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1、 光电子信息材料概论光电子信息材料概论主讲人：张顺平主讲人：张顺平华中科技大学材料学院华中科技大学材料学院学科概论专题之自我简介自我简介 张顺平张顺平 华中科技大学材料学院华中科技大学材料学院0000级本科级本科 0909年博士毕业，留校任教年博士毕业，留校任教 替曾大文教授代一堂学科概论专题替曾大文教授代一堂学科概论专题 联系方式：联系方式：希望能与各位同学共同学习！希望能与各位同学共同学习！信息获取信息获取信息传输信息传输信息存储信息存储信息显示信息显示信息处理信息处理信息技术的主要环节信息技术的主要环节材料是实现材料是实现信息技术的信息技术的基础和载体基础和载体什么是信息？什么是信息？信
2、息的表现形态很简单，主要是数据、文字、信息的表现形态很简单，主要是数据、文字、声音、图像四种声音、图像四种，但现在，信息已是一个内涵，但现在，信息已是一个内涵广泛的概念。作为美国国家标准的广泛的概念。作为美国国家标准的IEEE电学电学和电子学名词标准词典和电子学名词标准词典(1988年年7月第四版月第四版)中把信息中把信息(Information)定义为定义为“信息是按已知信息是按已知协议赋于一定含义的协议赋于一定含义的数据数据”。知识可以理解为信息的升华知识可以理解为信息的升华-经过概括、提升、验证经过概括、提升、验证了的信息，反过来，当知识用于指导生产、规范社会了的信息，反过来，当知识用于
3、指导生产、规范社会生活时，它仍然充分体现出来的是它的信息属性，因生活时，它仍然充分体现出来的是它的信息属性，因此也有人此也有人狭义地认为信息就是知识狭义地认为信息就是知识。但不管对信息的。但不管对信息的定义如何理解，今天人们已经认同，信息是一种资源，定义如何理解，今天人们已经认同，信息是一种资源，一种资产，是现代社会中与物质（材料）、能源同样一种资产，是现代社会中与物质（材料）、能源同样重要的、生存发展必不可少的三大资源之一。重要的、生存发展必不可少的三大资源之一。有人做出过这样的定义：人类社会中的知识，需要利有人做出过这样的定义：人类社会中的知识，需要利用和传播的，叫作信息。可见用和传播的，
4、叫作信息。可见信息与知识密切相关信息与知识密切相关。什么是信息技术？什么是信息技术？广义地讲，广义地讲，信息技术是扩展人类信息器官功能的信息技术是扩展人类信息器官功能的一类技术一类技术，具体说，信息技术是指包括，具体说，信息技术是指包括信息获取、信息获取、信息传递、信息存储、信息处理和信息显示信息传递、信息存储、信息处理和信息显示等在等在内的总称。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、办的强大推动力，使生产自动化、金
5、融自动化、办公自动化、服务自动化、军事指挥自动化等能得公自动化、服务自动化、军事指挥自动化等能得以实现。以实现。当当今今社社会会的的各各个个方方面面，广广至至空空间间宇宇宙宙，微微到到原原子子和和电电子子，无无论论是是科科研研、生生产产、社社会会交交往往、家家庭庭生生活活乃乃至至作作战战指指挥挥，无无一一例例外外地地均均与与信信息息技技术术结结下下不不解解之之缘缘。信信息息技技术术的的飞飞速速进进步步，使使得得整整个个社社会会的的生生产产方方式式、生生活活方方式式、思思维维观观念念都都在在经经历历一一场场的的深深刻刻变变化化。生生产产效效率率成成百百倍倍地地增增长长，为为生生产产和和生生活活服
6、服务务的的自自动动化化、电电子子化化、“傻傻瓜瓜”化化的的设设备备和和生生活活日日用用品品，花花样样翻翻新新、层层出出不不穷穷。由由于于信信息息技技术术的的广广泛泛利利用用，人人的的大大脑脑“扩扩展展”了了，人人的的四四肢肢“延延长长”了了，人人的的“能能量量”增增大大了了，人人的的时时空空观观念念也也改改变变了了，从从而而使使得得整整个个世世界界融融为为一一体体，地地球球由由此此变变“小小”，外外星星球球与与人人类类更更接接近近，“天天涯涯若若比比邻邻”也从诗人的幻想变为真正的现实。也从诗人的幻想变为真正的现实。在人们尽情享受当代信息技术所带来的方便、欢欣在人们尽情享受当代信息技术所带来的方
7、便、欢欣的时候，不知有多少人能意识到在信息技术的的时候，不知有多少人能意识到在信息技术的“花花花世界花世界”背后，还有一个支撑这个背后，还有一个支撑这个“花花世界花花世界”的的“材料王国材料王国”？什么是信息材料？什么是信息材料？信息材料主要是指用于信息的信息材料主要是指用于信息的收集、存储、处理、传收集、存储、处理、传递和显示递和显示的微电子材料和光电子材料。的微电子材料和光电子材料。微电子材料微电子材料和和光电子材料光电子材料的发展历程也就是信息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的主要发展历程。微电子材料和光电子材料是微电子微电子技术技术和和光电子技术光电
8、子技术的基础和先导，因此，了解微电子的基础和先导，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。子材料和光电子材料的发展历程。微电子技术微电子技术的精华是集成电路技术，微电子技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，术是随着集成电路技术的发展而发展起来的，集成电路技术集成电路技术又是从半导体晶体管技术发展起又是从半导体晶体管技术发展起来的。而来的。而半导体晶体管半导体晶体管的诞生则建立在人类对的诞生则建立在人类对半导体材料半导体材料的研究基础上。因此，可以说微电的研究基础上
9、。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，上发展起来的。其中，（微）电子学（微）电子学是研究电是研究电子输运过程的学问。子输运过程的学问。与与分分立立元元器器件件电电路路的的不不同同。集集成成电电路路结结构构和和集集成成工工艺艺的显著特点是：的显著特点是：1电电路路所所包包含含的的元元件件和和器器件件都都集集成成在在几几何何尺尺寸寸十十分分小小的晶片的晶片(芯片芯片)上。上。2组组成成电电路路的的所所有有元元器器件件都都是是在在相相同同的的工工艺艺条条件件下下，同时经历同一的工艺流程。同时经历同一的工艺流程。光电子技术
10、光电子技术是在激光技术的基础上发展起来的。激是在激光技术的基础上发展起来的。激光的发明光的发明把电子学推到了光频波段把电子学推到了光频波段。光电子学就是光电子学就是光波波段（红外线、可见光、紫外线和软光波波段（红外线、可见光、紫外线和软X射线）的射线）的电子学。电子学。与与微电子技术微电子技术相比，相比，光电子技术光电子技术的最重要特点是的最重要特点是波长短、波长短、相干性相干性好。因此，好。因此，光电子技术具有分辨率高、存储和通光电子技术具有分辨率高、存储和通信容量大的优点信容量大的优点。光电子技术主要包括半导体激光器技。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
11、术、光电探术、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测技术、光信息处理技术以及集成光路集成光路、光电子集成回、光电子集成回路技术。用于这些光电子技术的路技术。用于这些光电子技术的光电子材料光电子材料是是微电子材微电子材料料之外的另一类重要的信息材料。之外的另一类重要的信息材料。信息材料信息材料是一个庞大的家族。它包括以集成电路材料为是一个庞大的家族。它包括以集成电路材料为代表的代表的微电子材料微电子材料和以半导体激光器、光通信、光存储、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、光电子集成电路光传感、光显示、光处理、集成光路、光电子集成电
12、路材料为代表的材料为代表的光电子材料光电子材料。信息获取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。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
13、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。五官与传感器五官与传感器人的人的五官五官感感觉器官器官对象象传感器感器原理原理视觉眼眼光光光光传感器感器视觉传感器感器光光电效效应（光（光电）听听觉耳耳声波声波压力力传感器听感器听觉传感器感器压电效效应（声波（声波电）触触觉皮肤皮肤压力力温度温度压力力传感器温感器温度度传感器感器压电效效应（声波（声波电）塞塞贝克效克效应（温度（温度电）嗅嗅觉鼻鼻气体气体气味物气味物质气体气体传感器感器气味气味传感器感器吸附效吸附效应（气（气电）吸附效吸附效应（质量
14、量变化化频率率变化，气化，气电）味味觉舌舌味味觉物物质味味觉传感器感器电化学效化学效应（相互作用（相互作用电）材料的检测与控制技术19/60贝贝壳壳为为何如此何如此坚坚硬？硬？贝贝壳的微壳的微观结观结构构材料微观结构的检测材料微观结构的检测20/60蝴蝶蝴蝶为为何美何美丽丽？翅膀翅膀鳞鳞粉具有光子晶体粉具有光子晶体结结构的蝴蝶构的蝴蝶 材料微观结构的检测材料微观结构的检测21/60蝉翅膀蝉翅膀为为何又薄又何又薄又轻轻有耐用？有耐用？蝉翅膀表面由蝉翅膀表面由规则规则排列的排列的纳纳米柱体米柱体组组成成材料微观结构的检测材料微观结构的检测22/60用用STMSTM移移动动1818个个铈铈(ceri
15、um)(cerium)原子和原子和1818个碘个碘(iodine)(iodine)原子原子形成的形成的“V”V”字字图图案。案。材料原子尺寸上的控制材料原子尺寸上的控制23/60采用光学光刻技采用光学光刻技术术制制备备的微的微电电子芯片子芯片材料微米尺寸上的控制材料微米尺寸上的控制24AlAl2 2O O3 3为为基片的基片的贴贴片微气敏片微气敏传传感器感器阵阵列列材料毫米尺寸上的控制材料毫米尺寸上的控制25/60聚合物气敏传感器阵列聚合物气敏传感器阵列26/60At present,the Caltech electronic nose consists of approximately 2
16、0-50 different polymeric sensors that are deposited on substrates that are approximately 1 mm-1 cm in size.The electronics are now 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(expandable
17、to 132 easily),and record the resulting resistance vs time data to a laptop PC.VLSI-compatible,device framework in a one chip检测与控制就是我们的眼睛和双手检测与控制就是我们的眼睛和双手已成为材料科学研究中必备的技术基础已成为材料科学研究中必备的技术基础/能力能力27/60对象对象检测机理器件主要材料温度由由块块体体中中载载流流子子数数目目的的变变化化而而引引起起电电阻率的变化阻率的变化NTC（负负温温度度系系数数）热敏电阻热敏电阻NiO、FeO、MnO、SiC、CoO由
18、由晶晶界界电电位位势势垒垒高高度度的的变变化化而而引引起起电电阻率的变化阻率的变化PTC（正正温温度度系系数数）热敏电阻热敏电阻BaTiO3光由由自自极极化化温温度度变变化化而而引引起起的的表表面面吸吸附附电荷数量的变化电荷数量的变化热电传感器热电传感器PbTiO3、LiNbO3、(Pb La)TiO3、Pb(ZrTi)O3由由块块体体中中载载流流子子数数目目的的变变化化而而引引起起电电阻率的变化阻率的变化光电池光电池Bi12SiO20由由晶晶界界产产生生的的约约瑟瑟夫夫逊逊效效应应而而引引起起的的电压变化电压变化约瑟夫逊结型传感器约瑟夫逊结型传感器Ba(PbBi)O3（BaK)BiO3气体由
19、由晶晶界界或或顶顶部部空空间间电电荷荷层层的的变变化化而而引引起的表面电阻率的变化起的表面电阻率的变化表面控制型传感器表面控制型传感器SnO2、MnO2、Cr2O3由由块块体体中中晶晶格格缺缺陷陷密密度度的的变变化化而而引引起起电阻率的变化电阻率的变化体积控制型传感器体积控制型传感器Fe2O3、(LaSr)CoO3由由ZrO2表表面面氧氧离离子子极极化化而而引引起起电电功功率率的变化的变化固体电解质型传感器固体电解质型传感器ZrO2(CaO,Y2O3)湿度由由水水蒸蒸气气的的化化学学吸吸附附、物物理理吸吸附附而而引引起的表面电阻变化起的表面电阻变化质子电导型传感器质子电导型传感器MgCr2O1
20、-TiO2、TiO2-V2O5、ZnCr2O1-LiZnVO1表表1 1 主要的传感器与所用材料举例主要的传感器与所用材料举例为了满足人类的需求，传感器材料今后的发展方向为：为了满足人类的需求，传感器材料今后的发展方向为：（1）向复合化方向发展，即将两种或两种以上的材料结合在一起，组成具有新功能的材料；（2）向多功能方向发展。传感器的发展往往要求材料具有两种或两种以上的功能，即多功能材料，如温度/湿度、温度/湿度/辐射等；（3）向低维化方向发展。随着材料尺度的减小（即低维化），材料的表面效应和体积效应将显现出来，从而产生独特的电、磁、光、热等物理和化学特性。这种低微化材料可大幅度提高传感器的灵
21、敏度，并扩大应用范围；（4）向智能化方向发展，使材料具有判断功能和自诊断功能。信息传输信息传输烽火台-望远镜-灯信号与“灯语”通信-信号灯、旗语、望远镜等目视光通信-贝尔（BELL）电话-贝尔（BELL）光电话-光也可以“走弯路”-激光器-光纤的诞生信息传输的演变光通信构成原理光通信构成原理光通信包含以下几个最基本部分：（1）传输介质：光纤（光缆）；（2）有源光学器件模块：光发射机、光接收机、光放大器等；（3）无源光学元件和器件：活动连接器、固定连接器、耦合器、衰减器、隔离器、光学滤波器、波分复用器(WDM)等；（4）微电子学部件：电子复接器/解复接器(MUX/DMUX)、信号处理电路、控制/
22、维护电路等。输入电信号输入电信号光缆光缆光连接器光连接器激光器激光器驱动驱动电路电路探测器探测器放大放大电路电路解码器解码器编码器编码器光发射机光发射机光接收机光接收机光纤数字通信系统框图光纤数字通信系统框图输出电信号输出电信号关键突破关键突破1970年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始从理想变成可能，这立即引起了各国电信科技人员的重视，他们竞相进行研究和实验。1974年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法CVD法（气相沉积法），使光纤损耗降低到1分贝公里；1977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时（实用中10年左右）的半导体激光器，从而
23、有了真正实用的激光器。1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速率为45Mbs。信息交流、知识传播需要一种畅通无阻的通道，信息高速公路、国际互联网的建立需要一种实实在在的载体。正是由于高性能光纤材料的发现和制造技术日臻完善，才使我们真正感受到信息高速公路带来的方便。自1966年英籍华裔学者高锟博士预测光学玻璃总衰耗降至20dBkm以下有望作为光通信介质之日起，人们对光纤的各种应用及相应制造材料一直进行着艰辛的探索。今天光纤已被广泛应用于通信、广播电视及各种传感领域。这是从电子通信到光子通信的一个飞跃，也是从铜材料到二氧化硅系材料的一个巨大飞跃。电子通信的载频最高也只有101
24、1Hz，而光的载频却是1014Hz，提高了三个数量级。每根光纤的通信容量可以达到几千万甚至上亿条话路。不仅如此，作为传输媒体的二氧化硅系玻璃制成的光纤，每公里质量才27克，减轻到铜制同轴电缆的数千分之一。以二氧化硅系材料制成的光纤不仅不需消耗任何有色金属，而且质量极轻、传输损耗小、不受外界电磁干扰、保密性强。数字比较数字比较原材料原材料丰富丰富 抗干扰抗干扰性好性好 重量轻重量轻 损耗小损耗小 优点与传统电缆相比，光纤具有损耗小、与传统电缆相比，光纤具有损耗小、传输距离长的优点。目前使用的石英传输距离长的优点。目前使用的石英光纤在光纤在0.81.8 m波长范围内的损耗波长范围内的损耗比所有传统
25、的电传输线低。由于光纤比所有传统的电传输线低。由于光纤传输损耗低，所以其中继距离达到几传输损耗低，所以其中继距离达到几十公里至上百公里，而传统的电传输十公里至上百公里，而传统的电传输线中继距离仅为几公里。线中继距离仅为几公里。制作光纤的原材料丰富。石英光纤的主要成分是二氧化硅（SiO2），这是地球最主要的成分之一。而传统通信电缆的主要材料为稀有金属铜，其资源严重紧缺，这样使用光纤作为传输媒介可以节省大量的越来越宝贵的金属材料。光纤具有抗干扰性好、保密性强、使光纤具有抗干扰性好、保密性强、使用安全等特点。光纤是非金属介质材用安全等特点。光纤是非金属介质材料，具有很强的抗电磁干扰能力，这料，具有很
26、强的抗电磁干扰能力，这是传统的电通信所无法比拟的。光信是传统的电通信所无法比拟的。光信号束缚在光纤芯子中传输，在芯子外号束缚在光纤芯子中传输，在芯子外很快衰减，这样不会产生光纤间的串很快衰减，这样不会产生光纤间的串光现象，所以其保密性好且能保证同光现象，所以其保密性好且能保证同一光缆中不同光纤间光信号的传输质一光缆中不同光纤间光信号的传输质量。光纤具有抗高温和耐腐蚀的性能，量。光纤具有抗高温和耐腐蚀的性能，因而可以抵御恶劣的工作环境。因而可以抵御恶劣的工作环境。光纤的体积小、重量轻，便于敷光纤的体积小、重量轻，便于敷设。光纤细如发丝，其外直径仅设。光纤细如发丝，其外直径仅为为125m，加塑套后
27、的外径也小，加塑套后的外径也小于于1mm，再加上光纤材料比重小，再加上光纤材料比重小，因而制成光缆后，直径比电缆细，因而制成光缆后，直径比电缆细，重量也轻很多。例如一根重量也轻很多。例如一根18芯的芯的光缆每公里约重光缆每公里约重150kg，而，而18芯同芯同轴电缆每公里约重轴电缆每公里约重11吨。吨。光纤的优点光纤通信所用的激光器光纤通信所用的激光器 在光纤通信中，所用的光源有三种：半导体激光器、半导体发光二极管和非半导体激光器。在实际的光纤通信系统中，通常选用前两种。而非半导体激光器，如气体激光器、固体激光器等，虽然它们是最早制成的相干光源，但由于其体积太大，不适宜与体积小的光纤配合使用，
28、只用于一些特殊场所。http:/http:/半导体激光器中功率半导体激光器中功率半导体激光器多波长选择多波长选择 650 nm1625nm 宽功率范围宽功率范围1 mW2W 大功率半导体激光器模块大功率半导体激光器模块光发射机光发射机半导体激光器（半导体激光器（LDLD）半导体发光二极管（半导体发光二极管（LEDLED）光源调制光源调制GaAlAs/GaAsGaAlAs/GaAs：0.8m0.8m短波长短波长InGaAsPInGaAsP：1.311.31和和1.55m1.55m长波长长波长LiNbOLiNbO3 3：电光调制；压电晶体：声光调：电光调制；压电晶体：声光调制；磁光调制：制；磁光调
29、制：YIGYIG磁棒磁棒光纤光纤石英系光纤、石英芯石英系光纤、石英芯/塑料包层光纤、塑料包层光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤多组分玻璃光纤、塑料光纤光接收机光接收机光检测器光检测器 、前置放大器、主放大器、前置放大器、主放大器、均衡滤波器均衡滤波器 SiSi、GaAsGaAs、GeGe、InGaAsPInGaAsP和和InGaAs InGaAs 光放大器光放大器半导体光放大器半导体光放大器(SOA)(SOA)光纤放大器光纤放大器InGaAsPInGaAsP、InGaAsInGaAs掺铒光纤掺铒光纤(EDF)(EDF)、非晶态石英光纤、非晶态石英光纤光波系统光波系统互接器件互接器件光纤连接器、光纤
30、耦合器光纤连接器、光纤耦合器波分复用波分复用/解复用器解复用器不锈钢等坚硬耐久的金属材料或者不锈钢等坚硬耐久的金属材料或者AlAl2 2O O3 3陶瓷材料陶瓷材料TiOTiO2 2和和SiOSiO2 2等薄膜材料等薄膜材料光纤与半导体激光器材料光纤与半导体激光器材料信息存储信息存储信息存储信息存储信息存储有如人的大脑记忆。信息存储有如人的大脑记忆。数字信息存储的要求是数字信息存储的要求是高存储密度、高数据信输率、高存储密度、高数据信输率、高存储寿命、高的擦写次数以及设备投资低和信息位高存储寿命、高的擦写次数以及设备投资低和信息位低价格低价格。信息存储材料信息存储材料是指用于各种存储器的一些能
31、够用来记录和是指用于各种存储器的一些能够用来记录和存储信息的材料。这类材料在一定强度的存储信息的材料。这类材料在一定强度的外场外场(如光、电、如光、电、磁或热等磁或热等)作用下会发生从某种状态到另一种作用下会发生从某种状态到另一种状态的突变状态的突变，并能在变化后的状态并能在变化后的状态保持保持比较长的时间，而且材料的某些比较长的时间，而且材料的某些物理性质在状态变化前后有很大差别。物理性质在状态变化前后有很大差别。因此，通过测量存储材料因此，通过测量存储材料状态变化前后的这些物理性质状态变化前后的这些物理性质，数字存储系统就能区别材料的这两种状态并用数字存储系统就能区别材料的这两种状态并用“
32、0 0”和和“1 1”来表示它们，从而实现存储。如果存储材料在一定来表示它们，从而实现存储。如果存储材料在一定强度的外场作用下，能快速从变化后的状态返回原先的状强度的外场作用下，能快速从变化后的状态返回原先的状态，那么这种存储就是态，那么这种存储就是可逆可逆的。的。信息存储材料的种类很多，主要包括信息存储材料的种类很多，主要包括半导体存半导体存储器材料、磁存储材料、无机光盘存储材料、储器材料、磁存储材料、无机光盘存储材料、有机光盘存储材料、超高密度光存储材料和铁有机光盘存储材料、超高密度光存储材料和铁电存储材料电存储材料等等。它们实现信息存储的原理各不。它们实现信息存储的原理各不相同，存储性能
33、也有很大差异。因此，不同应相同，存储性能也有很大差异。因此，不同应用场合应选用个同的信息存储材料。用场合应选用个同的信息存储材料。时间1992年年1995年年1998年年2000年年2003年年存存储容量容量（Gb）0.60.95101050100存存储密度密度（Gb/in2）0.10.50.824461020数据率数据率（Mb/s）16100150300400400500存取存取时间(ms)302010645硬磁盘技术进展硬磁盘技术进展IncreaseofArealDensityinOpticalDisksT.Suzuki:113th Topical Meeting of Magn.Soc.
34、Jpn.(2000.1)p.11Hard diskHard diskOptical diskOptical diskMOMO信息显示信息显示信息显示信息显示 随着人类步入信息社会，人们在社会活动和日随着人类步入信息社会，人们在社会活动和日常生活中随处可见各种信息显示，例如，广告常生活中随处可见各种信息显示，例如，广告显示，计算机屏幕显示，电视机图像显示，电显示，计算机屏幕显示，电视机图像显示，电子数字手表、移动电话的字符和图形显示等。子数字手表、移动电话的字符和图形显示等。这些显示是利用这些显示是利用显示材料具有将不可见光、电显示材料具有将不可见光、电信号转化成可视的数字、文字、图形、图像信信
35、号转化成可视的数字、文字、图形、图像信号的特性号的特性来实现的。来实现的。显示（技术）分类显示（技术）分类投影显示投影显示虚拟显示虚拟显示直视显示直视显示阴极射线阴极射线管管CRT平板显示平板显示FPD头盔显示头盔显示HMD全息图像全息图像HG液晶显示液晶显示LCD阴极射线阴极射线管管CRT发光显示发光显示（主动显示）（主动显示）受光显示受光显示（被动显示）（被动显示）场发射场发射FEDFED等离子等离子体体PDPPDP电致发电致发光光ELEL发光二发光二极管极管LEDLED液晶显示液晶显示LCDLCD电致变色电致变色ECDECD电泳显示电泳显示EPIDEPID显示器件基本性能显示器件基本性能
36、 评价显示器件，要考虑视感特性、物理特件及评价显示器件，要考虑视感特性、物理特件及电学特性，同时，还应考虑制造难易程度和制电学特性，同时，还应考虑制造难易程度和制造成本等。这样，评价显示器件的参数就有几造成本等。这样，评价显示器件的参数就有几十个。但十个。但关健参数为亮度、发光效率、对比度、关健参数为亮度、发光效率、对比度、电压、功耗、分辨率、灰度、寿命电压、功耗、分辨率、灰度、寿命(稳定性稳定性)、视角、色彩、响应时间视角、色彩、响应时间等。等。材料科学工作人员的主要任务是：材料科学工作人员的主要任务是：开发能满足开发能满足上述要求的新材料上述要求的新材料。显示用材料和特性显示用材料和特性显
37、示材料显示材料是指把电信号转换成可见光信号的材是指把电信号转换成可见光信号的材料。料。显示材料包括：显示材料包括：（1 1）显示屏支撑材料）显示屏支撑材料-玻璃基板。玻璃基板。（2 2）光学功能材料：）光学功能材料：CRTCRT的热阴极材料、的热阴极材料、FEDFED的冷阴极材料、的冷阴极材料、LCDLCD的取向材料、偏振膜等。的取向材料、偏振膜等。显示用光学功能材料还可分为显示用光学功能材料还可分为发光材料发光材料和和受光受光材料材料。物质发光过程示意物质发光过程示意激发激发发光发光组分分发光光色色主波主波长nm流明效率流明效率lm/W余余辉时间用途用途ZnS:AgZnS:Cu,AlZn2S
38、iO4:Mn2+-Zn3(PO4)2:Mn2+Y2O3S:Eu3+Y2O3:Eu3+蓝黄黄绿绿绿红红4505305255256266262117，2386.7138.71s1ms1s1ms1ms30ms30ms1s1ms30ms1ms30ms彩色彩色CRT彩色彩色CRT雷达等雷达等微机微机CRT彩色彩色CRT投影管投影管典型典型CRTCRT荧光粉特性荧光粉特性典型典型PDPPDP用发光材料与特性用发光材料与特性发光材料发光材料发光颜色发光颜色相对亮度（相对亮度（%）BaMgAl14O23:Eu2+蓝23Y2SiO5:Ce3+蓝19Zn2SiO4:Mn2+绿100Y2SiO5:Tb3+绿81(Y
39、、Gd)BO3:Eu3+红35Y2O3:Eu3+红32信息处理信息处理信息处理信息处理以大规模集成电路为基础的电子计算机技术仍以大规模集成电路为基础的电子计算机技术仍是信息处理的主要技术。由于对电子计算机处是信息处理的主要技术。由于对电子计算机处理信息理信息速度速度和和容量容量的要求越来越高，因此对计的要求越来越高，因此对计算机处理器算机处理器(CPU)(CPU)的速度和内存的速度和内存容量容量的要求也的要求也愈来愈高，随之对芯片集成度的要求也愈来愈愈来愈高，随之对芯片集成度的要求也愈来愈高。高。自自2020世纪世纪7070年代后期至今，集成电路年代后期至今，集成电路(IC)(IC)芯片的集成
40、芯片的集成度大约每一年半增加一倍，器件特征尺寸大约度大约每一年半增加一倍，器件特征尺寸大约每三年每三年缩小缩小1.4141.414倍倍。目前，已能在单个芯片上集成约。目前，已能在单个芯片上集成约十亿个十亿个晶体管晶体管。其中。其中0.18 0.18 mm CMOS CMOS技术已经开始进入大规模技术已经开始进入大规模生产，研究工作则进入生产，研究工作则进入亚亚0.1 0.1 mm领域。就集成电路领域。就集成电路三三个标志量（存储容量、速度、数据传输速度）个标志量（存储容量、速度、数据传输速度）而言，而言，2121世纪的微电子技术将从目前的世纪的微电子技术将从目前的3G3G逐步发展到逐步发展到3
41、T3T（即（即存储容量由存储容量由G G位位发展到发展到T T位位、集成电路器件的速度从、集成电路器件的速度从GHzGHz发展到发展到THzTHz、数据传输速率由、数据传输速率由Gb/sGb/s发展到发展到Tb/sTb/s）。）。G:10G:109 9,T:10,T:101212相关数据相关数据时间（年）（年）19981999200020052014容量（容量（GB）0.0640.1280.256141020256光刻光刻线宽（m）0.30.20.180.150.10.01硅硅单晶直径晶直径（mm）200300350400450缺陷尺寸（缺陷尺寸（m）0.12 0.05 0.035.0M(0.
42、13 m制造工制造工艺)处理器理器808880888038680486奔奔腾4中央处理器（中央处理器（CPU）的发展）的发展 以以硅材料硅材料为核心的集成电路在过去为核心的集成电路在过去4040年里得到年里得到迅速发展，它占集成电路的迅速发展，它占集成电路的9090以上。可以预以上。可以预见，在见，在2121世纪，它的核心地位仍不会动摇。自世纪，它的核心地位仍不会动摇。自19581958年问世以来，硅集成电路器件集成度提高年问世以来，硅集成电路器件集成度提高了了l00l00万倍万倍，单位价格下降为，单位价格下降为100100万分之一万分之一。这。这主要是靠光刻线宽缩小和成品率的提高，而主要是靠
43、光刻线宽缩小和成品率的提高，而单单晶硅的尺寸增大和质量提高起到了重要作用晶硅的尺寸增大和质量提高起到了重要作用。1970198019902000年年 Si3N4 P-SiSi2OSi PtSi2 CoSi2 TiSi2MoSi2 Ta2O5 TiO2 BSTTiN/TiCu/TiNCu 多孔多孔Si BN Polymer RuO2 SrRuO3Pb(Zr,Ti)O3 金属硅化物金属硅化物电极材料电极材料铁电材料铁电材料金属化材料金属化材料低低k材料材料高高k材料材料微电子技术中材料微电子技术中材料系统发展随时间的系统发展随时间的演化演化小结小结1信息获取微电子技术技术信息传输光电子技术信息信息
44、存储材料信息显示微电子材料半导体材料等信息处理光电子材料技术技术对材料性能的主要要求对材料性能的主要要求信息获取信息获取S3P2：高灵敏度、高高灵敏度、高选择性、高性、高稳定定性、低功率、低价格。性、低功率、低价格。信息传输信息传输光光纤：低：低损耗；激光器：高亮度。耗；激光器：高亮度。信息存储信息存储高存高存储密度、高数据信密度、高数据信输率、高存率、高存储寿命。寿命。信息显示信息显示亮度、亮度、发光效率、光效率、对比度、比度、电压、功耗、功耗、分辨率、灰度、寿命分辨率、灰度、寿命(稳定性定性)、视角、角、色彩、响色彩、响应时间等。等。信息处理信息处理存存储容量、速度、数据容量、速度、数据传输速度。速度。小结小结2材料科学与工程的主要研究内容材料科学与工程的主要研究内容结构结构/成分成分应用需求应用需求合成合成/加工加工性能性能小结小结3材料成分、结构、组织材料成分、结构、组织物理、化学、机械方法物理、化学、机械方法力学性能力学性能光学性能光学性能电学性能电学性能磁学性能磁学性能生物性能生物性能