,信息功能材料,思考题： 1） 以最新款手机为例，讨论该电子设备所包括的信息材料类型及各自的研究发展方向？ 2）以半导体技术发展为例讨论信息材料发展方向？,课间作业：写5种你认为不常见的信息材料,传感器件,半导体芯片,半导体技术,液晶材料,光学材料,金属材料,磁性材料,拍照功能,显示功能,金属外壳,信号接受,对话功能,电子线路,照片存储,功能材料,介电材料,2.1 引言及材料分类,材料可分为单晶、多晶、非晶、准晶和液晶,材料则可分为无机材料与有机材料。,材料可分为结构材料和功能材料。,按状态分，,从化学的角度，,从应用来看，,根据材料的用途，,材料可分为信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料等。,但就大的类别可以分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类。,2.1 引言及材料分类,材料可分为0D, 1D, 2D, 3D, 即纳米颗粒, 纳米线，纳米片，块体纳米材料。,按照产物的维数，,2.1 信息与信息材料,活字印刷术,火星探测器,信息既非物质也非能量，却是构成世界的要素。 信息已经成为一种宝贵的资源。 现代信息技术对各种信息的收集、存储、处理、传递和显示是通过各种信息功能器件来实现的，而信息功能器件又是以各种信息材料为主构成的。,2.1 信息与信息材料,信息材料产品,信息时代,信息材料就是指与现代信息技术相关、用于信息的收集、存储、处理、传递和显示的材料。,根据信息材料的功能，可把信息材料主要分为： 信息收集材料 信息存储材料 信息处理材料 信息传递材料 信息显示材料,信息收集传感器,信息存储器,信息处理芯片,信息传递与发射,信息显示器,2.1 信息材料分类,人体本身就是集收集、存储、处理、传递和显示信息功能之大成的一个信息系统。 眼睛具有视觉功能； 耳朵具有听觉功能； 鼻子具有嗅觉功能； 舌头具有味觉功能； 皮肤具有触觉功能； 各种神经细胞将得到信息传递给大脑； 大脑可以分析、判断、处理、存储信息，通过神经网络向四肢传递信息、发布命令； 肌肉、四肢根据大脑指令对感知信息迅速做出反应。,收集信息,传送信息,存储和处理信息,显示信息,信息收集材料 信息存储材料 信息处理材料 信息传递材料 信息显示材料,2.1 信息材料分类,信息材料分类,信息收集材料 信息存储材料 信息处理材料 信息传递材料 信息显示材料,信息材料分类,信息收集材料 信息存储材料 信息处理材料 信息传递材料 信息显示材料,信息收集材料是指用于信息传感和探测的一类对外界信息敏感的材料。 在外界信息如力、热、光、磁、电、化学或生物信息的影响下，这类材料的物理或化学性质(主要是电学性质)会发生相应变化，通过测量这些变化可方便精确地探测、接收和了解外界信息变化。 信息传感材料主要包括力敏传感材料、热敏传感材料、光敏传感材料、磁敏传感材料、气敏材料、湿敏材料、压敏材料、生物传感材料等。,2.2 信息收集材料,力敏传感材料是指在外力作用下电学性质会发生明显变化的材料，主要分为金属应变电阻材料和半导体压阻材料两大类。 金属应变电阻材料主要有康铜系合金、锰铜合金、镍铁铝铁合金、镍铬合金、铁铬铝合金等。 半导体压阻材料主要是单晶硅。,金属应变电阻材料-康铜合金,半导体压阻材料-单晶硅片,2.2 信息收集材料,半导体压阻材料便于力敏传感器件的微型化和集成化，在常温下有大量应用，逐步取代金属型应变计。 金属应变电阻材料的电阻温度系数、温度灵敏度系数等都比半导体好，具有很高的延展性和抗拉强度，在耐高温、大应变、抗辐射等场合得到广泛使用。,力敏传感器,2.2 信息收集材料,热敏传感材料是指对温度变化具有灵敏响应的材料,主要是电阻随温度显著变化的半导体热敏电阻陶瓷。 根据电阻温度系数的正负，可分为正温度系数(BaTiO3、V2O5为基的热敏陶瓷)和负温度系数(过渡金属氧化物为基的热敏陶瓷)热敏材料两类。,热敏PTC传感器,热敏NTC传感器,2.2 信息收集材料,光敏传感材料在光照下会因各种效应产生光生载流子，用于制作光敏电阻、光敏三极管、光电耦合器和光电探测器。 最常用的光学敏感材料是锗、硅和II-VI族、IV-VI族中的一些半导体化合物等，如CdS、CdSe和PbS等半导体化合物。,光敏二极管,光敏三极管,光电耦合器,2.2 信息收集材料,磁敏电阻材料是指具有磁性各向异性效应的磁敏材料。 这类材料在磁化方向平行电流方向时，阻值最大；在磁化方向垂直于电流方向时，阻值较小。改变磁化方向与电流方向夹角，即可改变磁敏电阻材料的阻值。 强磁性簿膜磁敏电阻材料主要是NiCo和NiFe合金薄膜，可制备磁敏二极管或三极管，灵敏度高、温度特性好，可用于磁场测量。,薄膜磁敏电阻,2.2 信息收集材料,巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象. 法国科学家阿尔贝和德国科学家彼得分别独立发现巨磁阻效应，共同获得2007年诺贝尔物理学奖。 开发的小型大容量硬盘已得到广泛应用。,2007年诺贝尔物理学奖获得者阿尔贝(右)和彼得(左),2.2 信息收集材料,传统磁头的磁致电阻变化仅为1-2之间，读取数据要求一定强度的磁场，且磁道密度不能太大，硬盘最大容量只能达到20Mb/in2。 1994年，IBM公司研制成功巨磁阻效应读出磁头，磁头存储密度迅速提高到3Gb/in2，磁盘记录从4Gb提升到600Gb或更高。,硬盘读写磁头工作原理,2.2 信息收集材料,采用Spin-valve材料研制的新一代硬盘读出磁头存储密度已提高到560Gb/in2；随着低电阻高信号的TMR材料获得，磁头存储密度达到1000Gb/in2。 2007年，全球最大硬盘厂商希捷科技宣布，第四代DB35系列硬盘已达到1TB容量。 巨磁阻技术已成为全世界所有电脑、数码相机、移动存储介质的标准技术。,MP4,MP5,2.2 信息收集材料,气敏材料是对气体敏感，电阻值会随外界气体种类和浓度变化的材料，如SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2、TiO2和WO2等n型或p型金属氧化物半导体。 气敏材料用于制作气敏传感器，吸附气体后载流子数量变化将导致表面电阻率变化，进而对气体的种类和浓度进行探测。,SnO2气敏传感器,矿用SnO2瓦斯检测器,2.2 信息收集材料,湿敏材料是指电阻值随环境湿度增加而显著增大或降低的一些材料。 陶瓷湿敏材料主要有MgCr2O3系、ZnCr2O3系和MnWO4、NiWO4等。 高分子湿敏材料是指吸湿后电阻率或介电常数会发生变化的高分子电解质膜，如吸湿性树脂、硝化纤维系高分子膜。,湿敏电阻器件,2.2 信息收集材料,信息材料分类,信息收集材料 信息存储材料 信息处理材料 信息传递材料 信息显示材料,信息存储材料是指用来制作各种信息存储器的一些能够记录和存储信息的材料。 在外加物理场（如电场、磁场、光照等）的影响下，信息存储材料发生物理或化学变化，实现对信息的存储。 主要介绍磁记录材料和光存储材料。,磁记录材料,光存储材料,2.2 信息存储材料,磁记录材料,磁记录材料可方便地进行数据的存储和读取工作。 磁性存贮器具有容量大、成本低等优点； 磁记录装置可将记录下来的信号进行放大或缩小，使科研中的数据处理更为方便灵活； 磁卡可用于存取款、图书保存以及乘坐交通工具的票证等，方便人们生活。,磁卡,录像带,2.2 信息存储材料,颗粒涂布型磁记录介质,颗粒涂布型磁记录介质是将磁粉、非磁性胶粘剂和少量添加剂等形成的均匀磁性浆料，涂布于聚酯薄膜上制成。 磁粉包括-Fe2O3、BaO-Fe2O3、金属粉等。,颗粒涂布型磁记录介质录像带,2.2 信息存储材料,金属磁粉,金属磁粉特点是具有较高的磁感应强度和矫顽力。 纯铁磁化强度达1700emu/cm3，可在较薄的磁层内得到较大的读出信号；小针状铁粒子可提供较高矫顽力，使磁记录介质承受较大的外场作用。 金属磁粉缺点是稳定性差，易氧化或发生其它反应，常用表面钝化或合金化等办法控制表面氧化，但降低粒子的磁化强度。,工业纯Fe粉,小粒径Fe粉微观形貌：针状和球状,2.2 信息存储材料,钡铁氧体磁粉,钡铁氧体来源丰富，成本低，有较高的矫顽力和磁能积，抗氧化能力强，是一种应用广泛的永磁材料。 钡铁氧体矫顽力高达398kA/m，本不适于作磁记录介质，以下特点使其可成为理想高密度磁记录材料： 六方形平板结构和垂直于平板的易磁化轴使它适合作垂直记录介质； 用Co2+和Ti2+离子取代部分Fe2+，适当降低其矫顽力； 可制备出直径很小的粒子。,钡铁氧体器件,2.2 信息存储材料,垂直记录1英寸磁盘，容量为10G,垂直记录硬盘,垂直记录硬盘工作原理,2.2 信息存储材料,高记录密度连续膜介质,为在减薄磁层的同时仍得到足够高的输出电压，须采用连续薄膜型介质。,连续型磁性薄膜与涂布型非连续磁性介质性能比较,2.2 信息存储材料,连续膜介质的磁性能、信噪比优于颗粒涂布介质。 颗粒涂布型介质磁粉间存在胶粘剂，间隔较远，静磁耦合较弱，磁滞回线矩形度较差，剩磁亦低。连续膜介质无须采用粘合剂等非磁性物质，晶粒间的磁性耦合也较强，磁滞回线矩形度较好，剩磁高。 颗粒涂布型介质的噪声与磁粉平均粒径成正比，连续膜介质的噪声与晶粒平均尺寸成正比。在一个记录空间内连续膜包含的晶粒数是颗粒涂布型介质中颗粒数的10-50倍，因而连续膜的噪声要低得多。,高记录密度连续膜介质,2.2 信息存储材料,磁头材料,从录音带到计算机都要用磁头。 磁头的基本功能是与磁记录介质构成磁性回路，对信息进行加工，包括记录(录音、录像、录文件)、重放(读出信息)、消磁(抹除信息)3种功能。,硬盘磁头,录音磁头,2.2 信息存储材料,晶态磁性合金,最早应用的磁头是用磁性合金片叠成的。 最重要的三种合金是钼坡莫合金(4Mo，17Fe-Ni)铝铁合金(16Al-Fe)和铝硅铁合金(5.4A1，9.6Si-Fe)。,磁头用晶态合金的磁性能,2.2 信息存储材料,钼坡莫合金和铝硅铁合金可使材料的磁致伸缩接近零，加上饱和磁化强度高，具有良好的记录特性。 钼坡莫合金的磨损率相对高，对腐蚀敏感，导磁率随工作频率提高迅速下降，必须压成薄片使用； 铝硅铁合金硬度高，机械加工的难度很大； 铝铁合金性能介于钼坡莫和铝硅铁之间，容易加工，虽然磁导率较低，但在较多情况下仍广泛使用。,晶态磁性合金,坡莫合金(NiFe)器件,AlFeSi 合金器件,2.2 信息存储材料,非晶态磁性合金,钴基非晶材料磁导率高，磁致伸缩系数为零，磁感应强度相当高，居里温度高，很适于做磁头材料，但价格贵，一定程度上限制其大规模应用； 铁基非晶材料Fe72Cr8P13C7，磁感应强度可达1.3T，硬度Hv达到850-900，比铁铝硅还高，但加工容易，成本低，是理想的磁头材料。,铁基非晶材料,钴基非晶材料,2.2 信息存储材料,软磁铁氧体,用于磁头的高磁导率铁氧体有NiZn铁氧体和MnZn铁氧体，磁性随Ni/Zn或Mn/Zn比而变化。 MnZn铁氧体在几十兆赫时有仍具有较高的磁导率，较低的矫顽力，较高的饱和磁感应强度，应用十分广泛。 NiZn铁氧体具有更高的电阻率，应用频率高。,MnZn铁氧体器件,NiZn铁氧体器件,2.2 信息存储材料,光存储材料,将要存储的信息、模拟量或数字量，通过调制激光聚焦到记录介质上，使介质的光照微区发生物理或化学的变化实现记录，这就是信息的写入。 读出信息时，低功率密度的激光扫描信息轨道，反射光通过光电检测器检测、解调取出所要信息。,存储光盘,2.2 信息存储材料,光存储材料是由记录介质层、反射层以及保护层等构成的、具有光学匹配的多层结构。这种在衬盘上沉积了光存储材科的盘片称为光盘。 多层膜通常用物理或化学方法沉积在衬盘上。,光存储材料,存储光盘,2.2 信息存储材料,光盘存储材料特点,光盘存储优点： 高存储密度：普通光盘单面可存储640兆字节；高密度DVD光盘容量在8G以上。 非接触式读、写信息：非接触式读、写不会让光学头或盘面磨损、划伤，并能自由更换光盘。 长存储寿命：磁盘存储的信息一般为2-3