鎢鉬新應用-助力太赫茲應用趕超歐美日

最近，有關太赫茲的新聞頻繁登上各大網站首頁，首先是9月25日我國科學家自主研發的國內首台高平均功率太赫茲自由電子鐳射裝置（CTFEL）在四川成都首次飽和出光，標誌著我國的太赫茲有望投入商用領域，其次是10月20日的太赫茲通訊技術企業華訊方舟入駐河北雄安區，據說，未來太赫茲的應用市場規模將達千億級，那麼，我們鎢鉬行業是否能從這麼大的市場中分得一杯羮？ 

版權聲明：本文僅為中國鎢業協會和中鎢線上使用，任何個人未經書面允許或未注明版權及出處不得擅自拷貝或轉載，否則視為侵權，本網站將依法追究其法律責任。

太赫茲是什麼？

太赫茲是指頻率在 0.1~10 THz（波長在0.03~3mm）波段的電磁波，簡稱THz，太赫茲的特別之處是它的長波段與微波（毫米波）相重合，而短波段與紅外線（遠紅外）相重合，即不是微波，也不是紅外線，而是自成一派。太赫茲的應用範圍將十分廣泛, 目前已實現的應用有安全檢查和醫療檢測，未來它還將被應用於無人駕駛、通訊（6G/7G網路）和國防工業（雷達探測）等領域。

太赫茲從提出概念至今30餘年，世界上的科技大國都對太赫茲傾注了非常大的科研力量，美歐日都擁有許多核心技術，特別是美國，從理論上來說仍是領先於我們。這些年，我們國家的追趕步伐非常的快，產業化進步也是有目共睹的，但必須認清差距。

太赫茲技術瓶頸是波源材料問題。這是由於太赫茲波處於微波與鐳射的交叉過渡區域，其研究領域涉及到物理學、光學工程、材料科學、半導體科學技術、真空電子學、電磁場技術等許多領域，沒有綜合的科研實力往往會顧此失彼。所以，對太赫茲的研究也代表著一個國家的綜合科研能力。

目前已知應用的波源材料有很多，最主要的是砷化鎵，在過去三十年中，太赫茲速度電子和光電器件的技術進步依賴於低溫生長砷化鎵（LT-GaAs）和離子注入半導體的主要材料，此次國內研發成功的CTFEL太赫茲裝置使用的波源材料是砷化鎵。

太赫茲跟鎢鉬有何關係？

那麼太赫茲跟鎢鉬有什麼關係？中鎢線上不是科技工作者，但根據機制潛心研究，在認真閱讀國內外多篇相關學術論文和研究進展得出的結論後，為大家說說鎢鉬和太赫茲的關係。

從客觀的角度來說，CTFEL的研發雖然成功了，但大規模普及尚需時日。毋庸諱言，太赫茲30餘年沒有真正普及的主要原因之一是波源材料“砷化鎵”太貴了，作為第二代半導體，其制取技術一度被發達國家壟斷，雖然我國在單晶生長取得了突破，但是成本仍舊高昂，也因此，砷化鎵單晶落得了“半導體貴族”之稱，太赫茲波儀器價格十分昂貴，不僅貴，而且設備體積巨大，與社會應用普及的要求格格不入。

那麼怎樣才能降低太赫茲的成本，2015年，美國化學學會公開發表了一篇關於太赫茲的學術論文，文章稱英國牛津大學一個由英國、中國和沙特等多國科學家組成的聯合團隊已經找到了“砷化鎵”的替代材料，那是一種單層二維材料。石墨烯？不是，而是一類近幾年才開發的新型單層二維材料，科學家們稱之過渡金屬二硫屬元素（TMD），這就與我們的鎢鉬有著非常密切的聯繫。

過渡金屬二硫屬元素（TMD）由共價結合到硫屬元素（S，Se或Te）的過渡金屬原子組成，形成原子三層。三層層疊通過弱范德華相互作用形成三維固體。TMD最為常用的過渡金屬就是鎢和鉬，被關注最多是二硫化鎢、二硫化鉬、二曬化鎢，它們統稱為n型半導體，極有可能成為各種未來電子器件的基礎，並將替代砷化鎵而被應用於太赫茲，它的出現為太赫茲的高速應用提供了既新穎又便宜的材料前景，而且不需要困難的離子注入程式，這將很大可能地降低太赫茲設備的製造成本及減小設備體積。

二硫化鉬（MoS ₂）是多層形式的間接帶隙半導體，其具有作為單層的直接帶隙，因此顯示出大大增強的光致發光產率。此外在單層MoS₂中，科學家也發現了MoS₂由兩個電子和一個空穴組成的准粒子的負極子，因此在場效應電晶體，光電二極體和記憶體的應用中，二硫化鉬是理想的原材料，但遺憾的是，MoS₂ 的電子遷移率低是一個突出的問題，這就不適用於高頻操作的器件。

而二曬化鎢就不存在電子遷移率的問題，因為它本身就是具有雙極電荷傳輸的本征半導體。將WSe₂和MoS₂相結合，所得到的材料功能將得到充分完善，使其單層形式的直接間隙半導體，並且顯示出三極。研究表明，單層MoS₂和WSe₂具有超快光電導回應，在表面狀態下進行電荷捕獲。具有這種快速回應的單層半導體將是包括光接收器，發射器，調製器以及微波和太赫茲在內的未來高頻光電器件的關鍵元件，這些單層的低成本和可擴展材料將更易於集成到器件中，從而降低設備的製造成本。

另外，我們在前述的應用中還提到了太赫茲未來將主要用於安檢設備、醫療檢查設備等，這些設備中必須要用到鎢的一項重要功能，那就是遮罩。研究表明，鎢材料對太赫茲信號的脈衝和頻譜具有較強的遮罩作用，可用於工業或商業用電子產品在太赫茲波段的遮罩和防干擾應用，也就是說，如同現有的安檢設備和醫療檢查設備一樣，鎢也將應用於太赫茲設備中的遮罩部分。

還有，鎢在太赫茲應用中也可能被用於軍於用途。只不過鎢的角色將是盾而不是矛，它可能用來做遮罩包裝材料以對抗太赫茲雷達探測到炸藥、槍支等軍火物品，甚至還可能用於隱形戰機遮罩塗層材料，以保證軍事戰爭重中之重。10月30日，新浪軍事就出現了一篇《中國六代戰機雷達將進入太赫茲時代 美F22或遭淘汰》的資訊，將太赫茲雷達說得神乎其神，但太赫茲雷達並非無解，美國的軍事科技水準不會原地踏步，更何況美國也有研發太赫茲雷達，其已知的太赫茲技術和戰機塗層技術暫時比我們先進不少。目前已知較有效的太赫茲遮罩材料有芒硝、明礬、藍礬和氧化鎢，而這之中，只有鎢具有耐高溫的特性，也就是說，鎢將非常有可能被用於未來應對太赫茲雷達的隱形戰機塗層設計中。

基於我國鎢鉬資源優勢和產業研發優勢及其近年來國家對智慧製造的重視和扶持，相信在不遠的將來，我國太赫茲研究與應用必將站上業界前沿，並為我國民生、科研和軍事科技與應用做出巨大的貢獻。

• < 上页
• 下页 >