信息材料基础_第一章_绪论

1、2021-9-271信息材料基础信息材料基础第一章第一章 绪论绪论 信息时代信息时代 信息技术信息技术 信息材料信息材料2021-9-2722021-9-2730.1 信息时代信息时代农业时代农业时代工业时代工业时代信息时代信息时代 人类社会时代变迁：人类社会时代变迁：劳动，土地密集劳动，土地密集 机器、工厂为主机器、工厂为主 ？产生产生传输传输地位地位2021-9-274是人类的一切生存活动和自然存在所是人类的一切生存活动和自然存在所传达出来的信号和消息。它一般泛指传达出来的信号和消息。它一般泛指我们所说的消息、情报、指令、数据我们所说的消息、情报、指令、数据及信号等周围环境的知识。及信号等

2、周围环境的知识。信息信息、物质（材料）物质（材料）和和能量能量构成世界的三大要素构成世界的三大要素信息信息: :l 可传递性和共享性可传递性和共享性l 信息必须依附于载体信息必须依附于载体l 信息的可处理性信息的可处理性 l 信息的时效性信息的时效性信息的主要特征信息的主要特征2021-9-275 一是信息成为最为重要的战略资源一是信息成为最为重要的战略资源 二是信息产业上升为最重要的产业二是信息产业上升为最重要的产业 三是信息网络成为社会的基础设置三是信息网络成为社会的基础设置伊拉克战争伊拉克战争 非对称性非对称性 微软微软 苹果苹果WTO WTO 全球化全球化 一体化一体化 地球村地球村2

3、021-9-276全球信息量增长趋势全球信息量增长趋势2021-9-27720世纪世纪90年代初全球互联网用年代初全球互联网用户还不到户还不到9万，万，1999年为年为1.7亿，亿，2000年为年为4.14亿亿 因特网信息传输量增长率：因特网信息传输量增长率：300% 每天电子邮件：每天电子邮件：14亿封亿封 2000年：全球网页年：全球网页21亿个亿个 2000年，与因特网相连的主年，与因特网相连的主机机7240万台。而万台。而1993年只有年只有131万台。万台。全球因特网用户发展趋势全球因特网用户发展趋势2021-9-278亚太地区国际互联带宽发展趋势亚太地区国际互联带宽发展趋势2021

4、-9-2791992年，当时的参议员、前美国副总统年，当时的参议员、前美国副总统阿尔阿尔戈尔戈尔提出提出美国信息高速公路法案。美国信息高速公路法案。1993年年9月，美国政府宣布实月，美国政府宣布实施一项新的高科技计划施一项新的高科技计划“国家信息基础设施国家信息基础设施”（National Information Infrastructure，简称，简称NII），），旨在以因特网为雏形，兴建信息时代的高速公路旨在以因特网为雏形，兴建信息时代的高速公路“信息高速公路信息高速公路”，使所有的美国人方便地共享海，使所有的美国人方便地共享海量的信息资源。量的信息资源。 信息高速公路信息高速公路(In

5、formation Highway)实质上是实质上是高高速信息电子网络，它是一个能给用户随时提供大量信速信息电子网络，它是一个能给用户随时提供大量信息，由通信网络、计算机、数据库以及日用电子产品息，由通信网络、计算机、数据库以及日用电子产品组成的完备网络体系。组成的完备网络体系。开发和实施信息高速公路计划开发和实施信息高速公路计划,不仅促进信息科学技术的发展不仅促进信息科学技术的发展,而且有助于改变人们的而且有助于改变人们的生活、工作和交往方式。生活、工作和交往方式。 2021-9-27100.2 信息技术信息技术是指信息的是指信息的获取、存储、处理、获取、存储、处理、传输和显示传输和显示的技

6、术，即人们对信的技术，即人们对信息的获取、处理和应用的能力。息的获取、处理和应用的能力。信息技术信息技术: : 信息技术信息技术 信息获取技术信息获取技术信息处理技术信息处理技术信息传递技术信息传递技术信息存储技术信息存储技术信息显示技术信息显示技术 人类史上的五次信息技术革命2021-9-2711语言的使用语言的使用造纸术和印刷术的应用造纸术和印刷术的应用文字文字的使用的使用电报、电话、广播、电视的发明与普及应用电报、电话、广播、电视的发明与普及应用计算机的普及应用和计算机与现代通信技术的结合计算机的普及应用和计算机与现代通信技术的结合口耳相传口耳相传 便于信息传输和收集便于信息传输和收集易

7、于存储易于存储 克服时间局限克服时间局限存储空间存储空间 传播范围传播范围速度速度 容量容量 时空界限时空界限 信息技术的应用2021-9-2712网上学校、现代远程教育网上学校、现代远程教育信息高速公路、信息高速公路、 “地球村地球村”自动取款机、可视电话、远程诊疗自动取款机、可视电话、远程诊疗网上购物、信息检索、电子邮件网上购物、信息检索、电子邮件2021-9-271320世纪以来，信息技术经历：世纪以来，信息技术经历： 电子学和微电子学技术电子学和微电子学技术 信息的载体 电子电子 光电子学技术光电子学技术 信息的载体 电子和光子电子和光子 光子学技术光子学技术 信息的载体 光子光子 2

8、021-9-27140.3 信息材料信息材料0.3.1 概述概述能源能源、信息信息和和材料材料是现代文明的三大支柱，是现代文明的三大支柱，而而材料材料又是一切技术发展的物质基础。又是一切技术发展的物质基础。材料的重要性材料的重要性 材料是人类进化史上的里程碑，历史学材料是人类进化史上的里程碑，历史学家曾用材料来划分时代。家曾用材料来划分时代。2021-9-2715石器前10万青铜前3000铁器前1000水泥0钢1800硅1950新材料1990 存储器材料的变迁大致可分为四个阶段：由存储器材料的变迁大致可分为四个阶段：由1955年的存年的存储器为水银延迟线储器为水银延迟线1963年的存储器为具有

9、方形磁滞特年的存储器为具有方形磁滞特性的铁氧体磁心性的铁氧体磁心1970年涂敷的氧化铁粉（磁盘）年涂敷的氧化铁粉（磁盘）近近10年光存储技术年光存储技术（可擦写光盘的介质材料有磁光型和相（可擦写光盘的介质材料有磁光型和相变型两类）变型两类） 光通信系统材料光通信系统材料: 低损耗光纤（光导纤维：高纯石英搀低损耗光纤（光导纤维：高纯石英搀杂杂P、Ge等元素等元素氟化物玻璃光导纤维）、化合物半导氟化物玻璃光导纤维）、化合物半导体激光器、大屏幕显示体激光器、大屏幕显示等相关材料的研制是其发展的基等相关材料的研制是其发展的基础和核心。础和核心。 电子工业数千亿的全球市场，电子工业数千亿的全球市场，90

10、%的市场份额是硬件及的市场份额是硬件及其相关材料。其相关材料。 2021-9-2716 新能源技术：如受控核聚变、太阳能利用、地热发电、新能源技术：如受控核聚变、太阳能利用、地热发电、磁流体发电、氢能贮存等方面的发展，很大程度上取决磁流体发电、氢能贮存等方面的发展，很大程度上取决于新材料研制和开发。于新材料研制和开发。 例：太阳能是目前人类受惠最大的自然资源。但太阳能例：太阳能是目前人类受惠最大的自然资源。但太阳能是低值能源，只能达到是低值能源，只能达到1KW/m2,且转换率只且转换率只10-20%。要。要提高发电效率提高发电效率,必须从集热体、半导体材料方向进行突破。必须从集热体、半导体材料

11、方向进行突破。（太阳能电池材料中目前最有希望大量应用的是硅太阳（太阳能电池材料中目前最有希望大量应用的是硅太阳能电池。单晶硅光电池光电转换效率高，但材料价格较能电池。单晶硅光电池光电转换效率高，但材料价格较贵。多晶硅光电池效率只达贵。多晶硅光电池效率只达13，半导体，半导体GaAs的转换效的转换效率可达率可达2028。采用多层复合结构，通过选择性吸。采用多层复合结构，通过选择性吸收涂层和光谱转换涂层可进一步提高转换效率。收涂层和光谱转换涂层可进一步提高转换效率。IBM公公司研制的多层复合太阳能电池，转换效率高达司研制的多层复合太阳能电池，转换效率高达40）2021-9-27172021-9-2

12、718? 人们早就知道了喷气航空发动机比螺旋桨航空发动机有人们早就知道了喷气航空发动机比螺旋桨航空发动机有很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃气的高温，使很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃气的高温，使这种理想只能是空中楼阁。直到这种理想只能是空中楼阁。直到1942年制成了年制成了镍基耐热合镍基耐热合金金这种新材料、才使喷气发动机的制造得以实现。这种新材料、才使喷气发动机的制造得以实现。 ? 同样，如果没有同样，如果没有1970年制成的使光强度衰减降低到可以年制成的使光强度衰减降低到可以实用的实用的光导纤维光导纤维，也不会有现代的光通信；，也不会有现代的光通信； ? 如果不能制成高纯度大直

13、径的如果不能制成高纯度大直径的硅单晶硅单晶，就不会有高度发，就不会有高度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和一切电展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和一切电子设备。子设备。2021-9-2719v生态环境不断恶化生态环境不断恶化v资源加速枯竭资源加速枯竭v世界人口迅速增长世界人口迅速增长材料是材料是现代文现代文明的重明的重要支柱要支柱v科学技术进一步发展科学技术进一步发展v人类生活水平进一步提高人类生活水平进一步提高结构材料功能材料2021/9/2720利用其力学性质，要求在使用条件下能承受一定的载荷。通过光、电、磁、声、热、湿、气、生物等特性而完成特定功能的材料。0.3.2

14、 材料分类2021/9/2721功能材料分类材料的物质性材料的物质性材料的功能性材料的功能性材料的应用性材料的应用性 金属功能材料金属功能材料 形状记忆合金形状记忆合金 、贮氢合金、减振合金、贮氢合金、减振合金 、超耐热合金、非晶、超耐热合金、非晶态合金、态合金、 超导合金等超导合金等 无机非金属功能材料无机非金属功能材料 热功能陶瓷、光功能陶瓷、磁功能陶瓷热功能陶瓷、光功能陶瓷、磁功能陶瓷 、 精密电子陶瓷、精密电子陶瓷、功能转化陶瓷功能转化陶瓷 、 超硬陶瓷、生物功能陶瓷等超硬陶瓷、生物功能陶瓷等 有机功能材料有机功能材料 导电高分子材料、液晶聚合物材料、光功能高分子材料、导电高分子材料、

15、液晶聚合物材料、光功能高分子材料、高分子分离膜、有机铁磁材料、生物高分子材料、化学功高分子分离膜、有机铁磁材料、生物高分子材料、化学功能高分子材料等能高分子材料等 复合功能材料复合功能材料 金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子基复合材料等金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子基复合材料等2021/9/2722根据材料的物质性：根据材料的物质性：材料的应用性材料的应用性 信息材料信息材料 电子材料电子材料 电工材料电工材料 能源材料能源材料 航空航天材料航空航天材料 生物医用材料生物医用材料2021/9/2723材料的功能性材料的功能性 光学功能材料光学功能材料 电学功能材料电学功能材料 磁学

16、功能材料磁学功能材料 声学功能材料声学功能材料 热学功能材料热学功能材料 生物医学功能材料生物医学功能材料2021/9/27242021-9-2725信息材料信息材料指用于信息的指用于信息的获取、存储、处理、传输和显示获取、存储、处理、传输和显示的微电子的微电子材料和光电子材料，是信息技术基础和先导。信息材料材料和光电子材料，是信息技术基础和先导。信息材料领域的每一次创新都会推动信息技术和产业向前发展。领域的每一次创新都会推动信息技术和产业向前发展。信息材料信息材料 信息获取材料信息获取材料信息处理材料信息处理材料信息传输材料信息传输材料信息存储材料信息存储材料信息显示材料信息显示材料2021

17、-9-27260.3.3 信息处理技术及材料信息处理技术及材料信息处理工具信息处理工具古代：中国古代：中国简单的计算工具：简单的计算工具：算筹算筹算盘算盘西方：计算尺是主要的计算工具，西方：计算尺是主要的计算工具，机械式计算机机械式计算机穿孔卡片计算穿孔卡片计算机机继电器计算机继电器计算机1946年电年电子计算机的诞生。子计算机的诞生。2021-9-2727世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机埃尼阿克（埃尼阿克（ENIAC）。）。1946年诞生于美国的年诞生于美国的宾夕法尼亚大学。宾夕法尼亚大学。重达重达30吨，占地吨，占地170多平方米，全机用了多平方米，全机用了18000多个电子多

18、个电子管，管，5000多个继电器，多个继电器，10000多只电容器，多只电容器，7000多个电多个电阻，功率阻，功率150千瓦，运算速度每秒钟千瓦，运算速度每秒钟5000次。次。目前，以大规模集成电路为基础，以中央处理器（目前，以大规模集成电路为基础，以中央处理器（CPU）为核心的电子计算机技术是主要的信息处理技术。为核心的电子计算机技术是主要的信息处理技术。它的耗电量超过它的耗电量超过174千瓦小时，据说在使用时全镇的电灯都千瓦小时，据说在使用时全镇的电灯都会变暗；而且它的电子管平均每隔会变暗；而且它的电子管平均每隔15分钟就要烧坏一只。分钟就要烧坏一只。 2021-9-2728集成电路（集

19、成电路（integrated circuit，简称，简称IC）是将电路中的）是将电路中的有源有源元件元件（二极管、晶体管等）、（二极管、晶体管等）、无源元件无源元件（电阻、电容等）以（电阻、电容等）以及他们之间的及他们之间的互联引线互联引线等一起制作在等一起制作在半导体衬底半导体衬底上，形成一上，形成一块独立的不可分的整体电路，集成电路的各个引出端（又称块独立的不可分的整体电路，集成电路的各个引出端（又称管脚）就是该电路的输入、输出、电源和接地等的接线端。管脚）就是该电路的输入、输出、电源和接地等的接线端。1952年，英国皇家雷达研究所的年，英国皇家雷达研究所的G. W. Dummer首次提出

20、集首次提出集成电路的设想。他认为，随着晶体管和一般半导体工业的发成电路的设想。他认为，随着晶体管和一般半导体工业的发展，电子设备可以在一个固体块上实现，而不需连接线。这展，电子设备可以在一个固体块上实现，而不需连接线。这种固体块由绝缘体、导体、整流、放大等材料层组成。种固体块由绝缘体、导体、整流、放大等材料层组成。1958年美国德克萨斯仪器公司年美国德克萨斯仪器公司J. S. Kilby和和1959年仙童半导体公年仙童半导体公司的司的R. Noyce分别发明了世界上第一块分别发明了世界上第一块锗集成电路锗集成电路和和硅集成硅集成电路电路，开创了集成电路时代。，开创了集成电路时代。集成电路集成电

21、路年份年份事件事件1947点接触型晶体管诞生，微电子技术发展的第一个里程碑点接触型晶体管诞生，微电子技术发展的第一个里程碑1950结型晶体管诞生结型晶体管诞生1951场效应晶体管发明场效应晶体管发明1958集成电路发明，开创了微电子学的历史集成电路发明，开创了微电子学的历史1960光刻技术发明光刻技术发明1962MOS场效应晶体管诞生场效应晶体管诞生1964摩尔定律提出，预测晶体管集成度每十八个月增加一番摩尔定律提出，预测晶体管集成度每十八个月增加一番1971Intel推出推出1kB动态随机存储器（动态随机存储器（DRAM），标志大规模集成电路（），标志大规模集成电路（LSI）出现）出现197

22、816kB的的DRAM诞生，标志进入超大规模集成电路（诞生，标志进入超大规模集成电路（VLSD）阶段）阶段1979Intel推出推出5MHz的的8088微处理器，之后推出全球第一台个人电脑微处理器，之后推出全球第一台个人电脑198520MHz的的80386微处理器诞生微处理器诞生198816M的的DRAM诞生，标志进入甚大规模集成电路（诞生，标志进入甚大规模集成电路（ULSI）阶段）阶段198925MHz483微处理器诞生，采用微处理器诞生，采用1m工艺，后来采用工艺，后来采用0.8 m工艺工艺199366MHz的的Pentium处理器推出，采用处理器推出，采用0.6 m工艺工艺1997300

23、MHz的的Pentium 处理器推出，采用处理器推出，采用0.25 0.25 m工艺工艺1999450MHz的的Pentium 处理器推出，采用处理器推出，采用0.25 0.25 m工艺，后采用工艺，后采用0.18 m工艺工艺20001.5GHz的的Pentium 处理器推出，采用处理器推出，采用0.18 m工艺工艺2001Intel宣布采用宣布采用0.13 m工艺工艺2021-9-27292021-9-2730半导体动态随机存储器容量和硅单晶的发展半导体动态随机存储器容量和硅单晶的发展2021-9-2731信息处理材料主要指用于对电信号或光信号进行信息处理材料主要指用于对电信号或光信号进行检

24、波、倍频、检波、倍频、混频、限幅、开关、放大混频、限幅、开关、放大等信号处理的器件的一类信息材料，等信号处理的器件的一类信息材料，包括微电子信息处理材料和光电子信息处理材料。包括微电子信息处理材料和光电子信息处理材料。微电子信息处理微电子信息处理即对电子电路中的信息电流、电压等信号进即对电子电路中的信息电流、电压等信号进行接收、发射、转换、放大、调制、解调、运算、分析等处行接收、发射、转换、放大、调制、解调、运算、分析等处理，以获取有用的信息。理，以获取有用的信息。光电子信息处理光电子信息处理包括光的发射、传输、调制、转换和探测等，包括光的发射、传输、调制、转换和探测等，而光电子信息处理材料则

25、是基于光信号的发射、传输、调制、而光电子信息处理材料则是基于光信号的发射、传输、调制、转换和探测的一类材料。转换和探测的一类材料。信息处理材料信息处理材料2021-9-27320.3.4 信息传输技术及材料信息传输技术及材料u 移动电话移动电话u 卫星通信卫星通信u 无线通信无线通信u 光纤通信光纤通信 低损耗的熔石英光纤低损耗的熔石英光纤 长寿命的半导体激光器长寿命的半导体激光器 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器纤芯纤芯包层包层保护套保护套2021-9-2733光纤和光缆的传输速率及损耗特性比较光纤和光缆的传输速率及损耗特性比较2021-9-2734光纤通信系统发展阶段及其主要进展光纤通信系统发

26、展阶段及其主要进展2021-9-2735 损耗特性与光的工作波长有关损耗特性与光的工作波长有关,在三个工作窗口有相对小的损耗在三个工作窗口有相对小的损耗: 第一窗口光工作波长第一窗口光工作波长0.85m,损耗稍大损耗稍大 第二窗口光工作波长第二窗口光工作波长1.31m,损耗中等损耗中等 第三窗口光工作波长第三窗口光工作波长1.55m,损耗最小损耗最小2021-9-27360.3.5 信息存储技术及材料信息存储技术及材料数字信息存储要求：数字信息存储要求：高存储密度、高数据传输高存储密度、高数据传输率、高存储寿命、高擦写次数、低设备投资和率、高存储寿命、高擦写次数、低设备投资和低价格低价格。信息

27、存储的作用：信息存储的作用： * 允许保存电子数据；允许保存电子数据；* 为防止数据丢失而提供备份保护；为防止数据丢失而提供备份保护；* 防止因丢失数据带来的费用；防止因丢失数据带来的费用；* 允许现场或非现场文档的存储允许现场或非现场文档的存储2021-9-2737存储方式存储方式内存储内存储外存储外存储CPU可以直接访问内存，提取时间短（ns），容量一般在512Mb。只读存储器只读存储器ROM（Read-Only Memory）随机存取存储器随机存取存储器RAM（Random Access Memory）一般不直接与微处理器打交道，外存中的数据应先调入内存，再由微处理器进行处理。磁存储：磁

28、带、软磁盘、硬磁盘磁存储：磁带、软磁盘、硬磁盘光存储：光存储：CD、VCD、DVD等等2021-9-2738硬磁盘技术的发展硬磁盘技术的发展2021-9-2739光盘光盘硬磁盘硬磁盘磁带磁带中等性能中等性能0.252Gb/in225Mb/s随机存取随机存取高容量高容量低价格低价格可移动可移动长寿命长寿命高性能高性能24Gb/in2150Mb/s随机存取随机存取高容量高容量价格合理价格合理不可移动不可移动寿命较短寿命较短中等性能中等性能0.81Gb/in240Mb/s序列存取序列存取高容量高容量低价格低价格可移动可移动寿命较短寿命较短光盘、硬盘和磁带性能比较光盘、硬盘和磁带性能比较2021-9-

29、27400.3.6 信息显示技术及材料信息显示技术及材料v当今世界是信息大爆炸的年代，据测算，上世纪末信息的当今世界是信息大爆炸的年代，据测算，上世纪末信息的年均增长率为年均增长率为2020，到，到20202020年将达到每两个半月翻一番的年将达到每两个半月翻一番的惊人速度。惊人速度。v在人们经各种感觉器官从外界获得的信息中，在人们经各种感觉器官从外界获得的信息中，视觉占视觉占6060，听觉占，听觉占2020，触觉占，触觉占1515，味觉占，味觉占3 3，嗅觉占，嗅觉占2 2。v进入进入21世纪以来，显示技术作为人机联系和信息展示的窗世纪以来，显示技术作为人机联系和信息展示的窗口已应用于娱乐、

30、工业、军事、交通、教育、航空航天、口已应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天、卫星遥感和医疗等各方面。卫星遥感和医疗等各方面。在我国，显示技术及相关产业在我国，显示技术及相关产业的产品占信息产业总产值的的产品占信息产业总产值的45左右。左右。可见，显示产业已可见，显示产业已经成为电子信息工业的一大支柱产业。经成为电子信息工业的一大支柱产业。2021-9-2741光电显示分类光电显示分类2021-9-2742传统显示技术传统显示技术阴极射线管（阴极射线管（CRT）显示）显示 阴极射线加速后轰击荧光屏阴极射线加速后轰击荧光屏上的荧光材料上的荧光材料Y2O2S：Eu（红色）、（红色）、ZnS：

31、Ag（蓝色）（蓝色）和和ZnS：(Cu，Al）（绿色），）（绿色），发出各种彩色的光。发出各种彩色的光。1897年，布劳恩管发明；1953年，日本黑白电视广播开始1958年，中国黑白电视广播开始1960年，日本彩色电视广播开始1973年，中国彩色电视广播开始1996年，日本推出纯平CRT彩电1999年，中国推出纯平CRT彩电2021-9-2743平板显示技术平板显示技术等离子体显示（等离子体显示（PDP）利用等离子产生的紫外线激发涂有利用等离子产生的紫外线激发涂有荧光粉的电极而发出不同的由三基色混合的可见光。荧光粉的电极而发出不同的由三基色混合的可见光。液晶显示（液晶显示（LCD） 利用外加电压或者电流，可以改变液晶利用外加电压或者电流，可以改变液晶分子取向，从而改变液晶分子的光学和电学性质，最终实分子取向，从而改变液晶分子的光学和电学性质，最终实现显示的目的。现显示的目的。发光二极管（发光二极管（LED）显示）显示 利用载流子在利用载流子在PN结附近的复合结附近的复合作用而发光。作用而发光。有机电致发光显示（有机电致发光显示（OLED） 2021-9-27440.3.7 信息获取技术及材料