專業(yè)導(dǎo)論10-3

1、材料物理（材料物理（3）小小 結(jié)結(jié)需要材料物理的領(lǐng)域：需要材料物理的領(lǐng)域： 新發(fā)展起來的高科技材料，非常重要，應(yīng)用新發(fā)展起來的高科技材料，非常重要，應(yīng)用非常廣泛非常廣泛 我國已經(jīng)在很多方面成為世界第一生產(chǎn)大國我國已經(jīng)在很多方面成為世界第一生產(chǎn)大國 這些材料性能還迫切需要大大提高這些材料性能還迫切需要大大提高 大部分核心技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)我國沒有掌握大部分核心技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)我國沒有掌握 有非常大的發(fā)展前途有非常大的發(fā)展前途電子信息科學(xué)中的材料物理電子信息科學(xué)中的材料物理 20世紀(jì)對人類社會的最大沖擊是以世紀(jì)對人類社會的最大沖擊是以 半導(dǎo)體半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的電子信息技術(shù)為基礎(chǔ)的電子信息技術(shù) -電子信息時代（半

2、導(dǎo)體時代）電子信息時代（半導(dǎo)體時代） 人類的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、科研手段、戰(zhàn)爭模式、人類的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、科研手段、戰(zhàn)爭模式、 乃至生活方式、思想方式都產(chǎn)生了躍變乃至生活方式、思想方式都產(chǎn)生了躍變信息技術(shù)能夠有今天，材料起了關(guān)鍵作用信息技術(shù)能夠有今天，材料起了關(guān)鍵作用 用到大量具有一定物理性能的材料用到大量具有一定物理性能的材料計算機發(fā)展靠什么計算機發(fā)展靠什么 電子信息技術(shù)核心是大家非常熟悉的計算機電子信息技術(shù)核心是大家非常熟悉的計算機 計算機已經(jīng)是不可或缺的工具計算機已經(jīng)是不可或缺的工具是否想到：是否想到： 計算機的功能是怎么實現(xiàn)的計算機的功能是怎么實現(xiàn)的? 計算機是靠什么發(fā)展起來的？計算機是靠什么發(fā)展起來

3、的？ 材料在計算機發(fā)展中起了決定性作用材料在計算機發(fā)展中起了決定性作用計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展 人類社會生活和科學(xué)技術(shù)需要計算人類社會生活和科學(xué)技術(shù)需要計算 為了需要發(fā)明出各種計算方法為了需要發(fā)明出各種計算方法 筆算筆算 算籌算籌 珠算珠算 計算尺（對數(shù)計算尺）計算尺（對數(shù)計算尺） 手搖計算機手搖計算機 計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需要越來越多的計算（計算科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需要越來越多的計算（計算量，計算速度）量，計算速度） 1946年年Honeywell公司研制出第一臺電子計公司研制出第一臺電子計算機算機ENIAC （安裝在（安裝在UP）, 計算彈道，計算彈道，17468個真空電子管

4、，個真空電子管，460m3， 100m2房間，房間，耗能耗能174千瓦千瓦 龐大，速度慢，耗能高龐大，速度慢，耗能高 面臨的問題：計算機進(jìn)一步怎么發(fā)展？面臨的問題：計算機進(jìn)一步怎么發(fā)展？燈絲燈絲柵極柵極陽極陽極計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展 1949年有計算機專家預(yù)言：未來與年有計算機專家預(yù)言：未來與ENIAC同等功能的同等功能的計算機，只需要計算機，只需要1500個電子管，象汽車一樣大，耗能個電子管，象汽車一樣大，耗能10千瓦千瓦（僅從電路設(shè)計考慮）（僅從電路設(shè)計考慮） 計算速度慢，每秒運算計算速度慢，每秒運算5000次（現(xiàn)在次（現(xiàn)在500萬億次）萬億次） (08年年9月報道月報道:我國新制成曙光

5、我國新制成曙光5000A每秒每秒230萬億次萬億次) 如果讓如果讓ENIAC一直工作到今天，一直工作到今天，60年的計算工作量不年的計算工作量不到現(xiàn)在最新計算機到現(xiàn)在最新計算機0. 01秒的計算工作量秒的計算工作量 山窮水盡疑無路山窮水盡疑無路 電子管決定的，只有找新材料來解決電子管決定的，只有找新材料來解決-半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料材料解救計算機于困境材料解救計算機于困境（半導(dǎo)體材料）（半導(dǎo)體材料）半導(dǎo)體材料的發(fā)展和應(yīng)用半導(dǎo)體材料的發(fā)展和應(yīng)用 解救計算機于困境解救計算機于困境 1947年年12月月23日巴丁、肖克來、布拉頓展示日巴丁、肖克來、布拉頓展示了世界第一只半導(dǎo)體材料制備的晶體管的放了世界

6、第一只半導(dǎo)體材料制備的晶體管的放大作用大作用 1950年制出第一只實用晶體管年制出第一只實用晶體管 （1956年獲諾貝爾獎）年獲諾貝爾獎）計算機發(fā)展與材料物理計算機發(fā)展與材料物理（半導(dǎo)體）（半導(dǎo)體）半導(dǎo)體材料（半導(dǎo)體材料（Semiconductor）電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間 10-4 1010 cm元素半導(dǎo)體：元素半導(dǎo)體：Si、Ge， 化合物半導(dǎo)體：化合物半導(dǎo)體：III-V族族GaAs，GaN，GaAlN II-VI族族CdS，ZnS，ZnO 計算機發(fā)展與材料物理計算機發(fā)展與材料物理（半導(dǎo)體）（半導(dǎo)體） 微量雜質(zhì)，晶體缺陷，外加電場，磁場，光，溫度，微量雜質(zhì)，晶體缺

7、陷，外加電場，磁場，光，溫度，環(huán)境（氣氛，濕度）等會使電阻率發(fā)生巨大變化，常環(huán)境（氣氛，濕度）等會使電阻率發(fā)生巨大變化，常常是數(shù)量級的變化常是數(shù)量級的變化極為廣泛的應(yīng)用極為廣泛的應(yīng)用 微電子，太陽能電池，微電子，太陽能電池，LED光源，激光器，透明導(dǎo)電光源，激光器，透明導(dǎo)電膜，光電轉(zhuǎn)換，傳感器，通訊，遙控器膜，光電轉(zhuǎn)換，傳感器，通訊，遙控器 沒有沒有半導(dǎo)體材料就沒有現(xiàn)代科技半導(dǎo)體材料就沒有現(xiàn)代科技 半導(dǎo)體時代半導(dǎo)體時代 為什么會有這樣性質(zhì)？不是僅僅電阻大一些為什么會有這樣性質(zhì)？不是僅僅電阻大一些 搞材料的人如果不懂半導(dǎo)體材料實在遺憾搞材料的人如果不懂半導(dǎo)體材料實在遺憾 計算機發(fā)展與材料物理計算

8、機發(fā)展與材料物理（半導(dǎo)體）（半導(dǎo)體）半導(dǎo)體中導(dǎo)帶與價帶不重疊，半導(dǎo)體中導(dǎo)帶與價帶不重疊， 但能量間隙不寬但能量間隙不寬 （幾電子伏特，（幾電子伏特，eV） 能帶能帶-量子力學(xué)的概念量子力學(xué)的概念半導(dǎo)體的發(fā)展完全由于半導(dǎo)體的發(fā)展完全由于 量子力學(xué)的建立量子力學(xué)的建立 研究半導(dǎo)體材料需要材料物理研究半導(dǎo)體材料需要材料物理 (清華材料專業(yè)要學(xué)量子力學(xué)的清華材料專業(yè)要學(xué)量子力學(xué)的)價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶Eg禁帶禁帶計算機發(fā)展與材料物理計算機發(fā)展與材料物理（半導(dǎo)體）（半導(dǎo)體）19251926 量子力學(xué)量子力學(xué)建立建立 （1929、32、33諾貝爾獎）諾貝爾獎） 二十世紀(jì)最重要的成就之一二十世紀(jì)最重要的成就之一

9、 電子的波動性（用波函數(shù)描述電子）電子的波動性（用波函數(shù)描述電子）研究晶體中的電子行為：研究晶體中的電子行為：泡利原理，能級和能帶理論，電子和空穴概念，泡利原理，能級和能帶理論，電子和空穴概念，費米面，場效應(yīng)原理費米面，場效應(yīng)原理 為半導(dǎo)體材料的發(fā)展和應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體材料的發(fā)展和應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)計算機發(fā)展與材料物理計算機發(fā)展與材料物理（半導(dǎo)體）（半導(dǎo)體） 半導(dǎo)體管原理早已經(jīng)設(shè)計好，但無法實現(xiàn)半導(dǎo)體管原理早已經(jīng)設(shè)計好，但無法實現(xiàn) 晶體中缺陷的影響（雜質(zhì)，位錯，晶界等）晶體中缺陷的影響（雜質(zhì)，位錯，晶界等） Si-99.9999999%，加入，加入1ppm就可以變?yōu)榱紝?dǎo)體就可以變?yōu)榱紝?dǎo)體

10、制備出完整制備出完整(無缺陷無缺陷)的鍺的鍺單晶單晶體（體（1950年）年） （物理與材料相互促進(jìn)）（物理與材料相互促進(jìn)） 大量生產(chǎn)，質(zhì)量，價格大量生產(chǎn)，質(zhì)量，價格 收音機，收音機，晶體管計算機晶體管計算機 直徑直徑300mm，長，長1m多多計算機發(fā)展與材料物理計算機發(fā)展與材料物理（半導(dǎo)體）（半導(dǎo)體） 晶體管計算機晶體管計算機 我國我國1964年研制成功哈工大康鵬年研制成功哈工大康鵬 1965年計算所年計算所 減小了體積減小了體積 提高了運算速度提高了運算速度 減低了能耗減低了能耗 還是遠(yuǎn)不能滿足科技發(fā)展的需要還是遠(yuǎn)不能滿足科技發(fā)展的需要計算機發(fā)展與材料物理計算機發(fā)展與材料物理（半導(dǎo)體）（半導(dǎo)

11、體） 1958年德州儀器公司年德州儀器公司基爾比基爾比發(fā)明集成電路發(fā)明集成電路 （ IC，五個元件，移相振蕩器）五個元件，移相振蕩器） （2000年諾貝爾獎）年諾貝爾獎） 1961年第一臺集成電路計算機年第一臺集成電路計算機 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路 進(jìn)入了高速發(fā)展時代進(jìn)入了高速發(fā)展時代 前提：大尺寸無缺陷單晶體前提：大尺寸無缺陷單晶體 （材料物理曾研究）（材料物理曾研究）微處理器和內(nèi)存微處理器和內(nèi)存 微處理器核心微處理器核心芯片芯片 芯片芯片（Chips） 超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路 龍芯龍芯 我國自主研制我國自主研制 “龍芯龍芯”二號的性能相于二

12、號的性能相于 英特爾英特爾P-III微處理器和內(nèi)存微處理器和內(nèi)存每個集成電路上有幾千萬、每個集成電路上有幾千萬、上上億個晶體管億個晶體管 內(nèi)存條內(nèi)存條微處理器和內(nèi)存微處理器和內(nèi)存Si單晶片單晶片 （材料）（材料）沉積多層薄膜沉積多層薄膜 構(gòu)成構(gòu)成 晶體管，導(dǎo)線，絕緣層晶體管，導(dǎo)線，絕緣層微納加工（光刻）微納加工（光刻） 龍芯二號為龍芯二號為0.18微米工藝微米工藝 目前主流目前主流45納米技術(shù)納米技術(shù) 2010年年7月，成功研發(fā)月，成功研發(fā)65納米技納米技術(shù)，批量生產(chǎn)（自主知識產(chǎn)權(quán)）術(shù)，批量生產(chǎn)（自主知識產(chǎn)權(quán)） 45納米技術(shù)將引進(jìn)納米技術(shù)將引進(jìn)微處理器和內(nèi)存微處理器和內(nèi)存 其中有很多問題其中有

13、很多問題 集成電路中晶體管如何構(gòu)成集成電路中晶體管如何構(gòu)成 集成電路中導(dǎo)線（布線）集成電路中導(dǎo)線（布線） Al，Cu （與周圍物質(zhì)的反應(yīng)）（與周圍物質(zhì)的反應(yīng)）電遷移電遷移-原子在電場作用下遷移原子在電場作用下遷移 幾萬伏幾萬伏 / cm絕緣層絕緣層-材料，制備材料，制備Vd場強場強=V/d計算機發(fā)展的計算機發(fā)展的Moore定律定律 Intel公司的創(chuàng)始人之一公司的創(chuàng)始人之一G. Moore博士博士1965年年注意到，集成在一塊芯片上的晶體管數(shù)目是注意到，集成在一塊芯片上的晶體管數(shù)目是與時間按指數(shù)律增長的，大約每一年半翻一與時間按指數(shù)律增長的，大約每一年半翻一番，稱為番，稱為Moore第一定律第

14、一定律。 集成電路的加工成本也是按指數(shù)增長的，每集成電路的加工成本也是按指數(shù)增長的，每三年翻一番，稱為三年翻一番，稱為Moore第二定律第二定律。Moore第一定律第一定律 以前很好驗證，但今后不是無止境的以前很好驗證，但今后不是無止境的80861970 1980 1990 2000103105107802868038680486pentium80786計算機發(fā)展將近極限計算機發(fā)展將近極限 經(jīng)過經(jīng)過30多年的快速發(fā)展，以微電子為基礎(chǔ)的信多年的快速發(fā)展，以微電子為基礎(chǔ)的信息技術(shù)將達(dá)到物理極限，對信息科技發(fā)展提出息技術(shù)將達(dá)到物理極限，對信息科技發(fā)展提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn) 極限：極限： 按按Moo

15、re定律發(fā)展，到定律發(fā)展，到2010年只需要年只需要8個電子個電子， 2020年則需要年則需要不到不到1個電子個電子計算機發(fā)展將到極限計算機發(fā)展將到極限 極限極限 電子有波粒二象性，納米尺寸將小于電子波的電子有波粒二象性，納米尺寸將小于電子波的相干長度，電子的相干長度，電子的量子干涉效應(yīng)量子干涉效應(yīng)將起重要作用將起重要作用（電子的波長（電子的波長10nm） 怎么辦？怎么辦？ 上次是半導(dǎo)體解決了計算機的困境上次是半導(dǎo)體解決了計算機的困境 這次還是要從物理和材料上想辦法這次還是要從物理和材料上想辦法計算機發(fā)展與材料物理計算機發(fā)展與材料物理 需要借助量子理論需要借助量子理論 量子計算機，量子通信量子

16、計算機，量子通信 光計算機光計算機 物理學(xué)提供新的概念物理學(xué)提供新的概念 材料物理研究新材料來實現(xiàn)材料物理研究新材料來實現(xiàn) 分子電子學(xué)分子電子學(xué) 可能要有一種全新的量子邏輯代替經(jīng)典的算法可能要有一種全新的量子邏輯代替經(jīng)典的算法 納米科技的推動力納米科技的推動力 必須具有深厚的物理基礎(chǔ)才行必須具有深厚的物理基礎(chǔ)才行 2009年年6月月28日報道，美國耶魯大學(xué)的研究人員研制日報道，美國耶魯大學(xué)的研究人員研制出世界上首個出世界上首個固態(tài)量子處理器固態(tài)量子處理器 制成了制成了兩個量子比特可以像單原子一樣具有兩種不同兩個量子比特可以像單原子一樣具有兩種不同的能量狀態(tài)的能量狀態(tài)，類似傳統(tǒng)計算機中的，類似傳

17、統(tǒng)計算機中的“1”和和“0”或者說或者說是是“開開”和和“關(guān)關(guān)”。獲得更強大的信息存儲和處理能。獲得更強大的信息存儲和處理能力。力。 雖然距制造出一臺實用量子計算機還有一段距離，但雖然距制造出一臺實用量子計算機還有一段距離，但這確實是一個巨大的進(jìn)步。量子計算機無疑擁有著巨這確實是一個巨大的進(jìn)步。量子計算機無疑擁有著巨大的潛力。大的潛力。 2010年年05月月26日美國與澳大利亞科日美國與澳大利亞科學(xué)家成功制造出世界上最小的晶體學(xué)家成功制造出世界上最小的晶體管管由由7個原子在單晶硅表面構(gòu)個原子在單晶硅表面構(gòu)成的一個成的一個“量子點量子點”，標(biāo)志著我們，標(biāo)志著我們向計算能力的新時代邁出了重要一向計

18、算能力的新時代邁出了重要一步步 雖然這個量子點非常小，長度只有雖然這個量子點非常小，長度只有十億分之四米，但卻是一臺功能健十億分之四米，但卻是一臺功能健全的電子設(shè)備，也是世界上第一臺全的電子設(shè)備，也是世界上第一臺用原子造出來的電子設(shè)備。它不僅用原子造出來的電子設(shè)備。它不僅能用于調(diào)節(jié)和控制像商業(yè)晶體管這能用于調(diào)節(jié)和控制像商業(yè)晶體管這樣的設(shè)備的電流，而且樣的設(shè)備的電流，而且標(biāo)志著我們標(biāo)志著我們向原子刻度小型化和超高速、超強向原子刻度小型化和超高速、超強大電腦新時代邁出的重要一步大電腦新時代邁出的重要一步 這是量子點設(shè)備模板，中間的小孔這是量子點設(shè)備模板，中間的小孔就是由就是由7個磷原子構(gòu)成的個磷原

19、子構(gòu)成的 2010年年8月月25日報道日報道 ，加州大學(xué)戴維，加州大學(xué)戴維-艾維薩洛姆艾維薩洛姆 在鉆石片上刻了無數(shù)充氮小孔。這些充氮鉆石可以存在鉆石片上刻了無數(shù)充氮小孔。這些充氮鉆石可以存儲信息的數(shù)量儲信息的數(shù)量是目前硅芯片系統(tǒng)的數(shù)百萬倍，同時信是目前硅芯片系統(tǒng)的數(shù)百萬倍，同時信息處理速度也是后者的數(shù)十倍息處理速度也是后者的數(shù)十倍 精確排列的氮孔陣列植入鉆石層的辦法，并未使用任精確排列的氮孔陣列植入鉆石層的辦法，并未使用任何過于復(fù)雜的技術(shù)就實現(xiàn)了這一目標(biāo)何過于復(fù)雜的技術(shù)就實現(xiàn)了這一目標(biāo) 在基于鉆石的量子電腦中，信息可以存儲于多余電子在基于鉆石的量子電腦中，信息可以存儲于多余電子的旋轉(zhuǎn)中。這意

20、味著，信息不僅可以作為的旋轉(zhuǎn)中。這意味著，信息不僅可以作為“0”或或“1”來存儲，而且來存儲，而且還能以電子旋轉(zhuǎn)的方位存儲還能以電子旋轉(zhuǎn)的方位存儲。雖然難以。雖然難以得出一個準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)論，但科學(xué)家表示，相比于現(xiàn)得出一個準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)論，但科學(xué)家表示，相比于現(xiàn)有的硅芯片電腦，新技術(shù)將大大增強電腦的計算能力。有的硅芯片電腦，新技術(shù)將大大增強電腦的計算能力。 計算機發(fā)展與材料計算機發(fā)展與材料 計算機兩年左右就更新一代計算機兩年左右就更新一代 運算能力：芯運算能力：芯 片片 存貯能力：存貯能力：硬硬 盤盤顯示：顯示： 顯示屏顯示屏 都是靠材料的發(fā)展都是靠材料的發(fā)展磁記錄材料磁記錄材料 計算機必須要有記

21、錄系統(tǒng)計算機必須要有記錄系統(tǒng) 存貯程序、數(shù)據(jù)等存貯程序、數(shù)據(jù)等 要求：容易寫入和讀出要求：容易寫入和讀出 最好的當(dāng)然是磁性材料最好的當(dāng)然是磁性材料 矯頑力比較高的硬磁材料矯頑力比較高的硬磁材料 硬磁硬磁 軟磁軟磁 （光盤）（光盤） 為什么有些材料會有磁性？為什么有些材料會有磁性？ 怎么得到需要的磁性？怎么得到需要的磁性？ 四大發(fā)明四大發(fā)明-指南針指南針磁記錄材料磁記錄材料 最初用最初用磁鼓磁鼓-大量磁芯大量磁芯 每個磁芯一個字節(jié)（每個磁芯一個字節(jié)（bite） 鐵氧體鐵氧體-鐵氧化物與其他一種或幾種金鐵氧化物與其他一種或幾種金屬氧化物的復(fù)合氧化物屬氧化物的復(fù)合氧化物 鋇鐵氧體（鋇鐵氧體（BaO

22、Fe2O3） 體積大，存貯量小體積大，存貯量小 磁盤磁盤（軟盤）（軟盤） 怎么辦？找新磁性材料怎么辦？找新磁性材料計計 算算 機機 硬硬 盤盤硬盤的核心：硬盤的核心：硬盤：硬盤：存貯存貯讀頭：讀頭：讀、寫讀、寫 微型硬盤微型硬盤micro hard disk drive計計 算算 機機 硬硬 盤盤 硬盤：磁性材料（保存，擦寫）硬盤：磁性材料（保存，擦寫） Co-Cr薄膜（水平取向）薄膜（水平取向） （厚度幾十納米）（厚度幾十納米） 多層膜（過渡層，保護(hù)層）多層膜（過渡層，保護(hù)層） 讀頭讀頭電電磁轉(zhuǎn)換磁轉(zhuǎn)換 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng) （薄膜）（薄膜） 記錄密度記錄密度 讀取速度讀取速度計計 算算 機機

23、硬硬 盤盤 遇遇 到到 困困 難難發(fā)展到了幾百兆發(fā)展到了幾百兆電磁感應(yīng)讀頭無法做得更小電磁感應(yīng)讀頭無法做得更小 記錄密度難以進(jìn)一步提高記錄密度難以進(jìn)一步提高 讀取速度也提不上去讀取速度也提不上去 怎么辦？怎么辦？-找新材料找新材料光盤：密度高光盤：密度高-G bite，不能擦寫，不能擦寫 研究可擦寫光盤研究可擦寫光盤-沒有行通沒有行通 山窮水盡疑無路山窮水盡疑無路 2007年諾貝爾獎年諾貝爾獎1988年法國年法國 A. Fert 德國德國 P. Grunberg 發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng) 2007年諾貝爾獎年諾貝爾獎巨磁電阻材料突破巨磁電阻材料突破在在Fe和和Cr納米多層膜中發(fā)現(xiàn)納米多

24、層膜中發(fā)現(xiàn)很大的磁電阻效應(yīng)很大的磁電阻效應(yīng) 磁場會引起材料電阻改變磁場會引起材料電阻改變稱為稱為Giant Magnet Resistance，簡稱，簡稱GMR納米材料最重要應(yīng)用納米材料最重要應(yīng)用 使存貯密度提高幾百倍，幾百使存貯密度提高幾百倍，幾百G（幾千億）（幾千億） 讀頭讀頭10nm，每個磁單元尺寸幾微米每個磁單元尺寸幾微米 2007年諾貝爾獎年諾貝爾獎CrFeCrFeCrFe巨磁電阻材料巨磁電阻材料 磁電阻效應(yīng)磁電阻效應(yīng)： 物質(zhì)的電阻在磁場中發(fā)生變化的物質(zhì)的電阻在磁場中發(fā)生變化的效應(yīng)效應(yīng) MR = / 很多物質(zhì)都有磁電阻效應(yīng)，只是很多物質(zhì)都有磁電阻效應(yīng)，只是太小，無法應(yīng)用太小，無法應(yīng)用

25、 磁測量需要轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌拍軠y磁測量需要轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌拍軠y量和處理量和處理0H計計 算算 機機 硬硬 盤盤 讀頭讀頭-巨磁電阻材料巨磁電阻材料 測磁通測磁通 更高速度更高速度 硬盤：提高記錄密度硬盤：提高記錄密度 Co-Cr薄膜（垂直取向）薄膜（垂直取向） 如何控制？如何控制？ Fe-Pt薄膜薄膜巨磁電阻材料巨磁電阻材料 為什么會有磁電阻為什么會有磁電阻?磁性來源于電子的自旋磁性來源于電子的自旋 電子除了軌道運動以外還有自旋電子除了軌道運動以外還有自旋 量子力學(xué)中的概念量子力學(xué)中的概念 不是經(jīng)典的轉(zhuǎn)動（電子直徑不是經(jīng)典的轉(zhuǎn)動（電子直徑0） 電子的兩種不同狀態(tài)電子的兩種不同狀態(tài) 電子自旋是磁性的

26、基礎(chǔ)電子自旋是磁性的基礎(chǔ)巨磁電阻材料巨磁電阻材料 無外磁場反鐵磁耦合無外磁場反鐵磁耦合 磁場中趨于外場方向磁場中趨于外場方向 不同自旋的電子有不同的行為不同自旋的電子有不同的行為 電子自旋取向與磁矩矢量平行時，散射弱，自由路電子自旋取向與磁矩矢量平行時，散射弱，自由路徑長，電阻率低徑長，電阻率低 r，反之電阻率高，反之電阻率高 R巨磁電阻材料巨磁電阻材料 RT=（R+r）/2 RT=2Rr/（R+r） 材料內(nèi)部磁矩與不同自旋的電子的作用材料內(nèi)部磁矩與不同自旋的電子的作用 引起了電阻率變化引起了電阻率變化RRrrrRRr巨巨 磁磁 電電 阻阻 材材 料料 實際要復(fù)雜得多，多層膜，每層什么材料實際

27、要復(fù)雜得多，多層膜，每層什么材料? 交換偏置作用交換偏置作用等等 可以測量可以測量地磁場十萬分之一地磁場十萬分之一保護(hù)層保護(hù)層反鐵磁釘扎層反鐵磁釘扎層釘扎磁性層釘扎磁性層非磁隔離層非磁隔離層自由磁性層自由磁性層緩沖層緩沖層基片基片每層均為幾納米厚每層均為幾納米厚巨磁電阻材料巨磁電阻材料直接反映磁場強度，敏感性非常高直接反映磁場強度，敏感性非常高非常廣泛的用途非常廣泛的用途 計算機讀頭計算機讀頭 磁測量磁測量 磁傳感器磁傳感器 磁編碼器磁編碼器 電子羅盤電子羅盤 磁隨機存貯器（磁隨機存貯器（MRAM）巨磁電阻與自旋電子學(xué)巨磁電阻與自旋電子學(xué)以前以前 導(dǎo)電問題兩種狀態(tài)電子不做區(qū)分導(dǎo)電問題兩種狀態(tài)電

28、子不做區(qū)分現(xiàn)在現(xiàn)在 不同自旋的電子有區(qū)別不同自旋的電子有區(qū)別 電子學(xué)是高科技最重要的部分電子學(xué)是高科技最重要的部分 非常大的想象空間非常大的想象空間 例如：電子元件與磁元件集成在一起例如：電子元件與磁元件集成在一起新學(xué)科：新學(xué)科：自旋電子學(xué)（自旋電子學(xué)（Spintronic）顯顯 示示 屏屏 圖象是怎么出來的？圖象是怎么出來的？ （電信號如何使每點成不同顏色）（電信號如何使每點成不同顏色）顯象管：電子掃描顯象管：電子掃描液晶液晶 背光背光等離子彩電等離子彩電透透 明明 顯顯 示示 屏屏 靠什么材料實現(xiàn)的靠什么材料實現(xiàn)的? 透明導(dǎo)電透明導(dǎo)電 ITO（In2O3 +Sn），（半導(dǎo)體），（半導(dǎo)體）

29、電導(dǎo)率，透明度，結(jié)合力，均勻性電導(dǎo)率，透明度，結(jié)合力，均勻性計算機中其他大量材料問題計算機中其他大量材料問題 光盤（可擦寫）光盤（可擦寫） U盤，盤，MP3，MP4（芯片）（芯片） 微型元件，如電阻等微型元件，如電阻等 焊錫焊錫 投影儀（與顯示屏完全不同）投影儀（與顯示屏完全不同） 復(fù)雜的原理和結(jié)構(gòu)，多種材料復(fù)雜的原理和結(jié)構(gòu)，多種材料調(diào)制調(diào)制小小 結(jié)結(jié) 可以看出：可以看出： 信息科學(xué)（計算機）的每一步發(fā)展，都依靠高科技信息科學(xué)（計算機）的每一步發(fā)展，都依靠高科技新材料，進(jìn)一步發(fā)展還有待于新材料的發(fā)展新材料，進(jìn)一步發(fā)展還有待于新材料的發(fā)展 高科技新材料有極廣闊的前景高科技新材料有極廣闊的前景 科

30、技創(chuàng)新科技創(chuàng)新-原創(chuàng)性成果原創(chuàng)性成果 新的物理概念新的物理概念-新的材料實現(xiàn)新的材料實現(xiàn) 研究發(fā)展現(xiàn)代高科技新材料，要涉及很多的物理知研究發(fā)展現(xiàn)代高科技新材料，要涉及很多的物理知識，僅有材料知識是不夠的識，僅有材料知識是不夠的 這也是材料物理學(xué)科的重要性這也是材料物理學(xué)科的重要性培養(yǎng)起觀察思考的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)起觀察思考的科學(xué)素養(yǎng) 現(xiàn)在進(jìn)入高科技時代，身邊有這么多的高科技事物現(xiàn)在進(jìn)入高科技時代，身邊有這么多的高科技事物 是否想過這里面用到什么材料，材料是怎么起作用的是否想過這里面用到什么材料，材料是怎么起作用的 現(xiàn)在還存在什么問題，下一步如何發(fā)展？現(xiàn)在還存在什么問題，下一步如何發(fā)展？ 要養(yǎng)成習(xí)慣，

31、隨時都留心一下，想一想，有時間查查要養(yǎng)成習(xí)慣，隨時都留心一下，想一想，有時間查查資料，可以學(xué)到很多東西，同時得到很大樂趣資料，可以學(xué)到很多東西，同時得到很大樂趣 培養(yǎng)起興趣培養(yǎng)起興趣 科學(xué)研究就要善于觀察，勤于思考科學(xué)研究就要善于觀察，勤于思考, 善于提出問題善于提出問題 創(chuàng)新就從這里來創(chuàng)新就從這里來-思想創(chuàng)新思想創(chuàng)新感謝您使我們吃上飽飯感謝您使我們吃上飽飯美國布朗美國布朗19951995年出版年出版誰來養(yǎng)活中國？誰來養(yǎng)活中國？ 認(rèn)為中國人口不斷增加將使世界挨餓認(rèn)為中國人口不斷增加將使世界挨餓 袁隆平袁隆平 李振聲李振聲世界雜交水稻之父世界雜交水稻之父-袁隆平袁隆平使中國在矮桿水稻、雜交水稻育種和超級雜交水稻育種上使中國在矮桿水稻、雜交水稻育種和超級雜交水稻育種上 三次領(lǐng)先世界水平三次領(lǐng)先世界水平 1972年育成第一個實用的水稻雄性不育系及其保持系年育成第一個實用的水稻雄性不育系及其保持系“二九南二九南1號號” 1973年實現(xiàn)三系配套年實現(xiàn)三系配套 1974年選育成第一個強優(yōu)組合：年選育成第一個強優(yōu)組合：“南優(yōu)南優(yōu)2號號” 1976年雜交水稻大面積推廣平均增產(chǎn)年雜交水稻大面積推廣平均增產(chǎn)20% 2000年實現(xiàn)農(nóng)業(yè)部一期