漫談邁入21世紀(jì)新材料(已修改)
2025-02-24 11:57 本頁面
【正文】 邁入 21世紀(jì)新材料2023 年 2 月目 錄l 序言l 信息功能材料– 半導(dǎo)體材料– 光電子材料l 能源功能材料– 超導(dǎo)材料– 磁性材料– 貯能材料– 燃料電池 l生物材料與智能材料– 醫(yī)用生物材料– 仿生材料– 工業(yè)生產(chǎn)中的生物模擬– 智能材料及智能系統(tǒng)l 宇航及動(dòng)力機(jī)械材料l 材料制備工藝及檢測(cè)l 納米材料科學(xué)技術(shù)l 材料設(shè)計(jì)l 不同類型材料的發(fā)展– 金屬結(jié)構(gòu)材料– 工程陶瓷及其它無機(jī)非金屬材料– 有機(jī)高分子材料– 先進(jìn)復(fù)合材料– 碳素材料l 結(jié)束語 序 言 (1) 人口、資源 (能源 )、環(huán)境（生態(tài)）三大壓力 。 (2) 信息與經(jīng)濟(jì)的全球一體化 。 (3) 知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代意味著科學(xué)技術(shù)與教育將受到更高的重視 (5) 國防與戰(zhàn)爭(zhēng)仍是促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力 (4) 人類社會(huì)在發(fā)生變化： 壽命延長(zhǎng) (器官更換，生物工程 ) 生活水平提高 (加速資源消耗 ) 交往頻繁 (信息網(wǎng)絡(luò)、交通運(yùn)輸 ) (6) 人的質(zhì)量是社會(huì)進(jìn)步的決定性因素（教育將受到重大重視， 創(chuàng)新環(huán)境十分重要）21世紀(jì)時(shí)代特征 :(一 )信息時(shí)代的信息功能材料仍是最活躍的領(lǐng)域信息功能材料 是指信息獲取、傳輸、轉(zhuǎn)換、 存儲(chǔ)、 顯 示或控制所需材料 。半導(dǎo)體材料(1) 以硅為基礎(chǔ)的微電子技術(shù)仍將占十分重要位置。芯片特征尺寸以每三年縮小 計(jì) , 到 2023年可能到極限 ()（量子效應(yīng)、磁場(chǎng)及熱效應(yīng)、制作困難、投資大）。 但不同檔次的硅芯片在 21世紀(jì)仍大量存在，并將有所發(fā)展。 * 在絕緣襯底上的硅 （ SOI， SiOn Insulator) :功能低、低漏電、集成度高、高速度、工藝簡(jiǎn)單等。 SOI器件用于便攜式通信系統(tǒng)，既耐高溫又抗輻照。 * 集成系統(tǒng) （ IS， Integrated System)： 在單個(gè)芯片上完成整系統(tǒng)的功能，集處理器、存儲(chǔ)器直到器件設(shè)計(jì)于一個(gè)芯片 (System on a Chip)。 * 集成電路的總發(fā)展趨勢(shì)： 高集成度、微型化、高速度、低功耗、高靈敏度、低噪聲、高可靠、長(zhǎng)壽命、多功能。為了達(dá)到上述目標(biāo)，有賴于外延技術(shù)（ VPE， LPE， MOCVD 及 MBE）的發(fā)展，同時(shí)對(duì)硅單晶的要求也愈來愈高。表 1為集成電路的發(fā)展對(duì)材料質(zhì)量的要求 。表 1 集成電路發(fā)展對(duì)材料質(zhì)量的要求首批產(chǎn)品出現(xiàn)年代 1999 2023 2023 2023工藝水平（ ?m) DRAM 256 M 1 G 4 G 16 G硅片直徑 (mm) 200 300 300 450表面關(guān)鍵雜質(zhì) (At / cm 2) (10 9)? 13 ? ? 5 ? 局部平坦度（ nm) ? 180 ? 130 ? 100 ? 100光散射缺陷 (個(gè) / cm2) ? ? ? ? (2)第二代半導(dǎo)體材料是 ⅢⅤ 族化合物 GaAs 電子遷移率是 Si的 6倍（高速），禁帶寬（高溫）廣泛用于高速、高頻、大功率、低噪音、耐高溫、抗輻射器件。 GaAs用于集成電路其處理容量大 100倍，能力強(qiáng) 10倍，抗輻射能力強(qiáng) 2個(gè)量級(jí)，是攜帶電話的主要材料。 InP 的性能比 GaAs 性能更優(yōu)越，用于光纖通訊、微波、毫米波器件。（ 3）第三代半導(dǎo)體材料是禁帶更寬的 SiC、 GaN及金剛石。（ 4）下一代集成電路的探索 光集成 原子操縱光電子材料21世紀(jì)光電子材料將得到更大發(fā)展 電子質(zhì)量： 1031 Kg / 電子 電子運(yùn)動(dòng)：磁場(chǎng)、電阻熱、電磁干擾、光高速、 傳輸（容量大、損耗低、高速、不受 電磁干擾、省材料）光電子材料包括：（ 1） 激光材料（ 20世紀(jì) 60年代初） 激光：高亮度、單色、高方向性 紅寶石（ Cr+++:Al2O3 ） 摻釹釔鋁石榴石（ Nd:YAG)（ 2） 非線性光學(xué)晶體（變頻晶體） KDP（磷酸二氫鉀）、 KTP（磷酸鈦氫鉀） LN（鈮酸鋰）、 BBO（偏硼酸鋁）、 LBO（三硼酸鋰） …（ 3）紅外探測(cè)材料（軍用為主） HgCdTe、 InSb、 CdZnTe、 CdTe（ 4）半導(dǎo)體光電子材料，見表 2表 2 主要化合物半導(dǎo)體及其用途領(lǐng)域 材 料 器 件 用 途微電子 GaAs、 InP 超高速 IC 電腦GaAs FET 攜帶電話光電子 GaAs InP Sb InAs LD 光通訊GaAs 紅外 LED 遙控耦合器GaP、 GaAs、 GaAsP、GaAlAs、 InGaAlP LEP 出外顯示器CdTe、 CdZnTe、 HgCdTe — 熱成像儀InSb、 CdTe、 HgCdTe、PbS、 PbZnTe— 紅外探測(cè)器GaAs、 InP、 GaSb — 太陽能電池（ 5）顯示材料 發(fā)光二級(jí)管（ LED）如表 3發(fā) 光 尺 襯 底 發(fā)光顏色 波長(zhǎng)（ nm) GaAs 紅 660 (N) GaP 紅 650 (N) GaP 橙 610 (N) GaP 黃 583 GaP Gap 綠 555 GaN ΑAl2O3 藍(lán) 490 SiC SiC 藍(lán) 480(全包顯示屏)液晶顯示 (LCD)材料 (1968年發(fā)明 )為 21世紀(jì)上半葉主要顯示材料表 3 LED 發(fā)光材料及可見光區(qū)
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