能源利用光伏材料新材料
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(1) 以硅为基础的微电子技术仍将占十分重要位置。芯片特 征尺寸以每三年缩小 计, 到2010年可能到极限(0.07μ m) （量子效应、磁场及热效应、制作困难、投资大）。
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、长寿命、多功能。 为了达到上述目标，有赖于外延技术（VPE，LPE， MOCVD 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。
（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+++:Al2O3 ） 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG)
（2） 非线性光学晶体（变频晶体）
KDP（磷酸二氢钾）、KTP（磷酸钛氢钾） LN（铌酸锂）、BBO（偏硼酸铝）、 LBO（三硼酸锂）…
（3）红外探测材料（军用为主）
（3）第三代半导体材料是禁带更宽的SiC、 GaN及金刚石。
（4）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：
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 T bps vs 25 G bps ) 表4 光纤发展阶段及所需材料
光纤材料:
石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-F
多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3–Na2O
红外玻璃： 重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃： Er、Nd、…
寿命延长(器官更换，生物工程) 生活水平提高(加速资源消耗) 交往频繁(信息网络、交通运输)
(6) 人的质量是社会进步的决定性因素（教育将受到重大重视， 创新环境十分重要）
(一)信息时代的信息功能材料仍 是最活跃的领域
信息功能材料 是指信息获取、传输、转换、 存储、 显
示或控制所需材料。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
半导体材料
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） （GMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度达100GB， 所用介质为氧化物磁粉（γ-Fe2O3及加 Co γ -Fe2O3、CrO2)，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。
不同类型材料的发展
– 金属结构材料
– 工程陶瓷及其它无机非金属材料
– 有机高分子材料 – 先进复合材料
– 碳素材料
结束语
序
言
21世纪时代特征:
(1) 人口、资源(能源)、环境（生态）三大压力; (2) 信息与经济的全球一体化; (3) 知识经济时代意味着科学技术与教育将受到更高的重视 (5) 国防与战争仍是促进科学技术发展的动力 (4) 人类社会在发生变化：
密度低 1kwh/m2 气候影响大
两种利用形式
直接辐射能
热水器 热水发电
光伏电能
民用： 高效、长寿、价廉，需要储电系统。 -Si (12.7%) (理论24%) 多晶 17.7 % 单晶Si 23.1% GaAs 28.7％ 还有Cu2InSe2, CdTe, Cu2O, Cu2S, CdS 等
（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）能源功能材料将取得 突破性进展
化石能源日益枯竭（甲烷水化物） 环境要求越来越高 由于人口增长，生活水平提高，能源需求量大幅度 增加。 开源节流 （1）可再生能源的开发（水电不存在材料问题） 太阳能的利用：辐射于地球能量一万倍于人类所消 耗的能源（61017kwh）
迈入21世纪新材料
2011 年 06 月整理
目
序言 信息功能材料
– 半导体材料 – 光电子材料
录
能源功能材料
– – – –
超导材料 磁性材料 贮能材料 燃料电池
生物材料与智能材料
– 医用生物材料 – 仿生材料 – 工业生产中的生物模拟 – 智能材料及智能系统
宇航及动力机械材料 材料制备工艺及检测 纳米材料科学技术 材料设计
HgCdTe、 InSb、 CdZnTe、 CdTe
（4）半导体光电子材料，见表2
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3 LED 发光材料及可见光区
液晶显示(LCD)材料(1968年发明)为21世纪上半叶主要显示材 料
(6)光纤与光缆材料(网络)(表4)
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Ⅲ-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。
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、长寿命、多功能。 为了达到上述目标，有赖于外延技术（VPE，LPE， MOCVD 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。
（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+++:Al2O3 ） 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG)
（2） 非线性光学晶体（变频晶体）
KDP（磷酸二氢钾）、KTP（磷酸钛氢钾） LN（铌酸锂）、BBO（偏硼酸铝）、 LBO（三硼酸锂）…
（3）红外探测材料（军用为主）
（3）第三代半导体材料是禁带更宽的SiC、 GaN及金刚石。
（4）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：
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 T bps vs 25 G bps ) 表4 光纤发展阶段及所需材料
光纤材料:
石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-F
多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3–Na2O
红外玻璃： 重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃： Er、Nd、…
寿命延长(器官更换，生物工程) 生活水平提高(加速资源消耗) 交往频繁(信息网络、交通运输)
(6) 人的质量是社会进步的决定性因素（教育将受到重大重视， 创新环境十分重要）
(一)信息时代的信息功能材料仍 是最活跃的领域
信息功能材料 是指信息获取、传输、转换、 存储、 显
示或控制所需材料。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
半导体材料
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） （GMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度达100GB， 所用介质为氧化物磁粉（γ-Fe2O3及加 Co γ -Fe2O3、CrO2)，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。
不同类型材料的发展
– 金属结构材料
– 工程陶瓷及其它无机非金属材料
– 有机高分子材料 – 先进复合材料
– 碳素材料
结束语
序
言
21世纪时代特征:
(1) 人口、资源(能源)、环境（生态）三大压力; (2) 信息与经济的全球一体化; (3) 知识经济时代意味着科学技术与教育将受到更高的重视 (5) 国防与战争仍是促进科学技术发展的动力 (4) 人类社会在发生变化：
密度低 1kwh/m2 气候影响大
两种利用形式
直接辐射能
热水器 热水发电
光伏电能
民用： 高效、长寿、价廉，需要储电系统。 -Si (12.7%) (理论24%) 多晶 17.7 % 单晶Si 23.1% GaAs 28.7％ 还有Cu2InSe2, CdTe, Cu2O, Cu2S, CdS 等
（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）能源功能材料将取得 突破性进展
化石能源日益枯竭（甲烷水化物） 环境要求越来越高 由于人口增长，生活水平提高，能源需求量大幅度 增加。 开源节流 （1）可再生能源的开发（水电不存在材料问题） 太阳能的利用：辐射于地球能量一万倍于人类所消 耗的能源（61017kwh）
迈入21世纪新材料
2011 年 06 月整理
目
序言 信息功能材料
– 半导体材料 – 光电子材料
录
能源功能材料
– – – –
超导材料 磁性材料 贮能材料 燃料电池
生物材料与智能材料
– 医用生物材料 – 仿生材料 – 工业生产中的生物模拟 – 智能材料及智能系统
宇航及动力机械材料 材料制备工艺及检测 纳米材料科学技术 材料设计
HgCdTe、 InSb、 CdZnTe、 CdTe
（4）半导体光电子材料，见表2
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3 LED 发光材料及可见光区
液晶显示(LCD)材料(1968年发明)为21世纪上半叶主要显示材 料
(6)光纤与光缆材料(网络)(表4)
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Ⅲ-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。