【2019年整理】第二节新材料的研究与开发

1、第六章 第二节新材料的研究与开发 半导体材料 光电子材料 能源功能材料 超导材料 磁性材料 贮能材料 燃料电池 纳米材料科学技术 但不同档次的硅芯片在21世纪仍大量存在，并将有所发展。 *在绝缘衬底上的硅(SOI, SiOn Insulator):功能低、低漏电、集成度 高、高速度、工艺简单等。SOI器件用于便携式通信系统，既耐高温又抗辐照。 * 集成系统(IS，Integrated System):在单个芯片上完成整系统的功能，集 处理器、存储器直到器件设计于一个芯片(System on a Chip)。 * 集成电路的总发展趋势：高集成度、微型化、高速度、低功耗、高灵敏度、 低噪声、高可靠

2、、长寿命、多功能。为了达到上述目标，有赖于外延技术( vpe LPE MOCV及MBE)的发展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。表1为集成电路 的发展对材料质量的要求。 表1集成电路发展对材料质量的要求 (2) 第二代半导体材料是川-V族化合物 GaAs电子迁移率是Si的6倍(高速)，禁带宽(高温)广泛用于高速、高频、 大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器件。 GaAs用于集成电路其处理容量大100倍，能力强10倍，抗辐射能力强2个量 级，是携带电话的主要材料。InP的性能比GaAs性能更优越，用于光纤通讯、微 波、毫米波器件。 (3) 第三代半导体材料是禁带更宽的 SiC、GaN及金刚石。 (4)

3、 下一代集成电路的探索 光集成 原子操纵 光电子材料 21世纪光电子材料将得到更大发展 电子质量：10-31 Kg /电子 电子运动：磁场、电阻热、电磁干扰、光高速、 传输（容量大、损耗低、高速、不受 电磁干扰、省材料） 光电子材料包括： （1）激光材料（20世纪60年代初） 激光：高亮度、单色、高方向性 红宝石（Cr+:AI 2Q （2）非线性光学晶体（变频晶体） KDP（磷酸二氢钾）、KTP （磷酸钛氢钾） LBO（三硼酸锂）?- 表2主要化合物半导体及其用途 （5）显示材料 发光二级管（LED如表3 表4光纤发展阶段及所需材料 光纤材料： 石英玻璃：SiO2、SQ-GeQ、SQ2-B2Q

4、-F 多组分玻璃：SQ-GaO-NOO SiOz-BzQT CNaO 红外玻璃：重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃：Er、Nd ?- 多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps） 单模可传输调制后的信号40Gbps到200Km 而不需放大。 （7）记录材料 21世纪将是以信息存储为核心的计算机时代，在军事方面，如何快速准确地获 取记录、存储、交换与发送信息是制胜的关键。 磁记录在21世纪初仍有很强的生命力，通过垂直磁记录技术和纳米单磁畴技 术,再加先进磁头（如巨磁电阻）（GM）勺采用，有可能使每平方英寸的密度达100GB 所用介质为氧化物磁粉（丫 -FezQ及加Co - 丫 -Fe

5、2Q、CrQ），金属磁粉或钡铁氧体粉。 磁光记录：与磁记录不同之处在于记录传感元件是光头而不是磁头。磁光盘的 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。 （8）敏感材料 计算机的控制灵敏度与精确度有赖于敏感 材料的灵敏度与稳定性。 敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功 能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（DNA 等。限于篇幅不一一列举。 （二）能源功能材料 ? 低温（液氦温度）超导已产业化，价格问题 ? 高温（液氮温度）超导已发现 30多种 ? YBaCuO , Je 10 5 A/c

6、m2（薄膜,块体） ? （Bi,Pb） Sr Ca Cu O （B1 2223/ Ag）带丝线材生产稳定, ?质量均一性未能解决， ?2010 年可望产业化 ? 探索高温超导，及高温超导机理问题 ? 趋导失超后的安全问题 磁性材料 硅钢片是最重量要的软磁材料（全世界 650万吨） 铁基非晶态合金有明显优越性（表 5） 特别用于：电焊机，节能，体积小（1/10） 作为结构材料：耐磨（作磁头），耐蚀（代不锈钢） 硬磁材料发展很快，20世纪40年代AlNiCo，50年代铁氧体，65年ReCQ72 年RCQ, 83年NdFeB,磁能积提高了几十倍，从性能价格比来看，（表6）铁氧体永 磁远比其它磁性材料

7、更具有竞争能力； NdFeB 则单位体积的性能比铁氧体高出10倍而得到更快的发展，目前世界产 量近万吨，中国占了一半左右，但性能有待进一步提高。 下一代永磁发展目标是纳米技术的应用与新材料的探索，如：SmFet等。 过去每10年提高40kJ/m3, 2010年达可到600- 800kJ/m3。 表6永磁体价格/性能比（1995） 贮能材料（贮氢与高能电池） 电网调峰与环保的需要，信息电子工业所必须，与太阳能配套 太阳能发电电解水一氢一贮氢 电一蓄电池 也是机械能动力源 贮氢材料：金属间化物贮氢基本成熟（表 7），但用于汽 车燃料存在比重大，易中毒和价格问题。 表 7几种金属间化物贮氢材料 表

8、8 为几种典型电池反应机理与特性，当前 最有发展前景的是Ni MH电池，但从比能量密度, 锂电池最好，而价格是前者 3.5 倍，其中塑料锂 电池具有重量轻，形状可任意改变，安全性更好 的特点，可能是 21世纪开发的重点。 Ni MH电池一汽油混合汽车已实用化，低速 与起动用电池，而高速时自动跳到汽油并充电， 如比可节油（ 1/2），排放减至 1/10， CO2（1/2 ）。 表 8几种典型电池反应机理和特性 燃料电池是将化学能转变为电能的一种装置，效率高、污染小，是21 世纪 重点发展的一种技术。 目前正在开发的燃料电池，如表 9： 表 9正在开发的燃料电池类型 以氢氧燃料电池为例其理论比容量

9、为 2975 A.h/kg ，比能量为 3660 w.h/kg ， 远高于蓄电池、燃料电池的发展，有电极 材料问题。据报导，Benz厂用甲醇 作燃 料电池的燃料已用于汽车。 最近美国NASA正在开展一种试验，即太阳能电池与氢氧燃料电池联合开动 的小飞机，白天太阳能电池工作，用剩余电来电解水、晚上H2O燃料电池工作，目 前载人还不现实，计划在 2003 年实现用于通信。 三）纳米材料科学技术将成 为 21 世纪最活跃领域 纳米科技的提出 ?3.在宏观领域和微观领域的研究中出现的三次工业革命： ? （1）在宏观领域中，人类研究了天体宇宙的运动规律，建立了伽利略-牛顿的经 典物理学理论体系，奠定了机

10、械学基本原理，蒸汽机的出现（1769），以蒸汽动力代 替人力，宣告了第一次工业革命。随着蒸汽机的发明和不断完善，蒸汽机作为一种 动力机不但在纺织、采矿业中得到广泛的应用，而且还被推广应用到交通运输、冶 金、机械、化工等一系列工业部门，使社会生产力以前所未有的高速度发展 ? （2）19世纪3 0年代，（1831）法拉弟总结出电磁感应定律，随后建立了电力工 业系统，带来了工业电气化，出现了电报、电话、电视和无线电通讯技术，导致了 第二次工业革命。 ? （3）继蒸汽机时代和电力时代之后，20世纪中叶，随着半导体、晶体管和集成电 路的发明，人类迈向了微电子信息时代，出现了第一台电子计算机（1945年，底 花费了 48万美元，使用了 1.8万个电子管）。引发了第三次工业革命。 m (10