《光电子信息材料概论》课程概论课件

1、 光电子信息材料概论主讲人：张顺平华中科技大学材料学院学科概论专题之自我简介 张顺平 华中科技大学材料学院00级本科 09年博士毕业，留校任教 替曾大文教授代一堂学科概论专题 联系方式：pszhang001gmail 希望能与各位同学共同学习！信息获取信息传输信息存储信息显示信息处理信息技术的主要环节材料是实现信息技术的基础和载体什么是信息？信息的表现形态很简单，主要是数据、文字、声音、图像四种，但现在，信息已是一个内涵广泛的概念。作为美国国家标准的IEEE电学和电子学名词标准词典(1988年7月第四版)中把信息(Information)定义为“信息是按已知协议赋于一定含义的数据”。知识可以理

2、解为信息的升华-经过概括、提升、验证了的信息，反过来，当知识用于指导生产、规范社会生活时，它仍然充分体现出来的是它的信息属性，因此也有人狭义地认为信息就是知识。但不管对信息的定义如何理解，今天人们已经认同，信息是一种资源，一种资产，是现代社会中与物质（材料）、能源同样重要的、生存发展必不可少的三大资源之一。有人做出过这样的定义：人类社会中的知识，需要利用和传播的，叫作信息。可见信息与知识密切相关。 什么是信息技术？广义地讲，信息技术是扩展人类信息器官功能的一类技术，具体说，信息技术是指包括信息获取、信息传递、信息存储、信息处理和信息显示等在内的总称。信息技术对社会各行各业均具有极强的渗透力，信

3、息技术的蓬勃发展，成为加速经济、社会变革的强大推动力，使生产自动化、金融自动化、办公自动化、服务自动化、军事指挥自动化等能得以实现。 当今社会的各个方面，广至空间宇宙，微到原子和电子，无论是科研、生产、社会交往、家庭生活乃至作战指挥，无一例外地均与信息技术结下不解之缘。信息技术的飞速进步，使得整个社会的生产方式、生活方式、思维观念都在经历一场的深刻变化。生产效率成百倍地增长，为生产和生活服务的自动化、电子化、“傻瓜”化的设备和生活日用品，花样翻新、层出不穷。由于信息技术的广泛利用，人的大脑“扩展”了，人的四肢“延长”了，人的“能量”增大了，人的时空观念也改变了，从而使得整个世界融为一体，地球由

4、此变“小”，外星球与人类更接近，“天涯若比邻”也从诗人的幻想变为真正的现实。在人们尽情享受当代信息技术所带来的方便、欢欣的时候，不知有多少人能意识到在信息技术的“花花世界”背后，还有一个支撑这个“花花世界”的“材料王国”？ 什么是信息材料？信息材料主要是指用于信息的收集、存储、处理、传递和显示的微电子材料和光电子材料。微电子材料和光电子材料的发展历程也就是信息材料的主要发展历程。微电子材料和光电子材料是微电子技术和光电子技术的基础和先导，因此，了解微电子技术和光电子技术的发展历程。就能清楚地看出微电子材料和光电子材料的发展历程。微电子技术的精华是集成电路技术，微电子技术是随着集成电路技术的发展

5、而发展起来的，集成电路技术又是从半导体晶体管技术发展起来的。而半导体晶体管的诞生则建立在人类对半导体材料的研究基础上。因此，可以说微电子材料是在半导体材料，特别是硅材料的基础上发展起来的。其中，（微）电子学是研究电子输运过程的学问。与分立元器件电路的不同。集成电路结构和集成工艺的显著特点是：1电路所包含的元件和器件都集成在几何尺寸十分小的晶片(芯片)上。2组成电路的所有元器件都是在相同的工艺条件下，同时经历同一的工艺流程。 光电子技术是在激光技术的基础上发展起来的。激光的发明把电子学推到了光频波段。光电子学就是光波波段（红外线、可见光、紫外线和软X射线）的电子学。与微电子技术相比，光电子技术的

6、最重要特点是波长短、相干性好。因此，光电子技术具有分辨率高、存储和通信容量大的优点。光电子技术主要包括半导体激光器技术、光纤通信技术、光存储技术、光显示技术、光电探测技术、光信息处理技术以及集成光路、光电子集成回路技术。用于这些光电子技术的光电子材料是微电子材料之外的另一类重要的信息材料。信息材料是一个庞大的家族。它包括以集成电路材料为代表的微电子材料和以半导体激光器、光通信、光存储、光传感、光显示、光处理、集成光路、光电子集成电路材料为代表的光电子材料。信息获取人类通过自身的感觉器官从外界获取信息自古以来，人类通过自身的感觉器官，或者耳听目视、或者手触鼻嗅从外界获取信息。而面对或者来自遥远星

7、际的微弱光亮、或者身边那些看不见、摸不着事件（如红外光、磁场、微量气体等），人类无法获得相关信息。更为重要的是，人类难于从周围世界中获取定量信息，也就难于通过感官将50与55热水区分开来。而定量信息对于人类的生存和生活至关重要。 聪明的人类“知耻而后勇”，通过长期的实践，发明了各种各样的传感器，延伸和强化了自身的感官，从而能通过多种途径获得更多、更复杂的信息。传感器及技术得以广泛应用的关键是传感器用材料的开发和不断完善。表1给出了陶瓷材料在传感器中典型应用概况。实际上，还有许多材料可以用来制作相关的传感器，诸如半导体、光纤、稀有金属、高分子材料等。 五官与传感器人的五官感觉器官对象传感器原理视

8、觉眼光光传感器视觉传感器光电效应（光 电）听觉耳声波压力传感器听觉传感器压电效应（声波 电）触觉皮肤压力温度压力传感器温度传感器压电效应（声波 电）塞贝克效应（温度 电）嗅觉鼻气体气味物质气体传感器气味传感器吸附效应（气 电）吸附效应（质量变化 频率变化，气 电）味觉舌味觉物质味觉传感器电化学效应（相互作用 电）材料的检测与控制技术19/60贝壳为何如此坚硬？贝壳的微观结构材料微观结构的检测20/60蝴蝶为何美丽？翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶 材料微观结构的检测21/60蝉翅膀为何又薄又轻有耐用？蝉翅膀表面由规则排列的纳米柱体组成材料微观结构的检测22/60用STM移动18个铈(cerium

9、)原子和18个碘(iodine)原子形成的“V”字图案。材料原子尺寸上的控制23/60采用光学光刻技术制备的微电子芯片材料微米尺寸上的控制24Al2O3为基片的贴片微气敏传感器阵列材料毫米尺寸上的控制25/60聚合物气敏传感器阵列26/60At present, the Caltech electronic nose consists of approximately 20-50 different polymeric sensors that are deposited on substrates that are approximately 1 mm-1 cm in size. The e

10、lectronics are now integrated with the sensor elements, and we have a hand-held unit that can control the sensor temperatures, acquire the data from as many as 32 sensor channels (expandable to 132 easily), and record the resulting resistance vs time data to a laptop PC. VLSI-compatible, device fram

11、ework in a one chip检测与控制就是我们的眼睛和双手已成为材料科学研究中必备的技术基础/能力27/60对象 检测机理 器 件 主要材料温度由块体中载流子数目的变化而引起电阻率的变化NTC（负温度系数）热敏电阻NiO、FeO、MnO、SiC、CoO由晶界电位势垒高度的变化而引起电阻率的变化PTC（正温度系数）热敏电阻BaTiO3光由自极化温度变化而引起的表面吸附电荷数量的变化热电传感器PbTiO3、LiNbO3、(Pb La)TiO3、Pb(Zr Ti)O3由块体中载流子数目的变化而引起电阻率的变化光电池Bi12SiO20由晶界产生的约瑟夫逊效应而引起的电压变化约瑟夫逊结型传感器

12、Ba(PbBi)O3（BaK)BiO3气体由晶界或顶部空间电荷层的变化而引起的表面电阻率的变化表面控制型传感器SnO2、MnO2、Cr2O3由块体中晶格缺陷密度的变化而引起电阻率的变化体积控制型传感器Fe2O3、(LaSr)CoO3由ZrO2表面氧离子极化而引起电功率的变化固体电解质型传感器ZrO2(CaO, Y2O3) 湿度由水蒸气的化学吸附、物理吸附而引起的表面电阻变化质子电导型传感器MgCr2O1-TiO2、TiO2-V2O5、ZnCr2O1-LiZnVO1表1 主要的传感器与所用材料举例 为了满足人类的需求，传感器材料今后的发展方向为：（1）向复合化方向发展，即将两种或两种以上的材料结

13、合在一起，组成具有新功能的材料；（2）向多功能方向发展。传感器的发展往往要求材料具有两种或两种以上的功能，即多功能材料，如温度/湿度、温度/湿度/辐射等；（3）向低维化方向发展。随着材料尺度的减小（即低维化），材料的表面效应和体积效应将显现出来，从而产生独特的电、磁、光、热等物理和化学特性。这种低微化材料可大幅度提高传感器的灵敏度，并扩大应用范围；（4）向智能化方向发展，使材料具有判断功能和自诊断功能。 信息传输烽火台-望远镜-灯信号与“灯语”通信-信号灯、旗语、望远镜等目视光通信-贝尔（BELL）电话-贝尔（BELL）光电话-光也可以“走弯路”-激光器-光纤的诞生信息传输的演变光通信构成原理

14、光通信包含以下几个最基本部分：（1）传输介质：光纤（光缆）；（2）有源光学器件模块：光发射机、光接收机、光放大器等； （3）无源光学元件和器件：活动连接器、固定连接器、耦合器、衰减器、隔离器、光学滤波器、波分复用器(WDM)等；（4）微电子学部件：电子复接器/解复接器(MUX/DMUX)、信号处理电路、控制/维护电路等。输入电信号光缆光连接器激光器驱动电路探测器放大电路解码器编码器光发射机光接收机光纤数字通信系统框图输出电信号关键突破1970年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始从理想变成可能，这立即引起了各国电信科技人员的重视，他们竞相进行研究和实验。1974年美国贝尔

15、研究所发明了低损耗光纤制作法CVD法（气相沉积法），使光纤损耗降低到1分贝公里；1977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时（实用中10年左右）的半导体激光器，从而有了真正实用的激光器。1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速率为45Mbs。信息交流、知识传播需要一种畅通无阻的通道，信息高速公路、国际互联网的建立需要一种实实在在的载体。正是由于高性能光纤材料的发现和制造技术日臻完善，才使我们真正感受到信息高速公路带来的方便。自1966年英籍华裔学者高锟博士预测光学玻璃总衰耗降至20dBkm以下有望作为光通信介质之日起，人们对光纤的各种应用及相

16、应制造材料一直进行着艰辛的探索。今天光纤已被广泛应用于通信、广播电视及各种传感领域。这是从电子通信到光子通信的一个飞跃，也是从铜材料到二氧化硅系材料的一个巨大飞跃。电子通信的载频最高也只有1011Hz，而光的载频却是1014Hz，提高了三个数量级。每根光纤的通信容量可以达到几千万甚至上亿条话路。不仅如此，作为传输媒体的二氧化硅系玻璃制成的光纤，每公里质量才27克，减轻到铜制同轴电缆的数千分之一。以二氧化硅系材料制成的光纤不仅不需消耗任何有色金属，而且质量极轻、传输损耗小、不受外界电磁干扰、保密性强。数字比较原材料丰富 抗干扰性好 重量轻 损耗小 优点与传统电缆相比，光纤具有损耗小、传输距离长的

17、优点。目前使用的石英光纤在0.81.8 m波长范围内的损耗比所有传统的电传输线低。由于光纤传输损耗低，所以其中继距离达到几十公里至上百公里，而传统的电传输线中继距离仅为几公里。制作光纤的原材料丰富。石英光纤的主要成分是二氧化硅（SiO2），这是地球最主要的成分之一。而传统通信电缆的主要材料为稀有金属铜，其资源严重紧缺，这样使用光纤作为传输媒介可以节省大量的越来越宝贵的金属材料。光纤具有抗干扰性好、保密性强、使用安全等特点。光纤是非金属介质材料，具有很强的抗电磁干扰能力，这是传统的电通信所无法比拟的。光信号束缚在光纤芯子中传输，在芯子外很快衰减，这样不会产生光纤间的串光现象，所以其保密性好且能保

18、证同一光缆中不同光纤间光信号的传输质量。光纤具有抗高温和耐腐蚀的性能，因而可以抵御恶劣的工作环境。光纤的体积小、重量轻，便于敷设。光纤细如发丝，其外直径仅为125m，加塑套后的外径也小于1mm，再加上光纤材料比重小，因而制成光缆后，直径比电缆细，重量也轻很多。例如一根18芯的光缆每公里约重150kg，而18芯同轴电缆每公里约重11吨。光纤的优点光纤通信所用的激光器 在光纤通信中，所用的光源有三种：半导体激光器、半导体发光二极管和非半导体激光器。在实际的光纤通信系统中，通常选用前两种。而非半导体激光器，如气体激光器、固体激光器等，虽然它们是最早制成的相干光源，但由于其体积太大，不适宜与体积小的光

19、纤配合使用，只用于一些特殊场所。 lusino/lusino/半导体激光器中功率半导体激光器多波长选择 650 nm1625nm 宽功率范围1 mW2W 大功率半导体激光器模块光发射机半导体激光器（LD）半导体发光二极管（LED）光源调制GaAlAs/GaAs：0.8m短波长InGaAsP：1.31和1.55m长波长LiNbO3：电光调制；压电晶体：声光调制；磁光调制：YIG磁棒光纤石英系光纤、石英芯/塑料包层光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤光接收机光检测器 、前置放大器、主放大器、均衡滤波器 Si、GaAs、Ge、InGaAsP和InGaAs 光放大器半导体光放大器(SOA)光纤放大器InGa

20、AsP、 InGaAs掺铒光纤(EDF)、非晶态石英光纤光波系统互接器件光纤连接器、光纤耦合器波分复用/解复用器不锈钢等坚硬耐久的金属材料或者Al2O3陶瓷材料TiO2和SiO2等薄膜材料光纤与半导体激光器材料信息存储信息存储信息存储有如人的大脑记忆。 数字信息存储的要求是高存储密度、高数据信输率、高存储寿命、高的擦写次数以及设备投资低和信息位低价格。信息存储材料是指用于各种存储器的一些能够用来记录和存储信息的材料。这类材料在一定强度的外场(如光、电、磁或热等)作用下会发生从某种状态到另一种状态的突变，并能在变化后的状态保持比较长的时间，而且材料的某些物理性质在状态变化前后有很大差别。因此，通

21、过测量存储材料状态变化前后的这些物理性质，数字存储系统就能区别材料的这两种状态并用“0”和“1”来表示它们，从而实现存储。如果存储材料在一定强度的外场作用下，能快速从变化后的状态返回原先的状态，那么这种存储就是可逆的。 信息存储材料的种类很多，主要包括半导体存储器材料、磁存储材料、无机光盘存储材料、有机光盘存储材料、超高密度光存储材料和铁电存储材料等。它们实现信息存储的原理各不相同，存储性能也有很大差异。因此，不同应用场合应选用个同的信息存储材料。 时间1992年2019年2019年2000年2019年存储容量（Gb）0.60.95101050100存储密度（Gb/in2）0.10.50.82

22、4461020数据率（Mb/s）16100150300400400500存取时间(ms)302010645硬磁盘技术进展Increase of Areal Density in Optical DisksT. Suzuki:113th Topical Meeting of Magn. Soc. Jpn. (2000.1) p.11Hard diskOptical diskMO信息显示信息显示 随着人类步入信息社会，人们在社会活动和日常生活中随处可见各种信息显示，例如，广告显示，计算机屏幕显示，电视机图像显示，电子数字手表、移动电话的字符和图形显示等。这些显示是利用显示材料具有将不可见光、电信号

23、转化成可视的数字、文字、图形、图像信号的特性来实现的。显示（技术）分类投影显示虚拟显示直视显示阴极射线管CRT平板显示FPD头盔显示HMD全息图像HG液晶显示LCD阴极射线管CRT发光显示（主动显示）受光显示（被动显示）场发射FED等离子体PDP电致发光EL发光二极管LED液晶显示LCD电致变色ECD电泳显示EPID显示器件基本性能 评价显示器件，要考虑视感特性、物理特件及电学特性，同时，还应考虑制造难易程度和制造成本等。这样，评价显示器件的参数就有几十个。但关健参数为亮度、发光效率、对比度、电压、功耗、分辨率、灰度、寿命(稳定性)、视角、色彩、响应时间等。材料科学工作人员的主要任务是：开发能

24、满足上述要求的新材料。显示用材料和特性显示材料是指把电信号转换成可见光信号的材料。显示材料包括：（1）显示屏支撑材料-玻璃基板。（2）光学功能材料：CRT的热阴极材料、FED的冷阴极材料、LCD的取向材料、偏振膜等。显示用光学功能材料还可分为发光材料和受光材料。物质发光过程示意激发发光组分发光色主波长nm流明效率lm/W余辉时间用途ZnS:AgZnS:Cu,AlZn2SiO4:Mn2+-Zn3(PO4)2:Mn2+Y2O3S:Eu3+Y2O3:Eu3+蓝黄绿绿绿红红4505305255256266262117，2386.7138.71s1ms1s1ms1ms30ms30ms1s1ms30ms1

25、ms30ms彩色CRT彩色CRT雷达等微机CRT彩色CRT投影管典型CRT荧光粉特性典型PDP用发光材料与特性发光材料发光颜色相对亮度（%）BaMgAl14O23:Eu2+蓝23Y2SiO5:Ce3+蓝19Zn2SiO4:Mn2+绿100Y2SiO5:Tb3+绿81(Y、Gd)BO3:Eu3+红35Y2O3:Eu3+红32信息处理信息处理以大规模集成电路为基础的电子计算机技术仍是信息处理的主要技术。由于对电子计算机处理信息速度和容量的要求越来越高，因此对计算机处理器(CPU)的速度和内存容量的要求也愈来愈高，随之对芯片集成度的要求也愈来愈高。自20世纪70年代后期至今，集成电路(IC)芯片的集成度大约每一年半增加一倍，器件特征尺寸大约每三年缩小1.414倍。目前，已能在单个芯片上集成约十亿个晶体管。其中0.18 m CMOS技术已经开始进入大规模生产，研究工作则进入亚0.1 m领域。就集成电路三个标志量（存储容量、速度、数据传输速度）而言，21世纪的微电子技术将从目前的3G逐步发展到3T（即存储容量由G位发