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1、第七章 功能材料17.1 引言引言定义：定义：功能材料是以特殊的电、磁、声、光、热、力、化学及生物学等性能作为主要性能指标的一类材料。是用于非结构目的高技术材料。7.2电子材料功能材料分类电子材料磁性陶瓷计算机存储器光学玻璃液晶静电印刷其他7.2.1半导体 发展历程发展历程 17821782年年Alexander VoltaAlexander Volta提出提出“半导体半导体”术语术语 18511851年年Johann Johann HittorfHittorf开始从事开始从事Ag2SAg2S和和Cu2SCu2S的研究，这些是首次的研究，这些是首次被认真研究的真正的半导体被认真研究的真正的半导
2、体 1959 1959年年JuondJuond通过在一可控硫蒸汽压下区域精炼样品，并获得测通过在一可控硫蒸汽压下区域精炼样品，并获得测试结果试结果 2020世纪世纪3030年代后期年代后期WilsonWilson写了两篇关于半导体能带理论的经典写了两篇关于半导体能带理论的经典文章，标志着现代半导体研究的开始文章，标志着现代半导体研究的开始7.2.1.1硅和锗硅硅 2020世纪早期世纪早期不纯的硅和钢铝合金的冶炼不纯的硅和钢铝合金的冶炼 19061906年年G.WG.W致力寻找一种新的以无线电技术发射信息的检波器，致力寻找一种新的以无线电技术发射信息的检波器，使硅首次步入人们的视野使硅首次步入人
3、们的视野 二次世界大战早期二次世界大战早期当大量开展针对雷达的研究时，关于硅的技当大量开展针对雷达的研究时，关于硅的技术才有了很大的发展术才有了很大的发展 19391939年年Jack Jack ScaffScaff和和Henry Henry 做出硅晶体，并发现表现出不同性能做出硅晶体，并发现表现出不同性能整流的功能相反的一个界面，这些区域后来被命名为整流的功能相反的一个界面，这些区域后来被命名为n n型和型和p p型型 19471947年后期年后期晶体管被发明出来晶体管被发明出来锗锗18711871年，俄国科学家门捷列夫寓言，元素周期表年，俄国科学家门捷列夫寓言，元素周期表SiSi和和SnS
4、n之间存在着一个之间存在着一个“类硅类硅”的元素。的元素。18861886年，德国科学家温克莱尔首先从银硫锗矿中年，德国科学家温克莱尔首先从银硫锗矿中分离出分离出GeGe，并将其命名为，并将其命名为GeGe（GermaniumGermanium）以）以纪念他的祖国。纪念他的祖国。GeGe是半导体研究的早期样板材料，是半导体研究的早期样板材料，在在2020世纪世纪5050年代，年代，GeGe是主要的半导体电子材料是主要的半导体电子材料硅在自然界分布极广，地壳中约含硅在自然界分布极广，地壳中约含26.326.3，在自然界中是在自然界中是没有游离态的硅没有游离态的硅主要以主要以二氧化硅和硅酸盐二氧化
5、硅和硅酸盐的形式存在。的形式存在。硅的分布晶体硅晶体硅为钢灰色，密度晶体硅为钢灰色，密度2.42.4 g gcm3cm3，熔点，熔点14201420，沸点，沸点23552355，晶体硅属于原子晶体，硬而有光，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质泽，有半导体性质。硅硅硅可用来制造集成电路、硅可用来制造集成电路、晶体管等半导体器件晶体管等半导体器件太阳能电池太阳能电池氧化硅水晶玛瑙石英坩埚光导纤维锗的分布锗在地壳中含量约为百锗在地壳中含量约为百万分之一，分布极为分万分之一，分布极为分散，常归于稀有元素散，常归于稀有元素；1.1.在煤和烟灰中；在煤和烟灰中；2.2.与金属硫化物共生；与金属硫
6、化物共生；3.3.锗矿石锗矿石锗锗 锗的应用属金刚石结构属金刚石结构由于由于GeGe的禁带较窄，的禁带较窄，器件稳定工作温度远器件稳定工作温度远不如硅器件高，加之不如硅器件高，加之资源有限，资源有限，目前，目前，GeGe电子器件不到总量的电子器件不到总量的10%10%，主要转向，主要转向红外红外光学等方光学等方面。面。7.2.1.27.2.1.2物理学家、化学家和冶金学家的合作物理学家、化学家和冶金学家的合作 早期晶体管发明毫无疑问是物理学家的杰作，特别是早期晶体管发明毫无疑问是物理学家的杰作，特别是John BardeenJohn Bardeen对对物理学深远的洞察力，带领研究团队突破了许多
7、挫折和迷惑物理学深远的洞察力，带领研究团队突破了许多挫折和迷惑 ScaffScaff和和TheuererTheuerer已经鉴别出已经鉴别出p p型和型和n n型区域，并且进行了精确的化学分型区域，并且进行了精确的化学分析，使析，使p p型和型和n n型区域的本质得以确定型区域的本质得以确定 William William PfannPfann的发明解决了锗和硅不能够从矿石直接萃取或精炼到需的发明解决了锗和硅不能够从矿石直接萃取或精炼到需要的纯度的问题要的纯度的问题 在早些年，物理学家在早些年，物理学家、冶金学家和化学家在贝尔实验室内部都组成自冶金学家和化学家在贝尔实验室内部都组成自己的团队，
8、但是在创建半导体设备中的合作经历使他们融合在一起，己的团队，但是在创建半导体设备中的合作经历使他们融合在一起，并且现在许多实验室的雇员会简单地把他们归为材料学家并且现在许多实验室的雇员会简单地把他们归为材料学家7.2.1.3（单片）集成电路发展发展 2020世纪世纪5050年代后期，众多晶体管分立在电子电路上，变得相当复杂，年代后期，众多晶体管分立在电子电路上，变得相当复杂，以至于大量的焊接点导致产生缺陷，毁坏电路。以至于大量的焊接点导致产生缺陷，毁坏电路。在在19581958年年19591959年，两位美国发明家年，两位美国发明家Jack Jack KilbyKilby和和Robert Ro
9、bert NoyceNoyce围绕这围绕这个问题各自独立地找到了答案。个问题各自独立地找到了答案。NoyceNoyce的想法就是在一小片硅晶体上的想法就是在一小片硅晶体上（一块（一块“芯片芯片”）建造完整的电路，细小的晶体管和电容器在原位制）建造完整的电路，细小的晶体管和电容器在原位制造并在芯片表面形成金属的相互连接。造并在芯片表面形成金属的相互连接。KilbyKilby最终获得了最终获得了20002000年度诺贝年度诺贝尔奖。尔奖。针对集成电路的材料科学研究，目的都是在努力避免微电路的灾难性针对集成电路的材料科学研究，目的都是在努力避免微电路的灾难性老化问题。因此在多层金属镀层结构中，高分子
10、膜特别是耐高温的聚老化问题。因此在多层金属镀层结构中，高分子膜特别是耐高温的聚酰亚胺正在逐步替代陶瓷酰亚胺正在逐步替代陶瓷7.2.1.4带隙工程：受限异质结半导体异质结概念半导体异质结概念半导体异质结概念半导体异质结概念同质结（同质结（p-np-n结）：在同一块单晶材料上，由于掺杂的不同结）：在同一块单晶材料上，由于掺杂的不同形成的两种导电类型不同的区域，区域的交接面就构成了同形成的两种导电类型不同的区域，区域的交接面就构成了同质结。质结。若形成异质结的两种材料都是半导体，则为半导体异质结。若形成异质结的两种材料都是半导体，则为半导体异质结。若一方为半导体一方为金属，则为金属半导体接触，这包若
11、一方为半导体一方为金属，则为金属半导体接触，这包括括SchottkySchottky结和欧姆接触。结和欧姆接触。19571957年，德国物理学家赫伯特年，德国物理学家赫伯特.克罗默指出有导电类型相反克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结，比同质结具有更高的注入效的两种半导体材料制成异质结，比同质结具有更高的注入效率。率。19601960年，年，AndersonAnderson制造了世界上第一个制造了世界上第一个GeGeGaAsGaAs异质异质结。结。19621962年，年，AndersonAnderson提出了异质结的理论模型，他理想提出了异质结的理论模型，他理想的假定两种半导体材
12、料具有相同的晶体结构，晶格常数和热的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构，晶格常数和热膨胀系数，基本说明了电流输运过程。膨胀系数，基本说明了电流输运过程。19681968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAs-AlxGa1-xAsGaAs-AlxGa1-xAs双异质结激光器。在双异质结激光器。在7070年代里，金属有机年代里，金属有机物化学气相沉积（物化学气相沉积（MOCVDMOCVD）和分子束外延）和分子束外延(MBE)(MBE)等先进的材等先进的材料成长方法相继出现，使异质结的生长日趋完善。料成长方法相继出现，使异质结的生长
13、日趋完善。理想异质结的I-V曲线异质结的结构：NP空间电荷区空间电荷区XM空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层X XN NX XP P空间电荷区为高阻区，因为缺空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子少载流子7.2.1.5光电池 光电池：是指利用光 生伏特效应直接把光能转化成电能的器件，也叫太阳能电池光电池光电池光电池光电池按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬池中
14、最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成底材料导电类型不同而分成2CR2CR系列系列系列系列和和2DR2DR系列系列系列系列两种。两种。2CR2CR系列硅光电池是以系列硅光电池是以N N型硅为衬底，型硅为衬底，P P型硅为受光面的光电池。型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为受光面上的电极称为前极前极前极前极或或上电极上电极上电极上电极，为了减少遮光，前极多，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为作成梳状。衬底方面的电极称为后极后极后极后极或或下电极下电极下电极下电极。为了减少反。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有射光，增加透射光，一般
15、都在受光面上涂有SiOSiO2 2或或MgFMgF2 2，SiSi3 3N N4 4，SiOSiO2 2MgFMgF2 2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。防腐蚀的保护作用。硅光电池结构示意如图硅光电池结构示意如图硅光电池结构示意如图硅光电池结构示意如图-+RLpn防反射膜防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn结结硅光电池硅光电池硅光电池硅光电池光电池驱动的凉帽光电池驱动的凉帽7.2.2电子陶瓷定义：定义：定义：定义：用于制造电子元器件和电子系统结构零部用于制造电子元器件和电子系统结构零部件的功能陶瓷。件的功能陶瓷。分类：分类：用于
16、电视机、雷达和示波器显示屏的磷光用于电视机、雷达和示波器显示屏的磷光剂；压敏和热敏电阻器；电介质，包括铁电材料；剂；压敏和热敏电阻器；电介质，包括铁电材料；压电材料，也包括铁电材料；热电陶瓷；电压电材料，也包括铁电材料；热电陶瓷；电-光陶光陶瓷；以及磁性陶瓷瓷；以及磁性陶瓷 具有自具有自发极化，且自极化，且自发极化能极化能够为外外电场所所转向的向的一一类材料，称材料，称为铁电材料材料。7.2.2.1铁电材料材料 Company Logo铁电材料的历史发展和现状铁电软膜理膜理论热力学理力学理论发现铁电性性铁电薄膜及器件薄膜及器件钙钛矿时期期KDP时期期罗息息盐的的发现 小型化小型化铁电材料的制备
17、方法1 固相反应法2 溶胶-凝胶法3 熔盐法4 喷雾分解法5 柠檬酸前驱法6 水热法7 无卤素法8 低温液相法铁电材料的应用铁电材料的应用7.2.2.2 快离子导体定义定义：一般来说，离子晶体一般属于绝缘体，电导率很低，如一般来说，离子晶体一般属于绝缘体，电导率很低，如一般来说，离子晶体一般属于绝缘体，电导率很低，如一般来说，离子晶体一般属于绝缘体，电导率很低，如NaClNaCl在室温时的电导率只有在室温时的电导率只有在室温时的电导率只有在室温时的电导率只有1010-15-15S/cmS/cm，在，在，在，在200200时也时也时也时也只有只有只有只有1010-8-8S/cmS/cm。而有一类
18、离子晶体，在室温下电导率可以达到而有一类离子晶体，在室温下电导率可以达到而有一类离子晶体，在室温下电导率可以达到而有一类离子晶体，在室温下电导率可以达到1010-2 2S/cm,S/cm,几乎可与熔盐的电导率比美。将这类几乎可与熔盐的电导率比美。将这类几乎可与熔盐的电导率比美。将这类几乎可与熔盐的电导率比美。将这类电导电导电导电导率高率高率高率高达达达达1010-1-1 1010-2-2S/cmS/cm，活化能低至活化能低至活化能低至活化能低至0.10.10.2eV0.2eV的材料的材料的材料的材料称称称称做做做做快离子导体快离子导体快离子导体快离子导体或固体电解质。或固体电解质。或固体电解质
19、。或固体电解质。分类：分类：快离子导体中的载流子主要是离子，并且快离子导体中的载流子主要是离子，并且快离子导体中的载流子主要是离子，并且快离子导体中的载流子主要是离子，并且其在固体中可流动的数量相当大。其在固体中可流动的数量相当大。其在固体中可流动的数量相当大。其在固体中可流动的数量相当大。根据载流子根据载流子根据载流子根据载流子的类型的类型的类型的类型，可将快离子导体分为如下类型：，可将快离子导体分为如下类型：，可将快离子导体分为如下类型：，可将快离子导体分为如下类型：阳离子导体阳离子导体Ag+Cu+Li+Na+H+阴离子导体阴离子导体 F-O2-按导电离子按导电离子类型分类类型分类一维导体
20、，其中隧道为一维方向的一维导体，其中隧道为一维方向的通道；通道；二维导体，其中隧道为二维平面交联的二维导体，其中隧道为二维平面交联的通道，如通道，如Na-Al2O3快离子导体；快离子导体；三维导体，其中隧道为三维网络交三维导体，其中隧道为三维网络交联的通道。联的通道。快离子导体中应当存快离子导体中应当存在大量的可供离子迁在大量的可供离子迁移占据的移占据的空位置空位置。这。这些空位置往往连接成些空位置往往连接成网状的敞开隧道，以网状的敞开隧道，以供离子的迁移流动。供离子的迁移流动。根据隧道的特点根据隧道的特点，可，可将快离子导体划分为将快离子导体划分为三类。三类。7.2.2.3热电材料热电材料热
21、电材料又叫温差电材料热电材料又叫温差电材料,具有交叉耦合的具有交叉耦合的热电输送性质热电输送性质;是一类具有热效应和电效应是一类具有热效应和电效应相互转换作用的新型功能材料相互转换作用的新型功能材料,利用热电材利用热电材料这种性质料这种性质,可将热能与电能进行直接相互可将热能与电能进行直接相互转化，转化，1823年发现的年发现的塞贝克效应塞贝克效应和和1834年发现的年发现的帕尔帖效应帕尔帖效应为热电能量转换器和为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。热电制冷的应用提供了理论依据。热电材料的三个效应SeebackSeeback效应效应两种不同金属接触时会产生接触电位差，形成回两种不同金
22、属接触时会产生接触电位差，形成回路时，两个接头的温度不同，是因为两个接头的路时，两个接头的温度不同，是因为两个接头的接触电位不同。接触电位不同。PeltierPeltier效应效应两个金属通过两个接点连成回路，并通以电流，两个金属通过两个接点连成回路，并通以电流，会使得一头发冷一头发热。会使得一头发冷一头发热。ThomsonThomson效应效应基于前两个效应，还必须考虑单根金属线由于其基于前两个效应，还必须考虑单根金属线由于其两端温度差而产生的电动势。两端温度差而产生的电动势。热电材料的应用 热电器件方面研究较多的是热电发电机(TEG)和温差制冷机。军工方面的应用 在深层宇宙探测中,TEG
23、技术被用于替代太阳能电池为探测器提供电能。美国军方和航空航天局(NASA)较早地将半导体热电堆发电技术应用于阿波罗、先锋者、开拓者、旅行者等空间任务中。比较典型的是伽利略号探测器上就装载了2 台285W 的碲化铅(PbTe)热电发电机(RTG)7.2.2.4超导陶瓷定义定义超超导导陶瓷是陶瓷是指指具有超具有超导导特性的陶瓷材料，与其他特性的陶瓷材料，与其他超超导导体的体的性性质一样质一样，超超导导陶瓷在完全陶瓷在完全导电导电性下性下电电阻阻为为零，零，处处于外界磁于外界磁场场中完全抗磁。超中完全抗磁。超导导陶瓷在陶瓷在诸诸如磁如磁悬悬浮列浮列车车、无、无电电阻阻损损耗的耗的输电线输电线路、超路
24、、超导导电电机、超机、超导导探探测测器、超器、超导导天天线线、悬悬浮浮轴轴承、超承、超导导陀螺以及超陀螺以及超导计导计算机等算机等强强电电和弱和弱电电方面有广泛方面有广泛应应用前景。用前景。特性特性 超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能主要有以下性能：零电阻性零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损 耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流持续电流”已
25、多次在实已多次在实验中观察到。验中观察到。完全抗磁性完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。约瑟夫森效应约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压流超过一定值后，绝缘层
26、两侧出现电压U（也可加一电压（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中其频率为，其中h为普朗克常数，为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。依据。超导陶瓷的制备方法a.固相法：含直接加工粉末法、护套法、粘接剂法（固相反应，扩散析出）b.液相法：熔融体急冷法、溶媒法、有机酸盐法、溶胶法（即将粉末溶入媒中）c.气相法：含溅射法（需薄膜优异，蒸镀缓慢）和化学蒸镀法（速度快）超导陶瓷
27、的应用1、在电力系统方面在电力系统方面 （1）输配电。根据超导陶瓷的零电阻的特性，可以无损耗）输配电。根据超导陶瓷的零电阻的特性，可以无损耗地远距离的输送极大的电流和地远距离的输送极大的电流和功率功率。（2）超导线圈。能制成超导储能线圈，用其制成的储能设）超导线圈。能制成超导储能线圈，用其制成的储能设备可以长期无损耗地储存能量，而且直接储存电磁能。备可以长期无损耗地储存能量，而且直接储存电磁能。（3）超导发电机。由于超导陶瓷的电阻为零，因而没有热）超导发电机。由于超导陶瓷的电阻为零，因而没有热损耗，可以制造大容量、高效率的超导发电机及磁流体发电损耗，可以制造大容量、高效率的超导发电机及磁流体发
28、电机机等。等。2、在交通运输方面在交通运输方面 （1）制造超导磁悬浮列车由于超导陶瓷的强抗磁性，）制造超导磁悬浮列车由于超导陶瓷的强抗磁性，磁悬浮列车没有车轮，靠磁力在铁轨上磁悬浮列车没有车轮，靠磁力在铁轨上“漂浮漂浮”滑行，它是滑行，它是利用超导磁体和路基导体中感应涡流之间的磁性排斥力把利用超导磁体和路基导体中感应涡流之间的磁性排斥力把列车悬浮起来，具有速度高，运行平稳，无噪声，安全可列车悬浮起来，具有速度高，运行平稳，无噪声，安全可靠等特点。靠等特点。（2）超导电磁性推进器和空间推进系统。例如船舶电磁推 进装置。其推进原理是：在船体内部，安装一个超导磁体，在海水中产生强大的磁场。同时，在船
29、体侧面放一电极，在海水中产生了强大的电流。在船尾后的海水中，磁力线和电流发生交互作用，海水在后面对船体产生了强大的推动力。3、在选矿和探矿等方面在矿冶方面由于一切物质都具有抗磁性或顺磁性，可以利用超导体来进 行选矿和探矿等。4、在环保和医药方面（1）在环保方面可以利用超导体对造纸厂、石油化工厂等的废水进行净化处理。（2）在医药卫生方面，生物体大都具有抗磁性，可以利用超导体作废水处理，以去除细菌、病毒、重金属等毒物。医学上可把磁分离用于将红血球从血浆中分离出。231医学上的超导陶瓷材料上海磁悬浮列车超导陶瓷加热棒研究伊始研究伊始7.3 磁性陶瓷时间：20世纪初 德国首先开始对铁氧体磁性材料的研究
30、，法国紧随其后。然而使磁性材料商业化的瓶颈始终未能突破。突破：1932年 在日本由Takeshi Takei博士和Y.Kato博士领导的一个研究小组，首次获得商业用材料。此磁性材料由四氧化三铁和钴铁氧化体复合而成。专利则出现在1935年。【关于这项重要发现的文献报道可参见J.Amer.Crean.Soc.82(1999)269上M.Sugimoto发表的一篇文章“铁氧体的过去，现在和未来（The Past,Present and Future of Ferrite)发明核心人物发明核心人物：荷兰物理学家：荷兰物理学家JacobusJacobus Louis Louis SnoekSnoek 介
31、绍此人的贡献需要将他与介绍此人的贡献需要将他与2020世纪世纪3030年代后期在年代后期在飞利浦公司飞利浦公司发明测量内发明测量内耗的扭摆联系起来（有兴趣的同学可以了解下飞利浦公司的辉煌成就）。至耗的扭摆联系起来（有兴趣的同学可以了解下飞利浦公司的辉煌成就）。至19341934年，年，飞利浦公司实验室飞利浦公司实验室的研究已不再局限于白炽灯而开始多样化，时的研究已不再局限于白炽灯而开始多样化，时任实验室第一任主任的任实验室第一任主任的HostHost已经开始认识到带铁芯的电磁体和变压器产生的已经开始认识到带铁芯的电磁体和变压器产生的涡流损耗问题。他设想如果能够找到一种涡流损耗问题。他设想如果能
32、够找到一种电绝缘磁性材料电绝缘磁性材料来代替铁，那将为来代替铁，那将为工业带来巨大的财富。于是他鼓励工业带来巨大的财富。于是他鼓励SnoekSnoek关注磁铁矿（天然磁石），其成分为关注磁铁矿（天然磁石），其成分为Fe3o4,Fe3o4,这种材料被描述为这种材料被描述为FeFe2 2o o3 3*FeOFeO更好。最初方案是寻找形式为更好。最初方案是寻找形式为FeFe2 2O O3*3*MeOMeO的磁性氧化物这里的的磁性氧化物这里的MeMe指其它二价金属。被试验的金属有指其它二价金属。被试验的金属有Cu,ZnCu,Zn和和NiNi。所有这些很快被命名为铁氧体的材料具有所有这些很快被命名为铁氧
33、体的材料具有尖晶石结构尖晶石结构，尖晶石是，尖晶石是MgAlMgAl2 2O O4 4类型的统称。这种化合物晶体结构由类型的统称。这种化合物晶体结构由Lawrence BraggLawrence Bragg在在19151915年首先确年首先确定，一个非常早的确定晶体结构的列子。定，一个非常早的确定晶体结构的列子。在有关这类化合物的研究中，发现其中具有你在有关这类化合物的研究中，发现其中具有你“反尖晶石结构反尖晶石结构”，具有这，具有这种结构的铁氧体通常具有最佳的软磁性能（高的导磁性）。种结构的铁氧体通常具有最佳的软磁性能（高的导磁性）。SnoekSnoek称这类材料称这类材料为为铁氧体软磁性材
34、料铁氧体软磁性材料。）1891 年，Anton 和 Gerard Philips 在荷兰埃因霍温创建了飞利浦公司。当时，公司以生产碳丝灯泡为主，并于 19 世纪末 20 世纪初成为欧洲最大的碳丝灯泡生产商之一。到 1910 年，飞利浦公司已拥有 2000 名员工，成为荷兰最大的单一雇主。在欧洲工业革命的影响下，1914 年，飞利浦公司成立了第一个研究实验室，并在 X 射线和收音机技术方面首次实现了创新。多年来，我们的一系列发明中包含了很多技术突破，不断满足人们日常生活中的各种需求。18911915从照明革命到产品创新从照明革命到产品创新 飞利浦成立之初以生产碳丝灯泡为主，并于 19 世纪末 2
35、0 世纪初成为欧洲最大的碳丝灯泡生产商之一。新照明技术的发展为飞利浦的稳步扩展提供了推动力。1914 年，公司建立了研究实验室以研究物理化学现象，并促进产品创新。最引人注目的应用：最引人注目的应用：1948年，当时美国的布鲁克海文实验室正设计建造大型同步加速器。困扰设计者的一个难题是磁带盒涡流损耗问题，采用铁芯做电磁体显然是不可行的。设计组中有人听说过这种全新的铁氧体材料，因而邀飞利浦公司来投标，令人震惊的是飞利浦公司竟然不知道如何制备比火柴盒大的部件。为满足实验室要求，公司于1949年开始提供大块的铁氧体。一本最近出版的有关布鲁克海文实验室历史的书谈及铁氧体材料是，充满敬重之情，赞美道：“以
36、低成本制造足够大部件的努力打开了铁氧体在许多其它种类装置中应用的大门”，当同步加速器在1952年被最终建成时，“它是在美国第一个铁氧体的重要应用”。计算机存储器计算机存储器 在在2020世纪世纪6060年代初，随机存储器被发明。其发现过程耐年代初，随机存储器被发明。其发现过程耐人寻味，人寻味，CasimirCasimir在会议这个过程中描述道：在会议这个过程中描述道：“一家由飞利一家由飞利浦公司在北美运营生产存储器的工厂，其生产过程的壮观浦公司在北美运营生产存储器的工厂，其生产过程的壮观场面让我激动不已。在工厂的一侧，铁屑或类似的物质正场面让我激动不已。在工厂的一侧，铁屑或类似的物质正在被碾碎
37、、混合、压制成型，然后放到一个大加热炉中烧在被碾碎、混合、压制成型，然后放到一个大加热炉中烧结。而在工厂的另一侧，女工们正在用他们美丽的手指在结。而在工厂的另一侧，女工们正在用他们美丽的手指在小环上穿引彩色的线，伴着轻音乐编制软垫小环上穿引彩色的线，伴着轻音乐编制软垫一种完美一种完美的田园式生活。的田园式生活。”这里指的是磁芯存储器。一个早期这里指的是磁芯存储器。一个早期“软软磁磁”铁氧化体的重要应用。制作存储器，需要选择具有方铁氧化体的重要应用。制作存储器，需要选择具有方形磁滞曲线的氧化体材料，以保证磁化方向在通过施加临形磁滞曲线的氧化体材料，以保证磁化方向在通过施加临界外磁场时能够逆转。电
38、流通过导线会感生磁场，但仅靠界外磁场时能够逆转。电流通过导线会感生磁场，但仅靠次不次不 7.4足以使圆环中的磁场逆转，如果两根导线相互连足以使圆环中的磁场逆转，如果两根导线相互连接，两个电流在结合点出叠加，其叠加效果就足接，两个电流在结合点出叠加，其叠加效果就足够逆转磁化。存储器的读出过程是有破坏性的，够逆转磁化。存储器的读出过程是有破坏性的，需要一个重写过程来满足一个连续的存储需要一个重写过程来满足一个连续的存储这这也应用到下面要提及的半导体也应用到下面要提及的半导体DRAMDRAM存储器。存储器。磁泡存储器，这一技术现在已经被磁泡存储器，这一技术现在已经被“淘汰淘汰”。磁。磁泡实际上是自包
39、容的圆柱形磁畴，及其磁化方向泡实际上是自包容的圆柱形磁畴，及其磁化方向与周围磁性薄膜的磁化方向相反，典型的磁泡是与周围磁性薄膜的磁化方向相反，典型的磁泡是用稀土铁石榴石在一块非磁性衬底上沉积制备的。用稀土铁石榴石在一块非磁性衬底上沉积制备的。这种设备一度作为手持计算机而非常流行，但最这种设备一度作为手持计算机而非常流行，但最后因信息存储密度和操作速度低，而不再吸引人后因信息存储密度和操作速度低，而不再吸引人们的注意。们的注意。目前最新的磁存储器开始使用所谓的巨磁阻。巨磁阻是超薄超薄磁性薄膜所表现的特性之一。计算机进一步发展的技术应该是光及磁-关记录。磁-光记录的原理是基于Kerr发现的磁光效应
40、。光学玻璃笔者非常喜欢莱卡相机，莱卡相机不但镜片质量笔者非常喜欢莱卡相机，莱卡相机不但镜片质量好，由他们组成的物镜性能也好。如此优越的性好，由他们组成的物镜性能也好。如此优越的性能取决于以下几个因素：玻璃成分的选择；成分能取决于以下几个因素：玻璃成分的选择；成分高度均匀以及没有内应力；物镜的设计高度均匀以及没有内应力；物镜的设计几何几何光学的范围；镜头研磨、抛光和定位的精度。光学的范围；镜头研磨、抛光和定位的精度。照相寂镜片以及其它光学组件都是由氧化物玻璃照相寂镜片以及其它光学组件都是由氧化物玻璃制备的，这也是实验室玻璃器具、玻璃和多种容制备的，这也是实验室玻璃器具、玻璃和多种容器的基础。器的
41、基础。很久以前，人们就对玻璃材料的内部结构感兴趣，很久以前，人们就对玻璃材料的内部结构感兴趣，但直到但直到W.H.ZachariasenW.H.Zachariasen开始研究这个问题，才使开始研究这个问题，才使他逐渐清晰。他逐渐清晰。7.5光学玻璃大多数是一类由氧化物组成的重要材料。光学玻璃大多数是一类由氧化物组成的重要材料。除了对大多数可见光波的高的透明度外，他们最除了对大多数可见光波的高的透明度外，他们最重要的物理性能是折射和色散性能，后者是表征重要的物理性能是折射和色散性能，后者是表征折射率随光的波长变化而变化的程度。玻璃的另折射率随光的波长变化而变化的程度。玻璃的另外的一个重要性能是他
42、们的各向同性，折射率不外的一个重要性能是他们的各向同性，折射率不断随传播方向变化，这点与许多透明晶体或多晶断随传播方向变化，这点与许多透明晶体或多晶不同。不同。玻璃的一个重要特性是其折射率和色散可以用其玻璃的一个重要特性是其折射率和色散可以用其组成成分来描述，这使得用于光学目的的玻璃设组成成分来描述，这使得用于光学目的的玻璃设计相对简单。计相对简单。大多数玻璃的色散与光的波长变化有固有的关系。大多数玻璃的色散与光的波长变化有固有的关系。一些玻璃有反常的散射性，这对于设计高校色镜一些玻璃有反常的散射性，这对于设计高校色镜头组件有益，也就是所谓的消色差物镜。头组件有益，也就是所谓的消色差物镜。光学
43、纤维在先进材料的发展中。其中最引人注目的重要发在先进材料的发展中。其中最引人注目的重要发展之一是用于大规模通信的高性能玻璃纤维的设展之一是用于大规模通信的高性能玻璃纤维的设计、改进和应用。计、改进和应用。因为光的频率高，与微波不同，在光学纤维信息因为光的频率高，与微波不同，在光学纤维信息传播中，决定信息所需范围的传播中，决定信息所需范围的“宽带宽带”与所用光与所用光的频率相比是非常小的。的频率相比是非常小的。为最终实现光通信，需要解决以下四个问题：为最终实现光通信，需要解决以下四个问题：（1 1）光源；（）光源；（2 2）调整光强度与电信号同步；）调整光强度与电信号同步；（3 3）方便的光强度
44、放大器；（）方便的光强度放大器；（4 4）光电信号转换）光电信号转换器。器。液晶 7.6人们更倾向于认为材料是固态的，然而，在一般电子产品上，用在便宜的显示器上，最重要的材料莫过于液晶了。液晶有多种类型：为了简化说明，人们可以认为它们在统计学上倾向于沿一特殊方向排列的长分子的集合；有3种类型，向列型，胆缁型和近晶型，它们的有序化程度不断增加，排列温度改变的变化程度类似于铁磁体中的自旋或在特定合金中的有序度。像液体一样可以流动，又具有某些晶体结构特征的一类物质。向列型 近晶型 胆甾型向列相：向列相：向列相是最简单的向列相是最简单的液晶相液晶相，此类液晶的棒状分子，此类液晶的棒状分子之间只是互相平
45、等排列。但它们的重心排列是无之间只是互相平等排列。但它们的重心排列是无序的，在外力作用下发生流动，很容易沿流动方序的，在外力作用下发生流动，很容易沿流动方向取向，并且互相穿越。因此，此类型液晶具有向取向，并且互相穿越。因此，此类型液晶具有相当大的流动性。向列相液晶又分为单轴向列相相当大的流动性。向列相液晶又分为单轴向列相液晶和双轴向列相液晶。液晶和双轴向列相液晶。近晶相近晶相近晶相近晶相近晶型结构是所有液晶中具有最接近结晶结构的一类。这近晶型结构是所有液晶中具有最接近结晶结构的一类。这类液晶中，棒状分子依靠所含官能团提供的垂直于分子的类液晶中，棒状分子依靠所含官能团提供的垂直于分子的长轴方向的
46、强有力的相互作用，互相平等排列成长轴方向的强有力的相互作用，互相平等排列成层状结构层状结构，分子的长轴垂直于层片平面。在层内，分子排列保持着大分子的长轴垂直于层片平面。在层内，分子排列保持着大量二给量二给固体固体有序性，但是这些层片又不是严格刚性的，分有序性，但是这些层片又不是严格刚性的，分子可以在本层内活动，但不能来往于各层之间，结果这类子可以在本层内活动，但不能来往于各层之间，结果这类柔性的二维分子薄片之间可以相互滑动，而垂直于层片方柔性的二维分子薄片之间可以相互滑动，而垂直于层片方向的流动则要困难。因此，近晶型液晶一般在各个方向都向的流动则要困难。因此，近晶型液晶一般在各个方向都是非常粘
47、滞的。是非常粘滞的。胆甾相：胆甾相：在这类液晶中，长形分子是扁平的，依靠端基的在这类液晶中，长形分子是扁平的，依靠端基的相互作用，彼此平等排列成层状，但是他们的长相互作用，彼此平等排列成层状，但是他们的长轴是在层片平面上的，层内分子与向列型相似，轴是在层片平面上的，层内分子与向列型相似，而相邻两层间，分子长轴的取向，由于伸出层片而相邻两层间，分子长轴的取向，由于伸出层片平面外的光学活性基团的作用，依次规则地扭转平面外的光学活性基团的作用，依次规则地扭转一定角度，层层累加而形成螺旋面结构。一定角度，层层累加而形成螺旋面结构。对液晶的研究 在在2020世纪上半叶，对液晶的研究取得许多进展，主要是由
48、化学家完成世纪上半叶，对液晶的研究取得许多进展，主要是由化学家完成的，他们发现了各种新型的液晶材料。对于物理学家，特别是理论物的，他们发现了各种新型的液晶材料。对于物理学家，特别是理论物理学家，开始参与者一快速发展的领域。理学家，开始参与者一快速发展的领域。早期主要投入这一领域的物理学家是法国晶体学家早期主要投入这一领域的物理学家是法国晶体学家Georges Georges FriedelFriedel,是是现在法国固体物理学界的杰出人物现在法国固体物理学界的杰出人物Jacques Jacques FriedelFriedel的祖父。正是他提的祖父。正是他提出向列型等概念术语。出向列型等概念术
49、语。液晶实图静电印刷从产业性角度来说，本章讨论的各项发明中，可以说最成从产业性角度来说，本章讨论的各项发明中，可以说最成功的也许就是静电复印或影印术，以及由此派生出的计算功的也许就是静电复印或影印术，以及由此派生出的计算机激光打印。机激光打印。7.7我们将在复印机史上每次有划时代意义的技术突破总结如下：1938年10月 卡尔逊取得发明静电复印机的专利 1939年 卡尔逊成功地制造了一台复印装置模型 1959年9月 美国施乐公司制成了世界第一台落地式办公用Xerox914型全自动复印机 1965年 日本理光公司研制成功的用硫化镉作为光导材料（New Process，简称为NP法）日本小西六公司与
50、奥西公司研制成功将氧化锌做成的光导体 1970-19801970-1980年期间年期间 日本理光公司生产出液体显影体系的复印机日本理光公司生产出液体显影体系的复印机 日本佳能公司开发出发新的光导体日本佳能公司开发出发新的光导体 19801980年以后年以后 由模拟式静电复印机向数字式复印机转化由模拟式静电复印机向数字式复印机转化 19851985年以后年以后 日本佳能、东芝、理光、柯尼卡、美国施乐日本佳能、东芝、理光、柯尼卡、美国施乐和和利盟利盟等相继成功研制出数字等相继成功研制出数字 彩色复印机彩色复印机产生原因与消除办法产生原因与消除办法 在印刷生产过程中，有时会出现纸张或印品相互吸引粘连