急求资料!!关于氧化锌的半导体材料!!

急求资料!!关于氧化锌的半导体材料!!,第1张

半导体材料:氧化锌半导瓷 化学式:ZnO 基本概况:ZnO(氧化锌)是一种新型的化合物半导体材料Ⅱ一Ⅵ宽禁带(E =3.37eV)。在常温常压下其是一种非常典型的直接宽禁半导体材料,稳定相是六方纤锌矿结构,其禁带宽度所对应紫外光波长,有希望能够开发出蓝绿光、蓝光、紫外光等等多种发光器件。氧化锌的能带隙和激子束缚能较大,透明度高,有优异的常温发光性能,在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。此外,微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作用。 晶体数据:针状体根部直径 (µm) 0.1~10 比热 (J/g·k) 5.52 耐热性能 (℃) 1720(升华) 真实密度 (g/cm3) 5.8 表观密度 (g/cm3) 0.01~0.5 粉体电阻率 (Ω·cm) 104~109 介电常数 (实部) 4.5~30 介电常数 (虚部) 20~135 拉伸强度 (MPa) 1.2×104 d性模量 (MPa) 3.5×105 热膨胀率 (%/℃) 4×106 氧化锌空间结构 电镜下的氧化锌半导体材料 制备方法:纯氧化锌是煅烧锌矿石或在空气中燃烧锌条而得。氧化锌结晶是六角晶系,晶格常数α=3.25×10-10m,c=5.20×10-10m。室温下满足化学计量比关系的氧化锌晶体或多晶体中导电载流子极少,具有绝缘体的性能。在空气中经高温处理后,将会因氧的过剩或不足而成为偏离化学计量比关系的不完整晶体,即含有氧缺位或氧填隙锌的非化学计量比结晶,使自由电子或空穴大大增多,氧化锌由白色绝缘体变成青黑色半导体。当在氧化锌中加入适量的其他氧化物或盐类,如Bi2O3、Sb2O3、Co2O3、MnO、Cr2O3、Al2O3或Al(NO3)2等作为添加剂,按一般的陶瓷工艺成型烧结,可以制得氧化锌半导瓷。理论模型:六方纤锌矿结构是理想的氧化锌,对称性C6v-4、属于P63mc空间群,品格常数C=O.521 nm,Y=120 ,a=b=O.325 nm,α=β= 90。。其中c/a较理想的六角柱紧堆积结构的1.633稍小为1.602。其它方向的氧ZnO键长为O.197 nm,只有c轴方向为0.199 nm,其晶胞由锌的六角密堆积与氧的六角密堆积反向套够而成。本文所有的及孙模型都是以超晶胞为基础的模型。我们可以看出,在氧化锌中的配位体是一个三角锥,锥顶原子和中心原子的键长与锥面三个原子的键长相比要稍大,其棱长小于底面边长。所以,ZnO 四面体为晶体中02-一配位多面体,O2-与Zn 配位情况基本相同。 计算结果:利用实验晶格参数对理想的ZnO晶体的电子结构进行了计算。其中包括总体态密度,能带结构,分波态密度。图3,图4,图5为计算结果。用其他理论方法计算的结果与本文计算结果相符合。我们可以从图3,图4,图5中看出,基本上,ZnO的价带可分为两个区域,分别是-4.0~0 eV的上价带区以及一6.0~L4.0 eV的下价带。很显然,ZnO下价带区则主要是Zn3d态贡献的,而上价带区则主要是由02p态形成的。在一18 eV处由02s态贡献的价带部分,与其他两个价带由于之间的相互作用相对较弱,本文不做相关讨论。对于主要来源干Zn4s态贡献的导带部分,从Zn4s态到02p态电子具有明显的跃迁过程,氧位置处的局域态密度的引力中心受到影响向低能级方向移动,这就表明了,理想ZnO是一个共价键较弱,离子性较强的混合键金属氧化物半导体材料。组成:这种半导瓷由半导电的氧化锌晶粒及添加剂成分构成的晶粒间层所组成,其理想结构模型如图。由于每一个氧化锌晶粒和晶粒间层之间都能形成一个接触区,具有一般半导体接触的单向导电性,所以两个晶粒间存在两个相反位置的整流结,一块氧化锌半导瓷片是大量相反放置的整流结组的堆积。 图6:氧化锌半导瓷空间结构氧化锌半导瓷的伏安特性:当外加电压于这种材料时,低电压下,由于反偏整流结的阻挡作用,材料呈高阻状态,具有绝缘性能。当电压高达一定值时,整流结发生击穿,材料电阻率迅速下降,成为导电材料,可以通过相当大密度的电流。图7:氧化锌半导体瓷的伏安特性 作用:氧化锌半导瓷的非线性电压电流关系。利用这种对称的非线性伏安特性可以制成各种电压限幅器、能量吸收装置等,如电力系统的过电压保护装置,特别是由于这类材料低电压下的电阻率高,因而在长期工作电压下漏电流小、发热小,可以做成不带火花间隙的高压避雷器;而高电压下电阻低、残压小,能把过电压限制在更低的水平上,使电网和电工设备的绝缘水平有可能降低,特别是在超高压电网,这一点更为重要。拓展:稀磁半导体材料(Diluted magnetic semiconductors,DMS)稀释磁性半导体简称稀磁半导体(Diluted Magneticsemi Conductors,DMS),是利用3d族过渡金属或4f族稀土金属的磁性离子替代Ⅱ2Ⅵ族、Ⅳ2Ⅵ族、Ⅱ2Ⅴ族或Ⅲ2Ⅴ族等化合物半导体中的部分非磁性阳离子而形成的新型半导体材料,又可称为半磁半导体(Semi Magnetic Semi Conductors,SMSC)材料或半导体自旋电子材料。之所以称为稀磁半导体是由于相对于普通的磁性材料,其磁性元素的含量较少。这类材料由于阳离子替代而存在局域磁性顺磁离子,具有很强的局域自旋磁矩。局域顺磁离子与迁移载流子(电子或空穴)之间的自旋2自旋相互作用结果产生一种新的交换相互作用,使得稀磁半导体具有很多与普通半导体截然不同的特殊性质,如磁性、显著的磁光效应和磁输运性质。稀磁半导体能利用电子的电荷特性和自旋特性,即兼具半导体材料和磁性材料的双重特性。它将半导体的信息处理与磁性材料的信息存储功能、半导体材料的优点和磁性材料的非易失性两者融合在一起,这种材料研制成功将是材料领域的革命性进展。同时,稀磁半导体在磁性物理学和半导体物理学之间架起了一道桥梁。ZnO作为一种宽带隙半导体,激子束缚能较高(60meV),具有温度稳定性好、光透过率高、化学性能稳定,原料丰富易得、价格低廉等优点,并且过渡金属离子易于掺杂,可制备性能良好的稀磁半导体,因而成为目前稀磁半导体材料的研究热点。 国内研究以及原理:近年来,由于1i掺杂的Zn()材料可能同时具有铁电性和铁磁性,国内很多研究者都对它进行了研究。南京大学的宋海岸等制备了Ni、I』i共掺的ZnO薄膜,发现由于Li掺杂引入了空穴,使铁磁性减弱 ]。北京航空航天大学的李建军等制备了I Co共掺的ZnO纳米颗粒,实验发现,当掺杂浓度少于9 时体系的铁磁性会增强,其原因是掺入后形成了填隙原子,电子浓度明显增加,使得束缚磁极子浓度增加,且磁极子之间容易发生重叠,最终导致铁磁耦合作用增强。武汉大学的C W Zou等制备了Mn、Li共掺杂的ZnO薄膜,研究了不同Mn掺杂浓度的ZnO样品。但这些研究中对Li、Mn共掺杂ZnO陶瓷的磁性研究并不常见。 应用现状与前景展望(1)改变组分获得所需的光谱效应通过改变磁性离子的浓度可得到所需要的带隙,从而获得相应的光谱效应。由于其响应波长可覆盖从紫外线到远红外线的宽范围波段,这种DMS是制备光电器件、光探测器和磁光器件的理想材料。在Ⅲ2Ⅴ族宽带隙稀磁半导体GaN中掺入不同的稀土磁性元素可发出从可见光到红外的不同波长的光,加上GaN本身可发紫外光,因此掺稀土GaN材料可发出从紫外到红外波段的光,如在GaN中掺Er可发绿光,而掺Pr可发红光等。1994年Wilson等[24]在掺Er的GaN薄膜中首次观察到1.54μm的红外光荧光。1998年Steckl等采用Er原位掺杂方法首次获得绿光发射[25],掺Er的GaN的另一个重要特性是其温度猝灭效应很弱,这对于制备室温发光器件非常重要。后来红光和蓝光器件相继研制成功,这些都可以作为光通信和光电集成的光源。(2)sp2d交换作用的应用利用DMS的巨法拉第旋转效应可制备非倒易光学器件,也可用于制备光调谐器、光开关和传感器件。DMS的磁光效应为光电子技术开辟了新的途径。利用其磁性离子和截流子自旋交换作用(sp2d作用)所引起的巨g因子效应,可制备一系列具有特殊性质的稀磁半导体超晶格和量子阱器件。这种量子阱和超晶格不仅具有普通量子阱和超晶格的电学、光学性质,而且还具有稀磁半导体的磁效应,因此器件具有很多潜在的应用价值。利用磁性和半导体性实现自旋的注入与输运,可造出新型的自旋电子器件,如自旋过滤器和自旋电子基发光二极管等。(3)深入研究自旋电子学,推动DMS的实用化自旋电子学是目前固体物理和电子学中的一个热点,其核心内容是利用和控制固体,尤其是半导体中的自旋自由度。近年来以稀磁半导体为代表的自旋电子学的研究相当活跃,各国科研机构和各大公司都投入了巨大财力和人力从事此领域的研究。利用具有磁性或自旋相关性质的DMS基材料可制出一类新型器件———既利用电子、空穴的电荷也利用它们的自旋。这些新材料和人造纳米结构,包括异质结构(HS)、量子阱(QW)和颗粒结构一直是一些新型功能的“沃土”———与自旋相关的输运、磁阻效应和磁光效应。自旋电子学可用于计算机的硬驱动,在计算机存储器中极具潜力。在高密度非易失性存储器、磁感应器和半导体电路的集成电路、光隔离器件和半导体激光器集成电路以及量子计算机等领域,DMS材料均有重大的潜在应用。但上述以稀磁半导体为基础的自旋电子器件的研制尚处于起步阶段,距实用化还有很长的路程。自旋电子学与自旋电子学器件研究的深入,将加深DMS机理的研究和理论的探索,推动DMS的实用化过程。(4)室温DMS的研究为了应用方便,需要开发高居里温度(Tc)的DMS材料(高于室温)。室温下具有磁性为磁性半导体的应用提供了可能。扩展更多的掺杂磁性元素或生长更多种类材料来提高DMS材料的居里温度是当前的首要问题。近来Hori等成功掺入5%Mn在GaN中,获得了高于室温的Tc报道表明(Zn,Co)O的居里温度可达到290~380K[26]。Dietl等[6]采用Zener模型对闪锌矿结构的磁半导体计算表明,GaMnN和ZnMnO具有高达室温的居里温度,该计算结果对实验研究提供了很好的理论依据。但是,如何将磁性和半导体属性有机地结合起来仍然是值得进一步研究的问题。

像电子这样的带电粒子在电场和磁场的影响下运动时,可以表现出相互影响的方式。例如,当磁场垂直于载流导体的平面施加时,内部流动的电子由于磁力而开始偏离侧面,很快,导体上出现了电压差。这种现象被称为"霍尔效应"。 然而,霍尔效应并不一定需要摆弄磁铁。事实上,它可以在具有长程磁秩序的磁性材料中直接观察到,如铁磁体。

科学家将这种现象命名为"反常霍尔效应"(AHE),它似乎是霍尔效应的一个近亲。然而,它的机制要更复杂一些。目前,最被接受的一种说法是,AHE是由电子能带的一种被称为"贝里曲率"的特性产生的,它是由电子的自旋和它在材料内部的运动之间的相互作用产生的,更常见的是"自旋-轨道相互作用"。

磁性排序对AHE来说是必要的吗?最近的一个理论表明并非如此。"理论上已经提出,即使在磁秩序消失的温度以上,也有可能出现大的AHE,特别是在具有低电荷载流子密度、电子间强交换作用和有限自旋手性的磁性半导体中,这与自旋方向相对于运动方向有关,"东京工业大学(Tokyo Tech)的副教授内田博士解释说,他的研究重点是凝聚态物理。

出于好奇,内田博士和他在日本的合作者决定对这一理论进行测试。在《科学进展》上发表的一项新研究中,他们研究了一种新的磁性半导体EuAs的磁特性,该材料只知道有一个奇特的扭曲三角形晶格结构,并观察到23K以下的反铁磁(AFM)行为(相邻的电子自旋排列在相反的方向)。此外,他们观察到,在有外部磁场的情况下,该材料的电阻随温度急剧下降,这种行为被称为"巨大的磁电阻"(CMR)。然而,更有趣的是,CMR甚至在23K以上也被观察到,在那里AFM的秩序消失了。人们很自然地理解,在EuAs中观察到的CMR是由稀释的载流子和局部Eu2+自旋之间的耦合引起的,这种耦合在很大的温度范围内持续存在。

然而,真正夺人眼球的是霍尔电阻率随温度的上升,它在70K的温度下达到顶峰,远远高于AFM排序温度,这表明在没有磁性排序的情况下,大型AHE也是可能的。为了了解是什么导致了这种非常规的AHE,研究小组进行了模型计算,结果显示,这种效应可以归因于三角晶格上的自旋簇对电子的倾斜散射,在这种"跳跃制度"下,电子不流动,而是在原子之间"跳跃"。

这些结果使我们在理解磁性固体内部电子的奇怪行为方面更近了一步。新发现有助于阐明三角晶格磁性半导体,并有可能打开一个新的研究领域,即针对稀释的载流子与非常规的自旋有序性和波动的耦合。

半导体的应用, 半导体有哪些常见的应用

半导体一般指矽晶体,它的导电性介于导体和绝缘体之间。

半导体是指导电能力介于金属和绝缘体之间的固体材料。按内部电子结构区分,半导体与绝缘体相似,它们所含的价电子数恰好能填满价带,并由禁带和上面的导带隔开。半导体与绝缘体的区别是禁带较窄,在2~3电子伏以下。

典型的半导体是以共价键结合为主的,比如晶体矽和锗。半导体靠导带中的电子或价带中的空穴导电。它的导电性一般通过掺入杂质原子取代原来的原子来控制。掺入的原子如果比原来的原子多一个价电子,则产生电子导电;如果掺入的杂质原子比原来的原子少一个价电子,则产生空穴导电。

半导体的应用十分广泛,主要是制成有特殊功能的元器件,如电晶体、积体电路、整流器、镭射器以及各种光电探测器件、微波器件等。

半导体的应用的问题

1楼2楼耸人听闻,哪有那么严重。在半导体材料投入使用以前二战都已经结束了,大量采用电子管的电器装置已经投入民用。众所周知的事实是前苏联半导体材料发展极度落后,无论米格-25歼击机还是联盟号宇宙飞船都还使用着电子管装置,直到九十年代以后俄罗斯才逐步跟上来。

对日常生活的影响,简单地说——

一切使用微控制器也就是所谓“电脑板”的电器都重归机械控制;

不会出现微型计算机,只有巨型机/大型机/小型机,即便有了个人电脑也要衣柜那么大个,耗电量惊人,绝对奢侈品,笔记本就更不用说了;

没有微机当然更没有游戏机了,玩魂斗罗超级玛丽警察抓小偷永远是幻想;

收音机最小也要新华词典那么大,注意:是辞典不是字典;

电视机仍然是阴极射线管的,因为根本生产不出液晶板,不过幸好还能看到彩电;

微波炉可能要洗碗柜那么大吧?因为电子管是很占体积的;

洗衣机是半自动型的,使用机械定时器——微波炉也是。

冰箱一定是外形大大,立升小小,噪音隆隆,前苏联就有那种玩意的实物;

照相机继续用胶卷的,什么数码DC/DV统统不存在;

摄像机会相当笨重,只能用录影带;

您好!这里是邮电局,打电话请用拨盘拨号,如需拨往外地请让我为您转接……呃,这位同志,程控交换机是什么东西?——某人工接线员;

不存在什么VCD、DVD,录影机/放像机也不太会普及——太大、太贵;

没有了微型计算机你会感觉到练得一笔好字的必要性;

飞机导d卫星飞船空间站照样满天飞,战舰航母潜艇坦克照样满世界溜达;

网际网路可能会有,但那将是各国官方、军方和科研机构御用的玩意,跟咱老百姓没啥关系;

……能想起来的差不多都写上了。

半导体的应用,最好说详细点。

试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗?那将是一个混乱的世界,无论是你的手机号码、你的身份z号码、还是你家的门牌号,这些全部都是用数字表达的!电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光碟、网路会议、远端教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和网际网路的出现让人们有了更大的想象和施展的空间,我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来,音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受,数字化被我们随身携带着,从而拥有了更加多变的视听新感受,音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……

数字生活已成为资讯化时代的特征,它改变着人类生活的方方面面,在此背后,隐藏着新材料的巨大功勋,新材料是数字生活的“幕后英雄”。

计算机是数字生活中的重要装置,计算机的核心部件是中央处理器(CPU)和储存器(RAM),它们是以大规模积体电路为基础建造起来的,而这些积体电路都是由半导体材料做成的,Si片是第一代半导体材料,积体电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使积体电路具有高效率、低能耗、高速度的效能,相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI(Silicon On Insulator)等新型矽基材料、超晶格量子阱材料可制作高温(300~500°C)、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件,从而大幅度地提高原有矽积体电路的效能,是未来半导体材料的重要发展方向。

人机交换,常常需要将各种形式的资讯,如文字、资料、图形、影象和活动影象显示出来。静止资讯的显示手段最常用的如印表机、影印机、传真机和扫描器等,一般称为资讯的输出和输入装置。为提高解析度以及输入和输出的速度,需要发展高灵敏度和稳定的感光材料,例如镭射印表机和影印机上的感光鼓材料,目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动影象资讯的主要部件是阴极射线管(CRT),广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上,CRT目前采用的电致发光材料,大都使用稀土掺杂(Tb3+、Sn3+、Eu3+等)和过渡元素掺杂(Mn2+)的硫化物(ZnS、CdS等)和氧化物(Y2O3、YAlO3)等无机材料。

为了减小CRT庞大的体积,资讯显示的趋势是高解析度、大显示容量、平板化、薄型化和大型化,为此主要采用了液晶显示技术(LCD)、场致发射显示技术(FED)、等离子体显示技术(PDP)和发光二极体显示技术(LED)等平板显示技术,广泛应用在高清晰度电视(HDTV)、电视电话、计算机(台式或可移动式)显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上,CRT不再是一支独秀,而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。

在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、膝上型电脑、摄像机中得到应用,液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料,后来发展了铁电型(FE)液晶,响应时间在微秒级,但铁电液晶的稳定性差,只能用分支法(side-chain)来改进。目前趋向开发反铁电液晶,因为它们的稳定性较高。

液晶显示材料在大萤幕显示中有一定的困难,目前作为大萤幕显示的主要候选物件为等离子体显示器(PDP)和发光二极体(LED)。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料,推动场发射显示(FED)的发展。制作高亮度发光二极体的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。

由于因特网和多媒体技术的迅速发展,人类要处理、传输和储存超高资讯容量达太(兆兆)数字位(Tb,1012bits),超高速资讯流每秒达太位(Tb/s),可以说人类已经进入了太位资讯时代。现代的资讯储存方式多种多样,以计算机系统储存为例,储存方式分为随机记忆体储、线上外储存、离线外储存和离线储存。随机记忆体储器要求整合度高、资料存取速度快,因此一直以大规模整合的微电子技术为基础的半导体动态随机储存器(DRAM)为主,256兆位的随机动态储存器的电晶体超过2亿个。外储存大都采用磁记录方式,磁储存介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁碟和硬磁碟。磁储存密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进,相继采用了磁性氧化物(如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等)、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料,磁储存的资讯储存量从而有了很大的提高。固体(闪)储存器(flash memory)是不挥发可擦写的储存器,是基于半导体二极体的积体电路,比较紧凑和坚固,可以在记忆体与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料,如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻(GMR)材料,在一定的磁场下电阻急剧减小,一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成,其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料,在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜,导电层为数nm的铜薄膜,钉扎层为数nm的软磁Co合金,磁化固定层用5~40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体,并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头,将磁碟记录密度一下子提高了近二十倍,因此巨磁阻效应的研究对发展磁储存有着非常重要的意义。

半导体的具体应用

最常见的:半导体收音机、掌上计算器、电脑内的主机板显示卡等硬体都要用道半导体、电视机里的部件也要用半导体晶片、手机内部的部件、汽车内也要用到的一些部件。目前大部分将用电器都要用到数字晶片,而不是模拟的(DSP),这些晶片说白了就是用半导体做成的。

半导体镭射器的应用

半导体二极体镭射器在镭射通讯、光储存、光陀螺、镭射列印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用

还可以作为固体镭射器的泵浦源,安防领域照明光源,现在应用的领域非常广了

半导体的三个广泛应用:

一、在无线电收音机(Radio)及电视机(Television)中,作为“讯号放大器/整流器”用。

二、近来发展太阳能(Solar Power),也用在光电池(Solar Cell)中。

三、半导体可以用来测量温度,测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域,有较高的准确度和稳定性,解析度可达0.1℃,甚至达到0.01℃也不是不可能,线性度0.2%,测温范围-100~+300℃,是价效比极高的一种测温元件。

参考百度百科,仅供参考!

半导体在生活中的应用

试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗?那将是一个混乱的世界,无论是你的手机号码、你的身份z号码、还是你家的门牌号,这些全部都是用数字表达的!电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光碟、网路会议、远端教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和网际网路的出现让人们有了更大的想象和施展的空间,我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来,音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受,数字化被我们随身携带着,从而拥有了更加多变的视听新感受,音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……

数字生活已成为资讯化时代的特征,它改变着人类生活的方方面面,在此背后,隐藏着新材料的巨大功勋,新材料是数字生活的“幕后英雄”。

计算机是数字生活中的重要装置,计算机的核心部件是中央处理器(CPU)和储存器(RAM),它们是以大规模积体电路为基础建造起来的,而这些积体电路都是由半导体材料做成的,Si片是第一代半导体材料,积体电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使积体电路具有高效率、低能耗、高速度的效能,相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI(Silicon On Insulator)等新型矽基材料、超晶格量子阱材料可制作高温(300~500°C)、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件,从而大幅度地提高原有矽积体电路的效能,是未来半导体材料的重要发展方向。

人机交换,常常需要将各种形式的资讯,如文字、资料、图形、影象和活动影象显示出来。静止资讯的显示手段最常用的如印表机、影印机、传真机和扫描器等,一般称为资讯的输出和输入装置。为提高解析度以及输入和输出的速度,需要发展高灵敏度和稳定的感光材料,例如镭射印表机和影印机上的感光鼓材料,目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动影象资讯的主要部件是阴极射线管(CRT),广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上,CRT目前采用的电致发光材料,大都使用稀土掺杂(Tb3+、Sn3+、Eu3+等)和过渡元素掺杂(Mn2+)的硫化物(ZnS、CdS等)和氧化物(Y2O3、YAlO3)等无机材料。

为了减小CRT庞大的体积,资讯显示的趋势是高解析度、大显示容量、平板化、薄型化和大型化,为此主要采用了液晶显示技术(LCD)、场致发射显示技术(FED)、等离子体显示技术(PDP)和发光二极体显示技术(LED)等平板显示技术,广泛应用在高清晰度电视(HDTV)、电视电话、计算机(台式或可移动式)显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上,CRT不再是一支独秀,而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。

在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、膝上型电脑、摄像机中得到应用,液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料,后来发展了铁电型(FE)液晶,响应时间在微秒级,但铁电液晶的稳定性差,只能用分支法(side-chain)来改进。目前趋向开发反铁电液晶,因为它们的稳定性较高。

液晶显示材料在大萤幕显示中有一定的困难,目前作为大萤幕显示的主要候选物件为等离子体显示器(PDP)和发光二极体(LED)。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料,推动场发射显示(FED)的发展。制作高亮度发光二极体的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。

由于因特网和多媒体技术的迅速发展,人类要处理、传输和储存超高资讯容量达太(兆兆)数字位(Tb,1012bits),超高速资讯流每秒达太位(Tb/s),可以说人类已经进入了太位资讯时代。现代的资讯储存方式多种多样,以计算机系统储存为例,储存方式分为随机记忆体储、线上外储存、离线外储存和离线储存。随机记忆体储器要求整合度高、资料存取速度快,因此一直以大规模整合的微电子技术为基础的半导体动态随机储存器(DRAM)为主,256兆位的随机动态储存器的电晶体超过2亿个。外储存大都采用磁记录方式,磁储存介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁碟和硬磁碟。磁储存密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进,相继采用了磁性氧化物(如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等)、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料,磁储存的资讯储存量从而有了很大的提高。固体(闪)储存器(flash memory)是不挥发可擦写的储存器,是基于半导体二极体的积体电路,比较紧凑和坚固,可以在记忆体与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料,如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻(GMR)材料,在一定的磁场下电阻急剧减小,一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成,其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料,在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜,导电层为数nm的铜薄膜,钉扎层为数nm的软磁Co合金,磁化固定层用5~40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体,并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头,将磁碟记录密度一下子提高了近二十倍,因此巨磁阻效应的研究对发展磁储存有着非常重要的意义。

声视领域内镭射唱片和镭射唱机的兴起,得益于光储存技术的巨大发展,光碟存贮是通过调制镭射束以光点的形式把资讯编码记录在光学圆盘镀膜介质中。与磁储存技术相比,光碟储存技术具有储存容量大、储存寿命长;非接触式读/写和擦,光头不会磨损或划伤盘面,因此光碟系统可靠,可以自由更换;经多次读写载噪比(CNR)不降低。光碟储存技术经过CD(Compact Disk)、DVD(Digital Versatile Disk)发展到将来的高密度DVD(HD-DVD)、超高密度DVD(SHD-DVD)过程中,储存介质材料是关键,一次写入的光碟材料以烧蚀型(Tc合金薄膜,Se-Tc非晶薄膜等)和相变型(Te-Ge-Sb非晶薄膜、AgInTeSb系薄膜、掺杂的ZnO薄膜、推拉型偶氮染料、亚酞菁染料)为主,可擦重写光碟材料以磁光型(GdCo、TeFe非晶薄膜、BiMnSiAl薄膜、稀土掺杂的石榴石系YIG、Co-Pt多层薄膜)为主。光碟储存的密度取决于镭射管的波长,DVD盘使用的InGaAlP红色镭射管(波长650nm)时,直径12cm的盘每面储存为4.7千兆位元组(GB),而使用ZnSe(波长515nm)可达12GB,将来采用GaN镭射管(波长410nm),储存密度可达18GB。要读写光盘里的资讯,必须采用高功率半导体镭射器,所用的镭射二极体采用化合物半导体GaAs、GaN等材料。

镭射器除了在光碟储存应用之外,在光通讯中的作用也是众所周知的。由于有了低阈值、低功耗、长寿命及快响应的半导体镭射器,使光纤通讯成为现实。光通讯就是由电讯号通过半导体镭射器变为光讯号,而后通过光导纤维作长距离传输,最后再由光讯号变为电讯号为人接收。光纤所传输的光讯号是由镭射器发出的,常用的为半导体镭射器,所用材料为GaAs、GaAlAs、GaInAsP、InGaAlP、GaSb等。在接受端所用的光探测器也为半导体材料。缺少光导纤维,光通讯也只能是“纸上谈兵”。低损耗的光学纤维是光纤通讯的关键材料,目前所用的光学纤维感测材料主要有低损耗石英玻璃、氟化物玻璃和Ga2S3为基础的硫化物玻璃和塑料光纤等,1公斤石英为主的光纤可代替成吨的铜铝电缆。光纤通讯的出现是资讯传输的一场革命,资讯容量大、重量轻、占用空间小、抗电磁干扰、串话少、保密性强,是光纤通讯的优点。光纤通讯的高速发展为现代资讯高速公路的建设和开通起到了至关重要的作用。

除了有线传播外,资讯的传播还采用无线的方式。在无线传播中最引人注目的发展是行动电话。行动电话的使用者愈多,所使用的频率愈高,现在正向千兆周的频率过渡,电话机的微波发射与接收亦是靠半导体电晶体来实现,其中部分Si电晶体正在被GaAs电晶体所取代。在手机中广泛采用的高频声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)及体声波BAW(Bulk Surface Acoustic Wave)器件中的压电材料为a-SiO2、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7、KNbO3、La3Ga5SiO14等压电晶体及ZnO/Al2O3和SiO2/ZnO/DLC/Si等高声速薄膜材料,采用的微波介质陶瓷材料则集中在BaO-TiO2体系、BaO-Ln2O3-TiO2(Ln=La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd)体系、复合钙钛矿A(B1/3B¢2/3)O3体系(A=Ba,Sr;B=Mg,Zn,Co,Ni,Mn;B¢=Nb,Ta)和铅基复合钙钛矿体系等材料上。

随着智慧化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大,以及手持电话、掌上电脑PDA、膝上型电脑和其它行动式资讯及通讯装置的迅速普及,进一步带动了温度感测器和热敏电阻的大量需求,负温度系数(NTC)热敏电阻是由Co、Mn、Ni、Cu、Fe、Al等金属氧化物混合烧结而成,其阻值随温度的升高呈指数型下降,阻值-温度系数一般在百分之几,这一卓越的灵敏度使其能够探测极小的温度变化。正温度系数(PTC)热敏电阻一般都是由BaTiO3材料新增少量的稀土元素经高温烧结的敏感陶瓷制成的,这种材料在温度上升到居里温度点时,其阻值会以指数形式陡然增加,通常阻值-温度变化率在20~40%之间。前者大量使用在镍镉、镍氢及锂电池的快速充电、液晶显示器(LCD)影象对比度调节、蜂窝式电话和移动通讯系统中大量采用使用的温度补偿型晶体振荡器等中,来进行温度补偿,以保证器件效能稳定;此外还在计算机中的微电机、照相机镜头聚焦电机、印表机的列印头、软盘的伺服控制器和袖珍播放机的驱动器等中,发现它的身影。后者可以用于过流保护、发热器、彩电和监视器的消磁、袖珍压缩机电机的启动延迟、防止膝上型电脑常效应管(FET)的热击穿等。

为了保证资讯执行的通畅,还有许多材料在默默地作著贡献,例如,用于制作绿色电池的材料有:镍氢电池的正、负极材料用MH合金和Ni(OH)2材料、锂离子电池的正、负极用LiCoO2、LiMn2O4和MCMB碳材料等电极材料;行动电话、PC机以及诸如数码相机、MD播放机/录音机、DVD装置和游戏机等数字音/视讯装置等中钽电容器所用材料;现代永磁材料Fe14Nd2B在制造永磁电极、磁性轴承、耳机及微波装置等方面有十分重要的用途;印刷电路板(PCB)及超薄高、低介电损耗的新型覆铜板(CCL)用材料;环氧模塑料、氧化铝和氮化铝陶瓷是半导体和积体电路晶片的封装材料;积体电路用关键结构与工艺辅助材料(高纯试剂、特种气体、塑封料、引线框架材料等),不一而足,这些在浩瀚的材料世界里星光灿烂的新材料,正在数字生活里发挥着不可或缺的作用。

随着科技的发展,大规模积体电路将迎来深亚微米(0.1mm)矽微电子技术时代,小于0.1mm的线条就属于奈米范畴,它的线宽就已与电子的德布罗意数相近,电子在器件内部的输运散射也将呈现量子化特性,因而器件的设计将面临一系列来自器件工作原理和工艺技术的棘手问题,导致常说的矽微电子技术的“极限”。由于光子的速度比电子速度快得多,光的频率比无线电的频率高得多,为提高传输速度和载波密度,资讯的载体由电子到光子是必然趋势。目前已经发展了许多种镭射晶体和光电子材料,如Nd:YAG、Nd:YLF、Ho:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YLF、Ti:Al2O3、YVO4、Nd:YVO4、Ti:Al2O3、KDP、KTP、BBO、BGO、LBO、LiNbO3、K(Ta,Nb)O3、Fe:KnBO3、BaTiO3、LAP等,所有这些材料将为以光通讯、光储存、光电显示为主的光电子技术产业作出贡献。随着资讯材料由电子材料、微电子材料、光电子材料向光子材料发展,将会出现单电子储存器、奈米晶片、量子计算机、全光数字计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑和神经电脑等奈米电脑,将会极大地影响着人类的数字生活。

本世纪以来,以数字化通讯(Digital Communication)、数字化交换(Digital Switching)、数字化处理(Digital Processing)技术为主的数字化生活(Digital Life)正在向我们招手,一步步地向我们走来——清晨,MP3音箱播放出悦耳的晨曲,催我们按时起床;上班途中,开启随身携带的膝上型电脑,进行新一天的工作安排;上班以后,通过网际网路召开网路会议、开展远端教学和实时办公;在下班之前,我们远端启动家里的空调和溼度调节器,保证家中室温适宜;下班途中,开启手机,悠然自在观看精彩的影视节目;进家门前,我们接收网上订购的货物;回到家中,和有线电视台进行互动,观看和下载喜欢的影视节目和歌曲,制作多媒体,也可进入社群网际网路,上网浏览新闻了解天气……这一切看上去是不是很奇妙?似乎遥不可及。其实它正在和将要发生在我们身边,随着新一代家用电脑和网际网路的出现,如此美好数字生活将成为现实。当享受数字生活的同时,饮水思源,请不要忘记为此作出巨大贡献的功臣——绚丽多彩的新材料世界!


欢迎分享,转载请注明来源:内存溢出

原文地址:https://54852.com/dianzi/8984260.html

(0)
打赏 微信扫一扫微信扫一扫 支付宝扫一扫支付宝扫一扫
上一篇 2023-04-23
下一篇2023-04-23

发表评论

登录后才能评论

评论列表(0条)

    保存