現(xiàn)代陶瓷材料的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代陶瓷材料的發(fā)展趨勢(shì)

1信息領(lǐng)域中光子學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展信息技術(shù)主要指信息訪問、信息傳輸、信息存儲(chǔ)、信息顯示和數(shù)據(jù)處理的技術(shù)。在20世紀(jì)下半葉,這些方面得到了巨大發(fā)展,計(jì)算機(jī)已從一個(gè)單純的計(jì)算工具發(fā)展成為一種能高速處理一切數(shù)字、符號(hào)、文字、語音、圖像以至知識(shí)等的強(qiáng)大系統(tǒng)。其應(yīng)用范圍已覆蓋了社會(huì)的各個(gè)方面。計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)已成為人類社會(huì)巨大的生產(chǎn)力。計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通信結(jié)合以后,信息技術(shù)對(duì)人們的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生了深刻的影響。我們的社會(huì)已進(jìn)入了以信息技術(shù)應(yīng)用為標(biāo)志的信息時(shí)代。20世紀(jì)以來,信息技術(shù)依托電子學(xué)和微電子學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展起來,如通信從長(zhǎng)波到微波、存儲(chǔ)從磁芯到半導(dǎo)體集成、運(yùn)算器從電子管到大規(guī)模集成電路等等。故目前的信息技術(shù)是電子信息技術(shù)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,電子信息技術(shù)的局限性將愈來愈明顯。由于光子的速度比電子的速度快的多,光的頻率比無線電的頻率高的多,所以為提高信息傳輸速度和載波密度,信息的載體必然由電子發(fā)展到光子。計(jì)算機(jī)也將由目前的電子計(jì)算機(jī)發(fā)展到光子計(jì)算機(jī),甚至量子計(jì)算機(jī)。目前,信息的探測(cè)、傳輸、存儲(chǔ)、顯示、運(yùn)算和處理已由光子和電子共同參與和完成,光電子學(xué)已應(yīng)用到信息領(lǐng)域。光子技術(shù)在未來的信息領(lǐng)域中可能占主導(dǎo)地位,我們更應(yīng)注意光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展。如美國(guó)把電子和光子材料、微電子學(xué)和光電子學(xué)列為國(guó)家關(guān)鍵技術(shù),認(rèn)為:光子學(xué)在國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)方面有著深遠(yuǎn)的意義和潛力,通信及計(jì)算機(jī)的研究和發(fā)展屬于光子學(xué)領(lǐng)域。從電子學(xué)到光子學(xué)是跨世紀(jì)的發(fā)展。所以,微電子材料是最重要的信息材料,光電子材料是發(fā)展最快的和最有前途的信息材料。2主要信息和材料的發(fā)展趨勢(shì)2.1絕緣層用硅材料以硅材料為核心的大規(guī)模集成電路在過去的40年里發(fā)展迅速,在21世紀(jì),它仍然是電子計(jì)算機(jī)的核心技術(shù),其統(tǒng)治地位不會(huì)動(dòng)搖。自1958年問世以來,依靠光刻線寬縮小和成品率的提高,硅集成電路器件的集成度提高了約100萬倍,同時(shí),單晶硅片的尺寸增大和質(zhì)量提高也起了主要作用。21世紀(jì)將迎來深亞微米(0.1μm)硅微電子技術(shù)。器件的最小溝道長(zhǎng)度將縮小到30~50nm,柵氧化層厚度減止2nm。此時(shí)會(huì)有強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)、絕緣氧化物量子隧穿、溝道參雜原子統(tǒng)計(jì)漲落、互聯(lián)時(shí)間常數(shù)與功耗和光刻技術(shù)等問題出現(xiàn)。硅微電子技術(shù)將到其極限。小于0.1μm的線條屬于納米范疇。納米電子器件可按電子在固體中受限制的具體情況分為:量子點(diǎn)器件(人造原子)、共振隧穿器件和單電子器件(基于庫侖阻塞效應(yīng))。其尺寸都在5~50nm。制作固體量子器件采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料,原因是它們易獲得高晶體質(zhì)量、原子級(jí)平滑界面和高的電子遷移率,如GaN、AlN、InN及其合金體系。其中:GeSi/Si材料已研制成功,且走向?qū)嵱没?異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GeSi/Si可以獲得速度更好的器件。為發(fā)展硅基納米電子器件和電路提供了一個(gè)很好的基礎(chǔ)。GaN材料是很有發(fā)展前途的、耐高溫的(>300℃)和適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)體材料。1998年出現(xiàn)了絕緣層用硅材料SOI(SilicononInsulator),推動(dòng)了微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。它避免了器件與襯底間的寄生效應(yīng),具有高的開關(guān)速度、高的密度、抗輻射、無閉鎖效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。能使芯片的性能提高35%。因此,世界各國(guó)都在大力發(fā)展SOI材料的制作技術(shù)。絕緣層用硅材料SOI的種類很多,目前使用比較廣泛和比較有前途的主要有通過注氧隔離的SIMOX(SeparationbyImplantedOxygen)材料和鍵合再減薄的BESOI材料和將鍵合與注入相結(jié)合的SmartCutSOI材料。SIMOX適合于制作薄膜全耗盡超大規(guī)模集成電路,BESOI材料適合于制作薄膜部分耗盡大規(guī)模集成電路,而SmartCutSOI材料則是今后非常有發(fā)展前途的SOI材料。柵絕緣介質(zhì)要求MOSFET的柵絕緣介質(zhì)層具有缺陷少、漏電流少、抗擊穿強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、與Si有良好的界面特征和界面密度低等特點(diǎn)。SiO2和SiNxOy目前仍是主流材料,目前研究較多的其它材料有:Ta2O5\,TiO2、(Sr,Ba)TiO3\,Pb(Zr,Ti)O3\,SrBi2Ta2O9和Sn-Zr-TI-0等。柵電極材料的基本要求是串聯(lián)電阻低和寄生效應(yīng)小。Al-多晶硅-難熔金屬硅化物(Polyecide/Silicide)。Polycide/Silicide仍是目前被廣泛采用的材料。正在開發(fā)研究的材料還有:GexSil-x、W/TiN等。高介電常數(shù)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAN)材料。這類材料主要是一些氧化物鐵電材料:(Sr,Ba)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3、SrBi2Ta2O9等。其中(Sr,Ba)TiO3被認(rèn)為是最具有潛力的材料之一。非揮發(fā)性鐵電存儲(chǔ)器(NVFRAM)是一種新型非揮發(fā)性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器。它利用鐵電材料具有的自發(fā)極化以及自發(fā)極化在電場(chǎng)作用下反轉(zhuǎn)的特性存儲(chǔ)信息。它的這種特性一般用電極化強(qiáng)度隨電壓變化的電滯回線特性描述。所涉及的材料有:Pt、Ti等金屬材料和SrRuO3、RuO2、IrO2、LaxSrl-xCoO3、YBa2Cu3O7等。使鐵電材料層具有高的自激發(fā)強(qiáng)度、低的極化飽和電壓、高的開關(guān)速度和好的抗疲勞特性,是當(dāng)前NVFRAM研究的主要課題。局部區(qū)域互連材料。Mo、W、Ta高熔點(diǎn)金屬原則上都可作為局部區(qū)域互連材料,但它們與現(xiàn)有的MOS工藝兼容性較差;當(dāng)器件尺寸到了深亞微米級(jí),將以CoSiO2或TiSi/CoSi2復(fù)合結(jié)構(gòu)的柵和局部區(qū)域互連材料為主?；ミB材料包括金屬導(dǎo)電材料和相配套的絕緣介質(zhì)材料。傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料是鋁和鋁合金,絕緣介質(zhì)材料是二氧化硅。以Cu作為導(dǎo)電材料可以減少互連延遲和提高互連可靠性,若解決了Cu的刻蝕問題,它將是較為理想的導(dǎo)電材料。絕緣介質(zhì)材料仍以SiO2(將是多孔SiO2)為主,目前人們還在研究開發(fā)聚酰亞胺、氟化氧化物、聚對(duì)苯二甲基、干凝膠等低介電常數(shù)材料。傳統(tǒng)的鈍化層材料是SiO2,當(dāng)器件尺寸到了深亞微米級(jí)時(shí),它有一些問題不再適用做絕緣介質(zhì)材料。Si3N4或SiOxNy是人們關(guān)心的下一代絕緣介質(zhì)材料。目前,以全光計(jì)算機(jī)為目標(biāo)的,用光學(xué)系統(tǒng)完成一維或多維數(shù)據(jù)的計(jì)算還處于探索階段。在并列處理中首先要有面陣列的光子集成器件。高密度的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的光子集成回路是二維光信息處理和圖形識(shí)別的關(guān)鍵器件。光學(xué)器件大多還采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料,要求有:質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)完整。利用材料的量子尺寸效應(yīng),做成量子阱、量子線或量子點(diǎn)。最可能使用的材料仍是GeSi/Si材料,但是量子化的。2.2光存儲(chǔ)技術(shù)現(xiàn)狀數(shù)字信息存儲(chǔ)技術(shù)的要求是高存儲(chǔ)密度、高數(shù)據(jù)傳輸率、高存儲(chǔ)壽命、高擦寫次數(shù)以及設(shè)備投資低和信息位價(jià)格低。提高磁存儲(chǔ)密度是人們一直極為關(guān)注的問題,主要是不斷改進(jìn)磁介質(zhì)材料。70年代主要使用磁性氧化物(氧化鐵),存儲(chǔ)密度為幾MB/平方英寸。后來改進(jìn)了磁性氧化物矯頑力,采用超系磁性氧化物粉末以及薄膜氧化物磁頭,使存儲(chǔ)密度達(dá)到幾百M(fèi)B/平方英寸。90年代采用了連續(xù)磁性薄膜介質(zhì),采用的主要磁性合金為CoCrPt,CoCrTi等,使存儲(chǔ)密度得到進(jìn)一步提高。進(jìn)一步還需研究高矯頑力(>240kA/m)的連續(xù)縱向納米晶粒磁性介質(zhì),其各向異性Ku>0.4J/cm3。有人在研制CoSm和Fe/PT多層薄膜。另外,NiFe/Cu/NiFe/FeMn和La-Ca-Mn-0都是具有巨磁阻效應(yīng)的有前途的材料。光存儲(chǔ)的特點(diǎn)有:1).存儲(chǔ)壽命長(zhǎng);2).能非接觸式讀,寫和擦;3).信息的載噪比高;4).信息位的價(jià)格低。不足之處:1).設(shè)備價(jià)格高;2).存儲(chǔ)速度還較低。光盤存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展在很大程度上取決于存儲(chǔ)介質(zhì)材料的發(fā)展。存儲(chǔ)介質(zhì)有以下幾類:1).磁光存儲(chǔ)介質(zhì)。包括按成分調(diào)制的金屬多層膜,MnBiAl為基的薄膜和稀土摻雜的釔鐵石榴石薄膜。2).相變型存儲(chǔ)介質(zhì)。如Ge-Te-Sb,In-Sb-Ag-Te等材料。3).波長(zhǎng)更短的有機(jī)存儲(chǔ)材料。21世紀(jì)的超高密度超快速光存儲(chǔ)技術(shù)主要向以下幾個(gè)方向發(fā)展:l).利用近場(chǎng)光學(xué)掃描顯微鏡進(jìn)行超高密度信息存儲(chǔ)。2).運(yùn)用角度多功、波長(zhǎng)多功、空間多功和移動(dòng)多功等全息存儲(chǔ)代替聚焦光速逐點(diǎn)存儲(chǔ)方法。3).發(fā)展三維存儲(chǔ)技術(shù)。2.3光纖傳輸通過干/小光纖通信20世紀(jì)80年代以來信息傳遞技術(shù)進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)代。衛(wèi)星通信、移動(dòng)電話、無線電和光纖通信已形成一個(gè)全方位的立體通信網(wǎng)。寬帶化、個(gè)人化、多媒體化的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)獲得很大發(fā)展。有線通信始終是量大面寬的信息傳遞手段。近幾年數(shù)字電信量以每年35%的速度上升。20世紀(jì)通信技術(shù)的重大進(jìn)步是把光子(不僅僅是電子)作為信息載體,即用光纖通信代替電纜和微波通信。20世紀(jì)70年代低損耗的熔石英光纖和長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體激光器的研制成功,使光通信成為可能。半導(dǎo)體激光器光泵的摻鉺光纖放大器(EDFA)和波分復(fù)用技術(shù)使光纖的傳輸距離和傳輸信息量有巨大增長(zhǎng)。傳輸距離由1978年的10km到無中繼傳輸;傳遞量由100MB/S增至2440MB/S。目前,正在開發(fā)的技術(shù)是傳輸距離在100km,傳遞量在100GB/S光纖通信技術(shù)。從傳統(tǒng)的以光強(qiáng)度調(diào)制方式和直接檢測(cè)方式的非相干光光纖通信變?yōu)橐韵辔徽{(diào)制方式和差分檢測(cè)方式的相干光光纖通信,信號(hào)將傳遞得更遠(yuǎn)。相干光通信、孤立光子通信和超長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外光通信是可預(yù)見的第五代通信。發(fā)展新材料始終是光纖通信中的核心問題。由于光纜纜芯中的能量密度很高,可以產(chǎn)生激布里淵散射、受激拉曼散射、四波混頻、自相位調(diào)制等非線性現(xiàn)象,使光信號(hào)受到損傷和干擾。真波光纖、葉狀光纖、色散補(bǔ)償光纖均在研究中。半導(dǎo)體激光器材料(MQW-DFB-LD)、高速光調(diào)制材料(LiNb03,EA)\,光濾波器材料和無光源材料急需發(fā)展。2.4等離子體顯示技術(shù)自20世紀(jì)初陰極射線管(CRT)問世以來,它一直是活動(dòng)圖像的主要顯示手段。但其發(fā)光材料的純度、顯示亮度和色彩質(zhì)量還需進(jìn)一步提高。值得注意的是ZnS:Mn納米發(fā)光新材料。它表面結(jié)構(gòu)完整,在表面層不存在無輻射中心;可滿足HDTV(高清晰度電視)的高分辨率要求。是有前途的發(fā)光材料。近年來,平板顯示(FPD)技術(shù)發(fā)展較快。它主要避免了陰極射線管體積龐大的缺點(diǎn)。它主要指:液晶顯示(LCD)技術(shù)、場(chǎng)致發(fā)射顯示(FED)技術(shù)、等離子體顯示(PDP)技術(shù)和發(fā)光二極管(LED)顯示技術(shù)、真空熒光顯示(VFD)等。液晶顯示的主要優(yōu)點(diǎn):功率低、工作電壓低、體積小,易彩色化;缺點(diǎn)是:顯示視覺小、對(duì)比度和亮度受環(huán)境影響較大、響應(yīng)速度較慢。液晶顯示材料有幾十種,按中心橋鍵歸納主要類型有:甲亞胺類、安息香酸酯類、聯(lián)苯類、聯(lián)三苯類、環(huán)己烷基碳酸酯類、苯基環(huán)己烷基類、聯(lián)苯基環(huán)己烷基類、嘧啶類、環(huán)己烷基乙基類、環(huán)己烯類、二苯乙炔類、二氟苯撐類、手性參雜劑等。目前趨向開發(fā)反鐵電液晶。場(chǎng)致發(fā)射顯示是將真空微電子管應(yīng)用于顯示技術(shù)。優(yōu)點(diǎn):視角寬、功率低、響應(yīng)速度快、光效率和分辨率高。缺點(diǎn):顯示面積有限。材料主要使用類金剛石材料做冷陰極和稀土摻雜的氧化物做發(fā)光材料。傳統(tǒng)材料的發(fā)光亮度偏低、發(fā)光效率不高,期待開發(fā)新的FED發(fā)光材料。等離子體顯示可做大屏幕,但其驅(qū)動(dòng)電壓高、功率大。氣體材料:He、Ne、Ar、Kr\,Xe\,Hg以及它們的混合氣體。三基色熒光粉:BaMgAl14O23:Eu2+\,\:,YVO4:Eu3+。發(fā)光二極管(LED)材料中,GaN系列高亮度藍(lán)光材料是目前很受人們注意的、有前途的LED新材料。2.5有關(guān)技術(shù)和材料的信息主要指探測(cè)器和傳感器。2.5.1傳感器的研制按光電轉(zhuǎn)換方式光電探測(cè)器可分為:光電導(dǎo)型、光生伏打型和熱電偶型。光電轉(zhuǎn)換中根據(jù)探測(cè)的光子波長(zhǎng)分為:狹能隙材料和寬能隙材料。寬能隙材料以SiC,金剛石,GaN、AlN、InN以及Ⅱ-Ⅵ族的化合物和合金為主;狹能隙材料以鉛鹽、碲鎘汞和SbIn等為主。近期光電探測(cè)器在兩方面有重大進(jìn)展:a)用超晶格(量子阱)結(jié)構(gòu)提高量子效率、響應(yīng)時(shí)間和集成度;b)制成了探測(cè)器陣列,可用做成像探測(cè)。在Ⅲ-Ⅴ族中,GaAs是最成熟的材料。2.5.2碳化硅等聚合物薄膜各種傳感器由于所測(cè)的量的不同,所用的材料也不同。主要有兩類:半導(dǎo)體傳感器材料和光纖傳感器材料。半導(dǎo)體傳感器主要有:力學(xué)量傳感器:壓力傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、流量傳感器等。主要用的是單晶硅和多晶硅。納米硅、碳化硅和金剛石薄膜是正在研究的材料。溫度傳感器:主要用金屬氧化物功能陶瓷,單晶硅、單晶鍺也有應(yīng)用,多晶碳化硅和金剛石薄膜是正在研究的材料。磁學(xué)量傳感器包括:霍耳效應(yīng)器件、磁阻效應(yīng)器件和磁強(qiáng)計(jì)。主要用單晶硅、多晶InSb、GaAs、InAs和金屬材料。輻射傳感器包括:光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電耦合器合光電測(cè)量器等。主要用Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體及其多元化合物,也有Si,Ge材料。化學(xué)量和生物量傳感器用在硅材料上沉積一層可探測(cè)化學(xué)性質(zhì)。陶瓷傳感器和有機(jī)物傳感器是目前傳感器研究的另一個(gè)熱點(diǎn)。材料種類繁多,不再一一列舉。2.6激光材料和光功能材料2.6.1器和放大器研究高亮度的相干光源——激光的出現(xiàn),對(duì)信息技術(shù)的發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用。信息技術(shù)的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)都離不開激光器。當(dāng)前和今后,半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體激光器光泵的固體激光器、可調(diào)諧固體激光器以及光纖激光器和放大器仍是重要的研究方向。半導(dǎo)體激光材料經(jīng)歷了同質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、量子阱結(jié)構(gòu)材料和應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展過程。用這些材料研制成了紫光、藍(lán)紫光、藍(lán)光、紅光、近紅外波段和遠(yuǎn)紅外波段的半導(dǎo)體激光。在20世紀(jì)60~70年代主要是GaAs基材料為主,80年代至今主要是InP基GaN基材料為主。InP基材料可以覆蓋從橙光、紅光、近紅外、中遠(yuǎn)紅外波段;GaN基可以覆蓋從紫光、藍(lán)光和綠光波段。人們正在攻克純藍(lán)光、純綠光激光器。GaN激光材料是目前研究的熱點(diǎn),尋找合適的襯底材料以及生長(zhǎng)出完整的GaN薄膜非常關(guān)鍵。另一個(gè)熱點(diǎn)是通過量子阱中的量子級(jí)聯(lián)而發(fā)展的中遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)體激光。2.6.2半導(dǎo)體材料在光電子學(xué)技術(shù)中頻率變換元件、調(diào)制元件、Q開關(guān)、鎖模都是十分重要的,是光通信、光存儲(chǔ)和光信息處理中不可缺少的元件。以往這類材料主要是無機(jī)非線性光學(xué)晶體,如:KTP,BBO,LBO,LiNbO3,K(Ta,Nb)O3等。今后的材料以薄膜和纖維形態(tài)存在,而不再是體材料。半導(dǎo)體量子點(diǎn)摻雜的玻璃和有機(jī),無機(jī)雜交形成的復(fù)合玻璃有較高非線性光學(xué)系數(shù),容易制成薄膜,是今年來很活躍的領(lǐng)域。對(duì)鎖模、調(diào)制和頻率變換有巨大影響的兩種材料:一是半導(dǎo)體飽和吸收阱;另一是將非線性光學(xué)晶體進(jìn)行周期極化,形成微米或亞微米的超晶格。光纖通信材料:石英光纖、氟化物光纖、硫化物光纖、聚甲基丙烯酸甲酯光纖、聚苯乙烯光纖。3有機(jī)光材料的介紹3.1價(jià)格低廉原則近年來有機(jī)非線性光學(xué)材料(NLO)作為電光器件的新材料得到迅速發(fā)展。它們具有良好的電光特性和制備性能,且價(jià)格低廉。如:對(duì)硝基苯胺、N,N-二甲氨基-對(duì)-二氰乙烯基苯、N,N-二甲氨基-對(duì)-三氰乙烯基苯、N,N-二甲氨基-對(duì)硝基芪、N,N-二甲氨基-對(duì)二氰乙烯基芪、2-(N,N-二甲氨基苯乙烯基)-5-硝基噻吩、2-(四氫吡咯)-5-對(duì)硝基苯乙烯基噻吩、2-(N,N-二甲氨基苯乙烯基)-5-二氰乙烯基噻吩等。3.2tpd、n,n,n-雙1-苯基”n,n,n-四1-有機(jī)及共軛高分子電致發(fā)光材料作為新型顯示材料正在迅速發(fā)展?？昭▊鬏旑?N,N′-二苯基-N、N′-雙(3-甲苯基)-1、1′-聯(lián)苯-4、4′二胺(TPD)、N,N,N′,N′-四(4-甲基苯基)-1,1′-聯(lián)苯-4,4′-二胺(TTB