材料與人類文明信息材料方吉祥final

1、,方吉祥教授 理學(xué)院 材料物理系,信息功能材料,思考題： 1） 以最新款手機(jī)為例，討論該電子設(shè)備所包括的信息材料類型及各自的研究發(fā)展方向？ 2）以半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展為例討論信息材料發(fā)展方向？,課間作業(yè)：寫5種你認(rèn)為不常見(jiàn)的信息材料,2.1 引言及材料分類,能源材料,金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料,光電材料,有機(jī)高分子材料,智能材料,生物材料,生態(tài)環(huán)境材料,復(fù)合材料,單晶,多晶,非晶,準(zhǔn)晶,液晶,建筑材料,航空航天材料,結(jié)構(gòu)材料,功能材料,信息材料,傳感器件,半導(dǎo)體芯片,半導(dǎo)體技術(shù),液晶材料,光學(xué)材料,金屬材料,磁性材料,拍照功能,顯示功能,金屬外殼,信號(hào)接受,對(duì)話功能,電子線路,照片存儲(chǔ),功能材料,介電

2、材料,2.1 引言及材料分類,材料可分為單晶、多晶、非晶、準(zhǔn)晶和液晶,材料則可分為無(wú)機(jī)材料與有機(jī)材料。,材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。,按狀態(tài)分，,從化學(xué)的角度，,從應(yīng)用來(lái)看，,根據(jù)材料的用途，,材料可分為信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料等。,但就大的類別可以分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類。,2.1 引言及材料分類,材料可分為0D, 1D, 2D, 3D, 即納米顆粒, 納米線，納米片，塊體納米材料。,按照產(chǎn)物的維數(shù)，,2.1 信息與信息材料,活字印刷術(shù),火星探測(cè)器,信息既非物質(zhì)也非能量，卻是構(gòu)成世界的要素。 信息已經(jīng)成為一種寶貴的資源。 現(xiàn)代信息

3、技術(shù)對(duì)各種信息的收集、存儲(chǔ)、處理、傳遞和顯示是通過(guò)各種信息功能器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而信息功能器件又是以各種信息材料為主構(gòu)成的。,2.1 信息與信息材料,信息材料產(chǎn)品,信息時(shí)代,信息材料就是指與現(xiàn)代信息技術(shù)相關(guān)、用于信息的收集、存儲(chǔ)、處理、傳遞和顯示的材料。,根據(jù)信息材料的功能，可把信息材料主要分為： 信息收集材料 信息存儲(chǔ)材料 信息處理材料 信息傳遞材料 信息顯示材料,信息收集傳感器,信息存儲(chǔ)器,信息處理芯片,信息傳遞與發(fā)射,信息顯示器,2.1 信息材料分類,人體本身就是集收集、存儲(chǔ)、處理、傳遞和顯示信息功能之大成的一個(gè)信息系統(tǒng)。 眼睛具有視覺(jué)功能； 耳朵具有聽(tīng)覺(jué)功能； 鼻子具有嗅覺(jué)功能； 舌頭具有

4、味覺(jué)功能； 皮膚具有觸覺(jué)功能； 各種神經(jīng)細(xì)胞將得到信息傳遞給大腦； 大腦可以分析、判斷、處理、存儲(chǔ)信息，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)向四肢傳遞信息、發(fā)布命令； 肌肉、四肢根據(jù)大腦指令對(duì)感知信息迅速做出反應(yīng)。,收集信息,傳送信息,存儲(chǔ)和處理信息,顯示信息,信息收集材料 信息存儲(chǔ)材料 信息處理材料 信息傳遞材料 信息顯示材料,2.1 信息材料分類,信息材料分類,信息收集材料 信息存儲(chǔ)材料 信息處理材料 信息傳遞材料 信息顯示材料,信息材料分類,信息收集材料 信息存儲(chǔ)材料 信息處理材料 信息傳遞材料 信息顯示材料,信息收集材料是指用于信息傳感和探測(cè)的一類對(duì)外界信息敏感的材料。 在外界信息如力、熱、光、磁、電、化學(xué)或

5、生物信息的影響下，這類材料的物理或化學(xué)性質(zhì)(主要是電學(xué)性質(zhì))會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量這些變化可方便精確地探測(cè)、接收和了解外界信息變化。 信息傳感材料主要包括力敏傳感材料、熱敏傳感材料、光敏傳感材料、磁敏傳感材料、氣敏材料、濕敏材料、壓敏材料、生物傳感材料等。,2.2 信息收集材料,力敏傳感材料是指在外力作用下電學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯變化的材料，主要分為金屬應(yīng)變電阻材料和半導(dǎo)體壓阻材料兩大類。 金屬應(yīng)變電阻材料主要有康銅系合金、錳銅合金、鎳鐵鋁鐵合金、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金等。 半導(dǎo)體壓阻材料主要是單晶硅。,金屬應(yīng)變電阻材料-康銅合金,半導(dǎo)體壓阻材料-單晶硅片,2.2 信息收集材料,半導(dǎo)體壓阻材料便于力

6、敏傳感器件的微型化和集成化，在常溫下有大量應(yīng)用，逐步取代金屬型應(yīng)變計(jì)。 金屬應(yīng)變電阻材料的電阻溫度系數(shù)、溫度靈敏度系數(shù)等都比半導(dǎo)體好，具有很高的延展性和抗拉強(qiáng)度，在耐高溫、大應(yīng)變、抗輻射等場(chǎng)合得到廣泛使用。,力敏傳感器,2.2 信息收集材料,熱敏傳感材料是指對(duì)溫度變化具有靈敏響應(yīng)的材料,主要是電阻隨溫度顯著變化的半導(dǎo)體熱敏電阻陶瓷。 根據(jù)電阻溫度系數(shù)的正負(fù)，可分為正溫度系數(shù)(BaTiO3、V2O5為基的熱敏陶瓷)和負(fù)溫度系數(shù)(過(guò)渡金屬氧化物為基的熱敏陶瓷)熱敏材料兩類。,熱敏PTC傳感器,熱敏NTC傳感器,2.2 信息收集材料,光敏傳感材料在光照下會(huì)因各種效應(yīng)產(chǎn)生光生載流子，用于制作光敏電阻、

7、光敏三極管、光電耦合器和光電探測(cè)器。 最常用的光學(xué)敏感材料是鍺、硅和II-VI族、IV-VI族中的一些半導(dǎo)體化合物等，如CdS、CdSe和PbS等半導(dǎo)體化合物。,光敏二極管,光敏三極管,光電耦合器,2.2 信息收集材料,磁敏電阻材料是指具有磁性各向異性效應(yīng)的磁敏材料。 這類材料在磁化方向平行電流方向時(shí)，阻值最大；在磁化方向垂直于電流方向時(shí)，阻值較小。改變磁化方向與電流方向夾角，即可改變磁敏電阻材料的阻值。 強(qiáng)磁性簿膜磁敏電阻材料主要是NiCo和NiFe合金薄膜，可制備磁敏二極管或三極管，靈敏度高、溫度特性好，可用于磁場(chǎng)測(cè)量。,薄膜磁敏電阻,2.2 信息收集材料,巨磁阻效應(yīng)是指磁性材料的電阻率在

8、有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象. 法國(guó)科學(xué)家阿爾貝和德國(guó)科學(xué)家彼得分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)，共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 開發(fā)的小型大容量硬盤已得到廣泛應(yīng)用。,2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者阿爾貝(右)和彼得(左),2.2 信息收集材料,傳統(tǒng)磁頭的磁致電阻變化僅為1-2之間，讀取數(shù)據(jù)要求一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，且磁道密度不能太大，硬盤最大容量只能達(dá)到20Mb/in2。 1994年，IBM公司研制成功巨磁阻效應(yīng)讀出磁頭，磁頭存儲(chǔ)密度迅速提高到3Gb/in2，磁盤記錄從4Gb提升到600Gb或更高。,硬盤讀寫磁頭工作原理,2.2 信息收集材料,采用Spin-valve材料研制的新一

9、代硬盤讀出磁頭存儲(chǔ)密度已提高到560Gb/in2；隨著低電阻高信號(hào)的TMR材料獲得，磁頭存儲(chǔ)密度達(dá)到1000Gb/in2。 2007年，全球最大硬盤廠商希捷科技宣布，第四代DB35系列硬盤已達(dá)到1TB容量。 巨磁阻技術(shù)已成為全世界所有電腦、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。,MP4,MP5,2.2 信息收集材料,氣敏材料是對(duì)氣體敏感，電阻值會(huì)隨外界氣體種類和濃度變化的材料，如SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2、TiO2和WO2等n型或p型金屬氧化物半導(dǎo)體。 氣敏材料用于制作氣敏傳感器，吸附氣體后載流子數(shù)量變化將導(dǎo)致表面電阻率變化，進(jìn)而對(duì)氣體的種類和濃度進(jìn)行探測(cè)。,SnO2氣敏傳感器,礦用S

10、nO2瓦斯檢測(cè)器,2.2 信息收集材料,濕敏材料是指電阻值隨環(huán)境濕度增加而顯著增大或降低的一些材料。 陶瓷濕敏材料主要有MgCr2O3系、ZnCr2O3系和MnWO4、NiWO4等。 高分子濕敏材料是指吸濕后電阻率或介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化的高分子電解質(zhì)膜，如吸濕性樹脂、硝化纖維系高分子膜。,濕敏電阻器件,2.2 信息收集材料,信息材料分類,信息收集材料 信息存儲(chǔ)材料 信息處理材料 信息傳遞材料 信息顯示材料,信息存儲(chǔ)材料是指用來(lái)制作各種信息存儲(chǔ)器的一些能夠記錄和存儲(chǔ)信息的材料。 在外加物理場(chǎng)（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光照等）的影響下，信息存儲(chǔ)材料發(fā)生物理或化學(xué)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的存儲(chǔ)。 主要介紹磁記錄材料和光

11、存儲(chǔ)材料。,磁記錄材料,光存儲(chǔ)材料,2.2 信息存儲(chǔ)材料,磁記錄材料,磁記錄材料可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取工作。 磁性存貯器具有容量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)； 磁記錄裝置可將記錄下來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大或縮小，使科研中的數(shù)據(jù)處理更為方便靈活； 磁卡可用于存取款、圖書保存以及乘坐交通工具的票證等，方便人們生活。,磁卡,錄像帶,2.2 信息存儲(chǔ)材料,顆粒涂布型磁記錄介質(zhì),顆粒涂布型磁記錄介質(zhì)是將磁粉、非磁性膠粘劑和少量添加劑等形成的均勻磁性漿料，涂布于聚酯薄膜上制成。 磁粉包括-Fe2O3、BaO-Fe2O3、金屬粉等。,顆粒涂布型磁記錄介質(zhì)錄像帶,2.2 信息存儲(chǔ)材料,金屬磁粉,金屬磁粉特點(diǎn)是具有較高的磁感

12、應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力。 純鐵磁化強(qiáng)度達(dá)1700emu/cm3，可在較薄的磁層內(nèi)得到較大的讀出信號(hào)；小針狀鐵粒子可提供較高矯頑力，使磁記錄介質(zhì)承受較大的外場(chǎng)作用。 金屬磁粉缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，易氧化或發(fā)生其它反應(yīng)，常用表面鈍化或合金化等辦法控制表面氧化，但降低粒子的磁化強(qiáng)度。,工業(yè)純Fe粉,小粒徑Fe粉微觀形貌：針狀和球狀,2.2 信息存儲(chǔ)材料,鋇鐵氧體磁粉,鋇鐵氧體來(lái)源豐富，成本低，有較高的矯頑力和磁能積，抗氧化能力強(qiáng)，是一種應(yīng)用廣泛的永磁材料。 鋇鐵氧體矯頑力高達(dá)398kA/m，本不適于作磁記錄介質(zhì)，以下特點(diǎn)使其可成為理想高密度磁記錄材料： 六方形平板結(jié)構(gòu)和垂直于平板的易磁化軸使它適合作垂直記錄介質(zhì)；

13、 用Co2+和Ti2+離子取代部分Fe2+，適當(dāng)降低其矯頑力； 可制備出直徑很小的粒子。,鋇鐵氧體器件,2.2 信息存儲(chǔ)材料,垂直記錄1英寸磁盤，容量為10G,垂直記錄硬盤,垂直記錄硬盤工作原理,2.2 信息存儲(chǔ)材料,高記錄密度連續(xù)膜介質(zhì),為在減薄磁層的同時(shí)仍得到足夠高的輸出電壓，須采用連續(xù)薄膜型介質(zhì)。,連續(xù)型磁性薄膜與涂布型非連續(xù)磁性介質(zhì)性能比較,2.2 信息存儲(chǔ)材料,連續(xù)膜介質(zhì)的磁性能、信噪比優(yōu)于顆粒涂布介質(zhì)。 顆粒涂布型介質(zhì)磁粉間存在膠粘劑，間隔較遠(yuǎn)，靜磁耦合較弱，磁滯回線矩形度較差，剩磁亦低。連續(xù)膜介質(zhì)無(wú)須采用粘合劑等非磁性物質(zhì)，晶粒間的磁性耦合也較強(qiáng)，磁滯回線矩形度較好，剩磁高。 顆

14、粒涂布型介質(zhì)的噪聲與磁粉平均粒徑成正比，連續(xù)膜介質(zhì)的噪聲與晶粒平均尺寸成正比。在一個(gè)記錄空間內(nèi)連續(xù)膜包含的晶粒數(shù)是顆粒涂布型介質(zhì)中顆粒數(shù)的10-50倍，因而連續(xù)膜的噪聲要低得多。,高記錄密度連續(xù)膜介質(zhì),2.2 信息存儲(chǔ)材料,磁頭材料,從錄音帶到計(jì)算機(jī)都要用磁頭。 磁頭的基本功能是與磁記錄介質(zhì)構(gòu)成磁性回路，對(duì)信息進(jìn)行加工，包括記錄(錄音、錄像、錄文件)、重放(讀出信息)、消磁(抹除信息)3種功能。,硬盤磁頭,錄音磁頭,2.2 信息存儲(chǔ)材料,晶態(tài)磁性合金,最早應(yīng)用的磁頭是用磁性合金片疊成的。 最重要的三種合金是鉬坡莫合金(4Mo，17Fe-Ni)鋁鐵合金(16Al-Fe)和鋁硅鐵合金(5.4A1，

15、9.6Si-Fe)。,磁頭用晶態(tài)合金的磁性能,2.2 信息存儲(chǔ)材料,鉬坡莫合金和鋁硅鐵合金可使材料的磁致伸縮接近零，加上飽和磁化強(qiáng)度高，具有良好的記錄特性。 鉬坡莫合金的磨損率相對(duì)高，對(duì)腐蝕敏感，導(dǎo)磁率隨工作頻率提高迅速下降，必須壓成薄片使用； 鋁硅鐵合金硬度高，機(jī)械加工的難度很大； 鋁鐵合金性能介于鉬坡莫和鋁硅鐵之間，容易加工，雖然磁導(dǎo)率較低，但在較多情況下仍廣泛使用。,坡莫合金(NiFe)器件,AlFeSi 合金器件,晶態(tài)磁性合金,2.2 信息存儲(chǔ)材料,非晶態(tài)磁性合金,鈷基非晶材料磁導(dǎo)率高，磁致伸縮系數(shù)為零，磁感應(yīng)強(qiáng)度相當(dāng)高，居里溫度高，很適于做磁頭材料，但價(jià)格貴，一定程度上限制其大規(guī)模應(yīng)

16、用； 鐵基非晶材料Fe72Cr8P13C7，磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.3T，硬度Hv達(dá)到850-900，比鐵鋁硅還高，但加工容易，成本低，是理想的磁頭材料。,鐵基非晶材料,鈷基非晶材料,2.2 信息存儲(chǔ)材料,軟磁鐵氧體,用于磁頭的高磁導(dǎo)率鐵氧體有NiZn鐵氧體和MnZn鐵氧體，磁性隨Ni/Zn或Mn/Zn比而變化。 MnZn鐵氧體在幾十兆赫時(shí)有仍具有較高的磁導(dǎo)率，較低的矯頑力，較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，應(yīng)用十分廣泛。 NiZn鐵氧體具有更高的電阻率，應(yīng)用頻率高。,MnZn鐵氧體器件,NiZn鐵氧體器件,2.2 信息存儲(chǔ)材料,光存儲(chǔ)材料,將要存儲(chǔ)的信息、模擬量或數(shù)字量，通過(guò)調(diào)制激光聚焦到記錄介質(zhì)上，使介質(zhì)的

17、光照微區(qū)發(fā)生物理或化學(xué)的變化實(shí)現(xiàn)記錄，這就是信息的寫入。 讀出信息時(shí)，低功率密度的激光掃描信息軌道，反射光通過(guò)光電檢測(cè)器檢測(cè)、解調(diào)取出所要信息。,存儲(chǔ)光盤,2.2 信息存儲(chǔ)材料,光存儲(chǔ)材料是由記錄介質(zhì)層、反射層以及保護(hù)層等構(gòu)成的、具有光學(xué)匹配的多層結(jié)構(gòu)。這種在襯盤上沉積了光存儲(chǔ)材科的盤片稱為光盤。 多層膜通常用物理或化學(xué)方法沉積在襯盤上。,存儲(chǔ)光盤,光存儲(chǔ)材料,2.2 信息存儲(chǔ)材料,光盤存儲(chǔ)材料特點(diǎn),光盤存儲(chǔ)優(yōu)點(diǎn)： 高存儲(chǔ)密度：普通光盤單面可存儲(chǔ)640兆字節(jié)；高密度DVD光盤容量在8G以上。 非接觸式讀、寫信息：非接觸式讀、寫不會(huì)讓光學(xué)頭或盤面磨損、劃傷，并能自由更換光盤。 長(zhǎng)存儲(chǔ)壽命：磁盤存

18、儲(chǔ)的信息一般為2-3年，光盤存儲(chǔ)的信息壽命至少在10年以上。 低信息位價(jià)格：光盤(或襯盤)易于大量復(fù)制，容量大，因此存儲(chǔ)單位信息的價(jià)格低廉。,2.2 信息存儲(chǔ)材料,只讀存儲(chǔ)光盤的記錄介質(zhì)是光刻膠。 將音頻、視頻調(diào)制的激光聚焦在灑有光刻膠的玻璃襯底上，經(jīng)曝光顯影使曝光部分脫落，制成具有凹凸信息結(jié)構(gòu)的正像主盤。利用噴鍍技術(shù)，在主盤表面生成一層金屬負(fù)像副盤，與主盤脫離后可作原模，復(fù)制只讀光盤。,只讀式CD和DVD表面凹坑結(jié)構(gòu)示意圖,只讀存儲(chǔ)光盤材料,2.2 信息存儲(chǔ)材料,一次寫入光盤材料,一次寫入光盤利用聚焦激光在介質(zhì)的記錄微區(qū)產(chǎn)生不可逆的物理化學(xué)變化寫入信息。 燒蝕型：寫入激光的光強(qiáng)具有高斯分布，

19、中心溫度高于介質(zhì)熔點(diǎn)Tm，其余部分溫度低于介質(zhì)熔點(diǎn)。中心光照部分的介質(zhì)微區(qū)熔融，表面張力將其拉開；撤去脈沖，孔緣冷凝形成帶有信息結(jié)構(gòu)的凹坑，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的記錄。,燒蝕性信息凹坑的形成,2.2 信息存儲(chǔ)材料,可擦重寫磁光光盤材料,稀土-鈷合金，如GdCo、TbCo、GdTbCo和GdTb-FeCo等，目前已用來(lái)制成可擦寫磁光光盤； 稀土-鐵合金，如GdFe、TbNiFe、GdTbFe等。,磁光盤讀、寫、擦原理,2.2 信息存儲(chǔ)材料,寫入信息前，用強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)GdCo介質(zhì)進(jìn)行初始磁化，使各磁疇單元具有相同的磁化方向。 寫入信息時(shí)，磁光讀、寫頭的激光聚焦在介質(zhì)表面，光照下介質(zhì)矯頑力因溫升迅速減小，此時(shí)通過(guò)

20、磁光頭中的線圈施加一反向偏磁場(chǎng)，可使微區(qū)反向磁化。 撤去寫入脈沖和反偏磁場(chǎng)，介質(zhì)中無(wú)光照部分的磁化強(qiáng)度保持原來(lái)方向，實(shí)現(xiàn)磁化方向的反差記錄。,信息寫入,可擦寫光盤,2.2 信息存儲(chǔ)材料,信息讀出,利用Kerr磁光效應(yīng)檢測(cè)記錄單元的磁化方向。 1877年，Kerr發(fā)現(xiàn)用直線偏振光射到向上磁化的介質(zhì)，反射后偏振面會(huì)繞反射線向右旋轉(zhuǎn)一定角度；角度一般只有0.3-0.5稱為Kerr角。 讀取信息時(shí)，磁頭中的起偏器產(chǎn)生偏振光掃描信息軌道，然后通過(guò)檢偏器檢測(cè)各單元磁化方向。,Kerr磁光效應(yīng),2.2 信息存儲(chǔ)材料,信息擦除,擦除信息時(shí)，用原來(lái)的寫入激光照射信息道，并施加與初始方向相同的偏磁場(chǎng)，記錄單元的磁

21、化方向又會(huì)復(fù)原。,清華同方可擦寫光盤,2.2 信息存儲(chǔ)材料,利用記錄介質(zhì)在晶態(tài)和玻璃態(tài)之間的可逆相變也可以實(shí)現(xiàn)光盤信息的反復(fù)可擦重寫: 信息寫入：對(duì)應(yīng)高功率的激光熱效應(yīng)，快速凝固后介質(zhì)從晶態(tài)轉(zhuǎn)生成玻璃態(tài)； 信息讀出：對(duì)應(yīng)低功率的激光熱效應(yīng)，介質(zhì)中的相結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化； 信息擦除：對(duì)應(yīng)中功率的激光熱效應(yīng)，介質(zhì)成核、生長(zhǎng)，從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變成晶態(tài)。,2.2 信息存儲(chǔ)材料,以下是近幾年國(guó)外公司所用的相變介質(zhì)。 IBM：可擦重寫Sb2Se； 菲利浦：可擦重寫InSbTe，InSbSe、InSb。 松下：可擦重寫Ge2Sb2Te5、Ge2Sb2Te4；直接擦寫GeTe-Sb2Te3-Sb 日立：可擦重寫InSe

22、Ti、InSeSn；直接重寫1nSeTiGeTe-Sb2Te3Co；,Sony公司生產(chǎn)的可擦寫光盤,2.2 信息存儲(chǔ)材料,信息材料分類,信息收集材料 信息存儲(chǔ)材料 信息處理材料 信息傳遞材料 信息顯示材料,信息處理材料是指用于對(duì)電信號(hào)或光信號(hào)進(jìn)行檢波、倍頻、混頻、限幅、開關(guān)、放大等信號(hào)處理的一類信息材料， 主要有Si、Ge等半導(dǎo)體材料，GaAs系列、InP系列、GaN系列半導(dǎo)體材料，SiO2等氧化物材料，微波鐵氧體材料等。,半導(dǎo)體材料和器件,2.2 信息處理材料,常溫半導(dǎo)體,Si是單一元素半導(dǎo)體，具有力學(xué)強(qiáng)度高，結(jié)晶性能好等特點(diǎn)，在自然界中有豐富的儲(chǔ)量。 自然界中的石英砂、硅酸鹽不具有半導(dǎo)體性

23、質(zhì)，其中含有大量雜質(zhì)，須經(jīng)過(guò)提純才能顯示半導(dǎo)體性質(zhì)。 電子級(jí)的硅通常具有多晶結(jié)構(gòu)，大大降低電子的運(yùn)動(dòng)速度和壽命，嚴(yán)重影響器件的頻率特性，需把硅拉制成單晶形式。,單晶Si,自然界中的Si-石英砂,人工單晶Si片,2.2 信息處理材料,通常采用提拉法生產(chǎn)比較均勻、無(wú)缺陷而且尺寸較大的單晶硅。 在坩堝中盛滿硅并使其溫度保持在高于硅的熔點(diǎn)100左右，將一顆小的硅種晶浸入硅熔液中，隨后旋轉(zhuǎn)拉桿將它緩慢從熔融硅中拉起來(lái)。在種晶向上提拉時(shí)，熔融的硅附在上面，晶體尺寸逐漸增大，直到最終尺寸。 2003年，我國(guó)已研制出直徑300mm的單晶，正在研制直徑450mm的單晶。,垂直單晶生長(zhǎng)法,單晶Si,2.2 信息處

24、理材料,將單晶硅切割成片并拋光，制成的硅片叫晶片。 在真空無(wú)塵環(huán)境下，在晶片上集成大量的晶體管和其它元件，得到芯片。 將芯片裝在陶瓷封裝殼中，構(gòu)成具有特殊電路功能的集成塊。,單晶硅棒,晶片,芯片,集成塊,單晶Si,2.2 信息處理材料,以硅材料為核心的集成電路在過(guò)去40年取得迅速發(fā)展，硅集成電路器件集成度已提高了100萬(wàn)倍，單位價(jià)格急劇下降。在這其中單晶硅片尺寸增大和質(zhì)量提高起到重要作用。 如何得到大尺寸單晶硅以降低硅片成本，如何制備低原生缺陷甚至無(wú)缺陷單晶硅片，使集成電路線寬進(jìn)一步減小而不被擊穿是單晶硅研究的主要方向。,單晶Si,2.2 信息處理材料,鍺材料,鍺是具有灰色金屬光澤的固體，常溫

25、下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是重要的元素半導(dǎo)體材料之一。 1948年，誕生了第一只鍺晶體管。鍺在晶體管初期發(fā)展時(shí)代曾為晶體管的主要原料，到20世紀(jì)60年代中期才逐步被硅所代替。,金屬鍺,2.2 信息處理材料,鍺的載流子遷移速率比硅高，相同條件下具有較高的工作頻率、較低的飽和壓降、較高的開關(guān)速度和良好的低溫性能，可作為雪崩二極管、高速開關(guān)管以及高頻小功率三極管等。 鍺還具有優(yōu)良的紅外光學(xué)性能，可做為紅外窗口和透鏡、低溫紅外探測(cè)器及低溫溫度計(jì)等。 現(xiàn)在美國(guó)仍然把鍺作為戰(zhàn)略儲(chǔ)備材料。,鍺三極管,鍺材料,2.2 信息處理材料,砷化鎵GaAs,由于Ga是周期表中第IIIA族元素，As是第VA族元素，所以稱GaAs是

26、III-V族化合物半導(dǎo)體。 GaP、InP等也是III-V族化合物半導(dǎo)體，這些材料具有優(yōu)良的半導(dǎo)體特性。,GaAs晶片材料,2.2 信息處理材料,GaAs和InP是微電子和光電子的基礎(chǔ)材料，具有電子漂移速度高、耐高溫、抗幅照等特點(diǎn)。 GaAs中電子有效質(zhì)量?jī)H為自由電子質(zhì)量的1/15，電子在GaAs中運(yùn)動(dòng)速度比Si中快6-7倍，用GaAs做的晶體管開關(guān)速度比硅晶體管快1-4倍，成為微波通信、軍事電子技術(shù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件；,GaAs二極管,砷化鎵GaAs,2.2 信息處理材料,在高頻通信信號(hào)放大、光探測(cè)等方面，GaAs晶體管也有重要應(yīng)用。 InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，在超高速

27、、超高頻、低功耗、低噪聲器件和電路，特別是光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。,GaAs器件,InP器件,砷化鎵GaAs,2.2 信息處理材料,高溫半導(dǎo)體,軍事工業(yè)、飛機(jī)發(fā)功機(jī)和宇航等產(chǎn)業(yè)要求研制在500-600范圍內(nèi)工作的電子器件。 半導(dǎo)體Si器件工作溫度一股不超過(guò)200。 為提高半導(dǎo)體器件工作溫度，應(yīng)選禁帶大，高溫性能穩(wěn)定的SiC高溫半導(dǎo)體材料，能隙寬度在2.39eV至3.33eV的范圍內(nèi)變化。,碳化硅,高溫SiC器件,2.2 信息處理材料,SiC器件制成的p-n結(jié)可在500下工作，這是它最重要的應(yīng)用。 SiC是軍用GaN微電子材料和器件的首選襯底，與傳統(tǒng)的藍(lán)寶石襯底相比，SiC具有更

28、高的熱導(dǎo)率，晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)與GaN更為接近，失配度僅為3.5%(藍(lán)寶石為17%) 。,SiC襯底,SiC器件,高溫半導(dǎo)體,碳化硅,2.2 信息處理材料,人造金剛石薄膜,金剛石是最理想高溫半導(dǎo)體材料，禁帶寬度是5.45ev，電子和空穴遷移率均高，抗電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度大，是自然界熱導(dǎo)率最高的材料。 金剛石半導(dǎo)體材料在高溫、高功率器件領(lǐng)域有著極大的潛在應(yīng)用前景。,人造金剛石薄膜及其微觀結(jié)構(gòu),2.2 信息處理材料,信息材料分類,信息收集材料 信息存儲(chǔ)材料 信息處理材料 信息傳遞材料 信息顯示材料,信息傳遞材料是用于各種通信器件的能夠用來(lái)傳遞信息的材料。 主要介紹光纖材料。,光纖材料,2.2 信息傳遞材

29、料,光導(dǎo)纖維,電纜通信是將聲音變成電傳號(hào)，通過(guò)銅導(dǎo)線把電信號(hào)傳到對(duì)方。 光纖通信則是將記錄聲音的電信號(hào)變成光信號(hào)，通過(guò)玻璃纖維把光信號(hào)傳輸?shù)綄?duì)方，最后又把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。 光纖通信具有通信容量大，節(jié)省銅資源等優(yōu)點(diǎn)，成為21世紀(jì)通信主流技術(shù)，光纖材料也成為重要的光傳輸材料。,南寧酷特公司光纖產(chǎn)品,2.2 信息傳遞材料,光導(dǎo)纖維接受與傳輸光線原理圖,光纖是由折射率高的纖芯和折射率低的包層組成的圓柱形光波導(dǎo)介質(zhì)。 纖芯是將入射光線傳輸?shù)浇邮芏耍竞桶鼘拥慕唤缑?折射率差)使光線無(wú)法透過(guò)，構(gòu)成光壁，保證芯的導(dǎo)光。 要使光線在芯部正常導(dǎo)光，須使入射光線在纖芯和光壁間產(chǎn)生全反射，如A所示。當(dāng)入射光線發(fā)

30、生光的折射，無(wú)法實(shí)現(xiàn)光導(dǎo)，如B所示。,光導(dǎo)纖維,2.2 信息傳遞材料,石英光纖具有資源豐富、化學(xué)性能穩(wěn)定、膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，是目前得到大規(guī)模應(yīng)用的光纖。 光纖的纖芯是純度達(dá)到99.9999%的SiO2，其余成分為改變材料折射率的極少量的摻雜，如GeO2、P2O5、B2O3、含氟化合物等。 外包層是由純石英和摻氟的低折射率材料組成。,石英光纖,光導(dǎo)纖維,2.2 信息傳遞材料,石英光纖的制備,石英光纖制法分兩步：首先制成石英玻璃預(yù)制棒，然后將預(yù)制棒拉制成纖維。 石英光纖預(yù)制棒的代表性制法有： 管內(nèi)淀積法(MVCD) 管外沉積法(OVPO) 軸向沉積法(VAD),石英光纖預(yù)制棒制備工藝圖,2.2 信

31、息傳遞材料,將玻璃預(yù)制棒放入2000的石墨拉絲爐中加溫軟化，拉成細(xì)如發(fā)絲的玻璃絲，拉出的光纖馬上涂覆，經(jīng)過(guò)一系列的工序加工成光纜，即可投入使用。,拉制的光纖絲,石英光纖的制備,2.2 信息傳遞材料,光纖的應(yīng)用,光纖透光性好，傳輸中損耗較低、容量大、抗干擾、保密性好、重量輕、抗潮濕及抗腐蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離通信，如海底光纜等。 光纖可用于顯示系統(tǒng)，美國(guó)杜邦公司等將光纖用于公司的廣告牌，可變化各種顏色，吸引人們注目。,光纖應(yīng)用于建筑物裝飾,光纜,光纖吊燈,2.2 信息傳遞材料,光纖在汽車工業(yè)中應(yīng)用占很大比重，如尾燈故障顯示系統(tǒng)、駕駛指示燈、油表和溫度計(jì)顯示等。 軍艦用光纖聯(lián)接數(shù)字解碼電話系統(tǒng)

32、，處理艦上各區(qū)域的信息，通訊效果不受干擾并免除竊聽(tīng)之慮； 機(jī)場(chǎng)滑行路標(biāo)使用光纖后，用燈數(shù)量減少，文字明確，可靠性高，減少故障，維修容易。,光纖通訊,汽車尾燈顯示,光纖的應(yīng)用,2.2 信息傳遞材料,光纖可制成光纖傳感器，對(duì)許多廢氣如CO、CO2、SO2及CH4等和有機(jī)液體在中紅外波段均有較強(qiáng)的吸收帶，用氟化物光纖制成的紅外光譜儀可對(duì)這些氣體和液體的濃度進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)； 用氮化物光纖制成的溫度傳感器已用于室溫至數(shù)百度的高精度測(cè)景。,光纖傳感器,光纖的應(yīng)用,2.2 信息傳遞材料,信息材料分類,信息收集材料 信息存儲(chǔ)材料 信息處理材料 信息傳遞材料 信息顯示材料,信息顯示材料主要是指用于陰極射線管和各

33、類平板顯示器件的一些發(fā)光顯示材料。 按照顯示原理分類、信息顯示材料主要可分為液晶顯示材料(LCD)、等離子體顯示材料(PDP)、陰極射線管顯示材料(CRT)、場(chǎng)發(fā)射顯示材料(FED)、真空熒光顯示材料、無(wú)機(jī)電致發(fā)光顯示材料和有機(jī)電致發(fā)光顯示材料等。 主要介紹液晶顯示材料。,2.2 信息顯示材料,液晶顯示材料(LCD),液晶具有晶體一樣的各向異性，也具有液體的流動(dòng)性。在分子序列中，液晶分子具有和一維和二維遠(yuǎn)程有序，介于理想的液體和晶體之間。 液晶的流動(dòng)性表明液晶分子間作用力微弱，改變液晶分子取向排列所需外力很小，幾伏電壓就可改變，因此液晶顯示具有低電壓、微功耗的特點(diǎn)； 液晶分子結(jié)構(gòu)決定液晶具有較

34、強(qiáng)的各向異性，稍微改變液晶分子取向就能明顯改變液晶的光學(xué)和電學(xué)性能。,容易改變的液晶分子結(jié)構(gòu),2.2 信息顯示材料,液晶分子呈棒狀，寬約零點(diǎn)幾個(gè)納米，長(zhǎng)約一個(gè)納米。 棒狀分子由中央基團(tuán)和末端基團(tuán)構(gòu)成，這些基團(tuán)決定了液晶的性能。 液晶分子是含有極性基團(tuán)的極性分子。,棒狀的液晶分子,液晶顯示材料(LCD),2.2 信息顯示材料,在電場(chǎng)作用下，液晶分子的偶極矩會(huì)按電場(chǎng)方向取向，使分子原有排列方式發(fā)生變化，引起液晶光學(xué)性質(zhì)變化。 這種因外加電場(chǎng)作用而引起液晶光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化稱為液晶的電光效應(yīng)。,液晶分子的電光效應(yīng),液晶顯示材料(LCD),2.2 信息顯示材料,液晶分子的排列方式也可以影響液晶的性能。

35、液晶分子按照排列方式的不同，可分成近晶相、向列相和膽甾相三大類，,液晶相和分子排列：(a)向列相，(b)膽甾相，(c)近晶相,液晶顯示材料(LCD),2.2 信息顯示材料,近晶相：棒狀分子分層排列，分子在層內(nèi)按分子長(zhǎng)軸方向互相平行，可垂直或傾斜于層平面。分子只能在層內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)，不能在層間移動(dòng)。這類液晶粘度很大，一般不用于液晶顯示。 向列相：棒狀分子不分層，分子可以轉(zhuǎn)動(dòng)，向各個(gè)方向滑動(dòng)，只在分子長(zhǎng)軸方向保持平行排列。這類液晶粘度較小，流動(dòng)性較好，是顯示用液晶的主要類型。 膽甾相：棒狀分子分層排列，層內(nèi)分子相互平行，相鄰兩層分子的長(zhǎng)軸方向略有變化，旋轉(zhuǎn)一定角度，分子沿層的法線方向排列成螺旋狀結(jié)構(gòu)

36、。,液晶顯示材料(LCD),2.2 信息顯示材料,液晶分子的電光效應(yīng)和光學(xué)特性可進(jìn)行液晶數(shù)碼顯示，早期用于筆記本式計(jì)算機(jī)、臺(tái)式監(jiān)視器和電器儀表顯示，目前應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展到臺(tái)式計(jì)算機(jī)、壁掛電視和廣告牌等。,液晶電視,液晶顯示器,液晶顯示材料(LCD),2.2 信息顯示材料,Sharp生產(chǎn)的全球最大108英寸液晶顯示器“LB-1085”正式上市，售價(jià)為1100萬(wàn)日元(約合人民幣70萬(wàn)元)，,液晶顯示材料(LCD),2.2 信息顯示材料,膽甾液晶的螺距隨溫度變化而交化，液晶顯示的顏色會(huì)隨之變化，可用于溫度的測(cè)量，薄膜體溫計(jì)就是利用這一原理制作的。 膽甾液晶的螺距會(huì)因?yàn)槟承┪⒘侩s質(zhì)的存在而受到強(qiáng)烈影響，

37、從而改變顏色，因而可用于某些化學(xué)藥品痕量蒸汽的指示。,液晶溫度計(jì),液晶顯示材料(LCD),2.2 信息顯示材料,液晶分子在光的照射下電導(dǎo)率會(huì)顯著改變，由此可將它們做成光導(dǎo)體，可用于空間光調(diào)制器等。 高分子和低分子液晶構(gòu)成的復(fù)合膜具有選擇性滲透，可用于離子交換膜、電荷分離膜、脫鹽膜和人工腎臟透析膜等。,液晶薄膜,液晶顯示材料(LCD),2.2 信息顯示材料,等離子體顯示材料(PDP),等離子體顯示板(PDP)是一種平板發(fā)光器件。它是利用惰性氣體在一定電壓的作用下產(chǎn)生氣體放電而形成等離子體，直接發(fā)射可見(jiàn)光，或發(fā)射真空紫外線以激發(fā)熒光粉發(fā)射可見(jiàn)光。 PDP按材料可分為單色PDP和彩色PDP材料兩種。

38、,等離子顯示,2.2 信息顯示材料,單色PDP材料是利用Ne/Ar混合氣體在一定電壓作用下產(chǎn)生氣體放電，直接發(fā)出582nm橙色光而制作的平板顯示器。單色Ac-PDP可制作大尺寸的平板顯示器件。,單色PDP材料,等離子體顯示材料(PDP),2.2 信息顯示材料,彩色PDP是用He-Xe混合氣體放電時(shí)產(chǎn)生的不可見(jiàn)147nm真空紫外線激發(fā)熒光粉使其發(fā)出可見(jiàn)光實(shí)現(xiàn)顯示。 彩色PDP以惰性氣體為工作媒質(zhì)，可在-55-+70的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，又由于體積小、便于攜帶，非常適合野戰(zhàn)需要，在武器裝備中獲得廣泛應(yīng)用。 彩色PDP主要用于多媒體終端顯示、工作站顯示和壁掛式大屏幕顯示。,彩色PDP材料,等離子體顯示材

39、料(PDP),2.2 信息顯示材料,陰極射線管材料(CRT),陰極射線管是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈱W(xué)圖像的一類電子束管，電視機(jī)顯像管就是這樣的一種電子束管，主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、管殼和熒光屏構(gòu)成、 CRT顯示材料是指能在電子束轟擊下發(fā)光的一類發(fā)光材料、即陰極射線熒光粉。 陰極射線熒光粉有上百種，目前用于彩色顯像管的典型發(fā)光粉是ZnS：Ag(藍(lán)色)、ZnS：Cu、A1(黃綠色)和Y2O3S：Eu2+(紅色)等。,2.2 信息顯示材料,傳統(tǒng)發(fā)光粉滿足不了大尺寸顯示屏和高清晰電視對(duì)分辨率和色彩的要求，高分辨率顯示要求發(fā)光粉顆粒尺寸小于5nm，顆粒表層不存在輻射中心。 納米技術(shù)已制備出顆粒尺寸為1-10nm

40、的發(fā)光粉，在尺寸上完全滿足高清晰電視的要求。 采用納米發(fā)光材料既可提高CRT發(fā)光材料的發(fā)光效率，又可提高CRT顯示屏的分辨率。 納米ZnS：Mn粉末是目前較好的一種發(fā)光材料，可用于高清晰度電視顯示。,陰極射線管材料(CRT),2.2 信息顯示材料,半導(dǎo)體技術(shù)及其發(fā)展,2.3 半導(dǎo)體器件歷史及類型,Moores Law In 1965, Gordon Moore predicted that the number of transistors that can be integrated on a die would double every 18 months (i.e., grow exponentially with time).,2.3 半導(dǎo)體器件歷史及類型,2.3 半導(dǎo)體器件歷史及類型,Intel 8080, 1975, 4,500 transistors Next .,2.3 半導(dǎo)體器件歷史及類型,Intel 8086, 1978, 29,000 transistors Next .,2.3 半導(dǎo)體器件歷史及類型,Intel Pentium Pro, 1995, 5.5 million transistors Next .,2.3 半導(dǎo)體器件歷史及類型,2.3 半導(dǎo)體器件歷史及類型,2.3 半導(dǎo)體器件歷史及類型,2