材料科学前沿1 信息材料

1、材料科学前沿，信息材料，信息材料，3，人体和信息技术，收集信息：眼睛，耳朵，鼻子，舌头和皮肤传感技术传输信息；神经系统通信技术存储和处理信息；大脑信息处理和存储技术显示信息；根据大脑指令控制技术，信息技术是一种收集、存储、处理、传输和显示各种信息的技术。信息采集(传感)材料，是指用于信息传感器和探测器的一种对外界信息敏感的材料，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、压敏材料等。力敏传感材料是指在外力作用下，其电学性质会发生明显变化的材料，分为：金属应变电阻材料、半导体压阻材料、压电材料。力敏传感材料，7。力敏传感器，8。电阻应变效应是指金属导体在应力作用下发生形

2、变(伸长或缩短)时，其电阻发生变化的物理现象：1)金属应变电阻材料，当金属电阻丝受到轴向拉伸时，其长度增加，截面减小，导致电阻增大。相反，当它受到轴向压力时，它会导致阻力减小。9.铜镍合金(康铜):稳定的灵敏度系数和良好的抗辐射性能。低温性能差的镍铬合金：电阻率和抗氧化性高、工作温度宽的铁铬铝合金：抗氧化性和耐高温性最好的镍铬铁合金：抗氧化性和耐高温性最好的铂及铂合金，主要金属耐应变材料，10。压阻效应：当半导体受到机械力时，其电阻率会因载流子迁移率的变化而变化。2)半导体压阻材料，原理：机械力、晶格间距、禁带宽度、载流子相对能量、电阻率、压阻系数g:单位应力下电阻率的相对变化，11、灵敏度和

3、精度高，易于小型化和集成化，结构简单，工作可靠，经过几十万次疲劳试验性能不变，动态特性好，其响应频率为103105赫兹，由于半导体压阻材料的优点，用于制作常温下的各种压力、应力、应变、速度和加速度传感器，逐步取代金属应变仪。压电效应：当某些电介质在外力作用下沿某一方向变形时，内部会发生极化，表面会产生电荷。3)移除外力后，压电材料返回到不带电状态。压电材料：具有压电效应的介电材料，13。应时晶体压电效应示意图。热敏传感材料是指对温度变化有敏感响应的材料。2。热敏传感材料，1)双金属温度计(热膨胀型)，由两种不同膨胀系数的金属片焊接而成。它是一种固体膨胀温度计，能将温度变化转化为机械量变化。15

4、、16将两种不同材料的导体A和B串联起来形成一个闭环。当两个接头的温度不同时，回路中将产生热电势，并形成电流。这种现象被称为热电效应。2)热电温度计(热电偶)，17，由于两个不同导体的不同自由电子密度而在接触处形成的电动势。接触电动势的值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。两个触点的接触电动势eAB(T)和eAB(T0)可表示为：接触电动势18，是同一导体两端因温度不同而产生的电动势，其机理是：热电电动势，高温端的电子能量大于低温端的电子能量。从高温端到低温端的电子数多于从低温端的电子数。结果，高温端由于失去电子而带正电，而低温端由于获得额外的电子而带负电，这在导体19的两端形成热电电

5、动势，eab (t，t0)=eab (t) eb (t，t0)eab(t0)ea(t，t0)忽略热电电动势，热电偶回路中产生的总热电势可表示为：取决于材料和结温，与形状和尺寸无关。20，21，利用导体或半导体的电阻值随温度变化的原理。在实际生产中，热敏材料主要指电阻值随温度变化很大的半导体热敏电阻陶瓷。3)热敏电阻温度传感器22、热敏电阻23、PTC是指热敏电阻现象或材料在一定温度下具有正的温度系数和急剧增加的电阻，它可以专门用作恒温传感器。该材料是基于钛酸钡、钛酸锶或钛酸铅的烧结体，其中掺杂了少量的氧化物如铌、钽、铋、锑、钇、镧等用于价态控制和半导电。半导体钛酸钡和其他材料通常简称为半导电(

6、体)陶瓷。PTC热敏电阻材料，24，NTC指热敏电阻现象和负温度系数材料，其电阻随温度升高呈指数下降。该材料是通过充分混合和烧结两种或多种金属氧化物如锰、铜、硅、钴、铁、镍和锌制备的半导体陶瓷。现在还有以碳化硅、硒化锡和氮化钽为代表的非氧化物NTC热敏电阻材料。NTC热敏电阻材料，25，光敏传感材料是指在光照下由于各种效应而产生光生载流子的材料。光敏传感材料，外部光电效应：在光的作用下，物体中的电子从物体表面逃逸并向外发射。向外发射的电子称为光电子，如光电池和光电倍增管等。内部光电效应：半导体材料在曝光时会产生电子-空穴对，这将提高它们的导电性，光越强，电阻越低，如光敏电阻、光电二极管、光电晶

7、体管等。光电导效应：在入射光的作用下，电子将光子能量从成键态吸收到自由态，从而引起材料电导率的变化。光伏效应：当大于带隙的光子照射到PN结时，光生电子-空穴对被内建电场分开，形成光生电动势、光电导效应和光伏效应。27、光电导探测器功能图，左侧：探测器功能图；右图：探测器光谱响应曲线，28，光电池，29，4。磁敏材料，磁敏传感材料：主要指一种具有磁阻效应的磁阻材料：指材料的电阻率随外加磁场的变化而变化的现象。磁敏传感材料分为半导体磁阻材料和强磁薄膜磁阻材料。当金属或半导体片置于磁场中时，将在垂直于电流和磁场的方向上产生电动势，这被称为霍尔效应。它可用于位移、压力和角度检测。1)霍尔传感器32、3

8、3、霍尔速度传感器34，在高纯度本征半导体锗的两端形成的p型区和n型区之间的本征区的一侧被研磨成光滑的复合表面(I区)，而另一侧被粗糙化，使得高复合区(r区)中的电子-空穴对容易重新结合并消失在粗糙表面上，2)磁敏二极管35，没有外部ma气敏材料被用来制造气敏传感器。气体吸附后载流子数的变化会导致表面电阻率的变化，从而可以检测气体的类型和浓度。5。气敏材料，37。二氧化碳传感器，烟雾报警器，酒精传感器，38。湿敏材料是指电阻值随着环境湿度的增加而显著增加或减少的一些材料。6.湿敏材料，陶瓷湿敏材料主要包括MgCr2O3体系、ZnCr2O3体系、MnWO4、NiWO4等高分子湿敏材料，它们是指电

9、阻率或介电常数在吸湿后会发生变化的高分子电解质膜，如吸湿树脂、硝化纤维素高分子膜、39、湿度传感器、40，压敏陶瓷是指具有非线性伏安特性的半导体陶瓷，即电阻值对电压变化敏感。7.低于某一临界电压的压敏材料电阻很高，几乎没有电流通过。然而，当施加的电压超过该临界电压时，电阻将急剧减小，并且电流将随着电压的小幅增加而快速增加。41，42，2。信息存储材料，信息存储材料是指能够记录和存储信息以形成各种信息记忆的材料。在外部物理场(如电场、磁场、光照等)的影响下。)，材料经历物理或化学变化以实现信息的存储。主要介绍了磁存储材料和光存储材料。43，1。磁存储材料是一种利用矩形磁滞回线或磁矩变化来存储信息

10、的磁性材料。44，45，磁存储器具有数据存储和读取方便、容量大、成本低的优点。根据磁化方向是平行于还是垂直于存储介质的移动方向，磁记录模式可以分为两种类型：平面磁记录垂直磁记录模式46、水平(纵向)存储模式47，其中磁化的磁介质在与环形电磁体相切的方向上以恒定速度移动，并且工作间隙面向介质。当存储信号时，信号电流通过磁头线圈。磁场会在间隙中溢出。如果磁带和磁头之间的相对速度保持不变，剩磁沿介质长度方向的变化规律充分反映了信号的变化规律。电流随时间的变化转化为磁化强度随距离的变化，并存储在磁带上。信号存储过程，48，49，垂直磁记录。首先，由于更多的存储物质3354磁性粒子可以容纳在同一区域，因

11、此，单位存储容量将增加，最多有10倍的差距。第二，因为磁性粒子和磁盘之间的接触面积减少，所以“温升效应”将被减轻。磁盘的热量将不再快速传递给磁记录材料。这样，磁性粒子排列更加紧密，热量引起的“超磁极限”效应不再明显，保证了数据存储的安全性和稳定性。50，垂直记录硬盘的工作原理，51，垂直记录硬盘，52，2。光存储材料，是由记录介质层、反射层和保护层组成的多层结构，具有光学匹配性。多层膜通常通过物理或化学方法沉积在基底上。其上沉积有光学存储材料的盘被称为光盘。光盘上激光雕刻的凹坑代表“1”，空白代表“0”。53、通过调制激光将待存储的信息、模拟量或数字量聚焦在记录介质上，使介质的照明微区发生物理

12、或化学变化，实现记录，即在写入和读出信息时，低功率密度的激光扫描信息轨迹，反射光被光电探测器探测和解调，取出所需信息；54、(1)只读光盘材料，在玻璃母盘上均匀涂一层光刻胶，经调制激光照射后，用化学方法去除曝光部分，形成具有凹凸信息结构的正母盘。通过喷涂技术，厚金属层沉积在母盘上，并且金属层与母盘分离以形成负像，这被称为模盘光盘制造(下一页)，55，并且熔化的聚碳酸酯被注入到模板中。压模盘上的凹凸信息通过压模成型的方法以负像复制到聚碳酸酯盘表面。聚碳酸酯固化后，在数据表面涂覆金属铝作为反射层，然后在反射层上添加保护层以形成只读光盘，并制造光盘。(56，57)一次写入光盘材料，使用聚焦激光在介质

13、的记录微区产生不可逆的物理和化学变化来写入信息。烧蚀型：书写激光的强度呈高斯分布，中心温度高于介质的熔点TM，其余温度低于介质的熔点Tm，中心照射部分介质的微区熔化，表面张力将其拉走并消除脉冲，孔边凝结形成具有信息结构的凹坑，从而实现信息记录。光照使聚合物分解，废气形成气泡，使聚合物薄膜表面凸起，与周围环境形成反射率差异，实现对比记录。60.熔化型：用离子束刻蚀硅表面形成绒面结构，照射微区将绒面熔化成镜面，实现对比记录相变型：照射微区产生结构相变，利用两相反射率的差异识别信息，61。(3)可擦除重写光盘材料，1)磁光盘，磁光盘读取。62.在写入信息之前，GdCo介质最初被强磁场磁化，因此所有磁

14、畴单元具有相同的磁化方向。当写入信息时，磁头的写入脉冲激光聚焦在介质表面，介质的矫顽力由于光照下的温度升高而迅速降低。此时，通过磁光头中的线圈施加反向偏置磁场，从而照明微区被反向磁化，并且写入脉冲和反向偏置磁场被去除，并且介质中未被照明部分的磁化保持原始方向。实现磁化方向63的对比记录，读出信息，并利用克尔磁光效应检测记录单元的磁化方向。1877年，克尔发现偏振面被线偏振光反射后会绕反射线向右旋转；该角度一般只有0.30.5，称为克尔角。当读取信息时，磁头中的偏振器产生偏振光来扫描信息轨道，然后通过分析器检测每个单元的磁化方向。当擦除信息时，原始写入激光照射信息轨道并施加与初始方向相同的偏置场

15、，记录单元的磁化方向将再次恢复。65、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重复可擦除重写：信息写入：对应于高功率激光的热效应，晶体介质在快速凝固后从晶态变为非晶态；用弱激光扫描相变盘，晶体反射率高，非晶反射率低；信息擦除：对应于中等功率激光的热效应，非晶介质成核并从非晶态向晶态生长；2)相变盘，66，以下是近年来国外公司使用的相变介质：IBM:可擦重写-Sb2Se飞利浦：可擦重写-InSbTe、InSbSe、InSbPanasonic:可擦重写-Ge2Sb2Te5、Ge2Sb2Te4；直接擦除-gete-sb2te3-sb日立：可擦除重写InSeTl，InSeSn；直接重写

16、InTel，GeTe-Sb2Te3Co，67，可擦光盘，68，光盘存储优势，高存储密度：普通光盘一面可存储640兆字节；在容量超过8G的高密度影碟上进行非接触式信息读写：光学头或影碟表面无磨损和划痕，可免费更换影碟；储存期长：至少10年以上；低信息位价格：光盘易于大量复制，因此存储单位信息的价格较低。69.第三，信息处理材料，场效应晶体管，70。1.中央处理器是如何制造的？制造的第一阶段：精炼硅锭。硅是一种机械强度高、结晶性能好的单元素半导体，在自然界有丰富的储量。石英砂和硅酸盐在自然界中不具有半导体特性，但含有大量杂质。硅(硅纯度99.9999%)，学名电子级硅(EGS)，可通过多步提纯获得。电子级硅通常是多晶结构，电子的运动速度和寿命都很低，这