最新(一)信息时代的信息功能材料仍是最活跃的领域
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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）
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Leabharlann Baidu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。
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。
FET
光电子 GaAs InP Sb InAs
LD
GaAs
红外 LED
GaP、GaAs、GaAsP、 GaAlAs、InGaAlP
CdTe、CdZnTe、HgCdTe
LEP —
InSb、CdTe、HgCdTe、 — PbS、PbZnTe
GaAs、InP、GaSb
—
用途 电脑 携带电话 光通讯 遥控耦合器 出外显示器
波长（nm)
660 650 610 583 555
GaN
Α-Al2O3
蓝
490
SiC
SiC
蓝
480(全包显示屏)
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)
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 )
(一)信息时代的信息功能材料 仍是最活跃的领域
目录
序言 信息功能材料
– 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
(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。
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+++:Al2O3 ） 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG)
（2） 非线性光学晶体（变频晶体）
热成像仪 红外探测器
太阳能电池
（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
发光尺
Ga0.65Al0.35As GaAs0.35P0.65(N) GaAs0.1P0.9(N) GaAs0.1P0.9(N) GaP
衬底
GaAs GaP GaP GaP Gap
发光颜色
红 红 橙 黄 绿
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）
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
领域
材料
器件
微电子 GaAs、InP
超高速 IC
GaAs
表4 光纤发展阶段及所需材料
发展阶段 波长 (m) 第一阶段 0.85
模数 多模
衰耗 (dB/km)
1.5
中继距离 (Km) 10
第二阶段 1.30
单模
0.8
60
第三阶段 1.55
单 模 0.16
500
-4
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、…
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）
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％
空间太阳能电站，微波传到地面, 一个10 万千瓦电站寿命10年
系统
占地Km2 投资＄/kw 成本＄/kwh
空间太阳能
4
3.770
8．6
地面太阳能
26
20.000
45．0
美国2010年电价2.2＄/kwh
我国西北日照时间长，沙漠干旱设地面
太阳能电站：
入网
燃料电池
电解水－H2 储氢
（1m3 H2＝5度电） 化工原料
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）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
还有Cu2InSe2, CdTe, Cu2O, Cu2S, CdS 等
卫星用太阳能电池
双结电池（GaInP/GaAs）23.7％
三结电池（GaInP/GaAs/Ge）27.％ 四结电池（GaInP/GaAs/GaInNAs/Ge 40％理论）
一种设想：空间太阳能发电站 太阳能射向地球
30％大气反射 23％大气吸收
风能及风力发电
W＝1/2 PV3（V风速） 太阳能到地面有2％变风能
全球 1.3万亿KW 中国 32亿KW
潮汐、海水温差、地热能
（2）核能
目前核电站基于铀裂变（热中子反应维） 燃料U235，铀矿中占0.71％，U238为99.28％。
快中子增殖维： U238 ，效率60－79％ 液铀冷却 （强腐蚀），泄漏 污染 （副产物 P239,半衰期2.4万年）
（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）
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Leabharlann Baidu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。
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。
FET
光电子 GaAs InP Sb InAs
LD
GaAs
红外 LED
GaP、GaAs、GaAsP、 GaAlAs、InGaAlP
CdTe、CdZnTe、HgCdTe
LEP —
InSb、CdTe、HgCdTe、 — PbS、PbZnTe
GaAs、InP、GaSb
—
用途 电脑 携带电话 光通讯 遥控耦合器 出外显示器
波长（nm)
660 650 610 583 555
GaN
Α-Al2O3
蓝
490
SiC
SiC
蓝
480(全包显示屏)
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)
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 )
(一)信息时代的信息功能材料 仍是最活跃的领域
目录
序言 信息功能材料
– 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
(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。
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+++:Al2O3 ） 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG)
（2） 非线性光学晶体（变频晶体）
热成像仪 红外探测器
太阳能电池
（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
发光尺
Ga0.65Al0.35As GaAs0.35P0.65(N) GaAs0.1P0.9(N) GaAs0.1P0.9(N) GaP
衬底
GaAs GaP GaP GaP Gap
发光颜色
红 红 橙 黄 绿
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）
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
领域
材料
器件
微电子 GaAs、InP
超高速 IC
GaAs
表4 光纤发展阶段及所需材料
发展阶段 波长 (m) 第一阶段 0.85
模数 多模
衰耗 (dB/km)
1.5
中继距离 (Km) 10
第二阶段 1.30
单模
0.8
60
第三阶段 1.55
单 模 0.16
500
-4
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、…
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）
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％
空间太阳能电站，微波传到地面, 一个10 万千瓦电站寿命10年
系统
占地Km2 投资＄/kw 成本＄/kwh
空间太阳能
4
3.770
8．6
地面太阳能
26
20.000
45．0
美国2010年电价2.2＄/kwh
我国西北日照时间长，沙漠干旱设地面
太阳能电站：
入网
燃料电池
电解水－H2 储氢
（1m3 H2＝5度电） 化工原料
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）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
还有Cu2InSe2, CdTe, Cu2O, Cu2S, CdS 等
卫星用太阳能电池
双结电池（GaInP/GaAs）23.7％
三结电池（GaInP/GaAs/Ge）27.％ 四结电池（GaInP/GaAs/GaInNAs/Ge 40％理论）
一种设想：空间太阳能发电站 太阳能射向地球
30％大气反射 23％大气吸收
风能及风力发电
W＝1/2 PV3（V风速） 太阳能到地面有2％变风能
全球 1.3万亿KW 中国 32亿KW
潮汐、海水温差、地热能
（2）核能
目前核电站基于铀裂变（热中子反应维） 燃料U235，铀矿中占0.71％，U238为99.28％。
快中子增殖维： U238 ，效率60－79％ 液铀冷却 （强腐蚀），泄漏 污染 （副产物 P239,半衰期2.4万年）