材料科学与人类文明-第6章+信息材料.ppt

1、第六章信息材料,本章主要内容,信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料,信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料,信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet,信息既非物质也非能量，却是构成世界的要素 信息的作用？极大提高劳动生产率 当前的信息发展以多媒体化（数据、文字、声音、图像）和数字化为主要特征,全球信息量 增长趋势(1PB=106GB),21世纪进入3T时代 太位信息量(1Tb=1012b) 每秒太位信息流(Tb/s) 太赫兹(THz)高频响应,信 息 烽火、信件、电

2、话、电报、翻译、e-mail、internet,信息的含义 在自然界，宇宙中的射电源不停地向宇宙空间发射电波。这种电波是射电源存在的信息 花卉的应季荣衰是寒暑交替的信息 人们通过电视、电话、报刊等各种媒体，每时都在获取、加工、传递、利用大量的信息 通过天气预报获取气象信息，可以合理地安排生产、生活 在行政工作中，看材料、学文件是获取信息；作决策、批文件是处理信息；作指示是传递信息 可见，信息来源于客观世界，范围广大，具有一定的利用价值，可通过载体为人们所获知，用来指导人类认识世界、改造世界,信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet,信息的含义 人类认知世界、改造世界

3、，就是获取信息、加工信息、发送信息的过程 牛津辞典：信息就是谈论的事情、新闻和知识” 韦氏字典：“信息，就是在观察或研究过程中获得的数据、新闻和知识” 广 辞 苑：“信息是所观察事物的知识” 辞海1989：“信息是通信系统传输和处理的对象，泛指消息和信号的具体内容和意义，通常需通过处理和分析来提取” 广义上，信息是可通过文字、图像、声音、符号、数据等为人类获知的知识 本质上，信息是反映现实世界的运动、发展和变化状态及规律的信号与消息,信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet,（1）普遍性和无限性 （2）可传递性和共享性 （3）必须依附于某种物体之上 （4）是可以加工

4、处理的 信息与数据不是同一个概念 信息与信号不同,“信息”的主要特征,信息技术,获取处理 存储 显示传输,信息技术很大程度上依赖材料和元器件的发展 信息材料是信息技术发展的基础和先导,信息技术, 信息技术是收集、处理、存储和传递信息的技术， 是扩展人类信息器官功能的一类技术 信息器官 人体信息器官的功能 拓展信息器官功能的信息技术 感觉器官 获取信息 感测技术 神经系统 传递信息 通信技术 思维器官 加工/再生信息 信息处理技术 效应器官 施用信息 控制技术,信息技术,每一项信息技术自问世起就一直在推动人类的发展 语言的产生 文字的创造 印刷术的发明 微电子技术、现代通信技术和计算机技术 -进

5、入新的信息技术革命的高潮 多媒体信息和网络化信息 在当今以数字化、网络化为主要特征的信息化社会中，信息有时比材料、能源更为重要 从属地位 -主导地位,信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料,半导体动态随机存取器(DRAM-dynamic random access memory),时 间19881999200020052014 容 量(GB)0.1280.2561-410-20256 光刻线宽(mm)0.30.180.150.10.01 单晶硅直径(mm)200300350400450 缺陷尺寸(mm)0.120.050.030.01 表面粗糙

6、度(nm)10.50.30.2,信息处理技术和材料,信息处理技术：以IC(集成电路)为基础的电子计算机技术(CPU、内存),CPU速度提高、内存容量增大 自1958问世以来，IC集成度提高了100万倍，价格下降为100万分之一，原因： 微电子加工技术：光刻线宽缩小、成品率提高 单晶硅尺寸增大、质量提高,微电子芯片技术与材料,109,108,107,106,105,104,103,1970,1975,1980,1985,1990,1995,2000,2005,2010,4004,8080,8086,80286,80386,80486,Pentium,Pentium4,年份,芯片上晶体管数量,微电

7、子芯片技术与材料,未掺杂GaAs,半绝缘衬底,掺杂GaAs,AlGaAs,源极,栅极,漏极,FET结构示意图,等效电路,场效应晶体管(FET)：用于电子线路中交流或直流信号的放大、调制等 MOSFET金属(M)-氧化物(O)-半导体(S)场效应晶体管,掺杂Si,掺杂Si,源极，发射极 栅极，基极 漏极，集电极,GaAs数字电路：106 FET/芯片,微电子芯片技术与材料,场效应管图片,微电子芯片技术与材料,转移特性曲线 栅电压VGS对漏极电流ID的控制特性,转移特性曲线的斜率gm反映了栅电压对漏极电流的控制作用 gm量纲为mA/V，也称跨导， 定义式如下 gm=ID/VGSVDS=const,

8、ID=f(VGS)VDS=const,MOSFET金属(M)-氧化物(O)-半导体(S)场效应晶体管,微电子芯片技术与材料,衬底材料：单晶硅 绝缘介质 电极材料 互连材料 工艺材料：磨料、光刻胶等 触摸屏材料,IC工艺光刻技术,光刻即光刻腐蚀,IC工艺化学机械抛光技术,磨料组成 氧化剂：H2O2、HNO3 摩擦剂：Al2O3,1）体缺陷对器件成品率(Y)的影响 Y = e-DA D-Si中缺陷密度； A-芯片面积 2）表面缺陷 I）外生粒子，表面尘埃 清洗、SCT II）晶生粒子,衬底材料,Si、SOI(绝缘层附着硅)、GaN、SiGe 对Si的要求 晶片直径大 缺陷密度小,几何精度（平整度）

9、高,栅结构材料,栅绝缘介质层 要求：低缺陷和缺陷密度、高介电常数、低漏电流密度、高抗老化抗击穿特性，与Si具有良好的界面特性和低的界面态密度 材料： SiO2(1.5 nm)、SiON(掺N氧化硅)、Ta2O5、TiO2、 (Sr,Ba)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)等,栅电极材料 要求：与Si兼容、低电阻率 材料：Al、多晶Si、GexSi1-x、W/TiN,互连材料,要求 低电阻率 线宽（特征尺寸越小，线宽所占面积越大） 延迟（250 nm，pMOS门延迟=15 ps，而互连延迟=100 ps 工艺性（易沉积、易刻蚀) 与Si衬底相容性（扩散等问题） 材料：Al(传统材料)、

10、Cu(新材料，电阻率更低) 以Cu代Al的问题： 容易向Si或SiO2中扩散(扩散阻挡层材料：W、Ti、Ta等) 形成Cu-Si金属间化合物 粘附性差 刻蚀困难,触摸屏简单原理,电阻技术触摸屏 电阻触摸屏的主要部分是与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏 电阻薄膜屏是一种多层复合薄膜，以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属(ITO氧化铟，透明导电电阻)导电层，上面在盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、其内表面也涂有一层ITO涂层、两层ITO涂层间有许多细小(小于1/1000英寸)的透明隔离点，将两层导电层隔开绝缘 当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，控制器侦测

11、到这一接触并计算出(X, Y)的位置，再根据模拟鼠标的方式运作,ITO透明导电层,硬塑料或玻璃基板,外表硬化处理塑料层,电阻薄膜屏结构示意图,触摸屏简单原理,表面声波技术触摸屏 声波可在物体表面传输 手触摸到触摸屏表面时，可阻碍声波的传输。换能器侦测到这个变化，反映给计算机，进而进行鼠标模拟,触摸屏简单原理,电容技术触摸屏 利用人体的电流感应进行工作 用户触摸屏幕时，人体电场使用户和触摸屏表面形成耦合电容 电容是高频电流的直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流 这个电流分从触摸屏四角上的电极中流出 流经四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器对四个电流的比例进行精确计算，得出触摸点

12、的位置,信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料,信息传递技术和材料,以光子为信息载体，用光纤通信替代电缆和微波通信， 是20世纪通信技术的重大进步！ 光纤通信历史进展 20 世纪 70年代 低损耗石英光纤、长寿命半导体激光器 第一代光纤通信 1978年，光缆长10 km，传输率100 km)无中继传输,光纤发展阶段,一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电带宽的1000倍 (25 Tb/s vs 25 Gb/s ),信息传递技术和材料,信息传递技术和材料,波分复用光纤通信网示意图 1-外调制分布反馈激光器，2-光纤宽带偶合器，3-传输光纤，4

13、-光纤光栅滤光器，5-检波器,光缆中心能量密度很高，导致布里渊散射、拉曼散射、四波混频等非线性现象 对器件和材料的要求： 新型光纤(true wave fiber, leaf fiber)、半导体激光器、高速光调制器、光滤波器,光纤材料, 石英玻璃 SiO2、SiO2-GeO2、SiO2-B2O3-F 多组分玻璃 SiO2-GaO-Na2O、SiO2-B2O3Na2O 红外玻璃 重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃 Er、Nd 多模：小容量、近距离(40 Km,100 Mb/s) 单模：40 Gb/s、200 Km，不需信号放大,光纤结构,芯 部光传输通道 包覆层保护芯部，折射率匹配 保护套尼

14、龙，保护光纤,光纤分类,按折射率分布分类：阶跃型、渐变型,按材料分类：玻璃光纤、塑料光纤,信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料,信息存储技术和材料,数字信息存储要求：高密度、高传输率、长寿命、高擦写次数、低价格,提高存储密度主要依赖于磁介质材料！,磁介质材料,磁介质材料 磁性氧化物(氧化铁)涂在塑料/金属薄片上 (70) 超细磁性氧化物粉末、磁性氧化物薄膜 (80) 连续磁性介质CoCrPt、CoCrTa薄膜 (90) Co/Sm钐、Fe/Pt、Fe/Cr、Co/Cu多层膜,磁记录 记录传感元件是磁头 在21世纪初仍有很强的生命力，利用垂直磁

15、记录、纳米单磁畴技术，再加先进磁头的采用，可能使记录密度达100Gb/in2，所用介质为氧化物磁粉(-Fe2O3、加 Co-Fe2O3、CrO2)、金属磁粉、钡铁氧体粉,磁盘结构示意图,磁盘存储材料,光盘存储材料,高密度光盘存储材料 磁光存储介质Pt/Co、MnBiAl 稀土掺杂钇铝石榴石YIG (yttrium aluminum garnet) 相变型存储介质Ge锗-Te碲-Sb锑, In铟-Sb-Ag-Te等 有机存储介质菁化合物、酞菁化合物、螺环化合物等,磁光记录 记录传感元件是光头 磁光盘介质主要是稀土-过渡族金属，如TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo 最新的是Pb/Co多层调制

16、膜或Bi石榴石薄膜 磁光盘的特点在于可重写，可交换介质,光、磁存储性能比较,光、磁存储性能比较,与磁存储技术相比，光盘存储技术的特点为 1 非接触式读/写、擦 2 信息的载噪比(SNR，signal-to-noise ratio)高 3 信息位价格低，只读式光盘可大量复制,高分子液晶信息存储示意图,信息存储高分子液晶,侧链型高分子液晶通常具有较高的玻璃化转变温度 利用这一特性，可使它在室温下保存一定工作条件下记录的信息,首先将存贮介质制成透光的向列型晶体 用一束激光照射，高分子液晶局部温度升高，熔融成各向同性液体，失去有序度 激光消失后，高分子液晶凝结为不透光的固体，记录结构被冻结，所记录的信

17、息在室温下将被永久保存,信息存储高分子液晶,同光盘相比，采用热致性侧链高分子液晶为基材制作信息贮存介质，由于其记录的信息是材料内部特征的变化，因此 可靠性高 不怕灰尘和表面划伤 适合重要数据的长期保存,信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料,信息显示技术和材料,阴极射线管显示(CRT-cathode ray tube) 场致发射显示 (FED-field effect display) 发光二极管显示 (LED-light emitting diode) 等离子体显示 (PDP) 液晶显示 (LCD-liquid crystal display

18、),光电显示技术发展历史,100多年前， 德国布朗发明了阴极射线管，开始了光电显示 20世纪60年代，液晶显示 20世纪70年代，扭曲向列液晶显示（TN-LCD） 20世纪80年代，超扭曲向列液晶显示（STN-LCD） 20世纪90年代，薄膜晶体管有源矩阵液晶显示 (TFT-LCD) 近年来， 彩色等离子体显示,显示器件性能评价,亮度 垂直于光束传播方向单位面积发光强度 发光效率 显示器件辐射出的单位能力所发出的光通量 对比度 显示部分和非显示部分的亮度之比 分辨率 单位长度像元数量；显示器件含有的像元数量 灰度 亮度等级，灰度越高，图像层次越分明，颜色越丰富 响应时间 从施加电压到显示图像所

19、需时间 余辉时间 从切断电压到图像消失所需时间 寿命、稳定性 色彩 视角 工作电压和功耗,工作原理 电子枪发射高速电子，采用垂直偏转线圈、水平偏转线圈控制高速电子的偏转角度，高速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光 采用电压调节电子束功率，在屏幕上产生明暗不同的光点，形成各种图案和文字,阴极射线管(CRT)工作原理,电子枪,加速器,偏转线圈,电压控制,屏幕上每一像素点都由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种涂料组合而成，三束电子束可分别激活这三种颜色的磷光涂料 以不同强度的电子束调节三种颜色的明暗程度，就可得到所需的颜色 倘若电子束瞄准不够精确，就可能打到邻近的磷光涂层，产生不正确的颜色或轻微的重像。

20、因此，必须对电子束进行精确的控制,阴极射线管(CRT)工作原理,阴极射线管(CRT)发光材料,* 余辉时间用发光强度最大值降至10%的时间 S: 1 s1 ms; M: 1 ms30 ms; L: 30 ms1 s,阴极射线管(CRT)的优缺点,分辨率高，亮度高，视角大，色彩范围宽 性能价格比较高,耗电量大 尺寸大，重量大 无法制造较大面积的显示屏 技术上的困难：较大真空玻璃外壳容易破裂 显示面积较大时，扫描频率降低，无法显示运动影像 受电磁场影响，容易发生线性失真 存在辐射，影响使用者身体健康,CRT缺点,CRT优点,FED结构：阴极板、肋状隔离器和阳极板,场致发射显示 (FED)工作原理,

21、微尖阴极形成强电场并发射电子 带能量电子穿过真空管，撞击阳极屏幕的荧光屏阳极，产生形成图像的光 所用荧光层与CRT相同或类似,场致发射显示 (FED)材料,发光材料 类似于CRT发光材料，但要求更高，因为FED大电流并长时间寻址，发光粉库仑负载大 冷阴极材料 微尖密度：106109/cm2 材料要求：功函数低、稳定性好、 热导率高、击穿电压高 主要材料：金刚石、硅单晶、 金属钼、碳纳米管阵列,支撑间隔材料,通常是涂有特殊涂层的工程陶瓷 耐强电场 二次电子发射系数低 对沉积电荷的消除能力,发光二极管显示(LED)工作原理,发光二极管是一种把电能转换成光能的固态发光器件(晶体管) 一般用半导体材料

22、 在正、负极间加上适当正向电压后，二极管导通，半导体晶片便发光，在透明或半透明的塑料外壳显示出来,LED半导体材料是由III-IV族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN结，在一定条件下具有发光特性 在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）的一部分与多数载流子（多子）复合而发光 半导体材料Eg=3.261.63eV，产生可见光(波长380nm紫光780nm红光) 现有红外、红、黄、绿、蓝发光二极管 蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍,发光二极管显示(LED)工作原理,基本要求 材料导电性

23、易控制 对发射光透明性好 发光跃迁几率高,发光二极管显示(LED)材料,常见材料 GaP:ZnO 红光LED GaP:N 绿光LED GaAsP 红光LED InGaAlP系 橙、黄光LED GaN系 蓝光LED,等离子体(电离气体)显示技术(PDP)基本原理,PDP显示器的工作原理与日光灯相似 PDP显示屏上安装数以十万计的等离子管，为发光体(像素) 每个发光管有两个玻璃电极，内部充满氦、氖等惰性气体，其中一个玻璃电极上涂有三原色荧光粉 两个电极间加上高电压时，惰性气体放电而形成等离子体,PDP显示原理图（剖面结构）,惰性气体放电时产生紫外光，激发显示屏上的红、绿、蓝三原色荧光粉，发出可见光

24、,优点： 亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、画面响应速度快 视野开阔、视角广(高达160度) 能提供亮丽、均匀、平滑的画面 缺点： 每一个像素都独立发光， 耗电量大(相比CRT电子枪而言),等离子体显示技术(PDP)的优缺点,等离子体显示技术(PDP)材料,气体材料 惰性气体、Hg蒸汽 三基色荧光粉材料 要求紫外激发高效发光、余辉时间短、抗紫外线 基板材料 基板玻璃制备过程必须经过厚膜印刷和高温烧结,LCD工作原理 利用液晶的光电效应，通过电场控制像素的明暗来显示图像,液晶(LCD) 显示技术,LCD工作原理,液晶显示(LCD)技术,把液晶放在两个偏振片之间，在向列型液晶中，棒状分子的排列是彼此

25、平行的 如果上下两偏振片定向是彼此垂直的，液晶分子将采取逐渐过渡的方式被扭转成螺旋状,LCD工作原理,液晶显示(LCD)技术,光线通过第1个偏振片后，被液晶分子逐渐改变偏振方向。光线沿着分子排列方向传播，最终从第2个偏振片射出 若两玻璃板间施加电压，液晶分子沿电场方向排列，光线不能扭转，不会通过第2个极板,LCD工作原理,液晶显示(LCD)技术,LCD显示器利用这一特性，在两片相互垂直的偏光板间充满液晶，利用电场控制液晶的转动 不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度,液晶显示(LCD)技术,液晶显示器是由上下两片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片,液晶显示器结构,液晶显示(LCD)技术,TN-LCD(Twisted Nematic-LCD 扭曲向列型液晶显示器） 常用于电子手表、计算器,常见的三种液晶显示器,STN-LCD(Super Twisted Nematic-LCD 超扭曲向列型液晶显示器） 常用于手机显示屏、游戏机屏,TFT-LCD(Thin Film Transistor-LCD 薄膜型液晶显示器） 常用于液晶显示屏、数码照相机,TFT-LCD液晶显示器,在玻璃基片上沉积一层硅，通过印刷光刻工序作成晶体管阵列，每个像素都设有一个半导体开关。把液晶灌注在两片玻璃之间 每个像素都可以通过点