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1、第六章 第二节新材料的研究与开发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 纳米材料科学技术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) :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
2、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-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
3、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 （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）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表4 光纤发展阶段及所需材料光纤材料: 石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-F 多组分玻璃：S
4、iO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3CNa2O 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 - -Fe2O3、CrO2)，金
5、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 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 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
6、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） 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
7、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600800kJ/m3。 表6永磁体价格 / 性能比（1995）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 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
8、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、污染小，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 以氢氧燃料电池为例其理论比容量为2975 A.h/kg，比能量为3660 w.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，B
9、enz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 纳米科技的提出 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)，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
10、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。 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 mm （100 nm）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，要突破这一极限，我们就得研究纳米尺度中的理论问题和技术问题。 纳米科技的重要意义我国纳米科技成果产业前景21世纪初各国对纳米科技的攻关社会需要真纳米
