材料科学和人类文明第6章信息材料精选课件

1、第六章信息材料Wu Jin-Ming 本章主要内容 信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料Wu Jin-Ming 信息简介信息处理技术和材料信息传递技术和材料信息存储技术和材料信息显示技术和材料Wu Jin-Ming 信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet信息既非物质也非能量，却是构成世界的要素信息的作用？极大提高劳动生产率当前的信息发展以多媒体化（数据、文字、声音、图像）和数字化为主要特征全球信息量增长趋势(1PB=106GB)21世

2、纪进入3T时代 太位信息量(1Tb=1012b) 每秒太位信息流(Tb/s) 太赫兹(THz)高频响应Wu Jin-Ming 信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet信息的含义在自然界，宇宙中的射电源不停地向宇宙空间发射电波。这种电波是射电源存在的信息花卉的应季荣衰是寒暑交替的信息人们通过电视、电话、报刊等各种媒体，每时都在获取、加工、传递、利用大量的信息通过天气预报获取气象信息，可以合理地安排生产、生活在行政工作中，看材料、学文件是获取信息；作决策、批文件是处理信息；作指示是传递信息可见，信息来源于客观世界，范围广大，具有一定的利用价值，

3、可通过载体为人们所获知，用来指导人类认识世界、改造世界Wu Jin-Ming 信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet信息的含义人类认知世界、改造世界，就是获取信息、加工信息、发送信息的过程牛津辞典：信息就是谈论的事情、新闻和知识” 韦氏字典：“信息，就是在观察或研究过程中获得的数据、新闻和知识” 广 辞 苑：“信息是所观察事物的知识”辞海1989：“信息是通信系统传输和处理的对象，泛指消息和信号的具体内容和意义，通常需通过处理和分析来提取”广义上，信息是可通过文字、图像、声音、符号、数据等为人类获知的知识本质上，信息是反映现实世界的运动、

4、发展和变化状态及规律的信号与消息Wu Jin-Ming 信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet（1）普遍性和无限性 （2）可传递性和共享性 （3）必须依附于某种物体之上 （4）是可以加工处理的信息与数据不是同一个概念 信息与信号不同“信息”的主要特征 Wu Jin-Ming 信息技术获取处理存储显示传输电子学微电子学光电子学光子学20 世纪21 世纪信息载体：电子光子电子、光子信息技术很大程度上依赖材料和元器件的发展信息材料是信息技术发展的基础和先导Wu Jin-Ming 信息技术 信息

5、技术是收集、处理、存储和传递信息的技术， 是扩展人类信息器官功能的一类技术 信息器官 人体信息器官的功能 拓展信息器官功能的信息技术 感觉器官 获取信息 感测技术 神经系统 传递信息 通信技术 思维器官 加工/再生信息 信息处理技术 效应器官 施用信息 控制技术Wu Jin-Ming 信息技术每一项信息技术自问世起就一直在推动人类的发展语言的产生文字的创造印刷术的发明微电子技术、现代通信技术和计算机技术-进入新的信息技术革命的高潮多媒体信息和网络化信息在当今以数字化、网络化为主要特征的信息化社会中，信息有时比材料、能源更为重要从属地位 -主导地位Wu Jin-Ming

6、 信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料Wu Jin-Ming 半导体动态随机存取器(DRAM-dynamic random access memory)时 间19882019200020192019容 量(GB)0.1280.2561-410-20256光刻线宽(mm)50.10.01单晶硅直径(mm)200300350400450缺陷尺寸(mm)0.120.050.030.01表面粗糙度(nm)10.50.3106 FET/芯片Wu Jin-Ming msewjmzj

7、微电子芯片技术与材料场效应管图片Wu Jin-Ming 微电子芯片技术与材料转移特性曲线栅电压VGS对漏极电流ID的控制特性转移特性曲线的斜率gm反映了栅电压对漏极电流的控制作用gm量纲为mA/V，也称跨导，定义式如下 gm=ID/VGSVDS=constID=f(VGS)VDS=constMOSFET金属(M)-氧化物(O)-半导体(S)场效应晶体管Wu Jin-Ming 微电子芯片技术与材料衬底材料：单晶硅绝缘介质电极材料互连材料工艺材料：磨料、光刻胶等触摸屏材料Wu Jin-Ming 衬底硅掩模版衬底

8、硅紫外光涂光致抗蚀剂曝光显影衬底硅腐蚀衬底硅去胶衬底硅SiO2IC工艺光刻技术光刻即光刻腐蚀Wu Jin-Ming IC工艺化学机械抛光技术磨料组成 氧化剂：H2O2、HNO3 摩擦剂：Al2O3Wu Jin-Ming 1）体缺陷对器件成品率(Y)的影响 Y = e-DA D-Si中缺陷密度； A-芯片面积2）表面缺陷 I）外生粒子，表面尘埃 清洗、SCT II）晶生粒子衬底材料Si、SOI(绝缘层附着硅)、GaN、SiGe对Si的要求 晶片直径大 缺陷密度小 几何精度（平整度）高Wu Jin-Ming 栅结构材料栅

9、绝缘介质层要求：低缺陷和缺陷密度、高介电常数、低漏电流密度、高抗老化抗击穿特性，与Si具有良好的界面特性和低的界面态密度材料： SiO2(1.5 nm)、SiON(掺N氧化硅)、Ta2O5、TiO2、 (Sr,Ba)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)等栅电极材料要求：与Si兼容、低电阻率材料：Al、多晶Si、GexSi1-x、W/TiNWu Jin-Ming 互连材料要求 低电阻率 线宽（特征尺寸越小，线宽所占面积越大） 延迟（250 nm，pMOS门延迟=15 ps，而互连延迟=100 ps 工艺性（易沉积、易刻蚀) 与Si衬底相容性（扩散等问题）材料：A

10、l(传统材料)、Cu(新材料，电阻率更低)以Cu代Al的问题： 容易向Si或SiO2中扩散(扩散阻挡层材料：W、Ti、Ta等) 形成Cu-Si金属间化合物 粘附性差 刻蚀困难Wu Jin-Ming 触摸屏简单原理 电阻技术触摸屏 电阻触摸屏的主要部分是与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏电阻薄膜屏是一种多层复合薄膜，以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属(ITO氧化铟，透明导电电阻)导电层，上面在盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、其内表面也涂有一层ITO涂层、两层ITO涂层间有许多细小(小于1/1000英寸)的透明隔离点，将两层导电层隔开绝缘 当

11、手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，控制器侦测到这一接触并计算出(X, Y)的位置，再根据模拟鼠标的方式运作ITO透明导电层硬塑料或玻璃基板外表硬化处理塑料层电阻薄膜屏结构示意图Wu Jin-Ming 触摸屏简单原理 表面声波技术触摸屏 声波可在物体表面传输手触摸到触摸屏表面时，可阻碍声波的传输。换能器侦测到这个变化，反映给计算机，进而进行鼠标模拟 Wu Jin-Ming 触摸屏简单原理 电容技术触摸屏 利用人体的电流感应进行工作 用户触摸屏幕时，人体电场使用户和触摸屏表面形成耦合电容电容是高频电流的直接导体，于是手指从接触点吸

12、走一个很小的电流这个电流分从触摸屏四角上的电极中流出流经四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器对四个电流的比例进行精确计算，得出触摸点的位置 Wu Jin-Ming 信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料Wu Jin-Ming 信息传递技术和材料以光子为信息载体，用光纤通信替代电缆和微波通信，是20世纪通信技术的重大进步！光纤通信历史进展20 世纪 70年代 低损耗石英光纤、长寿命半导体激光器第一代光纤通信 1978年，光缆长10 km，传输率100 km)无中继传输Wu Jin-M

13、ing 光纤发展阶段发展阶段波长(m)模数 衰耗 (dB/km) 中继距离(Km)第一阶段0.85多模1.510第二阶段1.30单模0.860第三阶段1.55单模0.16500第四阶段 253 x 10-42500一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电带宽的1000倍(25 Tb/s vs 25 Gb/s )信息传递技术和材料Wu Jin-Ming 信息传递技术和材料l1l2l3lnl1l2l3ln波分复用光纤通信网示意图1-外调制分布反馈激光器，2-光纤宽带偶合器，3-传输光纤，4-光纤光栅滤光器，5-检波器光缆中心能量密度很高，导致布

14、里渊散射、拉曼散射、四波混频等非线性现象对器件和材料的要求：新型光纤(true wave fiber, leaf fiber)、半导体激光器、高速光调制器、光滤波器Wu Jin-Ming 光纤材料 石英玻璃 SiO2、SiO2-GeO2、SiO2-B2O3-F 多组分玻璃 SiO2-GaO-Na2O、SiO2-B2O3Na2O 红外玻璃 重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃 Er、Nd 多模：小容量、近距离(40 Km,100 Mb/s)单模：40 Gb/s、200 Km，不需信号放大Wu Jin-Ming 光纤结构芯 部光传输通道包覆层保护

15、芯部，折射率匹配保护套尼龙，保护光纤芯包覆层n%掺杂主要组成掺杂主要组成P2O5SiO2B2O3SiO20.8GeO2SiO2B2O3SiO21.2GeO2、B2O3SiO2B2O3SiO21.3Wu Jin-Ming 光纤分类按折射率分布分类：阶跃型、渐变型按材料分类：玻璃光纤、塑料光纤Wu Jin-Ming 信息简介信息处理技术和材料信息传递技术和材料 信息存储技术和材料信息显示技术和材料Wu Jin-Ming 信息存储技术和材料 硬磁盘技术的发展时间19922019201920002019储存容量(GB)0.6

16、0.95-101050储存密度(Gb/in2)0.10.84620数据率(Mb/s)16100150350500存取时间(ms)30201065数字信息存储要求：高密度、高传输率、长寿命、高擦写次数、低价格提高存储密度主要依赖于磁介质材料！Wu Jin-Ming 磁介质材料磁介质材料 磁性氧化物(氧化铁)涂在塑料/金属薄片上 (70) 超细磁性氧化物粉末、磁性氧化物薄膜 (80) 连续磁性介质CoCrPt、CoCrTa薄膜 (90) Co/Sm钐、Fe/Pt、Fe/Cr、Co/Cu多层膜磁记录 记录传感元件是磁头在21世纪初仍有很强的生命力，利用垂直磁记录、纳米单磁畴

17、技术，再加先进磁头的采用，可能使记录密度达100Gb/in2，所用介质为氧化物磁粉(-Fe2O3、加 Co-Fe2O3、CrO2)、金属磁粉、钡铁氧体粉Wu Jin-Ming 磁盘结构示意图Liquid lubricant 1-2 nm类金刚石碳 (DLC) 10-15 nmMagnetic coating 25-75 nmAl-Mg/10 m NiP or Glass-ceramic 0.78-1.3 mm5mm磁盘存储材料Wu Jin-Ming 光盘存储材料高密度光盘存储材料 磁光存储介质Pt/Co、MnBiAl 稀土掺杂钇铝石榴石YIG

18、 (yttrium aluminum garnet) 相变型存储介质Ge锗-Te碲-Sb锑, In铟-Sb-Ag-Te等 有机存储介质菁化合物、酞菁化合物、螺环化合物等磁光记录 记录传感元件是光头磁光盘介质主要是稀土-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Wu Jin-Ming 光、磁存储性能比较光盘硬盘磁带中等性能0.252 Gb/in225 Mb/s随机存取高容量低价格可移动长寿命( 10年)高性能24 Gb/in2150 Mb/s随机存取高容量价格合理不可移动寿命较短中

19、等性能0.81 Gb/in240 Mb/s序列存取高容量低价格可移动长寿命(3-5年)Wu Jin-Ming 光、磁存储性能比较与磁存储技术相比，光盘存储技术的特点为1 非接触式读/写、擦2 信息的载噪比(SNR，signal-to-noise ratio)高3 信息位价格低，只读式光盘可大量复制Wu Jin-Ming 高分子液晶信息存储示意图信息存储高分子液晶侧链型高分子液晶通常具有较高的玻璃化转变温度利用这一特性，可使它在室温下保存一定工作条件下记录的信息首先将存贮介质制成透光的向列型晶体用一束激光照射，高分子液晶局部温度升高，熔融成各向

20、同性液体，失去有序度激光消失后，高分子液晶凝结为不透光的固体，记录结构被冻结，所记录的信息在室温下将被永久保存Wu Jin-Ming 信息存储高分子液晶同光盘相比，采用热致性侧链高分子液晶为基材制作信息贮存介质，由于其记录的信息是材料内部特征的变化，因此 可靠性高 不怕灰尘和表面划伤 适合重要数据的长期保存Wu Jin-Ming 信息简介信息处理技术和材料信息传递技术和材料信息存储技术和材料 信息显示技术和材料Wu Jin-Ming 信息显示技术和材料 阴极射线管显示(CRT-cathode ray tube)场致发

21、射显示 (FED-field effect display) 发光二极管显示 (LED-light emitting diode) 等离子体显示 (PDP)液晶显示 (LCD-liquid crystal display)Wu Jin-Ming 光电显示技术发展历史 100多年前， 德国布朗发明了阴极射线管，开始了光电显示 20世纪60年代，液晶显示 20世纪70年代，扭曲向列液晶显示（TN-LCD） 20世纪80年代，超扭曲向列液晶显示（STN-LCD） 20世纪90年代，薄膜晶体管有源矩阵液晶显示 (TFT-LCD) 近年来， 彩色等离子体显示Wu Jin-Min

22、g 显示器件性能评价 亮度 垂直于光束传播方向单位面积发光强度 发光效率 显示器件辐射出的单位能力所发出的光通量 对比度 显示部分和非显示部分的亮度之比 分辨率 单位长度像元数量；显示器件含有的像元数量 灰度 亮度等级，灰度越高，图像层次越分明，颜色越丰富 响应时间 从施加电压到显示图像所需时间余辉时间 从切断电压到图像消失所需时间 寿命、稳定性 色彩 视角 工作电压和功耗Wu Jin-Ming 工作原理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的偏转角度，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

23、上产生明暗不同的光点，形成各种图案和文字阴极射线管(CRT)工作原理电子枪加速器偏转线圈电压控制Wu Jin-Ming 屏幕上每一像素点都由红(R)、绿(G)、蓝(B)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倘若电子束瞄准不够精确，就可能打到邻近的磷光涂层，产生不正确的颜色或轻微的重像。因此，必须对电子束进行精确的控制荫罩式显像管 荫栅式显像管 阴极射线管(CRT)工作原理Wu Jin-Ming 阴极射线管(CRT)发光材料组分发光色主波长nm发光效率lm/W余辉时

24、间*用途ZnS:Ag蓝45021S彩色CRTZnS: Cu, Al黄绿53017， 23S彩色CRTY2O2S: Eu3+红62613M彩色CRTZn2SiO4: Mn2+绿5258M雷达Y3(Al, Ga)5O12: Tb3+黄绿544-M投影管Y2O3: Eu3+红6268.7M投影管Zn2SiO4: Mn2+, As绿525-L微机* 余辉时间用发光强度最大值降至10%的时间S: 1 s1 ms; M: 1 ms30 ms; L: 30 ms1 sWu Jin-Ming 阴极射线管(CRT)的优缺点 分辨率高，亮度高，视角大，色彩范围宽 性能价格比较高耗电量大尺

25、寸大，重量大无法制造较大面积的显示屏技术上的困难：较大真空玻璃外壳容易破裂显示面积较大时，扫描频率降低，无法显示运动影像受电磁场影响，容易发生线性失真存在辐射，影响使用者身体健康CRT缺点CRT优点Wu Jin-Ming FED结构：阴极板、肋状隔离器和阳极板场致发射显示 (FED)工作原理微尖阴极形成强电场并发射电子带能量电子穿过真空管，撞击阳极屏幕的荧光屏阳极，产生形成图像的光所用荧光层与CRT相同或类似Wu Jin-Ming 场致发射显示 (FED)材料发光材料类似于CRT发光材料，但要求更高，因为FED大电流并长时间寻址，发光粉库仑负

26、载大冷阴极材料微尖密度：106109/cm2材料要求：功函数低、稳定性好、 热导率高、击穿电压高主要材料：金刚石、硅单晶、 金属钼、碳纳米管阵列支撑间隔材料通常是涂有特殊涂层的工程陶瓷 耐强电场 二次电子发射系数低 对沉积电荷的消除能力Wu Jin-Ming 发光二极管显示(LED)工作原理发光二极管是一种把电能转换成光能的固态发光器件(晶体管)一般用半导体材料在正、负极间加上适当正向电压后，二极管导通，半导体晶片便发光，在透明或半透明的塑料外壳显示出来Wu Jin-Ming LED半导体材料是由III-IV族化合物，如GaAs(砷化镓)、G

27、aP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN结，在一定条件下具有发光特性在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）的一部分与多数载流子（多子）复合而发光半导体材料Eg=3.261.63eV，产生可见光(波长380nm紫光780nm红光)现有红外、红、黄、绿、蓝发光二极管蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍 发光二极管显示(LED)工作原理Wu Jin-Ming 基本要求材料导电性易控制对发射光透明性好发光跃迁几率高发光二极管显示(LED)材料常见材料GaP:ZnO 红光LEDGaP:N 绿光LEDGaA

28、sP 红光LEDInGaAlP系 橙、黄光LEDGaN系 蓝光LEDWu Jin-Ming 等离子体(电离气体)显示技术(PDP)基本原理 PDP显示器的工作原理与日光灯相似PDP显示屏上安装数以十万计的等离子管，为发光体(像素)每个发光管有两个玻璃电极，内部充满氦、氖等惰性气体，其中一个玻璃电极上涂有三原色荧光粉两个电极间加上高电压时，惰性气体放电而形成等离子体PDP显示原理图（剖面结构）惰性气体放电时产生紫外光，激发显示屏上的红、绿、蓝三原色荧光粉，发出可见光Wu Jin-Ming 优点： 亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、画面响应速度快

29、 视野开阔、视角广(高达160度) 能提供亮丽、均匀、平滑的画面缺点： 每一个像素都独立发光， 耗电量大(相比CRT电子枪而言) 等离子体显示技术(PDP)的优缺点 Wu Jin-Ming 等离子体显示技术(PDP)材料气体材料 惰性气体、Hg蒸汽三基色荧光粉材料 要求紫外激发高效发光、余辉时间短、抗紫外线基板材料 基板玻璃制备过程必须经过厚膜印刷和高温烧结性能参数日本硝子公司PD200美国康宁公司CS25标准碱性玻璃热膨胀系数 (10-7 K-1)838485密度 (g/cm3)2.772.882.49退火温度 (C)620654545软化温度 (C)8308487

30、26Wu Jin-Ming LCD工作原理利用液晶的光电效应，通过电场控制像素的明暗来显示图像液晶(LCD) 显示技术Wu Jin-Ming LCD工作原理液晶显示(LCD)技术把液晶放在两个偏振片之间，在向列型液晶中，棒状分子的排列是彼此平行的如果上下两偏振片定向是彼此垂直的，液晶分子将采取逐渐过渡的方式被扭转成螺旋状Wu Jin-Ming LCD工作原理液晶显示(LCD)技术光线通过第1个偏振片后，被液晶分子逐渐改变偏振方向。光线沿着分子排列方向传播，最终从第2个偏振片射出若两玻璃板间施加电压，液晶分子沿电场方向

31、排列，光线不能扭转，不会通过第2个极板Wu Jin-Ming LCD工作原理液晶显示(LCD)技术LCD显示器利用这一特性，在两片相互垂直的偏光板间充满液晶，利用电场控制液晶的转动不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度Wu Jin-Ming 液晶显示(LCD)技术液晶显示器是由上下两片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片液晶显示器结构Wu Jin-Ming 液晶显示(LCD)技术TN-LCD(Twisted Nematic-LCD 扭曲向列型液晶显示器） 常用于电子手表、计算器常见的三种液晶显示器STN-LCD(Super Twisted Nematic-LCD 超扭曲向列型液晶显示器） 常用于手机显示屏、游戏机屏TFT-LCD(Thin Film Transistor-LCD 薄膜型液晶显示器） 常用于液晶显示屏、数码照相机Wu Jin-Ming TFT-LCD液晶显示器在玻璃基片上沉积一层硅，通过印刷光刻工序作成晶体管阵列，每个像素都设有一个半导体开关。把液晶灌注在两片玻璃之间