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代信息技術(shù)信息材料2023/11/2322023/11/2330.1信息時代農(nóng)業(yè)時代工業(yè)時代信息時代人類社會時代變遷：勞動，土地密集機器、工廠為主？產(chǎn)生傳輸?shù)匚?023/11/234是人類的一切生存活動和自然存在所傳達出來的信號和消息。它一般泛指我們所說的消息、情報、指令、數(shù)據(jù)及信號等四周環(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)成為社會的根底設(shè)置伊拉克戰(zhàn)斗非對稱性微軟蘋果WTO全球化一體化地球村2023/11/236全球信息量增長趨勢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)信息傳輸量增長率：300%每天電子郵件：14億封2023年：全球網(wǎng)頁21億個2023年，與因特網(wǎng)相連的主機7240萬臺。而1993年只有131萬臺。全球因特網(wǎng)用戶進展趨勢2023/11/238亞太地區(qū)國際互聯(lián)帶寬進展趨勢2023/11/2391992年，當(dāng)時的參議員、前美國副總統(tǒng)阿爾·戈爾提出美國信息高速大路法案。1993年9月，美國政府宣布實施一項新的高科技打算――“國家信息根底設(shè)施”〔NationalInformationInfrastructure，簡稱NII〕，旨在以因特網(wǎng)為雛形，興建信息時代的高速大路――“信息高速大路”，使全部的美國人便利地共享海量的信息資源。信息高速大路(InformationHighway)實質(zhì)上是高速信息電子網(wǎng)絡(luò)，它是一個能給用戶隨時供給大量信息，由通信網(wǎng)絡(luò)、計算機、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)和實施信息高速大路打算,不僅促進信息科學(xué)技術(shù)的進展,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、處理、傳輸和顯示的技術(shù)，即人們對信息的獵取、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、、播送、電視的制造與普及應(yīng)用計算機的普及應(yīng)用和計算機與現(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抑制時間局限存儲空間傳播范圍速度容量時空界限信息技術(shù)的應(yīng)用2023/11/2312網(wǎng)上學(xué)校、現(xiàn)代遠程教育信息高速大路、“地球村”自動取款機、可視、遠程診療網(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)進展的物質(zhì)根底。材料的重要性材料是人類進化史上的里程碑，歷史學(xué)家曾用材料來劃分時代。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存儲器材料的變遷大致可分為四個階段：由1955年的存儲器為水銀延遲線1963年的存儲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)材料的研制是其進展的根底和核心。電子工業(yè)數(shù)千億的全球市場，90%的市場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，但材料價格較貴。多晶硅光電池效率只達13％，半導(dǎo)體GaAs的轉(zhuǎn)換效率可達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40％〕2023/11/23172023/11/2318?人們早就知道了噴氣航空發(fā)動機比螺旋槳航空發(fā)動機有很多優(yōu)點，但由于沒有材料能承受噴射出燃氣的高溫，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)動機的制造得以實現(xiàn)。?同樣，假設(shè)沒有1970年制成的使光強度衰減降低到可以有用的光導(dǎo)纖維，也不會有現(xiàn)代的光通信；?假設(shè)不能制成高純度大直徑的硅單晶，就不會有高度進展的集成電路，也不會有今日如此先進的計算機和一切電子設(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材料是現(xiàn)代文明的重要支柱科學(xué)技術(shù)進一步進展人類生活水平進一步提高對材料科學(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、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)新都會推動信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)向前進展。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——簡潔的計算工具：算籌——算盤西方：計算尺是主要的計算工具，機械式計算機——穿孔卡片計算機——繼電器計算機——1946年電子計算機的誕生。2023/11/2327世界上第一臺電子計算機埃尼阿克〔ENIAC〕。

1946年誕生于美國的賓夕法尼亞大學(xué)。重達30噸，占地170多平方米，全機用了18000多個電子管，5000多個繼電器，10000多只電容器，7000多個電阻，功率150千瓦，運算速度每秒鐘5000次。目前，以大規(guī)模集成電路為根底，以中心處理器〔CPU〕為核心的電子計算機技術(shù)是主要的信息處理技術(shù)。它的耗電量超過174千瓦小時，據(jù)說在使用時全鎮(zhèn)的電燈都會變暗；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，形成一塊獨立的不行分的整體電路，集成電路的各個引出端〔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，英國皇家雷達爭論所的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)的進展，電子設(shè)備可以在一個固體塊上實現(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)了集成電路時代。集成電路年份事件1947點接觸型晶體管誕生，微電子技術(shù)發(fā)展的第一個里程碑1950結(jié)型晶體管誕生1951場效應(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場效應(yīng)晶體管誕生1964摩爾定律提出，預(yù)測晶體管集成度每十八個月增加一番1971Intel推出1kB動態(tài)隨機存儲器（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個人電腦198520MHz的80386微處理器誕生198816M的DRAM誕生，標(biāo)志進入甚大規(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)體動態(tài)隨機存儲器容量和硅單晶的進展2023/11/2331信息處理材料主要指用于對電信號或光信號進展檢波、倍頻、混頻、限幅、開關(guān)、放大等信號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電子電路中的信息電流、電壓等信號進展接收、放射、轉(zhuǎn)換、放大、調(diào)制、解調(diào)、運算、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)換和探測等，而光電子信息處理材料則是基于光信號的放射、傳輸、調(diào)制、轉(zhuǎn)換和探測的一類材料。信息處理材料2023/11/23320.3.4信息傳輸技術(shù)及材料移動衛(wèi)星通信無線通信光纖通信

低損耗的熔石英光纖長壽命的半導(dǎo)體激光器摻鉺光纖放大器纖芯包層保護套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)進展階段及其主要進展2023/11/2335損耗特性與光的工作波長有關(guān),在三個工作窗口有相對小的損耗:第一窗口光工作波長0.85μm,損耗稍大其次窗口光工作波長1.31μm,損耗中等第三窗口光工作波長1.55μm,損耗最小2023/11/23360.3.5信息存儲技術(shù)及材料數(shù)字信息存儲要求：高存儲密度、高數(shù)據(jù)傳輸率、高存儲壽命、高擦寫次數(shù)、低設(shè)備投資和低價格。信息存儲的作用：*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；

*防止因喪失數(shù)據(jù)帶來的費用；

*允許現(xiàn)場或非現(xiàn)場文檔的存儲2023/11/2337存儲方式內(nèi)存儲外存儲CPU可以直接訪問內(nèi)存，提取時間短〔ns〕，容量一般在512Mb。只讀存儲器ROM〔Read-OnlyMemory〕隨機存取存儲器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，再由微處理器進展處理。磁存儲：磁帶、軟磁盤、硬磁盤光存儲：CD、VCD、DVD等2023/11/2338硬磁盤技術(shù)的進展2023/11/2339光盤硬磁盤磁帶中等性能0.25~2Gb/in225Mb/s隨機存取高容量低價格可移動長壽命高性能2～4Gb/in2150Mb/s隨機存取高容量價格合理不可移動壽命較短中等性能0.8～1Gb/in240Mb/s序列存取高容量低價格可移動壽命較短光盤、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)測算，上世紀(jì)末信息的年均增長率為20％，到2023年將到達每兩個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％。進入21世紀(jì)以來，顯示技術(shù)作為人機聯(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，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?？梢?，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，中國黑白電視播送開頭1960年，日本彩色電視播送開頭1973年，中國彩色電視播送開頭1996年，日本推出純平CRT彩電1999年，中國推出純平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，進入一具有發(fā)光特性的有機物質(zhì)，在其內(nèi)部發(fā)生強相互作用，形成一個激子，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