新材料的研究及其开发(doc6页)正式版

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能源功能材料超导材料磁性材料贮能材料燃料电池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、多功能。为了达到

2、上述目标，有赖于外延技术（ VPE LPE, MOCV或MBE）的发展，同时对硅单晶白要求也愈来愈高。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第二代半导体材料是田-V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用于集成电路具处理容量大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、GaNR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2

3、1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+:Al 2O3（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：SiO2-GaO-NaO SiO 2-B

4、2Q CNaO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勺采用，有可能使每平方英寸的密度达100GBi 所用介质为氧化物磁粉（丫 -FezQ及加Co -T -Fe 2Q、CrQ）,金属磁粉或钢铁氧体粉。磁光记录：与

5、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 Ca Cu O （B1

6、 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RCQ, 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

7、 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?。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）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Ni MH电池，但从

8、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电池一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，

9、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

10、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)1 9世纪3 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

11、寸将达到0.1 Nm (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人生最大的幸福，莫过于连一分钟都无法休息零碎的时间实在可以成就大事业珍惜时间可以使生命变的更有价值时间象奔腾澎湃的急湍，它一去无返，毫不流连一个人越知道时间的价值，就越感到失时的痛苦 得到时间，就是得到一切用经济学的眼光来看，时间就是一种财富时间一点一滴凋谢，犹如蜡烛漫漫燃尽我总是感觉到时间的巨轮在我背后奔驰，日益迫近夜晚给老人带来平静，给年轻人带来希望不浪费时间，每时每刻都做些有用的事，戒掉一切不必要的行为时间乃是万物中最宝贵的东西，但如果浪费了，那就是最大的浪费我的产业多么美，多么广，多么宽，时间是我的财产，我的田地是时间时间就是性命，无端的空耗别人的时间，知识是取之不尽，用之不竭的。只有最大限度地挖掘它，才能体会到学习的乐趣。新想法常常瞬息即逝，必须集中精力，牢记在心，及时捕获。每天早晨睁开眼睛，深吸一口气，给自己一个微笑，然后说：“在这美妙的一天，我又要获得多少知识啊！”不要为这个世界而惊叹，要让这个世界为你而惊叹！如果说学习有捷径可走，那也一定是勤奋。学习