信息时代的信息功能材料仍是最活跃的领域

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1、迈入21世纪新材料2004 年 2 月目 录l序言l信息功能材料 半导体材料 光电子材料l能源功能材料 超导材料 磁性材料 贮能材料 燃料电池 l生物材料与智能材料医用生物材料仿生材料工业生产中的生物模拟智能材料及智能系统l宇航及动力机械材料l材料制备工艺及检测l纳米材料科学技术l材料设计l不同类型材料的发展金属结构材料工程陶瓷及其它无机非金属材料有机高分子材料先进复合材料碳素材料l结束语序 言(1) 人口、资源(能源)、环境（生态）三大压力;(2) 信息与经济的全球一体化;(3) 知识经济时代意味着科学技术与教育将受到更高的重视(5) 国防与战争仍是促进科学技术发展的动力(4) 人类社会在发

2、生变化：寿命延长(器官更换，生物工程)生活水平提高(加速资源消耗)交往频繁(信息网络、交通运输)(6) 人的质量是社会进步的决定性因素（教育将受到重大重视，创新环境十分重要）21世纪时代特征:(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(0.07m) （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。* 在绝缘衬底上的硅（SOI，SiOn Insulator

3、) :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，Integrated System)：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 (System on a Chip)。* 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首批产产品出现现年代199920

4、0220052008工艺艺水平（ m)0.180.130.100.07DRAM256 M1 G4 G16 G硅片直径 (mm)200300300450表面关键杂质键杂质 (At / cm 2) (10 9) 13 7.5 5 2.5局部平坦度（nm) 180 130 100 100光散射缺陷(个/ cm2) 0.29 0.14 0.06 0.03(2)第二代半导体材料是-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

5、。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：10-31 Kg / 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：高亮度、单色、高方向性红宝石（Cr+:Al2O3 ）掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG)（2） 非线性光学晶体（变频晶体）KDP（磷酸二氢钾）、KTP（磷酸钛氢钾） LN（铌酸锂）、BBO（偏硼酸铝）

6、、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、InGaAlPLEP出外显显示器CdTe、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

7、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 660GaAs0.35P0.65(N) GaP红红 650GaAs0.1P0.9(N) GaP橙 610GaAs0.1P0.9(N) GaP黄 583GaP Gap绿绿 555GaN-Al2O3蓝蓝 490SiC SiC蓝蓝480(全包显示屏 )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.

8、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： 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： Er、Nd、多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps)单模可传输调制后的信号40Gbps 到200

9、Km ，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 - -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。

10、磁光盘的特点在于可重写，可交换 介质。（8）敏感材料 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。 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）能源功能材料将取得 突破性进展 化石能源日益枯竭（甲烷水化物） 环境要求越来越高 由于人口增长，生活水平提高，能源需求量大幅度增加。开源节流（1）可再生能源的开发（水电不存在材料问题）太阳能的利用：辐射于地球能量一万倍于人类所消耗的能源（61017kwh） 密度低 1kwh/m2 气候影响大两种利用形式 直接辐射能热水器热水发电 光伏电能民用： 高效、长寿、价廉，需要储电系统

11、。-Si (12.7%) (理论24%)多晶 17.7 %单晶Si 23.1%GaAs 28.7还有Cu2InSe2, CdTe, Cu2O, Cu2S, CdS 等卫星用太阳能电池 双结电池（GaInP/GaAs）23.7 三结电池（GaInP/GaAs/Ge）27. 四结电池（GaInP/GaAs/GaInNAs/Ge 40理论）一种设想：空间太阳能发电站 太阳能射向地球30大气反射23大气吸收 空间太阳能电站，微波传到地面, 一个10 万千瓦电站寿命10年美国2010年电价2.2/kwh我国西北日照时间长，沙漠干旱设地面太阳能电站：入网 燃料电池电解水H2 储氢（1m3 H25度电） 化

12、工原料风能及风力发电W1/2 PV3（V风速）太阳能到地面有2变风能全球 1.3万亿KW中国 32亿KW潮汐、海水温差、地热能（2）核能目前核电站基于铀裂变（热中子反应维）燃料U235，铀矿中占0.71，U238为99.28。 快中子增殖维： U238 ，效率6079液铀冷却 （强腐蚀），泄漏污染 （副产物 P239,半衰期2.4万年）法国超凤凰堆（19861995）最近提出加速器驱动的核电站（嬗变）可解决污染问题 可控热核聚变反应堆永久能源D2D2 T3 + P + 4.04 MevD2T3 He4 + n + 17.5 Mev一吨海水所含D2相当300吨汽油海水 D2=1013砘已实现点火

13、，处于物理研究所段，材料问题：高温抗辐射氢脆2050年或更长可实用化（3）超导材料 低温（液氦温度）超导已产业化，价格问题 高温（液氮温度）超导已发现30多种YBaCuO，Je10 5 A/cm2 （薄膜,块体）(Bi,Pb) Sr Ca Cu O (B1 2223/ Ag) 带丝线材生产稳定， 质量均一性未能解决，2010年可望产业化 探索高温超导，及高温超导机理问题 趋导失超后的安全问题(4) 磁 性 材 料 硅钢片是最重量要的软磁材料（全世界 650万吨） 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）冷轧硅

14、钢片。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 熟但向高磁感强度（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ReCO5,72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/

15、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）（5）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NiMH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。NiMH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