材料科学与人类文明第章信息材料

人体信息器官的功能 获取信息 传递信息 加工/再生信息 施用信息
拓展信息器官功能的信息技术 感测技术 通信技术 信息处理技术 控制技术
信息技术
• 每一项信息技术自问世起就一直在推动人类的 发展
– 语言的产生 – 文字的创造 – 印刷术的发明 – 微电子技术、现代通信技术和计算机技术
--进入新的信息技术革命的高潮
硬盘 高性能 2~4 Gb/in2 150 Mb/s 随机存取 高容量 价格合理 不可移动 寿命较短
磁带 中等性能 0.8~1 Gb/in2 40 Mb/s 序列存取
高容量 低价格 可移动 长寿命(3-5年)
光、磁存储性能比较
与磁存储技术相比，光盘存储技术的特点为 1 非接触式读/写、擦 2 信息的载噪比(SNR，signal-to-noise ratio)高 3 信息位价格低，只读式光盘可大量复制
涂有一层透明氧化金属(ITO氧化铟，透明导电电阻)导电层，上面在盖有一层外表 面硬化处理、光滑防擦的塑料层、其内表面也涂有一层ITO涂层、两层ITO涂层间 有许多细小(小于1/1000英寸)的透明隔离点，将两层导电层隔开绝缘
当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，控制器侦测到这一接触 并计算出(X, Y)的位置，再根据模拟鼠标的方式运作
信息的含义
在自然界，宇宙中的射电源不停地向宇宙空间发射电波。这种电波是射电源 存在的信息
花卉的应季荣衰是寒暑交替的信息
人们通过电视、电话、报刊等各种媒体，每时都在获取、加工、传递、利用 大量的信息
通过天气预报获取气象信息，可以合理地安排生产、生活 在行政工作中，看材料、学文件是获取信息；作决策、批文件是处理信 息；作指示是传递信息
信息既非物质也非能量，却是构成世界的要素 信息的作用？极大提高劳动生产率…… 当前的信息发展以多媒体化（数据、文字、声音、图像）和数字化为主要特征
21世纪进入3T时代
太位信息量(1Tb=1012b) 每秒太位信息流(Tb/s) 太赫兹(THz)高频响应
信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet
✓ 几何精度（平整度）高
栅结构材料
栅绝缘介质层
要求：低缺陷和缺陷密度、高介电常数、低漏电流密度、高抗老化抗 击穿特性，与Si具有良好的界面特性和低的界面态密度
材料： SiO2(1.5 nm)、SiON(掺N氧化硅)、Ta2O5、TiO2、 (Sr,Ba)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)等
电阻薄膜屏结构示意图
ITO透明导电层
外表硬化处理塑料层 硬塑料或玻璃基板
触摸屏简单原理
表面声波技术触摸屏
声波可在物体表面传输 手触摸到触摸屏表面时，可阻碍声波的传输。换能器侦测 到这个变化，反映给计算机，进而进行鼠标模拟
触摸屏简单原理
电容技术触摸屏
利用人体的电流感应进行工作
用户触摸屏幕时，人体电场使用户和触摸屏表面形成耦合电容 电容是高频电流的直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电 流
材料：Al(传统材料)、Cu(新材料，电阻率更低) 以Cu代Al的问题：
✓ 容易向Si或SiO2中扩散(扩散阻挡层材料：W、Ti、Ta等) ✓ 形成Cu-Si金属间化合物 ✓ 粘附性差 ✓ 刻蚀困难
触摸屏简单原理
电阻技术触摸屏
电阻触摸屏的主要部分是与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏 电阻薄膜屏是一种多层复合薄膜，以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面
材料科学与人类文明第章信 息材料
本章主要内容
✓ 信息简介 ✓ 信息处理技术和材料 ✓ 信息传递技术和材料 ✓ 信息存储技术和材料 ✓ 信息显示技术和材料
✓ 信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料
信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet
量又增加数倍
当
前 时分复用、波分复用光纤通信，实现高容量(100Gb/s)、
长距离(>100 km)无中继传输
信息传递技术和材料
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 Tb/s vs 25 Gb/s )
光纤发展阶段
发展阶段
第一阶段
第二阶段 第三阶段 第四阶段
波长(m)
0.85 1.30 1.55 2~5
硬磁盘技术的发展
时间 储存容量(GB) 储存密度(Gb/in2) 数据率(Mb/s) 存取时间(ms)
1992 1995 1998 2000 2003 0.6 0.9 5-10 10 >50 0.1 0.8 4 6 20 16 100 150 350 500 30 20 10 6 5
提高存储密度主要依赖于磁介质材料！
体内容和意义，通常需通过处理和分析来提取”
广义上，信息是可通过文字、图像、声音、符号、数据等为人类获知的知识
本质上，信息是反映现实世界的运动、发展和变化状态及规律的信号与消息
信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet
“信息”的主要特征
• （1）普遍性和无限性 • （2）可传递性和共享性 • （3）必须依附于某种物体之上 • （4）是可以加工处理的 • 信息与数据不是同一个概念 • 信息与信号不同
模数
多模
单模 单模
衰耗 (dB/km)
1.5
0.8 0.16 3 x 10-4
中继距离(Km)
10 60 500 2500
信息传递技术和材料
l1
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l2
l2
l3
l3
ln
波分复用光纤通信网示意图
ln
1-外调制分布反馈激光器，2-光纤宽带偶合器，3-传输光纤， 4-光纤光栅滤光器，5-检波器
光缆中心能量密度很高，导致布里渊散射、拉曼散射、四波混频等非线性现象
可见，信息来源于客观世界，范围广大，具有一定的利用价值， 可通过载体为人们所获知，用来指导人类认识世界、改造世界
信 息 烽火、信件、电话、电报、翻译、e-mail、internet
信息的含义
人类认知世界、改造世界，就是获取信息、加工信息、发送信息的过程
《牛津辞典》：信息就是谈论的事情、新闻和知识” 《韦氏字典》：“信息，就是在观察或研究过程中获得的数据、新闻和知识” 《广 辞 苑》：“信息是所观察事物的知识” 《辞海》1989：“信息是通信系统传输和处理的对象，泛指消息和信号的具
磁光记录 记录传感元件是光头 磁光盘介质主要是稀土-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
光、磁存储性能比较
光盘 中等性能 0.25~2 Gb/in2 25 Mb/s 随机存取
高容量 低价格 可移动 长寿命( >10年)
对器件和材料的要求： 新型光纤(true wave fiber, leaf fiber)、半导体激光器、高速光调制器、光滤波器
光纤材料
石英玻璃 多组分玻璃 红外玻璃
SiO2、SiO2-GeO2、SiO2-B2O3-F SiO2-GaO-Na2O、SiO2-B2O3–Na2O 重金属氧化物、卤化物
信息存储高分子液晶
侧链型高分子液晶通常具 有较高的玻璃化转变温度
磁介质材料
磁介质材料 ✓ 磁性氧化物(氧化铁)涂在塑料/金属薄片上 (70’) ✓ 超细磁性氧化物粉末、磁性氧化物薄膜 (80’) ✓ 连续磁性介质CoCrPt、CoCrTa薄膜 (90’) ✓ Co/Sm钐、Fe/Pt、Fe/Cr、Co/Cu多层膜
磁记录 记录传感元件是磁头 在21世纪初仍有很强的生命力，利用垂直磁记录、纳米单磁畴技术，再加先进磁头 的采用，可能使记录密度达100Gb/in2，所用介质为氧化物磁粉(-Fe2O3、加 Co-Fe2O3、CrO2)、金属磁粉、钡铁氧体粉
转移特性曲线的斜率gm反映 了栅电压对漏极电流的控制 作用
gm量纲为mA/V，也称跨导， 定义式如下 gm=ID/VGSVDS=const
转移特性曲线
—栅电压VGS对漏极电流ID的控制特性
微电子芯片技术与材料
衬底材料：单晶硅 绝缘介质 电极材料 互连材料 工艺材料：磨料、光刻胶等 触摸屏材料
IC工艺——化学机械抛光技术
– 多媒体信息和网络化信息
• 在当今以数字化、网络化为主要特征的信息化 社会中，信息有时比材料、能源更为重要
从属地位 ----〉主导地位
信息简介 ✓ 信息处理技术和材料
信息传递技术和材料 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料
微电子芯片技术与材料
场效应晶体管(FET)：用于电子线路中交流或直流信号的放大、调制等 MOSFET——金属(M)-氧化物(O)-半导体(S)场效应晶体管
栅电极材料
要求：与Si兼容、低电阻率 材料：Al、多晶Si、GexSi1-x、W/TiN
互连材料
要求
✓ 低电阻率 ✓ 线宽（特征尺寸越小，线宽所占面积越大） ✓ 延迟（250 nm，pMOS门延迟=15 ps，而互连延迟=100 ps ✓ 工艺性（易沉积、易刻蚀) ✓ 与Si衬底相容性（扩散等问题）
0.8
GeO2
SiO2
B2O3
SiO2
1.2
GeO2、B2O3
SiO2
B2O3
SiO2
1.3
光纤分类
按折射率分布分类：阶跃型、渐变型 按材料分类：玻璃光纤、塑料光纤
信息简介 信息处理技术和材料 信息传递技术和材料 ✓ 信息存储技术和材料 信息显示技术和材料
信息存储技术和材料
数字信息存储要求：高密度、高传输率、长寿命、高擦写次数、低价格
源极
n+
掺杂Si
栅极
AlGaAs 掺杂GaAs
未掺杂GaAs
漏极
n+
掺杂Si
源极，发射极 栅极，基极 漏极，集电极
栅 Rg
半绝缘衬底
FET结构示意图
GaAs数字电路：>106 FET/芯片
源 Rs
Rd
漏
等效电路
微电子芯片技术与材料
MOSFET——金属(M)-氧化物(O)-半导体(S)场效应晶体管
ID=f(VGS)VDS=const
信息技术
获取 处理 存储 显示 传输
信息载体：
电子
电子、光子
光子
电子学 微电子学
光电子学
光子学
20 世纪
21 世纪
信息技术很大程度上依赖材料和元器件的发展 信息材料是信息技术发展的基础和先导
信息技术
◙ 信息技术是收集、处理、存储和传递信息的技术，
是扩展人类信息器官功能的一类技术
◙ 信息器官
感觉器官 神经系统 思维器官 效应器官
磨料组成 ✓ 氧化剂：H2O2、HNO3 ✓ 摩擦剂：Al2O3
衬底材料
Si、SOI(绝缘层附着硅)、GaN、SiGe
对Si的要求 ✓ 晶片直径大 ✓ 缺陷密度小
1）体缺陷对器件成品率(Y)的影响 Y = e-DA
D-Si中缺陷密度； A-芯片面积 2）表面缺陷
I）外生粒子，表面尘埃 [清洗、SCT] II）晶生粒子
这个电流分从触摸屏四角上的电极中流出 流经四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器对四个电 流的比例进行精确计算，得出触摸点的位置
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信息传递技术和材料
以光子为信息载体，用光纤通信替代电缆和微波通信， 是20世纪通信技术的重大进步！
掺稀土元素玻璃 Er、Nd … …
多模：小容量、近距离(40 Km,100 Mb/s) 单模：≥40 Gb/s、200 Km，不需信号放大
光纤结构
芯 部——光传输通道 包覆层——保护芯部，折射率匹配 保护套——尼龙，保护光纤
芯
Βιβλιοθήκη Baidu
包覆层
n
掺杂
主要组成 掺杂 主要组成
%
P2O5
SiO2
B2O3
SiO2
光纤通信历史进展
20 世纪 70年代 低损耗石英光纤、长寿命半导体激光器
第一代光纤通信 1978年，光缆长10 km，传输率<100 Mb/s
第二代光纤通信 1981年，单模光纤、石英光纤、最低色散波长1.3 m的半导体激光
器和探测器，传输容量增加10倍
第三代光纤通信 石英光纤、最低损耗波长1.55m的半导体激光器和探测器，传输容
磁盘存储材料
磁盘结构示意图
Liquid lubricant 1-2 nm
类金刚石碳 (DLC) 10-15 nm Magnetic coating 25-75 nm Al-Mg/10 m NiP or Glass-ceramic 0.78-1.3 mm
5m
光盘存储材料
高密度光盘存储材料
✓ 磁光存储介质——Pt/Co、MnBiAl ✓ 稀土掺杂钇铝石榴石YIG (yttrium aluminum garnet) ✓ 相变型存储介质——Ge锗-Te碲-Sb锑, In铟-Sb-Ag-Te等 ✓ 有机存储介质——菁化合物、酞菁化合物、螺环化合物等