新材料的研究与开发模板.docx

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新材料的研究与开发模板

第六章第二节新材料的研究与开发

半导体材料

光电子材料

●能源功能材料

超导材料

磁性材料

贮能材料

燃料电池

●纳米材料科学技术

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,SiOnInsulator）:

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,IntegratedSystem）:

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（SystemonaChip）。

*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。

表1集成电路发展对材料质量的要求

（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。

（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:

10-31Kg/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:

（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

（2）非线性光学晶体（变频晶体）

KDP（磷酸二氢钾）、KTP（磷酸钛氢钾）

LBO（三硼酸锂）¡

表2主要化合物半导体及其用途

（5）显示材料

发光二级管（LED）如表3

表4光纤发展阶段及所需材料

光纤材料:

石英玻璃:

SiO2、SiO2-GeO2、SiO2-B2O3-F

多组分玻璃:

SiO2-GaO-Na2O、SiO2-B2O3¨CNa2O

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,100Mbps）

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,经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。

（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

•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≥105A/cm2（薄膜,块体）

•（Bi,Pb）SrCaCuO（B12223/Ag）带丝线材生产稳定,

•质量均一性未能解决,

•可望产业化

•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

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）

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,当前世界产量近万吨,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。

过去每提高40kJ/m3,达可到600－800kJ/m3。

表6－永磁体价格/性能比（1995）

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）。

表8－几种典型电池反应机理和特性

燃料电池是将化学能转变为电能的一种装置,效率高、污染小,是21世纪重点发展的一种技术。

当前正在开发的燃料电池,如表9:

表9－正在开发的燃料电池类型

以氢氧燃料电池为例其理论比容量为2975A.h/kg,比能量为3660w.h/kg,远高于蓄电池、燃料电池的发展,有电极材料问题。

据报导,Benz厂用甲醇作燃料电池的燃料已用于汽车。

最近美国NASA正在开展一种试验,即太阳能电池与氢氧燃料电池联合开动的小飞机,白天太阳能电池工作,用剩余电来电解水、晚上H2O燃料电池工作,当前载人还不现实,计划在实现用于通信。

（三）纳米材料科学技术将成

为21世纪最活跃领域

纳米科技的提出

•3.在宏观领域和微观领域的研究中出现的三次工业革命:

•

（1）在宏观领域中,人类研究了天体宇宙的运动规律,建立了伽利略－牛顿的经典物理学理论体系,奠定了机械学基本原理,蒸汽机的出现（1769）,以蒸汽动力代替人力,宣告了第一次工业革命。

随着蒸汽机的创造和不断完善,蒸汽机作为一种动力机不但在纺织、采矿业中得到广泛的应用,而且还被推广应用到交通运输、冶金、机械、化工等一系列工业部门,使社会生产力以前所未有的高速度发展.

•

（2）１９世纪３0年代,（1831）法拉弟总结出电磁感应定律,随后建立了电力工业系统,带来了工业电气化,出现了电报、电话、电视和无线电通讯技术,导致了第二次工业革命。

•（3）继蒸汽机时代和电力时代之后,20世纪中叶,随着半导体、晶体管和集成电路的创造,人类迈向了微电子信息时代,出现了第一台电子计算机（1945年,底花费了48万美元,使用了1.8万个电子管）。

引发了第三次工业革命。

美国半导体协会予计:

到,半导体器件的尺寸将达到0.1m（100nm）极限,由于量子效应,小于这一尺寸的所有芯片就不再保持原有的性能,需要按新的原理来设计,要突破这一极限,我们就得研究纳米尺度中的理论问题和技术问题。

纳米科技的重要意义

中国纳米科技成果

产业前景

21世纪初各国对纳米科技的攻关

社会需要真纳米