信息材料基礎(chǔ)-第一章-緒論綜述

2023/11/231信息材料根底第一章緒論信息時(shí)代信息技術(shù)信息材料2023/11/2322023/11/2330.1信息時(shí)代農(nóng)業(yè)時(shí)代工業(yè)時(shí)代信息時(shí)代人類社會(huì)時(shí)代變遷：勞動(dòng)，土地密集機(jī)器、工廠為主？產(chǎn)生傳輸?shù)匚?023/11/234是人類的一切生存活動(dòng)和自然存在所傳達(dá)出來的信號(hào)和消息。它一般泛指我們所說的消息、情報(bào)、指令、數(shù)據(jù)及信號(hào)等四周環(huán)境的學(xué)問。信息、物質(zhì)〔材料〕和能量構(gòu)成世界的三大要素信息:可傳遞性和共享性信息必需依附于載體信息的可處理性信息的時(shí)效性信息的主要特征2023/11/235

一是信息成為最為重要的戰(zhàn)略資源

二是信息產(chǎn)業(yè)上升為最重要的產(chǎn)業(yè)三是信息網(wǎng)絡(luò)成為社會(huì)的根底設(shè)置伊拉克戰(zhàn)斗非對(duì)稱性微軟蘋果WTO全球化一體化地球村2023/11/236全球信息量增長(zhǎng)趨勢(shì)2023/11/23720世紀(jì)90年月初全球互聯(lián)網(wǎng)用戶還不到9萬，1999年為1.7億，2023年為4.14億因特網(wǎng)信息傳輸量增長(zhǎng)率：300%每天電子郵件：14億封2023年：全球網(wǎng)頁21億個(gè)2023年，與因特網(wǎng)相連的主機(jī)7240萬臺(tái)。而1993年只有131萬臺(tái)。全球因特網(wǎng)用戶進(jìn)展趨勢(shì)2023/11/238亞太地區(qū)國(guó)際互聯(lián)帶寬進(jìn)展趨勢(shì)2023/11/2391992年，當(dāng)時(shí)的參議員、前美國(guó)副總統(tǒng)阿爾·戈?duì)柼岢雒绹?guó)信息高速大路法案。1993年9月，美國(guó)政府宣布實(shí)施一項(xiàng)新的高科技打算――“國(guó)家信息根底設(shè)施”〔NationalInformationInfrastructure，簡(jiǎn)稱NII〕，旨在以因特網(wǎng)為雛形，興建信息時(shí)代的高速大路――“信息高速大路”，使全部的美國(guó)人便利地共享海量的信息資源。信息高速大路(InformationHighway)實(shí)質(zhì)上是高速信息電子網(wǎng)絡(luò)，它是一個(gè)能給用戶隨時(shí)供給大量信息，由通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫以及日用電子產(chǎn)品組成的完備網(wǎng)絡(luò)體系。開發(fā)和實(shí)施信息高速大路打算,不僅促進(jìn)信息科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展,而且有助于轉(zhuǎn)變?nèi)藗兊纳?、工作和交往方式?023/11/23100.2信息技術(shù)是指信息的獵取、存儲(chǔ)、處理、傳輸和顯示的技術(shù)，即人們對(duì)信息的獵取、處理和應(yīng)用的力量。信息技術(shù):

信息技術(shù)信息獵取技術(shù)信息處理技術(shù)信息傳遞技術(shù)信息存儲(chǔ)技術(shù)信息顯示技術(shù)人類史上的五次信息技術(shù)革命2023/11/2311語言的使用造紙術(shù)和印刷術(shù)的應(yīng)用文字的使用電報(bào)、、播送、電視的制造與普及應(yīng)用計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用和計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代通信技術(shù)的結(jié)合口耳相傳便于信息傳輸和收集易于存儲(chǔ)抑制時(shí)間局限存儲(chǔ)空間傳播范圍速度容量時(shí)空界限信息技術(shù)的應(yīng)用2023/11/2312網(wǎng)上學(xué)校、現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育信息高速大路、“地球村”自動(dòng)取款機(jī)、可視、遠(yuǎn)程診療網(wǎng)上購物、信息檢索、電子郵件2023/11/231320世紀(jì)以來，信息技術(shù)經(jīng)受：電子學(xué)和微電子學(xué)技術(shù)信息的載體電子光電子學(xué)技術(shù)信息的載體電子和光子光子學(xué)技術(shù)信息的載體光子2023/11/23140.3信息材料0.3.1概述能源、信息和材料是現(xiàn)代文明的三大支柱，而材料又是一切技術(shù)進(jìn)展的物質(zhì)根底。材料的重要性材料是人類進(jìn)化史上的里程碑，歷史學(xué)家曾用材料來劃分時(shí)代。2023/11/2315石器前10萬青銅前3000鐵器前1000水泥0鋼1800硅1950新材料1990存儲(chǔ)器材料的變遷大致可分為四個(gè)階段：由1955年的存儲(chǔ)器為水銀延遲線1963年的存儲(chǔ)器為具有方形磁滯特性的鐵氧體磁心1970年涂敷的氧化鐵粉〔磁盤〕近10年光存儲(chǔ)技術(shù)〔可擦寫光盤的介質(zhì)材料有磁光型和相變型兩類〕光通信系統(tǒng)材料:低損耗光纖〔光導(dǎo)纖維：高純石英攙雜P、Ge等元素→氟化物玻璃光導(dǎo)纖維〕、化合物半導(dǎo)體激光器、大屏幕顯示等相關(guān)材料的研制是其進(jìn)展的根底和核心。電子工業(yè)數(shù)千億的全球市場(chǎng)，90%的市場(chǎng)份額是硬件及其相關(guān)材料。

2023/11/2316新能源技術(shù)：如受控核聚變、太陽能利用、地?zé)岚l(fā)電、磁流體發(fā)電、氫能貯存等方面的進(jìn)展，很大程度上取決于新材料研制和開發(fā)。例：太陽能是目前人類受惠最大的自然資源。但太陽能是低值能源，只能到達(dá)1KW/m2,且轉(zhuǎn)換率只10-20%。要提高發(fā)電效率,必需從集熱體、半導(dǎo)體材料方向進(jìn)展突破?！蔡柲茈姵夭牧现心壳白钣邢Ｍ罅繎?yīng)用的是硅太陽能電池。單晶硅光電池光電轉(zhuǎn)換效率高，但材料價(jià)格較貴。多晶硅光電池效率只達(dá)13％，半導(dǎo)體GaAs的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20％～28％。承受多層復(fù)合構(gòu)造，通過選擇性吸取涂層和光譜轉(zhuǎn)換涂層可進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。IBM公司研制的多層復(fù)合太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)40％〕2023/11/23172023/11/2318?人們?cè)缇椭懒藝姎夂娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)比螺旋槳航空發(fā)動(dòng)機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于沒有材料能承受噴射出燃?xì)獾母邷?，使這種抱負(fù)只能是空中樓閣。直到1942年制成了鎳基耐熱合金這種新材料、才使噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的制造得以實(shí)現(xiàn)。?同樣，假設(shè)沒有1970年制成的使光強(qiáng)度衰減降低到可以有用的光導(dǎo)纖維，也不會(huì)有現(xiàn)代的光通信；?假設(shè)不能制成高純度大直徑的硅單晶，就不會(huì)有高度進(jìn)展的集成電路，也不會(huì)有今日如此先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和一切電子設(shè)備。2023/11/2319生態(tài)環(huán)境不斷惡化資源加速枯竭世界人口快速增長(zhǎng)材料是現(xiàn)代文明的重要支柱科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)展人類生活水平進(jìn)一步提高對(duì)材料科學(xué)領(lǐng)域提出了更高的要求構(gòu)造材料功能材料2023/11/2320利用其力學(xué)性質(zhì)，要求在使用條件下能承受肯定的載荷。通過光、電、磁、聲、熱、濕、氣、生物等特性而完成特定功能的材料。0.3.2材料分類2023/11/2321功能材料分類材料的物質(zhì)性材料的功能性材料的應(yīng)用性金屬功能材料外形記憶合金、貯氫合金、減振合金、超耐熱合金、非晶態(tài)合金、超導(dǎo)合金等無機(jī)非金屬功能材料熱功能陶瓷、光功能陶瓷、磁功能陶瓷、周密電子陶瓷、功能轉(zhuǎn)化陶瓷、超硬陶瓷、生物功能陶瓷等有機(jī)功能材料導(dǎo)電高分子材料、液晶聚合物材料、光功能高分子材料、高分子分別膜、有機(jī)鐵磁材料、生物高分子材料、化學(xué)功能高分子材料等復(fù)合功能材料金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、高分子基復(fù)合材料等2023/11/2322依據(jù)材料的物質(zhì)性：材料的應(yīng)用性信息材料電子材料電工材料能源材料航空航天材料生物醫(yī)用材料2023/11/2323材料的功能性光學(xué)功能材料電學(xué)功能材料磁學(xué)功能材料聲學(xué)功能材料熱學(xué)功能材料生物醫(yī)學(xué)功能材料2023/11/23242023/11/2325信息材料指用于信息的獵取、存儲(chǔ)、處理、傳輸和顯示的微電子材料和光電子材料，是信息技術(shù)根底和先導(dǎo)。信息材料領(lǐng)域的每一次創(chuàng)新都會(huì)推動(dòng)信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)向前進(jìn)展。信息材料信息獵取材料信息處理材料信息傳輸材料信息存儲(chǔ)材料信息顯示材料2023/11/23260.3.3信息處理技術(shù)及材料信息處理工具古代：中國(guó)——簡(jiǎn)潔的計(jì)算工具：算籌——算盤西方：計(jì)算尺是主要的計(jì)算工具，機(jī)械式計(jì)算機(jī)——穿孔卡片計(jì)算機(jī)——繼電器計(jì)算機(jī)——1946年電子計(jì)算機(jī)的誕生。2023/11/2327世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)埃尼阿克〔ENIAC〕。

1946年誕生于美國(guó)的賓夕法尼亞大學(xué)。重達(dá)30噸，占地170多平方米，全機(jī)用了18000多個(gè)電子管，5000多個(gè)繼電器，10000多只電容器，7000多個(gè)電阻，功率150千瓦，運(yùn)算速度每秒鐘5000次。目前，以大規(guī)模集成電路為根底，以中心處理器〔CPU〕為核心的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)是主要的信息處理技術(shù)。它的耗電量超過174千瓦小時(shí)，據(jù)說在使用時(shí)全鎮(zhèn)的電燈都會(huì)變暗；而且它的電子管平均每隔15分鐘就要燒壞一只。2023/11/2328集成電路〔integratedcircuit，簡(jiǎn)稱IC〕是將電路中的有源元件〔二極管、晶體管等〕、無源元件〔電阻、電容等〕以及他們之間的互聯(lián)引線等一起制作在半導(dǎo)體襯底上，形成一塊獨(dú)立的不行分的整體電路，集成電路的各個(gè)引出端〔又稱管腳〕就是該電路的輸入、輸出、電源和接地等的接線端。1952年，英國(guó)皇家雷達(dá)爭(zhēng)論所的G.W.Dummer首次提出集成電路的設(shè)想。他認(rèn)為，隨著晶體管和一般半導(dǎo)體工業(yè)的進(jìn)展，電子設(shè)備可以在一個(gè)固體塊上實(shí)現(xiàn)，而不需連接線。這種固體塊由絕緣體、導(dǎo)體、整流、放大等材料層組成。1958年美國(guó)德克薩斯儀器公司J.S.Kilby和1959年仙童半導(dǎo)體公司的R.Noyce分別制造了世界上第一塊鍺集成電路和硅集成電路，開創(chuàng)了集成電路時(shí)代。集成電路年份事件1947點(diǎn)接觸型晶體管誕生，微電子技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)里程碑1950結(jié)型晶體管誕生1951場(chǎng)效應(yīng)晶體管發(fā)明1958集成電路發(fā)明，開創(chuàng)了微電子學(xué)的歷史1960光刻技術(shù)發(fā)明1962MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管誕生1964摩爾定律提出，預(yù)測(cè)晶體管集成度每十八個(gè)月增加一番1971Intel推出1kB動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM），標(biāo)志大規(guī)模集成電路（LSI）出現(xiàn)197816kB的DRAM誕生，標(biāo)志進(jìn)入超大規(guī)模集成電路（VLSD）階段1979Intel推出5MHz的8088微處理器，之后推出全球第一臺(tái)個(gè)人電腦198520MHz的80386微處理器誕生198816M的DRAM誕生，標(biāo)志進(jìn)入甚大規(guī)模集成電路（ULSI）階段198925MHz483微處理器誕生，采用1μm工藝，后來采用0.8μm工藝199366MHz的Pentium處理器推出，采用0.6μm工藝1997300MHz的PentiumⅡ處理器推出，采用0.25μm工藝1999450MHz的PentiumⅢ處理器推出，采用0.25μm工藝，后采用0.18μm工藝20001.5GHz的PentiumⅣ處理器推出，采用0.18μm工藝2001Intel宣布采用0.13μm工藝2023/11/23292023/11/2330半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器容量和硅單晶的進(jìn)展2023/11/2331信息處理材料主要指用于對(duì)電信號(hào)或光信號(hào)進(jìn)展檢波、倍頻、混頻、限幅、開關(guān)、放大等信號(hào)處理的器件的一類信息材料，包括微電子信息處理材料和光電子信息處理材料。微電子信息處理即對(duì)電子電路中的信息電流、電壓等信號(hào)進(jìn)展接收、放射、轉(zhuǎn)換、放大、調(diào)制、解調(diào)、運(yùn)算、分析等處理，以獵取有用的信息。光電子信息處理包括光的放射、傳輸、調(diào)制、轉(zhuǎn)換和探測(cè)等，而光電子信息處理材料則是基于光信號(hào)的放射、傳輸、調(diào)制、轉(zhuǎn)換和探測(cè)的一類材料。信息處理材料2023/11/23320.3.4信息傳輸技術(shù)及材料移動(dòng)衛(wèi)星通信無線通信光纖通信

低損耗的熔石英光纖長(zhǎng)壽命的半導(dǎo)體激光器摻鉺光纖放大器纖芯包層保護(hù)套2023/11/2333光纖和光纜的傳輸速率及損耗特性比較2023/11/2334光纖通信系統(tǒng)進(jìn)展階段及其主要進(jìn)展2023/11/2335損耗特性與光的工作波長(zhǎng)有關(guān),在三個(gè)工作窗口有相對(duì)小的損耗:第一窗口光工作波長(zhǎng)0.85μm,損耗稍大其次窗口光工作波長(zhǎng)1.31μm,損耗中等第三窗口光工作波長(zhǎng)1.55μm,損耗最小2023/11/23360.3.5信息存儲(chǔ)技術(shù)及材料數(shù)字信息存儲(chǔ)要求：高存儲(chǔ)密度、高數(shù)據(jù)傳輸率、高存儲(chǔ)壽命、高擦寫次數(shù)、低設(shè)備投資和低價(jià)格。信息存儲(chǔ)的作用：*允許保存電子數(shù)據(jù)；

*為防止數(shù)據(jù)喪失而供給備份愛護(hù)；

*防止因喪失數(shù)據(jù)帶來的費(fèi)用；

*允許現(xiàn)場(chǎng)或非現(xiàn)場(chǎng)文檔的存儲(chǔ)2023/11/2337存儲(chǔ)方式內(nèi)存儲(chǔ)外存儲(chǔ)CPU可以直接訪問內(nèi)存，提取時(shí)間短〔ns〕，容量一般在512Mb。只讀存儲(chǔ)器ROM〔Read-OnlyMemory〕隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM〔RandomAccessMemory〕一般不直接與微處理器打交道，外存中的數(shù)據(jù)應(yīng)先調(diào)入內(nèi)存，再由微處理器進(jìn)展處理。磁存儲(chǔ)：磁帶、軟磁盤、硬磁盤光存儲(chǔ)：CD、VCD、DVD等2023/11/2338硬磁盤技術(shù)的進(jìn)展2023/11/2339光盤硬磁盤磁帶中等性能0.25~2Gb/in225Mb/s隨機(jī)存取高容量低價(jià)格可移動(dòng)長(zhǎng)壽命高性能2～4Gb/in2150Mb/s隨機(jī)存取高容量?jī)r(jià)格合理不可移動(dòng)壽命較短中等性能0.8～1Gb/in240Mb/s序列存取高容量低價(jià)格可移動(dòng)壽命較短光盤、硬盤和磁帶性能比較2023/11/23400.3.6信息顯示技術(shù)及材料當(dāng)今世界是信息大爆炸的年月，據(jù)測(cè)算，上世紀(jì)末信息的年均增長(zhǎng)率為20％，到2023年將到達(dá)每?jī)蓚€(gè)半月翻一番的驚人速度。在人們經(jīng)各種感覺器官從外界獲得的信息中，視覺占60％，聽覺占20％，觸覺占15％，味覺占3％，嗅覺占2％。進(jìn)入21世紀(jì)以來，顯示技術(shù)作為人機(jī)聯(lián)系和信息展現(xiàn)的窗口已應(yīng)用于消遣、工業(yè)、軍事、交通、教育、航空航天、衛(wèi)星遙感和醫(yī)療等各方面。在我國(guó)，顯示技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品占信息產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的45％左右。可見，顯示產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為電子信息工業(yè)的一大支柱產(chǎn)業(yè)。2023/11/2341光電顯示分類2023/11/2342傳統(tǒng)顯示技術(shù)陰極射線管〔CRT〕顯示陰極射線加速后轟擊熒光屏上的熒光材料Y2O2S：Eu〔紅色〕、ZnS：Ag〔藍(lán)色〕和ZnS：(Cu，Al〕〔綠色〕，發(fā)出各種彩色的光。1897年，布勞恩管制造；1953年，日本黑白電視播送開頭1958年，中國(guó)黑白電視播送開頭1960年，日本彩色電視播送開頭1973年，中國(guó)彩色電視播送開頭1996年，日本推出純平CRT彩電1999年，中國(guó)推出純平CRT彩電2023/11/2343平板顯示技術(shù)等離子體顯示〔PDP〕利用等離子產(chǎn)生的紫外線激發(fā)涂有熒光粉的電極而發(fā)出不同的由三基色混合的可見光。液晶顯示〔LCD〕利用外加電壓或者電流，可以轉(zhuǎn)變液晶分子取向，從而轉(zhuǎn)變液晶分子的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)顯示的目的。發(fā)光二極管〔LED〕顯示利用載流子在PN結(jié)四周的復(fù)合作用而發(fā)光。有機(jī)電致發(fā)光顯示〔OLED〕參加外加偏壓后，電子空穴分別經(jīng)過電子傳輸層與空穴傳輸層后，進(jìn)入一具有發(fā)光特性的有機(jī)物質(zhì)，在其內(nèi)部發(fā)生強(qiáng)相互作用，形成一個(gè)激子，再將能量釋放出來回到基態(tài)，發(fā)出相應(yīng)的光子。2023/11/2