《材料科学与人类文明-第6章 信息材料课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学与人类文明-第6章 信息材料课件（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章信息材料,Wu Jin-Ming ,本章主要内容,信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料,Wu Jin-Ming ,信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料,Wu Jin-Ming ,信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet,信息既非物质也非能量，却是构成世界的要素 信息的作用？极大提高劳动生产率 当前的信息发展以多媒体化（数据、文字、声音、图像）和数字化为主要特征,21世纪进入3T时代 太位信息量(1Tb=1012b) 每秒太位信息流(Tb/s) 太赫兹(THz
2、)高频响应,Wu Jin-Ming ,信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet,信息的含义 在自然界，宇宙中的射电源不停地向宇宙空间发射电波。这种电波是射电源存在的信息 花卉的应季荣衰是寒暑交替的信息 人们通过电视、电话、报刊等各种媒体，每时都在获取、加工、传递、利用大量的信息 通过天气预报获取气象信息，可以合理地安排生产、生活 在行政工作中，看材料、学文件是获取信息；作决策、批文件是处理信息；作指示是传递信息 可见，信息来源于客观世界，范围广大，具有一定的利用价值，可通过载体为人们所获知，用来指导人类认识世界、改造世界,Wu Jin-Ming ,信 息 烽火、信件
3、、电话、电报、翻译、e-mail、internet,信息的含义 人类认知世界、改造世界，就是获取信息、加工信息、发送信息的过程 牛津辞典：信息就是谈论的事情、新闻和知识” 韦氏字典：“信息，就是在观察或研究过程中获得的数据、新闻和知识” 广 辞 苑：“信息是所观察事物的知识” 辞海1989：“信息是通信系统传输和处理的对象，泛指消息和信号的具体内容和意义，通常需通过处理和分析来提取” 广义上，信息是可通过文字、图像、声音、符号、数据等为人类获知的知识 本质上，信息是反映现实世界的运动、发展和变化状态及规律的信号与消息,Wu Jin-Ming ,信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail
4、、internet,（1）普遍性和无限性 （2）可传递性和共享性 （3）必须依附于某种物体之上 （4）是可以加工处理的 信息与数据不是同一个概念 信息与信号不同,“信息”的主要特征,Wu Jin-Ming ,信息技术,获取处理 存储 显示传输,信息技术很大程度上依赖材料和元器件的发展 信息材料是信息技术发展的基础和先导,Wu Jin-Ming ,信息技术, 信息技术是收集、处理、存储和传递信息的技术， 是扩展人类信息器官功能的一类技术 信息器官 人体信息器官的功能 拓展信息器官功能的信息技术 感觉器官 获取信息 感测技术 神经系统 传递信息 通信技术 思维器官 加工/再生信息 信息处理技术 效
5、应器官 施用信息 控制技术,Wu Jin-Ming ,信息技术,每一项信息技术自问世起就一直在推动人类的发展 语言的产生 文字的创造 印刷术的发明 微电子技术、现代通信技术和计算机技术 -进入新的信息技术革命的高潮 多媒体信息和网络化信息 在当今以数字化、网络化为主要特征的信息化社会中，信息有时比材料、能源更为重要 从属地位 -主导地位,Wu Jin-Ming ,信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料,Wu Jin-Ming ,微电子芯片技术与材料,未掺杂GaAs,半绝缘衬底,掺杂GaAs,AlGaAs,源极,栅极,漏极,FET结构示意图,等效
6、电路,场效应晶体管(FET)：用于电子线路中交流或直流信号的放大、调制等 MOSFET金属(M)-氧化物(O)-半导体(S)场效应晶体管,掺杂Si,掺杂Si,源极，发射极 栅极，基极 漏极，集电极,GaAs数字电路：106 FET/芯片,Wu Jin-Ming ,微电子芯片技术与材料,转移特性曲线 栅电压VGS对漏极电流ID的控制特性,转移特性曲线的斜率gm反映了栅电压对漏极电流的控制作用 gm量纲为mA/V，也称跨导， 定义式如下 gm=ID/VGSVDS=const,ID=f(VGS)VDS=const,MOSFET金属(M)-氧化物(O)-半导体(S)场效应晶体管,Wu Jin-Ming
7、 ,微电子芯片技术与材料,衬底材料：单晶硅 绝缘介质 电极材料 互连材料 工艺材料：磨料、光刻胶等 触摸屏材料,Wu Jin-Ming ,IC工艺化学机械抛光技术,磨料组成 氧化剂：H2O2、HNO3 摩擦剂：Al2O3,Wu Jin-Ming ,1）体缺陷对器件成品率(Y)的影响 Y = e-DA D-Si中缺陷密度； A-芯片面积 2）表面缺陷 I）外生粒子，表面尘埃 清洗、SCT II）晶生粒子,衬底材料,Si、SOI(绝缘层附着硅)、GaN、SiGe 对Si的要求 晶片直径大 缺陷密度小,几何精度（平整度）高,Wu Jin-Ming ,栅结构材料,栅绝缘介质层 要求：低缺陷和缺陷密度、
8、高介电常数、低漏电流密度、高抗老化抗击穿特性，与Si具有良好的界面特性和低的界面态密度 材料： SiO2(1.5 nm)、SiON(掺N氧化硅)、Ta2O5、TiO2、 (Sr,Ba)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)等,栅电极材料 要求：与Si兼容、低电阻率 材料：Al、多晶Si、GexSi1-x、W/TiN,Wu Jin-Ming ,互连材料,要求 低电阻率 线宽（特征尺寸越小，线宽所占面积越大） 延迟（250 nm，pMOS门延迟=15 ps，而互连延迟=100 ps 工艺性（易沉积、易刻蚀) 与Si衬底相容性（扩散等问题） 材料：Al(传统材料)、Cu(新材料，电阻率更低)
9、以Cu代Al的问题： 容易向Si或SiO2中扩散(扩散阻挡层材料：W、Ti、Ta等) 形成Cu-Si金属间化合物 粘附性差 刻蚀困难,Wu Jin-Ming ,触摸屏简单原理,电阻技术触摸屏 电阻触摸屏的主要部分是与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏 电阻薄膜屏是一种多层复合薄膜，以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属(ITO氧化铟，透明导电电阻)导电层，上面在盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、其内表面也涂有一层ITO涂层、两层ITO涂层间有许多细小(小于1/1000英寸)的透明隔离点，将两层导电层隔开绝缘 当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，控制器侦测到
10、这一接触并计算出(X, Y)的位置，再根据模拟鼠标的方式运作,ITO透明导电层,硬塑料或玻璃基板,外表硬化处理塑料层,电阻薄膜屏结构示意图,Wu Jin-Ming ,触摸屏简单原理,表面声波技术触摸屏 声波可在物体表面传输 手触摸到触摸屏表面时，可阻碍声波的传输。换能器侦测到这个变化，反映给计算机，进而进行鼠标模拟,Wu Jin-Ming ,触摸屏简单原理,电容技术触摸屏 利用人体的电流感应进行工作 用户触摸屏幕时，人体电场使用户和触摸屏表面形成耦合电容 电容是高频电流的直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流 这个电流分从触摸屏四角上的电极中流出 流经四个电极的电流与手指到四角的距离成正
11、比，控制器对四个电流的比例进行精确计算，得出触摸点的位置,Wu Jin-Ming ,信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料,Wu Jin-Ming ,信息传递技术和材料,以光子为信息载体，用光纤通信替代电缆和微波通信， 是20世纪通信技术的重大进步！ 光纤通信历史进展 20 世纪 70年代 低损耗石英光纤、长寿命半导体激光器 第一代光纤通信 1978年，光缆长10 km，传输率100 km)无中继传输,Wu Jin-Ming ,光纤发展阶段,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 Tb/s vs 25 Gb/s ),
12、信息传递技术和材料,Wu Jin-Ming ,信息传递技术和材料,波分复用光纤通信网示意图 1-外调制分布反馈激光器，2-光纤宽带偶合器，3-传输光纤，4-光纤光栅滤光器，5-检波器,光缆中心能量密度很高，导致布里渊散射、拉曼散射、四波混频等非线性现象 对器件和材料的要求： 新型光纤(true wave fiber, leaf fiber)、半导体激光器、高速光调制器、光滤波器,Wu Jin-Ming ,光纤材料, 石英玻璃 SiO2、SiO2-GeO2、SiO2-B2O3-F 多组分玻璃 SiO2-GaO-Na2O、SiO2-B2O3Na2O 红外玻璃 重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃
13、Er、Nd 多模：小容量、近距离(40 Km,100 Mb/s) 单模：40 Gb/s、200 Km，不需信号放大,Wu Jin-Ming ,光纤结构,芯 部光传输通道 包覆层保护芯部，折射率匹配 保护套尼龙，保护光纤,Wu Jin-Ming ,光纤分类,按折射率分布分类：阶跃型、渐变型,按材料分类：玻璃光纤、塑料光纤,Wu Jin-Ming ,信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料,Wu Jin-Ming ,信息存储技术和材料,数字信息存储要求：高密度、高传输率、长寿命、高擦写次数、低价格,提高存储密度主要依赖于磁介质材料！,Wu Jin-M
14、ing ,磁介质材料,磁介质材料 磁性氧化物(氧化铁)涂在塑料/金属薄片上 (70) 超细磁性氧化物粉末、磁性氧化物薄膜 (80) 连续磁性介质CoCrPt、CoCrTa薄膜 (90) Co/Sm钐、Fe/Pt、Fe/Cr、Co/Cu多层膜,磁记录 记录传感元件是磁头 在21世纪初仍有很强的生命力，利用垂直磁记录、纳米单磁畴技术，再加先进磁头的采用，可能使记录密度达100Gb/in2，所用介质为氧化物磁粉(-Fe2O3、加 Co-Fe2O3、CrO2)、金属磁粉、钡铁氧体粉,Wu Jin-Ming ,磁盘结构示意图,磁盘存储材料,Wu Jin-Ming ,光盘存储材料,高密度光盘存储材料 磁光
15、存储介质Pt/Co、MnBiAl 稀土掺杂钇铝石榴石YIG (yttrium aluminum garnet) 相变型存储介质Ge锗-Te碲-Sb锑, In铟-Sb-Ag-Te等 有机存储介质菁化合物、酞菁化合物、螺环化合物等,磁光记录 记录传感元件是光头 磁光盘介质主要是稀土-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,Wu Jin-Ming ,光、磁存储性能比较,Wu Jin-Ming ,光、磁存储性能比较,与磁存储技术相比，光盘存储技术的特点为 1 非接触式读/写、擦 2 信息的载噪比(SNR，
16、signal-to-noise ratio)高 3 信息位价格低，只读式光盘可大量复制,Wu Jin-Ming ,高分子液晶信息存储示意图,信息存储高分子液晶,侧链型高分子液晶通常具有较高的玻璃化转变温度 利用这一特性，可使它在室温下保存一定工作条件下记录的信息,首先将存贮介质制成透光的向列型晶体 用一束激光照射，高分子液晶局部温度升高，熔融成各向同性液体，失去有序度 激光消失后，高分子液晶凝结为不透光的固体，记录结构被冻结，所记录的信息在室温下将被永久保存,Wu Jin-Ming ,信息存储高分子液晶,同光盘相比，采用热致性侧链高分子液晶为基材制作信息贮存介质，由于其记录的信息是材料内部特征的变化，因此 可靠性高 不怕灰尘和表面划伤 适合重要数据的长期保存,Wu Jin-Ming ,信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技
