電子信息與材料工程

1、電子信息與材料工程5110519095 章志鋮材料是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，與能源、信息并列為現(xiàn)代高科技 的三大支柱。自從電腦從實(shí)驗(yàn)室誕生，人們的生活便開始漸漸改變。小到手機(jī)、 MP3、PSP，大到計(jì)算機(jī)、汽車、飛機(jī)，電子信息工程融入到了每個(gè)人的日常生 活中?？梢哉f，現(xiàn)代社會與電子信息密不可分，現(xiàn)代生活與電子信息緊密相關(guān)。電子信息工程是一門應(yīng)用計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行電子信息控制和信息處 理的學(xué)科，主要研究信息的獲取與處理，電子設(shè)備與信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、應(yīng) 用和集成。而這些都與材料有關(guān)?？梢哉f材料直接推動了電子信息產(chǎn)業(yè)的騰飛，使之成為近20多年來發(fā)展速 度最快的產(chǎn)業(yè)之一。正是上世紀(jì)中葉

2、，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成 電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；正是上世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材 料和砷化鎵激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù) 產(chǎn)業(yè)，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代；超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材 料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從 “雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”；另外，隨著納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，電 子材料工程也將面臨革命性的發(fā)展，納米技術(shù)將使人類能從原子、分子或納米尺 度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，從而使現(xiàn)有材料和新材 料的應(yīng)用更加廣泛，將信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推進(jìn)到另外一個(gè)高度。1

3、一方面，電子信息產(chǎn)業(yè)最核心的是對信息的收集與處理。計(jì)算機(jī)是電子信息 工程中非常重要的組成部分，是獲取與處理信息的一種重要手段。信息材料和電 子材料的發(fā)展為計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)帶來可能。1946年，世界上第一臺計(jì)算機(jī)ENIAC 問世。它體積龐大，占地面積驚人，耗電量十分巨大?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)早已脫離它 龐然大物的形象，微小美觀的PC，筆記本已經(jīng)走入尋常百姓家。這短短六十多 年里，計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了四代發(fā)展。第1代計(jì)算機(jī)：電子管數(shù)字計(jì)算機(jī)（1946-1958年）邏輯元件采用的是真空電子管，主存儲器采用汞延遲線、陰極射線示波管靜 電存儲器、磁鼓、磁芯；外存儲器采用磁盤。這一代計(jì)算機(jī)體積大、功耗高、可 靠性差、速度慢（

4、一般為每秒數(shù)千次至數(shù)萬次）、價(jià)格昂貴。第2代計(jì)算機(jī)：晶體管數(shù)字計(jì)算機(jī)（1958-1964年）邏輯元件采用晶體管，主存儲器采用磁芯，外存儲器采用磁盤。這一代計(jì)算 機(jī)體積縮小、能耗降低、可靠性提高、運(yùn)算速度提高（一般為每秒數(shù)10萬次， 可高達(dá)300萬次）、性能比第1代計(jì)算機(jī)有很大的提高。第3代計(jì)算機(jī)：集成電路數(shù)字計(jì)算機(jī)（1964-1970年）邏輯元件采用中、小規(guī)模集成電路（MSI、SSI），主存儲器仍采用磁芯。這 一代計(jì)算機(jī)速度更快（一般為每秒數(shù)百萬次至數(shù)千萬次），而且可靠性有了顯著 提高，價(jià)格進(jìn)一步下降，開始進(jìn)入文字處理和圖形圖像處理領(lǐng)域。第4代計(jì)算機(jī)：大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1970年至今）邏輯

5、元件采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路（LSI和VLSI）。尤其是1971年世 界上第一臺微處理器在美國硅谷誕生，開創(chuàng)了微型計(jì)算機(jī)的新時(shí)代，應(yīng)用領(lǐng)域從1黃海剛，集成電路制作材料半導(dǎo)體材料 科學(xué)計(jì)算、事務(wù)管理、過程控制逐步走向家庭。從計(jì)算機(jī)的發(fā)展史，我們可以清晰的看到，材料推動了計(jì)算機(jī)的發(fā)展。半導(dǎo) 體技術(shù)，集成電路技術(shù)的發(fā)展，直接推動了計(jì)算機(jī)微型化，計(jì)算高速化。晶體管 是一種非常重要的半導(dǎo)體材料，它在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上起到了非常重要的作用。在 第二次世界大戰(zhàn)期間，不少實(shí)驗(yàn)室在有關(guān)硅和錯(cuò)材料的制造和理論研究方面取得 了不少成績，半導(dǎo)體材料因而得到了長足的發(fā)展。為了克服電子管的局限性（電 子管處理高頻信號的效

6、果不理想），第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，貝爾實(shí)驗(yàn)室加緊了 對固體電子器件的基礎(chǔ)研究。肖克萊等人決定集中研究硅、錯(cuò)等半導(dǎo)體材料，探 討用半導(dǎo)體材料制作放大器件的可能性。1947年12月，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克 萊、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出一種點(diǎn)接觸型的錯(cuò)晶體管。晶體管的 問世，是20世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā)明，是微電子革命的先聲。晶體管出現(xiàn)后，人們 就能用一個(gè)小巧的、消耗功率低的電子器件，來代替體積大、功率消耗大的電子 管了。晶體管的發(fā)明又為后來集成電路的降生吹響了號角。半導(dǎo)體材料的發(fā)展推 動了計(jì)算機(jī)的發(fā)展，而計(jì)算機(jī)進(jìn)一步的發(fā)展的要求又使得材料進(jìn)一步發(fā)展。另一方面，電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展對信息的儲存提

7、出了更高的要求?，F(xiàn)在 廣泛運(yùn)用的信息存儲材料有磁光存儲材料、磁存儲材料、光存儲材料和納米存儲 材料。1、磁光存儲介質(zhì)材料第一代磁光材料是非晶稀土一一過渡金屬合金連續(xù)薄膜,磁光特性弱，短波 長時(shí)克爾轉(zhuǎn)角有較大的下降，耐腐蝕性差，熱穩(wěn)定性差，典型材料是鈦-鐵-鉆薄 膜。第二代磁光材料適合于短波長記錄，有較好的磁光特性、熱穩(wěn)定性和耐腐蝕 性，用其制備的磁光盤可以極大提高現(xiàn)有磁光盤的容量和存儲密度。典型材料主 要是鉍、鎵代鏑石榴石材料，鉍、鋁代鏑石榴石材料，鈰、鋁代鏑石榴石材料， 錳鉍/鉍多層薄膜材料，錳鉍鋁鏑、錳鉍/鉭鏑多層薄膜材料，以及鉆/鉑，鉆/ 鈀納米多層調(diào)制磁光材料。2、磁存儲介質(zhì)材料這是應(yīng)

8、用最廣泛的磁存儲介質(zhì)材料。國外重點(diǎn)發(fā)展了金屬磁粉和鋇鐵氧體磁 粉，并由顆粒涂布型磁存儲介質(zhì)向連續(xù)薄膜型磁存儲介質(zhì)方向發(fā)展。利用鐵粉制 備的涂布型磁盤早在十幾年前便已商品化。近年來，高密度磁存儲材料不斷發(fā)展， 極大地提高了信息存儲密度，促進(jìn)了信息存儲設(shè)備的小型化，提高了可靠性。在 存儲密度（可達(dá)60Gbit/英寸2采用GMR頭）及存取時(shí)間方面均超過磁光介質(zhì)存儲 設(shè)備，因此是目前應(yīng)用的主流方向。在這一階段，光盤、優(yōu)盤、硬盤等等存儲設(shè) 備的進(jìn)入一個(gè)飛躍式發(fā)展的時(shí)期，存儲量隨著存儲材料技術(shù)的發(fā)展不斷提高，讀 寫速度不斷加快。3、光存儲材料光盤存儲技術(shù)的發(fā)展與新的光存儲機(jī)理和新型存儲材料的開拓密切有關(guān)。

9、光 存儲技術(shù)主要依靠存儲機(jī)構(gòu)和介質(zhì)材料，如相變型直接重寫光存儲材料、有機(jī)光 色存儲材料、電子俘獲光存儲材料等。光存儲技術(shù)是在光盤上得到了廣泛應(yīng)用， 不僅提高了光盤的存儲容量、讀取速度，而且提高了信息錄入的保真度。4、納米存儲材料納米材料是80年代中期發(fā)展起來的一種新型材料，納米材料的特殊結(jié)構(gòu)使 其自身具有量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)，小尺寸和界面效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明， 納米材料具有比通常結(jié)構(gòu)下的同成份的材料特殊得多的磁學(xué)性能。納米磁性多層 薄膜是一種有巨大潛力的信息存儲介質(zhì)，納米磁記錄材料不僅可獲得高的矯頑力, 而且有利于獲得均勻的薄膜層、光滑的表面和高信噪比。可見電子信息產(chǎn)業(yè)與信息材料工程是相互

10、依存，相互促進(jìn)，螺旋式推動發(fā)展 的。在信息化時(shí)代的今天，信息產(chǎn)業(yè)的堅(jiān)強(qiáng)后盾就是高速發(fā)展的電子工業(yè)，而電子 信息材料又為發(fā)達(dá)的電子工業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。電子工業(yè)逐步提高 的對材料質(zhì)量和數(shù)量的要求，促進(jìn)材料工程為滿足這種需求而快速發(fā)展,這使它 們互相促進(jìn)，共同發(fā)展。最近幾年，智能手機(jī)的興起是電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新興方向，但現(xiàn)在智能手 機(jī)的性能已經(jīng)十分出色，電池卻成為了制約其發(fā)展的重要因素。如何獲得一種電 壓更加穩(wěn)定、電量更加充足的新型電池已成為迫在眉睫的問題。目前廣泛運(yùn)用的是鋰離子電池。鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰 離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返 嵌入和脫嵌：充電池時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰 狀態(tài)；放電時(shí)則相反。正極一般選用具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽為材料，如磷酸鐵 鋰(LiFePO4)，負(fù)極一般為石墨。鋰離子電池是現(xiàn)代高性能電池的代表。但現(xiàn)在 看來，鋰離子電池的電量還不夠高。如何獲得各家優(yōu)秀的正極材料是放在材料學(xué) 家面前的話題?，F(xiàn)在隨著新技術(shù)的不斷應(yīng)用，采集的數(shù)據(jù)保真度越來越高，隨之而來的是日 益增長的文件體積 360P、720P、1080P影像文件大小的差異是每個(gè)人有目共睹 的。選擇什么樣的新型材料了？納米巨磁阻(GMR)材料是一種非常不錯(cuò)的選擇。 科學(xué)家預(yù)測，利用納米GMR可使計(jì)算機(jī)磁