新材料研究與開發(fā)

1、 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 光電子材料光電子材料光電子材料包括：光電子材料包括：領(lǐng)域領(lǐng)域材材 料料器器 件件用用 途途微電子微電子GaAs、InP 超高速 IC電腦電腦GaAs FET攜帶電話攜帶電話光電子光電子GaAs InP Sb InAs LD光通訊光通訊GaAs 紅外 LED遙控耦合器遙控耦合器GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、InGaAlP LEP出外顯示器出外顯示器CdTe、CdZnTe、HgCdTe熱成像儀熱成像儀InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、PbZnTe紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器GaAs、InP、GaSb太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池（5 5）顯示材料）顯示材料 發(fā)光二級(jí)管（

2、發(fā)光二級(jí)管（LEDLED）如表）如表 3 3發(fā)發(fā) 光光 尺尺襯襯 底底發(fā)光顏色發(fā)光顏色波長(zhǎng)（波長(zhǎng)（nm)nm) Ga0.65Al0.35As GaAs紅紅 660 GaAs0.35P0.65(N) GaP紅紅 650 GaAs0.1P0.9(N) GaP橙橙 610 GaAs0.1P0.9(N) GaP黃黃 583 GaP Gap綠綠 555 GaN-Al2O3藍(lán)藍(lán) 490 SiC SiC藍(lán)藍(lán)480(全包顯示屏)液晶顯示液晶顯示(LCD)(LCD)材料材料(1968(1968年發(fā)明年發(fā)明) )為為2121世紀(jì)上半葉主要顯示材料世紀(jì)上半葉主要顯示材料表表3 LED 3 LED 發(fā)光材料及可見光區(qū)

3、發(fā)光材料及可見光區(qū)表表4 4 光纖發(fā)展階段及所需材料光纖發(fā)展階段及所需材料發(fā)展階段發(fā)展階段波長(zhǎng)波長(zhǎng) ( m) 模模 數(shù)數(shù) 衰衰 耗耗 (dB/km) 中繼距離中繼距離 (Km)第一階段第一階段 0.85 多多 模模 1.5 10第二階段第二階段 1.30 單單 模模 0.8 60第三階段第三階段 1.55 單單 模模 0.16 500第四階段第四階段 2 - 5 310-4 2500(6)(6)光纖與光纜材料光纖與光纜材料( (網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò))()(表表4)4) 一條光纖帶寬所容納信息量相當(dāng)于全世界無(wú)線一條光纖帶寬所容納信息量相當(dāng)于全世界無(wú)線電帶寬的電帶寬的10001000倍倍. (25 T bps

4、 vs 25 G bps ). (25 T bps vs 25 G bps )光纖材料光纖材料: : （7 7）記錄材料）記錄材料 2121世紀(jì)將是以信息存儲(chǔ)為核心的計(jì)算機(jī)時(shí)代，在軍事世紀(jì)將是以信息存儲(chǔ)為核心的計(jì)算機(jī)時(shí)代，在軍事方面，如何快速準(zhǔn)確地獲取記錄、存儲(chǔ)、交換與發(fā)送信方面，如何快速準(zhǔn)確地獲取記錄、存儲(chǔ)、交換與發(fā)送信息是制勝的關(guān)鍵。息是制勝的關(guān)鍵。 磁記錄在磁記錄在2121世紀(jì)初仍有很強(qiáng)的生命力，通過(guò)垂直磁世紀(jì)初仍有很強(qiáng)的生命力，通過(guò)垂直磁記錄技術(shù)和納米單磁疇技術(shù)，再加先進(jìn)磁頭（如巨磁電記錄技術(shù)和納米單磁疇技術(shù)，再加先進(jìn)磁頭（如巨磁電阻）（阻）（GMRGMR）的采用，有可能使每平方英寸的

5、密度達(dá)）的采用，有可能使每平方英寸的密度達(dá)100GB100GB，所用介質(zhì)為氧化物磁粉（，所用介質(zhì)為氧化物磁粉（-Fe2O3-Fe2O3及加及加 Co - Co - -Fe2O3 -Fe2O3、CrO2)CrO2)，金屬磁粉或鋇鐵氧體粉。，金屬磁粉或鋇鐵氧體粉。 磁光記錄：與磁記錄不同之處在于記錄傳感元件是磁光記錄：與磁記錄不同之處在于記錄傳感元件是光頭而不是磁頭。磁光盤的介質(zhì)主要是稀土光頭而不是磁頭。磁光盤的介質(zhì)主要是稀土- -過(guò)渡族金屬，過(guò)渡族金屬，如如TbFeCoTbFeCo、GdTbFeGdTbFe、NdFeCoNdFeCo，最新的是，最新的是Pb/CoPb/Co多層調(diào)制膜多層調(diào)制膜或或

6、BiBi石榴石薄膜。磁光盤的特點(diǎn)在于可重寫，可交換介石榴石薄膜。磁光盤的特點(diǎn)在于可重寫，可交換介質(zhì)。質(zhì)。（8 8）敏感材料）敏感材料 1.1. 計(jì)算機(jī)的控制靈敏度與精確度有賴于敏感計(jì)算機(jī)的控制靈敏度與精確度有賴于敏感 材料的靈敏度與穩(wěn)定性。材料的靈敏度與穩(wěn)定性。 2. 2. 敏感材料種類繁多，涉及半導(dǎo)體材料、功敏感材料種類繁多，涉及半導(dǎo)體材料、功 能陶瓷、高分子、生物酶與核酸鏈（能陶瓷、高分子、生物酶與核酸鏈（DNADNA） 等。限于篇幅不一一列舉。等。限于篇幅不一一列舉。超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料1. 低溫（液氦溫度）超導(dǎo)已產(chǎn)業(yè)化，價(jià)格問(wèn)題低溫（液氦溫度）超導(dǎo)已產(chǎn)業(yè)化，價(jià)格問(wèn)題2. 高溫（液氮溫度）超

7、導(dǎo)已發(fā)現(xiàn)高溫（液氮溫度）超導(dǎo)已發(fā)現(xiàn)30多種多種3. YBaCuO，Je10 5 A/cm2 （薄膜（薄膜,塊體）塊體）4. (Bi,Pb) Sr Ca Cu O (B1 2223/ Ag) 帶絲線材生帶絲線材生產(chǎn)穩(wěn)定，產(chǎn)穩(wěn)定， 5. 質(zhì)量均一性未能解決，質(zhì)量均一性未能解決，6. 2010年可望產(chǎn)業(yè)化年可望產(chǎn)業(yè)化7. 探索高溫超導(dǎo)，及高溫超導(dǎo)機(jī)理問(wèn)題探索高溫超導(dǎo)，及高溫超導(dǎo)機(jī)理問(wèn)題8. 趨導(dǎo)失超后的安全問(wèn)題趨導(dǎo)失超后的安全問(wèn)題磁磁 性性 材材 料料 1. 硅鋼片是最重量要的軟磁材料（全世界硅鋼片是最重量要的軟磁材料（全世界650萬(wàn)噸）萬(wàn)噸） 2. 鐵基非晶態(tài)合金有明顯優(yōu)越性（表鐵基非晶態(tài)合金有明

8、顯優(yōu)越性（表5） 特別用于：電焊機(jī)，節(jié)能，體積?。ㄌ貏e用于：電焊機(jī)，節(jié)能，體積?。?/10） 作為結(jié)構(gòu)材料：耐磨（作磁頭），耐蝕（代不銹鋼）作為結(jié)構(gòu)材料：耐磨（作磁頭），耐蝕（代不銹鋼） 這些都屬軟磁材料，用于變壓器，電動(dòng)機(jī)在儀表工業(yè)中用這些都屬軟磁材料，用于變壓器，電動(dòng)機(jī)在儀表工業(yè)中用量更大的是軟磁鐵氧體，雖然已很成熟但向高磁感強(qiáng)（量更大的是軟磁鐵氧體，雖然已很成熟但向高磁感強(qiáng)（Bs），），高磁導(dǎo)率（高磁導(dǎo)率（ ）低損耗方向發(fā)展，仍有廣闊發(fā)展前景。）低損耗方向發(fā)展，仍有廣闊發(fā)展前景。 硬磁材料發(fā)展很快，硬磁材料發(fā)展很快，20世紀(jì)世紀(jì)40年代年代AlNiCo，50年代鐵氧體，年代鐵氧體，65年

9、年ReCO5,72年年R2CO17，83年年NdFeB,磁能積提高了幾十倍，從性能價(jià)格比來(lái)磁能積提高了幾十倍，從性能價(jià)格比來(lái)看，（表看，（表6）鐵氧體永磁遠(yuǎn)比其它磁性材料更）鐵氧體永磁遠(yuǎn)比其它磁性材料更具有競(jìng)爭(zhēng)能力；具有競(jìng)爭(zhēng)能力； NdFeB 則單位體積的性能比鐵氧體高出則單位體積的性能比鐵氧體高出10倍倍而得到更快的發(fā)展，目前世界產(chǎn)量近萬(wàn)噸，中而得到更快的發(fā)展，目前世界產(chǎn)量近萬(wàn)噸，中國(guó)占了一半左右，但性能有待進(jìn)一步提高。國(guó)占了一半左右，但性能有待進(jìn)一步提高。 下一代永磁發(fā)展目標(biāo)是納米技術(shù)的應(yīng)用與新下一代永磁發(fā)展目標(biāo)是納米技術(shù)的應(yīng)用與新材料的探索，如：材料的探索，如：SmFeN等。等。 過(guò)去每

10、過(guò)去每10年提高年提高40kJ/m3，2010年達(dá)可到年達(dá)可到600800kJ/m3。 表表6 6永磁體價(jià)格永磁體價(jià)格 / / 性能比（性能比（19951995） * * NdFeB NdFeB最大磁能積最大磁能積512KJ/m512KJ/m3 3（理論值）（理論值）貯能材料（貯氫與高能電池）貯能材料（貯氫與高能電池） 電網(wǎng)調(diào)峰與環(huán)保的需要，信息電子工業(yè)所電網(wǎng)調(diào)峰與環(huán)保的需要，信息電子工業(yè)所必須，與太陽(yáng)能配套。必須，與太陽(yáng)能配套。 太陽(yáng)能發(fā)電太陽(yáng)能發(fā)電 電解水氫貯氫電解水氫貯氫 電蓄電池電蓄電池 也是機(jī)械能動(dòng)力源也是機(jī)械能動(dòng)力源 貯氫材料：金屬間化物貯氫基本成熟（表貯氫材料：金屬間化物貯氫基本

11、成熟（表7）但）但 用于汽車燃料存在比重大，易中毒和價(jià)格問(wèn)題。用于汽車燃料存在比重大，易中毒和價(jià)格問(wèn)題。 表表7幾種金屬間化物貯氫材料幾種金屬間化物貯氫材料 納米碳管是最近發(fā)現(xiàn)的貯氫材料，正在研究開發(fā)中。納米碳管是最近發(fā)現(xiàn)的貯氫材料，正在研究開發(fā)中。 表表8為幾種典型電池反應(yīng)機(jī)理與特性，當(dāng)前為幾種典型電池反應(yīng)機(jī)理與特性，當(dāng)前最有發(fā)展前景的是最有發(fā)展前景的是NiMH電池，但從比能量密度，電池，但從比能量密度，鋰電池最好，而價(jià)格是前者鋰電池最好，而價(jià)格是前者3.5倍，其中塑料鋰倍，其中塑料鋰電池具有重量輕，形狀可任意改變，安全性更好電池具有重量輕，形狀可任意改變，安全性更好的特點(diǎn)，可能是的特點(diǎn)，可

12、能是21世紀(jì)開發(fā)的重點(diǎn)。世紀(jì)開發(fā)的重點(diǎn)。 NiMH電池汽油混合汽車已實(shí)用化，低速電池汽油混合汽車已實(shí)用化，低速與起動(dòng)用電池，而高速時(shí)自動(dòng)跳到汽油并充電，與起動(dòng)用電池，而高速時(shí)自動(dòng)跳到汽油并充電，如比可節(jié)油（如比可節(jié)油（1/2），排放減至），排放減至1/10，CO2（1/2）。）。表表8 8幾種典型電池反應(yīng)機(jī)理和特性幾種典型電池反應(yīng)機(jī)理和特性 燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N裝置，效率高、污染小，是裝置，效率高、污染小，是21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的一世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的一種技術(shù)。種技術(shù)。目前正在開發(fā)的燃料電池，如表目前正在開發(fā)的燃料電池，如表9： 表表9 9正在開發(fā)的燃料電

13、池類型正在開發(fā)的燃料電池類型燃料電池燃料電池 （三）納米材料科學(xué)技術(shù)將成（三）納米材料科學(xué)技術(shù)將成 為為2121世紀(jì)最活躍領(lǐng)域世紀(jì)最活躍領(lǐng)域 關(guān)于納米的基本概念關(guān)于納米的基本概念 納米是英文納米是英文nanometre的音譯的音譯. 納米源自拉丁語(yǔ)納米源自拉丁語(yǔ)“NANO”,意為意為“矮小矮小”. 納米是一種物理度量定位納米是一種物理度量定位,是一長(zhǎng)度單位是一長(zhǎng)度單位. 1納米納米(1nm)=10-9m.納米科技的提出納米科技的提出宏觀領(lǐng)域：以人的肉眼可見的物體為最小物體為宏觀領(lǐng)域：以人的肉眼可見的物體為最小物體為下限，上至無(wú)限大的宇宙天體。人類能夠研究的下限，上至無(wú)限大的宇宙天體。人類能夠研

14、究的物質(zhì)世界的最大尺度為：物質(zhì)世界的最大尺度為： 1025 m （ 1010 LY）。）。微觀領(lǐng)域：微觀領(lǐng)域： 以分子、原子（約以分子、原子（約0.1nm）為最大起）為最大起點(diǎn)，下至無(wú)限小的領(lǐng)域（如電子、原子核）的運(yùn)點(diǎn)，下至無(wú)限小的領(lǐng)域（如電子、原子核）的運(yùn)動(dòng)，人類所研究的最小尺度為：動(dòng)，人類所研究的最小尺度為： 1019 m。 人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)己經(jīng)發(fā)展了兩個(gè)領(lǐng)域，人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)己經(jīng)發(fā)展了兩個(gè)領(lǐng)域，即宏觀和微觀領(lǐng)域。即宏觀和微觀領(lǐng)域。3. 在宏觀領(lǐng)域和微觀領(lǐng)域的研究中出現(xiàn)的三次工業(yè)革在宏觀領(lǐng)域和微觀領(lǐng)域的研究中出現(xiàn)的三次工業(yè)革命：命：（1）在宏觀領(lǐng)域中，人類研究了天體宇宙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，

15、建立了伽利略牛）在宏觀領(lǐng)域中，人類研究了天體宇宙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了伽利略牛頓的經(jīng)典物理學(xué)理論體系，奠定了機(jī)械學(xué)基本原理，蒸汽機(jī)的出現(xiàn)頓的經(jīng)典物理學(xué)理論體系，奠定了機(jī)械學(xué)基本原理，蒸汽機(jī)的出現(xiàn)(1769)，以蒸汽動(dòng)力代替人力，以蒸汽動(dòng)力代替人力,宣告了第一次工業(yè)革命。隨著蒸汽機(jī)的發(fā)宣告了第一次工業(yè)革命。隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明和不斷完善，蒸汽機(jī)作為一種動(dòng)力機(jī)不但在紡織、采礦業(yè)中得到廣泛明和不斷完善，蒸汽機(jī)作為一種動(dòng)力機(jī)不但在紡織、采礦業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而且還被推廣應(yīng)用到交通運(yùn)輸、冶金、機(jī)械、化工等一系列工的應(yīng)用，而且還被推廣應(yīng)用到交通運(yùn)輸、冶金、機(jī)械、化工等一系列工業(yè)部門，使社會(huì)生產(chǎn)力以前所未有的高速

16、度發(fā)展業(yè)部門，使社會(huì)生產(chǎn)力以前所未有的高速度發(fā)展.（2） 世紀(jì)世紀(jì)0年代，年代，(1831)法拉弟總結(jié)出電磁感應(yīng)定律，隨后建立了法拉弟總結(jié)出電磁感應(yīng)定律，隨后建立了電力工業(yè)系統(tǒng)，帶來(lái)了工業(yè)電氣化，出現(xiàn)了電報(bào)、電話、電視和無(wú)線電電力工業(yè)系統(tǒng)，帶來(lái)了工業(yè)電氣化，出現(xiàn)了電報(bào)、電話、電視和無(wú)線電通訊技術(shù)，導(dǎo)致了第二次工業(yè)革命。通訊技術(shù)，導(dǎo)致了第二次工業(yè)革命。（3）繼蒸汽機(jī)時(shí)代和電力時(shí)代之后，）繼蒸汽機(jī)時(shí)代和電力時(shí)代之后，20世紀(jì)中葉，隨著半導(dǎo)體、晶體管和世紀(jì)中葉，隨著半導(dǎo)體、晶體管和集成電路的發(fā)明，人類邁向了微電子信息時(shí)代，出現(xiàn)了第一臺(tái)電子計(jì)算集成電路的發(fā)明，人類邁向了微電子信息時(shí)代，出現(xiàn)了第一臺(tái)電子

17、計(jì)算機(jī)（機(jī)（ 1945年，底花費(fèi)了年，底花費(fèi)了48萬(wàn)美元，使用了萬(wàn)美元，使用了1.8萬(wàn)個(gè)電子管）。引發(fā)了第萬(wàn)個(gè)電子管）。引發(fā)了第三次工業(yè)革命。三次工業(yè)革命。4. 然而然而,在宏觀領(lǐng)域和微觀領(lǐng)域之間存在著近年來(lái)才引起重視在宏觀領(lǐng)域和微觀領(lǐng)域之間存在著近年來(lái)才引起重視的介觀領(lǐng)域的介觀領(lǐng)域, 在這個(gè)不同于宏觀和微觀的領(lǐng)域在這個(gè)不同于宏觀和微觀的領(lǐng)域,由于三維尺寸由于三維尺寸很細(xì)小。出現(xiàn)了許多奇異的性能，不能用我們現(xiàn)有的常識(shí)來(lái)很細(xì)小。出現(xiàn)了許多奇異的性能，不能用我們現(xiàn)有的常識(shí)來(lái)描述這個(gè)領(lǐng)域的規(guī)律。描述這個(gè)領(lǐng)域的規(guī)律。 摩爾定律摩爾定律1965年，美國(guó)年輕科學(xué)家年，美國(guó)年輕科學(xué)家Gordon Moore

18、預(yù)言：預(yù)言：工程師們將以極快的增長(zhǎng)速度把大量的電子元件塞進(jìn)小小的工程師們將以極快的增長(zhǎng)速度把大量的電子元件塞進(jìn)小小的芯片之中，新技術(shù)新工藝將不斷提高芯片的集成度和運(yùn)行速芯片之中，新技術(shù)新工藝將不斷提高芯片的集成度和運(yùn)行速度，大約每隔度，大約每隔18個(gè)月，芯片的集成度將翻一番，微處理器的個(gè)月，芯片的集成度將翻一番，微處理器的速度將提高一倍。速度將提高一倍。 美國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)予計(jì)：到美國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)予計(jì)：到2010年，半導(dǎo)體器件的年，半導(dǎo)體器件的尺寸將達(dá)到尺寸將達(dá)到0.1 m （100 nm）極限，由于量子效應(yīng)）極限，由于量子效應(yīng), 小于這一尺寸的所有芯片就不再保持原有的性能小于這一尺寸的所有芯片就不再保持原有的性能, 需要需要按新的原理來(lái)設(shè)計(jì)，要突破這一極限，我們就得研究按新的原理來(lái)設(shè)計(jì)，要突破這一極限，我們就得研究納米尺度中的理論問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題。納米尺度中的理論問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題。 生命科技和生物技術(shù)也面臨納米科技影響下的變革生命科技和生物技術(shù)也