材料及社会发展-第十讲

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1、2019/11/9,1,材料与社会发展,第十讲 材料与信息技术 材料学院 王林军,信息时代 信息技术 信息材料,2019/11/9,2,2019/11/9,3,信息时代,人类社会时代变迁：,劳动，土地密集,机器、工厂为主,不再以体能和机械能为主， 而是以智能为主,2019/11/9,4,是人类的一切生存活动和自然存在所传达出来的信号和消息。它一般泛指我们所说的消息、情报、指令、数据及信号等周围环境的知识。,信息、物质（材料）和能源构成世界的三大要素,信息:,可传递性和共享性 信息必须依附于载体 信息的可处理性 信息的时效性,信息的主要特征,2019/11/9,5,信息时代的特征,信息量大爆炸

2、信息传递非常快捷 信息处理十分迅速,量化标志为3T 光通信速率： 1T bits/s 计算机速度： 1T bits/s 光盘存储密度：1T bits/in2,光电子学,光子学,2019/11/9,6,信息成为最为重要的战略资源,信息产业上升为最重要的产业,信息网络成为社会的基础设施,伊拉克战争 非对称性,微软 苹果,WTO 全球化 一体化 地球村,2019/11/9,7,1992年，前美国副总统阿尔戈尔提出美国信息高速公路法案。 1993年9月，美国政府宣布实施一项新的高科技计划“国家信息基础设施”（NII），旨在以因特网为雏形，兴建信息时代的高速公路“信息高速公路”，使所有的美国人方便地共享

3、海量的信息资源。,信息高速公路实质上是高速信息电子网络：能给用户随时提供大量信息，由通信网络、计算机、数据库以及日用电子产品组成的完备网络体系。开发和实施信息高速公路计划，不仅促进信息科学技术的发展，而且有助于改变人们的生活、工作和交往方式。,信息高速公路(Information Highway),2019/11/9,8,信息技术,是指信息的获取、处理、传输、存储和显示的技术，即人们对信息的获取、处理和应用的能力。,信息技术:,信息技术,信息获取技术,信息处理技术,信息传输技术,信息存储技术,信息显示技术,人类史上的五次信息技术革命,2019/11/9,9,语言的使用,造纸术和印刷术的应用,文

4、字的使用,电报、电话、广播、电视的发明与普及应用,计算机的普及应用和计算机与现代通信技术的结合,口耳相传 便于信息传输和收集,易于存储 克服时间局限,存储空间 传播范围,速度 容量 时空界限,信息技术的应用,2019/11/9,10,网上学校、现代远程教育,信息高速公路、 “地球村”,自动取款机、可视电话、远程诊疗,网上购物、信息检索、电子邮件,2019/11/9,11,20世纪以来，信息技术经历： 电子学和微电子学技术 信息的载体 电子 光电子学技术 信息的载体 电子和光子 光子学技术 信息的载体 光子,2019/11/9,12,信息材料,概述,能源、信息和材料是现代文明的三大支柱，而材料又

5、是一切技术发展的物质基础。,存储器材料的变迁大致可分为四个阶段：由1955年的存储器为水银延迟线1963年的存储器为具有方形磁滞特性的铁氧体磁心1970年涂敷的氧化铁粉（磁盘）近10年光存储技术（可擦写光盘的介质材料有磁光型和相变型两类） 光通信系统材料: 低损耗光纤（光导纤维：高纯石英掺杂P、Ge等元素氟化物玻璃光导纤维）、化合物半导体激光器、大屏幕显示等相关材料的研制是其发展的基础和核心。 电子工业数千亿的全球市场，90%的市场份额是硬件及其相关材料。,2019/11/9,13,新能源技术：如受控核聚变、太阳能利用、地热发电、磁流体发电、氢能贮存等方面的发展，很大程度上取决于新材料研制和开

6、发。 例：太阳能是目前人类受惠最大的自然资源。但太阳能是低值能源，只能达到1KW/m2,且转换率只10-20%。要提高发电效率,必须从集热体、半导体材料方向进行突破。（太阳能电池材料中目前最大量应用的是硅太阳能电池。单晶硅光电池光电转换效率高，但材料价格较贵。多晶硅光电池效率只达13，半导体GaAs的转换效率可达2028。采用多层复合结构，通过选择性吸收涂层和光谱转换涂层可进一步提高转换效率。IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换效率高达40）,2019/11/9,14,2019/11/9,15,人们早就知道了喷气航空发动机比螺旋桨航空发动机有很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃气的高温，

7、使这种理想只能是空中楼阁。直到1942年制成了镍基耐热合金这种新材料，才使喷气发动机的制造得以实现。 同样，如果没有1970年制成的使光强度衰减降低到可以实用的光导纤维，也不会有现代的光通信； 如果不能制成高纯度大直径的硅单晶，就不会有高度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和一切电子设备（如iphone手机）。,2019/11/9,16,生态环境不断恶化,资源加速枯竭,世界人口迅速增长,材料是现代文明的重要支柱,科学技术进一步发展,人类生活水平进一步提高,对材料科学领域提出了更高的要求,结构材料 功能材料,2019/11/9,17,利用其力学性质，要求在使用条件下能承受一定的载荷。,

8、通过光、电、磁、声、热、湿、气、生物等特性而完成特定功能的材料。,材料分类,材料的功能性,光学功能材料 电学功能材料 磁学功能材料 声学功能材料 热学功能材料 生物医学功能材料,2019/11/9,18,2019/11/9,19,信息材料,指用于信息的获取、存储、处理、传输和显示的微电子材料和光电子材料，是信息技术基础和先导。信息材料领域的每一次创新都会推动信息技术和产业向前发展。,信息材料,信息获取材料,信息处理材料,信息传输材料,信息存储材料,信息显示材料,2019/11/9,20,信息处理技术及材料,信息处理工具 古代：中国简单的计算工具：算筹算盘 西方：计算尺是主要的计算工具，机械式计

9、算机穿孔卡片计算机继电器计算机1946年电子计算机的诞生。,2019/11/9,21,信息处理材料主要指用于对电信号或光信号进行检波、倍频、混频、限幅、开关、放大等信号处理的器件的一类信息材料，包括微电子信息处理材料和光电子信息处理材料。 微电子信息处理即对电子电路中的信息电流、电压等信号进行接收、发射、转换、放大、调制、解调、运算、分析等处理，以获取有用的信息。 光电子信息处理包括光的发射、传输、调制、转换和探测等，而光电子信息处理材料则是基于光信号的发射、传输、调制、转换和探测的一类材料。,信息处理材料,2019/11/9,22,世界上第一台电子计算机 埃尼阿克（ENIAC）。 1946年

10、诞生于美国的宾夕法尼亚大学。,重达30吨，占地170多平方米，全机用了18000多个电子管，5000多个继电器，10000多只电容器，7000多个电阻，功率150千瓦，运算速度每秒钟5000次。它的耗电量超过174千瓦小时，据说在使用时全镇的电灯都会变暗；而且它的电子管平均每隔15分钟就要烧坏一只。,目前，以大规模集成电路（硅材料）为基础，以中央处理器（CPU）为核心的电子计算机技术是主要的信息处理技术。,2019/11/9,23,集成电路（integrated circuit，简称IC）是将电路中的有源元件（二极管、晶体管等）、无源元件（电阻、电容等）以及他们之间的互联引线等一起制作在半导体

11、衬底上，形成一块独立的不可分的整体电路，集成电路的各个引出端（又称管脚）就是该电路的输入、输出、电源和接地等的接线端。 1952年，英国皇家雷达研究所的G. W. Dummer首次提出集成电路的设想。他认为，随着晶体管和一般半导体工业的发展，电子设备可以在一个固体块上实现，而不需连接线。这种固体块由绝缘体、导体、整流、放大等材料层组成。1958年美国德克萨斯仪器公司J. S. Kilby和1959年仙童半导体公司的R. Noyce分别发明了世界上第一块锗集成电路和硅集成电路，开创了集成电路时代。,集成电路,2019/11/9,24,1958年第一块集成电路： TI公司的Kilby，12个器件，

12、Ge晶片,获得2000年Nobel物理奖,集成电路的发明,2019/11/9,25,2019/11/9,26,半导体动态随机存储器容量和硅单晶的发展,2019/11/9,27,摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（Gordon Moore）于1965年提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。,Gordon Moore,2019/11/9,28,信息传输技术及材料,移动电话 卫星通信 无线通信 光纤通信,低损耗的熔石英

13、光纤 长寿命的半导体激光器 掺铒光纤放大器,2019/11/9,29,光纤通信系统发展阶段及其主要进展,光波频率比微波（1010Hz）和毫米波（1011Hz）高几个数量级。激光的出现，相当于从毫米波向更高频率的发展，可以极大地增加通信容量，从而引起了通信研究工作者的极大兴趣，使激光很快在通信领域里得到了应用。,光电子学的发展与材料研究,1960年美国人梅曼发明红宝石激光器后不久，各种不同材料的激光器相继出现：He-Ne激光器、CO2激光器等。 紧接着，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器，模拟无线电通信进行了激光大气传输试验。,激光大气传输试验具有“靠天吃饭”的通信方式的致命弱点

14、 反复试验的结果表明：晴朗天气，通信稳定可靠，距离较长，但在不良天气，通信极不稳定甚至中断，不能做到“全天候”通信，这点是一个好的通信系统不能允许的。,大气光波通信不稳定的主要原因：光波在大气中传输受到大气层中变化无常的气候条件所影响，光波能量损失严重。 如：大气湍流、雨、雾、雪、大气灰尘和自然辐射对光波能量的吸收和散射，天空中的鸟类和各种飞行物，使光波在传输过程中能量迅速衰减，严重影响通信的稳定性和可靠性。,光波通信转人地下： 为了使光波不受大气层中各种因素的干扰，人们将光波的传输转入了地下，进行了光波地下传输的各种试验。开发了透镜波导和反射镜波导的光波传输系统。,光波大气通信： 不是人们为

15、了追求长距离大容量的一种理想的通信方式。然而，光波通信的许多优越性驱使人们去进一步探索新的传输介质。,透镜波导,透镜波导是在金属或水泥管道内，每隔一定距离安装一个玻璃透镜，通过透镜的作用将光波限制在管道内传输以达到光波通信的目的。,光波通信转人地下,反射镜波导,反射镜波导的原理与透镜波导相似，不同之处是一个用会聚透镜，一个用反射镜。,上述传输方式完全可以消除大气对光波传输的各种干扰。,理论上：两种波导都可行。 实际应用时：遇到许多不可克服的困难。,施工复杂：对透镜或反射镜进行严格校准和牢固安装； 将波导深埋，或选择人、车稀少的地区：防止地面对波导的影响； 转弯时，需增加透镜或反射镜：弯度越大，

16、增加越多，光能损耗也就越大。自然使系统造价昂贵，并且调整、测试、维修都很困难。,由此可见，这种地下的透镜波导和反射镜波导是无实用意义的。,光波通信转人地下,在“天空”和“地下”都不能理想地传输光波的情况下，有人对光波通信产生了悲观情绪，甚至有人主张放弃光波通信的研究。 1965年左右，光波通信的研究转入低潮。成了不为人们所重视的“冷门”。,1965年，光波通信的研究转入低潮,高锟（K. C. Kao）博士：英籍华人，1933年生，上海。 1966年，高锟首次利用无线电波导通信的原理，提出了低损耗的光导纤维（简称光纤）的概念。认为：电可以沿着导电的金属导线远距离传输，光也应能沿着可以导光的玻璃纤维传输。 在当时最好的玻璃，其损耗还处于每公里为1000dB左右的情况下，他预见到，只要设法消除玻璃中的各种杂质，可使光的吸收减到非常小，生产出一种有实用意义的低损耗光纤是完全可能的。,1966年，高锟首次提出低损耗的光导纤维（简称光纤）的概念