材料科学前沿1 信息材料课件

1、M S EM S EM S EM S E材料科学前沿材料科学前沿Frontiers of Materials ScienceM S EM S EM S EM S E信息材料信息材料Information Materials3人体与信息技术人体与信息技术v收集信息：眼、耳、鼻、舌、皮肤收集信息：眼、耳、鼻、舌、皮肤感测技术感测技术v传送信息：神经系统传送信息：神经系统通信技术通信技术v存储和处理信息：大脑存储和处理信息：大脑信息处理、存储技术信息处理、存储技术v显示信息：肌肉、四肢根据大脑指令对感知信息显示信息：肌肉、四肢根据大脑指令对感知信息迅速做出反应迅速做出反应控制技术控制技术信息技术是收

2、集、存储、处理、传递和显示各信息技术是收集、存储、处理、传递和显示各种信息的技术：种信息的技术：4信息材料分类信息材料分类信息材料信息材料就是指与现代信息技术相关，用于实就是指与现代信息技术相关，用于实现信息的收集、存储、处理、传递和显示的材料。现信息的收集、存储、处理、传递和显示的材料。根据其功能，可把信息材料主要分为：根据其功能，可把信息材料主要分为：v信息收集材料信息收集材料v信息存储材料信息存储材料v信息处理材料信息处理材料v信息传递材料信息传递材料v信息显示材料信息显示材料5一、信息收集（传感）材料一、信息收集（传感）材料信息传感材料是指用于信息传感器和探测器的信息传感材料是指用于信

3、息传感器和探测器的一类对外界信息敏感的材料，主要包括：一类对外界信息敏感的材料，主要包括：v力敏材料、热敏材料力敏材料、热敏材料v光敏材料、磁敏材料光敏材料、磁敏材料v气敏材料、湿敏材料气敏材料、湿敏材料v压敏材料等压敏材料等6力敏传感材料力敏传感材料是指在外力作用下，电学性质会是指在外力作用下，电学性质会发生明显变化的材料，分为：发生明显变化的材料，分为：v金属应变电阻材料金属应变电阻材料v半导体压阻材料半导体压阻材料v压电材料压电材料1. 力敏传感材料力敏传感材料7力敏传感器力敏传感器8电阻应变效应电阻应变效应是指金属导体的电阻在导体受力是指金属导体的电阻在导体受力产生变形（伸长或缩短）时

4、发生变化的物理现象：产生变形（伸长或缩短）时发生变化的物理现象：1）金属）金属应变电阻材料应变电阻材料 当金属电阻丝受到轴向拉力时，其长度增加而横当金属电阻丝受到轴向拉力时，其长度增加而横截面变小，引起电阻增加截面变小，引起电阻增加 反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小9v铜镍合金（铜镍合金（康铜康铜）：灵敏系数稳定性、耐辐射性）：灵敏系数稳定性、耐辐射性能好，低温性能较差能好，低温性能较差v镍铬系合金：电阻率和抗氧化能力高、工作温度镍铬系合金：电阻率和抗氧化能力高、工作温度较宽较宽v铁铬铝合金：抗氧化、耐高温性能最好铁铬铝合金：抗氧化、耐高温性能最好v

5、镍铬铁合金：电阻温度系数小、电阻率高镍铬铁合金：电阻温度系数小、电阻率高v铂和铂合金：抗氧化、耐高温性能最好铂和铂合金：抗氧化、耐高温性能最好主要的金属主要的金属应变电阻材料应变电阻材料10v压阻效应压阻效应：当半导体受到机械力作用时，由于载：当半导体受到机械力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象2）半导体压阻材料半导体压阻材料原理：原理：机械力作用机械力作用 晶格间距变化晶格间距变化 禁带宽度变禁带宽度变化化 载流子相对能量改变载流子相对能量改变 电阻率变化电阻率变化v压阻系数压阻系数G：单位应力作用下电阻率的相对变化：单位应力作

6、用下电阻率的相对变化11v灵敏度与精度高灵敏度与精度高v易于微型化和集成化易于微型化和集成化v结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，性能保持不变性能保持不变v动态特性好，其响应频率为动态特性好，其响应频率为103105 Hz半导体压阻材料半导体压阻材料优点优点用来制成各种常温下压力、应力、应变、速度、用来制成各种常温下压力、应力、应变、速度、加速度传感器，逐步取代金属型应变计。加速度传感器，逐步取代金属型应变计。12v压电效应：压电效应：某些电介质，在一定方向上受到外力某些电介质，在一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其作用而

7、变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷表面上会产生电荷3）压电）压电材料材料当外力去掉后，又重新回到不带电状态的现象。当外力去掉后，又重新回到不带电状态的现象。v压电材料：压电材料：具有压电效应的电介物质具有压电效应的电介物质13石英晶体压电效应示意图石英晶体压电效应示意图14热敏传感材料是指对温度变化具有灵敏响应的热敏传感材料是指对温度变化具有灵敏响应的材料。材料。2. 热热敏传感材料敏传感材料1）双金属温度计（热膨胀式）双金属温度计（热膨胀式）把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换它

8、是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。成机械量变化。1516将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A和和B串接成一个闭合回串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为电势，形成电流，此现象称为热电效应热电效应。2）热电势式温度计热电势式温度计（热电偶热电偶）17由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。触处形成的电动势。接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度，两接点的接触电动势特

9、性和接触点的温度，两接点的接触电动势eAB(T)和和eAB(T0)可表示为：可表示为：接触电动势接触电动势18同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势动势，其机理：，其机理：温差电动势温差电动势 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大高温端的电子能量要比低温端的电子能量大 从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多温端的要多 结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电多余的电子而带负电 在导体两端便形成温差电动在导体两端便形成温差电动势势1

10、9eAB(T, T0) = eAB(T) + eB(T, T0) eAB(T0) eA(T, T0)热电偶回路中产生的总热电势热电偶回路中产生的总热电势忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关。取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关。2021利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温。的原理进行测温。在实际生产中，热敏传感材料主要是指电阻值在实际生产中，热敏传感材料主要是指电阻值随温度显著变化的随温度显著变化的半导体热敏电阻陶瓷半导体热敏电阻陶瓷。3）热热敏敏电

11、阻式温度传感器电阻式温度传感器22热敏电阻热敏电阻23PTC是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度传感器。温度传感器。该材料是以该材料是以BaTiO3或或SrTiO3或或PbTiO3为基的烧为基的烧结体，其中掺入微量的结体，其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等等氧化物进行原子价控制而使之半导化。氧化物进行原子价控制而使之半导化。常将这种半导体化的常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为等材料简称为半导半导（体）陶瓷（体）陶瓷。PTC热敏电阻材料热敏电阻材料

12、24NTC是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。有负温度系数的热敏电阻现象和材料。该材料是利用该材料是利用Mn、Cu、Si、Co、Fe、Ni、Zn等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合烧结等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合烧结而成的半导体陶瓷。而成的半导体陶瓷。现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料。热敏电阻材料。NTC热敏电阻材料热敏电阻材料25光敏传感材料是指在光照下会因各种效应产生光敏传感材料是指在光照下会因各种效应产生光

13、生载流子的材料。光生载流子的材料。3. 光光敏传感材料敏传感材料v外光电效应外光电效应：在光的作用下，物体内的电子逸出：在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象物体表面向外发射的现象向外发射的电子称向外发射的电子称为为光电子光电子，如光电管、光电倍增管等，如光电管、光电倍增管等v内光电效应内光电效应：半导体材料受到光照时会产生电子：半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等低，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等26v光电导效应光电导效应：在入射光的作用下，电子吸收光子

14、：在入射光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电导率变化的现象电导率变化的现象v光生伏特效应光生伏特效应：当大于禁带宽度的光子照射到：当大于禁带宽度的光子照射到PN结后，光生电子结后，光生电子-空穴对被内建电场分开，形成空穴对被内建电场分开，形成光光生电动势生电动势光电导效应和光生伏特效应光电导效应和光生伏特效应27光电导光电导探测器的功能图探测器的功能图左：左：探测器的功能图；探测器的功能图；右：右：探测器光谱响应曲线探测器光谱响应曲线28光电管光电管294. 磁磁敏材料敏材料v磁敏传感材料磁敏传感材料：主要是指具有：主要

15、是指具有磁阻效应磁阻效应的一类磁的一类磁敏电阻材料敏电阻材料v磁阻效应磁阻效应：指材料的电阻率随外加磁场变化而变：指材料的电阻率随外加磁场变化而变化的现象化的现象磁敏传感材料分为磁敏传感材料分为半导体磁敏电阻材料半导体磁敏电阻材料和和强磁强磁性薄膜磁敏电阻材料性薄膜磁敏电阻材料两种。两种。30磁磁敏敏电阻电阻31金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为这种物理现象称为霍尔效应霍尔效应。可用于位移、压力、角度等传感。可用于位移、压力、角度等传感。1）霍尔

16、传感器）霍尔传感器3233霍尔速度传感器霍尔速度传感器34 高纯本征半导体高纯本征半导体Ge两端形成两端形成P型区和型区和N型区型区 中间本征区的一个侧面磨成光滑的复合表面（中间本征区的一个侧面磨成光滑的复合表面（I区），另一侧面打毛，设置成高复合区（区），另一侧面打毛，设置成高复合区（r区）区） 电子空穴对易于在粗糙表面复合而消失电子空穴对易于在粗糙表面复合而消失2）磁敏二极管磁敏二极管35v不加外磁场：不加外磁场：空穴从空穴从P区到区到N区，电子从区，电子从N区到区到P区形成电流区形成电流v加正向磁场：加正向磁场：电子和空穴向电子和空穴向r区偏转，并在区偏转，并在r区复区复合，电流减小合，

17、电流减小v加反向磁场：加反向磁场：电子和空穴向电子和空穴向I区偏转，复合减小，区偏转，复合减小，电流变大电流变大磁敏二极管工作原理磁敏二极管工作原理36气敏材料是对气体敏感，电阻值会随外界气体气敏材料是对气体敏感，电阻值会随外界气体种类和浓度变化的材料。种类和浓度变化的材料。常用的气敏材料有常用的气敏材料有SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2、TiO2和和WO2等等n型或型或p型金属氧化物半导体。型金属氧化物半导体。气敏材料用于制作气敏传感器，吸附气体后载气敏材料用于制作气敏传感器，吸附气体后载流子数量变化将导致表面电阻率变化，进而对气体流子数量变化将导致表面电阻率变化，进而对气体的种类和浓

18、度进行探测。的种类和浓度进行探测。5. 气气敏材料敏材料37二氧化碳传感器二氧化碳传感器烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器38湿敏材料是指电阻值随环境湿度增加而显著增湿敏材料是指电阻值随环境湿度增加而显著增大或降低的一些材料。大或降低的一些材料。6. 湿湿敏材料敏材料v陶瓷湿敏材料陶瓷湿敏材料主要有主要有MgCr2O3系、系、ZnCr2O3系和系和MnWO4、NiWO4等等v高分子湿敏材料高分子湿敏材料是指吸湿后电阻率或介电常数会是指吸湿后电阻率或介电常数会发生变化的高分子电解质膜，如吸湿性树脂、硝发生变化的高分子电解质膜，如吸湿性树脂、硝化纤维系高分子膜化纤维系高分子膜39湿敏传感器湿

19、敏传感器40电压敏感陶瓷是指具有电压敏感陶瓷是指具有非线性伏安特性非线性伏安特性，即电，即电阻值对电压变化敏感的半导体陶瓷：阻值对电压变化敏感的半导体陶瓷：7. 压压敏材料敏材料 它在某一临界电压以下，电阻值非常高，几乎没它在某一临界电压以下，电阻值非常高，几乎没有电流通过有电流通过 但是当外加电压超过这个临界电压时，电阻将急但是当外加电压超过这个临界电压时，电阻将急剧变小，并且有电流通过剧变小，并且有电流通过 随着电压的少量增加，电流增加会很快随着电压的少量增加，电流增加会很快4142二、信息存储材料二、信息存储材料信息存储材料是指用来制作各种信息存储器的信息存储材料是指用来制作各种信息存储

20、器的一些能够记录和存储信息的材料。一些能够记录和存储信息的材料。在外加物理场（如电场、磁场、光照等）的影在外加物理场（如电场、磁场、光照等）的影响下，材料发生物理或化学变化，实现对信息的存响下，材料发生物理或化学变化，实现对信息的存储。储。主要介绍主要介绍磁存储材料磁存储材料和和光存储材料光存储材料。431. 磁存储材料磁存储材料磁存储材料是指利用矩形磁滞回线或磁矩的变磁存储材料是指利用矩形磁滞回线或磁矩的变化来存储信息的一类磁性材料。化来存储信息的一类磁性材料。4445磁性存贮器具有数据的存储和读取方便、容量磁性存贮器具有数据的存储和读取方便、容量大、成本低等优点。大、成本低等优点。根据磁化

21、方向与存储介质的运动方向是平行还根据磁化方向与存储介质的运动方向是平行还是垂直，可把磁记录方式分为两种：是垂直，可把磁记录方式分为两种：v平面磁记录平面磁记录v垂直磁记录垂直磁记录46水平（纵向）存储模式水平（纵向）存储模式47 磁化的磁介质以恒定的速度沿着与一个环形电磁磁化的磁介质以恒定的速度沿着与一个环形电磁铁相切的方向运动铁相切的方向运动 工作缝隙对着介质，存储信号时，在磁头线圈中工作缝隙对着介质，存储信号时，在磁头线圈中通入信号电流，就会在缝隙产生磁场溢出通入信号电流，就会在缝隙产生磁场溢出 如果磁带与磁头的相对速度保持不变，则剩磁沿如果磁带与磁头的相对速度保持不变，则剩磁沿着介质长度

22、方向上的变化规律完全反映信号的变着介质长度方向上的变化规律完全反映信号的变化规律化规律 电流随时间的变化转化成磁化强度随距离的变化电流随时间的变化转化成磁化强度随距离的变化而被存储在磁带上而被存储在磁带上存储信号的过程存储信号的过程4849垂直磁记录垂直磁记录 首先，由于可以在同样的面积里容纳更多的存储首先，由于可以在同样的面积里容纳更多的存储物质物质磁粒子，其结果就是单位存储容量的提磁粒子，其结果就是单位存储容量的提升，最多将有升，最多将有10倍的差距倍的差距 其次，因为磁粒子与盘片之间的接触面积减小，其次，因为磁粒子与盘片之间的接触面积减小，因此因此“升温效应升温效应”将得到缓解将得到缓解

23、盘片的热量将盘片的热量将不再迅速地被传导给磁性记录物质不再迅速地被传导给磁性记录物质这样一来，在使磁粒子的排列更紧密的同时，这样一来，在使磁粒子的排列更紧密的同时，由热量而引起的由热量而引起的“超磁极限超磁极限”效应将不再明显，效应将不再明显，确保数据存储的安全和稳定。确保数据存储的安全和稳定。50垂直记录硬盘工作原理垂直记录硬盘工作原理51垂直记录硬盘垂直记录硬盘522. 光存储材料光存储材料光存储材料是由记录介质层、反射层以及保护光存储材料是由记录介质层、反射层以及保护层等构成的、具有光学匹配的多层结构。层等构成的、具有光学匹配的多层结构。多层膜通常用物理或化学的方法沉积在衬盘上。多层膜通

24、常用物理或化学的方法沉积在衬盘上。在衬盘上沉积了光存储材科的盘片称为在衬盘上沉积了光存储材科的盘片称为光盘光盘。激光在盘片上刻出的小坑代表激光在盘片上刻出的小坑代表“1”，空白处代，空白处代表表“0”。53v将要存储的信息、模拟量或数字量，通过调制激将要存储的信息、模拟量或数字量，通过调制激光聚焦到记录介质上，使介质的光照微区发生物光聚焦到记录介质上，使介质的光照微区发生物理或化学的变化实现记录，这就是信息的理或化学的变化实现记录，这就是信息的写入写入v读出读出信息时，低功率密度的激光扫描信息轨道，信息时，低功率密度的激光扫描信息轨道，反射光通过光电检测器检测、解调取出所要信息反射光通过光电检

25、测器检测、解调取出所要信息54（1）只读存储光盘材料）只读存储光盘材料v在玻璃母盘上均匀涂上一层光刻胶，利用调制过在玻璃母盘上均匀涂上一层光刻胶，利用调制过的激光照射后，用化学方法使曝光部分脱落，形的激光照射后，用化学方法使曝光部分脱落，形成具有凹凸信息结构的成具有凹凸信息结构的正像母盘正像母盘v利用喷镀技术，在母盘上沉积较厚的金属层，金利用喷镀技术，在母盘上沉积较厚的金属层，金属层与主盘分离后形成负像，称为属层与主盘分离后形成负像，称为压模盘压模盘v光盘制作（下一页）光盘制作（下一页）55 将融化的聚碳酸酯注入模板，用压模成型的方法将融化的聚碳酸酯注入模板，用压模成型的方法将压模盘上的凹凸信

26、息以负像的方式复制到聚碳将压模盘上的凹凸信息以负像的方式复制到聚碳酸酯盘表面酸酯盘表面 待聚碳酸酯凝固后，在数据面上镀覆金属铝作为待聚碳酸酯凝固后，在数据面上镀覆金属铝作为反射层反射层 再在反射层上加保护层，形成再在反射层上加保护层，形成只读光盘只读光盘光盘制作光盘制作5657（2）一次写入光盘材料）一次写入光盘材料一次写入光盘利用聚焦激光在介质的记录微区一次写入光盘利用聚焦激光在介质的记录微区产生不可逆的物理化学变化写入信息。产生不可逆的物理化学变化写入信息。v烧蚀型烧蚀型：写入激光的光强具有高斯分布，中心温：写入激光的光强具有高斯分布，中心温度高于介质熔点度高于介质熔点Tm，其余部分温度低

27、于介质熔点，其余部分温度低于介质熔点 中心光照部分的介质微区熔融，表面张力将其拉中心光照部分的介质微区熔融，表面张力将其拉开开 撤去脉冲，孔缘冷凝形成带有信息结构的凹坑，撤去脉冲，孔缘冷凝形成带有信息结构的凹坑，实现对信息的记录实现对信息的记录58烧蚀性信息凹坑的形成烧蚀性信息凹坑的形成59v起泡型起泡型：由高熔点金属与聚合物两层薄膜制成：由高熔点金属与聚合物两层薄膜制成 光照使聚合物分解排出气体光照使聚合物分解排出气体 形成气泡使聚合物膜面隆起形成气泡使聚合物膜面隆起 与周围形成反射率差异，实现反差记录与周围形成反射率差异，实现反差记录60v熔绒型熔绒型：用离子束刻蚀硅表面，形成绒面结构，：

28、用离子束刻蚀硅表面，形成绒面结构，光照微区使绒面熔成镜面，实现反差记录光照微区使绒面熔成镜面，实现反差记录v相变型相变型：光照微区发生结构相变，利用两相反射：光照微区发生结构相变，利用两相反射率的差异鉴别信息率的差异鉴别信息61（3）可擦重写光盘材料）可擦重写光盘材料1）磁光盘）磁光盘磁光盘读、写、擦原理磁光盘读、写、擦原理62信息写入信息写入v写入信息前，用强磁场对写入信息前，用强磁场对GdCo介质进行初始磁介质进行初始磁化，使各磁畴单元具有相同的磁化方向化，使各磁畴单元具有相同的磁化方向v写入信息时，磁头的写入脉冲激光聚焦在介质表写入信息时，磁头的写入脉冲激光聚焦在介质表面，光照下介质矫顽

29、力因温升迅速减小，此时通面，光照下介质矫顽力因温升迅速减小，此时通过磁光头中的线圈施加反偏磁场，使光照微区反过磁光头中的线圈施加反偏磁场，使光照微区反向磁化向磁化v撤去写入脉冲和反偏磁场，介质中无光照部分的撤去写入脉冲和反偏磁场，介质中无光照部分的磁化强度保持原来方向，实现磁化方向的反差记磁化强度保持原来方向，实现磁化方向的反差记录录63信息读出信息读出v利用利用Kerr磁光效应磁光效应检测记录单元的磁化方向检测记录单元的磁化方向v1877年，年，Kerr发现用直线偏振光射到向上磁化的发现用直线偏振光射到向上磁化的介质，反射后，偏振面会绕反射线向右旋转一定介质，反射后，偏振面会绕反射线向右旋转

30、一定角度；角度一般只有角度；角度一般只有0.30.5，称为，称为Kerr角角v读取信息时，磁头中的起偏器产生偏振光扫描信读取信息时，磁头中的起偏器产生偏振光扫描信息轨道，然后通过检偏器检测各单元磁化方向息轨道，然后通过检偏器检测各单元磁化方向64信息擦除信息擦除v擦除信息时，用原来的写入激光照射信息道，并擦除信息时，用原来的写入激光照射信息道，并施加与初始方向相同的偏磁场，记录单元的磁化施加与初始方向相同的偏磁场，记录单元的磁化方向又会复原方向又会复原65利用记录介质在晶态和非晶态之间的可逆相变利用记录介质在晶态和非晶态之间的可逆相变也可以实现光盘信息的反复可擦重写：也可以实现光盘信息的反复可

31、擦重写：v信息写入：对应高功率的激光热效应，晶态介质信息写入：对应高功率的激光热效应，晶态介质快速凝固后从晶态转变成非晶态快速凝固后从晶态转变成非晶态v信息读出：用弱激光来扫描相变盘，晶态反射率信息读出：用弱激光来扫描相变盘，晶态反射率高，非晶态反射率低高，非晶态反射率低v信息擦除：对应中功率的激光热效应，非晶介质信息擦除：对应中功率的激光热效应，非晶介质成核生长，从非晶态转变成晶态成核生长，从非晶态转变成晶态2）相变盘）相变盘66以下是近几年国外公司所用的相变介质：以下是近几年国外公司所用的相变介质：vIBM：可擦重写：可擦重写Sb2Sev飞利浦：可擦重写飞利浦：可擦重写InSbTe，InS

32、bSe、InSbv松下：可擦重写松下：可擦重写Ge2Sb2Te5、Ge2Sb2Te4；直接；直接擦写擦写GeTe-Sb2Te3-Sbv日立：可擦重写日立：可擦重写InSeTl、InSeSn；直接重写；直接重写InSeTl、GeTe-Sb2Te3Co67可擦写光盘可擦写光盘68光盘存储优点光盘存储优点v高存储密度高存储密度：普通光盘单面可存储：普通光盘单面可存储640兆字节；高兆字节；高密度密度DVD光盘容量在光盘容量在8G以上以上v非接触式读写信息非接触式读写信息：不会让光学头或盘面磨损、：不会让光学头或盘面磨损、划伤，并能自由更换光盘划伤，并能自由更换光盘v长存储寿命长存储寿命：至少在：至少

33、在10年以上年以上v低信息位价格低信息位价格：光盘易于大量复制，容量大，因：光盘易于大量复制，容量大，因此存储单位信息的价格低廉此存储单位信息的价格低廉69三、信息处理材料三、信息处理材料场效应晶体管场效应晶体管701. CPU是怎样制造的？是怎样制造的？制造第一阶段制造第一阶段：提炼硅锭提炼硅锭硅是单一元素半导体，具有力学强度高，结晶硅是单一元素半导体，具有力学强度高，结晶性能好等特点，在自然界中有丰富的储量。性能好等特点，在自然界中有丰富的储量。自然界中的石英砂、硅酸盐不具有半导体性质，自然界中的石英砂、硅酸盐不具有半导体性质，其中含有大量杂质。其中含有大量杂质。通过多步净化得到可用于半导

34、体制造质量的硅通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅（Si纯度纯度 99.9999%），学名电子级硅（），学名电子级硅（EGS）。）。71电子级硅通常为多晶结构，电子的运动速度和电子级硅通常为多晶结构，电子的运动速度和寿命低，严重影响器件的频率特性，需制成单晶。寿命低，严重影响器件的频率特性，需制成单晶。通常采用提拉法生产比较均匀、无缺陷而且尺通常采用提拉法生产比较均匀、无缺陷而且尺寸较大的单晶硅。寸较大的单晶硅。在坩埚中盛满硅并使其温度保持在高于硅的熔在坩埚中盛满硅并使其温度保持在高于硅的熔点点100左右，将一颗小的硅种晶浸入硅熔液中，随左右，将一颗小的硅种晶浸入硅熔液中，随后旋转拉杆将它

35、缓慢从熔融硅中拉起来。后旋转拉杆将它缓慢从熔融硅中拉起来。727374制造第二阶段：切割晶圆制造第二阶段：切割晶圆横向切割硅锭成圆形的单个硅片，也就是我们横向切割硅锭成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆（常说的晶圆（Wafer）。）。75制造第三阶段：光刻过程制造第三阶段：光刻过程76光刻胶层随后透过掩模（光刻胶层随后透过掩模（Mask）被曝光在紫外）被曝光在紫外线之下，变得可溶。线之下，变得可溶。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成一层包含数亿个晶过它照在光刻胶层上，就会形成一层包含数亿个晶体管的电路图案。体管的电路图

36、案。由此进入由此进入50200nm尺寸的晶体管级别。尺寸的晶体管级别。77制造第四阶段：清除光刻胶制造第四阶段：清除光刻胶78v溶解光刻胶溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致v蚀刻蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分v清除光刻胶清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案成，全部清除后就

37、可以看到设计好的电路图案79制造第五阶段：离子注入制造第五阶段：离子注入80v光刻胶光刻胶：再次浇上光刻胶（蓝色部分），然后光：再次浇上光刻胶（蓝色部分），然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料保护不会离子注入的那部分材料v离子注入离子注入：用金属离子在电场之内加速，轰击硅：用金属离子在电场之内加速，轰击硅片表面，由于速度很快，能量很高，离子能够直片表面，由于速度很快，能量很高，离子能够直接进入硅内部，从而改变局部导电性接进入硅内部，从而改变局部导电性v清除光刻胶清除光刻胶：离子注入完成后，清除光刻胶：离子注入完成

38、后，清除光刻胶81制造第六阶段：沉积二氧化硅绝缘层制造第六阶段：沉积二氧化硅绝缘层82制造第七阶段：电镀晶圆制造第七阶段：电镀晶圆83v继续使用掩模光刻技术，在绝缘层（品红色）上继续使用掩模光刻技术，在绝缘层（品红色）上蚀刻出三个孔洞蚀刻出三个孔洞v电镀：铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的电镀：铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层，那些孔也被使铜填满铜层，那些孔也被使铜填满84制造第八阶段：抛光处理制造第八阶段：抛光处理将多余的铜抛光掉，留下晶体管的三个接触点。将多余的铜抛光掉，留下晶体管的三个接触点。85重复进行掩膜光刻、电化学沉积、精密抛光步重复进行掩膜光刻、电化学沉积、精密抛光步骤

39、，在不同晶体管之间形成复合互连金属层，新一骤，在不同晶体管之间形成复合互连金属层，新一代代CPU可以达到可以达到20层甚至更多的电路。层甚至更多的电路。86制造第九阶段：晶圆切片制造第九阶段：晶圆切片87v晶圆测试：使用参考电路图案和每一块芯片进行晶圆测试：使用参考电路图案和每一块芯片进行对比对比v晶圆切片：将晶圆切割成块，每一块就是一个处晶圆切片：将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核理器的内核v丢弃瑕疵内核：测试过程中发现的有瑕疵的内核丢弃瑕疵内核：测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步被抛弃，留下完好的准备进入下一步88制造第十阶段：封装制造第十阶段：封装89衬

40、底（基片）、内核、散热片堆叠在一起，就衬底（基片）、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。形成了我们看到的处理器的样子。衬底相当于一个底座，并为处理器内核提供电衬底相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。系统的其它部分交互。散热片就是负责内核散热的了。散热片就是负责内核散热的了。902. 其它常温半导体材料其它常温半导体材料锗是具有灰色金属光泽的固体，常温下化学性锗是具有灰色金属光泽的固体，常温下化学性质稳定，是重要的元素半导体材料之一。质稳定，是重要的元素半导体材料之一。1948年，诞生了第一只锗晶体管。年，诞生了

41、第一只锗晶体管。锗在晶体管初期发展时代曾为晶体管的主要原锗在晶体管初期发展时代曾为晶体管的主要原料，到料，到20世纪世纪60年代中期才逐步被硅所代替。年代中期才逐步被硅所代替。（1）锗材料锗材料91v锗的载流子迁移速率比硅高，相同条件下具有较锗的载流子迁移速率比硅高，相同条件下具有较高的工作频率、较低的饱和压降、较高的开关速高的工作频率、较低的饱和压降、较高的开关速度和良好的低温性能，可作为雪崩二极管、高速度和良好的低温性能，可作为雪崩二极管、高速开关管以及高频小功率三极管等开关管以及高频小功率三极管等v锗还具有优良的红外光学性能，可做为红外窗口锗还具有优良的红外光学性能，可做为红外窗口和透镜

42、、低温红外探测器及低温温度计等和透镜、低温红外探测器及低温温度计等92（2）砷化镓）砷化镓GaAs由于由于Ga是周期表中第是周期表中第IIIA族元素，族元素，As是第是第VA族元素，所以称族元素，所以称GaAs是是III-V族化合物半导体。族化合物半导体。GaP、InP等也是等也是III-V族化合物半导体，这些族化合物半导体，这些材料具有优良的半导体特性。材料具有优良的半导体特性。GaAs和和InP是微电子和光电子的基础材料，具是微电子和光电子的基础材料，具有电子漂移速度高、耐高温、抗辐照等特点。有电子漂移速度高、耐高温、抗辐照等特点。93v电子在电子在GaAs中运动速度比中运动速度比Si中快

43、中快67倍，倍，GaAs晶晶体管开关速度比硅晶体管快体管开关速度比硅晶体管快14倍，成为微波通信、倍，成为微波通信、军事电子技术和卫星数据传输系统的关键部件军事电子技术和卫星数据传输系统的关键部件v在高频通信信号放大、光探测等方面，在高频通信信号放大、光探测等方面，GaAs晶体晶体管也有重要应用管也有重要应用vInP具有比具有比GaAs更优越的高频性能，在超高速、更优越的高频性能，在超高速、超高频、低功耗、低噪声器件和电路，特别是光超高频、低功耗、低噪声器件和电路，特别是光电子器件和光电集成方面占有独特的优势电子器件和光电集成方面占有独特的优势943. 高温半导体高温半导体（1）碳化硅）碳化硅

44、半导体半导体Si器件工作温度一股不超过器件工作温度一股不超过200。军事工业、飞机发功机和宇航等产业要求研制军事工业、飞机发功机和宇航等产业要求研制在在500600范围内工作的电子器件。范围内工作的电子器件。为提高半导体器件工作温度，应选禁带大，高为提高半导体器件工作温度，应选禁带大，高温性能稳定的温性能稳定的SiC高温半导体材料，能隙宽度在高温半导体材料，能隙宽度在2.393.33eV的范围内变化。的范围内变化。95vSiC器件制成的器件制成的p-n结可在结可在500下工作下工作这是它这是它最重要的应用最重要的应用vSiC是军用是军用GaN微电子材料和器件的首选衬底微电子材料和器件的首选衬底

45、：与传统的蓝宝石衬底相比，与传统的蓝宝石衬底相比，SiC具有更高的热导具有更高的热导率，晶格常数和热膨胀系数与率，晶格常数和热膨胀系数与GaN更为接近，失更为接近，失配度仅为配度仅为3.5%（蓝宝石为蓝宝石为17%）96（2）人造金刚石薄膜）人造金刚石薄膜金刚石是最理想高温半导体材料，禁带宽度是金刚石是最理想高温半导体材料，禁带宽度是5.45ev，电子和空穴迁移率均高，抗电场击穿强度，电子和空穴迁移率均高，抗电场击穿强度大，是自然界热导率最高的材料。大，是自然界热导率最高的材料。金刚石半导体金刚石半导体材料在高温材料在高温、高功率器件领域有高功率器件领域有着极大的潜在应用着极大的潜在应用前景前

46、景。97四、信息传递材料四、信息传递材料信息传递材料是用于各种通信器件的能够用来信息传递材料是用于各种通信器件的能够用来传递信息的材料。传递信息的材料。以光子为信息载体，用光纤通信替代电缆和微以光子为信息载体，用光纤通信替代电缆和微波通信，是波通信，是20世纪通信技术的重大进步！世纪通信技术的重大进步！98光纤通信的主要优点光纤通信的主要优点v传输频带宽、通信容量大传输频带宽、通信容量大v传输损耗小传输损耗小v抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强v线径细、质量轻线径细、质量轻v资源丰富，节省电缆通信的铜资源资源丰富，节省电缆通信的铜资源99光纤的结构光纤的结构v纤芯：折射率较高，用来传送光纤芯：折

47、射率较高，用来传送光v包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射v保护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤保护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤100光导纤维接受与传输光线原理图光导纤维接受与传输光线原理图101目前绝大多数通信用光纤是用石英材料纤芯和目前绝大多数通信用光纤是用石英材料纤芯和包层做成的双层同心玻璃体，其具有资源丰富、化包层做成的双层同心玻璃体，其具有资源丰富、化学性能稳定、膨胀系数小等优点。学性能稳定、膨胀系数小等优点。石英光纤石英光纤v光纤的纤芯是纯度达到光纤的纤芯是纯度达到99.9999%的的SiO2，在纤芯，在纤芯中掺入折射率比石英高的

48、杂质锗中掺入折射率比石英高的杂质锗v在包层中掺入折射率比石英低的杂质氟或者磷在包层中掺入折射率比石英低的杂质氟或者磷102五、信息显示材料五、信息显示材料按照显示原理，信息显示材料主要可分为：按照显示原理，信息显示材料主要可分为：v阴极射线管显示材料（阴极射线管显示材料（CRT）v场发射显示材料（场发射显示材料（FED）v液晶显示材料（液晶显示材料（LCD）v等离子体显示材料（等离子体显示材料（PDP）v发光二极管显示材料（发光二极管显示材料（LED）v电致发光有机材料（电致发光有机材料（OLED）1031. 阴极射线管材料（阴极射线管材料（CRT）阴极射线管是将电信号转变为光学图像的一类阴极

49、射线管是将电信号转变为光学图像的一类电子束管，主要由电子束管，主要由电子枪电子枪、偏转系统偏转系统、管壳管壳和和荧光荧光屏屏构成。构成。104 电子枪发射高速电子电子枪发射高速电子 采用垂直偏转线圈、水平偏转线圈控制高速电子采用垂直偏转线圈、水平偏转线圈控制高速电子的偏转角度的偏转角度 高速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光高速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光 采用电压调节电子束功率，在屏幕上产生明暗不采用电压调节电子束功率，在屏幕上产生明暗不同的光点，形成各种图案和文字同的光点，形成各种图案和文字CRT工作原理工作原理105 屏幕上每一像素点都由红（屏幕上每一像素点都由红（R）、绿（）、绿（G

50、）、蓝）、蓝（B）三种涂料组合而成）三种涂料组合而成 三束电子束可分别激活这三种颜色的磷光涂料三束电子束可分别激活这三种颜色的磷光涂料 以不同强度的电子束调节三种颜色的明暗程度，以不同强度的电子束调节三种颜色的明暗程度，就可得到所需的颜色就可得到所需的颜色106107CRT显示材料是指能在电子束轰击下发光的一显示材料是指能在电子束轰击下发光的一类发光材料、即阴极射线荧光粉。类发光材料、即阴极射线荧光粉。阴极射线荧光粉有上百种，目前用于彩色显像阴极射线荧光粉有上百种，目前用于彩色显像管的典型发光粉是：管的典型发光粉是：vZnS：Ag（蓝色）（蓝色）vZnS：Cu、A1（黄绿色）（黄绿色）vY2O

51、3S：Eu2+（红色）（红色）CRT显示材料显示材料108传统发光粉满足不了大尺寸显示屏和高清晰电传统发光粉满足不了大尺寸显示屏和高清晰电视对分辨率和色彩的要求，高分辨率显示要求发光视对分辨率和色彩的要求，高分辨率显示要求发光粉颗粒尺寸小于粉颗粒尺寸小于5nm，颗粒表层不存在辐射中心。，颗粒表层不存在辐射中心。纳米技术已制备出颗粒尺寸为纳米技术已制备出颗粒尺寸为110nm的发光粉，的发光粉，在尺寸上完全满足高清晰电视的要求。在尺寸上完全满足高清晰电视的要求。采用纳米发光材料既可提高采用纳米发光材料既可提高CRT发光材料的发发光材料的发光效率，又可提高光效率，又可提高CRT显示屏的分辨率。显示屏

52、的分辨率。纳米纳米ZnS：Mn粉末是目前较好的一种发光材料，粉末是目前较好的一种发光材料，可用于高清晰度电视显示。可用于高清晰度电视显示。纳米纳米CRT发光材料发光材料109v分辨率高、亮度高、视角大、色彩范围宽分辨率高、亮度高、视角大、色彩范围宽v 性价比较高性价比较高v耗电量大、尺寸大、重量大耗电量大、尺寸大、重量大v受电磁场影响，容易发生线性失真受电磁场影响，容易发生线性失真v存在辐射，影响使用者身体健康存在辐射，影响使用者身体健康v无法制造较大面积的显示屏无法制造较大面积的显示屏CRT的优缺点的优缺点较大真空玻璃外壳容易破裂；显示面积较大时，较大真空玻璃外壳容易破裂；显示面积较大时，扫

53、描频率降低，无法显示运动影像。扫描频率降低，无法显示运动影像。1102. 液晶显示材料（液晶显示材料（LCD）v液晶分子呈棒状、板状或碗状，长约一个纳米液晶分子呈棒状、板状或碗状，长约一个纳米v液晶分子是含有极性基团的极性分子液晶分子是含有极性基团的极性分子v液晶分子长轴不易弯曲，有一定的刚性液晶分子长轴不易弯曲，有一定的刚性液晶分子的特点液晶分子的特点111在分子序列中，液晶分子具有一维和二维远程在分子序列中，液晶分子具有一维和二维远程有序，介于理想液体和晶体之间。有序，介于理想液体和晶体之间。液晶具有晶体一样的各向异性，也具有液体的液晶具有晶体一样的各向异性，也具有液体的流动性。流动性。1

54、121）根据液晶的形成条件：）根据液晶的形成条件：液晶的分类液晶的分类v溶致型液晶溶致型液晶：利用合适的溶剂制成一定浓度的溶：利用合适的溶剂制成一定浓度的溶液，当此浓度超过某一临界值时才显示液晶的性液，当此浓度超过某一临界值时才显示液晶的性质质v热致型液晶热致型液晶：在：在Tc（由晶态转入液晶态的温度）（由晶态转入液晶态的温度）和和Ti（由液晶态转入无序液体的温度）之间的温（由液晶态转入无序液体的温度）之间的温度范围内形成液晶态度范围内形成液晶态作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。1132）根据液晶态的结构：）根据液晶态的结构：114v向列型向列型：棒状分子

55、不分层，分子可以转动，也可：棒状分子不分层，分子可以转动，也可向各个方向滑动，只在分子长轴方向保持平行排向各个方向滑动，只在分子长轴方向保持平行排列列这类液晶粘度较小，流动性较好，是液晶这类液晶粘度较小，流动性较好，是液晶显示用的主要类型显示用的主要类型v近晶型近晶型：棒状分子分层排列，分子在层内按分子：棒状分子分层排列，分子在层内按分子长轴方向互相平行，分子只能在层内转动或滑动，长轴方向互相平行，分子只能在层内转动或滑动，不能在层间移动不能在层间移动这类液晶粘度很大，一般不这类液晶粘度很大，一般不用于液晶显示用于液晶显示115v胆甾型胆甾型：棒状分子分层排列，层内分子相互平行，：棒状分子分层

56、排列，层内分子相互平行，相邻两层分子的长轴方向略有变化，旋转一定角相邻两层分子的长轴方向略有变化，旋转一定角度，分子沿层的法线方向排列成螺旋状结构度，分子沿层的法线方向排列成螺旋状结构 胆甾液晶的螺距随温度变化而变化，液晶显示的胆甾液晶的螺距随温度变化而变化，液晶显示的颜色会随之变化，可用于温度的测量，薄膜体温颜色会随之变化，可用于温度的测量，薄膜体温计就是利用这一原理制作的计就是利用这一原理制作的 胆甾液晶的螺距会因为某些微量杂质的存在而受胆甾液晶的螺距会因为某些微量杂质的存在而受到强烈影响，从而改变颜色，因而可用于某些化到强烈影响，从而改变颜色，因而可用于某些化学药品痕量蒸汽的指示学药品痕量蒸汽的指示116117液晶显示原理液晶显示原理液晶显示是依靠液晶的电光效应和热光效应：液晶显示是依靠液晶的电光效应和热光效应：v电光效应电光效应：在电场作用下，液晶分子的偶极矩会：在电场作用下，液晶分子的偶极矩会按电场方向取向，使分子原有排列方式发生变化，按电场方向取向，使分子原有排列方式发生变化，引起液晶光学性质变化引起液晶光学性质变化v热光效应热光效应：通过将液晶加