響到人類(lèi)生活的方方面面，如果在化工業(yè)中采用納米技術(shù)，將更顯示出獨(dú)特畦力。在橡膠塑料等化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米Sio2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3和SiO2,加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強(qiáng)度和韌性，而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。最近又開(kāi)發(fā)了食品包裝的TiO2.納米TiO2能夠強(qiáng)烈吸收太陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)，產(chǎn)生很強(qiáng)的光化學(xué)活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有利污染物，具有除凈度高，無(wú)二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保水處理中有著很好的應(yīng)用前景。

4其他生活方面的應(yīng)用：

納米技術(shù)正在悄悄地滲透到老百姓衣、食、住、行各個(gè)領(lǐng)域。化纖布料制成的衣服雖然艷麗，但因摩擦容易產(chǎn)生靜電，因而在生產(chǎn)時(shí)加入少量金屬納米微粒，就可以擺脫煩人的靜電現(xiàn)象。不久前，關(guān)于保溫被、保溫衣的電視宣傳，提到應(yīng)用了納米技術(shù)。納米材料可使衣物防靜電、變色、貯光，具有很好的保暖效果。冰箱、洗衣機(jī)等一些電器時(shí)間長(zhǎng)了容易產(chǎn)生細(xì)菌，而采用了納米材料，新設(shè)計(jì)的冰箱、洗衣機(jī)既可以抗菌，又可以除味殺菌。紫外線(xiàn)對(duì)人體的害處極大，有的納米微粒卻可以吸收紫外線(xiàn)對(duì)人體有害的部分，市場(chǎng)上的許多化妝品正是因?yàn)榧尤肓思{米微粒而具備了防紫外線(xiàn)的功能。傳統(tǒng)的涂料耐洗刷性差，時(shí)間不長(zhǎng)墻壁就會(huì)變的班駁陸離，納米技術(shù)應(yīng)用之后，涂料的技術(shù)指標(biāo)大大提高，外墻涂料的耐洗刷性提高很多，以前的電視、音響等家電外表一般都是黑色的，被稱(chēng)為黑色家電，這是因?yàn)榧译娡獗聿牧现斜仨毤尤胩己谶M(jìn)行靜電屏蔽。如今可以通過(guò)控制納米微粒的種類(lèi)，進(jìn)而可控制涂料的顏色，使黑色家電變成彩色家電。

其實(shí)，納米技術(shù)最早只是合成，限于納米微粒，后來(lái)有了其他形貌，大概3-40年。第二階段是復(fù)合，核殼結(jié)構(gòu)，薄膜，分形等，都是這個(gè)階段，大概在90年代到2000年。第三階段是功能化，現(xiàn)在的文章也很注重應(yīng)用了，沒(méi)有應(yīng)用前景的是發(fā)不了高檔次的，當(dāng)然，功能化還是有點(diǎn)復(fù)合的味道的，因?yàn)檫@是一個(gè)不可分割的過(guò)程。我么現(xiàn)在所處的時(shí)段就是功能化。

在我的觀點(diǎn)看來(lái)，至于納米材料的前景，很大程度上要看這一二十年了，如果沒(méi)有不可代替的應(yīng)用必要，那么其前景將暗淡，會(huì)想超導(dǎo)材料一樣，熱了幾十年，現(xiàn)在限于停滯，國(guó)外基本上不大規(guī)模搞了。

任何一項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)展都是十分緩慢的，既然我們生存的一個(gè)宏觀世界，納米世界的物質(zhì)的安全性也要考慮的，所以很多應(yīng)用還只是實(shí)驗(yàn)室階段，這就限制了應(yīng)用，但是這是發(fā)展的必要。

總之，在未來(lái)生活中，納米技術(shù)將帶給我們無(wú)限的舒心與時(shí)尚，使人類(lèi)的生存的條件更加優(yōu)越。

第四篇：廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)及應(yīng)用

廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)及應(yīng)用

摘 要近年來(lái)，隨著科學(xué)信息技術(shù)的發(fā)展，在廣播電視行業(yè)中廣播電視技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并在具體的實(shí)踐活動(dòng)中推動(dòng)了我國(guó)廣播電視行業(yè)的迅猛發(fā)展。就其基本構(gòu)成來(lái)看，廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)是極為重要的因素和環(huán)節(jié)，以有效實(shí)現(xiàn)廣播電視信號(hào)在接收環(huán)節(jié)的優(yōu)化和提升，并且為廣電工程在天線(xiàn)參數(shù)設(shè)置和具體的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提供科學(xué)、合理的依據(jù)，使其在廣播電視行業(yè)中得到推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 廣播電視技術(shù)；發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）165-0098-01

在具體的生活實(shí)踐中，無(wú)線(xiàn)電視和廣播是人們進(jìn)行信息資源獲取的常用途徑。而這個(gè)進(jìn)行信息獲取的過(guò)程通常涉及到信號(hào)的接收問(wèn)題，但通常無(wú)線(xiàn)信號(hào)的接收一般是通過(guò)電視天線(xiàn)來(lái)完成的，就我國(guó)的當(dāng)前實(shí)際來(lái)看，廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)在具體的應(yīng)用中所采取的是一種全新科學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)射裝置，同傳統(tǒng)性的發(fā)射天線(xiàn)相較而言，在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)和升級(jí)改造下，能夠在具體的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低消耗、少問(wèn)題的建設(shè)目的。在這樣的設(shè)備應(yīng)用中，標(biāo)志著廣播發(fā)射技術(shù)也隨著信息技術(shù)的發(fā)展邁入數(shù)字化的建設(shè)時(shí)代，使得廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)成為全新型的傳播技術(shù)。廣播電視發(fā)射天線(xiàn)工作原理

廣播與電視機(jī)構(gòu)的發(fā)射端以電磁波的形式進(jìn)行信號(hào)發(fā)射之后，接收端通過(guò)接收裝置對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)性的處理和轉(zhuǎn)換，再通過(guò)不同的接收設(shè)備來(lái)接收不同的、清晰優(yōu)秀的圖像和聲音。這樣的過(guò)程就是廣播電視的具體工作過(guò)程[1]。在一個(gè)完整的工作過(guò)程創(chuàng)設(shè)中，進(jìn)行信號(hào)電磁波的發(fā)射是天線(xiàn)的主要功能，通過(guò)先進(jìn)化設(shè)備的支持，在相對(duì)簡(jiǎn)單的處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳播。由此可見(jiàn)，天線(xiàn)的工作原理體現(xiàn)在將接收環(huán)節(jié)的短信號(hào)波轉(zhuǎn)換為電磁波的形式并通過(guò)介質(zhì)的支持實(shí)現(xiàn)有效的傳播。廣播電視發(fā)射技術(shù)

2.1 廣播發(fā)射技術(shù)

就我國(guó)當(dāng)前的基本應(yīng)用來(lái)看，立體聲調(diào)頻是在調(diào)頻廣播機(jī)構(gòu)的發(fā)射端所較常使用的發(fā)射裝置，在具體應(yīng)用中，其發(fā)射裝置具有多樣性的發(fā)射功能。通過(guò)有效的立體聲實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)頻管理，并且能夠在單聲道立體的調(diào)頻應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對(duì)多種節(jié)目的管理，使得在具體的應(yīng)用中能夠使有廣播機(jī)構(gòu)發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)更加穩(wěn)定，并且在具體的應(yīng)用中功率更高且應(yīng)用噪音更小[2]。

2.2 電視發(fā)射技術(shù)

電視發(fā)射端進(jìn)行系統(tǒng)性的裝置應(yīng)用中最為頻繁的是電視發(fā)射機(jī)，此外，還包含著具體應(yīng)用中的檢測(cè)調(diào)節(jié)設(shè)備和控制設(shè)備等。其基本的工作原理是電視發(fā)電機(jī)在整體性的處于低電平的狀態(tài)下，將電視裝置設(shè)備調(diào)制到中頻狀態(tài)，并通過(guò)變頻器的應(yīng)用將大功率的射頻信號(hào)波進(jìn)行挑選，并將這些信號(hào)通過(guò)饋線(xiàn)的傳輸作用發(fā)送至電視接收天線(xiàn)，由天線(xiàn)的作用之后進(jìn)行一定程度的接收和轉(zhuǎn)換，最后以電磁波的方式傳輸?shù)叫盘?hào)傳播的制定規(guī)劃區(qū)域，然后在區(qū)域內(nèi)的接收裝置設(shè)置，有效的通過(guò)音頻和圖像的方式通過(guò)電視媒體的介質(zhì)得以呈現(xiàn)。廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用

隨著人們生活水平的不斷提高，在日常的生活應(yīng)用中，電視和廣播已經(jīng)是我們進(jìn)行信息獲取的有效渠道，所以，在不斷的發(fā)展進(jìn)步中，人們對(duì)于具體應(yīng)用環(huán)節(jié)的廣播電視發(fā)射技術(shù)也有了更高的要求，以滿(mǎn)足人們對(duì)于信息獲取的要求。

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀分析

在相關(guān)部門(mén)在對(duì)廣播電視行業(yè)內(nèi)的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在我國(guó)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展中的大中型城市應(yīng)用中，在具體的生活建設(shè)中，廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)得到了廣泛且大量的應(yīng)用，并在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)以及行業(yè)的發(fā)展建設(shè)中朝著小城市的方向發(fā)展和蔓延，并不斷的推廣和應(yīng)用。于廣播電視技術(shù)的發(fā)展而言，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推廣和具體應(yīng)用使得其在應(yīng)用范圍中的建設(shè)不斷的拓展和增強(qiáng)，并且在全新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用下，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)發(fā)展技術(shù)和信號(hào)傳輸方式的變革和推廣，并對(duì)相關(guān)的接收信號(hào)進(jìn)行合理的優(yōu)化處理，以確保整體運(yùn)行中信號(hào)的接收質(zhì)量和傳輸畫(huà)面的質(zhì)量高效性[3]。

在基本的應(yīng)用發(fā)展中，在整體運(yùn)行和發(fā)展環(huán)境推動(dòng)下，技術(shù)革命和材料革命的有效開(kāi)展使得廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用和推廣得到了更加有效的支持和管理，使得在具體信號(hào)傳輸中的頻道傳輸更加的廣泛，進(jìn)而也確保了整體通訊容量的拓展性，并且在基本的傳輸建設(shè)過(guò)程中，使得信號(hào)間的信號(hào)干擾不斷減少，這也就確保了信號(hào)傳輸過(guò)程中的抗干擾能力，保證最后傳輸?shù)恼w質(zhì)量。

3.2 縫隙天線(xiàn)

在具體應(yīng)用表現(xiàn)方面，縫隙天線(xiàn)有廣泛的應(yīng)用，在基本的應(yīng)用中，縫隙天線(xiàn)是通過(guò)導(dǎo)體體面的分裂而形成，所以，在一般情況下又稱(chēng)為開(kāi)槽天線(xiàn)。就具體的表現(xiàn)來(lái)看，矩形狀是縫隙天線(xiàn)最常見(jiàn)的表現(xiàn)狀態(tài)和形式，其長(zhǎng)度一般為整體波長(zhǎng)的1/2?？缃有问绞强p隙天線(xiàn)的有效傳播方式，能夠在窄邊饋電的方式下實(shí)現(xiàn)信號(hào)的合理有效傳播，在微波波段的通信雷達(dá)和電子對(duì)抗以及導(dǎo)航設(shè)備，甚至是高速運(yùn)行的飛行器設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)有效的應(yīng)用。另外，因?yàn)榭p隙天線(xiàn)在基本構(gòu)造方面相對(duì)簡(jiǎn)單化，所以在對(duì)一些口徑場(chǎng)的具體分布的控制也相對(duì)方便快捷，使其在實(shí)際生活中得到廣泛的應(yīng)用。

3.3 蝙蝠翼天線(xiàn)

通常而言，蝙蝠翼天線(xiàn)又稱(chēng)為正交振子天線(xiàn)，是具體應(yīng)用中相當(dāng)普遍的形式，主要通過(guò)兩個(gè)正交對(duì)稱(chēng)卻又無(wú)差別的半波進(jìn)行振子對(duì)的構(gòu)成和組合，同理而言，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的激勵(lì)控制。蝙蝠翼天線(xiàn)在具體的平面處理工作中，通過(guò)圓極化同法線(xiàn)的整體方向相一致，而線(xiàn)極化在一般情況下則處于輻射場(chǎng)之外。在具體的應(yīng)用中，處于水平對(duì)稱(chēng)狀態(tài)的振子會(huì)因?yàn)閷?duì)稱(chēng)面的面積偏大，能夠保證整體過(guò)程中同步頻道狀態(tài)下信號(hào)的優(yōu)良匹配性。這樣的基本工作運(yùn)行原理確保了電波在通過(guò)電視的介質(zhì)傳播時(shí)對(duì)電視的屏幕畫(huà)面不會(huì)出現(xiàn)重影的現(xiàn)象，進(jìn)而使得廣播和電視信號(hào)在接收過(guò)程和具體展現(xiàn)時(shí)的效果更加的理想和有效[4]。

在具體的應(yīng)用中，蝙蝠翼體現(xiàn)在整體表現(xiàn)上有駐波系數(shù)較小而同頻帶寬較大的特點(diǎn)，所以，在具體的應(yīng)用中，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)具體介質(zhì)的絕緣子保護(hù)，也能有效確保振子和整體天線(xiàn)之間信號(hào)傳輸和應(yīng)用的可靠性和穩(wěn)定性。所以，在現(xiàn)今社會(huì)發(fā)展和人們對(duì)于廣播電視的需求而言，蝙蝠翼的應(yīng)用在不斷的推廣和完善。結(jié)論

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和推動(dòng)下，廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)化和信息化的推廣變革下實(shí)現(xiàn)了具體發(fā)展中的機(jī)遇建設(shè)，并在新技術(shù)和新材料的更新?lián)Q代下推動(dòng)著廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)的更新和前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)的整體完善和提升，以及各個(gè)層面的進(jìn)步。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和推動(dòng)，人們對(duì)于廣播電視的質(zhì)量要求也在不斷提升和強(qiáng)化，使得具體應(yīng)用技術(shù)也在更新和完善，以確保信號(hào)在通過(guò)介質(zhì)的傳播之后確保播放環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性和質(zhì)量性，以更好地滿(mǎn)足人們對(duì)于具體生活實(shí)際的服務(wù)有效性，確保服務(wù)質(zhì)量的合理有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]孫春茂.淺析廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)及應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2013（10）：127.[2]聶麗芬.廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2014（33）：55-56.[3]苗斌.廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)及應(yīng)用[J].西部廣播電視，2015（8）：224-225.[4]席鶴鵬.廣播電視發(fā)射天線(xiàn)技術(shù)與其應(yīng)用[J].西部廣播電視，2015（13）：243-244.

第五篇：天線(xiàn)測(cè)量-時(shí)域應(yīng)用

三． 天線(xiàn)的增益和方向圖測(cè)量

在天線(xiàn)外場(chǎng)測(cè)試中，地面或周?chē)h(huán)境的反射要對(duì)增益和方向圖的測(cè)量結(jié)果帶來(lái)或大或小的誤差。

1． 測(cè)量誤差分析

圖3 天線(xiàn)測(cè)試示意圖

如圖3，兩相距D米，高度為H米的收發(fā)天線(xiàn)架設(shè)在反射系數(shù)為r的地面上。因天線(xiàn)的方向性，假設(shè)發(fā)射天線(xiàn)輻射到O點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是最大值的倍，接收天線(xiàn)接收到O點(diǎn)反射波場(chǎng)強(qiáng)是其最大值的倍。接收天線(xiàn)的接收?qǐng)鰪?qiáng)由直射波場(chǎng)強(qiáng)E1和反射波場(chǎng)強(qiáng)E2構(gòu)成。

兩波的路程差為:(7)

假設(shè)直射波的場(chǎng)強(qiáng)E1歸一化為1，則

(8)

合成波的場(chǎng)強(qiáng)E為:(9)

A．增益的測(cè)試誤差分析

天線(xiàn)的增益測(cè)量一般采用比較法，因?yàn)楸粶y(cè)天線(xiàn)往往與標(biāo)準(zhǔn)天線(xiàn)的形狀不一樣，即使這兩種天線(xiàn)架設(shè)在同一位置，相位中心也不一定重合，假設(shè)被測(cè)天線(xiàn)比標(biāo)準(zhǔn)天線(xiàn)距發(fā)射天線(xiàn)近L米，則兩波的路程差變?yōu)?

(10)

合成波的場(chǎng)強(qiáng)為:

(11)

引起的增益誤差為：

(12)

B．方向圖測(cè)試誤差分析

同樣的道理，天線(xiàn)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，有時(shí)相位中心沒(méi)在轉(zhuǎn)軸上，假設(shè)相位中心距轉(zhuǎn)軸的距離為L(zhǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的起始角在收發(fā)天線(xiàn)的連線(xiàn)上。

則兩波的路程差為:(13)

合成波的場(chǎng)強(qiáng)為:(14)

圖4 合成波隨天線(xiàn)間距變化關(guān)系 圖5 合成波隨被測(cè)天線(xiàn)旋轉(zhuǎn)變化關(guān)系

圖4中取k1=0.4 k2=0.5 r=0.9 H=3 f=1GHz； 圖5中取k1=0.8 k2=0.9 r=0.9 H=3 D=10 L=0.2 f=1GHz。如果只有直射波，歸一化場(chǎng)強(qiáng)為1；可看出反射波帶來(lái)±0.4倍（±2dB）左右的誤差。誤差可以通過(guò)減小地面反射系數(shù)，增加天線(xiàn)架設(shè)高度和提高發(fā)射天線(xiàn)的增益來(lái)減小，但很多時(shí)候不容易做到，最徹底的方法是采用時(shí)域技術(shù)去掉反射。

2． 時(shí)域應(yīng)用方法

反射給我們的方向圖測(cè)試結(jié)果造成誤差，我們現(xiàn)在用安立公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4623B加時(shí)域功能OPTION2把它濾掉，其具體的方法是：

A．根據(jù)天線(xiàn)的架設(shè)情況計(jì)算出反射波與直射波的路程差和時(shí)延大小。比如：當(dāng)D=10m,H=3m時(shí)，反射波與直射波的路程差為1.66m，時(shí)延為5.53E-9秒。

B．首先在頻域內(nèi)測(cè)量，根據(jù)實(shí)際選擇對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍。

在DOMAIN菜單下選擇FREQUENCY SET UP中的RANGE SET UP，用CENTER、SPAN設(shè)置。

C．VNA通過(guò)傅立葉反變換計(jì)算到時(shí)域。

按鍵APPL，DOMAIN將DISPLAY中TIME/DISTANCE選擇為T(mén)IME，再選擇TIME BAND。

D． 在時(shí)域中設(shè)置“門(mén)”，選擇需要通過(guò)或需要去除的響應(yīng)。

通過(guò)GATE SETUP設(shè)置CENTER 和SPAN，去除延時(shí)的反射波。

E． 設(shè)置好后，讓測(cè)試系統(tǒng)每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，掃描記錄一次數(shù)據(jù)。

同時(shí)測(cè)得一個(gè)頻帶內(nèi)多頻點(diǎn)方向圖數(shù)組。

除了扣除一些指定的多余信號(hào)響應(yīng)外，我們也可以運(yùn)用ANTI-GATING功能只保留指定信號(hào)以外的的響應(yīng)，其操作方法和GATE基本相同，只需要在GATE中的SPAN選擇負(fù)值即可，這樣就保留主要信號(hào)的響應(yīng)而把其余一些信號(hào)響應(yīng)均去除掉。

四． 總結(jié)

隨著現(xiàn)代電子測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，許多以前無(wú)法測(cè)試或者無(wú)法精確測(cè)試的難題現(xiàn)在逐步的得到解決，上面的儀器功能和測(cè)試方法就是個(gè)例，矢網(wǎng)的時(shí)域功能對(duì)天線(xiàn)測(cè)試是非常實(shí)用的功能，把它介紹出來(lái)，供大家參考使用。

參考資料:

1.《天線(xiàn)測(cè)量》林昌祿著 MS462X矢網(wǎng)指南(Anritsu)

3.Time Domain for Vector Network Analyzers Application Note(Anritsu)