1、材料化学,第七章 新型功能材料,1911年，荷兰物理学家Onnes在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象。后来又陆续发现一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零，即具有超导现象。物质在超低温下，失去电阻的性质称为超导电性；相应的具有这种性质的物质就称为超导体。超导体在电阻消失前的状态称为常导状态；电阻消失后的状态称为超导状态。,7.1 超导材料,一、超导材料的种类,按成分可将超导材料分为元素超导体、合金和化合物超导体、有机高分子超导体三类。现在已知的有24种元素具有超导性。除碱金属、碱土金属、铁磁金属、贵金属外几乎全部金属元素都具有超导性。合金和化合物超导体包括二元、三元和多元的合金及化合物
2、。组成可以是全为超导元素，也可以部分为超导元素、部分为非超导元素。有机高分子超导体主要是非碳高分子(SN)X。,(1) 氧化物超导体,(2) 非氧化物超导体,(3) 非晶超导材料,(4) 复合超导材料,(5) 重费米子超导体,(6) 有机超导材料,(3) 化合物超导材料,(1)元素超导体,(2) 合金超导体,1. 低温超导材料,2. 高温超导材料,1. 低温超导材料 这种材料的超导转变温度较低，大约在30K以下。具体又可分为:元素超导体合金超导体化合物超导体,二、超导材料的性能,目前已查明 常压下具有超导电性的金属元素有32种（如上图元素周期表中青色方框所示） 高压下或制成薄膜状时具有超导电性
3、的金属元素有14种（如上图元素周期表中绿色方框所示）,(1) 元素超导体,(1)元素超导体,常压下，已发现具有超导电性的金属元素有32种。其中过渡元素占22种，如Ti，V，Zr，Nb，Mo，Ta，W，Re等。非过渡族元素10种，如Bi，Al，Sn，Cd，Pb等。按临界温度高低排列，铌居首位，临界温度为9.24K；其次是人造元素锝，临界温度为7.8K；第三是铅，7.197K；第四是镧，6.00K。然后是钒，5.4K；钽，4.47K；汞，4.15K；以下依次为锡、铟、铊、铝。研究发现，在施以30Gpa的条件下，超导元素的最高临界温度可达13K。 元素超导体除V，Nb，Ta以外均属于第一类超导体，很
4、难实用化。超导现象发现后，Onnes曾试验用铅丝绕制超导磁体，但其临界电流、临界磁场均较小，无法实用。1950年前后，研究者又采用纯铌线制作超导磁体，最终也宣告失败。,(2) 合金超导体,在目前的合金超导材料中，NbTi系合金实用线材的使用最为广泛，原因之一是在于它与铜很易复合。复合的目的是防止超导态受到破坏时，超导材料自身被毁。这种合金线材虽然不是当前最佳的超导材料，但由于这种线材的制造技术比较成熟，性能也较稳定，生产成本低，所以目前仍是实用线材中的主导。20世纪70年代中期，在NbZr，NbTi合金的基础上又发展了一系列具有很高临界电流的三元超导合金材料，如Nb40Zr10Ti，NbTiT
5、a等，它们是制造磁流体发电机大型磁体的理想材料。,(3) 化合物超导体,超导化合物的超导临界参量均较高，是性能良好的强磁场超导材料。但质脆，不易直接加工成线材或带材，需要采用特殊的加工方法。目前能够实用的超导材料，如NbTi合金、V3Ga所产生的磁场均不超过20T。而其他材料，如Nb3Al和Nb3(AlGe)等临界温度及上临界磁场均高于Nb3Sn，V3Ga。近年来，日本采用熔体急冷法、激光和电子束辐照等新方法进行试验，取得了重要进展。如用电子束和激光束辐照Nb3(AlGe)，在4.2K，25T的磁场下，临界电流密度达到3104Acm-2。 具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正能够实际应用
6、的并不多。,超导的应用 从目前的研究情况来看，超导技术的应用可分成三类：, 用超导材料做成磁性极强的超导磁铁，用于核聚变研究和制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和超导列车，以解决人类的能源和交通问题。,超导磁浮列车,超导磁流体发电机, 用超导材料薄片制作Josephson器件，用于制造高速电子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备。,高能量粒子超导加速器及碰撞器,超导射频滤波器, 用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对人的各种复杂疾病的治疗。,心脏血管检查 影像图,头部及足部MRI 影像图,2. 高温超导材料 这种材料大多具有较高的临界转变温度，超过了77K，可在液氮的温度下工作。它
7、们大多为氧化物陶瓷，首先开发的氧化物超导体是钇系氧化物YBa2Cu3O7 (YBCO)超导体，随后开发的是铋系氧化物 Bi2Sr2Ca2Cu3Ox(BSCCO)超导体和铊系氧化物TlBaCaCuO超导体。少数的非氧化物高温超导体主要是C60化合物。,(1) 氧化物超导体,(2) 非氧化物超导体,(3) 非晶超导材料,(4) 复合超导材料,(5) 重费米子超导体,(6) 有机超导材料,一.能源转换能源转换是改变能源物理形态的能源生产,一次能源,直接或间接转变,化石燃料、水能等,电能、热能、汽油、煤油、柴油、煤气等,二次能源,7.2 能源转换与储能材料,例如： 水的势能使水轮机运转，水轮机带动发电
8、机而转变为电能；煤通过燃烧转换为热能，热能产生蒸汽驱动汽轮机转换为机械能，再带动发电机转换为电能。,火力发电厂之“乌龙戏珠”,转换后的二次能源比一次能源具有更高的终端利用效率，使用时更方便、更清洁。但是在有热转换的过程中，不可避免地会伴有转换损失。例如，用一定量的煤来发电时，煤的有些能量将残存在未燃尽的煤粒中，有些将以热的形式从烟囱中损失掉或成为锅炉或蒸汽管道的辐射热而散发掉，有些以废热的形态失去，有些成为摩擦损失，剩下的部分转变为电能。所有这些能量加在一起等于煤完全燃烧所应释放的能量。在研究能源转换的问题时，不仅要注意能量的数量，还应注意能量的质量。,人类对能源的利用主要有三次大转换： 第一
9、次是煤炭取代木材等成为主要能源； 第二次是石油取代煤炭而居主导地位； 第三次是20世纪后半叶开始出现的向多能源结构的过渡转换。人类利用能源的历史可分为五大阶段： 火的发现和利用； 畜力、风力、水力等自然动力的利用； 化石燃料的开发和热的利用； 电的发现及开发利用； 原子核能的发现及开发利用。,吐鲁番乌鲁木齐大黄山高等级公路像一条黑色缎带，蜿蜒于天山脚下。沿路南行，在通往丝路重镇达坂城的道路两旁，上百台风力发电机擎天而立、迎风飞旋，与蓝天、白云相衬，在博格达峰清奇峻秀的背景下，在广袤的旷野之上，形成了一个蔚为壮观的风车大世界。,目前我国最大的风能基地：新疆达坂城风力发电厂。,2008新疆行，达坂
10、城的风车,能源转换实例 生物质转换成生物质燃料,垃圾堆,各类植物,能源转换实例 生物质转换成生物质燃料,动力照明鞋 这双鞋子照亮黑暗的小径，而电源则由跑步或徒步时所产生的能源转换而成。,二.化学反应储能材料,化学储能实际上就是利用储能材料相接触时发生化学反应，而通过热能与化学能的转换将能量储存起来。目前化学储能广泛应用于化学热泵、化学热管、化学热机、空调设备和灭火材料等方面。,最新的研究表明，一些可逆化学反应过程在储热方面比纯物理过程(热容量变化和相变)更有效。主要优点不仅在于储热量大，而且如果反应过程能用催化剂或反应物控制，就可以长期储存热量。其中，储存低中温热量最有效的化学反应是水合脱水反
11、应，该反应的可逆性很好，对设计多途的低中温储热系统中非常有益。目前有四种无机物的可逆水合脱水反应已受到人们的关注，即结晶水合物、氢氧化物、多孔材料和复合材料。,凉爽冰帽 普通太阳帽的换代产品,清凉感觉 从头开始,1结晶水合物 结晶水合物蓄热是在低于其熔点的温度下，使水合盐全部或部分脱去其结晶水，利用脱水过程中吸收的水合热实现热量的储存。当需要回收热量时，把脱去的水与脱水盐接触即可实现。例如：,吸热,放热,由表可以看出，这些氢氧化物性能参数对低温蓄热很有潜力，如利用Ca(OH)2/CaO的可逆反应对水蒸气进行加热，可获得温度达500的高品位过热水蒸气。利用这种材料的化学热泵具有可逆性能好，反应速
12、率快、反应热量大、稳定安全且价廉等优点。但由于无机氢氧化物和水合物相比有较强的腐蚀性，并且和含CO2的空气相互作用，稳定性很差，故目前在储热中应用较少。,2无机氢氧化物无机氢氧化物的脱水反应也可用来储存热量,3多孔蓄热材料,多孔蓄热材料是利用了沸石和硅胶等材料对水的高吸附热。其中，如沸石这种多孔材料可吸收质量分数为3035的水，因此通过吸水过程储存的热量很多，其储能密度一般能超过100kJkg-1。而且，此种材料有较长的使用寿命，Y型沸石进行1 000次循环其活性也不降低。此外，沸石可加工成粒状，极有利于水蒸气透过沸石床进行传质。迄今为止，对沸石制冷和沸石热泵已经做过大量的研究，多孔蓄热材料无
13、毒廉价，吸附蒸汽而体积变化不大，有很大的发展前景。但多孔蓄热材料存在再生温度较高(200)以及如何高效地进行再活化等问题，还有待今后去解决。,另外一种化学储热材料是将结晶水合盐填充到多孔材料中形成的复合材料。这种复合材料是在各种多孔材料，如硅胶、氧化铝及其他聚合物的、金属的和含碳的多孔材料中填充选定类型的结晶水合物而制得。如CaCl26H2O硅胶复合材料，在质量分数为70 时，仅水的蒸发就可以使干储热材料提供1 580kJkg-1的储热量。这种材料的主要优点是：储热能力高(可达到2 000kJkg-1)，传热传质性能优良，理化性质可调节，工作温度范围(2080)适宜，原材料简单易得。目前CaC
14、l26H2O硅胶复合材料已经做过应用试验，包括用于空调设备、电子设备冷却装置，以及做灭火材料(覆盖在可燃物表面及制成粉末喷洒灭火均可)的试验。,4复合蓄热材料,三. 相变储能材料,目前，相变材料中研究和应用最多的是固液相变储能材料，它已经是相对成熟的一类材料。国内外研制的固液相变材料主要有无机水合盐和有机物。,1固液相变储能材料,（2）有机储能材料有机类相变材料常用的有高级脂肪烃类、脂肪酸或其酯或盐类、醇类、芳香烃类、芳香酮类、酰胺类、氟利昂类和多羟基碳酸类等，另外高分子类有聚烯烃类、聚多元醇类、聚烯醇类、聚烯酸类、聚酰胺类以及其他的一些高分子，其中典型的有尿素、CnH2n+2、CnH2n、C
15、10H8、CFC、PE、PEG、PMA、PA等。,（1）无机储能材料无机水合盐有较大的熔解热和固定的熔点，是中低温相变材料中重要的一类，主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等。最典型的是结晶水合盐类，这类材料具有熔化热大、导热系数高、相变时体积变化小等优点，使用较多的主要有碱及碱土金属的卤化物、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐及醋酸盐等。,2固固相变材料,固固相变材料与固液相变材料相比具有很多的优点，一是它无需容器盛装，可以直接加工成型；二是固固相变膨胀系数较小，体积变化小；三是无过冷现象和相分离现象；四是无毒、无腐蚀、无污染；五是性能稳定，使用寿命长；六是使用方便，装置简单。因此，固一固
16、相变材料是最有前途的研究领域之一。目前已经开发出的具有技术和经济潜力的固固相变材料主要有多元醇、高分子类和层状钛钙矿，其中多元醇在实际应用中较多。,（1）多元醇多元醇的相变温度较高，很大程度上限制了其实用性。为了得到较宽的相变稳定范围，满足各种情况下对储热温度的相应要求，可将多元醇中两种或三种按不同比例混合，调节相变温度。不同种类和不同比例的多元醇混合体系其相变温度和相变焓有较大变化，其中以加入TMP(三羟甲基丙烷)所形成的PETMP体系为最好。多元醇相变材料具有性能稳定，使用寿命长，相变焓较大，无液相产生，体积变化小等优点。,（2）高分子类这类相变材料主要是指一些高分子交联树脂，如交联聚烯烃
17、类、交联聚缩醛类和一些接枝共聚物，如纤维素接枝共聚物、聚酯类接枝共聚物、聚苯乙烯接枝共聚物、硅烷接枝共聚物。目前使用较多的是聚乙烯。聚乙烯价廉，易于加工成各种形状，表面光滑，易于与发热体表面紧密结合，导热率高，且结晶度越高其导热率也越高。尤其是结构规整性较高的聚乙烯，如高密度聚乙烯，线性低密度聚乙烯等，具有较高的结晶度，因而单位质量的熔化热值较大，但在某些使用场合下，略显其相变温度太高。,（3）层状钙钛矿层状钙钛矿是一种有机金属化合物，它被称为层状钙钛矿是因为其晶体结构是层型的，和矿物钙钛矿的结构相似。纯的层状钙钛矿以及它们的混合物在固固转变时有较高的相变焓(42146kJkg-1)，转变时体
18、积变化较小(5%lO%)，适合于高温范围的储能和控温使用。由于其相变温度高、价格较贵等原因较少使用。,太阳能+相变材料地板采暖系统系统采用29的相变材料，配合太阳能热水装置，是一种100%环保型的室内采暖系统。具有安装容易，能效高，运行成本极低的特点。,太阳能相变材料储热器可使室温在整个冬季保持在21C (70F)左右的温度范围完全不受气候的影响。,燃料电池,生物材料可以是天然材料，也可以是人工材料。 可单独或与药物一起用于人类组织或器官，起替代、增强、修复等治疗作用。 对生物材料的要求是：移植在人体内不会引起急性或慢性危害，无毒、无副作用；接触人体各种体液（如唾液、血液、淋巴液）时，应有良好
19、的耐腐蚀性能，不会在生物体内变质；具有必要的强度、耐磨性和耐疲劳性能等。 至关重要的是材料与生物体组织、血液有相容性（不会引起血液凝固和溶血）；与软硬组织有良好的黏结性，不会产生吸收物和沉淀物。,7.3 生物材料,一. 生物聚合物材料,1血液相容性材料 血液与异物接触会出现凝血现象。凝血就是血浆中的可溶性纤维蛋白原转变为不溶解的纤维蛋白，血浆从溶胶态变为凝胶态。异物表面对促成凝血栓塞具有决定性作用。凝血过程的机理迄今还不十分清楚。提高异物表面的抗凝血性能，是研究抗凝血材料的主攻方向。 2组织相容性材料 组织相容性材料分为软组织材料和硬组织材料两类 。前者如人工皮肤、人工气管、人工食道、隐形眼镜
20、等；后者如人工关节、人工骨和牙等。,组织工程人工骨缺损修复示意图,人造血管,人工心脏瓣膜,3人工皮肤 人工皮肤的种类很多，有硅橡胶或塑料薄膜人工皮，合成纤维人工皮，合成多肽类人工皮、水凝胶等。,甲壳素人工皮的电镜照片,双层人工皮肤,4硬组织材料人工髋关节是临床应用比较成功的一种。其中髋臼用超高相对分子质量的聚乙烯制成，股骨多为金属制品，这种塑料与金属的配合 ，使其耐磨性较金属与金属的配合强10倍。,头颅微型钢板,牙齿矫正,5隐形眼镜 早期作隐形眼镜的是有机玻璃，称硬角膜接触镜，它对眼珠有一定的刺激作用。现已研究出柔水性聚合物甲基丙烯酸，它容性好，弯曲90也能迅速复原，也称为亲水软镜。有机玻璃的
21、人工晶体已用于治疗白内障。,隐形眼镜又称为角膜接触眼镜，简称接触镜。目前有两种:一种由有机玻璃制成;一种由凝胶制成，具有亲水性，故又称为亲水角膜镜。由于隐形眼镜是戴在眼球表面，与眼球呈相对固定状态，随眼球转动而转动，使角膜镜的中心与眼球角膜中心始终同轴，从而消除了三棱镜的干扰作用，减少了视网膜像大小的失真，视野开阔，不影响面部外形，有许多框架式眼镜没有的优点。,二. 生物降解材料,有些人体医用材料，希望只是暂时存在于体内，最终能消失，最典型的就是手术用缝合线，这类材料称之为生物降解材料。此外，如人造骨骼，也希望其外表面有一层生物降解材料，并希望人造骨的降解速率与组织生长速率一致。这样，随着组织
22、内部的降解吸收，原来的组织得以再生，与生物体组织结成一体。可作为生物降解材料的聚合物有聚酯脂、聚氨基酸、交联白蛋白、骨胶原、明胶等。,硅橡胶医用导管类,人工晶体,普通药物多是低分子化合物，在体内的代谢速度快，因而病人需连续服药，药物高分子化后，释放速度缓慢，还可定向释放，疗效增加。用作药物载体的聚合物材料，是通过低分子药物结合到聚合物上或将药物包在用聚合物做的微囊里，使低分子药物高分子化。,新康泰克膜控小丸结构,聚合物缓释包衣层,药物层,基丸,色衣层,本品内容物： 速释小丸， 能在一定时间内发挥作用的缓释小丸， 其有效浓度可维持12h。,药物的释放方式有如下4种： （1）扩散控制释放用微胶囊、
23、空心纤维、脂质体或膜承载药物，释放速率受聚合物相对分子质量和组成、药物含量及药粒大小控制。采用的聚合物有甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚乙烯醇和甲基丙烯酸羟基酯等。 （2）化学反应控制释放包埋在载体内的药物，随载体的降解而释放，降解速率控制释放速率。采用的聚合物有聚乳酸、聚乙烯醇及其共聚物、聚酰胺、聚缩醛、多糖类聚合物等。,（3）溶剂活性控制释放由渗透和溶胀机理来控制药物的释放。渗透控制是溶剂经半透膜或聚合物膜的微孔进入药物，溶解药物后再以等体积输出含有药物的溶液。溶剂的渗透速率影响药物释放的快慢。溶胀控制是介质使载体溶胀，然后药物向外扩散。按这种方式所用的药用聚合物有纤维素衍生物、甲基丙烯酸羟乙
24、酯和甲酯的共聚物等。 （4）磁性控制释放将药物和铁磁性颗粒包埋在聚合物中，在病灶外磁场的作用下，磁性药物微珠定向运动而集中于病灶，可有目的地局部输送药物、控制释放。这是先进的“导弹疗法” 。,三. 生物活性材料,由于陶瓷材料在生物体内极为稳定，与生物组织有良好的亲和性，特别适于作人体硬组织的替换、修补材料。这类材料主要有氧化铝、羟基磷灰石、生物活性玻璃、生物活性玻璃陶瓷、生物活性骨水泥等，能与人体骨生长在一起形成化学结合。1氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷是传统的生物材料，具有卓越的抗腐蚀性能，强度、硬度都很高，还有较高的耐磨性和优异的压缩强度，良好的生物相容性，但由于质脆限制了其应用。,2磷酸钙陶瓷
25、具有生物降解性，并能被人体吸收。磷酸钙陶瓷生物降解速率与其结构有关，-磷酸三钙-磷酸三钙羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2。羟基磷灰石是骨组织和牙组织的无机组成部分，它的单位晶胞与人体骨组织相同。羟基磷灰石与聚合物复合用于人造骨，效果更好，现已有聚乙烯与它复合的材料。 3玻璃碳 一种透明的碳，是近年发展起来的碳素材料。由聚合物（如酚醛树脂）加热裂解碳化而得 。力学性能与人骨很相近，有优良的抗血黏性能，有耐蚀性和化学稳定性。可用以制作人工心瓣膜、人工齿根等。,信息功能材料是信息科学技术的先导和基础。20世纪40年代末5O年代初，晶体管的发明、硅单晶材料和硅集成电路(ICs)的研制成功，导致
26、了电子工业大革命。光导纤维材料和以砷化镓(GaAs)材料为基础的半导体激光器的发明，使人类进入到光纤通信和高速、宽带信息网的时代。20世纪70年代，超晶格概念的提出，分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等生长技术的发展与进步，以及超晶格、量子阱材料的研制成功，使半导体器件的设计思想由“杂质工程”发展到“能带工程”，出现了器件的电学、光学性质可剪裁的新范畴，为材料和器件科学家提供了一个施展才能和创新的广阔天地。,7.4 信息功能材料,一. 半导体硅材料,高速发展的深亚微米级的集成电路对硅材料的要求是，既要大直径化，又要晶体性能完美无缺。在硅材料晶体生长的研究方面，大量采用计
27、算机模拟，拉晶技术采用磁场直拉法；在缺陷的控制方面，采用设计晶体生长速率与固液界面温度梯度工艺，控制硅中自间隙硅原子、空位及相关微缺陷，可获得完美硅单晶；在缺陷的利用方面，采用综合内吸除技术控制和利用硅中的缺陷和杂质，尤其是近年采用快速热处理并引入和控制空位，从而控制氧沉淀的新型内吸除技术，获得高质量洁净层，并提高效率和降低成本；硅中掺氮杂质可抑制硅中体缺陷和增强硅片机械强度，结合使用内吸除技术，能生产出优质硅片；在硅片加工方面，采用线切割技术和双面抛光等先进的工艺和技术。,当前微电子技术的基础材料从提高硅器件、集成电路成品率，提高性能和降低成本来看，增大直拉硅单晶的直径、解决硅片直径增大导致
28、的缺陷密度增加和均匀性变差等问题仍是今后硅单晶发展的大趋势。,二. 硅外延材料,高温下通过气相化学反应，在抛光的硅单晶片上生长一层或多层硅单晶薄膜，通过控制生长条件，可以获得不同电阻率，不同厚度及不同型号的外延层。主要用于制造各种硅集成电路和分立器件，是集成电路和分立器件中重要的基础材料。大直径的硅集成电路芯片生产线均选用硅外延作为起始材料。 可有效地控制氧、碳等杂质沾污，提高其纯度、完整性和掺杂均匀性，从而克服直拉硅单晶存在的问题。,三、AA化合物半导体材料,与硅相比，AA化合物材料以其优异的光电性质在高速、大功率、低功耗、低噪声器件和电路、光纤通信、激光光源、太阳能电池和显示等方面得到了广
29、泛的应用。GaAs，InP和GaN及其微结构材料是目前最重要、应用最广泛的AA化合物半导体材料。,GaAs化合物半导体结晶和晶片,四. 宽带隙半导体材料,宽带隙半导体材料（高温半导体材料） 主要是金刚石、A氮化物、碳化硅、立方氮化硼以及AA族硫、锡碲化物、氧化物(ZnO等)及固溶体等。 特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料 具有高热导率、高电子饱和漂移速率和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。 另外，A氮化物等也是优良的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管(LED)和紫、蓝、
30、绿光激光器(LD)以及紫外探测器等方面也显示了广泛的应用前景。,碳化硅宽带隙半导体,随着1993年GaN材料的P型掺杂技术的突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。近年来，功率达瓦级(最大为 5W)的GaN基蓝、紫光发光二极管的研制成功，使人们看到了固态白光照明的诱人前景。固态照明与目前常用的白炽灯相比，不仅发光效率高，节约能源2/3，而且工作寿命可提高10倍以上，加之工作电压低、安全可靠和无污染等，是当前国内外研发的热点。,方大集团于2001年9月在国内第一个生产出GaN基LED外延片,蓝、绿、白光LED,城市建筑装饰灯光工程,五. 信息存储材料,目前磁记录材料仍是最重要的信息存储材
31、料。通过技术革新和巨磁阻材料的利用，磁性材料的存储密度仍有大幅度提高的空间。但是，20012006年之间，磁材料中磁记录单元(磁晶)的尺寸已达到其记录状态的物理极限，相应的存储密度为10100GB。在这种背景下，从 20世纪80年代末以来，光存储技术得到了十分迅速的发展，光存储的市场不断扩大。,目前，一般的光存储技术已经成熟，一次性和可擦写的光盘都已商业化。由于20世纪90年代末GaN蓝色激光的出现，光存储密度由于所使用的光波波长变短而得到成倍的增长。下一步的发展方向是研究和开发适合蓝紫激光波长的光盘材料。此外，由于光存储技术的面密度已接近光学衍射极限，国际上正在寻找下一代的光存储技术，如三维
32、光存储技术、全息存储技术和近场光存储等。在这些新的存储技术中，关键还是可实用的光存储材料的研究和开发。,日立执行副总裁海利的右手上是1英寸微型硬盘中的一张盘片，他的左手上是50年前IBM生产的RAMAC中的一张24英寸盘片。 1英寸硬盘盘片的数据存储量是1张24英寸RAMAC盘片的80 000多倍，8GB容量1英寸硬盘的存储容量是RAMAC的1 600倍。,纵观硬盘的发展史，从第一块硬盘诞生到现在已有50年历史，硬盘的面密度（硬盘表面每平方英寸所存储的数据位数）已经增加了一千万倍。,50张组合在一起的盘片只能存储大约2首iTunes歌曲,硬盘还会多小？ 日立的微型硬盘包含有直径1英寸的盘片 东
33、芝已经将盘片的直径进一步缩小到了0.85英寸,IBM 3340这款1英寸硬盘是由IBM在1999年发明的，它支持30 MB的固定存储和30 MB的可移动存储,1976年, 5.25英寸的SA-400软盘驱动器,1英寸Microdrive家族三剑客,存储量达目前硬盘千倍，IBM展示单原子存储、分子开关即使当今存储密度最高的硬盘，要想保存1bt的信息也需要大约100万个磁性原子，而位于加州圣何塞的IBM Almaden研究中心已经成功地在一个单独的原子上保存了1bt信息。 与此同时，IBM苏黎世研究实验室则发明了分子开关，有望取代当今的硅芯片技术制造超微型的处理器，一台超级计算机的体积也许只会相当
34、于一粒尘埃。,IBM称，单原子存储技术实用后可以得到超高密度的存储设备，至少相当于目前硬盘的1 000倍，可以在一部iPod的体积内存储3万部全尺寸电影。,六. 有机光电子材料,有机发光材料以其低廉的成本和良好的柔性，已成为全色高亮度发光材料研究的又一大热点。目前有机电致发光材料LED的发光亮度最高已达10Cdm-2，发光效率为151mW-1，工作寿命超过20 000h，并实现了红、绿、蓝及全色发光，并有16英寸彩屏研制成功的报道，商业化前景看好。但有机发光材料的稳定性尚未得到彻底解决。 折射率渐变新型塑料光纤由于其优良的机械性能以及抗干扰、易连接、低成本等特点，成为短途光纤通信和光纤入户的关
35、键材料。1994年，国际上开始研制渐变型塑料光纤技术,目前已有的实际应用包括，利用塑料光纤建立了局部电话通信系统，渐变型塑料光纤的应用等。中国在20世纪90年代中期也开展了相应研究，并在短距离数据、资料传输,局域网互联等方面进行了示范演示，取得了较大进展。,七. 人工晶体材料,人工晶体在光通信、三维光存储、光计算、激光加工、医疗、光倍频、全光显示和国防等方面有重要应用。 人工晶体在高光学质量、大尺寸激光晶体材料制备等方面取得了长足进步，并在可调谐、大功率和复合功能3个应用方面也取得了重大的进展。,IDF系列光电新材料人工晶体KTP,一种植入眼内的人工透镜，取代天然晶状体的作用。第一枚人工晶体是
36、由John Pike, John Holt和Hardold Ridley共同设计的，于1949年11月29日，Ridley医生在伦敦St.Thomas医院为病人植入了首枚人工晶体。,铌酸锂单晶体是高速光通信中外部调制器采用的非线性光学结晶。是光电子元件中不可缺少的材料。除调制器以外，在转换激光波长的二次谐波产生（SHG）技术及平面光波电路中均起着非常重要的作用。据称，晶体科技公司每年生产70多吨铌酸锂晶体。这种单晶体在实际生产调制器等设备方面，需切成约1mm厚的薄片，再研磨抛光后，才能用于各种器件、设备上。该公司的现场解说员曾让观众“用手拿起实物看看”，但由于没有抓的地方，再加上比想象的重，所
37、以根本拿不起来。这也难怪，它的密度达到了4.56gcm-3，接近于水的5倍、玻璃（约2.5gcm-3）的2倍。一个类似于甜瓜大小的晶体，差不多有10kg。,美国晶体科技公司今年展出了一个直径约15cm、看起来像个大玻璃块的铌酸锂（LiNbO3）的单晶体,植入多焦度人造晶体，白内障患者视力改善,近两年较广泛使用的多焦度人造晶体，在病人割除白内障后植入，能使白内障患者在没有戴眼镜的情况能看得更远更清楚。 过去，医生在执行白内障矫正手术时，较常为白内障患者植入单焦度人造晶体，而病人在手术过后还须配戴眼镜，方能看得清楚。 眼科专科医生李清标说，在他所有双眼接受多焦度人造晶体植入手术的白内障病人当中，有
38、41%无须戴眼镜，而那些植入单焦度人造晶体的病人，则只有10%至11%不需要戴眼镜。,6个月大的男婴余俊贤，一出世便患有白内障，接受多焦度人造晶体植入手术后，重见光明，反应也更灵敏，令母亲张璧莲重展欢颜。,20世纪70年代低损耗的熔石英光纤研制成功，使光纤通信成为可能。第一代光纤起始于1978年，光缆长10km，传输速率100Mbs-1。第二代单模光纤起始于1981年，波长为1.3mm，传输容量增加近10倍。第三代光纤通信的波长为1.55mm，使无中继传输距离和容量又增加几倍。20世纪末，掺铒光纤研制成功和波分复用技术的应用，使人类进入了100Gbs-1和100km无中继的第四代光纤通信时代。
39、目前超大容量光纤通信系统实验室的最高水平为日本NEC的2.64Tbs-1和120km。 光纤通信技术的关键之一是发展新型光纤材料，以减少光在光缆芯中传播时受到的各种散射，最近研制成功的色散补偿光纤、光子晶体光纤等，在这方面迈出了重要的一步。,八. 光学纤维材料,是高质量传导光的玻璃纤维，信息高速公路的“基石”。,1870年，英国科学家Tyndall做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。 Tyndall发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射造成的结果。,光导纤维（光纤）,光纤光缆与普通电缆比较,光导纤维的用途：,光纤除了可以用于通信外，还用于医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等许多方面。,现代通信用光缆,光学纤维胃镜,光纤维喉镜,用光导纤维做手术，不用开刀,
