材料与社会发展-第十讲.

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1、*1 材料与社会发展 第十讲 材料与信息技术 材料学院材料学院 王林军王林军 信息时代 信息技术 信息材料 *2 *3 信息时代 农业时代 工业时代 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 *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 : l 可传递性和共享性 l 信息必须依附于载体 l 信息的可处理性 l 信息的时效性 信息的主要特征 *5 信息时代的特征 l 信息量大爆炸 l 信息传递非常快

2、捷 l 信息处理十分迅速 量化标志为3T l 光通信速率： 1T bits/s l 计算机速度： 1T bits/s l 光盘存储密度：1T bits/in2 光电子学 光子学 *6 n 信息成为最为重要的战略资源 n 信息产业上升为最重要的产业 n 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 *7 n 1992年，前美国副总统阿尔戈尔提出美国信息高速公路法案。 n 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海量的信息

3、资 源。 n 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) * 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 *9 语言的使用 造纸术和印刷术的应用 文字的使用 电报、电话、广播、

4、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 *10 n 网上学校、现代远程教育 n 信息高速公路、 “地球村” n 自动取款机、可视电话、远程诊疗 n 网上购物、信息检索、电子邮件 *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 *12 信息材料 概述 能源、信息和材料是现代文明的三大支柱， 而材料又是一切技术发展的物质基础。 n 存储器材料的变迁大致可分为四个阶

5、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） n 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。 n 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。 *13 n 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 于新材料研制和开发。 n 例：太阳能是目前人类受惠最大的自然资

6、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） *14 *15 n 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， 使这种理想只能是空中楼阁。直到1942年制成了镍基耐

7、热合金这种新材料，才使喷气发动机的制造得以实现。 n 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； n 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）。 *16 v生态环境不断恶化 v资源加速枯竭 v世界人口迅速增长 材料是 现代文 明的重 要支柱 v科学技术进一步发展 v人类生活水平进一步提高 结构材料 功能材料 *17 利用其力学性质，要求在使用 条件下能承受一定的载荷。 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

8、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 *18 *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 *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。 *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

9、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 *22 世界上第一台电子计算机 埃尼阿克（ENIAC）。 1946年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

10、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。 *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

11、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 *24 1958年第一块集成电路： TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片 获得获得20002000年年NobelNobel物理奖物理奖 集成电路的发明集成电路的发明 年份事件 1947点接触型晶体管诞生，微电子技术发展的第

12、一个里程碑 1950结型晶体管诞生 1951场效应晶体管发明 1958集成电路发明，开创了微电子学的历史 1960光刻技术发明 1962MOS场效应晶体管诞生 1964摩尔定律提出，预测晶体管集成度每十八个月增加一番 1971Intel推出1kB动态随机存储器（DRAM），标志大规模集成电路（LSI）出现 197816kB的DRAM诞生，标志进入超大规模集成电路（VLSD）阶段 1979Intel推出5MHz的8088微处理器，之后推出全球第一台个人电脑 198520MHz的80386微处理器诞生 198816M的DRAM诞生，标志进入甚大规模集成电路（ULSI）阶段 198925MHz483

13、微处理器诞生，采用1m工艺艺，后来采用0.8 m工艺艺 199366MHz的Pentium处理器推出，采用0.6 m工艺艺 1997300MHz的Pentium 处理器推出，采用0.25 m工艺艺 1999450MHz的Pentium 处理器推出，采用0.25 m工艺艺，后采用0.18 m工艺艺 20001.5GHz的Pentium 处理器推出，采用0.18 m工艺艺 2001Intel宣布采用0.13 m工艺艺 *25 *26 半导体动态随机存储器容量和硅单晶的发展 *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

14、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 *28 信息传输技术及材料 u 移动电话 u 卫星通信 u 无线通信 u 光纤通信 低损耗的熔石英光纤 长寿命的半导体激光器 掺铒光纤放大器 纤芯包层保护套 *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

15、快在通信领域里得 到了应用。 光电子学的发展与材料研究 p 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。 p 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 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

16、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