材料科学前沿1-信息材料课件.ppt
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1、材料科学前沿材料科学前沿Frontiers of Materials Science信息材料信息材料Information Materials人体与信息技术人体与信息技术v收集信息:眼、耳、鼻、舌、皮肤收集信息:眼、耳、鼻、舌、皮肤感测技术感测技术v传送信息:神经系统传送信息:神经系统通信技术通信技术v存储和处理信息:大脑存储和处理信息:大脑信息处理、存储技术信息处理、存储技术v显示信息:肌肉、四肢根据大脑指令对感知信息显示信息:肌肉、四肢根据大脑指令对感知信息迅速做出反应迅速做出反应控制技术控制技术信息技术是收集、存储、处理、传递和显示各信息技术是收集、存储、处理、传递和显示各种信息的技术:
2、种信息的技术:3信息材料分类信息材料分类信息材料信息材料就是指与现代信息技术相关,用于实就是指与现代信息技术相关,用于实现信息的收集、存储、处理、传递和显示的材料。现信息的收集、存储、处理、传递和显示的材料。根据其功能,可把信息材料主要分为:根据其功能,可把信息材料主要分为:v信息收集材料信息收集材料v信息存储材料信息存储材料v信息处理材料信息处理材料v信息传递材料信息传递材料v信息显示材料信息显示材料4一、信息收集(传感)材料一、信息收集(传感)材料信息传感材料是指用于信息传感器和探测器的信息传感材料是指用于信息传感器和探测器的一类对外界信息敏感的材料,主要包括:一类对外界信息敏感的材料,主
3、要包括:v力敏材料、热敏材料力敏材料、热敏材料v光敏材料、磁敏材料光敏材料、磁敏材料v气敏材料、湿敏材料气敏材料、湿敏材料v压敏材料等压敏材料等5力敏传感材料力敏传感材料是指在外力作用下,电学性质会是指在外力作用下,电学性质会发生明显变化的材料,分为:发生明显变化的材料,分为:v金属应变电阻材料金属应变电阻材料v半导体压阻材料半导体压阻材料v压电材料压电材料1.力敏传感材料力敏传感材料6力敏传感器力敏传感器7电阻应变效应电阻应变效应是指金属导体的电阻在导体受力是指金属导体的电阻在导体受力产生变形(伸长或缩短)时发生变化的物理现象:产生变形(伸长或缩短)时发生变化的物理现象:1)金属)金属应变电
4、阻材料应变电阻材料当金属电阻丝受到轴向拉力时,其长度增加而横当金属电阻丝受到轴向拉力时,其长度增加而横截面变小,引起电阻增加截面变小,引起电阻增加反之,当它受到轴向压力时则导致电阻减小反之,当它受到轴向压力时则导致电阻减小8v铜镍合金(铜镍合金(康铜康铜):灵敏系数稳定性、耐辐射性):灵敏系数稳定性、耐辐射性能好,低温性能较差能好,低温性能较差v镍铬系合金:电阻率和抗氧化能力高、工作温度镍铬系合金:电阻率和抗氧化能力高、工作温度较宽较宽v铁铬铝合金:抗氧化、耐高温性能最好铁铬铝合金:抗氧化、耐高温性能最好v镍铬铁合金:电阻温度系数小、电阻率高镍铬铁合金:电阻温度系数小、电阻率高v铂和铂合金:抗
5、氧化、耐高温性能最好铂和铂合金:抗氧化、耐高温性能最好主要的金属主要的金属应变电阻材料应变电阻材料9v压阻效应压阻效应:当半导体受到机械力作用时,由于载:当半导体受到机械力作用时,由于载流子迁移率的变化,使其电阻率发生变化的现象流子迁移率的变化,使其电阻率发生变化的现象2)半导体压阻材料半导体压阻材料原理:原理:机械力作用机械力作用 晶格间距变化晶格间距变化 禁带宽度变禁带宽度变化化 载流子相对能量改变载流子相对能量改变 电阻率变化电阻率变化v压阻系数压阻系数G:单位应力作用下电阻率的相对变化:单位应力作用下电阻率的相对变化10v灵敏度与精度高灵敏度与精度高v易于微型化和集成化易于微型化和集成
6、化v结构简单、工作可靠,在几十万次疲劳试验后,结构简单、工作可靠,在几十万次疲劳试验后,性能保持不变性能保持不变v动态特性好,其响应频率为动态特性好,其响应频率为103105 Hz半导体压阻材料半导体压阻材料优点优点用来制成各种常温下压力、应力、应变、速度、用来制成各种常温下压力、应力、应变、速度、加速度传感器,逐步取代金属型应变计。加速度传感器,逐步取代金属型应变计。11v压电效应:压电效应:某些电介质,在一定方向上受到外力某些电介质,在一定方向上受到外力作用而变形时,内部会产生极化现象,同时在其作用而变形时,内部会产生极化现象,同时在其表面上会产生电荷表面上会产生电荷3)压电)压电材料材料
7、当外力去掉后,又重新回到不带电状态的现象。当外力去掉后,又重新回到不带电状态的现象。v压电材料:压电材料:具有压电效应的电介物质具有压电效应的电介物质12石英晶体压电效应示意图石英晶体压电效应示意图13热敏传感材料是指对温度变化具有灵敏响应的热敏传感材料是指对温度变化具有灵敏响应的材料。材料。2.热热敏传感材料敏传感材料1)双金属温度计(热膨胀式)双金属温度计(热膨胀式)把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。成的。它是一种固体膨胀温度计,可将温度变化转换它是一种固体膨胀温度计,可将温度变化转换成机械量变化。成机械量变化。1415将两种不同材料的导
8、体将两种不同材料的导体A和和B串接成一个闭合回串接成一个闭合回路,当两个接点温度不同时,在回路中就会产生热路,当两个接点温度不同时,在回路中就会产生热电势,形成电流,此现象称为电势,形成电流,此现象称为热电效应热电效应。2)热电势式温度计热电势式温度计(热电偶热电偶)16由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。触处形成的电动势。接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度,两接点的接触电动势特性和接触点的温度,两接点的接触电动势eAB(T)和和eAB(T0)可表示为:可表示为:接触电
9、动势接触电动势17同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势动势,其机理:,其机理:温差电动势温差电动势高温端的电子能量要比低温端的电子能量大高温端的电子能量要比低温端的电子能量大从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多温端的要多结果高温端因失去电子而带正电,低温端因获得结果高温端因失去电子而带正电,低温端因获得多余的电子而带负电多余的电子而带负电在导体两端便形成温差电动在导体两端便形成温差电动势势18eAB(T,T0)=eAB(T)+eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0)热电偶回路中产生的
10、总热电势热电偶回路中产生的总热电势忽略温差电动势,热电偶的热电势可表示为:忽略温差电动势,热电偶的热电势可表示为:取决于材料和接点温度,与形状、尺寸等无关。取决于材料和接点温度,与形状、尺寸等无关。1920利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温。的原理进行测温。在实际生产中,热敏传感材料主要是指电阻值在实际生产中,热敏传感材料主要是指电阻值随温度显著变化的随温度显著变化的半导体热敏电阻陶瓷半导体热敏电阻陶瓷。3)热热敏敏电阻式温度传感器电阻式温度传感器21热敏电阻热敏电阻22PTC是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正是指在某一温度下电阻急
11、剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料,可专门用作恒定温度系数的热敏电阻现象或材料,可专门用作恒定温度传感器。温度传感器。该材料是以该材料是以BaTiO3或或SrTiO3或或PbTiO3为基的烧为基的烧结体,其中掺入微量的结体,其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等等氧化物进行原子价控制而使之半导化。氧化物进行原子价控制而使之半导化。常将这种半导体化的常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为等材料简称为半导半导(体)陶瓷(体)陶瓷。PTC热敏电阻材料热敏电阻材料23NTC是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。有
12、负温度系数的热敏电阻现象和材料。该材料是利用该材料是利用Mn、Cu、Si、Co、Fe、Ni、Zn等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合烧结等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合烧结而成的半导体陶瓷。而成的半导体陶瓷。现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料。热敏电阻材料。NTC热敏电阻材料热敏电阻材料24光敏传感材料是指在光照下会因各种效应产生光敏传感材料是指在光照下会因各种效应产生光生载流子的材料。光生载流子的材料。3.光光敏传感材料敏传感材料v外光电效应外光电效应:在光的作用下,物体内的电子逸出:
13、在光的作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象物体表面向外发射的现象向外发射的电子称向外发射的电子称为为光电子光电子,如光电管、光电倍增管等,如光电管、光电倍增管等v内光电效应内光电效应:半导体材料受到光照时会产生电子:半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强,阻值愈空穴对,使其导电性能增强,光线愈强,阻值愈低,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等低,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等25v光电导效应光电导效应:在入射光的作用下,电子吸收光子:在入射光的作用下,电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态,从而引起材料能量从键合状态过渡到自由状态,从而引起材料电导
14、率变化的现象电导率变化的现象v光生伏特效应光生伏特效应:当大于禁带宽度的光子照射到:当大于禁带宽度的光子照射到PN结后,光生电子结后,光生电子-空穴对被内建电场分开,形成空穴对被内建电场分开,形成光光生电动势生电动势光电导效应和光生伏特效应光电导效应和光生伏特效应26光电导光电导探测器的功能图探测器的功能图左:左:探测器的功能图;探测器的功能图;右:右:探测器光谱响应曲线探测器光谱响应曲线27光电管光电管284.磁磁敏材料敏材料v磁敏传感材料磁敏传感材料:主要是指具有:主要是指具有磁阻效应磁阻效应的一类磁的一类磁敏电阻材料敏电阻材料v磁阻效应磁阻效应:指材料的电阻率随外加磁场变化而变:指材料的
15、电阻率随外加磁场变化而变化的现象化的现象磁敏传感材料分为磁敏传感材料分为半导体磁敏电阻材料半导体磁敏电阻材料和和强磁强磁性薄膜磁敏电阻材料性薄膜磁敏电阻材料两种。两种。29磁磁敏敏电阻电阻30金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,这种物理现象称为这种物理现象称为霍尔效应霍尔效应。可用于位移、压力、角度等传感。可用于位移、压力、角度等传感。1)霍尔传感器)霍尔传感器3132霍尔速度传感器霍尔速度传感器33高纯本征半导体高纯本征半导体Ge两端形成两端形成P型区和型区和N
16、型区型区中间本征区的一个侧面磨成光滑的复合表面(中间本征区的一个侧面磨成光滑的复合表面(I区)区),另一侧面打毛,设置成高复合区(,另一侧面打毛,设置成高复合区(r区)区)电子空穴对易于在粗糙表面复合而消失电子空穴对易于在粗糙表面复合而消失2)磁敏二极管磁敏二极管34v不加外磁场:不加外磁场:空穴从空穴从P区到区到N区,电子从区,电子从N区到区到P区区形成电流形成电流v加正向磁场:加正向磁场:电子和空穴向电子和空穴向r区偏转,并在区偏转,并在r区复区复合,电流减小合,电流减小v加反向磁场:加反向磁场:电子和空穴向电子和空穴向I区偏转,复合减小,区偏转,复合减小,电流变大电流变大磁敏二极管工作原
17、理磁敏二极管工作原理35气敏材料是对气体敏感,电阻值会随外界气体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。种类和浓度变化的材料。常用的气敏材料有常用的气敏材料有SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2、TiO2和和WO2等等n型或型或p型金属氧化物半导体。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。的种类和浓度进行探测。5.气气敏材料敏材料36二氧化碳传感器二氧化碳传感器烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器3
18、7湿敏材料是指电阻值随环境湿度增加而显著增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。大或降低的一些材料。6.湿湿敏材料敏材料v陶瓷湿敏材料陶瓷湿敏材料主要有主要有MgCr2O3系、系、ZnCr2O3系和系和MnWO4、NiWO4等等v高分子湿敏材料高分子湿敏材料是指吸湿后电阻率或介电常数会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化纤维系高分子膜38湿敏传感器湿敏传感器39电压敏感陶瓷是指具有电压敏感陶瓷是指具有非线性伏安特性非线性伏安特性,即电,即电阻值对电压变化敏感的半导体陶瓷:阻值对电
19、压变化敏感的半导体陶瓷:7.压压敏材料敏材料它在某一临界电压以下,电阻值非常高,几乎没它在某一临界电压以下,电阻值非常高,几乎没有电流通过有电流通过但是当外加电压超过这个临界电压时,电阻将急但是当外加电压超过这个临界电压时,电阻将急剧变小,并且有电流通过剧变小,并且有电流通过随着电压的少量增加,电流增加会很快随着电压的少量增加,电流增加会很快4041二、信息存储材料二、信息存储材料信息存储材料是指用来制作各种信息存储器的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。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)的影在外加物理场(如电场、磁场、光照等)
20、的影响下,材料发生物理或化学变化,实现对信息的存响下,材料发生物理或化学变化,实现对信息的存储。储。主要介绍主要介绍磁存储材料磁存储材料和和光存储材料光存储材料。421.磁存储材料磁存储材料磁存储材料是指利用矩形磁滞回线或磁矩的变磁存储材料是指利用矩形磁滞回线或磁矩的变化来存储信息的一类磁性材料。化来存储信息的一类磁性材料。4344磁性存贮器具有数据的存储和读取方便、容量磁性存贮器具有数据的存储和读取方便、容量大、成本低等优点。大、成本低等优点。根据磁化方向与存储介质的运动方向是平行还根据磁化方向与存储介质的运动方向是平行还是垂直,可把磁记录方式分为两种:是垂直,可把磁记录方式分为两种:v平面
21、磁记录平面磁记录v垂直磁记录垂直磁记录45水平(纵向)存储模式水平(纵向)存储模式46磁化的磁介质以恒定的速度沿着与一个环形电磁磁化的磁介质以恒定的速度沿着与一个环形电磁铁相切的方向运动铁相切的方向运动工作缝隙对着介质,存储信号时,在磁头线圈中工作缝隙对着介质,存储信号时,在磁头线圈中通入信号电流,就会在缝隙产生磁场溢出通入信号电流,就会在缝隙产生磁场溢出如果磁带与磁头的相对速度保持不变,则剩磁沿如果磁带与磁头的相对速度保持不变,则剩磁沿着介质长度方向上的变化规律完全反映信号的变着介质长度方向上的变化规律完全反映信号的变化规律化规律电流随时间的变化转化成磁化强度随距离的变化电流随时间的变化转化
22、成磁化强度随距离的变化而被存储在磁带上而被存储在磁带上存储信号的过程存储信号的过程4748垂直磁记录垂直磁记录首先,由于可以在同样的面积里容纳更多的存储首先,由于可以在同样的面积里容纳更多的存储物质物质磁粒子,其结果就是单位存储容量的提磁粒子,其结果就是单位存储容量的提升,最多将有升,最多将有10倍的差距倍的差距其次,因为磁粒子与盘片之间的接触面积减小,其次,因为磁粒子与盘片之间的接触面积减小,因此因此“升温效应升温效应”将得到缓解将得到缓解盘片的热量将盘片的热量将不再迅速地被传导给磁性记录物质不再迅速地被传导给磁性记录物质这样一来,在使磁粒子的排列更紧密的同时,这样一来,在使磁粒子的排列更紧
23、密的同时,由热量而引起的由热量而引起的“超磁极限超磁极限”效应将不再明显,效应将不再明显,确保数据存储的安全和稳定。确保数据存储的安全和稳定。49垂直记录硬盘工作原理垂直记录硬盘工作原理50垂直记录硬盘垂直记录硬盘512.光存储材料光存储材料光存储材料是由记录介质层、反射层以及保护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。层等构成的、具有光学匹配的多层结构。多层膜通常用物理或化学的方法沉积在衬盘上。多层膜通常用物理或化学的方法沉积在衬盘上。在衬盘上沉积了光存储材科的盘片称为在衬盘上沉积了光存储材科的盘片称为光盘光盘。激光在盘片上刻出的小坑代表激光在盘片上刻出的
24、小坑代表“1”,空白处代,空白处代表表“0”。52v将要存储的信息、模拟量或数字量,通过调制激将要存储的信息、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,这就是信息的理或化学的变化实现记录,这就是信息的写入写入v读出读出信息时,低功率密度的激光扫描信息轨道,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、解调取出所要信息反射光通过光电检测器检测、解调取出所要信息53(1)只读存储光盘材料)只读存储光盘材料v在玻璃母盘上均匀涂上一层光刻胶,利用调制过在玻璃母盘上均匀涂上一层光刻胶,利用调制过
25、的激光照射后,用化学方法使曝光部分脱落,形的激光照射后,用化学方法使曝光部分脱落,形成具有凹凸信息结构的成具有凹凸信息结构的正像母盘正像母盘v利用喷镀技术,在母盘上沉积较厚的金属层,金利用喷镀技术,在母盘上沉积较厚的金属层,金属层与主盘分离后形成负像,称为属层与主盘分离后形成负像,称为压模盘压模盘v光盘制作(下一页)光盘制作(下一页)54将融化的聚碳酸酯注入模板,用压模成型的方法将融化的聚碳酸酯注入模板,用压模成型的方法将压模盘上的凹凸信息以负像的方式复制到聚碳将压模盘上的凹凸信息以负像的方式复制到聚碳酸酯盘表面酸酯盘表面待聚碳酸酯凝固后,在数据面上镀覆金属铝作为待聚碳酸酯凝固后,在数据面上镀
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