1-1 电子功能与元器件材料与功能材料的分类

LOGO电子功能材料及元器件电子科学与工程学院LOGO目录第一章电子功能材料概述（形状记忆合金，超导材料，半导体超晶格材料，电子功能陶瓷，有机电致发光材料和液晶材料）第二章化合物晶体的缺陷化学基础第三章热敏陶瓷及热（温）敏感元件第四章半导体气体敏感元件第五章湿度敏感器件第六章光敏及光电器件第七章光纤及光纤传感器第八章压力传感器第九章磁敏传感器件我们这门课程一共分为九章，第一章是电子功能材料概述，在这一章中主要介绍了几种功能材料的性质和产生这些性质的一些理论，重要有形状记忆合金，超导材料，半导体超晶格材料，电子功能陶瓷，有机电致发光材料和液晶材料，这是第一章的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 。在第二章为化合物晶体的缺陷化学基础，这一章是本课程的重点内容，当然也是本课程的难点，是以后各章内容的一个基础，所以大家在学习第二章是一定要加以重视，在这一章中，我们将学习的内容包括1.缺陷化学的表达方法，包括9种常见的缺陷及其缺陷反应方程式，2.晶体中的缺陷平衡，将推导出缺陷浓度与氧分压的关系，第三个内容是杂质对氧化物晶体中缺陷平衡的影响，第四个内容是晶体中点缺陷的扩散及其分布这是第二章的内容。从第三章就开始介绍各种敏感元器件的内容，首先第三章介绍了热敏陶瓷及热（温）敏感元件，第四章半导体气体敏感元件，第五章湿度敏感器件，第六章光敏及光电器件，第七章光纤及光纤传感器，第八章压力传感器，第九章磁敏传感器件。接下来我们开始第一章内容的学习，电子功能材料的概述。LOGO学习这门课的必要性学习这门课的必要性学习这门课的必要性?大家注意到这个学期你们关于材料的课程突然增加了许多，这对于电子学院的同学来说一定会问这样一个疑问，为什么我们要学习这么多的材料课？我们学院曾经有一个专业是半导体化学，学制五年，这个专业学的基础课程很多，其中包括物理、化学专业的基础课，物理课程是与物理学院的学生一起学的，包括物理的电磁、热、声、光的物理基础课，化学是与化学系的学生一起学的，包括化学的基础课，有物理化学、无机化学、有机化学等，培养出很多成功人士，包括我们的孙院长。大概在93年改为电子材料与元器件，学制四年，删除了很多材料和化学的课程，由于我们专业的毕业生知识背景和知识沉淀，所以还没有出现比半导体化学毕业生那么优秀的成绩，近几年学院也注意到这个问题，半导体化学是一个经过这个多年的检验证明是一个成功的培养模式，所以现在办起了理科实验班，其办学模式仿照当年的半导体化学专业。现有的经验表明，材料课对于这个专业的培养目标实现来说非常重要。随着科学的发展，学科之间的界限不是那么清晰了，更多的是学科之间的交叉，以电子学科为例，制备半导体器件要涉及材料的制备，制备光波导需要有机材料的合成，有时为了完成某一课题，需要跨院系的合作。虽然我们不可能像化学专业的学生具备很强的化学专业知识，但具有一定的化学知识可以让两个不同学科的交流更顺畅。另外，电子系的前身有三个专业，半导体物理及半导体化学专业，当时在国内高校是唯一叫半导体化学的专业，这是我们的优势与特长，虽然现在改变了名字，叫实验班，但办学的理念没变。，所以需要立足于电子学科，涉及一些电子功能材料的课程。另外，随着科学的发展，除了传统意义的半导体材料，如以Si、Ge为代表的元素半导体和以GaAs为代表的化合物半导体材料为内容的半导体材料所制备的微电方面的半导体器件外，半导体材料的应用范围更加广阔。我们学院在孙良彦教授的带领下创办了敏感材料与器件专业，主要是研究半导体材料的气敏、湿敏器件，这一研究方向目前在同行中也算是佼佼者。在上世纪90年代初由全宝富教授开始讲授气、湿敏材料与器件专题课程，1996年形成了本课程，2001年，由全老师主编了“电子功能材料及元器件”这本教材，其中主要介绍敏感材料及各种传感器及其应用。LOGO材料科学能源科学信息技术科学发展的三大支柱 高科技的前导：信息技术，它以微电子技术为基础，包括通信技术、自动化技术、微电子技术、光电子技术、光导技术、计算机技术和人工智能技术等 高技术的支柱：新能源技术，包括核能技术、太阳能技术、燃煤、磁流体发电技术、地热能技术、海洋能技术等 高科技的基础：新材料技术，包括对超导材料、高温材料、人工合成材料、陶瓷材料、非晶态材料、单晶材料、纤维材料、超微粒材料、高性能结构材料、特种功能材料等的开发利用科学技术日益渗透于经济发展和社会生活各个领域，成为推动现代生产力发展的最活跃的因素，并且归根到底是现代社会进步的决定性力量。现代国际间的竞争，说到底是综合国力的竞争，关键是科学技术的竞争。LOGO1.材料科学的重要性回顾半导体材料及器件的发展，中科院半导体研究所王占国院士在博客上给予信息材料很好的 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ，其中有这样一段“信息功能材料是信息技术发展的基础和先导；没有硅材料和硅集成芯片的问世，就不会有今天微电子技术；没有光学纤维材料的发明，砷化镓材料的突破，超晶格、量子阱材料的研制成功，以及半导体激光器和超高速器件的发展，就不会有今天先进的光通信、移动通信和数字化高速信息网络技术。21世纪的信息技术是以集材料、器件和电路为一体的信息功能材料为基础的，融最先进的微电子、光电子和光子技术于一体。”从王院士的这段话中我们可以对材料科学是信息技术的基础这句话的进一步理解。LOGO能源指能够提供出能量的自然资源。能源是人类生存的物质基础，社会经济发展的原动力。新能源人类利用能源三个时期材料科学是能源技术的基础1.材料科学的重要性接下来是能源和材料的关系，人类社会越是发展，能源的开发利用越为重要。能源开发利用的广度和深度，也是衡量一个现代国家的科学技术状况、生产发展水平和生活富裕程度的主要标志之一。人类最早利用的能源是太阳能和火(一种化学能)。畜力、风力和水力也早就为人类所利用。18世纪以后，煤逐渐成了主要能源，以煤为燃料的蒸汽动力使社会生产力得以大幅度提高，加速了社会发展的进程。后来电力的出现，又迎来了一次影响深远的技术革命。20世纪能源状况发生了更大的变化，石油和天然气的利用日益广泛，廉价的石油成了现代社会繁荣的支柱。百年来人类社会对能源的需求与日俱增，从上个世纪初到50年代，世界能源的需求量就约增加了一倍，从50年代到80年代又增加了一倍，现在大约是每年递增7～8％，即约每十年就增加一倍。传统能源的急剧消耗，迫使人们对它给予高度关注。据估算，全世界已探明的煤炭、石油、天然气等能源的总量大约只够人类用100年。已有能源的合理利用和新能源的研究和开发，已经成为关系到人类的生存和发展的至关重大的课题，这就是当今能源科学技术所面临的形势和任务。人类不可能创造能源，现在所能够开发和利用的能源，它的来源无非下列三个方面：(1)来自太阳太阳时时刻刻都向外辐射能量，目前人类所利用的能量实际上绝大部分都源自太阳。太阳的光和热使地球上无数生命得以繁衍，许多太阳能转化为化学能在生物体内存储了下来。煤炭、石油、天然气等矿物燃料实质上就是由古代生物所固定下来的太阳能；此外，我们所利用的水能、风能和海洋能也都是由太阳能转换而来的。据测算，每一秒钟从太阳辐射到地球上的能量大约相当于燃烧500多万吨煤所释放出来的能量，现时全世界每年所消耗的能量还不到它的万分之一。不过，到达地球表面的太阳能也只有很小一部分经过转化而在地球上存储下来，其余绝大部分又都散发到宇宙空间中去了。(2)来自地球内部地质学已探明，地层深处的温度很高，地球实际上是一个大热库。地热资源的储量很大，有人估算其总量大约相当于现时全世界每年消耗能量的400多万倍，现在还只开发利用了其中极小的一部分。(3)来自核能地热的产生其实有一部分也是来自核能，即地球内部的核变化过程，这里所指的是人工核裂变和核聚变时所释放出来的能量。人类现在所能利用的能源不外乎来自上述三个方面。我们看到，实际上我们以往所利用的主要只是由生物体固定下来的太阳能和转换成水能的太阳能，其他方面尚很少开发或不曾开发。要开发这些新能源又必须以材料科学为基础，例如太阳能的开发，现在研究最热的就是利用太阳能电池把太阳能转化为电能，而太阳能电池的研究的基础就是多晶硅等一系列功能材料。从以上的内容可以得出功能材料在人类社会发展的过程中有着举足轻重的作用，由于功能材料的重要作用，所以当今世界各国对功能材料的研究都非常重视。LOGO2.材料的分类材料现在科学和生产中使用的材料极为广泛，品种放多，70年代登记的各种材料达25万种，80年代超过30万种，本世纪初估计已达40万种，新材料在以每年5％的速度增长。要把如此众多的材料进行严格分类，是十分困难的，甚至是不可能的。从材料的化学成分说，如此众多的材料也不过是由一百零几种元素组成，但今天高超的科学技术，已制造出各种各样的化合物、复合物、聚合物等材料，可以说新材料是与日俱增。人们对众多的材料可以从不同角度进行分类，有的从化学组成划分，有的从性质划分，有的从应用用途划分等等。但是无论哪种方法，都不可能把如此众多的材料划分清楚。过去人们习惯把材料分成金属盒非金属两大类,这显然是从材料的导电性划分的，然而这种划分方法越来越显得不合理，因为不少新型材料是介于两者之间的广阔范围，近年来人们提出了材料的三大领域说法，是这样对材料划分的，材料分为三个大领域，金属材料，无机非金属材料和有机高分子材料三大类，在金属材料中主要包括~~~~~~在无机非金属中主要包括~~~~~~在有机高分子材料中主要包括~~~~~~，三大领域是从材料的性质来划分的。显然这种划分方法也是很粗糙的，具体将材料怎么分类要看我们要讨论什么样的问题再具体划分，这需要我们在实践中不断的总结。LOGO3.功能材料的概念功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。Diagram功能材料信息技术海洋工程技术空间技术能源技术环保技术生物工程技术计算机技术纳米技术功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。　　功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。　　功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。我国高技术(863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。LOGO4.功能材料的分类功能材料热学功能材料（高温耐热材料、燃气轮机、飞机、汽车的高温绝缘材料等）机械功能材料（质轻、高强度、高硬度材料。例如普通钢抗拉伸强度是（20-40）kg/mm2高强度钢为（40-100）kg/mm2，此外，还有超塑性、抗震材料等)磁学功能材料（永磁铁、磁流体、即强磁性微粉分布于液相无磁滞现象、不凝聚、不沉淀的胶体，还有霍尔器件等）电学功能材料（光电转换材料、半导体材料、超导材料、绝缘材料、介电材料等）光学功能材料（激光材料、光致变色材料，透光、导光玻璃、光声、光磁材料等）化学和生物功能材料（人造器官材料、气体、离子分离膜、抗血栓功能材料等）其他功能材料（混杂材料、合成碳纤维、氧化铅纤维等复合材料）随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。根据材料的物理和转换功能可将功能材料进一步划分为如下几类：（按照图说）。实际上某种功能材料可能同时具有上述多种功能，所以说，无论哪种分类方法都是有时间性、不完善性和不确定性。功能材料和很难严格划分的，这本身就反映了材料世界日新月异的变化。这是这种不断的发展变化，才能满足人们的生活需要。LOGO开发新材料的必要性和可能性1.人类的需求增加2.现有资源的枯竭3.科学技术的发展4.功能材料的分类下面我们看一下我们开发新功能材料的必要性和可能性，大家~~~~~~~~~~~~~~~~~~（第二页）1-2上面那段。LOGO5.高新技术及其应用材料的典型例子A：宇航材料1头锥和机翼（1260-1500℃）热分解的碳纤维和石墨化树脂2机身和机翼下表面（650-1260℃）高温陶瓷瓦（SiO2纤维+硼化硅）3机身侧面和机翼上表面（370-650℃）低温陶瓷瓦（SiO2纤维+胶状SiO2）4货舱门、尾端机身等（<398℃）粘瓦（聚芳纤胺纤维）航天飞机长：37.2M，宽：23.8M，重：68.8吨火箭长：56M重：2020吨前面的内容给同学们介绍了功能材料的重要性及其分类，接下来讲几个当今世界公认的高新技及其应用材料的例子，当今世界世界公认的高新技术包括航天技术，新能源技术和信息技术等等，首先给大家讲一下航天技术中应用的宇航材料，老版书第3页LOGO“哥伦比亚”号航天飞机在起飞大约33秒后的照片5.高新技术及其应用材料的典型例子飞机减重：一架波音767飞机由于使用复合材料可减重450公斤，采用高强度钢代替原先的合金钢减重900公斤，采用改进的铝合金又可减重363公斤，三项总计减重约为1.7吨。这张拍摄于2003年1月16日的照片显示，“哥伦比亚”号航天飞机在起飞大约33秒后，火箭助推器上有机件脱落。美国宇航局官员2月3日称，脱落机件可能对飞机隔热片造成了损坏。造成“哥伦比亚”号失事癿直接原因是航天飞机外挂燃料箱外表面脱落癿一坑泡沫材料撞击航天飞机左翼前缘癿热保护部件形成裂孔当航天飞机重迒大气层时赸高温气体从裂孔处迕入机体造成航天飞机解体航天飞机在重新返回大气层时，穿越地球大气层疾驰的过程中外壳被穿孔，致使炙热空气冲入了宇航员所在的起落架舱，并由此造成了机毁人往的悲剧。一块隔热瓦的脱落导致温度异常升高。LOGOB：新能源材料（核能）原子能的理论基础：爱因斯坦的质能方程（1905年）E＝mc2表示的质量(m)和能量(E)之间的关系。式中c为光速1932：（质子轰击Li）1初期人工核反应（1919年卢瑟福：α粒子轰击N）5.高新技术及其应用材料的典型例子核能开发阶段：1.实现人工核反应2.发现中子及轻原素裂变3.重元素裂变及链式反应30万eV860万eV发出1690万eV放射性的本质是原子核的天然衰变，那么能否利用人工的方法使原子核发生变化呢?本节课就来研究原子核的人工转变所产生的核反应以及引起的能量变化——核能。如果要人工转变原子核那用什么办法呢，若用αβγ粒子作为“炮弹”去轰击其他的原子核，能不能使其发生转变呢？1919年1919年卢瑟福：α粒子轰击N卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，是氮原子嬗变成了氧原子，首次实现科原子核的人工转变，把一种化学元素变成另一种化学元素，被誉为当代“炼金术”。核反应：某种元素的原子核变为另一种元素的原子核的过程。质量亏损：组成核的核子总质量和原子核的质量之差Δm，如:经过精确计算表明,氘核的质量比中子和质子的质量之和要小一些。1u=931.5MeV核子在结合成原子核时，质量有亏要放出能量，反之，原子核分解成核子时要吸收能量。核反应遵循的基本规律：质量数和电荷数都守恒两类基本的核反应1.某些轻核结合成质量较大的核的核反应过程，同时放出大量的核能。2.重核俘获一个中子后分裂为几个中等质量的核的反应过程.在裂变的同时要放出几个中子和大量的核能。LOGO1932年，英国的查德威尔：α粒子轰击Be，发现了中子,获得1935年诺贝尔奖。3重核裂变及链式反应2中子的发现轻元素的裂变1934年，居里夫妇：α粒子轰击Al哈恩5.高新技术及其应用材料的典型例子给费米发错的诺贝尔奖　　本世纪30年代初，当1932年人们发现中子后，不但对原子核的结构有了正确的认识，而且发现中子是一种新型的核“炮弹”。由于中子不带电荷，它和原子核之间不存在电排斥力，因而用它来产生核反应时，比用带电的其他高能粒子效果好得多。中子被发现以后，科学家就利用它去轰击各种元素，研究核反应。以意大利皇家科学院院士费米为首的一批青年人，干得最起劲。他们按照元素周期表的顺序，从头到尾地轰击已知的各种元素，看看都会发生什么情况。重核裂变及链式反应：俘获一个中子后分裂为几个中等质量的核的反应过程.在裂变的同时要放出几个中子和大量的核能。　　1934年，元素周期表上最后一个是92号元素铀。当用中子轰击时，他们发现铀被强烈地激活了，并产生出好些种元素。他们认为，在这些铀的衰变产物中，有一种是原子序数为93的新元素。这是由于中子打进铀原子核里，使铀的原子量增加而转变成的新元素。　　费米等人关于93号新元素的实验报告发表后，世界各国的报纸立即进行了轰动性的报道。　　关于93号元素问题，在各国科学家中引起一场激烈而持续的争论。有不少人肯定，也有不少人持怀疑态度。这场争论迟迟没有定论的原因是当时缺乏一种有效的手段，可以对铀元素受到中子轰击后的产物进行精确的分离和分析。　　1934年10月，费米研究小组未解决这个谜团，却意外地取得另一项重大发现：中子在到达被辐射物质之前，和含氢物质中的氢原子核碰撞，速度大大降低；这种降低了速度的“慢中子”，更容易引起被辐射物质的核反应。这正如速度太快的篮球容易从框上弹出去，速度慢的较容易进篮一样，使用慢中子轰击原子核很快被各国科学家采用。　　1938年11月10日，也就是“93号元素”发现4年多以后，费米接到来自斯德哥尔摩的电话，瑞典科学院宣布费米获得诺贝尔物理学奖的奖状：　　“奖金授予罗马大学恩里科·费米教授，以表彰他认证了由中子轰击所产生的新的放射性元素，以及他在这一研究中发现由慢中子引起的反应。”　　费米带着全家去斯德哥尔摩领奖后，没有返回意大利，而是乘上了去美国的轮船。　　就在这一年，德国威廉皇家化学研究所的两位化学家哈恩和斯特拉斯曼，与女物理学家梅特涅合作，试验用慢中子轰击铀元素，而且用化学方法分离和检验核反应的产物，获得了令人难以置信的结果：铀核在中子的轰击下，分裂成大致相等的两半，它们不是93号新元素，而是56号元素钡！原子核的这一种变化现象过去还从未发现过。试验中还发现铀核裂变产物的原子量之和并不等于铀的原子量，而是小于铀的原子量，这就是奥地利女物理学家梅特涅提出的“质量亏损”。这个质量亏损相当于核反应放出的能量，他依据爱因斯坦的质能方程计算出每个U原子核裂变是要放出的能量为212MeV，这是重核裂变的理论依据。　　1938年11月22日，也就是在诺贝尔奖颁发后的12天，哈恩把分裂原子的报告寄往柏林《自然科学》杂志，该杂志1939年1月便登出了哈恩的论文，推翻了费米的实验结果。显而易见，诺贝尔奖搞错了！　　听到这惊人的消息，费米的第一个反应是来到哥伦比亚大学实验室，利用那里较好的设备，重复了哈恩的试验，结果和哈恩的试验一样。　　这一事实，对费米来说无疑是难堪的。然而和人们的想象相反，费米坦率地检讨和总结了自己的错误判断，表现了一个科学家服从真理的高尚品质。　　此时此刻，费米考虑的不是个人的名誉得失，他在别人成就的基础上继续向前迈进。　　在裂变理论的基础上，费米很快提出一种假说：当铀核裂变时，会放射出中子。这些中子又会击中其它铀核，于是就会发生一连串的反应，直到全部原子被分裂。这就是著名的链式反应理论。根据这一理论，当裂变一直进行下去时，巨大的能量就将爆发。如果制成炸弹，它理论上的爆炸力是TNT炸药的2000万倍！自然界中较轻的原子核，质子数、中子数大致相等，对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重，差别越大。LOGO重元素裂变及链式反应示意LOGO5.高新技术及其应用材料的典型例子LOGO我国进行的原子弹实验5.高新技术及其应用材料的典型例子下面我们看一下我国在核能上的应用情况，这是我国进行原子弹实验的照片。1964年10月16日下午3时（美国是1945年7月），我国西部地区新疆罗布泊上空。中国第一次将原子核裂变的巨大火球和蘑菇升上了戈壁荒漠，第一颗原子弹爆炸成功了。中国人迈进了原子核时代。我国成为了第五个拥有核武器的国家。LOGO秦山核电站5.高新技术及其应用材料的典型例子这是我国的秦山核电站，LOGO反应堆5.高新技术及其应用材料的典型例子这是核反应堆的照片。LOGO5.高新技术及其应用材料的典型例子C：重要的信息材料（Si）Si是IC和先进科学仪器的基础，是制作高性能IC的最重要材料！单晶硅集成电路第三个例子是重要的信息材料，而在信息材料中最重要的材料就是Si，它是IC和先进科学仪器的基础，是制作高性能IC的最重要材料！是制造电脑芯片的重要材料，可以说电脑发展的历史就是半导体材料和集成电路的发展史，下面我们看一下计算机的发展简史。LOGO5.高新技术及其应用材料的典型例子18000个电子管1500个继电器消耗功率为50ＫＷ占地300平方米重30吨价值48万美元。1946年美国宾夕法尼亚大学为了弹道设计的需要设计了世界上第一台数字电子计算机。它的运算速度不高，却是一个庞然大物。计算机的发展史第一代（电子管）（1946-1957）计算机的发展史总结起来共有三个大的阶段，第一个阶段就是电子管计算机，1946年美国宾夕法尼亚大学为了弹道设计的需要设计了世界上第一台数字电子计算机。他的运算速度不高，但是一个庞然大物，它一共用了18000个电子管，1500个继电器，他的功率为50千瓦，占地300平方米，重30吨，价值48万美元，当时这种计算机应用范围还很小，主要局限于导弹、原子弹等国防尖端科技部门。这是第一代计算机，大家想一下，如果计算机一直没有发展，到现在还是这样的计算机，就算是他的价值不是48万美元，而是和我们现在的计算机的价格是一样的4800元人民币，我们也还是用不起，因为现在的房价太高了，谁也没有300平的房子放下它。LOGO5.高新技术及其应用材料的典型例子第二代晶体管(1957-1964)第二代晶体管计算机1947年，肖克利、巴丁、布拉顿三人发明第一个Ge晶体管。1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机——TRADIC，使计算机体积大大缩小，用了800只晶体管。1957年，美国研制成功了全部使用晶体管的计算机，第二代计算机诞生了。可是人类史非常聪明的，尤其是我们20世界那些有名的科学家，他们很快就把电子管计算机淘汰了。首先是1947年，就在我们和国民党打内战的时候，肖克利、巴丁、布拉顿三人发明第一个Ge晶体管。这为发展第二代晶体管计算机奠定了基础，在1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机——TRADIC，使计算机体积大大缩小，用了800只晶体管。1957年，美国研制成功了全部使用晶体管的计算机，第二代计算机诞生了。LOGO5.高新技术及其应用材料的典型例子第三代（IC机）小规模——SSIC(<102元件/片)中规模—MSIC(102-103元件/片)1964-1971年美国IBM大规模——LSIC(103-105元件/片)1971-1975年超大规模——VLSIC(>105元件/片)1975-1978年MSICVLSIC第三代计算机是集成电路计算机，60年代中期，随着微电子技术的发展，集成电路成为计算机新的逻辑元件。计算机的体积、重量、能耗大幅度降低，性能大幅度提高。1964年美国IBM公司生产的IBM—360系列问世，标志计算机进入了第三代。集成电路计算机的发展分为几个阶段，在上世纪60代中期到70年代初，主要是小规模和中规模的集成电路计算机，小规模的集成度是每片于是100个元件，中规模的集成度是100-1000个元件，而70年代初到70年代中期是大规模集成电路计算机，其集成度是1000-100000个元件，到1975以后就发展到超大规模的集成电路计算机，其集成度大于每片100000个元件。在2007年的时候因特尔的CPU的集成度已经达到每片10亿个晶体管。左图是中规模计算机，右图是超大规模的集成电路计算机。LOGO第四代计算机是什么？光计算机？　光计算机是由光代替电子或电流，实现高速处理大容量信息的计算机。运算速度极高、耗电极低。超导计算机？利用高温超导材料作为材料制作计算机，计算机运算速度比现在的电子计算机快100倍，超导而电能消耗仅是电子计算机的千分之一。分子计算机？分子计算计划就是尝试利用分子计算的能力进行信息的处理。分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。可能在一粒砂子大小的芯片上获得相当于100台工作站的计算能力量子计算机？利用电子的两个自旋方向，用几个原子做出量子计算机的基本电路。5.高新技术及其应用材料的典型例子光子计算机发展过程：1969年：美国麻省理工学院提出光计算机的概念1982年，英国赫罗特一瓦特大学研制出第一支光晶体管1986年，贝尔实验室用半导体做成光晶体管1990年，贝尔实验室制造出光计算机的雏形随后，英、法、比、德、意等国70名科学家研制成功了一台光计算机现在我们应用的都是超大规模集成电路计算机，科学家预言，传统的硅芯片技术将在未来10～15年内达到理论极限，因此寻找硅芯片加工的替代技术既相当重要又十分迫切。可是下一代计算机是什么呢？现在人们提出了很多设想，主要有以下几种，第一种，就是超导计算机，这种计算机利用高温超导材料作为材料制作计算机，计算机运算速度比现在的电子计算机快100倍，超导而电能消耗仅是电子计算机的千分之一。如果目前一台大中型计算机，每小时耗电10千瓦，那么，同样一台的超导计算机只需一节干电池就可以工作了。上世纪80年代IBM公司推出了烟盒大小的超导计算机，不过由于超导材料要在很低的温度下工作，所以这种计算机只能在液氮的工作环境下进行工作，可见不利于应用，现在超导材料的研究者正在研究高温的超导材料，如果超导材料能在室温下工作，那么超导计算机就能实用化了。第二种是光子计算机，光计算机是由光代替电子或电流，实现高速处理大容量信息的计算机。运算速度极高、耗电极低。1969年，研究光计算机的序幕由美国麻省理工学院的科学家揭开。1982年，英国赫罗特一瓦特大学物理系教授德斯蒙德·史密斯研制出光晶体管。1983年，日本京都大学电气工程系佐佐木昭夫教授，腾田茂夫副教授也独立地研制出光晶体管。1986年，美国贝尔实验室发明了用半导体做成的光晶体管，功能与晶体管的功能一样，起到“开”与“关”的作用。然后，科学家运用集成光路技术，把光晶体管，光源光存贮器等元件集积在一块芯片上，制成集成光路，与集成电路相似。最后，选用集成光路进行组装，就得到光计算机。1990年，贝尔实验室推出了一台由激光器、透镜、反射镜等组成的计算机，尽管它的装置很粗糙，由激光器，透镜,棱镜等组成，只能用来计算。但是，它毕竟是光计算机领域中的一大突破。这就是光计算机的雏形。随后，英、法、比、德、意等国的70多名科学家研制成功了一台光计算机，其运算速度比普通的电子计算机快1000倍。这种利用光作为载体进行信息处理的计算机被称为光计算机，又叫光脑。现在，全世界除了贝尔实验室外，日本和德国的其他公司都投入巨资研制光计算机，预计在21世纪，将出现更加先进的光计算机。第三种就是分子计算计划就是尝试利用分子计算的能力进行信息的处理。分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。1964年美国学者就提出了分子计算机的概念，1999年美国加州大学化学教授詹姆斯·希思用轮烷（rotaxne）的新型化合物作为计算机材料，从进行运算所需要的能量来看，有可能使计算机的功效比目前的奔腾芯片提高大约1000亿倍。”可能在一粒砂子大小的芯片上获得相当于100台工作站的计算能力”。第四种可能的下一代计算机是量子计算机，利用电子的两个自旋方向，用几个原子做出量子计算机的基本电路。这几种传感器经过科学家们的努力都有可能成为第四代计算机，为我们所用，到那时我们可能就不用拎着电脑包了，可能把电脑做的非常小，有口袋里装着就行了，以上我们介绍了我们介绍的高新技术及其应用材料的第三个例子，接下来我们讲一下最后一个例子，智能机器人。LOGO5.高新技术及其应用材料的典型例子视觉光敏器件听觉声敏、压敏器件嗅觉气敏器件味觉气敏器件（电子鼻）触觉压敏热敏湿敏磁敏器件机器人的五官D.智能机器人（传感技术）机器人的大脑—中央处理器是计算机其五官就是各种传感器给大家举得最后一个应用功能材料的例子是智能机器人，首先我们看一段视频，看以看出这个机器人“阿西莫”已经非常智能了，这个是是2007年是的报道，现在“阿西莫”已经升级了很多，在09年中国长沙车展是本田公司展示了升级后的“阿西莫”，其更加智能，离着为人们服务有进了一步。其实智能机器人是集计算机技术和传感器技术于一身，他的大脑大脑—中央处理器是计算机，而他的五官是各种传感器。其视觉是光敏器件，听觉是声敏和压敏器件，嗅觉和味觉是气敏器件，而触觉是压敏、热敏、湿敏和磁敏器件，在我们后面的各章中主要就是要介绍各种传感器及其原理和制作方法。我们这门课程一共分为九章，第一章是电子功能材料概述，在这一章中主要介绍了几种功能材料的性质和产生这些性质的一些理论，重要有形状记忆合金，超导材料，半导体超晶格材料，电子功能陶瓷，有机电致发光材料和液晶材料，这是第一章的内容。在第二章为化合物晶体的缺陷化学基础，这一章是本课程的重点内容，当然也是本课程的难点，是以后各章内容的一个基础，所以大家在学习第二章是一定要加以重视，在这一章中，我们将学习的内容包括1.缺陷化学的表达方法，包括9种常见的缺陷及其缺陷反应方程式，2.晶体中的缺陷平衡，将推导出缺陷浓度与氧分压的关系，第三个内容是杂质对氧化物晶体中缺陷平衡的影响，第四个内容是晶体中点缺陷的扩散及其分布这是第二章的内容。从第三章就开始介绍各种敏感元器件的内容，首先第三章介绍了热敏陶瓷及热（温）敏感元件，第四章半导体气体敏感元件，第五章湿度敏感器件，第六章光敏及光电器件，第七章光纤及光纤传感器，第八章压力传感器，第九章磁敏传感器件。接下来我们开始第一章内容的学习，电子功能材料的概述。大家注意到这个学期你们关于材料的课程突然增加了许多，这对于电子学院的同学来说一定会问这样一个疑问，为什么我们要学习这么多的材料课？我们学院曾经有一个专业是半导体化学，学制五年，这个专业学的基础课程很多，其中包括物理、化学专业的基础课，物理课程是与物理学院的学生一起学的，包括物理的电磁、热、声、光的物理基础课，化学是与化学系的学生一起学的，包括化学的基础课，有物理化学、无机化学、有机化学等，培养出很多成功人士，包括我们的孙院长。大概在93年改为电子材料与元器件，学制四年，删除了很多材料和化学的课程，由于我们专业的毕业生知识背景和知识沉淀，所以还没有出现比半导体化学毕业生那么优秀的成绩，近几年学院也注意到这个问题，半导体化学是一个经过这个多年的检验证明是一个成功的培养模式，所以现在办起了理科实验班，其办学模式仿照当年的半导体化学专业。现有的经验表明，材料课对于这个专业的培养目标实现来说非常重要。随着科学的发展，学科之间的界限不是那么清晰了，更多的是学科之间的交叉，以电子学科为例，制备半导体器件要涉及材料的制备，制备光波导需要有机材料的合成，有时为了完成某一课题，需要跨院系的合作。虽然我们不可能像化学专业的学生具备很强的化学专业知识，但具有一定的化学知识可以让两个不同学科的交流更顺畅。另外，电子系的前身有三个专业，半导体物理及半导体化学专业，当时在国内高校是唯一叫半导体化学的专业，这是我们的优势与特长，虽然现在改变了名字，叫实验班，但办学的理念没变。，所以需要立足于电子学科，涉及一些电子功能材料的课程。另外，随着科学的发展，除了传统意义的半导体材料，如以Si、Ge为代表的元素半导体和以GaAs为代表的化合物半导体材料为内容的半导体材料所制备的微电方面的半导体器件外，半导体材料的应用范围更加广阔。我们学院在孙良彦教授的带领下创办了敏感材料与器件专业，主要是研究半导体材料的气敏、湿敏器件，这一研究方向目前在同行中也算是佼佼者。在上世纪90年代初由全宝富教授开始讲授气、湿敏材料与器件专题课程，1996年形成了本课程，2001年，由全老师主编了“电子功能材料及元器件”这本教材，其中主要介绍敏感材料及各种传感器及其应用。科学技术日益渗透于经济发展和社会生活各个领域，成为推动现代生产力发展的最活跃的因素，并且归根到底是现代社会进步的决定性力量。现代国际间的竞争，说到底是综合国力的竞争，关键是科学技术的竞争。回顾半导体材料及器件的发展，中科院半导体研究所王占国院士在博客上给予信息材料很好的总结，其中有这样一段“信息功能材料是信息技术发展的基础和先导；没有硅材料和硅集成芯片的问世，就不会有今天微电子技术；没有光学纤维材料的发明，砷化镓材料的突破，超晶格、量子阱材料的研制成功，以及半导体激光器和超高速器件的发展，就不会有今天先进的光通信、移动通信和数字化高速信息网络技术。21世纪的信息技术是以集材料、器件和电路为一体的信息功能材料为基础的，融最先进的微电子、光电子和光子技术于一体。”从王院士的这段话中我们可以对材料科学是信息技术的基础这句话的进一步理解。接下来是能源和材料的关系，人类社会越是发展，能源的开发利用越为重要。能源开发利用的广度和深度，也是衡量一个现代国家的科学技术状况、生产发展水平和生活富裕程度的主要标志之一。人类最早利用的能源是太阳能和火(一种化学能)。畜力、风力和水力也早就为人类所利用。18世纪以后，煤逐渐成了主要能源，以煤为燃料的蒸汽动力使社会生产力得以大幅度提高，加速了社会发展的进程。后来电力的出现，又迎来了一次影响深远的技术革命。20世纪能源状况发生了更大的变化，石油和天然气的利用日益广泛，廉价的石油成了现代社会繁荣的支柱。百年来人类社会对能源的需求与日俱增，从上个世纪初到50年代，世界能源的需求量就约增加了一倍，从50年代到80年代又增加了一倍，现在大约是每年递增7～8％，即约每十年就增加一倍。传统能源的急剧消耗，迫使人们对它给予高度关注。据估算，全世界已探明的煤炭、石油、天然气等能源的总量大约只够人类用100年。已有能源的合理利用和新能源的研究和开发，已经成为关系到人类的生存和发展的至关重大的课题，这就是当今能源科学技术所面临的形势和任务。人类不可能创造能源，现在所能够开发和利用的能源，它的来源无非下列三个方面：(1)来自太阳太阳时时刻刻都向外辐射能量，目前人类所利用的能量实际上绝大部分都源自太阳。太阳的光和热使地球上无数生命得以繁衍，许多太阳能转化为化学能在生物体内存储了下来。煤炭、石油、天然气等矿物燃料实质上就是由古代生物所固定下来的太阳能；此外，我们所利用的水能、风能和海洋能也都是由太阳能转换而来的。据测算，每一秒钟从太阳辐射到地球上的能量大约相当于燃烧500多万吨煤所释放出来的能量，现时全世界每年所消耗的能量还不到它的万分之一。不过，到达地球表面的太阳能也只有很小一部分经过转化而在地球上存储下来，其余绝大部分又都散发到宇宙空间中去了。(2)来自地球内部地质学已探明，地层深处的温度很高，地球实际上是一个大热库。地热资源的储量很大，有人估算其总量大约相当于现时全世界每年消耗能量的400多万倍，现在还只开发利用了其中极小的一部分。(3)来自核能地热的产生其实有一部分也是来自核能，即地球内部的核变化过程，这里所指的是人工核裂变和核聚变时所释放出来的能量。人类现在所能利用的能源不外乎来自上述三个方面。我们看到，实际上我们以往所利用的主要只是由生物体固定下来的太阳能和转换成水能的太阳能，其他方面尚很少开发或不曾开发。要开发这些新能源又必须以材料科学为基础，例如太阳能的开发，现在研究最热的就是利用太阳能电池把太阳能转化为电能，而太阳能电池的研究的基础就是多晶硅等一系列功能材料。从以上的内容可以得出功能材料在人类社会发展的过程中有着举足轻重的作用，由于功能材料的重要作用，所以当今世界各国对功能材料的研究都非常重视。现在科学和生产中使用的材料极为广泛，品种放多，70年代登记的各种材料达25万种，80年代超过30万种，本世纪初估计已达40万种，新材料在以每年5％的速度增长。要把如此众多的材料进行严格分类，是十分困难的，甚至是不可能的。从材料的化学成分说，如此众多的材料也不过是由一百零几种元素组成，但今天高超的科学技术，已制造出各种各样的化合物、复合物、聚合物等材料，可以说新材料是与日俱增。人们对众多的材料可以从不同角度进行分类，有的从化学组成划分，有的从性质划分，有的从应用用途划分等等。但是无论哪种方法，都不可能把如此众多的材料划分清楚。过去人们习惯把材料分成金属盒非金属两大类,这显然是从材料的导电性划分的，然而这种划分方法越来越显得不合理，因为不少新型材料是介于两者之间的广阔范围，近年来人们提出了材料的三大领域说法，是这样对材料划分的，材料分为三个大领域，金属材料，无机非金属材料和有机高分子材料三大类，在金属材料中主要包括~~~~~~在无机非金属中主要包括~~~~~~在有机高分子材料中主要包括~~~~~~，三大领域是从材料的性质来划分的。显然这种划分方法也是很粗糙的，具体将材料怎么分类要看我们要讨论什么样的问题再具体划分，这需要我们在实践中不断的总结。功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。　　功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。　　功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。我国高技术(863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。根据材料的物理和转换功能可将功能材料进一步划分为如下几类：（按照图说）。实际上某种功能材料可能同时具有上述多种功能，所以说，无论哪种分类方法都是有时间性、不完善性和不确定性。功能材料和很难严格划分的，这本身就反映了材料世界日新月异的变化。这是这种不断的发展变化，才能满足人们的生活需要。下面我们看一下我们开发新功能材料的必要性和可能性，大家~~~~~~~~~~~~~~~~~~（第二页）1-2上面那段。前面的内容给同学们介绍了功能材料的重要性及其分类，接下来讲几个当今世界公认的高新技及其应用材料的例子，当今世界世界公认的高新技术包括航天技术，新能源技术和信息技术等等，首先给大家讲一下航天技术中应用的宇航材料，老版书第3页这张拍摄于2003年1月16日的照片显示，“哥伦比亚”号航天飞机在起飞大约33秒后，火箭助推器上有机件脱落。美国宇航局官员2月3日称，脱落机件可能对飞机隔热片造成了损坏。造成“哥伦比亚”号失事癿直接原因是航天飞机外挂燃料箱外表面脱落癿一坑泡沫材料撞击航天飞机左翼前缘癿热保护部件形成裂孔当航天飞机重迒大气层时赸高温气体从裂孔处迕入机体造成航天飞机解体航天飞机在重新返回大气层时，穿越地球大气层疾驰的过程中外壳被穿孔，致使炙热空气冲入了宇航员所在的起落架舱，并由此造成了机毁人往的悲剧。一块隔热瓦的脱落导致温度异常升高。放射性的本质是原子核的天然衰变，那么能否利用人工的方法使原子核发生变化呢?本节课就来研究原子核的人工转变所产生的核反应以及引起的能量变化——核能。如果要人工转变原子核那用什么办法呢，若用αβγ粒子作为“炮弹”去轰击其他的原子核，能不能使其发生转变呢？1919年1919年卢瑟福：α粒子轰击N卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，是氮原子嬗变成了氧原子，首次实现科原子核的人工转变，把一种化学元素变成另一种化学元素，被誉为当代“炼金术”。核反应：某种元素的原子核变为另一种元素的原子核的过程。质量亏损：组成核的核子总质量和原子核的质量之差Δm，如:经过精确计算表明,氘核的质量比中子和质子的质量之和要小一些。1u=931.5MeV核子在结合成原子核时，质量有亏要放出能量，反之，原子核分解成核子时要吸收能量。核反应遵循的基本规律：质量数和电荷数都守恒两类基本的核反应1.某些轻核结合成质量较大的核的核反应过程，同时放出大量的核能。2.重核俘获一个中子后分裂为几个中等质量的核的反应过程.在裂变的同时要放出几个中子和大量的核能。给费米发错的诺贝尔奖　　本世纪30年代初，当1932年人们发现中子后，不但对原子核的结构有了正确的认识，而且发现中子是一种新型的核“炮弹”。由于中子不带电荷，它和原子核之间不存在电排斥力，因而用它来产生核反应时，比用带电的其他高能粒子效果好得多。中子被发现以后，科学家就利用它去轰击各种元素，研究核反应。以意大利皇家科学院院士费米为首的一批青年人，干得最起劲。他们按照元素周期表的顺序，从头到尾地轰击已知的各种元素，看看都会发生什么情况。重核裂变及链式反应：俘获一个中子后分裂为几个中等质量的核的反应过程.在裂变的同时要放出几个中子和大量的核能。　　1934年，元素周期表上最后一个是92号元素铀。当用中子轰击时，他们发现铀被强烈地激活了，并产生出好些种元素。他们认为，在这些铀的衰变产物中，有一种是原子序数为93的新元素。这是由于中子打进铀原子核里，使铀的原子量增加而转变成的新元素。　　费米等人关于93号新元素的实验报告发表后，世界各国的报纸立即进行了轰动性的报道。　　关于93号元素问题，在各国科学家中引起一场激烈而持续的争论。有不少人肯定，也有不少人持怀疑态度。这场争论迟迟没有定论的原因是当时缺乏一种有效的手段，可以对铀元素受到中子轰击后的产物进行精确的分离和分析。　　1934年10月，费米研究小组未解决这个谜团，却意外地取得另一项重大发现：中子在到达被辐射物质之前，和含氢物质中的氢原子核碰撞，速度大大降低；这种降低了速度的“慢中子”，更容易引起被辐射物质的核反应。这正如速度太快的篮球容易从框上弹出去，速度慢的较容易进篮一样，使用慢中子轰击原子核很快被各国科学家采用。　　1938年11月10日，也就是“93号元素”发现4年多以后，费米接到来自斯德哥尔摩的电话，瑞典科学院宣布费米获得诺贝尔物理学奖的奖状：　　“奖金授予罗马大学恩里科·费米教授，以表彰他认证了由中子轰击所产生的新的放射性元素，以及他在这一研究中发现由慢中子引起的反应。”　　费米带着全家去斯德哥尔摩领奖后，没有返回意大利，而是乘上了去美国的轮船。　　就在这一年，德国威廉皇家化学研究所的两位化学家哈恩和斯特拉斯曼，与女物理学家梅特涅合作，试验用慢中子轰击铀元素，而且用化学方法分离和检验核反应的产物，获得了令人难以置信的结果：铀核在中子的轰击下，分裂成大致相等的两半，它们不是93号新元素，而是56号元素钡！原子核的这一种变化现象过去还从未发现过。试验中还发现铀核裂变产物的原子量之和并不等于铀的原子量，而是小于铀的原子量，这就是奥地利女物理学家梅特涅提出的“质量亏损”。这个质量亏损相当于核反应放出的能量，他依据爱因斯坦的质能方程计算出每个U原子核裂变是要放出的能量为212MeV，这是重核裂变的理论依据。　　1938年11月22日，也就是在诺贝尔奖颁发后的12天，哈恩把分裂原子的报告寄往柏林《自然科学》杂志，该杂志1939年1月便登出了哈恩的论文，推翻了费米的实验结果。显而易见，诺贝尔奖搞错了！　　听到这惊人的消息，费米的第一个反应是来到哥伦比亚大学实验室，利用那里较好的设备，重复了哈恩的试验，结果和哈恩的试验一样。　　这一事实，对费米来说无疑是难堪的。然而和人们的想象相反，费米坦率地检讨和总结了自己的错误判断，表现了一个科学家服从真理的高尚品质。　　此时此刻，费米考虑的不是个人的名誉得失，他在别人成就的基础上继续向前迈进。　　在裂变理论的基础上，费米很快提出一种假说：当铀核裂变时，会放射出中子。这些中子又会击中其它铀核，于是就会发生一连串的反应，直到全部原子被分裂。这就是著名的链式反应理论。根据这一理论，当裂变一直进行下去时，巨大的能量就将爆发。如果制成炸弹，它理论上的爆炸力是TNT炸药的2000万倍！自然界中较轻的原子核，质子数、中子数大致相等，对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重，差别越大。下面我们看一下我国在核能上的应用情况，这是我国进行原子弹实验的照片。1964年10月16日下午3时（美国是1945年7月），我国西部地区新疆罗布泊上空。中国第一次将原子核裂变的巨大火球和蘑菇升上了戈壁荒漠，第一颗原子弹爆炸成功了。中国人迈进了原子核时代。我国成为了第五个拥有核武器的国家。这是我国的秦山核电站，这是核反应堆的照片。第三个例子是重要的信息材料，而在信息材料中最重要的材料就是Si，它是IC和先进科学仪器的基础，是制作高性能IC的最重要材料！是制造电脑芯片的重要材料，可以说电脑发展的历史就是半导体材料和集成电路的发展史，下面我们看一下计算机的发展简史。计算机的发展史总结起来共有三个大的阶段，第一个阶段就是电子管计算机，1946年美国宾夕法尼亚大学为了弹道设计的需要设计了世界上第一台数字电子计算机。他的运算速度不高，但是一个庞然大物，它一共用了18000个电子管，1500个继电器，他的功率为50千瓦，占地300平方米，重30吨，价值48万美元，当时这种计算机应用范围还很小，主要局限于导弹、原子弹等国防尖端科技部门。这是第一代计算机，大家想一下，如果计算机一直没有发展，到现在还是这样的计算机，就算是他的价值不是48万美元，而是和我们现在的计算机的价格是一样的4800元人民币，我们也还是用不起，因为现在的房价太高了，谁也没有300平的房子放下它。可是人类史非常聪明的，尤其是我们20世界那些有名的科学家，他们很快就把电子管计算机淘汰了。首先是1947年，就在我们和国民党打内战的时候，肖克利、巴丁、布拉顿三人发明第一个Ge晶体管。这为发展第二代晶体管计算机奠定了基础，在1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机——TRADIC，使计算机体积大大缩小，用了800只晶体管。1957年，美国研制成功了全部使用晶体管的计算机，第二代计算机诞生了。第三代计算机是集成电路计算机，60年代中期，随着微电子技术的发展，集成电路成为计算机新的逻辑元件。计算机的体积、重量、能耗大幅度降低，性能大幅度提高。1964年美国IBM公司生产的IBM—360系列问世，标志计算机进入了第三代。集成电路计算机的发展分为几个阶段，在上世纪60代中期到70年代初，主要是小规模和中规模的集成电路计算机，小规模的集成度是每片于是100个元件，中规模的集成度是100-1000个元件，而70年代初到70年代中期是大规模集成电路计算机，其集成度是1000-100000个元件，到1975以后就发展到超大规模的集成电路计算机，其集成度大于每片100000个元件。在2007年的时候因特尔的CPU的集成度已经达到每片10亿个晶体管。左图是中规模计算机，右图是超大规模的集成电路计算机。现在我们应用的都是超大规模集成电路计算机，科学家预言，传统的硅芯片技术将在未来10～15年内达到理论极限，因此寻找硅芯片加工的替代技术既相当重要又十分迫切。可是下一代计算机是什么呢？现在人们提出了很多设想，主要有以下几种，第一种，就是超导计算机，这种计算机利用高温超导材料作为材料制作计算机，计算机运算速度比现在的电子计算机快100倍，超导而电能消耗仅是电子计算机的千分之一。如果目前一台大中型计算机，每小时耗电10千瓦，那么，同样一台的超导计算机只需一节干电池就可以工作了。上世纪80年代IBM公司推出了烟盒大小的超导计算机，不过由于超导材料要在很低的温度下工作，所以这种计算机只能在液氮的工作环境下进行工作，可见不利于应用，现在超导材料的研究者正在研究高温的超导材料，如果超导材料能在室温下工作，那么超导计算机就能实用化了。第二种是光子计算机，光计算机是由光代替电子或电流，实现高速处理大容量信息的计算机。运算速度极高、耗电极低。1969年，研究光计算机的序幕由美国麻省理工学院的科学家揭开。1982年，英国赫罗特一瓦特大学物理系教授德斯蒙德·史密斯研制出光晶体管。1983年，日本京都大学电气工程系佐佐木昭夫教授，腾田茂夫副教授也独立地研制出光晶体管。1986年，美国贝尔实验室发明了用半导体做成的光晶体管，功能与晶体管的功能一样，起到“开”与“关”的作用。然后，科学家运用集成光路技术，把光晶体管，光源光存贮器等元件集积在一块芯片上，制成集成光路，与集成电路相似。最后，选用集成光路进行组装，就得到光计算机。1990年，贝尔实验室推出了一台由激光器、透镜、反射镜等组成的计算机，尽管它的装置很粗糙，由激光器，透镜,棱镜等组成，只能用来计算。但是，它毕竟是光计算机领域中的一大突破。这就是光计算机的雏形。随后，英、法、比、德、意等国的70多名科学家研制成功了一台光计算机，其运算速度比普通的电子计算机快1000倍。这种利用光作为载体进行信息处理的计算机被称为光计算机，又叫光脑。现在，全世界除了贝尔实验室外，日本和德国的其他公司都投入巨资研制光计算机，预计在21世纪，将出现更加先进的光计算机。第三种就是分子计算计划就是尝试利用分子计算的能力进行信息的处理。分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。1964年美国学者就提出了分子计算机的概念，1999年美国加州大学化学教授詹姆斯·希思用轮烷（rotaxne）的新型化合物作为计算机材料，从进行运算所需要的能量来看，有可能使计算机的功效比目前的奔腾芯片提高大约1000亿倍。”可能在一粒砂子大小的芯片上获得相当于100台工作站的计算能力”。第四种可能的下一代计算机是量子计算机，利用电子的两个自旋方向，用几个原子做出量子计算机的基本电路。这几种传感器经过科学家们的努力都有可能成为第四代计算机，为我们所用，到那时我们可能就不用拎着电脑包了，可能把电脑做的非常小，有口袋里装着就行了，以上我们介绍了我们介绍的高新技术及其应用材料的第三个例子，接下来我们讲一下最后一个例子，智能机器人。给大家举得最后一个应用功能材料的例子是智能机器人，首先我们看一段视频，看以看出这个机器人“阿西莫”已经非常智能了，这个是是2007年是的报道，现在“阿西莫”已经升级了很多，在09年中国长沙车展是本田公司展示了升级后的“阿西莫”，其更加智能，离着为人们服务有进了一步。其实智能机器人是集计算机技术和传感器技术于一身，他的大脑大脑—中央处理器是计算机，而他的五官是各种传感器。其视觉是光敏器件，听觉是声敏和压敏器件，嗅觉和味觉是气敏器件，而触觉是压敏、热敏、湿敏和磁敏器件，在我们后面的各章中主要就是要介绍各种传感器及其原理和制作方法。