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1、2023/7/10,1,信息材料,苏晓东,Tel.69157039,2023/7/10,2,本课程的性质和任务,本课程是物理学专业的专业选修课，其任务是通过本课程的教学，使学生了解信息材料的发展概况，掌握主要信息材料的功能、工作原理、及其主要的制备方法。学生在完成本课程学习后，对该领域拥有相当的学习和研究兴趣，为从事相关领域的工作奠定良好的基础。,2023/7/10,3,了解信息功能材料的发展过程概况；了解信息功能器件的结构和材料性能之间的关系；掌握各种信息功能材料的工作原理，以及相关的制备方法；了解信息功能材料的应用领域；了解信息功能材料当前的热点及其发展方向。,课程的基本要求,2023/7
2、/10,4,纪律要求与考试形式,纪律要求1，不缺课。请假要有正式的请假条，由班主任签名。2，上课遵守课堂纪律，不要妨碍他人。考试总分=平时成绩 x 30%+闭卷考试成绩 x 70%加分鼓励：提问和回答问题优秀者,每计一次总分加1分！,2023/7/10,5,何为信息,梦断美人沉信息目穿长路倚楼台 南唐李中,暮春怀故人,信息作为一个科学概念以及科学研究对象,却只有五十多年的历史 对于信息的定义，人们还没有一致的认识。克劳德香农（Claude E.Shannon）：信息是用以消除随机不确定性的东西。维纳（N.Weiner）：“信息就是信息，不是物质，也不是能量”，把信息看成是与物质、能量具有同等重
3、要性的客观世界三大要素之一。钱学森：信息是“激活了、活化了的知识”，认为信息“就是为了解决一个特定的问题所需要的知识”。,信息(Information)消息(Message),2023/7/10,6,1客观性信息不是虚无缥缈的事物，它可以被人们感知、获取、传递和利用。2时效性现代社会中，信息使用周期越来越短，信息的价值实现取决于对其及时地把握和运用。3载体性 信息必须依附于一定的载体（如声波、电磁波、纸张、化学材料、磁性材料等）才能流通和传递，否则，信息的价值就不能体现。4传递性信息依附于一定的物质载体后，其传递和流通便成为可能。信息的传递性是指信息从信源出发，经过信息载体的传递被信宿接收并进
4、行处理和利用的特性。5可塑性信息在流通和使用过程中，人们借助于先进的技术，可以对其进行综合、分析及加工处理。也就是把信息从一种形式变换成另一种形式。6共享性共享性是指同一信息同时或不同时被多个用户使用，而信息的提供者并不因此而失去信息内容和信息量。,信息的特征,2023/7/10,7,何为信息材料,具有信息产生、传输、转换、检测、存储、调制、处理和显示等功能的材料。种类繁多，均形成相关的产业。,信息技术（IT,Information Technology）对信息进行存储、加工、传输与使用的理论、方法和设备的基本原理以及设计，制造的研究。,信息材料(Information materials),
5、2023/7/10,8,0 绪论1 微电子芯片技术发展对材料的需求2 半导体光电材料3 有机光电子材料4 信息功能陶瓷材料及应用5 信息传感材料6 光电显示材料7 光纤通信材料8 磁性和磁光存储材料9 高密度光信息存储材料10 压电、热释电与铁电材料11 非线性光学晶体材料12 固体激光材料的进展,课程内容,2023/7/10,9,更快 更多 更远 更准确,信息的载体,0 绪 论,0.1 21世纪是信息时代,互联网、物联网,2023/7/10,10,超高容量信息(Tb,1012bits)超大容量信息传输(Tb/s)超快实时信息处理，高频响应(THz),信息功能材料0 绪论 0.1 21世纪是信
6、息时代3T信息时代,21世纪是以信息产业为核心的知识经济时代,信息的载体正由电子向光电子结合和光子方向发展。,2023/7/10,11,信息功能材料0 绪论 0.2 信息技术的发展趋势,微电子技术 光电子技术 分子、生物，传感器电子技术 存储、显示电子技术,现代信息技术包括对信息流的获取、传输、存储、处理、检测、显示以及应用等的一系列技术，是一门范围广阔、内容高度综合的科技领域。信息虽然是无形的，但是从其所应用的技术手段来讲，主要是以光电形式进行的，所以现代信息技术也可视为光电信息技术。,2023/7/10,12,信息功能材料0 绪论 0.2 信息技术的发展趋势光电子对比,2023/7/10,
7、13,光子具有极高的信息容量和效率作为信息载体，光与电相比可承载信息的容量起码比后者高出34个量级，即千倍以上。,信息功能材料0 绪论 0.2 信息技术的发展趋势光子特征,光子具有极快的响应能力 电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns，10-9 s)量级，因此在电子通信中信息速率被限定在Gb/s(109bit/s)量级。光子是玻色子，没有电荷，而且能在自由空间传播，因此，光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(ps，10-12s)量级。,光子具有极强的互连能力与并行能力 电子有电荷，因此电子与电子之间存在库仑作用力，这就使得它们彼此间无法交连。对于光子来说，在这些方面恰恰显示出特有的优势。光子无电荷，彼此间不
8、存在排斥和吸引力，具有良好的空间相容性等。,光子具有极大的存储能力 不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存储。再考虑频率“维”等，可用于存储的参量很多。因此，可以说，光子具有极大的存储能力。,2023/7/10,14,(a)是全电子(ee)过程如果有光(O)参与，它只是起辅助作用(如提供能源等)，典型的例子是由太阳能电池供电的各种电子设备。,信息功能材料0 绪论 0.2 信息技术的发展趋势光子与电子在信息领域的4种模式：,(b)是全光子(PP)过程电(E)在其中起辅助作用，如各种光子源(激光器等)。典型的例子是全光通信系统。,(C)与(d)则是光电结合其中(c)的典型例子
9、是光电探测及现行的各种光电通信接收系统等；(d)的典型例子是电致发光及各种电视接收系统等。,2023/7/10,15,硅材料和硅集成芯片的问世，有今天微电子技术；光学纤维材料的发明，砷化镓材料的突破，超晶格、量子阱材料的研制成功，以及半导体激光器和超高速器件的发展，有今天先进的光通信、移动通信和数字化高速信息网络技术；基于量子效应的纳米信息功能材料的发展和应用，人类必将进入一个变幻莫测、奇妙无比的量子世界，将对人类的生产和生活方式产生深远的影响。信息功能材料与器件是一个科学内涵极丰富、创新性极强、用前景极广阔、社会经济效益巨大的领域，极有可能触发新的信息技术革命。,信息功能材料0 绪论 0.2
10、 信息技术的发展趋势信息功能材料是信息技术发展的基础和先导,2023/7/10,16,信息功能材料0 绪论 0.3 信息技术发展的几个方面及相关材料,信息材料（informationmaterials），是为实现信息探测、传输、存储、显示和处理等功能使用的材料。按功能分，信息材料主要有以下几类。,信息处理技术和材料信息传递技术和材料信息存储技术和材料信息显示技术和材料信息获取技术和材料激光材料和光功能材料,2023/7/10,17,以大规模集成电路技术为基础的计算机技术仍是信息处理的主要技术。,信息功能材料0 绪论 0.3 信息技术发展的几个方面及相关材料信息处理技术和材料,根据一个芯片上集成
11、的微电子器件的数量，集成电路可以分为：小规模集成电路(SSI)(10或12个逻辑门以内)中规模集成电路(MSI)(10100个逻辑门)大规模集成电路(LSI)(1001000个逻辑门)甚大规模集成电路(VLSI)(1000个逻辑门以上)超大规模集成电路(ULSI)等。,2023/7/10,18,以硅材料为核心的集成电路继续占有重要位置。砷化镓也是一种重要的集成电路材料。,先进材料制备工艺和加工技术的研究不断深挖该材料的应用潜能。不断扩大的晶圆尺寸从100 125150200300mm，并向400mm 过渡，以提高芯片产量和降低芯片成本 不断缩小的芯片特征尺寸，深亚微米技术1mm0.8mm0.5
12、mm0.35mm0.25mm0.18mm0.13mm90nm，并向22nm 进军。,信息功能材料0 绪论 0.3 信息技术发展的几个方面及相关材料信息处理技术和材料,2023/7/10,19,主要以光子作为信息载体，即用光纤通信代替电缆和微波通信是20世纪通信技术的重大进步。研制先进的光纤材料，半导体激光器，光纤放大器，光调制器材料，光滤波器材料以及各种光器件材料，是发展新的光纤通信系统的基础。,信息功能材料0 绪论 0.3 信息技术发展的几个方面及相关材料 信息传递技术和材料,2023/7/10,20,磁存储材料，主要是金属磁粉和钡铁氧体磁粉，用于计算机存储；光储材料，有磁光记录材料、相变光
13、盘材料等，用于外存；铁电介质存储材料，用于动态随机存取存储器；半导体动态存储材料，目前以硅为主，用于内存。,信息功能材料0 绪论 0.3 信息技术发展的几个方面及相关材料信息存储技术和材料,2023/7/10,21,将各种形式的信息作用于人的视觉而为人所感知的手段为信息显示技术。,信息功能材料0 绪论 0.3 信息技术发展的几个方面及相关材料信息显示技术和材料,平板显示技术-液晶显示技术（LCD）TFT-LCD目前能做到30寸左右-等离子显示技术（PDP）等离子能做到40寸以上-场致发射显示（FED）FED的最大优点就是它提供最亮、最美、又低耗能的显示器。医疗器材及飞行仪表上常指定要这种高价位
14、的FED。-发光二极管显示技术（LED）；电致发光有机材料（OLED）LED属于全固体冷光源，更小、更轻、更坚固，工作电压仅有两伏特，使用寿命长达十多年。,电视机使用的显示器称为阴极射线管（CRT：cathode-ray tube）,2023/7/10,22,几种主要显示器性能比较,信息功能材料0 绪论 0.3 信息技术发展的几个方面及相关材料信息显示技术和材料,2023/7/10,23,信息的获取主要采用探测器和传感器。,对电、磁、光、声、热辐射、压力变化或化学物质敏感的材料均可用来制成传感器，用于各种探测系统，如电磁敏感材料、光敏材料、压电材料等。这些材料有陶瓷、半导体和有机高分子化合物等
15、多种。,信息功能材料0 绪论 0.3 信息技术发展的几个方面及相关材料信息获取技术和材料,2023/7/10,24,半导体激光器：低阈值，低功耗，长寿命，响应快,掺钕铝石榴石（Nd：YAG）激光棒,可调谐固体激光器：-近红外波段调谐的Cr3+、V2+掺杂固体材料；-红外波段调谐的Ni2+、Cr2+掺杂固体材料；-紫外波段调谐的Ce3+掺杂固体材料；-可见光波段至近红外波段调谐的Ti:Al2O3激光材料。,高效固体激光器：-掺钕铝石榴石（Nd：YAG，波长为1.06m呈白蓝色光；-钕玻璃，波长1.06m呈紫蓝色光；-红宝石，波长为694.3nm，为红色光。,信息功能材料0 绪论 0.3 信息技术
16、发展的几个方面及相关材料激光材料和光功能材料,2023/7/10,25,以集成电路为基础的微电子技术产业继续占有重要位置。,信息功能材料1 绪论 1.4 信息材料产业的现状与展望,光电信息功能材料的研究为当代科学的前沿，具有多学科交叉的特点，是一个极富创新和挑战的领域。信息材料也从体材料发展到薄层、超薄层微结构材料，并正向光电信息功能集成芯片和有机无机复合材料以及纳米结构材料方向发展。,以光通信，光存储，光电显示为基础的光电子技术产业。,2023/7/10,26,（1）微纳电子材料和器件（2）光电子材料与器件（3）第三代（高温宽带隙）半导体材料与器件（4）纳米电（光）子材料和器件（5）海量存储
17、材料与器件（6）平面显示材料、器件与系统集成（7）全固态激光材料和激光技术（8）半导体照明工程：照明光源的革命,信息功能材料0 绪论 信息功能材料重点研究方向和领域,2023/7/10,27,思考题,1，信息功能材料的范畴。2，当今信息功能材料发展的趋势。,2023/7/10,28,半导体材料概述,1 半导体材料 2 半导体基础 3 半导体器件,2023/7/10,29,1 半导体材料,1.1 元素半导体1.2 二元化合物半导体1.3 三元化合物半导体1.4 四元化合物半导体1.5 常见半导体材料及其应用,2023/7/10,30,半导体单质材料是硅，锗。化合物半导体（和主族元素形成，如砷化镓
18、等,以及VI族元素化合物半导体,如硒化锌等)。,半导体材料是二十世纪中最重要、最有影响的功能材料之一。它在微电子领域内具有独占的地位，同时又是光电子领域的主要材料。计算机技术，通信技术和自动控制技术等一切当代高技术都离不开半导体材料。,1 半导体材料,导电特性-电阻率导 体:10-610-4.cm半导体:10-4108.cm绝缘体:大于108.cm,2023/7/10,31,1.1 元素半导体,第一代半导体材料以 Si和 Ge为代表。,特点：均为第四族元素 均具为金刚石晶体结构 均有间接的能隙（indirect band gap）,金刚石结构是由两套fcc格子相互沿对角线位移1/4处套合而成。
19、,2023/7/10,32,1.1 元素半导体/Si,Si在自然界中分布广泛，在地壳中居第二位，仅次于氧。是构成矿物和岩石的主要成分。,硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。硅的结构类似于金刚石，熔点和沸点都很高，硬度大。,Lattice constant:0.54 nm,Si atom spacing:0.24 nm每个晶胞含有8个原子能隙：1.1eV,2023/7/10,33,1.1 元素半导体/Si的优点,和Ge相比:,易于制备大尺寸单晶；Si 比 Ge的能隙宽，更高的运行温度(125-175 oC vs.85 oC)Si 容易生成本体氧化物(SiO2)，S
20、iO2是一种高质量的绝缘体，在IC加工过程中可以有效保护Si材料上的电路。Si 更便宜和资源丰富。,2023/7/10,34,比 GaAs低的电子迁移率,间接带隙:弱的光子吸收和发射 难以应用于光电子器件。,1.1 元素半导体/Si的不足,2023/7/10,35,1.1 元素半导体/Si,硅是良好的半导体材料，硅可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可以制成太阳能电池，可制成有良好导磁性、耐酸性的合金。,大规模集成电路,2023/7/10,36,1.1 元素半导体/SiO2,天然二氧化硅也叫硅石。砂子的主要成分就是二氧化硅，石英的主要成分也是二氧化硅，水晶是纯度较高的二氧化硅。
21、,二氧化硅晶体,2023/7/10,37,二氧化硅可用来做光导纤维；石英可用来做石英钟、石英表，耐高温的石英玻璃；水晶可以用来制造电子工业中的重要部件、光学仪器、工艺品、眼镜片等。玛瑙为含有有色杂质的石英，可用于制造精密仪器轴承，耐磨器皿和装饰品等。,1.1 元素半导体/SiO2,玛瑙,二氧化硅是制备工业硅单晶的原料，也是集成电路上应用的绝缘材料。,2023/7/10,38,1.2 二元化合物半导体（Binary compound semiconductor）,III-V族 II-VI族 IV-VI族 IV-IV族,大多数具有直接能隙，可以研制光学器件;有较宽的能隙范围，但是不连续;可以生长出
22、块材，切割出晶圆(Wafer)。,化合物半导体不同于元素半导体的性质主要有二：一是化合物半导体的电子迁移率要快许多，因此适用于高频传输，在无线通讯如手机，卫星通信，卫星定位等皆有应用；二是化合物半导体具备高效率的光电转换特性，可应用在光电转换领域，如发光二极管，激光，光接收器及太阳能等产品。,2023/7/10,39,1.2 二元化合物半导体（Binary compound semiconductor）,2023/7/10,40,附：半导体材料的性能参数,*D=（Diamond）金刚石 Z=Zinc blende:闪锌矿 W=Wurtzite,：纤维锌矿 R=Rock salt：岩盐,2023
23、/7/10,41,第二代半导体的代表GaAs:闪锌矿结构（Zinc blende lattice）,类似金刚石结构,两套不等价的格子（Ga和As）分别由不同的原子占据。,1.2 二元化合物半导体/GaAs,2023/7/10,42,同锗和硅相比，砷化镓的禁带宽度大，电子迁移率高，介电常数小，能引入深能级杂质，电子有效质量小，具有双能谷导带等特点。,1.2 二元化合物半导体/GaAs,光电子器件，砷化镓可直接研制如发光二极管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器、红外探测器和高效太阳能电池等。微电子方面，可以研制的砷化镓高速集成电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声及大功率场效应晶体
24、管，具有速度快、频率高、低功耗和抗辐射等特点。,目前，产业化的应用产品为手机功率放大器和光通讯产业的光收发器。,2023/7/10,43,1.2 二元化合物半导体/GaN,以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化学稳定性等独特的特性，它在光显示、光存储、光探测等光电子器件和高温、高频大功率电子等微电子器件领域有广阔的应用前景。,2023/7/10,44,1.2 二元化合物半导体/ZnO,禁带宽度为3.37eV，属直接带隙。和GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在380nm附近紫光波段发展潜力
25、最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体激光器的候选材料。ZnO的激子束缚能高达60 meV，比其他半导体材料高得多（GaN为26meV），因而具有比其他材料更高的发光效率。另外,ZnO材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源原材料锌和水资源丰富、价格便宜，有利于大规模生产和持续发展。,ZnO掺杂V、Cr、Fe、Co、Ni元素能够产生自旋极化，形成高于室温的稀磁性透明半导体，是下一代微电子和光电子领域自旋电子学期间有重要价值的材料之一。,2023/7/10,45,1.3 三元化合物半导体（Ternary compound semiconductor）,通过调节各
26、组元成分，可以得到连续的能隙；晶格常数和成分成线性关系(Vegards Law)。,三元化合物半导体二个元素来自同一族，另一个来自其它族。有两种选择:(III-V)AIII(1-x)BIII(x)CV=AIIICV(1-x)+BIIICV(x)：AlGaAs A IIIBV(1-y)CV(y)=AIIIBV(1-y)+AIIICV(y）：GaAsP,2023/7/10,46,1.3 三元化合物半导体/AlGaAs,InGaAs,InAlAs,2023/7/10,47,1.4 四元化合物半导体（Quarternaries compound semiconductor）,四元化合物半导体有两种类型
27、：(III-V 族)2 元素来自同一族，另外2个元素来自其它族:AIII(1-x)BIII(x)CV(1-y)DV(y)=AIIICV(1-x)(1-y）+AIIIDV(1-x)y+BIIICVx(1-y）+BIIIDVxy3 元素来自同一族,另外1个元素来自其它族 AIII(1-x-y)BIII(x)CIII(y)DV=AIIIDV(1-x-y)+BIIIDV(x）+CIIIDV(V）,通过四元化合物半导体的设计，可以得到晶格常数和二元衬底相匹配的半导体材料。,：InGaAlAs,：InGaAsP,2023/7/10,48,1.4 四元化合物半导体/InGaAlAs III-V,2023/7
28、/10,49,1.4 四元化合物半导体/III-V InGaAsP and AlGaAsSb,2023/7/10,50,1.4 四元化合物半导体/III-V GaInAsSb,2023/7/10,51,1.4 四元化合物半导体/III-V GaAlAsP and GaAlInP,2023/7/10,52,1.4 四元化合物半导体/III-V 纤维锌矿结构 GaInAlN,以气相外延技术合成的Al,Ga,In,N四元材料,可以涵盖所有的可见光。微米。,2023/7/10,53,导电能力介于金属和绝缘体之间，具有热激活电导率且电导率在10-10100 Scm-1范围内的有机物。有机半导体可分为有机
29、物、聚合物和给体-受体络合物三类。有机物类包括芳烃、染料、金属有机化合物，如紫精、酞菁、孔雀石绿、若丹明B等。聚合物类包括主链为饱和类聚合物和共轭型聚合物，如聚苯、聚乙炔、聚乙烯咔唑、聚苯硫醚等。电荷转移络合物由电子给体与电子接受体二部分组成，典型的有四甲基对苯二胺与四氰基醌二甲烷复合物。有机半导体可用掺杂方法改变其导电类型和电导率。,1.5 有机半导体,2023/7/10,54,Si基半导体，GaAs基的异质结构，InP基的异质结构重要的二元化合物半导体 GaAs：衬底（substrates），金半场效应管（MESFET）GaN：发光二极管（LED）InP：衬底 GaP：红绿发光二极管（LE
30、D）重要的多元化合物半导体 AlGaAs/GaAs：异质结双极二极管（HBTs）,场效应管（FET）,光电子(optoelectronic)器件 GaAsP/GaAs：红，黄二极发光管（LED）HgCdTe/CdTe：红外成像（IR imager）InGaAsP,InGaAlAs/InP：光纤通信光电子器件 InGaAlAs/InP：光纤通信光电子器件 InGaAs/GaAs,InP：欧姆接触（ohmic contact），量子阱（quantum well）InGaAsP/GaAs：红，红外激光，检测器 GaInAlN/各种衬底：绿，蓝，紫外发光二极管，激光器,1.6 常见半导体材料及其应用,2023/7/10,55,思考题,1，了解各种半导体材料以及半导体材料的分类。2，半导体材料在信息功能材料中的应用与地位。,
