新型高k栅介质材料研究进展
基金项目:国家自然科学基金资助项目(69738020)收稿日期:2001207231
文章编号:100129731(2002)0420350204
新型高k 栅介质材料研究进展
章宁琳,宋志棠,万 青,林成鲁
(中国科学院上海冶金所信息功能材料国家重点实验室,上海200050)
摘 要: 随着半导体技术的不断发展,MOSFET (metal 2oxide 2
semiconductor field effect transistor )的特征尺寸不断缩小,栅介质等效氧化物厚度已小至nm 数量级。这时电子的直接隧穿效应将非常显著,将严重影响器件的稳定性和可靠性。因此需要寻找新型高k 介质材料,能够在保持和增大栅极电容的同时,使介质层仍保持足够的物理厚度来限制隧穿效应的影响。本文综述了研究高k 栅介质材料的意义;MOS 栅介质的要求;主要新型高k 栅介质材料的最新研究动态;展望了高k 介质材料今后发展的主要趋势和需要解决的问题。关键词: MOSFET ;高k 材料;栅介质中图分类号: TN304.2 文献标识码:A
1 引 言
在过去30年里,微电子工业已取得了惊人进展,MOSFET 器件尺寸越来越小,单个芯片上器件越来越多。MOSFET 器件尺寸的减小,同时性能不断提高,成本不断下降,该现象称之为“摩尔定律”,即单一芯片上的器件数每18个月增长一倍[1]。发展趋势由表1所示。
表1 MOSFET 器件特征尺寸和等效介电厚度的发展
Table 1Roadmap for technology and equivalent dielectric thickness
年份
最小特征尺寸(
μm )等效介电厚度(nm )
19970.25
4～519990.183～420010.152～320030.132～320060.10 1.5～220090.07<1.52012
0.05
<1
目前高k 介质主要分为两种:用于信息储存的DRAM (dy 2namic random access memory )的电容介质和用于MOSFET 的栅介质。二者对材料的要求不同,前者要求介电常数高,通常在几百到上千数量级[2,3],因为根据C =ks/d ,在s/d 一定的条件下,k 越大,C 越大,即相同尺寸的材料k 值越大可储存的电荷容量越高。后者的k 值却不能太高,最好在几十到一百之间,因为k 值太高则产生了边缘效应,即材料的物理厚度太大,在工艺生产中将出现光刻深度及布线时的爬坡等问题;而k 值太低,则体现不出新型栅介质的优越性。本文主要讨论MOSFET 用栅介质新型高k 材料的情况。
随着器件特征尺寸不断地缩小,当光刻线宽小于0.1
μm 后,栅氧化物层厚度开始逐渐接近原子间距。此时,受隧道效应的影响,栅极漏电流开始成为一个不容忽视的问题,量子隧穿效
应所引起的栅极漏电流与栅极电介质的厚度成指数关系。当栅
偏压为1V 时,栅极漏电流从栅极氧化物厚度为3.5nm 时的1×10-12A/cm 2陡增到了1.5nm 时的1×10A/cm 2,即当栅氧化层厚度减小约1倍时,漏电流增长了12个数量级。栅极电介质漏电流的陡增造成MOS 器件“关”态时的功耗增加,因而对器件集成度、可靠性和寿命都有很大的影响,而且也导致器件发热和功耗增加。人们也采用了NO 、ONO 等堆栈结构以增加电容的表面积来增大电容值,从而增加膜的物理厚度,以减小漏电流,改善硼扩散和电容可靠性问题。这不仅增加了工艺的复杂性,而且制造出的膜厚也是有一定限度的,当达到亚1.5nm 时,器件的漏电流和电子隧道移动退化效应等问题出现了。因此需要研究高介电常数的新型绝缘介质材料。
2 MOS 栅介质材料的要求
要取代传统的SiO 2栅介质是一项非常艰巨而浩大的系统工程。因为我们都知道SiO 2不仅和Si 之间的界面近乎完美,而且具有优异的机械、电学、介电和化学稳定性,还可以作为工艺过程中光刻和刻蚀过程中的保护层或阻挡层。并且人们已经对SiO 2和Si 间理论模型,及各种反应机理有了系统、全面而深入的研究。因此就需要综合考虑以下方面的问题:(1)新型介质材料必须在Si 上有优秀的化学稳定性,以保证其在MOSFET 的生产工艺过程中和Si 不发生反应,且相互扩散要小等;(2)新型介质材料必须与栅电极间化学性能要匹配;(3)新型介质材料必须有优秀的介电性能;(4)需要清楚了解新型介质材料和Si 界面间的电结构,尤其是当这种结构将影响晶体管的漏电流和其它一些特性;(5)需要清楚了解新型介质材料的体缺陷情况;(6)需要清楚了解新型介质材料可能的输运特性;(7)建立相应的理论体系和相应的模型,以指导人们研究和生产。
3 新型高k 材料的研究动态
表2给出了一些栅介质的介电常数和禁带宽度,以下将分别论述其研究动态。3.1 ⅣB 元素(Zr 、Hf )氧化物及其硅化物
Zr 、Hf 等ⅣB 元素的氧化物和硅化物作为栅介质,因其热稳
定性好,近几年引起了国际上广泛的兴趣。目前正在研究的主要有以下3方面:(1)实验验证其热稳定性;(2)研究其电学性能;(3)相关理论方面的研究。
常用退火前后的性能对比来表征材料的热稳定性。M.
Copel ,et al.[16]研究了ZrO 2栅介质在退火温度达900℃时,发
现其仍能稳定存在,没有硅化现象发生;当温度升高至930℃,仍没有硅化现象出现;当温度升至1000℃时,保温时间30s,薄膜分解成ZrSi2的岛,露出了Si衬底。Qi Wenjie,et al.[7]将Zr2 Si x O y在N2气氛中以600～1000℃快速退火。800℃快速退火30s的样品,ZrSi x O y/Si没有界面产物生成,界面陡直;在N2中900℃快速退火的样品,薄膜的t eq几乎没有发生变化,但当温度继续升高(>900℃),t eq增加了约0.4nm。G. D.Wilk,et al.[8]还研究了薄膜与衬底和上电极的热稳定性,发现Hf、Zr硅化物退火前后均与Si下界面和Au上界面可达原子级平整度,但是发现ZrSi x O y与Al上电极有轻微反应发生。
表2 一些栅介质材料的介电常数和禁带宽度
Table2Dielectric constants and bandgap of some gate dielectric materials
栅介质材料介电常数E g(eV)
SiO2 3.8～3.98.0
Si3N47.0～7.6 5.1
ZrO2[4,5]15～307.8
HfO2[6]45～150 5.65
ZrSiO4[7]7.5～13/
HfSiO4[8,9]11,13/
Al2O3[10,11]3～9,9～128.7,9(薄膜)
G a2O3(Gd2O3)[12]12.3/
Y2O3[13]15,18/
La2O3[14]～27/
Gd2O3[15]9,11,14 5.3
Ta2O515～25 4.2
对于nm数量级的薄膜栅介质,其电学性能和界面状态是关键参数,尤其是漏电流和界面态密度等性能。M.Houssa,et al.[17]将ZrO2薄膜在干氧中分别以500℃、600℃和700℃退火15min。C2V曲线中的△V FB从120mV降至20mV,说明退火有助于降低陷阱密度;并且退火后样品的漏电流降低了几个数量级,认为是陷阱辅助隧穿电流的减小和界面氧化物增厚共同作用的结果。他们[18]还研究发现随着退火温度的增加,SiO x层不断增厚。然后在H2氛中以400℃合金化30min,发现C2V曲线有所改善,由于随着温度的上升,界面缺陷密度增大,并在氢合金化过程中钝化。温度进一步增加,负固定电荷减少,并在600～700℃开始出现了正固定电荷。Laegu K ang,et al.[5]制备了t eq为1.35nm的HfO2薄膜。D it约为1×1011cm-2eV-1,k为13。在偏压为±1V时,漏电流大小约在1×10-4A/cm2;对应的击穿场强约为8.5MV/cm。经过500℃N2气氛退火,C2V曲线基本无变化;而且根据栅压在一定的负电流应力下随时间的变化,发现电荷陷阱非常少;4.5nm HfO2MIS电容结构在V DD= 2V的条件下,其寿命长于10年。Qi Wenjie,et al.[7]将ZrSi x O y 在N2氛中以600～1000℃快速退火。对于在N2中700℃快速退火10s的样品,其C2V曲线和模拟结果非常相近,而且正逆向C2V曲线基本重合,D it低于1011cm-2eV-1。偏压为- 1.5V 时漏电流为3.3×10-3A/cm2,V FB为0V,t eq≈1.45nm。同时发现随薄膜中Zr含量增加,ZrSi x O y介电常数增加。G. D.Wilk, et al.[8]发现对于MSi x O y栅介质薄膜,其中3%～8%(原子分数)Hf或2%～5%(原子分数)Zr表现出优异的电学性能和热稳定性。
同时人们也做了相关理论方面
的工作。M.Houssa,et al.[19]研究了SiO x/ZrO2和SiO x/TiO2堆栈中陷阱的产生,以及温度和电压的影响,可由下述模型解释,即两个阶段:(1)注入的电子在ZrO2和TiO2介质层中产生H+陷阱;(2)质子在高k介质电场中被加速,向阴极方向移动,导致O—键断裂,在随后的过程中被ZrO和TiO捕获而形成ZrOH和TiOH。M.Houssa, et al.[20]研究了t eq=2.8nm的SiO x/ZrO2堆栈,负电荷有效密度约为5.2×1012/cm2。正逆向扫描平带电位V FB偏移200mV,是首次单向扫描时产生的电子陷阱造成的。实验得出ZrO2堆栈势垒高度为(2±0.1)eV,ZrO2的禁带宽度为(5.4±0.1)eV。分析了温度对栅漏电流的影响,结果符合陷阱辅助隧穿模型,堆栈能带结构示意图如图1所示。SiO x/ZrO2陷阱能级及其密度分别为0.8eV,6×1017cm-3。
图1 n2Si/SiO x/ZrO2/Au结构中ZrO2层陷阱辅助隧穿的能带结构示意图
Fig1Schematic energy band diagram of n2Si/SiO x/ZrO2/Au sys2 tem illustrating the trap2assisted tunneling mechanism
3.2 ⅢA元素(Al、G a)氧化物
Al2O3有较高的介电常数,且其禁带宽度很大(和Si接近)。
E.P.Gusev,et al.[11]发现Al2O3/Si界面陡直,没有发现SiO x, D it小。在-2～2V高频C2V曲线上,正逆向扫描曲线基本重合,平带电位稍正向偏移,说明有少数电子陷阱产生。James K olodzey,et al.[15]制备了一层AlN薄膜,然后在水平石英管式炉中,干氧氛围,以800～1100℃氧化1～3h。根据C2V特性曲线,最好样品的净氧化物陷阱电荷密度低于1011cm-2,和传统SiO2器件性能指标相媲美。实验条件下,Al2O3介电常数在3～9范围内。在介质击穿前的导电机理为Frenkel2Poole emission,这和SiO2的导电机理不同。
人们不仅研究了Si基上ⅢA元素氧化物栅介质行为,也研究了其它衬底上其作为栅介质的性能。由于传统的SiO2栅介质和poly2Si G e沟道层之间的界面很差,Jin Zhonghe Jin,et al.[21]研究了以Al2O3为栅介质的Si G e TFT(thin film transis2 tor),表现出优异的特性,场效应迁移率为47cm2/V?s,阈值电压为3V,亚阈值斜率为0.44,漏电压为0.1V时开关比率大于3×105。对于G aN FETs,由于高的寄生电阻和由损伤引起的低击穿场强导致器件性能下降,加入一绝缘层形成MOS结构可以解决。S.Pal,et al.[12]第1次报道了GGG2deposited(gadolinium gallium garnet)Au/G a2O3(Gd2O3)/Si G e MOS结构,得到薄膜相对介电常数为12.3,最小D it为4.8×1011cm-2eV-1。F.Ren, et al.[22]在c2Al2O3衬底上制备一层厚度小于30nm G aN,在1040℃下结晶,然后分别淀积形成G aN层状沟道层(轻掺杂和重掺杂)。然后在MBE反应室里采用电子束蒸发法淀积G a2O3 (Gd2O3)作为栅介质。该MOS的反向击穿电压>35V,大大高
于Pt Schottky gate的17V。在源漏电压V ds=30V时得到最大跨导为15mS/mm,此时器件性能由接触电阻限制。在V ds= 25V,V gs=-20V时,测得特征频率f T和最高振荡频率f max分别为3.1GHz和10.3GHz。
3.3 ⅢB元素(Y、La)氧化物
J.Kwo,et al.[13]在介质Y2O3和Si界面上没有发现SiO2, t eq为1nm的非晶态Y2O3薄膜表面平整,偏压为1V时,漏电流达10-6A/cm2。并根据C2V曲线估算出禁带中部D it约为1011 cm-2eV-1。经过在He气氛中以850℃、950℃RTA(rapid ther2 mal annealing)1min,电容和漏电流等电学性能显著下降,可能由于界面上反应生成了SiO2。后来减慢升温和降温速率至2℃/ s,退火前后电学性能几乎没有变化。Y.H.Wu,et al.[14]研究了La2O3栅介质,La2O3物理厚度为3.3nm,MOS在栅偏压为-1V时,漏电流大小为0.06A/cm2,击穿场强为13.5MV/cm,电容为7.2μF/cm2,其相应k和t eq分别为2.7nm和0.48nm,最小D it为3×1010cm-2eV-1。在栅偏压为2V下,其寿命大于10年。
3.4 ⅡB元素(Zn、Gd)氧化物
基于热力学能量和禁带宽度(>2eV)的考虑,稀土金属氧化物也有一定的研究。J.Kwo,et al.[19]采用超高真空电子束蒸发法制备了Gd2O3,在介质和Si界面上没有发现SiO2,其中4.5nm厚的外延Gd2O3薄膜,t eq为1.65nm,偏压为1V时,漏电流为10-4A/cm2;t eq为1.5nm的薄膜漏电流则为10-3A/cm2。J.W.Johnson,et al.[15]首先采用MOCVD法制备了G aN为栅介质的器件,欧姆接触采用Ti(20.0nm)/Al(60.0nm)/Au(100.0nm)结构。要在G aN上外延G d2O3,由于二者晶格失配较大,外延临界厚度较小,因此氧化物膜中存在很多位错,这些位错成为漏电流的通道,导致薄膜击穿电压很低,因此需要淀积一层非晶SiO2以增大薄膜的击穿电压,使其从0.3MV/cm增加到0.8MV/cm。在其上再淀积一层30.0nm非晶SiO2,栅偏压为-10V时,漏电流约为10pA。当V GS=-0.5V,反向漏电流仍低于10nA。采用SiO2/Gd2O3作为栅介质,SiO2/Gd2O3/G aN MOSFET结构。在V GS=-0.5V,V DS=20V时测得最大内部跨导为61mS/ mm。较高的外部跨导(约0.25mS/mm)是由于短沟道效应引起的。该器件有较大的方块和寄生电阻,可能是欧姆接触的原因,后来在400℃下合金化1min,方块电阻下降了将近1个数量级。沟道长度为1mm的该MOSFET在V GS=80V,栅压调至7V时仍能正常工作。
3.5 ⅤB元素(Ta)氧化物
Ta2O5因为已成功地应用于DRAM,故将其应用于MOS2 FET栅介质也有一定的研究。Hyungsuk J ung,et al.[23]制备了t eq为1.6nm的Ta2O5栅介质膜,在栅压为-1.5V时,漏电流小于10mA/cm2。在NH3中700℃退火后,积累区的电容增加到为19p F,但是当栅偏压负扫至-1.5V时,出现图2(a)中的异常现象。然后在湿氧中以450℃再氧化10min,刚才异常现象消失了,但是从图2(b)中发现漏电流下降了3～4个数量级,这说明氮化后再氧化,积累区电容值和氮化后的相同。
Donggun Park,et al.[24]制得了Ta2O5为栅介质的N沟MOSFET,同时制备了3.8nm和2.4nm厚的SiO2栅介质做对比。对于t eq为1.8nm的栅介质,当V g=V d=1.5V时,漏电流为0.316mA。且Ta2O5的迁移特性和SiO2的相似。M.Hous2 sa,et al.[25]研究了SiON/Ta2O5堆栈的电学性能。其中Ta2O5厚度为6～10nm,t eq为2.3～3.4nm。高频C2V测得其k为21。根据电场和温度对SiON/Ta2O5堆栈的I2V特性的影响,推断出在较低的电场作用下,导电机理隧穿占主导;而在较高电场作用下Poole2Frenkel导电机理占主导。该堆栈结构漏电流比相同厚度的SiO2的下降了2～3个数量级。他们还研究了超薄Ta2O5薄膜软击穿问题[26]
。
图2 不同状态Ta2O5的电学特性曲线
Fig2Electrical characteristics of as2deposited Ta2O5
4 高k材料今后发展的展望
人们研究了高k材料至今,主要碰到两个问题:(1)与现有器件工艺流程匹配问题;(2)高k材料与Si衬底间界面性质研究。结合上述材料特性和理论分析,我们认为ⅣB元素(Zr、Hf)氧化物尤其硅化物有望成为下一代MOS栅介质最强有力的竞争者。
另外,器件的寿命也是一个非常重要的参数,目前人们通常采用加速实验(增大栅偏压和升温)来估算其在低栅压低温情况下的寿命,这种方法是否可靠还有待进一步验证。另外,器件的可靠性问题,如界面势垒、界面电子态、界面原子结构、界面热稳定性以及介质的缺陷和陷阱等问题将成为未来研究的热点和重点。
参考文献:
[1] K ingon A I,Maria J P,Streiffer S K.[J].Nature,2000,406:1032.
[2] Venkateswarlu P,Bharadwaja S S N,Krupanidhi S B.[J].Thin Solid
Films,2001,389:84.
[3] Moon B K,Ishiwara H,Tolumitsu E,et al.[J].Thin Solid Films,
2001,385:307.
[4] Ngai T,Qi W J,Sharma R,et al.[J].Appl Phys Lett,2000,76(4):
502.
[5] Qi Wen2Jie,Lee B H,Nieh R,et al.Part of the SPIE Conference on
Microelectronic Device TechnologyⅢSanta Clara[C].USA:Cali2
fornia September,1999.
[6] K ang L,Lee B H,Qi Wen2Jie.[J].IEEE Electron Device Letters,
2000,21(4):181.
[7] Qi Wen2Jie,Nish R,Dharmarajan E,et al.[J].Appl Phys Lett,
2000,77(11):1704.
[8] Wilk G D,Wallace R M,Anthony J M.[J].J Appl Lett,2000,87
(1):484.
[9] Wilk G D,Wallace R M.[J].Appl Phys Lett,1999,74(19):2854.
[10] K olodzey J.[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2000,47
(1):121.
[11] Gusev E P,Copel M,Cartier E.[J].Appl Phys Lett,2000,76(2):
176.
[12] Pal S,Ray S K,Lahiri S,et al.[J].Electronics Letters,2000,36
(24):2044.
[13] Kwo J,Hong M,K ortan A R,et al.[J].J Appl Phys,2001,89(7):
3920.
[14] Wu Y H,Y ang M Y,Chin A,et al.[J].IEEE Electron Device Let2
ters,2000,21(7):341.
[15] Johnson J W,Luo B,Ren F.[J].Appl Phys Lett,2000,77(20):
3230.
[16] Copel M,Gribelyuk M,Gusev E.[J].Appl Phys Lett,2000,76(4):
436.
[17] Houssa M,Naili M,Bender H,et al.[J].Semicond Sci Technol,
2001,16:31.[18] Houssa M,Afanas’ef,Stesmans A,et al.[J].Appl Phys Lett,
2000,77(12):1885.
[19] Houssa M,Naili M,Heyns M M,et al.[J].J Appl Phys,2001,89
(1):792.
[20] Houssa M,Tuominen M,Naili M,et al.[J].J Appl Phys,2000,87
(12):8615.
[21] Jin Zhonghe,Kwok H S,Wong Man.[J].IEEE Electron Device
Letters,1998,19(12):502.
[22] Ren F,Pearton S J,Abernathy C R,et al.[J].Solid2State Electron2
ics,1999,43:1817.
[23] J ung H,Im K,Hwang H,et al.[J].Appl Phys Lett,2000,76(24):
3630.
[24] Park D,K ing Y,Qiang Lu,et al.[J].IEEE Electron Device Let2
ters,1998,19(11):441.
[25] Houssa M,Degraeve R,Mertens P W,et al.[J].J Appl Phys,1999,
86(11):6462.
[26] Houssa M,Mertens P W,Heyns M M,et al.[J].Solid2State Elec2
tronics,2000,44:521.
作者简介:
章宁琳 (1977-),女,江苏人,在读博士,2000年毕业于哈尔滨工业大学获工学硕士学位,现在中科院上海微系统与信息技术研究所(原上海冶金所),微电子与固态电子学专业,导师林成鲁研究员,从事高介电常数材料和光子晶体研究。
Progress of studies on novel high k materials as gate dielectrics
ZHAN G Ning2lin,SON G Zhi2tang,WAN Qin,L IN Cheng2lu
(State K ey Laboratory of Functional Materials for Informatics,
Shanghai Institute of Metallurgy Chinses Academy of Sciences,Shanghai200050,China)
Abstract:With the continuous development of semiconductor technology,feature size of MOSFET devices is scaling down,Especially when the thickness of equivalent oxide of MOSFET is smaller to nanometer magnitude,the electron tunneling is becoming serious enough to en2 danger the stabilit and reliability of devices,so it is necessary now to seek novel high k dielectrics,whose physical thickness is big enough to suppress the tunneling effect,while at the same time kee ping and increasing their capacitance.The significance and necessity of stidying nov2 el high k gate dielectrices,the requirements these high k materials should possess as MOSFET gate dielectrics and the latest developments of these materials were reviewed,and this paper also briefly refers to the mainstream of evolution and points out the following problems should be solved.
K ey w ords:MOSFET;high k materials;gate dielectric
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Synthesis of SOI materials using plasma based ion implantation
YU Wei2dong,WAN G Xi,CHEN Jing,ZHAN G Miao
(Ion Beam Laboratory,Shanghai Institute of Metallurgy,Chinese Academy of Science,Shanghai200050,China) Abstract:Most important methods to preparation of silicon on insulator are se paration by implanted oxygen and smart2cut of bulk silicon. The ion implantation is the main process of those methods.The recent develo pments of the preparation of SOI using plasma based ion im2 plantation,were summarize res pectively.The common consideration in this two methods were discussed,includin g the uniformity of the dose,the selection of the s pecies of ions,the acquisition of the mono2energetic implantation and the reduction of the surface contamination of C,N,O and metal particles.And then the choice of process parameters,the main problem emphasis on each method and some solutions of these problems,were discussed,based on the res pective characteristics of them.
K ey w ords:SOI materials;PBII;SIMOX;smart2cut
功能高分子材料研究进展
功能高分子材料研究进展 摘要 功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支，它是研究各种功能性高分子材料的分子设计和合成、结构和性能关系以及作为新材料的应用技术，它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能。它主要包括化学功能高分子材料、光功能高分子材料、电、磁功能高分子材料、声功能高分子材料、高分子液晶、医用高分子材料几部分，这一领域的研究主要包括研究分子结构、组成与形成各种特殊功能的关系，也就是从宏观乃至深入到微观，以及从半定量深入到定量，从化学组成和结构原理来阐述特殊功能的规律性，从而探索和合成出新的功能性材料。本文主要论述了在工程上应用较广和具有重要应用价值的一些功能高分子材料，如吸附分离功能高分子、反应型功能高分子、光功能高分子、电功能高分子、医用功能高分子、液晶高分子、高分子功能膜材料等。 关键词:高分子材料；功能高分子；功能材料； Abstract Functional polymer materials is an important branch of polymer science, it is the study of various functional polymer molecular design and synthesis of relationship between structure and properties and application technology as a new material. its importance is that contains every kind of polymer has special function it light functional polymer materials mainly include chemical functional polymer materials electric magnetic functional polymer materials acoustic functional polymer materials, polymer liquid crystal sections medical polymer materials, the research of this field mainly includes the study of the function of the molecular structure and formation of various sorts of special relationship, which is from the macro and go deep into the micro, and from the quantitative and semi-quantitative into from the chemical composition and structure principle to explain the special function of regularity, to explore and this paper mainly discusses the synthesis of new functional materials. Keywords：high polymer materials; functional polymer; functional Materials;
光敏高分子材料的研究进展
光敏高分子材料的研究进展 骆海强，重庆大学化学化工学院应用化学2班 摘要：由于当今材料科学技术的快速更迭，高分子材料逐渐成为材料科学领域中极具发展潜力的一类材料。在可利用能源不断缩减的今天，光敏高分子材料的研究力度大大提升，逐渐成为现代生活中不可或缺的部分。本文分别对光敏高分子材料的四大类——感光性高分子材料、光能转化高分子材料、光功能高分子材料及高分子非线性光学材料本身的特性及应用进行了综述性概括，以便快捷了解光敏高分子材料的特点。 0前言 随着材料科学技术相关研究人员在该领域的不断探索，高分子材料无论是在科研领域还是社会生活中，都扮演着极为重要的角色。在光电材料研究风气盛行的当下，太阳能电池、太阳能汽车等光能利用、转化设备普及的大环境下，光敏高分子材料的研究力度渐渐增加，也得到了许多理想的科研成果， 1光敏高分子材料概述 在光照下能表现出特别性能的高分子聚合物即为光敏高分子材料，是材料科学里一类主要的功能高分子材料，所触及范畴也较为普遍，如光致抗蚀剂、光导电高分子、高分子光敏剂等功能材料。 光敏高分子材料根据其自身在光照条件下所产生的反应类型及其展现出的特征性能，可以分成如下四类：感光性高分子材料、光能转化高分子材料、光功能高分子材料及高分子非线性光学材料。 现基于以上分类，对各种材料进行阐述。 2 感光性高分子材料 在光照下可以进行光化学反应的高分子材料常被称为感光性高分子材料。
根据其用途可分为光敏涂料和光刻胶。 2.1光敏涂料 2.1.1光敏涂料的作用机理 光敏涂料具有光敏固化功能，可以利用光交联反应或光聚合反应，使其中的低聚物聚合成膜或网状。经过恰当波长照射后，光敏涂料会快速固化，获得膜状物。因为固化过程较为稳定不易挥发溶剂，从而降低了排放，提高了材料利用，保障了安全性。而且由于是在覆盖之后才发生的交联，使图层交联度更好，机械强度也更稳固。 2.1.2光敏涂料的中常见低聚物的类型 以铁酸锌环氧酯错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。涂料为一类的环氧树脂型低聚物，在紫外光的处理下，给电冰箱表面上漆，能够是冰箱表面具有很好的柔顺性且不宜脱落。以含氟丙烯酸酯预聚物错误!未找到引用源。为一类的不饱和聚酯型低聚物，与光引发剂等结合后形成的混合型涂料，其硬度、耐挂擦力、附着力等性能大大提高。此外还有聚氨酯型低聚物错误!未找到引用源。及聚醚型低聚物。 2.2光刻胶（光致抗蚀剂） 2.2.1光刻胶的作用机理 生产集成电路的现有工艺中，通常会用这类感光性树脂覆盖在氧化层从而避免其被活性物质腐蚀。将设计好的图案曝光、显影，改变了其溶解性，其中树脂发生化学反应后去除了易溶解的物质，氧化层表面留下不溶部分，从而避免氧化层被活性物质腐蚀。 2.2.2光刻胶的分类 正性光刻胶和负性光刻胶错误!未找到引用源。是根据曝光前后涂膜的溶解性来分类的。其中正性光刻胶受光后会降解，被显影液所消融；而与之相反，在光照后，负性光刻胶获得的图形恰好与掩膜板图形互补，即曝光处会发生交链反应形成不溶物残余在表面形成图像，而非曝光处则如正性光刻胶同样被消融，。 根据光刻胶所吸收的光的紫外波长，还可将其分为深紫外(i-线，g-线)光刻胶，远紫外(193 nm)光刻胶和极紫外(13. 5nm)光刻胶错误!未找到引用源。。Lawrie等错误!未找到引用源。经过多次实践合成了一种感光灵敏度为4~6 mJ/cm2、分辨率为22.5 nm的
电热材料和热电材料的研究现状与发展
专业：金属材料工程学号：1040602209姓名：郝小虎电热材料和热电材料的研究现状与发展 一热电材料的研究现状与发展 １传统热电材料的研究现状 从实用的角度来看，只有那些无量纲优值接近１的材料才被视为热电材料。目前已被广泛应用的主要有３种：适用于普冷温区制冷的ＢｉｚＴｅａ类材料，适用于中温区温差发电的ＰｂＴｅ类材料，适用于高温区温差发电的ＳｉＧｅ合金。 1.1Ｂｉ－Ｔｅ系列 ＢｉＺＴｅａ化学稳定性较好，是目前ＺＴ值最高的半导体热电体材料。一般而言，Ｐｂ，Ｃｄ，Ｓｎ等杂质的掺杂可形成Ｐ型材料，而过剩的Ｔｅ或掺人Ｉ，Ｂｒ，Ａｌ，Ｓｅ，Ｌｉ等元素以及卤化物掩Ｉ，ＣｕＩ，ＣｕＢｒ，ＢｉＩ３，ＳｂＩ３则使材料成为ｎ型。在室温下，Ｐ型ＢｉｚＴｅａ晶体的Ｓｅｅｂｅｃｋ系数。最大值约为２６０ｐＶ／Ｋ，ｎ型ＢｉｔＴｅａ晶体的ａ值随电导率的增加而降低，并达到极小值－２７０ｔ，Ｖ／Ｋ１６１，Ｂｉ２Ｔｅ。材料具有多能谷结构，通常情况下，其能带形状随温度变化很小，但当载流子浓度很高时，等能面的形状将随载流子的浓度而发生变化。室温下它的禁带宽度为0.13ｅＶ，并随温度的升高而减少。 1.2Ｐ１ｒＴｅ系列 ＰｂＴｅ的化学键属于金属键类型，具有ＮａＣｌ型晶体结构，属面心立方点阵，其熔点较高（１０９５Ｋ），禁带宽度较大（约０．３ｅＶ），是化学稳定性较好的大分子量化合物。通常被用作３００－９００Ｋ范围内的温差发电材料，其Ｓｅｅｂｅｃｋ系数的最大值处于６００－８００Ｋ范围内。ＰｂＴｅ材料的热电优值的极大值随掺杂浓度的增高向高温区偏移。ＰｂＴｅ的固溶体合金，如ＰｂＴｅ和ＰｂＳｅ形成的固溶体合金使热电性能有很大提高，这可能是由于合金中的晶格存在短程无序，增加了短波声子的散射，使晶格热导率明显下降，故使其低温区的优值增加。但在高温区，其ＺＴ值没有得到很好的提高，这是由于形成ＰｂＴｅ－ＰｂＳｅ合金后，材料的禁带明显变窄，导致少数载流子的影响增加，结果没能引起高温区ＺＴ值的提高［７１。 1.3Ｓｉ－Ｇｅ系列 ＳｉＧｅ合金的ａ值在Ｓｉｏ．ｉｓＧｅｏ．ａｓ达到极大值，其原因是在该组分处合金系统中的状态密度和有效质量达到极大值。但实际常用Ｓｉ含量高的合金来得到较高的优值，Ｓｉ含量高有以下好处：降低了晶格热导率；增加了掺杂原子的固溶度；使ＳｉＧｅ合金有较大的禁带宽度和较高的熔点，适合于高温下工作；比重小，抗氧化性好，适应于空间应用；同时降低了造价。ＳｉＧｅ合金是目前较为成熟的一种高温热电材料，适用于制造由放射线同位素供
热电材料研究的进展
热电材料研究进展 热电材料研究进展 颜艳明1，应鹏展1，2,张晓军1，崔鑫3 （1中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏徐州，221116 2中国矿业大学应用技术学院，江苏徐州，221008 3河南永煤集团城郊煤矿，河南永城，476600，） 摘要：本文介绍了热电材料的种类及各种热电材料的ZT值，提高热电材料热电性能的方法及热电材料在温差发电和制冷方面的应用，并对其发展前景进行了展望。 关键词：热电材料；热导率；载流子 Progress of thermoelectric materials Yanyanming1,Yingpengzhan1,2，zhangxiaojun1,cuixin3 (1:Shool of Materials, CUMT,Xuzhou , Jiangsu, 221116 2: School of applied Technology,CUMT,xuzhou,Jiangsu,221116 3: Yong suburban coal mine in Henan Coal Group,yongcheng,Henan,476600)
Abstract: This paper is described the types of thermoelectric materials and every thermoelectric materials’ZT value,the way to improve the thermoelectric materials’performance of thermal power and the application of thermoelectric materials’on thermal power generation and refrigeration, also give its future development prospects. Key words: Thermoelectric materials; Thermal conductivity; Carrier 1、引言 在以石油价格暴涨为标志的“能源危机”之后,世界上又相继出现以臭氧层破坏和温室气体效应为首的“地球危机”和“全球变暖危机”。各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式, 以达到合理有效利用工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的。于是,从上个世纪九十年代以来, 能源转换材料（热电材料）的研究成为材料科学的一个研究热点。尤其是近几年, 国际上关于热电材料的研究更是非常火热。目前，热电材料的研究主要集中在三个领域：室温以下的低温领域、从室温到700K的中温领域和700K以上的高温领域。 热电材料（又称温差电材料）是利用固体内部载流子和声子的输运及其相互作用来实现将热能和电能之间相互转换的半导体功能材料，其具有无机械可动部分、运行安静、小型轻便及对环境无污染等优点，在温差发电和制冷领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。
热电材料的研究进展
综合评述 热电材料的研究进展Ξ 沈 强 涂 溶 张联盟 (武汉工业大学材料复合新技术国家实验室430070) 摘 要:本文简要介绍了热电效应的应用状况和热电材料的基本特性,重点评述了热电烧结材料、高ZT值热电材料以及具有梯度结构的热电材料的研究进展。 关键词:热电效应,热电材料,品质因子,烧结材料,梯度结构 11引 言 热电效应(又称:温差电效应)从宏观上看是电能与热能之间的转换,因此从它被发现以来,人们就不断探求和开发其可能的工业用途。热电偶是其中最为成功的例子,它用于测量温度和辐射能已有一个多世纪的历史。由于金属的热电效应相当微弱,热电偶只是在开路条件下直接探测电压,而不是作为能量转换装置。直到50年代末期,半导体材料获得飞速发展以后,人们发现半导体材料具有很好的热电性能,颇具实用价值,此后对热电转换的研究取得了系列进展。目前,热电发电和热电制冷以它们独特的技术优势,已在许多领域得到了实际应用。 21热电效应的应用状况 热电效应是由电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称,它包括相互关联的三个效应:Seebeck效应、Peltier效应和T hom son 效应[1]。 1821年,T.J.Seebeck发现,由两种不同导体a,b构成的闭合回路的两端接点的温度不同时,回路中就产生电流,这种现象称为Seebeck 效应。开路条件下的电动势称为温差电动势,亦称为Seebeck电动势: dV=Αab dT Αab为Seebeck系数,在冷端接点处,若电流由a流向b,则Αab为正,反之为负。其大小取决于接点温度及组成材料。 Peltier效应是C.A.Peltier在1834年发现,并以他的名字命名的。当两种不同导体组成回路的接点有微小电流流过时,一个接点会放热,另一个接点则吸热。而改变电流的方向,放热和吸热的接点也随之改变。在时间dt内,产生的热量与流经的电流成正比: dQ p=Πab I ab dt Πab为Peltier系数,当电流由a流向b,I ab取正,dQ p>0,吸热,反之放热。Πab的大小与接点温度和组成材料有关。 T hom son效应是指当一段存在温度梯度的导体通过电流I时,原有的温度分布将被破坏,为了维持原有的温度分布,导体将吸收或放出热量。T hom son热与电流密度和温度梯度成正比: dQ t=ΣIdt(dT dx) Σ为T hom son系数,符号规则与Peltier效应相同,当电流流向热端,dT dx>0,Σ>0,吸热。 以上的Seebeck系数Αab、Peltier系数Πab和T hom son系数Σ,都是表征热电材料性能的重要参量,其相互关系可由Kelvin关系式表述如下:Πab=Αab T Σa-Σb=T(dΑab dT) — 3 2 — Ξ国家自然科学基金资助批准号:59581002
生物功能材料的研究进展
生物功能材料的研究进展 随着人民生活水平的提高，人们对于医疗保健方面的要求也越来越强，使得对于生物医用材料的要求也越苛刻。本文详细阐述了生物医用功能高分子材料近年来的应用研究及发展状况，综述了国内外生物医用高分子材料的分类、特性及研究成果，展望了未来的生物医用高分子材料的发展趋势。 生物功能材料和加工技术的发展, 使得人工合成材料在医学上的应用, 变得越来越广泛。数十年的医学发展和临床应用, 证明医用高分子材料在人体内外, 获得了成功的应用, 而医学的进步, 又给高分子材料提出了大量新的课题, 使其向“精细化”, “功能化”的方向发展, 赋予了高分子材料以新的生命力。 生物医用高分子材料分合成和天然两大类，下面我们就分别对这两种材料进行详细的论述。 ﹙1﹚天然生物材料 天然生物材料是指从自然界现有的动、植物体中提取的天然活性高分子，如从各种甲壳类、昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维，从海藻植物中提取的海藻酸盐，从桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜，以及由牛屈肌腱重新组构而成的骨胶原纤维等。这些纤维由于他们来自生物体内且都具有很高的生物功能和很好的生物适应性，在保护伤口、加速创面愈方面具有强大的优势，已引起国内外医务界广泛的关注。自然界广泛存在的天然生物材料仍有着人工材料无可比拟的优越性能。例如：迄今为止再高明的材料学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质，海洋生物能长出色彩斑斓、坚阊义不被海水腐蚀的贝壳等等。甲壳素又称几丁质（chitin），广泛存在于虾、蟹等甲壳动物及昆虫、藻类和细菌中，是世界上仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物。它是一种惰性多糖，用浓碱脱去乙酰基可转变成聚壳糖（chintosan）。甲壳素、聚壳糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解性。降解产物带有一定正电荷，能从血液中分离出血小板因子，增加血清中H-6水平，促进血小板聚集或凝血素系统，作为止血剂有促进伤口愈合，抑制伤口愈合中纤维增生，并促进组织生长的功能，对烧、烫伤有独特疗效。比如家蚕丝脱胶后可得到纯丝素蛋白成分，丝素蛋白是一种优质的生物医学材料，具有无毒、无刺激性、良好的血液相容性和组织相容性。根据研究报道，由于天然高分子医用材料的独特临床效果，它的应用前景相当广阔。﹙2﹚合成生物材料 由于天然材料的有限，人们需要大量的生物材料来维持他们的健康。合成高分子材料因与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因而可以植入人体，部分或全部取代有关器官。因此，在现代医学领域得到了最为广泛的应用，成为现代医学的重要支柱材料。与天然生物材料相比，合成高分子材料具有优异的生物相容性，不会因与体液接触而产生排斥和致癌作用，在人体环境中的老化不明显。通过选用不同成分聚合物和添加剂，改变表面活性状态等方法可进一步改善其抗血栓性和耐久性，从而获得高度可靠和适当有机物功能响应的生物合成高分子材料。目前，使用于人体植入产品的高分子合成材料包括聚酰胺、环氧树脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡胶和硅凝胶等。应用场合涉及组织粘合、手术缝线、眼科材料(人工玻璃体、人工角膜和人工晶状体等)、软组织植入物(人工心脏、人工肾、人工肝等)和人工管形器(人工器官、食道)等。 合成医用高分子材料发展的第一阶段始于1937年，其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年，其标志是医用级有机硅
新型热电材料及研究进展
新型热电材料及研究进展摘要：热电效应在发电和致冷方面有着巨大的应用潜力。从如何提高热电材料热电优值的理论研究出发,列出了寻找高优值热电材料的几种主要途径。在此基拙上,重点介绍了最近几年来新型热电材料的研究发展情况,包括笼式化合物、超晶格热电材料、Half一Hueselr合金等。并提出了亚待解决的问题和今后的研究方向。 关键字：热电；电优值；新型热电材料 1引言 能源是人类活动的物质基础，随着人类活动以及工业化革命的不断进行，传统的一些不可再生能源开始日益枯竭’所以新能源的开发迫在眉睫，而新能源的开发利用需要借助能源材料来实现’能源转换材料（热电材料）成为材料科学热点’热电材料的应用主要有温差发电和热电制冷，温差发电是利用效应，直接将热能转化为电能的研究’温差发电在工业余热&废热和低品味热温差发电方面有很大的潜在应用’与温差发电相反，热电制冷利用效应可以制造热电制冷机’热电制冷具有机械压缩制冷机所没有的一些优点，尺寸小质量轻无任何机械转动部分工作无噪声无液态或气态介质，因而不存在污染环境问题；可以实现精确控温，响应速度快，器件使用寿命长，因此热电制冷已用于很多领域’另外，热电制冷材料的一个可能具有实际应用意义的场合是为超导材料的使用提供低温环境’1823年,Seebeck首次发现了热电效应(又称温差电效应),从而开始了人类对热电材料的研究和应用。近年来,随着人们对环境和能源问题的日益重视,热电材料开始受到更为普遍的关注。 2材料的热电效应 热电材料具有3 个基本效应，即效应效应和效应，这3 个效应奠定了热电理论的基础，同时也确定了热电材料的应用方向。 Seebeck效应又称为温差电效应，是指在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，发现了回路中有一电动势存在Seebeck 效应的大小可通过Seebeck系数（温差电动势率）来表征 3新型热电材料种类 随着科技进步和新材料合成技术的发展&各种测试手段的不断提高以及计算机在材料 研究中的广泛应用，使得目前热电材料的研究日新月异，大量的新型热电材料层出不穷。 3.1半导体金属合金型热电材料 金属材料的热电效应非常小,除在测温方面的应用外,其他没有实际的应用价值。直到20世纪50年代,人们发现小带隙(small band gap)掺杂半导体比金属大很多热电效应,研制温差电源和热电制冷器已具有现实意义[1]。这类材料以Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ族及稀土元素为主。目前,研究较为成熟并且已经应用于热电设备中的材料主要是金属化合物及其固溶体合金如 Bi2Te3/Sb2Te3、PbTe、SiGe、CrSi等,这些材料都可以通过掺杂分别制成P型和n型材料。有报道称在实验室得到的最高ZT值达到2.2 (AgPb m SbTe2+m, 800K)[2]到2.4(Bi2Te3/Sb2Te3超晶格, 300K) [3]。通过调整成分、掺杂和改进制备方法可以进一步提高这些材料的ZT,通过化学气相沉积（ CVD ）过程得到综合两维Sb2Te3/Bi2Te3超晶格薄膜的ZT高达2.5[4]，ZT的研究还在继续进行[5]。但是这些热电材料存在制备条件要求较高,需在一定的气体保护下进行,不适于在高温下工作以及含有对人体有害的重金属等缺点。 3.2方钴矿(Skutterudite)热电材料 Skutterudide是CoSb3的矿物名称，名称为方钴矿，是一类通式为AB3的化合物（其中A是金属元素，如Ir、Co、Rh、Fe等；B是V族元素，如As、Sb、P等）。二元Skutterudite 化合物是窄带隙半导体，其带隙仅为几百毫电子伏，同时此类化合物具有较高的载流子迁移率和中等大小的反Seebeek系数，但热导率比传统的热电材料要高.此类化合物的显著特点
新型热电材料的研究进展
新型热电材料的研究进展 随着能源的日益紧缺以及环境污染的日趋严重，热电材料作为一种环保、清洁的新能源材料近年来备受关注，下面是搜集的一篇探究热电材料研究进展的，供大家阅读参考。 本文介绍了热电材料的研究进展，重点介绍了Half-Heusler金属间化合物、方钴矿、纳米技术和超晶格材料等新型热电材料的研究状况。 热电材料又称温差电材料，是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料。随着新材料合成技术的发展以及用X射线衍射技术和计算机来研究化合物能带结构参数等新技术的出现，使得热电材料的研究日新月异。 1.1 传统热电材料的研究进展 50年代，苏联的Ioffe院士提出了半导体热电理论，Ioffe及其同事从理论和实践上通过利用两种以上的半导体形成固溶体可使ZT 值提高，从而发现了热电性能较高的致冷和发电材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶体合金。
常规半导体的ZT值主要依赖于载流子的有效质量、迁移率和晶格热导率，优良热电材料一般要求大的载流子迁移率和有效质量，低的晶格热导率[1]。根据这些理论原则，发现了上述的一些较好的常规半导体热电材料，如适合室温使用的Bi2Te3合金、适合中温区(700K)使用的PbTe、高温区(1000K)使用的SiGe合金，更高温度(>100K)下使用的SiC等。 1.2 新型热电材料的研究进展 1.2.1 Half-Heusler金属间化合物 Half-Heusle金属间化合物的通式为ABX，A为元素周期表左边的过渡元素(钛或钒族)，B为元素周期表右边的过渡元素(铁、钴或镍族)，X为主族元素(稼、锡、锑等)。Half-Heusler金属间化合物是立方MgAgAs型结构。这种材料的特点是在室温下有较高的电导率和Seebeck系数，可以达到300μV/K，在700～800K时，材料的ZT值可达到0.5～0.6，但缺点是热导率也很高(室温下为5～ 9W/(M?K))[2]。 1.2.2填充Skutterudite化合物
生物医用高分子材料研究进展及趋势
JI A N G S U U N I V E R S I T Y 医用材料学课程学习总结及结课论文 生物医用高分子材料的研究及发展趋势 学院名称：材料科学与工程 专业班级：金属1302 学生姓名：钱振 指导教师姓名：王宝志 2016年10 月
生物医用高分子材料的研究及发展趋势 钱振 学号：63 班级：金属1302 材料科学与工程学院 摘要：随着我国经济发展水平的不断提高，分子材料在各领域得到了显著应用，在医用领域应用更多，本文综述了生物医用高分子材料的分类、特点及基本条件，概述了医用高分子材料的研究现状及其用途，并浅谈了医用高分子材料的发展及展望。通过介绍医用高分子材料在人工脏器、药剂及医疗器械方面的应用，以及我国近年来的研究情况和存在的问题,形成对生物医用功能高分子的认识和其重要性的认识。 关键词：生物材料，生物医用高分子材料，现状，应用，展望 1.引言 生物医用材料是生物医学科学中的最新分支学科，它是生物学、医学、化学、物理学和材料学交叉形成的边缘学科，是用于人工组织或器官制备、高性能医疗器械的研制、药物新剂型的开发和和仿生效应研究的基础[1] 。 生物医用材料，简称生物材料(BiomaterialS)，是一类具有特殊性能或功能，用于与生物组织接触以形成功能的无生命的材料]2[。主要包括生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料、生物医用金属材料和生物医用复合材料等。研究领域涉及材料学、化学、医学、生命科学]3[，生物医用高分子材料是一门介于现代医学和高分子科学之间的新兴学科。目前医用高分子材料的应用已遍及整个医学领域(如:人工器官、外科修复、理疗康复、诊断治疗、心血管、骨修复、神经传递、皮肤、器官、药物控释等）。 2.研究现状 生物医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的高分子材料。在功能高分子材料领域，生物医用高分子材料取得了长足的进展，目前已成为发展最快的一个重要分支。随着医用高分子产业的发展，出现了大量的医用新材料和人工装置，如人工心脏瓣膜、人工血管、人工肾用透析膜、心脏起博器及骨生长诱导剂等。近10年来，由于生物医学工程、材料科
功能材料的研究进展
功能材料的研究进展 摘要 功能材料作为现代技术的标志，引起了各国的关注，已经成为材料科学中的一个分支学科，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。本篇综述简单介绍了功能材料的基本性能、特点及其发展现状。为了满足这些现代技术对材料的需求，世界各国都非常重视功能材料的研究和开发。 关键词功能材料性能特点发展现状 引言 功能材料的概念是美国 Morton J A于1965年首先提出来的。功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用[1]。20世纪60年代以来，各种现代技术的兴起，强烈刺激了功能材料的发展。同时，由于固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理和生物化学等学科的飞速发展以及各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技术在功能材料研究和生产中的实际应用，许多新功能材料不仅已经在实验室中研制出来，而且已经批量生产和得到应用，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。因此，功能材料学科已经成为材料科学中的一个分支学科。
一、功能高分子材料的简介 功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。它是上世纪60年代发展起来的新兴领域，是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后开发涌现出的新材料。近年来，功能高分子材料的年增长率一般都在10％以上，其中高分子分离膜和生物医用高分子的增长率高达50％所谓功能性高分子材料，一般是指具有某种特别的功能或者是能在某种特殊环境下使用的高分子材料，但这是相对于一般用途的通用高分子材料而言。这一定义只是一个概括，不一定很确切，较多的人认为所谓功能性高分子材料是指具有物质能量和信息的传递、转换和贮存作用的高分子材料及其复合材料。如有光电、热电、压电、声电、化学转换等功能的一些高分子化合物。可以看出，这是一类范围相当大、用途相当广、品种相当多，而又是在生活、生产活动中经常遇见的一类高分子材料。功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支，它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能[2]。 二、功能材料的基本性能 功能材料是以物理性能为主的工程材料的统称,即指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质,或在其作用下表现出特殊功能的材
热电材料作为环境友好的能源转化材料
热电材料作为环境友好的能源转化材料，已显示出了引人瞩目的应用前景，但是热电器件走向实际应用的最大问题在于它的转换效率。从热力学的基本定理来说,热电优值没有上限。即使是应用固体理论模型和较为实际的数据计算得到的优值上限为ZT=4，仍远远大于目前己获得的最大ZT值。通过寻求新类型或新结构的热电材料，优化制备工艺等，将有可能使材料优值得到明显提高。 从目前的研究现状来看，未来热电材料的研究方向趋于以下几个方面: 2.纳米复合热电材料的研究 1.低维热电材料的研究 降低材料维度，使用二维量子阱，一维量子线超晶格可以有效提高费米能级附近的态密度，增加载流子有效质量，提高Seebeek系数，同时材料中大量晶界对声子的散射使热导率大幅降低，两方面的共同作用使材料ZT值大幅提高。 即在三维块体材料中引入或原位生成纳米结构，或者将低维材料体系聚合成微纳复合材料，纳米结构的引入一方面可以大幅降低热导率，另一方面，可以通过量子限制效应大幅提高费米能级附近的电子态密度，提高Seebeck系数。 电子跃迁示意图 导电聚合物的热电优值(ZT)优化只是处于起步阶段，还需要关于形态，化学和电子结构对三个主要的热电参数的影响进行了系统的了解。因为热电特性都彼此相关，以及导电聚合物众所周知的形态复杂性及其物理性质的各向异性，这一问题变得困难起来。就在过去几十年的导体和半导体聚合物研究的基础上，为聚合物基有机热电材料的发展奠定了坚实的基础。这一新兴研究领域的一个主要挑战是理解在导电聚合物各种塞贝克效应的来源以获得高的能量因子。此外，材料的热电性能表征也应得到发展。今天，从废物和太阳热能中大面积地进行热电能量收
高分子高能材料研究进展
高分子高能材料研究进展材料化学091班 091304131 洪荣
摘要: 系统地介绍了几类新一代功能高分子材料，旨在为进一步的研究开发与应用。提供有价值的参考方法，在分析现有功能高分子材料结构特征的基础上着重阐述了几种新一代功能高分子材料的性能特点、功能原理及发展动态。介绍了几种新型功能高分子材料的发展及应用,包括二氧化碳功能高分子材料、形状记忆功能高分子材料、糠醛系功能高分子材料、导电高分子材料、生态可降解高分子材料等,并展望了功能高分子的未来。 关键词:功能高分子材料;进展;导电；医用；复合；生物降解；智能；展望。 功能高分子材料是对物质、能量、信息具有传输、转换或贮存作用的高分子及其复合材料的一类高分子材料,有时也被称为精细高分子或者特种高分子(包括高性能高分子) 。其于20 世纪60 年代迅速发展起来的新型高分子材料,内容丰富、品种繁多、发展迅速,已成为新技术革命必不可少的关键材料。功能高分子材料分为两类:一类是在原来高分子材料的基础上,使其成为更高性能和功能的高分子材料,另一类是具有新型功能的高分子。而功能高分子材料又分为:化学功能高分子材料、光功能高分子材料、电功能高分子材料、高分子液晶等。新型功能高分子材料因为其特殊的功能而受到人们广泛关注。
二氧化碳功能高分子材料 CO2 是污染环境的废气,不活泼且难以利用,作为一种配位能力较强的物质,它具有与金属形成种种络合物的能力,故CO2 有很多机会被活化而参加某些化学反应,在一定条件下CO2 能插入到金属、碳、硅、氢等元素组成的化学键中,反应过程中CO2的碳或与被插入键较贫电子的一端连接。它与其他共聚单体轮流与催化剂金属络合物而插入金属杂原子键中。这种插入反应是制备各种羧酸或羧酸盐、氨基甲酸酯、碳酸酯、有机硅、有机磷化合物的基础,作为可聚合单体, 利用CO2 可得到许多有机物。 自 1969 年, Inoue S.等报道二氧化碳与环氧丙烷(PO)共聚制备高交替的聚丙撑碳酸酯（PPC）以来,以二氧化碳作为单体合成全降解脂肪族聚碳酸酯已成为各国化学家研究的热点之一。在此领域，研究最为广泛的是二氧化碳与PO共聚合成PPC 和二氧化碳与环氧环己烷(CHO)共聚合成聚环己撑碳酸酯(PCHC)。但由于PPC 的玻璃化转变温度低（35-40℃左右）和PCHC 较脆而大大限制了它们的应用范围。用稀土三元催化剂合成了二氧化碳、环氧丙烷和环氧环己烷的三元共聚物,并研究了单体配比对三元共聚物的组成、微结构、热力学性能和力学性能的影响。 以CO2 为基本原料与其他化合物在不同催化剂作用下,可缩聚合成多种共聚物,其中研究较多、已取得实质性进展、并具有应用价值和开发前景的共聚物是由CO2 与环氧化合物通过开键、开环、缩聚制得的CO2 共聚物脂肪族碳酸酯。目前只有美、日、韩等国已建成脂肪
液晶高分子材料现状研究进展
液晶高分子材料的现状及研究进展 摘要：本文综述了液晶高分子材料的研究现状，包括简单介绍了液晶高分子的发展历史，结构及性能，介绍了液晶高分子研究的新进展，对液晶高分子早各个领域的应用和潜在的性能进展做了简要的阐述，并针对液晶高分子存在的问题提出了相应的建议。 关键词：液晶高分子研究应用 前言 高分子科学，以30年代H.staidinger建立高分子学说为开展.此后高分子化学有了飞跃的发展.与此同时，高分子物理化学也有相应的发展。高分子化学注重对高聚物合成以及性质的研究，而高分子物理则重点研究高聚物的结构与性能，二者相辅相成，近年来研究较多的高分子液晶材料就是两者结合的典范。 液晶现象是1888年奥地利植物学家F.Reintizer[1]在研究胆甾醇苯甲酯时首先发现的。研究表明，液晶是介于液体和晶体之间的一种特殊的热力学稳定相态，它既具有晶体的各相异性，又有液态的流动性，液晶高分子就是具有液晶性的高分子，大多数由小分子量基元键合而成，它是一种结晶态，既具有液体的流动性又具有晶体的各向异性特征。 这样人们自然会联想到具有这种结构的高分子材料。1937年Bawden和Pirie[1]在研究烟草花叶病病毒时，发现其悬浮液具有液晶的特性。这是人们第一次发现生物高分子的液晶特性，其后1950年，Elliott与Ambrose第一次合成了高分子液晶，溶致型液晶的研究工作至此展开。50年代到70年代，美国Duponnt公司投入大量人力才力进行高分子液晶发面的研究，取得了极大成就，1959年推出芳香酰胺液晶，但分子量较低，1963年，用低温溶液缩聚法合成全芳香聚酰胺，并制成阻燃纤维Nomex，1972年研制出强度优于玻璃纤维的超高强.高模量的Kevlar纤维，并付注实用，以后，高分子液晶的研究则从溶致型转向为热致型。在这一方面Jackson等作出了较大贡献，他们合成了对苯二甲酸已二醇酯与对羟基苯甲酸的共聚物，可注塑成型，这是一种模量极高的自增强液晶材料。 从应用领域分析，液晶高分子材料在电子电气行业中需求量最大且发展迅速，1998年可达3600 吨，平均年增长23.1 %；其次是通讯业，需求量约1540 吨，增长21.1%；工业界及运输业总需求量不到1700 吨，平均年增长率约为I1%。主要用于接插件、开关、继电器、模塑印刷电路板、光缆结构件、复合材料、机械手、泵/阀门组件、功能件等，极大地推动了液晶高分子技术及其它高新技术的发展。 从高分子液晶诞生到现在只有50多年的历史，是一门很年轻的学科。虽然高分子液晶[2]是具有高强度、高模量、耐高温、低膨胀系数、低成型收缩率、低密度、良好的介电性、阻燃性和耐化学腐蚀性等一系列优异的综合性能，作为液晶自增强塑料、高性能纤维、板材、薄膜及光导纤维包覆层，被广泛应用于电子电器、航天航空、国防军工、光通讯等高新技术领域以及汽车、机械、化工等国民经济各工业部门。但目前对它的研究仍处于较低的水平，理论研究较狭隘，液晶高分子尚存在制品的机械性能各向异性、接缝强度低、价格相对较高等缺点，这些都有待于进一步的改进，所以高分子液晶仍是高分子科学研究的一个热点。 1液晶高分子材料的特性[3]
2020年功能材料的研究与进展报告
功能材料的研究与进展报告 功能材料的研究与进展 报告题目：功能材料的研究进展 课程名称：先进功能材料 学院：材料与冶金学院 专业：材料物理 班级：xxx 学号：xxxx 学生姓名：xxxx 指导老师：xxx 随着经济的迅速发展，人们对材料的需求日益增加。为了满足这些现代技术对材料的需求，世界各国都非常重视功能材料的研究和开发。功能材料作为现代技术的标志，引起了各国的关注，已经成为材料科学中的一个分支学科，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。本篇综述简单介绍了功能材料的基本性能、特点和分类及其发展现状和发展趋势。 一、功能材料的基本性能 功能材料是以物理性能为主的工程材料的统称,即指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质,或在其作用下表现出特殊功能的材料。 功能材料按其显示功能的过程可分为一次功能和二次功能。一次功能是当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同种形式时,
材料起能量传送部件作用,又称载体材料,主要有:(1)力学功能如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、高弹性、恒弹性、振动性和防震性;(2)声功能如吸音性、隔音性;(3)热功能如隔热性、传热性、吸热性和蓄热性;(4)电功能如导电性、超导性、绝缘性和电阻;(5)磁功能如软磁性、硬磁性、半硬磁性;(6)光功能如透光性、遮光性、反射光性、折射光性、吸收光性、偏振性、聚光性、分光性;(7)化学功能如催化作用、吸附作用、生物化学反应、酶反应、气体吸收;(8)其它功能如电磁波特性(常与隐身相联系)、放射性。 二次功能是当向材料输入的能量和输出的能量属于不同形式时,材料起能量转换部件作用,又称高次功能,主要有:(1)光能与其它形 式能量的转换,如光化反应、光致抗蚀、光合成反应、光分解反应、化学发光、感光反应、光致伸缩、光生伏特效应、光导电效应;(2) 电能与其它形式能量的转换,如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应,场致发光效应、电光效应和电化学效应;(3)磁能与其它形式能量的转换,如热磁效应,磁冷冻效应、光磁效应和磁性转变;(4) 机械能与其它形式能量的转换,如压电效应、磁致伸缩、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应、机械化学效应、形状记忆效应和热弹性效应。 二、功能材料的特征 功能材料是指具有优良的物理、化学和生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。迄今为止，功能材料尚无统一的和严格的定义。但一结构材料相比，有以下主要特征:
高分子材料发展前沿及趋势2019
高分子材料研究前沿及发展趋势 1.通用高分子材料向高性能、多功能、低污染、低成本方向发展 通用高分子材料主要是指塑料、橡胶、纤维三大类合成高分子材料及涂料、黏合剂等精细高分子材料。高性能、多功能、低成本、低污染（环境友好）是通用合成高分子材料显著的发展趋势。在聚烯烃树脂研究方面，如通过新型聚合催化剂的研究开发、反应器内聚烯烃共聚合金技术的研究等来实现聚烯烃树脂的高性能、低成本化。高性能工程塑料的研究方向主要集中在研究开发高性能与加工性兼备的材料。通过分子设计和材料设计，深入、系统地研究芳杂环聚合物材料制备中的基本化学和物理问题，研究其多层次结构及控制技术，认识结构与性能之间的本质联系，寻求在加工性能和高性能两方面都适合的材料。合成橡胶方面，如通过研究合成方法、化学改性技术、共混改性技术、动态硫化技术与增容技术、互穿网络技术、链端改性技术等来实现橡胶的高性能化。在合成纤维方面，特种高性能纤维、功能性、差别化、感性化纤维的研究开发仍然是重要的方向。同时生物纤维、纳米纤维、新聚合物纤维德研究和开发也是纤维研究的重要领域。在涂料和黏合剂方面，环境友好及特殊条件下使用的高性能涂料和黏合剂是发展的两个主要方向。 2.功能高分子材料发展迅速，应用领域不断扩大，越来越多的功能高分子材料将从科学发明、发现走向实际应用在有机/高分子光电信息功能材料领域，光、电、磁等功能高分子材料作为新一代信息技术的重要载体，在21世纪整个信息技术的发展中将占有极其重要的地位。非常值得关注并可能取得突破的重要方向是：有机/高分子显示材料特别是电致发光材料、超高密度高分子存储材料、高分子生物传感材料等。此外，还有新型功能高分子材料的设计、模拟与计算、合成与组装以及分子纳米结构的构筑。高分子的组装、自组装以及在分子电子器件上的应用研究等。 在生物医用材料领域，总的发展趋势是：从简单的植入发展到再生和重建有生命的组织和器官；从大面积的手术损伤发展到微创伤手术治疗；从暂时性的组织和器官修复发展到永久性的修复和替换；从药物缓释发展到控释、靶向释放。生物医用材料研究的重点是：基于生物学原理，赋予材料和植入体生物结构和生物功能的设计；可靠地试验材料生物安全性和预测材料长期寿命的科学基础；先进的工艺制造方法学。 在吸附分离材料领域，分离膜的发展重点是在研究聚合物分离膜制备、成膜机理及其与聚合物结构关系基础上实现膜结构与膜分离性能的预测、调控与优化；通过分离膜与生化技术的集成，实现合成高分子膜材料的强度与可加工性能以及天然生物膜的特殊选择性与生物活性的有机组合。对于吸附分离树脂，不直接利用生物配体，而是通过模拟亲和作用及超分子化学的多重作用（分子识别）来设计合成具有分子识别特征的高选择性吸附树脂材料，具有重要的理论意义和实用价值。新型印迹聚合物材料的设计与制备及选择性分离功能的研究也是重要的发展方向。 3.高分子材料科学与资源、环境的协调发展越来越受到重视 基于石油资源的合成高分子材料已得到了大规模的应用，在带给我们方便的同时也带来了环境污染的问题，而且50年后将面临石油资源逐渐枯竭的威胁。因此，基于可再生的动物、植物和微生物资源的天然高分子将有可能成为未来高分子材料的主要化工原料。其中最丰富的资源有纤维素、木质素、甲壳素、淀粉、各种动植物蛋白质以及多糖等。它们具有多种功能基团，可通过化学、物理方法改性成为新材料，也可通过化学、物理及生物技术降解成单体或齐聚物用作化工原料。为解决环境污染问题，一方面生物降解高分子材料的研究已成为研究热点，另一方面废弃高分子材料的回收利用也成为重要研究方向。生物降解高分子材料在20世纪末和21世纪初得到迅速的发展，特别是一些发达国家的政府和企业投入巨资开展生物可降解高分子材料的研究与开发，已取得可喜的进展。生物降解高分子材料要求具