材料与材料科学，以及在国民经济中的地位？

料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的应用科学。材料是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。但并不是所有物质都可称为材料，如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等，一般都不算作材料。材料可按多种方法进行分类。按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。按用途分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。实际应用中又常分为结构材料和功能材料。结构材料是以力学性质为基础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也有物理性质或化学性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能力等，根据材料用途不同，对性能的要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物理、化学性质或生物现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。如半导体材料、超导材料、光电子材料等。材料的分类按化学状态分类 金属材料 无机物非金属材料 陶瓷材料有机材料 高分子材料；按物理性质分类 高强度材料 耐高温材料 超硬材料 导电材料 绝缘材料 磁性材料 透光材料 半导体材料；按状态分类 单晶材料 多晶质材料 非晶态材料 准晶态材料；按物理效应分类 压电材料 热电材料 铁电材料 光电材料 电光材料 声光材料 磁光材料 激光材料；按用途分类 建筑材料 结构材料 研磨材料 耐火材料 耐酸材料 电工材料 电子材料 光学材料 感光材料 包装材料；按组成分类 单组分材料 复合材料工程技术；金属材料成形机械加工；热加工；陶瓷冶金粉末；冶金薄膜生长技术；表面处理技术：表面改性技术、表面涂摸热处理材料科学的成果转化研究与发展材料的目的在于应用，而材料必须通过合理的工艺流程才能制备出有实用价值的材料来，通过批量生产才能成为工程材料。在将实验室的研究成果变成实用的工程材料过程中，材料的制备工艺、检测技术、计算机技术等起着重要的作用。材料的实用研究构成了材料科学与技术的结合点。制备工艺材料制备工艺是发展材料的基础。传统材料可以通过改进工艺提高产品质量、劳动生产率以及降低成本。新材料的发展与工艺技术的关系更为密切。例如，由于外延技术的出现，可以精确地控制材料到几个原子的厚度，从而为实现原子、分子设计提供了有效的手段。快冷技术的采用，为金属材料的发展开辟了一条新路。材料的应用研究材料的广泛应用是材料科学与技术发展的主要动力。在实验室具有优越性能的材料，不等于在实际工作条件下能得到应用，必须通过应用研究做出判断，而后采取有效措施进行改进。材料在制成零部件以后的使用寿命的确定是材料应用研究的另一方面，关系到安全设计和经济设计，关系到有效利用材料和合理选材。材料的应用研究还是机械部件、电子元件失效分析的基础。通过应用研究可以发现材料中规律性的东西，从而指导材料的改进和发展。发展趋势随着高科技的发展，材料科学和新材料主要在以下几个方面得到发展。①复合材料是结构材料发展的重点，其中主要包括树脂基高强度、高模量纤维复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料及碳碳基复合材料等。表面涂层或改性是另一类复合材料，其量大面广、经济实用，具有广阔的发展前景。②功能材料与器件相结合，并趋于小型化与多功能化。特别是外延技术与超晶格理论的发展，使材料与器件的制备可以控制在原子尺度上，这将成为发展的重点。③开发低维材料。低维材料具有体材料不具备的性质。例如零维的纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑体，以纳米微粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性；纳米级金属铝的硬度为块体铝的8倍；作为一维材料的高强度有机纤维、光导纤维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都已显示出广阔的应用前景。④信息功能材料增加品种、提高性能。这里主要是指半导体、激光、红外、光电子、液晶、敏感及磁性材料等，它们是发展信息产业的基础。高温超导材料将会继续得到重视，并预计在20世纪末达到产业化。⑤生物材料将得到更多应用和发展。一是生物医学材料，可用以代替或修复人的各种器官、血液及组织等；另一是生物模拟材料，即模拟生物的机能，如反渗透膜等。⑥传统材料仍将占有重要位置。金属材料在性能价格比、工艺及现有装备上都具有明显优势，而且新品种不断涌现，今后仍将有很强的生命力。高分子材料还会大大发展，性能会更优异，特别是高分子功能材料正待开发。工程陶瓷将在性能提高、成本降低的条件下得到发展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位，还将不断发展。⑦C60的出现为发展新材料开辟了一条崭新的途径。利用原子簇技术可能发展出更多的新材料。

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，简称LED,，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。由于具有容易控制、低压直流驱动、组合后色彩表现丰富、使用寿命长等优点，广泛应用于城市各工程中、大屏幕显示系统。LED可以作为显示屏，在计算机控制下，显示色彩变化万千的视频和图片。 LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体。

LED外延片工艺流程：

近十几年来，为了开发蓝色高亮度发光二极管，世界各地相关研究的人员无不全力投入。而商业化的产品如蓝光及绿光发光二级管LED及激光二级管LD的应用无不说明了III－V族元素所蕴藏的潜能。在目前商品化LED之材料及其外延技术中，红色及绿色发光二极管之外延技术大多为液相外延成长法为主，而黄色、橙色发光二极管目前仍以气相外延成长法成长磷砷化镓GaAsP材料为主。

一般来说，GaN的成长须要很高的温度来打断NH3之N-H的键解，另外一方面由动力学仿真也得知NH3和MO Gas会进行反应产生没有挥发性的副产物。

LED外延片工艺流程如下：

衬底 - 结构设计 - 缓冲层生长 - N型GaN层生长 - 多量子阱发光层生 - P型GaN层生长 - 退火 - 检测（光荧光、X射线） - 外延片

外延片- 设计、加工掩模版 - 光刻 - 离子刻蚀 - N型电极（镀膜、退火、刻蚀） - P型电极（镀膜、退火、刻蚀） - 划片 - 芯片分检、分级

具体介绍如下：

固定：将单晶硅棒固定在加工台上。

切片：将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄硅片。此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。

退火：双工位热氧化炉经氮气吹扫后，用红外加热至300~500℃，硅片表面和氧气发生反应，使硅片表面形成二氧化硅保护层。

倒角：将退火的硅片进行修整成圆弧形，防止硅片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。

分档检测：为保证硅片的规格和质量，对其进行检测。此处会产生废品。

研磨：用磨片剂除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。此过程产生废磨片剂。

清洗：通过有机溶剂的溶解作用，结合超声波清洗技术去除硅片表面的有机杂质。此工序产生有机废气和废有机溶剂。

RCA清洗：通过多道清洗去除硅片表面的颗粒物质和金属离子。

具体工艺流程如下：

SPM清洗：用H2SO4溶液和H2O2溶液按比例配成SPM溶液，SPM溶液具有很强的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液，并将有机污染物氧化成CO2和H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的有机污物和部分金属。此工序会产生硫酸雾和废硫酸。

DHF清洗：用一定浓度的氢氟酸去除硅片表面的自然氧化膜，而附着在自然氧化膜上的金属也被溶解到清洗液中，同时DHF抑制了氧化膜的形成。此过程产生氟化氢和废氢氟酸。

APM清洗： APM溶液由一定比例的NH4OH溶液、H2O2溶液组成，硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜（约6nm呈亲水性），该氧化膜又被NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒和金属也随腐蚀层而落入清洗液内。此处产生氨气和废氨水。 HPM清洗：由HCl溶液和H2O2溶液按一定比例组成的HPM，用于去除硅表面的钠、铁、镁和锌等金属污染物。此工序产生氯化氢和废盐酸。

DHF清洗：去除上一道工序在硅表面产生的氧化膜。 磨片检测：检测经过研磨、RCA清洗后的硅片的质量，不符合要求的则从新进行研磨和RCA清洗。

腐蚀A/B：经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应力而形成的损伤层，通常采用化学腐蚀去除。腐蚀A是酸性腐蚀，用混酸溶液去除损伤层，产生氟化氢、NOX和废混酸；腐蚀B是碱性腐蚀，用氢氧化钠溶液去除损伤层，产生废碱液。本项目一部分硅片采用腐蚀A，一部分采用腐蚀B。 分档监测：对硅片进行损伤检测，存在损伤的硅片重新进行腐蚀。

粗抛光：使用一次研磨剂去除损伤层，一般去除量在10~20um。此处产生粗抛废液。

精抛光：使用精磨剂改善硅片表面的微粗糙程度，一般去除量1 um以下，从而的到高平坦度硅片。产生精抛废液。

检测：检查硅片是否符合要求，如不符合则从新进行抛光或RCA清洗。 检测：查看硅片表面是否清洁，表面如不清洁则从新刷洗，直至清洁。

包装：将单晶硅抛光片进行包装。

芯片到制作成小芯片之前，是一张比较大的外延片，所以芯片制作工艺有切割这快，就是把外延片切割成小芯片。它应该是LED制作过程中的一个环节

LED晶片的作用：

LED晶片为LED的主要原材料，LED主要依靠晶片来发光。

LED晶片的组成：主要有砷(AS)铝(AL)镓(Ga)铟(IN)磷(P)氮(N)锶(Si)这几种元素中的若干种组成。

LED晶片的分类

1、按发光亮度分：

A、一般亮度：R、H、G、Y、E等

B、高亮度：VG、VY、SR等

C、超高亮度：UG、UY、UR、UYS、URF、UE等

D、不可见光(红外线)：R、SIR、VIR、HIR

E、红外线接收管：PT

F、光电管：PD

2、按组成元素分：

A、二元晶片(磷、镓)：H、G等

B、三元晶片（磷、镓、砷）：SR、HR、UR等

C、四元晶片(磷、铝、镓、铟)：SRF、HRF、URF、VY、HY、UY、UYS、UE、HE、UG

LED晶片特性表：

LED晶片型号发光颜色组成元素波长（nm）晶片型号发光颜色组成元素波长（nm）

SBI蓝色lnGaN/sic 430 HY超亮黄色AlGalnP 595

SBK较亮蓝色lnGaN/sic 468 SE高亮桔色GaAsP/GaP 610

DBK较亮蓝色GaunN/Gan 470 HE超亮桔色AlGalnP 620

SGL青绿色lnGaN/sic 502 UE最亮桔色AlGalnP 620

DGL较亮青绿色LnGaN/GaN 505 URF最亮红色AlGalnP 630

DGM较亮青绿色lnGaN 523 E桔色GaAsP/GaP635

PG纯绿GaP 555 R红色GAaAsP 655

SG标准绿GaP 560 SR较亮红色GaA/AS 660

G绿色GaP 565 HR超亮红色GaAlAs 660

VG较亮绿色GaP 565 UR最亮红色GaAlAs 660

UG最亮绿色AIGalnP 574 H高红GaP 697

Y黄色GaAsP/GaP585 HIR红外线GaAlAs 850

VY较亮黄色GaAsP/GaP 585 SIR红外线GaAlAs 880

UYS最亮黄色AlGalnP 587 VIR红外线GaAlAs 940

UY最亮黄色AlGalnP 595 IR红外线GaAs 940

其它：

1、LED晶片厂商名称：A、光磊（ED） B、国联（FPD）C、鼎元（TK）D、华上（AOC）E、汉光（HL） F、AXT G、广稼。2、LED晶片在生产使用过程中需注意静电防护。

LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。

[编辑本段]LED特点

LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。

体积小

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。

耗电量低

LED耗电非常低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就是说：它消耗的电不超过0.1W。

使用寿命长

在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。

高亮度、低热量

比HID或白炽灯更少的热辐射。

环保

LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。红光LED含有大量的As（砷），剧毒

坚固耐用

LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。

可控性强

可以实现各种颜色的变化。

led光源的特点

1、电压： led使用低压电源，供电电压在6-24v之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

2、效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80%

3、适用性：很小，每个单元 led小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境

4、稳定性： 10万小时，光衰为初始的50%

5、响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级， led灯的响应时间为纳秒级

6、对环境污染：无有害金属汞

7、颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的 led，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色

8、价格：led的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只led的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成

[编辑本段]LED分类

1、按发光管发光颜色分

按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。

根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。

2、按发光管出光面特征分

按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。

由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。

从发光强度角分布图来分有三类：

（1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

（2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。

（3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

3、按发光二极管的结构分

按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

4、按发光强度和工作电流分

按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。

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