(一)信息时代信息功能材料仍是最活跃领域

（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：
材料问题：高温 抗辐射 氢脆
2050年或更长可实用化
（3）超导材料
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/cm2 （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
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）
HgCdTe、 InSb、 CdZnTe、 CdTe
（4）半导体光电子材料，见表2
表2
领域 微电子
主要化合物半导体及其用途
材 料 器 件 超高速 IC FET LD 红外 LED LEP 电脑 携带电话 光通讯 遥控耦合器 出外显示器 用 途
GaAs、InP GaAs
光电子
GaAs InP Sb InAs GaAs GaP、GaAs、GaAsP、 GaAlAs、InGaAlP
局部平坦度（nm)
光散射缺陷(个/ cm2)
180
0.29
130
0.14
100
0.06
100
0.03
(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。


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：
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 发展阶段 第一阶段 第二阶段 光纤发展阶段及所需材料 模 数 多 模 单 模 衰 耗 (dB/km) 1.5 0.8 中继距离 (Km) 10 60
波长 (m) 0.85 1.30
（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）
Fe 81B13.5Si3.5C2 0.31
Fe80B15.9Si2.4Co0.9 Fe-3.2Si 0.15 1.00
这些都属软磁材料，用于变压器，电动机在仪
表工业中用量更大的是软磁铁氧体，虽然已很成
熟但向高磁感强度（Bs），高磁导率（）低损耗
方向发展，仍有广阔发展前景。
硬磁材料发展很快，20世纪40年代AlNiCo， 50 年 代 铁 氧 体 ， 65 年 ReCO5,72 年 R2CO17 ， 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：SmFeN等。 过去每10年提高40kJ/m3，2010年达可到600－ 800kJ/m3，
* NdFeB最大磁能积512KJ/m3（理论值）
（5）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－氢－贮氢 电－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6－永磁体价格 / 性能比（1995）
材 料 NdFeB* 7.4 295 17 4.3 SmCo 8.4 191 28 12.3 AlNiCo 7.3 56 5.2 68 铁氧体 5.1 25.9 0.55 1.08 比重 ( t / m3) 性能（kJ/m3） 价格（USD/t）104 价性比（USD/J）
迈入21世纪新材料
2004 年 2 月
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
LED 发光材料及可见光区
衬 底
GaAs
GaP GaP GaP Gap Α-Al2O3 SiC
发光颜色
红
红 橙 黄 绿 蓝 蓝
波长（nm)
660
650 610 583 555 490 480(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)
（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）
万千瓦电站寿命10年
系 统 空间太阳能 地面太阳能
占地 Km2 4 26
投资＄/kw 成本＄/kwh 3.770 20.000 8．6 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 电解水－H2 （1m3 H2＝5度电）
燃料电池 储氢 化工原料
CdTe、CdZnTe、HgCdTe
InSb、CdTe、HgCdTe、 PbS、PbZnTe GaAs、InP、GaSb
—
— —
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
发光尺
Ga0.65Al0.35As
GaAs0.35P0.65(N) GaAs0.1P0.9(N) GaAs0.1P0.9(N) GaP GaN SiC
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
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
40％理论）
空间太阳能电站，微波传到地面, 一个10
(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 (0.07μm)（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。
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。
法国超凤凰堆（1986－1995）
最近提出加速器驱动的核电站 （嬗变）可解决污染问题
可控热核聚变反应堆－永久能源 D2＋D2 T3 + P + 4.04 Mev D2＋T3 He4 + n + 17.5 Mev 一吨海水所含D2相当300吨汽油
海水 D2=1013砘
已实现点火，处于物理研究所段，
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
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
(百度文库) 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） 冷轧硅钢片。
材料 铁损（W/kg）
表1 集成电路发展对材料质量的要求
首批产品出现年代 工艺水平（ m) DRAM 硅片直径 (mm) 表面关键杂质 (At / cm 2) (10 9) 1999 0.18 256 M 200 13 2002 0.13 1G 300 7.5 2005 0.10 4G 300 5 2008 0.07 16 G 450 2.5
第三阶段
1.55
单 模
0.16
-4
500
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、…
多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps)
液氢（-235 ? ） Mg2 Ni H4 相对含氢密度 相对含氢量（%） 1 100 1.33 3.8 La Ni5 H6 1.48 1.4 Ti Fe H1.9 1.35 1.8
纳米碳管是最近发现的贮氢材料，正在研究开发中。
表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－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 ）。
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。
半导体材料