现代陶瓷材料的发展趋势

现代陶瓷材料的发展趋势

1信息领域中光子学的应用和发展信息技术主要指信息访问、信息传输、信息存储、信息显示和数据处理的技术。在20世纪下半叶,这些方面得到了巨大发展,计算机已从一个单纯的计算工具发展成为一种能高速处理一切数字、符号、文字、语音、图像以至知识等的强大系统。其应用范围已覆盖了社会的各个方面。计算机科学技术已成为人类社会巨大的生产力。计算机、网络和通信结合以后,信息技术对人们的生产、生活方式产生了深刻的影响。我们的社会已进入了以信息技术应用为标志的信息时代。20世纪以来,信息技术依托电子学和微电子学技术迅速发展起来,如通信从长波到微波、存储从磁芯到半导体集成、运算器从电子管到大规模集成电路等等。故目前的信息技术是电子信息技术。随着信息技术的发展,电子信息技术的局限性将愈来愈明显。由于光子的速度比电子的速度快的多,光的频率比无线电的频率高的多,所以为提高信息传输速度和载波密度,信息的载体必然由电子发展到光子。计算机也将由目前的电子计算机发展到光子计算机,甚至量子计算机。目前,信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参与和完成,光电子学已应用到信息领域。光子技术在未来的信息领域中可能占主导地位,我们更应注意光子学技术的发展。如美国把电子和光子材料、微电子学和光电子学列为国家关键技术,认为:光子学在国家安全与经济竞争方面有着深远的意义和潜力,通信及计算机的研究和发展属于光子学领域。从电子学到光子学是跨世纪的发展。所以,微电子材料是最重要的信息材料,光电子材料是发展最快的和最有前途的信息材料。2主要信息和材料的发展趋势2.1绝缘层用硅材料以硅材料为核心的大规模集成电路在过去的40年里发展迅速,在21世纪,它仍然是电子计算机的核心技术,其统治地位不会动摇。自1958年问世以来,依靠光刻线宽缩小和成品率的提高,硅集成电路器件的集成度提高了约100万倍,同时,单晶硅片的尺寸增大和质量提高也起了主要作用。21世纪将迎来深亚微米(0.1μm)硅微电子技术。器件的最小沟道长度将缩小到30~50nm,栅氧化层厚度减止2nm。此时会有强场效应、绝缘氧化物量子隧穿、沟道参杂原子统计涨落、互联时间常数与功耗和光刻技术等问题出现。硅微电子技术将到其极限。小于0.1μm的线条属于纳米范畴。纳米电子器件可按电子在固体中受限制的具体情况分为:量子点器件(人造原子)、共振隧穿器件和单电子器件(基于库仑阻塞效应)。其尺寸都在5~50nm。制作固体量子器件采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,原因是它们易获得高晶体质量、原子级平滑界面和高的电子迁移率,如GaN、AlN、InN及其合金体系。其中:GeSi/Si材料已研制成功,且走向实用化,异质结构的GeSi/Si可以获得速度更好的器件。为发展硅基纳米电子器件和电路提供了一个很好的基础。GaN材料是很有发展前途的、耐高温的(>300℃)和适应恶劣工作环境的优质半导体材料。1998年出现了绝缘层用硅材料SOI(SilicononInsulator),推动了微电子技术的进一步发展。它避免了器件与衬底间的寄生效应,具有高的开关速度、高的密度、抗辐射、无闭锁效应等优点。能使芯片的性能提高35%。因此,世界各国都在大力发展SOI材料的制作技术。绝缘层用硅材料SOI的种类很多,目前使用比较广泛和比较有前途的主要有通过注氧隔离的SIMOX(SeparationbyImplantedOxygen)材料和键合再减薄的BESOI材料和将键合与注入相结合的SmartCutSOI材料。SIMOX适合于制作薄膜全耗尽超大规模集成电路,BESOI材料适合于制作薄膜部分耗尽大规模集成电路,而SmartCutSOI材料则是今后非常有发展前途的SOI材料。栅绝缘介质要求MOSFET的栅绝缘介质层具有缺陷少、漏电流少、抗击穿强度高、稳定性好、与Si有良好的界面特征和界面密度低等特点。SiO2和SiNxOy目前仍是主流材料,目前研究较多的其它材料有:Ta2O5\,TiO2、(Sr,Ba)TiO3\,Pb(Zr,Ti)O3\,SrBi2Ta2O9和Sn-Zr-TI-0等。栅电极材料的基本要求是串联电阻低和寄生效应小。Al-多晶硅-难熔金属硅化物(Polyecide/Silicide)。Polycide/Silicide仍是目前被广泛采用的材料。正在开发研究的材料还有:GexSil-x、W/TiN等。高介电常数的动态随机存储器(DRAN)材料。这类材料主要是一些氧化物铁电材料:(Sr,Ba)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3、SrBi2Ta2O9等。其中(Sr,Ba)TiO3被认为是最具有潜力的材料之一。非挥发性铁电存储器(NVFRAM)是一种新型非挥发性铁电随机存储器。它利用铁电材料具有的自发极化以及自发极化在电场作用下反转的特性存储信息。它的这种特性一般用电极化强度随电压变化的电滞回线特性描述。所涉及的材料有:Pt、Ti等金属材料和SrRuO3、RuO2、IrO2、LaxSrl-xCoO3、YBa2Cu3O7等。使铁电材料层具有高的自激发强度、低的极化饱和电压、高的开关速度和好的抗疲劳特性,是当前NVFRAM研究的主要课题。局部区域互连材料。Mo、W、Ta高熔点金属原则上都可作为局部区域互连材料,但它们与现有的MOS工艺兼容性较差;当器件尺寸到了深亚微米级,将以CoSiO2或TiSi/CoSi2复合结构的栅和局部区域互连材料为主。互连材料包括金属导电材料和相配套的绝缘介质材料。传统的导电材料是铝和铝合金,绝缘介质材料是二氧化硅。以Cu作为导电材料可以减少互连延迟和提高互连可靠性,若解决了Cu的刻蚀问题,它将是较为理想的导电材料。绝缘介质材料仍以SiO2(将是多孔SiO2)为主,目前人们还在研究开发聚酰亚胺、氟化氧化物、聚对苯二甲基、干凝胶等低介电常数材料。传统的钝化层材料是SiO2,当器件尺寸到了深亚微米级时,它有一些问题不再适用做绝缘介质材料。Si3N4或SiOxNy是人们关心的下一代绝缘介质材料。目前,以全光计算机为目标的,用光学系统完成一维或多维数据的计算还处于探索阶段。在并列处理中首先要有面阵列的光子集成器件。高密度的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光子集成回路是二维光信息处理和图形识别的关键器件。光学器件大多还采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,要求有:质量高、结构完整。利用材料的量子尺寸效应,做成量子阱、量子线或量子点。最可能使用的材料仍是GeSi/Si材料,但是量子化的。2.2光存储技术现状数字信息存储技术的要求是高存储密度、高数据传输率、高存储寿命、高擦写次数以及设备投资低和信息位价格低。提高磁存储密度是人们一直极为关注的问题,主要是不断改进磁介质材料。70年代主要使用磁性氧化物(氧化铁),存储密度为几MB/平方英寸。后来改进了磁性氧化物矫顽力,采用超系磁性氧化物粉末以及薄膜氧化物磁头,使存储密度达到几百MB/平方英寸。90年代采用了连续磁性薄膜介质,采用的主要磁性合金为CoCrPt,CoCrTi等,使存储密度得到进一步提高。进一步还需研究高矫顽力(>240kA/m)的连续纵向纳米晶粒磁性介质,其各向异性Ku>0.4J/cm3。有人在研制CoSm和Fe/PT多层薄膜。另外,NiFe/Cu/NiFe/FeMn和La-Ca-Mn-0都是具有巨磁阻效应的有前途的材料。光存储的特点有:1).存储寿命长;2).能非接触式读,写和擦;3).信息的载噪比高;4).信息位的价格低。不足之处:1).设备价格高;2).存储速度还较低。光盘存储技术的发展在很大程度上取决于存储介质材料的发展。存储介质有以下几类:1).磁光存储介质。包括按成分调制的金属多层膜,MnBiAl为基的薄膜和稀土掺杂的钇铁石榴石薄膜。2).相变型存储介质。如Ge-Te-Sb,In-Sb-Ag-Te等材料。3).波长更短的有机存储材料。21世纪的超高密度超快速光存储技术主要向以下几个方向发展:l).利用近场光学扫描显微镜进行超高密度信息存储。2).运用角度多功、波长多功、空间多功和移动多功等全息存储代替聚焦光速逐点存储方法。3).发展三维存储技术。2.3光纤传输通过干/小光纤通信20世纪80年代以来信息传递技术进入了飞速发展时代。卫星通信、移动电话、无线电和光纤通信已形成一个全方位的立体通信网。宽带化、个人化、多媒体化的综合业务数字网(ISDN)获得很大发展。有线通信始终是量大面宽的信息传递手段。近几年数字电信量以每年35%的速度上升。20世纪通信技术的重大进步是把光子(不仅仅是电子)作为信息载体,即用光纤通信代替电缆和微波通信。20世纪70年代低损耗的熔石英光纤和长寿命半导体激光器的研制成功,使光通信成为可能。半导体激光器光泵的掺铒光纤放大器(EDFA)和波分复用技术使光纤的传输距离和传输信息量有巨大增长。传输距离由1978年的10km到无中继传输;传递量由100MB/S增至2440MB/S。目前,正在开发的技术是传输距离在100km,传递量在100GB/S光纤通信技术。从传统的以光强度调制方式和直接检测方式的非相干光光纤通信变为以相位调制方式和差分检测方式的相干光光纤通信,信号将传递得更远。相干光通信、孤立光子通信和超长波长红外光通信是可预见的第五代通信。发展新材料始终是光纤通信中的核心问题。由于光缆缆芯中的能量密度很高,可以产生激布里渊散射、受激拉曼散射、四波混频、自相位调制等非线性现象,使光信号受到损伤和干扰。真波光纤、叶状光纤、色散补偿光纤均在研究中。半导体激光器材料(MQW-DFB-LD)、高速光调制材料(LiNb03,EA)\,光滤波器材料和无光源材料急需发展。2.4等离子体显示技术自20世纪初阴极射线管(CRT)问世以来,它一直是活动图像的主要显示手段。但其发光材料的纯度、显示亮度和色彩质量还需进一步提高。值得注意的是ZnS:Mn纳米发光新材料。它表面结构完整,在表面层不存在无辐射中心;可满足HDTV(高清晰度电视)的高分辨率要求。是有前途的发光材料。近年来,平板显示(FPD)技术发展较快。它主要避免了阴极射线管体积庞大的缺点。它主要指:液晶显示(LCD)技术、场致发射显示(FED)技术、等离子体显示(PDP)技术和发光二极管(LED)显示技术、真空荧光显示(VFD)等。液晶显示的主要优点:功率低、工作电压低、体积小,易彩色化;缺点是:显示视觉小、对比度和亮度受环境影响较大、响应速度较慢。液晶显示材料有几十种,按中心桥键归纳主要类型有:甲亚胺类、安息香酸酯类、联苯类、联三苯类、环己烷基碳酸酯类、苯基环己烷基类、联苯基环己烷基类、嘧啶类、环己烷基乙基类、环己烯类、二苯乙炔类、二氟苯撑类、手性参杂剂等。目前趋向开发反铁电液晶。场致发射显示是将真空微电子管应用于显示技术。优点:视角宽、功率低、响应速度快、光效率和分辨率高。缺点:显示面积有限。材料主要使用类金刚石材料做冷阴极和稀土掺杂的氧化物做发光材料。传统材料的发光亮度偏低、发光效率不高,期待开发新的FED发光材料。等离子体显示可做大屏幕,但其驱动电压高、功率大。气体材料:He、Ne、Ar、Kr\,Xe\,Hg以及它们的混合气体。三基色荧光粉:BaMgAl14O23:Eu2+\,\:,YVO4:Eu3+。发光二极管(LED)材料中,GaN系列高亮度蓝光材料是目前很受人们注意的、有前途的LED新材料。2.5有关技术和材料的信息主要指探测器和传感器。2.5.1传感器的研制按光电转换方式光电探测器可分为:光电导型、光生伏打型和热电偶型。光电转换中根据探测的光子波长分为:狭能隙材料和宽能隙材料。宽能隙材料以SiC,金刚石,GaN、AlN、InN以及Ⅱ-Ⅵ族的化合物和合金为主;狭能隙材料以铅盐、碲镉汞和SbIn等为主。近期光电探测器在两方面有重大进展:a)用超晶格(量子阱)结构提高量子效率、响应时间和集成度;b)制成了探测器阵列,可用做成像探测。在Ⅲ-Ⅴ族中,GaAs是最成熟的材料。2.5.2碳化硅等聚合物薄膜各种传感器由于所测的量的不同,所用的材料也不同。主要有两类:半导体传感器材料和光纤传感器材料。半导体传感器主要有:力学量传感器:压力传感器、加速度传感器、角速度传感器、流量传感器等。主要用的是单晶硅和多晶硅。纳米硅、碳化硅和金刚石薄膜是正在研究的材料。温度传感器:主要用金属氧化物功能陶瓷,单晶硅、单晶锗也有应用,多晶碳化硅和金刚石薄膜是正在研究的材料。磁学量传感器包括:霍耳效应器件、磁阻效应器件和磁强计。主要用单晶硅、多晶InSb、GaAs、InAs和金属材料。辐射传感器包括:光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电耦合器合光电测量器等。主要用Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体及其多元化合物,也有Si,Ge材料。化学量和生物量传感器用在硅材料上沉积一层可探测化学性质。陶瓷传感器和有机物传感器是目前传感器研究的另一个热点。材料种类繁多,不再一一列举。2.6激光材料和光功能材料2.6.1器和放大器研究高亮度的相干光源——激光的出现,对信息技术的发展起到了很大的促进作用。信息技术的几个重要环节都离不开激光器。当前和今后,半导体激光器、半导体激光器光泵的固体激光器、可调谐固体激光器以及光纤激光器和放大器仍是重要的研究方向。半导体激光材料经历了同质结构材料、异质结构材料、量子阱结构材料和应变量子阱结构材料的发展过程。用这些材料研制成了紫光、蓝紫光、蓝光、红光、近红外波段和远红外波段的半导体激光。在20世纪60~70年代主要是GaAs基材料为主,80年代至今主要是InP基GaN基材料为主。InP基材料可以覆盖从橙光、红光、近红外、中远红外波段;GaN基可以覆盖从紫光、蓝光和绿光波段。人们正在攻克纯蓝光、纯绿光激光器。GaN激光材料是目前研究的热点,寻找合适的衬底材料以及生长出完整的GaN薄膜非常关键。另一个热点是通过量子阱中的量子级联而发展的中远红外半导体激光。2.6.2半导体材料在光电子学技术中频率变换元件、调制元件、Q开关、锁模都是十分重要的,是光通信、光存储和光信息处理中不可缺少的元件。以往这类材料主要是无机非线性光学晶体,如:KTP,BBO,LBO,LiNbO3,K(Ta,Nb)O3等。今后的材料以薄膜和纤维形态存在,而不再是体材料。半导体量子点掺杂的玻璃和有机,无机杂交形成的复合玻璃有较高非线性光学系数,容易制成薄膜,是今年来很活跃的领域。对锁模、调制和频率变换有巨大影响的两种材料:一是半导体饱和吸收阱;另一是将非线性光学晶体进行周期极化,形成微米或亚微米的超晶格。光纤通信材料:石英光纤、氟化物光纤、硫化物光纤、聚甲基丙烯酸甲酯光纤、聚苯乙烯光纤。3有机光材料的介绍3.1价格低廉原则近年来有机非线性光学材料(NLO)作为电光器件的新材料得到迅速发展。它们具有良好的电光特性和制备性能,且价格低廉。如:对硝基苯胺、N,N-二甲氨基-对-二氰乙烯基苯、N,N-二甲氨基-对-三氰乙烯基苯、N,N-二甲氨基-对硝基芪、N,N-二甲氨基-对二氰乙烯基芪、2-(N,N-二甲氨基苯乙烯基)-5-硝基噻吩、2-(四氢吡咯)-5-对硝基苯乙烯基噻吩、2-(N,N-二甲氨基苯乙烯基)-5-二氰乙烯基噻吩等。3.2tpd、n,n,n-双1-苯基”n,n,n-四1-有机及共轭高分子电致发光材料作为新型显示材料正在迅速发展。空穴传输类:N,N′-二苯基-N、N′-双(3-甲苯基)-1、1′-联苯-4、4′二胺(TPD)、N,N,N′,N′-四(4-甲基苯基)-1,1′-联苯-4,4′-二胺(TTB