科技史：第二十六讲 新材料的研究与开发课件.ppt

一. 信息功能材料 1.半导体材料 2.光电子材料 二. 能源功能材料 1.超导材料 2.磁性材料 3.贮能材料 4.燃料电池 三. 纳米材料科学技术 内容简介 1.了解信息材料、能源功能材料和纳米材料技术的开发过程。 2.重点把握超导材料和纳米材料的产生及其在人类技术史上的重大意义。 但不同档次的硅芯片在21世纪仍大量存在，并将有所发展。 * 在绝缘衬底上的硅（SOI，SiOn Insulator) :功能低、低漏电、集成度高、高速度、工艺简单等。SOI器件用于便携式通信系统，既耐高温又抗辐照。 * 集成系统（IS，Integrated System)：在单个芯片上完成整系统的功能，集处理器、存储器直到器件设计于一个芯片 (System on a Chip)。 * 集成电路的总发展趋势：高集成度、微型化、高速度、低功耗、高灵敏度、低噪声、高可靠、长寿命、多功能。为了达到上述目标，有赖于外延技术（VPE，LPE，MOCVD 及 MBE）的发展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。表1为集成电路的发展对材料质量的要求。 表1 集成电路发展对材料质量的要求 (2)第二代半导体材料是Ⅲ-Ⅴ族化合物 GaAs 电子迁移率是Si的6倍（高速），禁带宽（高温）广泛用于高速、高频、大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器件。 GaAs用于集成电路其处理容量大100倍，能力强10倍，抗辐射能力强2个量级，是携带电话的主要材料。InP 的性能比 GaAs 性能更优越，用于光纤通讯、微波、毫米波器件。 （3）第三代半导体材料是禁带更宽的SiC、GaN及金刚石。 （4）下一代集成电路的探索 光集成 原子操纵 2.光电子材料 21世纪光电子材料将得到更大发展 电子质量：10-31 Kg / 电子 电子运动：磁场、电阻热、电磁干扰、光高速传输（容量大、损耗低、高速、不受电磁 干扰、省材料） 光电子材料包括： （1） 激光材料（20世纪60年代初） 激光：高亮度、单色、高方向性 红宝石（Cr+++:Al2O3 （2） 非线性光学晶体（变频晶体） KDP（磷酸二氢钾）、KTP（磷酸钛氢钾） LBO（三硼酸锂）… 表2 主要化合物半导体及其用途 （5）显示材料 发光二级管（LED）如表 3 表4 光纤发展阶段及所需材料 光纤材料: ? 石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-F ? 多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3–Na2O ? 红外玻璃： 重金属氧化物、卤化物 ? 掺稀土元素玻璃： Er、Nd、… 多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps) 单模可传输调制后的信号≥40Gbps 到200Km， 而不需放大。 （7）记录材料 21世纪将是以信息存储为核心的计算机时代，在军事方面，如何快速准确地获取记录、存储、交换与发送信息是制胜的关键。 磁记录在21世纪初仍有很强的生命力，通过垂直磁记录技术和纳米单磁畴技术，再加先进磁头（如巨磁电阻）（GMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度达100GB，所用介质为氧化物磁粉（γ-Fe2O3及加 Co - γ -Fe2O3、CrO2)，金属磁粉或钡铁氧体粉。 磁光记录：与磁记录不同之处在于记录传感元件是光头而不是磁头。磁光盘的介质主要是稀土-过渡族金属，如TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo，最新的是Pb/Co多层调制膜或Bi石榴石薄膜。磁光盘的特点在于可重写，可交换介质。 （8）敏感材料 A.计算机的控制灵敏度与精确度有赖于敏感材料的灵敏度与稳定性。 B.敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（DNA）等。限于篇幅不一一列举。 二、能源功能材料 （1）低温（液氦温度）超导已产业化，价格问题 （2）高温（液氮温度）超导已发现30多种 （3） YBaCuO，Je≥10 5 A/cm2 （薄膜,块体） （4）(Bi,Pb) Sr Ca Cu O (B1 2223/ Ag) 带丝线材生产稳定， （5）质量均一性未能解决， （6） 2010年可望产业化 （7）探索高温超导，及高温超导机理问题 （8）趋导失超后的安全问题 2.磁 性 材 料 （1）硅钢片是最重量要的软磁材料（全世界650万吨） （2）铁基非晶态合金有明显优越性（表5） 特别用于：电焊机，节能，体积小（1/10）