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1、,电子功能材料及元器件,电子科学与工程学院,2,目 录,第一章 电子功能材料概述（形状记忆合金，超导材料，半导体超晶格材料，电子功能陶瓷，有机电致发光材料和液晶材料）第二章 化合物晶体的缺陷化学基础第三章 热敏陶瓷及热（温）敏感元件第四章 半导体气体敏感元件第五章 湿度敏感器件第六章 光敏及光电器件第七章 光纤及光纤传感器第八章 压力传感器第九章 磁敏传感器件,5/28/2017,学习这门课的必要性,学习这门课的必要性,学习这门课的必要性,?,4,材料科学,能源科学,信息技术,科学发展的三大支柱,高科技的前导：信息技术，它以微电子技术为基础，包括通信技术、自动化技术、微电子技术、光电子技术、光
2、导技术、计算机技术和人工智能技术等,高技术的支柱：新能源技术，包括核能技术、太阳能技术、燃煤、磁流体发电技术、地热能技术、海洋能技术等,高科技的基础：新材料技术，包括对超导材料、高温材料、人工合成材料、陶瓷材料、非晶态材料、单晶材料、纤维材料、超微粒材料、高性能结构材料、特种功能材料等的开发利用,5,1.材料科学的重要性,6,能源指能够提供出能量的自然资源。能源是人类生存的物质基础，社会经济发展的原动力。,新能源,人类利用能源三个时期,材料科学是能源技术的基础,1.材料科学的重要性,7,2. 材料的分类,材料,8,3. 功能材料的概念,功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力
3、学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。,Diagram,功能材料,信息技术,海洋工程技术,空间技术,能源技术,环保技术,生物工程技术,计算机技术,纳米技术,9,4. 功能材料的分类,功能材料,热学功能材料（高温耐热材料、燃气轮机、飞机、汽车的高温绝缘材料等）,机械功能材料（质轻、高强度、高硬度材料。例如普通钢抗拉伸强度是 （20-40）kg/mm2 高强度钢为（40-100）kg/mm2，此外， 还有超塑性、抗震材料等),磁学功能材料（永磁铁、磁流体、即强磁性微粉分布于液相无磁滞现象、 不
4、凝聚、不沉淀的胶体，还有霍尔器件等）,电学功能材料（光电转换材料、半导体材料、超导材料、绝缘材料、 介电材料等）,光学功能材料（激光材料、光致变色材料，透光、导光玻璃、光声、 光磁材料等）,化学和生物功能材料（人造器官材料、气体、离子分离膜、抗血栓功能 材料等）,其他功能材料（混杂材料、合成碳纤维、氧化铅纤维等复合材料）,10,开发新材料的必要性和可能性,1. 人类的需求增加,2. 现有资源的枯竭,3. 科学技术的发展,4. 功能材料的分类,11,5.高新技术及其应用材料的典型例子,A：宇航材料,1头锥和机翼 （1260-1500 ）热分解的碳纤维和石墨化树脂 2机身和机翼下表面 （ 650-
5、1260 ）高温陶瓷瓦（SiO2纤维+硼化硅）3机身侧面和机翼上表面（370-650 ）低温陶瓷瓦（SiO2纤维+胶状SiO2）4货舱门、尾端机身等 （398）粘瓦（聚芳纤胺纤维）,航天飞机 长：37.2M ， 宽：23.8M，重：68.8吨火箭 长：56M 重：2020吨,12,“哥伦比亚”号航天飞机在起飞大约33秒后的照片,5.高新技术及其应用材料的典型例子,飞机减重： 一架波音767飞机由于使用复合材料可减重450公斤，采用高强度钢代替原先的合金钢减重900公斤，采用改进的铝合金又可减重363公斤，三项总计减重约为1.7吨。,13,B：新能源材料（核能）,原子能的理论基础：爱因斯坦的质能
6、方程（1905年）Emc2表示的质量(m)和能量(E)之间的关系。式中c为光速,1932：（质子轰击Li）,1 初期人工核反应（1919年卢瑟福： 粒子轰击N）,5.高新技术及其应用材料的典型例子,核能开发阶段：1.实现人工核反应2.发现中子及轻原素裂变3.重元素裂变及链式反应,30万eV,860万eV,发出1690万eV,14,1932年，英国的查德威尔：粒子轰击Be，发现了中子,获得1935年诺贝尔奖。,3 重核裂变及链式反应,2 中子的发现轻元素的裂变,1934年，居里夫妇：粒子轰击Al,费米,哈恩,5.高新技术及其应用材料的典型例子,5/28/2017,重元素裂变及链式反应示意,16,
7、5.高新技术及其应用材料的典型例子,我国进行的原子弹实验,5.高新技术及其应用材料的典型例子,18,秦山核电站,5.高新技术及其应用材料的典型例子,19,反应堆,5.高新技术及其应用材料的典型例子,20,5.高新技术及其应用材料的典型例子,C：重要的信息材料（Si）,Si是IC和先进科学仪器的基础，是制作高性能IC的最重要材料！,单晶硅,集成电路,21,5.高新技术及其应用材料的典型例子,18000个电子管 1500个继电器 消耗功率为50 占地300平方米 重30吨 价值48万美元。,1946年美国宾夕法尼亚大学为了弹道设计的需要设计了世界上第一台数字电子计算机。 它的运算速度不高，却是一个
8、庞然大物。,计算机的发展史第一代 （电子管）（1946-1957 ）,22,5.高新技术及其应用材料的典型例子,第二代晶体管 (1957-1964),第二代晶体管计算机,1947年，肖克利、巴丁、布拉顿三人发明第一个Ge晶体管。1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机TRADIC，使计算机体积大大缩小，用了800只晶体管。1957年，美国研制成功了全部使用晶体管的计算机，第二代计算机诞生了。,23,5.高新技术及其应用材料的典型例子,第三代 （IC机） 小规模 SSIC (105元件/片) 1975-1978年,MSIC,VLSIC,24,第四代计算机是什么？光计算机？ 光计算机是由光代
9、替电子或电流，实现高速处理大容量信息的计算机。运算速度极高、耗电极低。超导计算机？ 利用高温超导材料作为材料制作计算机，计算机运算速度比现在的电子计算机快100倍，超导而电能消耗仅是电子计算机的千分之一。分子计算机？ 分子计算计划就是尝试利用分子计算的能力进行信息的处理。分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。可能在一粒砂子大小的芯片上获得相当于100台工作站的计算能力量子计算机？ 利用电子的两个自旋方向，用几个原子做出量子计算机的基本电路。,5.高新技术及其应用材料的典型例子,光子计算机发展过程：1969年：美国麻省理工学院提出光计算机的概念1982年，英国赫罗特一瓦特大学研制出第一支光晶体管1986年，贝尔实验室用半导体做成光晶体管1990年，贝尔实验室制造出光计算机的雏形随后，英、法、比、德、意等国70名科学家研制成功了一台光计算机,25,5.高新技术及其应用材料的典型例子,视觉 光敏器件听觉 声敏、压敏器件嗅觉 气敏器件味觉 气敏器件（电子鼻）触觉 压敏 热敏 湿敏 磁敏器件,机器人的五官,D.智能机器人（传感技术）,机器人的大脑中央处理器是计算机其五官就是各种传感器,
