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未来的信息功能材料 Contents 目录 01 02 03 04 探测 传输 储存 处理 1 Chapter 信息功能材料之信息获取材料 获取信息的手段 获取信息主要是使用探测器和传感器 传感器 对电 磁 光 声 热辐射 压力变化或化学物质敏感的材料均可用来制作传感器 如电磁敏感材料 光敏材料 压电材料等 探测器 目前光电子学技术是获取信息的主要手段 光电子系统中 光波容量大 速度快 保密性好 抗干扰能力强 常用光波调制信息 探测器使光辐射的能量转化为其他能量形式的信息 再测量 而从近代测量技术来看 电量测量不仅方便而且精确 所以大部分光探测器都是直接或间接把光辐射能量转化为电量 根据光电转换方式或者探测光子波长可分类 光电探测器进展 用超晶格 量子阱 结构提高了量子效率 响应时间和集成度 制成了探测器阵 可以用作成像探测 典型例子 探测灵敏度极高的HgCdTe红外焦平面列阵 FPA 并成功应用于红外遥感 成像等 信息获取的未来发展 信息形式多样化 光是人类目前发现的最出色的信息载体精确度 更精确 信息获取的未来发展 减弱如上干扰获取信息精确度因素是一发展方向 接下来为主讲者口胡更不精确 在一些信息传递上数据的具体数值无关紧要 仅仅是大小或正负等决定 比如开关 1和0等仅为两个数据 此时数据精确度不重要 两侧的CL CladdingLayer 的禁带宽度要大于AL ActiveLayer AL采用量子阱结构可以更好的限制载流子 从而提升IQE 内量子效率 另外一方面 采用量子阱AL Barriers阻碍载流子在相邻阱的移动 所以采用多量子阱结构 Barrier需要足够透明 低和薄 以防止载流子在每个阱内的不均匀分配 AL厚度也对IQE 内量子效率 有很大影响 不能太厚 也不能太薄 每种材料有其最佳范围 2 Chapter 信息功能材料之信息的传输材料 主要原料为SiO2 光纤材料 主要原料为铜 其它通信材料 信息传输材料 分类 光导纤维材料 光导纤维材料光导纤维是指能导光的纤维 通常由折射率高的纤芯及折射率低的包层组成 这两部分对传输的光具有极高的透过率 目前应用的光纤是以SiO2为主要原料的纤维 其纤芯芯径为数 m到数百 m 光线进入光纤在纤芯与包层的界面发生多次全反射 将载带的信息从一端传到另一端 从而实现光纤通信 优缺点 优点 传输速度快 载频为3 1014Hz 约为电视通信所用超高频的100000倍 从而使信息载带容量或带宽激增 在理论上 光纤可以传送107路电视或1010路电话 可以把一个特大图书馆储藏的全部图书信息在短时间内全部传送完毕 其容量比金属同轴电缆大5个数量级 传输损耗很小 每单位传输距离只需要极少的放大器或中继站 与金属导线比起来 高频率下光纤损耗低得多 它可以传输几十公里乃至上百公里不必增加中继器 而金属同轴电缆没有中继器只能传输几公里 光纤是绝缘体 不受邻近其它系统和其它物体产生杂散电场的影响 因此不受干扰 基本上能防范电子间谍 尺寸小 重量轻 有利于铺设和运输 光纤的芯径仅为单管同轴电缆的百分之一 8芯光缆直径约10mm 而标准同轴电缆为47mm 这样可以解决地下管网由于通信电缆太多而造成的拥挤问题 储量大 光纤材料主要是石英 SiO2 它在地球上非常丰富 优缺点 缺点 质地脆 机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具 设备和技术分路 耦合不灵活光纤 光缆弯曲半径不能过小 20CM 在偏僻地区存在有供电困难问题 光纤的结构 纤芯core 折射率较高 用来传送光 包层coating 折射率较低 与纤芯一起形成全反射条件 保护套jacket 强度大 能承受较大冲击 保护光纤 光纤材料 石英光纤 石英光纤主要由SiO2构成红外光纤多组分玻璃光纤 SiO2约占百分之几十 此外还含有B2O3 GeO2 P2O3和As2O3等玻璃形成体及Na2O K2O CaO MgO BaO和PbO等改性剂 熔点低 1400 可用传统的坩埚法拉丝 塑料光纤 全塑料光纤主要由特制的高透明度有机玻璃 聚苯乙烯等塑料制成 已制成阶跃型和梯度型多模光纤 目前光纤损耗已降至数十dB km 其特点是柔韧 加工方便 芯径和数值孔径大 塑料包层光纤塑料包层光纤是以石英作纤芯 塑料作包层的阶跃型多模光纤 其芯径和数值孔径都较大 适于短距离小容量通信系统应用 光纤材料 通信电缆材料 A双绞线材料 双绞线 由两根相互绝缘的铜线以均匀对称的方式扭绞在一起作为一条通信链路 以减少附近导线的干扰 其它通信材料 双绞线导线的典型直径0 4 1 0mm 电缆 将多对双绞线捆在一起 封在一个坚实的护套中 光屏蔽双绞线与无屏蔽双绞线 以硬铜线为芯 外面包一层绝缘材料 该层绝缘材料用密织的网状导体环绕 网层外面在覆盖一层保护材料 具有高带宽和较好的噪声抑制特性 B同轴电缆材料 3 Chapter 信息功能材料之信息的存储材料 信息储存的意义 信息的储存是信息系统的重要方面 如果没有信息储存 就不能充分利用已收集 加工所得信息 同时还要耗资 耗人 耗物来组织信息的重新收集 加工 有了信息储存 就可以保证随用随取 为单位信息的多功能利用创造条件 从而大大降低了费用 信息储存的方法 人类记录信息 存储信息方法经历了以下几大技术 结绳记事 文字纸张 磁记录方式 磁鼓 磁带 磁盘等 当前比较成熟 半导体电记录 电路 电量或电容 ROM RAM等 随着半导体技术的提升而不断提升 改进光记录 光盘 光运算器件 光计算和光存储也许会在不久的将来大力发展 存储技术的瓶颈 未来信息领域的中心问题就是存储 只有存储容量的不断增大 才能满足信息社会高速发展的需要 现在世界各国 特别是发达国家对磁存储技术的发展极其重视 要提高磁信息存储容量 就必须不断减小用于记录信息的磁性颗粒的尺寸 但当尺寸减小到一定程度时 超顺磁效应就会影响到记录的磁信息的稳定性 所以必须有新的技术 现代磁盘存储技术的原理 在磁存储中信息的记录与读出原理是磁致电阻效应 磁致电阻磁头的核心是一片金属材料 其电阻随磁场变化而变化 磁头采用分离式设计 由感应磁头写 磁致电阻磁头读 记录过程在硬磁盘中写入信息 采用的是感应式薄膜磁头 即用的是高磁感应强度的薄膜材料加平板印刷工艺的磁头结构 读出过程读出过程采用巨磁电阻GMR GianMagnetoResistance 磁头 包括磁性自旋阀 MagneticSpinValve 与磁性隧道结 MagneticTunnelJunction 结构 现代磁盘存储技术的原理 隧道型磁电阻磁头TMR有望成为下一代高密度读出元件的一种磁头 2007年9月 美国Seagate公司采用隧道结磁头的第四代DB35系列产品 硬盘容量已达1TB 垂直记录技术其采用单极型SPT SinglePoleTypeHead 磁头方式进行记录 随着记录密度的增加 对介质的矫顽力提出更高的要求 反铁磁耦合介质AFC AntiFerromagneticallycoupledmedia 由二层 或多层 被非磁耦合层相隔离的磁性层构成的 上磁性层为主记录层 ML 下磁性层为稳定层 现代磁盘存储技术的原理 热辅助磁性记录HAMR HeatAssistedMagneticRecording 技术的居里点记录技术 其原理是所有磁性材料都有一个居里点温度 当磁性材料被加热到该温度时 材料的矫顽力趋于零 介质矫顽力的大小 记录的难易 信号的稳定性三者的关系是 矫顽力较低时 容易记录 但记录信号不稳定 矫顽力较高时 记录信号稳定 但很难记录 对磁头强度要求非常高 图案化磁信息存储介质该技术为克服超顺磁极限 提高磁记录介质记录密度的一种有效途径 在这种技术中 介质是由非磁母体隔离的纳米级岛状单畴磁性斑点阵列组成 每位信息存储在一个单畴磁斑上 即存储数据的信息位恰如彼此相互独立的 点 这样就减少了相互间的干扰和数据信息位损坏的危险 大大提高了记录信息的温度稳定性 半导体存储器 半导体存储器是一种以半导体电路作为存储媒体的存储器 按其制造工艺可分为 双极晶体管存储器和MOS晶体管存储器 其优点是 存储速度快 存储密度高 与逻辑电路接口容易 主要用作高速缓冲存储器 主存储器 只读存储器 堆栈存储器等 光储存系 光储存系指以光电工程之方法 将资料储存于光学可读的介质上 以进行资料的储存 电脑所使用的只读记忆光碟以及蓝光光碟等光学碟片就是光储存的应用 光存储发展的关键技术 1 高密 高效 高速的母盘刻录技术采用短波激光和大数值孔径的物镜 可使道间距减小 比特长度减小 从而可提高光盘的刻录密度 采用脉宽调制 可显著提高记录效率 光存储发展的关键技术 2 DVD单面盘的精密注塑及双盘的封装技术将DVD母盘 模板生产线挑选出的合格模板 用精密注塑机注塑成形 制得的DVD半成品经适当冷却 送入溅射室 根据不同要求 分别溅射金或铅 然后进行粘合剂旋涂 封装 紫外光固化 在线检测 商标印刷等 制成DVD只读光盘 光存储发展的关键技术 3 光盘记录介质DVD RAM光盘是否稳定可靠 记录介质是关键 而材料设计能否满足高速存储的要求 又取决于记录介质能否在两个稳定态之间实现快速可逆相变 国内外传统相变介质材料设计都是基于激光的热效应 信息写入用液相快淬实现 信息的擦除用晶核形成 晶粒长大来完成 由于热效应是能量积累过程 写入一个比特需较长时间 约几十纳秒 而且介质在经历几十万次的写 擦循环后会出现信噪比下降的热疲劳 随着记录激光采用短波长 激光的热效应逐渐减弱 而激光光子的激发作用变得突出 所以新的材料设计基于激光的光效应 对半导体类型介质