《上海版生物七下13.4《材料开发》ppt课件1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《上海版生物七下13.4《材料开发》ppt课件1（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二节新材料的研究与开发 1 信息功能材料半导体材料光电子材料2 能源功能材料超导材料磁性材料贮能材料燃料电池3 纳米材料科学技术 本节教学目的和要求 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 一 信息时代的信息功能材料仍是最活跃的领域 信息功能材料是指信息获取 传输 转换 存储 显示或控制所需材料 半导体材料 1 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计 到2010年可能到极限 0 07 m 量子效应 磁场及热效应 制作困难 投资大 但不同档次的硅芯片在21世纪仍大量存在 并将有所发展
2、 在绝缘衬底上的硅 SOI SiOnInsulator 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 IntegratedSystem 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 SystemonaChip 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
3、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 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 31Kg 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
4、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 3 红外探测材料 军用为主 HgCdTe InSb CdZnTe CdTe 4 半导体光电子材料 见表2 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 液晶显示 LCD 材料 1968年发明 为21世纪上半叶主要显示材料 表3LED发光材料及可见光区 表4光纤发展阶段及所需材料 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 25Tbpsvs25Gbps 光纤材料 石英玻璃 SiO2 SiO2
5、 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 100Mbps 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 Fe2O3及加Co F
6、e2O3 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 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 Je 105A cm2 薄膜
7、块体 4 Bi Pb SrCaCuO B12223 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 虽然已很成熟但向高磁感强 Bs 高磁导率 低损耗方向发展 仍有广阔发展前景 硬磁材料发展很快 20世纪40年代AlNiCo 50年代铁氧体 65年ReCO5
8、72年R2CO17 83年NdFeB 磁能积提高了几十倍 从性能价格比来看 表6 铁氧体永磁远比其它磁性材料更具有竞争能力 NdFeB则单位体积的性能比铁氧体高出10倍而得到更快的发展 目前世界产量近万吨 中国占了一半左右 但性能有待进一步提高 下一代永磁发展目标是纳米技术的应用与新材料的探索 如 SmFeN等 过去每10年提高40kJ m3 2010年达可到600 800kJ m3 表6 永磁体价格 性能比 1995 NdFeB最大磁能积512KJ m3 理论值 贮能材料 贮氢与高能电池 电网调峰与环保的需要 信息电子工业所必须 与太阳能配套 太阳能发电电解水 氢 贮氢电 蓄电池也是机械能动
9、力源 贮氢材料 金属间化物贮氢基本成熟 表7 但用于汽车燃料存在比重大 易中毒和价格问题 表7 几种金属间化物贮氢材料 纳米碳管是最近发现的贮氢材料 正在研究开发中 表8为几种典型电池反应机理与特性 当前最有发展前景的是Ni MH电池 但从比能量密度 锂电池最好 而价格是前者3 5倍 其中塑料锂电池具有重量轻 形状可任意改变 安全性更好的特点 可能是21世纪开发的重点 Ni MH电池 汽油混合汽车已实用化 低速与起动用电池 而高速时自动跳到汽油并充电 如比可节油 1 2 排放减至1 10 CO2 1 2 表8 几种典型电池反应机理和特性 燃料电池是将化学能转变为电能的一种装置 效率高 污染小
10、是21世纪重点发展的一种技术 目前正在开发的燃料电池 如表9 表9 正在开发的燃料电池类型 燃料电池 以氢氧燃料电池为例其理论比容量为2975A h kg 比能量为3660w h kg 远高于蓄电池 燃料电池的发展 有电极材料问题 据报导 Benz厂用甲醇作燃料电池的燃料已用于汽车 最近美国NASA正在开展一种试验 即太阳能电池与氢氧燃料电池联合开动的小飞机 白天太阳能电池工作 用剩余电来电解水 晚上H2O燃料电池工作 目前载人还不现实 计划在2003年实现用于通信 三 纳米材料科学技术将成为21世纪最活跃领域 关于纳米的基本概念 纳米是英文nanometre的音译 纳米源自拉丁语 NANO
11、意为 矮小 纳米是一种物理度量定位 是一长度单位 1纳米 1nm 10 9m 纳米科技的提出 宏观领域 以人的肉眼可见的物体为最小物体为下限 上至无限大的宇宙天体 人类能够研究的物质世界的最大尺度为 1025m 1010LY 微观领域 以分子 原子 约0 1nm 为最大起点 下至无限小的领域 如电子 原子核 的运动 人类所研究的最小尺度为 10 19m 人类对客观世界的认识己经发展了两个领域 即宏观和微观领域 3 在宏观领域和微观领域的研究中出现的三次工业革命 1 在宏观领域中 人类研究了天体宇宙的运动规律 建立了伽利略 牛顿的经典物理学理论体系 奠定了机械学基本原理 蒸汽机的出现 1769
12、以蒸汽动力代替人力 宣告了第一次工业革命 随着蒸汽机的发明和不断完善 蒸汽机作为一种动力机不但在纺织 采矿业中得到广泛的应用 而且还被推广应用到交通运输 冶金 机械 化工等一系列工业部门 使社会生产力以前所未有的高速度发展 2 世纪 0年代 1831 法拉弟总结出电磁感应定律 随后建立了电力工业系统 带来了工业电气化 出现了电报 电话 电视和无线电通讯技术 导致了第二次工业革命 3 继蒸汽机时代和电力时代之后 20世纪中叶 随着半导体 晶体管和集成电路的发明 人类迈向了微电子信息时代 出现了第一台电子计算机 1945年 底花费了48万美元 使用了1 8万个电子管 引发了第三次工业革命 4 介观
13、领域的重视然而 在宏观领域和微观领域之间存在着近年来才引起重视的介观领域 在这个不同于宏观和微观的领域 由于三维尺寸很细小 出现了许多奇异的性能 不能用我们现有的常识来描述这个领域的规律 摩尔定律 1965年 美国年轻科学家GordonMoore预言 工程师们将以极快的增长速度把大量的电子元件塞进小小的芯片之中 新技术新工艺将不断提高芯片的集成度和运行速度 大约每隔18个月 芯片的集成度将翻一番 微处理器的速度将提高一倍 美国半导体协会予计 到2010年 半导体器件的尺寸将达到0 1 m 100nm 极限 由于量子效应 小于这一尺寸的所有芯片就不再保持原有的性能 需要按新的原理来设计 要突破这
14、一极限 我们就得研究纳米尺度中的理论问题和技术问题 生命科技和生物技术也面临纳米科技影响下的变革 可制造分子机器人在人体血液中循环 对身体各部位检测 诊断 并实施特殊治疗 纳米科技不仅对信息和生物技术产生革命性的影响 而且也促使传统产业技术的升级和旧貌换新颜 例如在化纤和纺织品中加入纳米TiO2 SiO2 Al2O3颗粒 可以起到除味 杀菌 防静电和保暖作用 三 纳米科技的研究内容 纳米科技研究由尺寸在1 100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术 纳米材料 指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料 纳米科技的重要意
15、义 1 纳米科技将促使人类认知的革命首先 纳米科技的科学意义体现在 纳术尺度下的物质世界及其持性 是人类较为陌生的领域 它正好处于以人类活动空间为代表的宏观和以原子及其以下尺度为代表的微观世界的中间地带 也是勿理学 化学 材料科学 信息相 学以及生命科学发展的新疆土 在己经建立了宏观及微观的理论之后 在纳术尺度上有许多新现象 新规律有待发现 2 其次 由于纳米科技是对人类认知领域新疆域的开拓 人类将面临对新理论和新发现重新学习和理解的任务 对这以领域探索过程中形成的理论和概念在我们的生产生活个得以广泛的应用 那么 人类守建立起迥异于我们内眼所能观察到的物质世界的新观念 它将极大地丰富我们的认知
16、世界并给人类社会带来观念上的变革 3 第三 从人类未来发展的角度看 可持续发展将是人类社会进步的惟一选择 纳米科技一旦成熟 将从根在上改变现有的生产方式 可能取代许多现存的大规模工业 模式 纳米水平上的直接生产 推动产品的微型化 高性能化和与环境友好化 这将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证 纳米科技大事记 1 1959年 著名理论物理学家 Nobelprize获得者RichardP Feynman在题为 ThereIsplentyofroomatbottom 的演讲中 提出 毫无疑问 当我们对细微尺度的事物加以操纵的话 将大大扩充我们可以获得物性的空间 就会看到材料的性能产生丰富的变化 这是纳米科技的最早梦想 2 1962年 久保 Kubo 等人提出了超微粒子的量子限制理论 推动了向纳米尺度的微粒进行研究 3 70年代后期 美国麻省理工学院德雷克斯勒提倡开展纳米科技研究 4 1981年 美国IBM公司苏黎世实验室Bining和Rohrer教授发明了扫描遂道显微镜 ScanningTunnellingMicroscope STM 用于观察和操纵原子 是目前为止进行
