光电子信息材料概论-课程概论

• 在人们尽情享受当代信息技术所带来的方便、欢欣 的时候，不知有多少人能意识到在信息技术的“花 花世界”背后，还有一个支撑这个“花花世界”的 “材料王国”？
什么是信息材料？
• 信息材料主要是指用于信息的收集、存储、处理、传 递和显示的微电子材料和光电子材料。
• 微电子材料和光电子材料的发展历程也就是信息材料 的主要发展历程。微电子材料和光电子材料是微电子 技术和光电子技术的基础和先导，因此，了解微电子 技术和光电子技术的发展历程。就能清楚地看出微电 子材料和光电子材料的发展历程。
吸附效应（气 电）
吸附效应（质量变化 频率变化，气 电）
味觉传感器 电化学效应（相互作用 电）
材料的检测与控制技术
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材料微观结构的检测
贝壳为何如此坚硬？贝壳的微观结构
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材料微观结构的检测
蝴蝶为何美丽？ 翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶
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材料微观结构的检测
蝉翅膀为何又薄又轻有耐用？ 蝉翅膀表面由规则排列的纳米柱体组成
• 聪明的人类“知耻而后勇”，通过长期的实践， 发明了各种各样的传感器，延伸和强化了自身 的感官，从而能通过多种途径获得更多、更复 杂的信息。传感器及技术得以广泛应用的关键 是传感器用材料的开发和不断完善。表1给出 了陶瓷材料在传感器中典型应用概况。实际上， 还有许多材料可以用来制作相关的传感器，诸 如半导体、光纤、稀有金属、高分子材料等。
• 与微电子技术相比，光电子技术的最重要特点是波长短、 相干性好。因此，光电子技术具有分辨率高、存储和通 信容量大的优点。光电子技术主要包括半导体激光器技 术、光纤通信技术、光存储技术、光显示技术、光电探 测技术、光信息处理技术以及集成光路、光电子集成回 路技术。用于这些光电子技术的光电子材料是微电子材 料之外的另一类重要的信息材料。
• 微电子技术的精华是集成电路技术，微电子技 术是随着集成电路技术的发展而发展起来的， 集成电路技术又是从半导体晶体管技术发展起 来的。而半导体晶体管的诞生则建立在人类对 半导体材料的研究基础上。因此，可以说微电 子材料是在半导体材料，特别是硅材料的基础 上发展起来的。其中，（微）电子学是研究电 子输运过程的学问。
• 当今社会的各个方面，广至空间宇宙，微到原子和电 子，无论是科研、生产、社会交往、家庭生活乃至作 战指挥，无一例外地均与信息技术结下不解之缘。信 息技术的飞速进步，使得整个社会的生产方式、生活 方式、思维观念都在经历一场的深刻变化。生产效率 成百倍地增长，为生产和生活服务的自动化、电子化、 “傻瓜”化的设备和生活日用品，花样翻新、层出不 穷。由于信息技术的广泛利用，人的大脑“扩展”了， 人的四肢“延长”了，人的“能量”增大了，人的时 空观念也改变了，从而使得整个世界融为一体，地球 由此变“小”，外星球与人类更接近，“天涯若比邻” 也从诗人的幻想变为真正的现实。……
integrated with the sensor
elements, and we have a hand-
held unit that can control the
sensor temperatures, acquire the
data from as many as 32 sensor
channels (expandabห้องสมุดไป่ตู้e to 132
什么是信息技术？
• 广义地讲，信息技术是扩展人类信息器官功能的 一类技术，具体说，信息技术是指包括信息获取、 信息传递、信息存储、信息处理和信息显示等在 内的总称。
• 信息技术对社会各行各业均具有极强的渗透力， 信息技术的蓬勃发展，成为加速经济、社会变革 的强大推动力，使生产自动化、金融自动化、办 公自动化、服务自动化、军事指挥自动化等能得 以实现。
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材料原子尺寸上的控制
用STM移动18个铈(cerium)原子和18个碘(iodine)原子 形成的“V”字图案。
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材料微米尺寸上的控制
采用光学光刻技术制备的微电子芯片 25
材料毫米尺寸上的控制
Al2O3为基片的贴片微气敏传感器阵列
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聚合物气敏传感器阵列
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At present, the Caltech electronic
五官与传感器
人的 五官 视觉 听觉 触觉 嗅觉
味觉
感觉 器官 眼 耳 皮肤 鼻
舌
对象
传感器
原理
光
声波
压力 温度 气体 气味物质
味觉物质
光传感器 视觉传感器
光电效应（光 电）
压力传感器听 压电效应（声波 电） 觉传感器
压力传感器温 压电效应（声波 电） 度传感器 塞贝克效应（温度 电）
气体传感器 气味传感器
• 信息材料是一个庞大的家族。它包括以集成电路材料为 代表的微电子材料和以半导体激光器、光通信、光存储、 光传感、光显示、光处理、集成光路、光电子集成电路 材料为代表的光电子材料。
信息获取
人类通过自身的感觉器官从外界获取信息
• 自古以来，人类通过自身的感觉器官，或者耳 听目视、或者手触鼻嗅从外界获取信息。而面 对或者来自遥远星际的微弱光亮、或者身边那 些看不见、摸不着事件（如红外光、磁场、微 量气体等），人类无法获得相关信息。更为重 要的是，人类难于从周围世界中获取定量信息， 也就难于通过感官将50℃与55℃热水区分开来。 而定量信息对于人类的生存和生活至关重要。
与分立元器件电路的不同。集成电路结构和集成工艺 的显著特点是：
1．电路所包含的元件和器件都集成在几何尺寸十分小 的晶片(芯片)上。
2．组成电路的所有元器件都是在相同的工艺条件下， 同时经历同一的工艺流程。
• 光电子技术是在激光技术的基础上发展起来的。激 光的发明把电子学推到了光频波段。光电子学就是 光波波段（红外线、可见光、紫外线和软X射线）的 电子学。
nose consists of approximately
20-50 different polymeric sensors
that are deposited on substrates
that are approximately 1 mm-1 cm
in size. The electronics are now