电子信息与材料工程

电子信息与材料工程

5110519095 章志铖材料是国民经济和社会发展的基础和先导，与能源、信息并列为现代高科技的三大支柱。自从电脑从实验室诞生，人们的生活便开始渐渐改变。小到手机、MP3、PSP，大到计算机、汽车、飞机，电子信息工程融入到了每个人的日常生活中。可以说，现代社会与电子信息密不可分，现代生活与电子信息紧密相关。

电子信息工程是一门应用计算机等现代化技术进行电子信息控制和信息处理的学科，主要研究信息的获取与处理，电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成。而这些都与材料有关。

可以说材料直接推动了电子信息产业的腾飞，使之成为近20多年来发展速度最快的产业之一。正是上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；正是上世纪70年代初石英光导纤维材料和砷化镓激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代；超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”；另外，随着纳米科学技术的发展和应用，电子材料工程也将面临革命性的发展，纳米技术将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，从而使现有材料和新材料的应用更加广泛，将信息产业的发展推进到另外一个高度。1

一方面，电子信息产业最核心的是对信息的收集与处理。计算机是电子信息工程中非常重要的组成部分，是获取与处理信息的一种重要手段。信息材料和电子材料的发展为计算机的出现带来可能。1946年，世界上第一台计算机ENIAC 问世。它体积庞大，占地面积惊人，耗电量十分巨大。现在，计算机早已脱离它庞然大物的形象，微小美观的PC，笔记本已经走入寻常百姓家。这短短六十多年里，计算机经历了四代发展。

第1代计算机：电子管数字计算机（1946—1958年）

逻辑元件采用的是真空电子管，主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯；外存储器采用磁盘。这一代计算机体积大、功耗高、可靠性差、速度慢（一般为每秒数千次至数万次）、价格昂贵。

第2代计算机：晶体管数字计算机（1958—1964年）

逻辑元件采用晶体管，主存储器采用磁芯，外存储器采用磁盘。这一代计算机体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高（一般为每秒数10万次，可高达300万次）、性能比第1代计算机有很大的提高。

第3代计算机：集成电路数字计算机（1964—1970年）

逻辑元件采用中、小规模集成电路（MSI、SSI），主存储器仍采用磁芯。这一代计算机速度更快（一般为每秒数百万次至数千万次），而且可靠性有了显著提高，价格进一步下降，开始进入文字处理和图形图像处理领域。

第4代计算机：大规模集成电路计算机（1970年至今）

逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI和VLSI）。尤其是1971年世界上第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代，应用领域从

1黄海刚，《集成电路制作材料半导体材料》

科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。

从计算机的发展史，我们可以清晰的看到，材料推动了计算机的发展。半导体技术，集成电路技术的发展，直接推动了计算机微型化，计算高速化。晶体管是一种非常重要的半导体材料，它在计算机发展史上起到了非常重要的作用。在第二次世界大战期间，不少实验室在有关硅和锗材料的制造和理论研究方面取得了不少成绩，半导体材料因而得到了长足的发展。为了克服电子管的局限性（电子管处理高频信号的效果不理想），第二次世界大战结束后，贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人决定集中研究硅、锗等半导体材料，探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。1947年12月，美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的降生吹响了号角。半导体材料的发展推动了计算机的发展，而计算机进一步的发展的要求又使得材料进一步发展。

另一方面，电子信息产业的高速发展对信息的储存提出了更高的要求。现在广泛运用的信息存储材料有磁光存储材料、磁存储材料、光存储材料和纳米存储材料。

1、磁光存储介质材料

第一代磁光材料是非晶稀土——过渡金属合金连续薄膜,磁光特性弱, 短波长时克尔转角有较大的下降, 耐腐蚀性差, 热稳定性差，典型材料是钛-铁-钴薄膜。第二代磁光材料适合于短波长记录, 有较好的磁光特性、热稳定性和耐腐蚀性, 用其制备的磁光盘可以极大提高现有磁光盘的容量和存储密度。典型材料主要是铋、镓代镝石榴石材料, 铋、铝代镝石榴石材料, 铈、铝代镝石榴石材料, 锰铋/ 铋多层薄膜材料,锰铋铝镝、锰铋/ 钽镝多层薄膜材料, 以及钴/ 铂, 钴/钯纳米多层调制磁光材料。

2、磁存储介质材料

这是应用最广泛的磁存储介质材料。国外重点发展了金属磁粉和钡铁氧体磁粉，并由颗粒涂布型磁存储介质向连续薄膜型磁存储介质方向发展。利用铁粉制备的涂布型磁盘早在十几年前便已商品化。近年来，高密度磁存储材料不断发展, 极大地提高了信息存储密度, 促进了信息存储设备的小型化,提高了可靠性。在存储密度(可达60Gbit/英寸2,采用GMR头)及存取时间方面均超过磁光介质存储设备, 因此是目前应用的主流方向。在这一阶段，光盘、优盘、硬盘等等存储设备的进入一个飞跃式发展的时期，存储量随着存储材料技术的发展不断提高，读写速度不断加快。

3、光存储材料

光盘存储技术的发展与新的光存储机理和新型存储材料的开拓密切有关。光存储技术主要依靠存储机构和介质材料，如相变型直接重写光存储材料、有机光色存储材料、电子俘获光存储材料等。光存储技术是在光盘上得到了广泛应用，不仅提高了光盘的存储容量、读取速度，而且提高了信息录入的保真度。

4、纳米存储材料