第七讲 信息材料(1).ppt

现代新型材料与纳米材料NewMaterialsandNanometer Materials 7 材料科学与工程学院刘颖教授主讲 2 第七讲信息材料 InformationMaterials 3 主要内容信息材料分类信息收集材料信息存储材料信息处理材料信息传递材料信息显示材料 4 信息既非物质也非能量 却是构成世界的要素 信息是十分重要和宝贵的资源 现代信息技术中 对各种信息的收集 存储 处理 传递和显示是通过各种信息功能器件来实现的 而信息功能器件又是以各种信息材料为主构成的 信息材料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 信息材料产品 信息时代 5 1964年 中国画报 封面 大庆铁人王进喜 2010年的Wikileaks泄密事件 6 人体本身就是集信息收集 存储 处理 传递和显示功能为一体的综合信息系统 眼睛具有视觉功能 耳朵具有听觉功能 鼻子具有嗅觉功能 舌头具有味觉功能 皮肤具有触觉功能 各种神经细胞将得到信息传递给大脑 大脑可以存储 分析 判断 处理信息 通过神经网络向四肢传递信息 发布命令 肌肉 四肢根据大脑指令对感知信息迅速做出反应 收集信息 传送信息 存储和处理信息 显示信息 7 信息材料分类 8 根据信息材料的功能 可把信息材料主要分为 信息收集材料信息存储材料信息处理材料信息传递材料信息显示材料 信息收集传感器 信息存储器 信息处理芯片 信息传递光纤 信息显示器 9 还有一类重要的信息材料是半导体激光器材料 光信息的存储 处理 传递和显示并不基于半导体激光材料在外场作用下发生某种物理或化学变化来实现 但这些功能必须有半导体激光器产生的激光参与才能实现 半导体激光器是信息功能器件的核心器件和通用器件 半导体激光材料也是信息材料中重要的部分 半导体激光器 10 信息收集材料 11 信息收集材料是指用于信息传感和探测的一类对外界信息敏感的材料 在外界信息 如电 磁 声 光 热 力 化学或生物等 影响下 材料的物理或化学性质 电学性质等 会发生相应变化 通过测量这些变化可精确地探测 接收和了解外界信息变化 信息传感材料主要包括力敏材料 热敏材料 光敏材料 磁敏材料 气敏材料 湿敏材料 压敏材料 生物传感材料等 12 力敏传感材料是指在外力作用下电学性质会发生明显变化的材料 主要分为金属应变电阻材料和半导体压阻材料两大类 金属应变电阻材料主要有康铜合金 锰铜合金 镍铁铝铁合金 镍铬合金 铁铬铝合金等 半导体压阻材料主要是单晶硅 金属应变电阻材料 康铜合金 半导体压阻材料 单晶硅片 13 半导体压阻材料使力敏传感器件微型化和集成化 在常温下有大量应用 逐步取代金属型应变计 金属应变电阻材料的电阻温度系数 温度灵敏度系数等都比半导体好 具有很高的延展性和抗拉强度 在耐高温 大应变 抗辐射等场合得到广泛使用 力敏传感器 14 磁敏电阻材料 这类材料在磁化方向平行电流方向时 阻值最大 在磁化方向垂直于电流方向时 阻值较小 改变磁化方向与电流方向夹角 即可改变磁敏电阻材料的阻值 强磁性簿膜磁敏电阻材料主要是NiCo和NiFe合金薄膜 可制备磁敏二极管或三极管 灵敏度高 温度特性好 可用于磁场测量 薄膜磁敏电阻 15 巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象 1988年 法国科学家阿尔贝和德国科学家彼得分别独立发现巨磁阻效应 获得07年诺贝尔物理学奖开发的小型大容量硬盘已得到广泛应用 2007年诺贝尔物理学奖获得者阿尔贝 右 和彼得 左 16 传统磁头的磁致电阻变化仅为1 2 之间 读取数据时要求信号具有一定强度 磁道密度不能太大 硬盘最大容量只能达到20Mb in2 1994年 IBM公司研制成功巨磁阻效应读出磁头 硬盘存储密度迅速提高到3Gb in2 硬盘读写磁头工作原理 17 采用Spin valve材料研制的新一代硬盘读出磁头 存储密度已提高到560Gb in2 随着低电阻高信号的TMR材料获得 存储密度达到1000Gb in2 2007年 全球最大硬盘厂商希捷科技宣布 第四代DB35系列硬盘已达到1TB容量 巨磁阻技术已成为全世界所有电脑 数码相机 移动存储介质的标准技术 MP4 MP5 18 热敏传感材料是指对温度变化具有灵敏响应的材料 主要是电阻随温度显著变化的半导体热敏电阻陶瓷 根据电阻温度系数的正负 可分为正温度系数 BaTiO3 V2O5为基的热敏陶瓷 和负温度系数 过渡金属氧化物为基的热敏陶瓷 热敏材料两类 热敏PTC传感器 热敏NTC传感器 19 光敏传感材料在光照下会因各种效应产生光生载流子 用于制作光敏电阻 光敏三极管 光电耦合器和光电探测器 最常用的光敏材料是锗 硅和II VI族 IV VI族中的一些半导体化合物等 如CdS CdSe和PbS等 光敏二极管 光敏三极管 光电耦合器 20 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 如SnO2 ZnO Fe2O3 ZrO2 TiO2和WO2等n型或p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度进行探测 SnO2气敏传感器 矿用SnO2瓦斯检测器 21 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 陶瓷湿敏材料主要有MgCr2O3系 ZnCr2O3系和MnWO4 NiWO4等 高分子湿敏材料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 硝化纤维系高分子膜 湿敏电阻器件 22 信息存储材料 23 信息存储材料是指用来制作各种信息存储器的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 的影响下 材料发生物理或化学变化 实现对信息的存储 主要介绍磁记录材料和光存储材料 磁记录材料 光存储材料 24 磁记录材料 磁记录材料可方便地进行数据的存储和读取工作 磁性存贮器具有容量大 成本低等优点 磁记录装置可将记录下来的信号进行放大或缩小 使科研中的数据处理更为方便灵活 存折上的磁条 磁卡上的磁条 25 颗粒涂布型磁记录介质 颗粒涂布型磁记录介质是将磁粉 非磁性胶粘剂和少量添加剂等形成的均匀磁性浆料 涂布于聚酯薄膜上制成 磁粉包括 Fe2O3 BaO Fe2O3 金属粉等 颗粒涂布型磁记录介质 磁带 26 金属磁粉 金属磁粉特点是具有较高的磁感应强度和矫顽力 纯铁磁化强度达1700emu cm3 可在较薄磁层内得到较大读出信号 小针状铁粒子可提供较高矫顽力 使磁记录介质承受较大的外场作用 金属磁粉缺点是稳定性差 易氧化 常用表面钝化或合金化等控制表面氧化 但降低粒子磁化强度 工业纯Fe粉 小粒径Fe粉微观形貌 针状和球状 27 钡铁氧体磁粉 钡铁氧体来源丰富 成本低 有较高的矫顽力和磁能积 抗氧化能力强 是一种应用广泛的永磁材料 钡铁氧体矫顽力高达398kA m 本不适于作磁记录介质 以下特点使其可成为理想高密度磁记录材料 用Co2 和Ti2 离子取代部分Fe2 适当降低其矫顽力 可制备出直径很小的粒子 六方形平板结构和垂直于平板的易磁化轴使它适合作垂直记录介质 钡铁氧体器件 28 垂直记录1英寸磁盘 容量为10G 垂直记录硬盘 西数1 5TB 威宝2 0TB 垂直记录硬盘工作原理 29 连续膜介质的磁性能 信噪比优于颗粒涂布介质 颗粒涂布介质磁粉间存在胶粘剂 间隔较远 磁耦合较弱 磁滞回线矩形度较差 剩磁低 连续膜介质无须粘合剂等非磁性相 磁耦合较强 磁滞回线矩形度较好 剩磁高颗粒涂布型介质的噪声与磁粉平均粒径成正比 连续膜介质的噪声与晶粒平均尺寸成正比 在一个记录空间内连续膜包含的晶粒数是颗粒涂布型介质中颗粒数的10 50倍 因而连续膜的噪声要低得多 高记录密度连续膜介质 30 在减薄磁层厚度的同时获得足够高的输出电压 须采用连续薄膜型介质 连续型磁性薄膜与涂布型非连续磁性介质性能比较 31 光存储材料 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理或化学的变化实现记录 这就是信息的写入 读出信息时 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 存储光盘 32 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 多层膜通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光盘 存储光盘 33 光盘存储材料特点 光盘存储优点 高存储密度 普通光盘单面可存储640兆字节 高密度DVD光盘容量在8G以上 非接触式读 写信息 非接触式读 写 不会让光学头或盘面磨损 划伤 并能自由更换光盘 长存储寿命 磁盘存储的信息一般为2 3年 光盘存储的信息寿命至少在10年以上 低信息位价格 光盘易于大量复制 容量大 因此存储单位信息的价格低廉 34 只读存储光盘的记录介质是光刻胶 将音频 视频调制的激光聚焦在洒有光刻胶的玻璃衬底上 经曝光显影使曝光部分脱落 制成具有凹凸信息结构的正像主盘 利用喷镀技术 在主盘表面生成一层金属负像副盘 与主盘脱离后可作原模 复制只读光盘 只读式CD和DVD表面凹坑结构示意图 只读存储光盘材料 35 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产生不可逆的物理化学变化写入信息 烧蚀型 写入激光的光强具有高斯分布 中心温度高于介质熔点Tm 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 表面张力将其拉开 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 烧蚀性信息凹坑的形成 36 起泡型 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 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 熔绒型 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 相变型 光照微区发生结构相变 利用两相反射率的差异鉴别信息 一次写入光盘 37 可擦重写磁光光盘材料 稀土 钴合金 如GdCo TbCo GdTbCo和GdTb FeCo等 目前已用来制成可擦写磁光光盘 稀土 铁合金 如GdFe TbNiFe GdTbFe等 磁光盘读 写 擦原理 38 写入信息前 用强磁场对GdCo介质进行初始磁化 使各磁畴单元具有相同的磁化方向 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 使光照微区反向磁化 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录 信息写入 可擦写光盘 39 信息读出 利用Kerr磁光效应检测记录单元的磁化方向 1877年 Kerr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角度 角度一般只有0 3 0 5 称为Kerr角 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 Kerr磁光效应 40 信息擦除 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 记录单元的磁化方向又会复原 清华同方可擦写光盘 41 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 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 信息读出 对应低功率的激光热效应 非晶介质中的相结构不发生变化 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 42 以下是近几年国外公司所用的相变介质 IBM 可擦重写 Sb2Se 菲利浦 可擦重写 InSbTe InSbSe InSb 松下 可擦重写 Ge2Sb2Te5 Ge2Sb2Te4 直接擦写 GeTe Sb2Te3 Sb 日立 可擦重写 InSeTl InSeSn 直接重写 1nSeTl GeTe Sb2Te3Co Sony公司生产的可擦写光盘 43 信息处理材料 44 信息处理材料是指用于对电信号或光信号进行检波 倍频 混频 限幅 开关 放大等信号处理的一类信息材料 主要有Si Ge等半导体材料 GaAs系列 InP系列 GaN系列半导体材料 SiO2等氧化物材料 微波铁氧体材料等 半导体材料和器件 45 常温半导体 Si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 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 须经过提纯才能显示半导体性质 电子级的硅通常具有多晶结构 大大降低电子的运动速度和寿命 严重影响器件的频率特性 需把硅拉制成单晶形式 单晶硅 自然界中的Si 石英砂 人工单晶Si片 46 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 在坩埚中盛满硅并使其温度保持在高于硅的熔点100 左右 将一颗小的硅种晶浸入硅熔液中 随后旋转拉杆将它缓慢从熔融硅中拉起来 在种晶向上提拉时 熔融的硅附在上面 晶体尺寸逐渐增大 直到最终尺寸 2003年 我国已研制出直径300mm的单晶 正在研制直径450mm的单晶 垂直单晶生长法 47 将单晶硅切割成片并抛光 制成的硅片叫晶片 在真空无尘环境下 在晶片上集成大量的晶体管和其它元件 得到芯片 将芯片装在陶瓷封装壳中 构成具有特殊电路功能的集成块 单晶硅棒 晶片 芯片 集成块 48 在过去40年 硅集成电路器件集成度已提高100万倍 单位价格急剧下降 在这其中单晶硅片尺寸增大和质量提高起到重要作用 如何得到大尺寸单晶硅以降低硅片成本 如何制备低原生缺陷甚至无缺陷单晶硅片 使集成电路线宽进一步减小而不被击穿是单晶硅研究的主要方向 美军计划研制3000吨级的巨型空间站 作为太空战和反制其他国家的基地 49 锗材料 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 1948年 诞生了第一只锗晶体管 锗在晶体管初期发展时代曾为晶体管的主要原料 到20世纪60年代中期才逐步被硅所代替 金属锗 50 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 锗还具有优良的红外光学性能 可做为红外窗口和透镜 低温红外探测器及低温温度计等 1984年 美国已把锗作为战略储备材料 锗三极管 51 砷化镓GaAs 由于Ga是周期表中第IIIA族元素 As是第VA族元素 所以称GaAs是III V族化合物半导体 GaP InP等也是III V族化合物半导体 这些材料具有优良的半导体特性 GaAs晶片材料 52 GaAs和InP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 抗幅照等特点 GaAs中电子有效质量仅为自由电子质量的1 15 电子在GaAs中运动速度比Si中快6 7倍 GaAs晶体管开关速度比硅晶体管快1 4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 GaAs二极管 53 在高频通信信号放大 光探测等方面 GaAs晶体管也有重要应用 InP具有比GaAs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 特别是光电子器件和光电集成方面占有独特的优势 GaAs器件 InP器件 54 高温半导体 军事工业 飞机发功机和宇航等产业要求研制在500 600 范围内工作的电子器件 半导体Si器件工作温度一股不超过200 为提高半导体器件工作温度 应选禁带大 高温性能稳定的SiC高温半导体材料 能隙宽度在2 39eV至3 33eV的范围内变化 碳化硅 高温SiC器件 55 SiC器件制成的p n结可在500 下工作 这是它最重要的应用 SiC是军用GaN微电子材料和器件的首选衬底 与传统的蓝宝石衬底相比 SiC具有更高的热导率 晶格常数和热膨胀系数与GaN更为接近 失配度仅为3 5 蓝宝石为17 SiC衬底 SiC器件 56 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5 45ev 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 金刚石半导体材料在高温 高功率器件领域有着极大的潜在应用前景 人造金刚石薄膜及其微观结构 57 信息传递材料 58 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 主要介绍光纤材料 光纤材料 59 光导纤维 电缆通信是将声音变成电传号 通过铜导线把电信号传到对方 光纤通信则是将记录声音的电信号变成光信号 通过玻璃纤维把光信号传输到对方 最后又把光信号转变成电信号 光纤通信具有通信容量大 节省铜资源等优点 成为21世纪通信主流技术 光纤材料也成为重要的光传输材料 南宁酷特公司光纤产品 60 光导纤维接受与传输光线原理图 光纤是由折射率高的纤芯和折射率低的包层组成的圆柱形光波导介质 纤芯将入射光线传输到接受端 芯和包层的交界面使光线无法透过 构成光壁 保证芯的导光 要使光线在芯部正常导光 须使入射光线在纤芯和光壁间产生全反射 如A所示 当入射光线发生光的折射 无法实现光导 如B所示 61 石英光纤具有资源丰富 化学性能稳定 膨胀系数小等优点 是目前得到大规模应用的光纤 光纤的纤芯是纯度达到99 9999 的SiO2 其余成分为改变材料折射率的极少量的掺杂 如GeO2 P2O5 B2O3 含氟化合物等 外包层是由纯石英和掺氟的低折射率材料组成 石英光纤 62 石英光纤的制备 石英光纤制备 先制成石英玻璃预制棒 然后将预制棒拉制成纤维 将预制棒放入2000 的石墨炉中加温软化 拉成细如发丝的玻璃丝 拉出的光纤马上涂覆 经过一系列工序加工成光缆 即可投入使用 石英光纤预制棒制备工艺图 拉制的光纤丝 63 光纤的应用 光纤透光性好 传输中损耗较低 容量大 抗干扰 保密性好 重量轻 抗潮湿及抗腐蚀等特点 广泛应用于长距离通信 如海底光缆等 光纤可用于显示系统 美国杜邦公司等将光纤用于公司广告牌 可变化各种颜色 吸引人们注目 光纤应用于建筑物装饰 光缆 光纤吊灯 64 光纤在汽车工业中应用占很大比重 如尾灯故障显示系统 驾驶指示灯 油表和温度计显示等 军舰用光纤联接数字解码电话系统 处理舰上各区域信息 通讯效果不受干扰并免除窃听之虑 机场滑行路标使用光纤后 用灯数量减少 文字明确 可靠性高 减少故障 维修容易 光纤通讯 汽车尾灯显示 65 光纤可制成光纤传感器 对许多废气如CO CO2 SO2及CH4等和有机液体在中红外波段均有较强的吸收带 用氟化物光纤制成的红外光谱仪可对这些气体和液体的浓度进行远距离检测 用氮化物光纤制成的温度传感器已用于室温至数百度的高精度测景 光纤传感器 66 信息显示材料 67 信息显示材料主要是指用于阴极射线管和各类平板显示器件的一些发光显示材料 按照显示原理分类 信息显示材料主要可分为液晶显示材料 LCD 等离子体显示材料 PDP 阴极射线管显示材料 CRT 场发射显示材料 FED 真空荧光显示材料 无机电致发光显示材料和有机电致发光显示材料等 主要介绍液晶显示材料 68 液晶显示材料 LCD 液晶具有晶体一样的各向异性 也具有液体的流动性 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 液晶的流动性表明液晶分子间作用力微弱 改变液晶分子取向排列所需外力很小 几伏电压就可改变 因此液晶显示具有低电压 微功耗的特点 液晶分子结构决定液晶具有较强的各向异性 稍微改变液晶分子取向就能明显改变液晶的光学和电学性能 容易改变的液晶分子结构 69 液晶分子呈棒状 长约一个纳米 棒状分子由中央基团和末端基团构成 这些基团决定了液晶的性能 液晶分子是含有极性基团的极性分子 棒状的液晶分子 70 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 引起液晶光学性质变化 这种因外加电场作用而引起液晶光学性质发生变化的效应称为液晶的电光效应 液晶分子的电光效应 71 液晶分子的排列方式也可以影响液晶的性能 液晶分子按照排列方式的不同 可分成近晶相 向列相和胆甾相三大类 液晶相和分子排列 a 向列相 b 胆甾相 c 近晶相 72 近晶相 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 不能在层间移动 这类液晶粘度很大 一般不用于液晶显示 向列相 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列 这类液晶粘度较小 流动性较好 是液晶显示用的主要类型 胆甾相 棒状分子分层排列 层内分子相互平行 相邻两层分子的长轴方向略有变化 旋转一定角度 分子沿层的法线方向排列成螺旋状结构 73 液晶分子的电光效应和光学特性可进行液晶数码显示 早期用于笔记本式计算机 台式监视器和电器仪表显示 目前应用领域已扩展到台式计算机 壁挂电视和广告牌等 液晶电视 液晶显示器 74 2008年 Sharp生产的108英寸液晶显示器 LB 1085 正式上市 售价为1100万日元 约合人民币70万元 75 胆甾液晶的螺距随温度变化而交化 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 液晶温度计 76 液晶分子在光的照射下电导率会显著改变 由此可将它们做成光导体 可用于空间光调制器等 高分子和低分子液晶构成的复合膜具有选择性渗透 可用于离子交换膜 电荷分离膜 脱盐膜和人工肾脏透析膜等 液晶薄膜 77 等离子