新材料研究与开发

1、 半导体材料半导体材料 光电子材料光电子材料光电子材料包括：光电子材料包括：领域领域材材 料料器器 件件用用 途途微电子微电子GaAs、InP 超高速 IC电脑电脑GaAs FET携带电话携带电话光电子光电子GaAs InP Sb InAs LD光通讯光通讯GaAs 红外 LED遥控耦合器遥控耦合器GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、InGaAlP LEP出外显示器出外显示器CdTe、CdZnTe、HgCdTe热成像仪热成像仪InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、PbZnTe红外探测器红外探测器GaAs、InP、GaSb太阳能电池太阳能电池（5 5）显示材料）显示材料 发光二级管（

2、发光二级管（LEDLED）如表）如表 3 3发发 光光 尺尺衬衬 底底发光颜色发光颜色波长（波长（nm)nm) Ga0.65Al0.35As GaAs红红 660 GaAs0.35P0.65(N) GaP红红 650 GaAs0.1P0.9(N) GaP橙橙 610 GaAs0.1P0.9(N) GaP黄黄 583 GaP Gap绿绿 555 GaN-Al2O3蓝蓝 490 SiC SiC蓝蓝480(全包显示屏)液晶显示液晶显示(LCD)(LCD)材料材料(1968(1968年发明年发明) )为为2121世纪上半叶主要显示材料世纪上半叶主要显示材料表表3 LED 3 LED 发光材料及可见光区

3、发光材料及可见光区表表4 4 光纤发展阶段及所需材料光纤发展阶段及所需材料发展阶段发展阶段波长波长 ( m) 模模 数数 衰衰 耗耗 (dB/km) 中继距离中继距离 (Km)第一阶段第一阶段 0.85 多多 模模 1.5 10第二阶段第二阶段 1.30 单单 模模 0.8 60第三阶段第三阶段 1.55 单单 模模 0.16 500第四阶段第四阶段 2 - 5 310-4 2500(6)(6)光纤与光缆材料光纤与光缆材料( (网络网络)()(表表4)4) 一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电带宽的电带宽的10001000倍倍. (25 T bps

4、 vs 25 G bps ). (25 T bps vs 25 G bps )光纤材料光纤材料: : （7 7）记录材料）记录材料 2121世纪将是以信息存储为核心的计算机时代，在军事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。息是制胜的关键。 磁记录在磁记录在2121世纪初仍有很强的生命力，通过垂直磁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（如巨磁电记录技术和纳米单磁畴技术，再加先进磁头（如巨磁电阻）（阻）（GMRGMR）的采用，有可能使每平方英寸的

5、密度达）的采用，有可能使每平方英寸的密度达100GB100GB，所用介质为氧化物磁粉（，所用介质为氧化物磁粉（-Fe2O3-Fe2O3及加及加 Co - Co - -Fe2O3 -Fe2O3、CrO2)CrO2)，金属磁粉或钡铁氧体粉。，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光头而不是磁头。磁光盘的介质主要是稀土- -过渡族金属，过渡族金属，如如TbFeCoTbFeCo、GdTbFeGdTbFe、NdFeCoNdFeCo，最新的是，最新的是Pb/CoPb/Co多层调制膜多层调制膜或或

6、BiBi石榴石薄膜。磁光盘的特点在于可重写，可交换介石榴石薄膜。磁光盘的特点在于可重写，可交换介质。质。（8 8）敏感材料）敏感材料 1.1. 计算机的控制灵敏度与精确度有赖于敏感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。材料的灵敏度与稳定性。 2. 2. 敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功 能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（DNADNA） 等。限于篇幅不一一列举。等。限于篇幅不一一列举。超导材料超导材料1. 低温（液氦温度）超导已产业化，价格问题低温（液氦温度）超导已产业化，价格问题2. 高温（液氮温度）超

7、导已发现高温（液氮温度）超导已发现30多种多种3. YBaCuO，Je10 5 A/cm2 （薄膜（薄膜,块体）块体）4. (Bi,Pb) Sr Ca Cu O (B1 2223/ Ag) 带丝线材生带丝线材生产稳定，产稳定， 5. 质量均一性未能解决，质量均一性未能解决，6. 2010年可望产业化年可望产业化7. 探索高温超导，及高温超导机理问题探索高温超导，及高温超导机理问题8. 趋导失超后的安全问题趋导失超后的安全问题磁磁 性性 材材 料料 1. 硅钢片是最重量要的软磁材料（全世界硅钢片是最重量要的软磁材料（全世界650万吨）万吨） 2. 铁基非晶态合金有明显优越性（表铁基非晶态合金有明

8、显优越性（表5） 特别用于：电焊机，节能，体积小（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）作为结构材料：耐磨（作磁头），耐蚀（代不锈钢） 这些都属软磁材料，用于变压器，电动机在仪表工业中用这些都属软磁材料，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（量更大的是软磁铁氧体，虽然已很成熟但向高磁感强（Bs），），高磁导率（高磁导率（ ）低损耗方向发展，仍有广阔发展前景。）低损耗方向发展，仍有广阔发展前景。 硬磁材料发展很快，硬磁材料发展很快，20世纪世纪40年代年代AlNiCo，50年代铁氧体，年代铁氧体，65年

9、年ReCO5,72年年R2CO17，83年年NdFeB,磁能积提高了几十倍，从性能价格比来磁能积提高了几十倍，从性能价格比来看，（表看，（表6）铁氧体永磁远比其它磁性材料更）铁氧体永磁远比其它磁性材料更具有竞争能力；具有竞争能力； NdFeB 则单位体积的性能比铁氧体高出则单位体积的性能比铁氧体高出10倍倍而得到更快的发展，目前世界产量近万吨，中而得到更快的发展，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。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：材料的探索，如：SmFeN等。等。 过去每

10、过去每10年提高年提高40kJ/m3，2010年达可到年达可到600800kJ/m3。 表表6 6永磁体价格永磁体价格 / / 性能比（性能比（19951995） * * NdFeB NdFeB最大磁能积最大磁能积512KJ/m512KJ/m3 3（理论值）（理论值）贮能材料（贮氢与高能电池）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。必须，与太阳能配套。 太阳能发电太阳能发电 电解水氢贮氢电解水氢贮氢 电蓄电池电蓄电池 也是机械能动力源也是机械能动力源 贮氢材料：金属间化物贮氢基本成熟（表贮氢材料：金属间化物贮氢基本

11、成熟（表7）但）但 用于汽车燃料存在比重大，易中毒和价格问题。用于汽车燃料存在比重大，易中毒和价格问题。 表表7几种金属间化物贮氢材料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。纳米碳管是最近发现的贮氢材料，正在研究开发中。 表表8为几种典型电池反应机理与特性，当前为几种典型电池反应机理与特性，当前最有发展前景的是最有发展前景的是NiMH电池，但从比能量密度，电池，但从比能量密度，锂电池最好，而价格是前者锂电池最好，而价格是前者3.5倍，其中塑料锂倍，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，可能是的特点，可

12、能是21世纪开发的重点。世纪开发的重点。 NiMH电池汽油混合汽车已实用化，低速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，与起动用电池，而高速时自动跳到汽油并充电，如比可节油（如比可节油（1/2），排放减至），排放减至1/10，CO2（1/2）。）。表表8 8几种典型电池反应机理和特性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，是装置，效率高、污染小，是21世纪重点发展的一世纪重点发展的一种技术。种技术。目前正在开发的燃料电池，如表目前正在开发的燃料电池，如表9： 表表9 9正在开发的燃料电

13、池类型正在开发的燃料电池类型燃料电池燃料电池 （三）纳米材料科学技术将成（三）纳米材料科学技术将成 为为2121世纪最活跃领域世纪最活跃领域 关于纳米的基本概念关于纳米的基本概念 纳米是英文纳米是英文nanometre的音译的音译. 纳米源自拉丁语纳米源自拉丁语“NANO”,意为意为“矮小矮小”. 纳米是一种物理度量定位纳米是一种物理度量定位,是一长度单位是一长度单位. 1纳米纳米(1nm)=10-9m.纳米科技的提出纳米科技的提出宏观领域：以人的肉眼可见的物体为最小物体为宏观领域：以人的肉眼可见的物体为最小物体为下限，上至无限大的宇宙天体。人类能够研究的下限，上至无限大的宇宙天体。人类能够研

14、究的物质世界的最大尺度为：物质世界的最大尺度为： 1025 m （ 1010 LY）。）。微观领域：微观领域： 以分子、原子（约以分子、原子（约0.1nm）为最大起）为最大起点，下至无限小的领域（如电子、原子核）的运点，下至无限小的领域（如电子、原子核）的运动，人类所研究的最小尺度为：动，人类所研究的最小尺度为： 1019 m。 人类对客观世界的认识己经发展了两个领域，人类对客观世界的认识己经发展了两个领域，即宏观和微观领域。即宏观和微观领域。3. 在宏观领域和微观领域的研究中出现的三次工业革在宏观领域和微观领域的研究中出现的三次工业革命：命：（1）在宏观领域中，人类研究了天体宇宙的运动规律，

15、建立了伽利略牛）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，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、采矿业中得到广泛明和不断完善，蒸汽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

16、度发展业部门，使社会生产力以前所未有的高速度发展.（2） 世纪世纪0年代，年代，(1831)法拉弟总结出电磁感应定律，随后建立了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。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，）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

17、计算机（机（ 1945年，底花费了年，底花费了48万美元，使用了万美元，使用了1.8万个电子管）。引发了第万个电子管）。引发了第三次工业革命。三次工业革命。4. 然而然而,在宏观领域和微观领域之间存在着近年来才引起重视在宏观领域和微观领域之间存在着近年来才引起重视的介观领域的介观领域, 在这个不同于宏观和微观的领域在这个不同于宏观和微观的领域,由于三维尺寸由于三维尺寸很细小。出现了许多奇异的性能，不能用我们现有的常识来很细小。出现了许多奇异的性能，不能用我们现有的常识来描述这个领域的规律。描述这个领域的规律。 摩尔定律摩尔定律1965年，美国年轻科学家年，美国年轻科学家Gordon Moore

18、预言：预言：工程师们将以极快的增长速度把大量的电子元件塞进小小的工程师们将以极快的增长速度把大量的电子元件塞进小小的芯片之中，新技术新工艺将不断提高芯片的集成度和运行速芯片之中，新技术新工艺将不断提高芯片的集成度和运行速度，大约每隔度，大约每隔18个月，芯片的集成度将翻一番，微处理器的个月，芯片的集成度将翻一番，微处理器的速度将提高一倍。速度将提高一倍。 美国半导体协会予计：到美国半导体协会予计：到2010年，半导体器件的年，半导体器件的尺寸将达到尺寸将达到0.1 m （100 nm）极限，由于量子效应）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小于这一尺寸的所有芯片就不再保持原有的性能, 需要需要按新的原理来设计，要突破这一极限，我们就得研究按新的原理来设计，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。纳米尺度中的理论问题和技术问题。 生命科技和生物技术也面临纳米科技影响下的变革生命科技和生物技术也