新材料的研究与开发.

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1、第二节第二节 新材料的研究与开发新材料的研究与开发 1. 1. 信息功能材料信息功能材料 半导体材料半导体材料 光电子材料光电子材料 2. 2. 能源功能材料能源功能材料 超导材料超导材料 磁性材料磁性材料 贮能材料贮能材料 燃料电池燃料电池 3. 3. 纳米材料科学技纳米材料科学技 术术 本节教学目的和要求本节教学目的和要求 1. 1. 了解信息材料、能源功能材料和了解信息材料、能源功能材料和 纳米材料技术的开发过程。纳米材料技术的开发过程。 2. 2. 重点把握超导材料和纳米材料的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产生及其在人类技术史上的重大 意义。意义。 一、信息

2、时代的信息功能材料仍一、信息时代的信息功能材料仍 是最活跃的领域是最活跃的领域 信息功能材料信息功能材料 是指信息获取、传输、转换、是指信息获取、传输、转换、 存储、存储、 显示或控制所需材料。显示或控制所需材料。 半导体材料 (1) (1) 以硅为基础的微电子技术仍将占十分重要位置以硅为基础的微电子技术仍将占十分重要位置 。芯片特征尺寸以每三年缩小。芯片特征尺寸以每三年缩小 计计, , 到到20102010年可能到年可能到 极限极限(0.07m)(0.07m)（量子效应、磁场及热效应、制作困量子效应、磁场及热效应、制作困 难、投资大）。难、投资大）。 但不同档次的硅芯片在但不同档次的硅芯片在

3、2121世纪仍大量存在，并将世纪仍大量存在，并将 有所发展。有所发展。 * * 在绝缘衬底上的硅（在绝缘衬底上的硅（SOISOI，SiOnSiOn Insulator) : Insulator) : 功能低、低漏电、集成度高、高速度、工艺简功能低、低漏电、集成度高、高速度、工艺简 单等。单等。SOISOI器件用于便携式通信系统，既耐高温器件用于便携式通信系统，既耐高温 又抗辐照。又抗辐照。 * * 集成系统（集成系统（ISIS，Integrated System)Integrated System)：在单个芯在单个芯 片上完成整系统的功能，集处理器、存储器直片上完成整系统的功能，集处理器、存储

4、器直 到器件设计于一个芯片到器件设计于一个芯片 (System on a Chip)(System on a Chip)。 * * 集成电路的总发展趋势：高集成度、微型化、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、长寿命、多功能。为了达到上述目标，有赖 于外延技术（于外延技术（VPEVPE，LPELPE，MOCVD MOCVD 及及 MBEMBE） 的发展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。表的发展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。表1 1 为集成电路的发展对材料质量的要求。为

5、集成电路的发展对材料质量的要求。 表表1 1 集成电路发展对材料质量的要求集成电路发展对材料质量的要求 首批首批产产产产品出品出现现现现年代年代19991999200220022005200520082008 工工艺艺艺艺水平（水平（ m)m)0.180.180.130.130.100.100.070.07 DRAM DRAM256 M256 M1 G1 G4 G4 G16 G16 G 硅片直径硅片直径 (mm)(mm)200200300300300300450450 表面关表面关键杂质键杂质键杂质键杂质 (At / cm 2) (10 9)(At / cm 2) (10 9) 1313 7.

6、57.5 5 5 2.52.5 局部平坦度（局部平坦度（nm)nm) 180180 130130 100100 100100 光散射缺陷光散射缺陷( (个个/ / cm2)cm2) 0.290.29 0.140.14 0.060.06 0.030.03 (2)(2)第二代半导体材料是第二代半导体材料是- -族化合物族化合物 GaAsGaAs 电子迁移率是电子迁移率是SiSi的的6 6倍（高速）倍（高速） ，禁带宽（高温）广泛用于高速、高频，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、大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器 件。件。 GaAsGaAs用于集成电路其处理容量大用

7、于集成电路其处理容量大100100倍倍 ，能力强，能力强1010倍，抗辐射能力强倍，抗辐射能力强2 2个量级个量级 ，是携带电话的主要材料。，是携带电话的主要材料。InPInP 的性能的性能 比比 GaAsGaAs 性能更优越，用于光纤通讯、性能更优越，用于光纤通讯、 微波、毫米波器件。微波、毫米波器件。 （3 3）第三代半导体材料是禁带更宽的）第三代半导体材料是禁带更宽的 SiCSiC、GaNGaN及金刚石。及金刚石。 （4 4）下一代集成电路的探索）下一代集成电路的探索 光集成光集成 原子操纵原子操纵 光电子材料 2121世纪光电子材料将得到更大发展世纪光电子材料将得到更大发展 电子质量：

8、电子质量：10-31 Kg / 10-31 Kg / 电子电子 电子运动：磁场、电阻热、电磁干扰、光高电子运动：磁场、电阻热、电磁干扰、光高 速传输（容量大、损耗低、高速、不受电磁速传输（容量大、损耗低、高速、不受电磁 干扰、省材料）干扰、省材料） 光电子材料包括： （1 1） 激光材料（激光材料（2020世纪世纪6060年代初）年代初） 激光：高亮度、单色、高方向性激光：高亮度、单色、高方向性 红宝石（红宝石（Cr+:Al2O3 Cr+:Al2O3 （2 2） 非线性光学晶体（变频晶体）非线性光学晶体（变频晶体） KDPKDP（磷酸二氢钾）、磷酸二氢钾）、KTPKTP（磷酸钛磷酸钛 氢钾）氢

9、钾） LBOLBO（三硼酸锂）三硼酸锂） （3 3）红外探测材料（军用为主）红外探测材料（军用为主） HgCdTeHgCdTe、 InSbInSb、 CdZnTeCdZnTe、 CdTeCdTe （4 4）半导体光电子材料，见表半导体光电子材料，见表2 2 表表2 2 主要化合物半导体及其用途主要化合物半导体及其用途 领领域材 料器 件用 途 微电电子GaAs、InP 超高速 IC电脑电脑 GaAs FET携带电话带电话 光电电子GaAs InP Sb InAs LD光通讯讯 GaAs 红外 LED遥控耦合器 GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、 InGaAlP LEP出外显显示器 C

10、dTe、CdZnTe、HgCdTe热热成像仪仪 InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、 PbZnTe 红红外探测测器 GaAs、InP、GaSb太阳能电电池 （5）显示材料 发光二级管（LED）如表 3 发发 光 尺衬衬 底发发光颜颜色波长长（nm) Ga0.65Al0.35As GaAs红红 660 GaAs0.35P0.65(N) GaP红红 650 GaAs0.1P0.9(N) GaP橙 610 GaAs0.1P0.9(N) GaP黄 583 GaP Gap绿绿 555 GaN-Al2O3蓝蓝 490 SiC SiC蓝蓝480(全包显示屏 ) 液晶显示(LCD)材料(1968年发明)

11、为21世纪上半叶主要显示材料 表3 LED 发光材料及可见光区 表4 光纤发展阶段及所需材料 发发展阶阶段波长长 (m) 模 数 衰 耗 (dB/km) 中继继距离 (Km) 第一阶阶段 0.85 多 模 1.5 10 第二阶阶段 1.30 单单 模 0.8 60 第三阶阶段 1.55 单单 模 0.16 500 第四阶阶段 2 - 5 310-4 2500 (6)光纤与光缆材料(网络)(表4) 一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线 电带宽的1000倍. (25 T bps vs 25 G bps ) 光纤材料: 石英玻璃：石英玻璃： SiO2SiO2、SiO2-GeO2SiO2-GeO2

12、、 SiO2-B2O3-SiO2-B2O3- F F 多组分玻璃：多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2OSiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3SiO2-B2O3 Na2ONa2O 红外玻璃：红外玻璃： 重金属氧化物、卤化物重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃：掺稀土元素玻璃： ErEr、NdNd、 多模只适于小容量近距离（多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps)40Km,100M bps) 单模可传输调制后的信号单模可传输调制后的信号 40Gbps 40Gbps 到到200Km200Km， 而不需放大。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

13、，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（-Fe2O3及加 Co - -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 1. 计算机的

14、控制灵敏度与精确度有赖于敏 感 材料的灵敏度与稳定性。 2. 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、能源功能材料二、能源功能材料 超导材料 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，Je10 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 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） 作为结构材料：耐磨（作磁头），耐蚀（代不锈钢） 这些都属软磁材料，用于变压器，电动机在仪表工业中 用量更大的是软磁铁氧体，虽然已很成熟但