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沈?qū)W礎(chǔ)院士：半導(dǎo)體光譜，從當(dāng)代量子革命到航天遙感應(yīng)用

2021-08-28 12:30:16來(lái)源：中國(guó)金融信息中心  

CFIC導(dǎo)讀

◆近日，在中國(guó)金融信息中心舉辦的第27期“海上院士講壇”上，半導(dǎo)體物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理所研究員、復(fù)旦大學(xué)教授沈?qū)W礎(chǔ)院士受邀出席。沈?qū)W礎(chǔ)院士在以“半導(dǎo)體光譜：從當(dāng)代量子革命到航天遙感應(yīng)用”為主題的報(bào)告中，從光譜原理開(kāi)始，介紹了半導(dǎo)體光譜學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)與發(fā)展?fàn)顩r，用生動(dòng)的實(shí)例回顧光譜學(xué)的發(fā)展歷史及其在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。

近年來(lái)，集成電路、光伏等產(chǎn)業(yè)成為市場(chǎng)關(guān)注的熱門話題，政策和資金也頻頻向這類高新產(chǎn)業(yè)傾斜。在大熱的應(yīng)用學(xué)科背后，固體光譜（半導(dǎo)體光譜）這一基礎(chǔ)學(xué)科在科學(xué)前沿指引著學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界前行。固體光譜究竟是什么？它是如何影響到產(chǎn)業(yè)乃至生活的方方面面？

近日，在中國(guó)金融信息中心舉辦的第27期“海上院士講壇”上，半導(dǎo)體物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理所研究員、復(fù)旦大學(xué)教授沈?qū)W礎(chǔ)院士以“半導(dǎo)體光譜：從當(dāng)代量子革命到航天遙感應(yīng)用”為主題作了主旨報(bào)告。從光譜原理開(kāi)始，沈?qū)W礎(chǔ)院士介紹了半導(dǎo)體光譜學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)與發(fā)展?fàn)顩r，用生動(dòng)的實(shí)例全面而詳盡地講述了光譜學(xué)的發(fā)展歷史及其在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用，并對(duì)純自然科學(xué)和金融科技、社會(huì)科學(xué)等領(lǐng)域的結(jié)合發(fā)表展望。

沈院士認(rèn)為，光譜是一個(gè)非常廣泛的概念。光譜是光電磁波和物質(zhì)相互作用后按能量色散開(kāi)來(lái)的圖譜，包含物質(zhì)中的電子態(tài)、聲子態(tài)以及量子相互作用的信息，是非常深刻的量子信息科學(xué)。要研究光譜、測(cè)量光譜、做光譜實(shí)驗(yàn)有三個(gè)要素，一是要有光源，二是要有目標(biāo)，三是要有探測(cè)器件。沈院士舉例，在生活中，光源是太陽(yáng)，目標(biāo)是萬(wàn)物，探測(cè)器件就是眼睛，光譜學(xué)現(xiàn)象在生活中是無(wú)處不在的。但他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，肉眼的觀測(cè)具有較強(qiáng)的局限性，由于電磁波譜范圍非常廣，肉眼觀測(cè)的分辨率也較低，因此無(wú)法觀測(cè)微觀物理構(gòu)成。

半導(dǎo)體物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理所研究員、復(fù)旦大學(xué)教授沈?qū)W礎(chǔ)院士

光譜學(xué)有著光輝的歷史，也有廣泛的應(yīng)用空間。沈院士表示，光譜學(xué)是近代量子理論創(chuàng)立的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，黑體輻射光譜、原子光譜和光電效應(yīng)奠定了量子科學(xué)的基礎(chǔ)。沈院士介紹，固體光譜有很多不同的分類，例如反射光譜、散射光譜、透射光譜、吸收光譜、發(fā)光光譜等，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。例如半導(dǎo)體光譜在微電子領(lǐng)域就有廣泛的應(yīng)用，如果沒(méi)有固體光譜研究，就很難清晰半導(dǎo)體與量子結(jié)構(gòu)，也就做不出集成電路，做不出半導(dǎo)體晶體管；基于半導(dǎo)體光譜的各種傳感器和探測(cè)器構(gòu)成了探測(cè)光譜的強(qiáng)有力工具，我國(guó)在1970年代開(kāi)始研發(fā)出的碲鎘汞紅外探測(cè)器，依然是當(dāng)前最靈敏的紅外探測(cè)器之一；此外，在太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域，將半導(dǎo)體光譜與大陽(yáng)光譜相匹配就能在最大程度上吸收太陽(yáng)光，充分利用太陽(yáng)能資源。

不僅如此，光譜學(xué)的應(yīng)用正在走向星辰大海，維護(hù)著綠水青山。沈院士介紹，在氣象衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、多光譜多用途衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、預(yù)警衛(wèi)星等衛(wèi)星中，都有半導(dǎo)體光譜的身影。例如太陽(yáng)同步軌道的高分五號(hào)衛(wèi)星中就包含了有效載荷高分辨率成像光譜議，可以同時(shí)獲得目標(biāo)幾何信息和光譜，是全球領(lǐng)先的技術(shù)。海量的光譜數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境、礦產(chǎn)資源、土壤污染、農(nóng)林牧漁、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃方面都有廣泛的應(yīng)用。搭載光譜儀的衛(wèi)星可以監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境情況、預(yù)估農(nóng)作物的漲勢(shì)與產(chǎn)量、分析城市的熱發(fā)射情況、探測(cè)礦產(chǎn)資源的廣泛分布、對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展也大有幫助。盡管我國(guó)的光譜學(xué)衛(wèi)星技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先，沈院士強(qiáng)調(diào)，相比起已經(jīng)成熟的氣象衛(wèi)星尚有完善的空間，光譜學(xué)方向的研究任重而道遠(yuǎn)。

會(huì)上，沈?qū)W礎(chǔ)院士還通過(guò)圓桌互動(dòng)，與嘉賓們探討了固體光譜在社會(huì)和產(chǎn)業(yè)界中的廣泛應(yīng)用。上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院執(zhí)行院長(zhǎng)陸衛(wèi)，上海交通大學(xué)特聘教授、博士生導(dǎo)師沈文忠，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師劉銀年，華東師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師譚琨參加圓桌交流。

本期海上院士講壇由上海證券報(bào)、中國(guó)金融信息中心、中國(guó)科學(xué)院上海分院、上海市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、上海石油天然氣交易中心共同主辦，上海市工業(yè)經(jīng)濟(jì)聯(lián)合會(huì)、上海市太陽(yáng)能學(xué)會(huì)、上海市宇航學(xué)會(huì)協(xié)辦，浙江省新昌縣人民政府全程戰(zhàn)略合作。來(lái)自長(zhǎng)三角地區(qū)的黨政機(jī)關(guān)、科研院所、金融機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位的相關(guān)負(fù)責(zé)人和專家人士出席講壇。

主辦方致辭

中國(guó)金融信息中心總裁助理李志琴

中國(guó)金融信息中心總裁助理李志琴在致辭中提到，上海正在貫徹落實(shí)總書記對(duì)上海科創(chuàng)中心建設(shè)的總體要求。基礎(chǔ)科學(xué)研究是提升科技創(chuàng)新策源能力的突破點(diǎn)之一。沈?qū)W礎(chǔ)院士的研究領(lǐng)域正是關(guān)系到科創(chuàng)源頭動(dòng)力的基礎(chǔ)物理學(xué)。其中，半導(dǎo)體光譜可以廣泛應(yīng)用到光通訊、集成光學(xué)、光計(jì)算機(jī)、新材料、衛(wèi)星遙感等行業(yè)的各個(gè)方面。除了在科學(xué)領(lǐng)域的成就和奮斗，沈院士還培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的年輕科學(xué)家。此次圓桌論壇嘉賓就有沈院士的學(xué)生，幾位教授將共同為大家?guī)?lái)科技前沿的探討和思想盛宴。

最后，她在致辭中介紹了本期論壇的主辦方，其中，上海證券報(bào)是由新華社主辦，中國(guó)證監(jiān)會(huì)法定披露證券市場(chǎng)信息媒體，創(chuàng)立于1991年，是新中國(guó)第一份提供權(quán)威金融證券專業(yè)資訊的全國(guó)性財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)，現(xiàn)已形成涵蓋報(bào)紙、網(wǎng)站、客戶端、視頻、微信、微博等平臺(tái)的全媒體財(cái)經(jīng)傳媒矩陣。中國(guó)金融信息中心是新華社的直屬機(jī)構(gòu)，是新華社與上海市人民政府的戰(zhàn)略合作成果，致力于服務(wù)上海五個(gè)中心的建設(shè)。新華社三家單位和中科院上海分院強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，共同打造了“海上院士講壇”系列論壇，立志于將學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、資本界、政府界的人士匯聚一堂，滌蕩創(chuàng)新的思想，助推產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圓桌論壇

論壇上，沈?qū)W礎(chǔ)院士就光譜研究的思考與學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界進(jìn)行交流。上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院執(zhí)行院長(zhǎng)陸衛(wèi)主持圓桌會(huì)議。上海交通大學(xué)特聘教授、博士生導(dǎo)師沈文忠，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師劉銀年，華東師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師譚琨參加圓桌互動(dòng)。

圓桌主持人：上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院執(zhí)行院長(zhǎng)陸衛(wèi)

上海交通大學(xué)特聘教授、博士生導(dǎo)師沈文忠

上海交通大學(xué)特聘教授、博士生導(dǎo)師沈文忠教授在發(fā)言中介紹了太陽(yáng)能光伏的基本情況。太陽(yáng)光伏需依靠太陽(yáng)，太陽(yáng)本身也是一個(gè)黑體輻射，且符合普朗克定理。太陽(yáng)光輻照范圍約在300納米至2.5微米，最強(qiáng)處能量約達(dá)1.5電子伏特，是恒定的。運(yùn)用太陽(yáng)能光伏最成熟的是半導(dǎo)體材料，其中最好的應(yīng)屬砷化鎵，帶隙1.42電子伏特，太陽(yáng)電池效率最高。太陽(yáng)電池率先應(yīng)用是在航天領(lǐng)域。截至目前，航天應(yīng)用的絕大部分使用的都是砷化鎵電池，最高效率可以達(dá)到47%以上。盡管性能優(yōu)，但存有成本較高的問(wèn)題。

其次，地面應(yīng)用要求成本低、性能好，比較好是硅材料，普及率也高，它已逐步成為地面上最主要光伏發(fā)電材料。經(jīng)十幾年發(fā)展，硅發(fā)電成本已是全球最低，目前最低價(jià)是1.04美分/度，人民幣不到7分。現(xiàn)國(guó)內(nèi)67%左右用電是煤發(fā)電，國(guó)內(nèi)脫硫電價(jià)在每度0.28元左右。光伏發(fā)電做到如此低成本，又沒(méi)有污染，前景明朗。我們國(guó)家光伏發(fā)電比例初始1%的目標(biāo)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破，鑒于光伏發(fā)電低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)，國(guó)家規(guī)劃到2050年，光伏發(fā)電市場(chǎng)份額要達(dá)39%，風(fēng)電約33%，煤發(fā)電會(huì)降至20%以下，這才能真正為中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰夯實(shí)了比較好的基礎(chǔ)。光伏在應(yīng)用方面不一定要集中式，也可是居民家用方面的分布式。光伏發(fā)電是光譜應(yīng)用比較成功的案例，利用了太陽(yáng)能，減少排放，有效降低成本。近十幾年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)了許多利好政策，推動(dòng)了我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先全球。

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師劉銀年

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師劉銀年介紹了在雙碳背景下的遙感應(yīng)用。碳達(dá)峰、碳中和以及全球溫室效應(yīng)，涉及到全人類未來(lái)的發(fā)展和生存。全世界的科研工作者對(duì)該主題都非常關(guān)注。劉銀年研究員表示，要解決溫室效應(yīng)的問(wèn)題，根本上要把碳排放搞清楚。要把大氣里面的成份分子識(shí)別清楚，光譜分辨率需要達(dá)到和優(yōu)于納米級(jí)。以甲烷為例，甲烷的溫室氣體效應(yīng)是二氧化碳的幾十倍，甲烷在2300納米左右有吸收帶，可以用來(lái)檢測(cè)空氣中甲烷的含量。當(dāng)把空間分辨率做到幾十米的時(shí)候，就能探測(cè)甲烷排放點(diǎn)的位置和排放量等數(shù)據(jù)。歐美基于機(jī)載高光譜成像儀解決了該問(wèn)題，但是范圍比較有限。在大尺度范圍上，這是一個(gè)國(guó)際性的難題。目前我們國(guó)家的高分五號(hào)和資源02D等高光譜衛(wèi)星，很好地解決了天基大范圍甲烷排放檢測(cè)這一難題。

劉銀年研究員在談到今后的發(fā)展方向時(shí)表示，一是，提高時(shí)間分辨率，在36000公里的靜止軌道上，可以24小時(shí)對(duì)地球近1/3的圓盤進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)，但要實(shí)現(xiàn)陸地表面的精細(xì)探測(cè)，需要光學(xué)口徑提升到數(shù)米量級(jí)；二是，雖然碳排放點(diǎn)源檢測(cè)的問(wèn)題已經(jīng)解決，但在覆寬度和排放的更精細(xì)化程度方面還需要提升；三是，植被光合作用時(shí)的熒光光譜可以用來(lái)觀測(cè)植被光合作用的活性，同時(shí)可以在更早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲害等。但植被熒光光譜的探測(cè)難度極大，光譜分辨率要達(dá)到0.03納米，能量是地面一般反射信號(hào)的百分之幾甚至更低，這非常具有挑戰(zhàn)性，目前劉銀年的科研團(tuán)隊(duì)正在積極研究破解這一難題。

華東師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師譚琨

華東師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師譚琨介紹了光譜數(shù)據(jù)在遙感衛(wèi)星獲取之后如何進(jìn)行具體的應(yīng)用。譚琨教授首先高度肯定劉銀年教授研制的國(guó)產(chǎn)高光譜相機(jī)，在高光譜領(lǐng)域從數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量上對(duì)比美國(guó)、歐洲的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，質(zhì)量、波譜范圍和信噪比都是不相上下的，并且幅寬是世界第一的。在數(shù)據(jù)質(zhì)量過(guò)硬的基礎(chǔ)上，譚琨教授進(jìn)行了高光譜技術(shù)三個(gè)方面的應(yīng)用舉例。首先以上海的水質(zhì)監(jiān)測(cè)舉例，可以通過(guò)高光譜技術(shù)分析上海水域范圍內(nèi)水體質(zhì)量，例如指定水質(zhì)參數(shù)的含量是否超標(biāo)；藻華現(xiàn)象是否爆發(fā)；水體富營(yíng)養(yǎng)化的情況；同時(shí)配合無(wú)人機(jī)搭載的高光譜成像儀可以進(jìn)行黑臭水體的捕獲等等。第二是在土壤質(zhì)量的監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，主要包括：土壤的含水量、土壤的礦物質(zhì)含量以及土壤的有機(jī)質(zhì)等。當(dāng)土壤重金屬如鉻的含量超過(guò)某個(gè)閾值，就可以通過(guò)光譜進(jìn)行捕獲，從而反映土壤的環(huán)境質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)于土壤中作物長(zhǎng)勢(shì)情況可以通過(guò)對(duì)植被的葉綠素進(jìn)行遙感反演，在作物生長(zhǎng)全周期內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。第三方面的應(yīng)用，在助力“碳達(dá)峰”和“碳中和”方面，高光譜衛(wèi)星能夠很精準(zhǔn)地捕獲碳，從而利用遙感技術(shù)對(duì)碳排放進(jìn)行測(cè)算，進(jìn)一步完善碳排放交易體系。所以遙感在水、土、氣、生等自然環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，因其全天候、全譜段、全方位的優(yōu)勢(shì)，可以為相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供決策的科學(xué)依據(jù)和參考。

主持人：中國(guó)科學(xué)院上海分院學(xué)術(shù)與科普處處長(zhǎng)章文峻

關(guān)鍵詞： 沈?qū)W礎(chǔ) 院士 半導(dǎo)體 光譜

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