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第二章 氣體、液體和固體
第六節 新材料
每次新材料的開發和使用，都標志著人類社會生產水平的一大跨越，本節課我們就來了解一些新材料。
氣態、液態和固態是最常見的三種物質形態，這些不同形態物理材料的應用，對人類社會的發展起到了重大的推動作用。
1.了解半導體、納米材料、超材料的定義、特征，能說出典型半導體材料。
2.了解半導體的應用。
3.了解半導體與導體、絕緣體，納米材料與宏觀材料，不同超材料之間的差異。
一、半導體材料
ENIAC(電子數字積分計算機）是世界上第一臺通用計算機，長30.48m，寬6m，高2.4m，占地面積約170平方米，有30個操作臺，造價48萬美元，17468根真空管（電子管)，7200根晶體二極管，計算速度為每秒5000次加法
我們的計算機，就是由半導體材料制作而成，半導體材料到底是什么呢？
半導體：指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。
典型半導體材料：硅、鍺、砷化鎵等
視頻展示：半導體材料的原理
半導體材料的導電能力介于導體與絕緣體之間。它有一個最重要的性質，如果在純凈的半導體中摻入某些微量元素作為雜質，則其導電性能將會發生顯著變化，即半導體的導電性能可通過摻雜來控制。人們利用半導體這一特性制造出了各種不同用途的半導體電子器件。
硅、鍺是目前應用最廣泛的半導體材料，95%以上的集成電路芯片都是在單晶硅片上制作的。隨著集成工藝的提高，其內部元器件的工藝尺寸已縮小到幾個納米的大小，晶片上可集成超過10億個電子元器件。電路及電子元器件的高度集成，使得各種功能組件小型化、微型化成為可能。現在一部手掌大的手機,集成了光線、距離、重力、加速度、磁場、指紋等十幾種傳感器，以及多個功能模塊以支持通話、上網、導航、拍照等各種功能。
近些年，半導體材料在太陽能發電、余熱發電領域成為科學研究的熱點。半導體制成的光伏材料能將太陽能直接轉化為電能。目前，人們致力于降低光伏材料成本和提高發電效率，使光伏發電的成本與傳統發電方式相當，從而為大規模應用創造條件。半導體熱電材料是將熱能直接轉化為電能的材料，已在航天領域得到應用。在航天探測器上，人們采用熱電材料將放射性同位素衰變時放出的熱量轉化成電能來維持探測器電子設備的運行。由于放射性同位素的半衰期較長，故能維持航天探測器長時間的運行。
迄今為止，半導體材料制造的電子產品已廣泛應用于我們的生產、生活中，從雷達、火箭到電腦、手機,從互聯網、衛星導航到網絡購物、視頻聊天,都離不開半導體。正是半導體材料與技術的應用，使得微電子等信息技術在21世紀迅速崛起，開創了人類信息化的全新時代。
二、納米材料
納米尺度：
納米材料即三維空間中至少有一維處于納米尺寸(1-100 nm)的材料。
將某些物質的尺度加工到1-100nm時，它的物理性質和化學性質與較大尺度相比，發生了異常的變化，具有一些特殊的用途。
納米材料的特點
1.防水防油
2.強度高和韌性大
3.吸附性強
荷葉的自潔效應
納米陶瓷粉制成
納米陶瓷刀摔不壞
碳納米管可以大量吸附氫氣
可以用來制造冰箱、洗衣機、空調等電器的內壁或外殼，有效防止微生物的滋生，從而不留異味、易于清洗。
4.納米材料能改變材料的表面活性和生物活性
一般定義為具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構的復合材料，是將人造單元結構以特定方式排列形成的，具有特殊電、磁特征的人造結構材料。
典型超材料：左手材料、光子晶體、超磁性材料等。
三、超材料
1.左手材料：左手材料是指一種介電常數和磁導率同時為負值的材料。電磁波在其傳播時，由于波矢、電場和磁場符合左手定則。左手材料可用于制造高指向性天線，用于聚焦微波波束，實現“完美透鏡”，或用于電磁波隱身及制造各種新型微波器件。
左手材料的負折射現象
2.光子晶體
光子晶體能使某一頻率范圍的電磁波不能在其內部傳播，可用于控制光子的流動，制造光子晶體光纖、光子晶體微帶天線等。
3.超磁性材料
超磁性材料是指在一定條件下（如特定溫度、磁場等）表現出比一般磁性材料更強的磁性，具有高磁化率、低居里溫度等特性，能快速響應外部磁場變化，且在磁性存儲、生物醫學（如磁性靶向藥物輸送）、磁制冷等領域有重要應用潛力的特殊材料。
新材料根據其功能和結構可以分為有機材料、合成無機材料、復合材料以及人工超結構材料等。
然而，它們在分類上可能有交叉。
比如，太陽能電池材料具有人工異質結構，也是半導體材料，吸光層常常又是納米級別。
四、新材料的分類
1.關于半導體材料，下列說法正確的是（ ）
A. 半導體材料在任何情況下導電性能都介于導體和絕緣體之間
B. 半導體材料的導電性能不能通過摻雜改變
C. 硅是應用最廣泛的半導體材料，多數集成電路芯片在其晶片上制作
D. 半導體材料只能用于制作電子產品
C
2.納米材料是指（ ）
A. 三維空間中至少有一維處于納米尺寸 (1 - 100μm) 的材料
B. 三維空間中至少有一維處于納米尺寸 (1 - 100nm) 的材料
C. 所有維度都處于納米尺寸 (1 - 100nm) 的材料
D. 尺度在 1 - 100nm 的材料
B
3.下列不屬于納米材料特點的是（ ）
A. 防水防油
B. 強度低且脆性大
C. 吸附性強
D. 能改變材料的表面活性和生物活性
B
4.關于超材料，說法錯誤的是（ ）
A. 超材料是具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構的復合材料
B. 左手材料可用于電磁波隱身
C. 光子晶體能使所有頻率的電磁波都不能在其內部傳播
D. 超磁性材料在磁性存儲領域有應用潛力
C
新材料
半導體
納米材料
超材料
導電性可以通過摻雜來控制
光/熱生伏特效應
防水防油
強度高和韌性大
吸附性強
能改變材料的表面活性和生物活性
具有特殊電、磁特征

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