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第二章 气体、液体和固体
第六节 新材料
每次新材料的开发和使用，都标志着人类社会生产水平的一大跨越，本节课我们就来了解一些新材料。
气态、液态和固态是最常见的三种物质形态，这些不同形态物理材料的应用，对人类社会的发展起到了重大的推动作用。
1.了解半导体、纳米材料、超材料的定义、特征，能说出典型半导体材料。
2.了解半导体的应用。
3.了解半导体与导体、绝缘体，纳米材料与宏观材料，不同超材料之间的差异。
一、半导体材料
ENIAC(电子数字积分计算机）是世界上第一台通用计算机，长30.48m，宽6m，高2.4m，占地面积约170平方米，有30个操作台，造价48万美元，17468根真空管（电子管)，7200根晶体二极管，计算速度为每秒5000次加法
我们的计算机，就是由半导体材料制作而成，半导体材料到底是什么呢？
半导体：指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。
典型半导体材料：硅、锗、砷化镓等
视频展示：半导体材料的原理
半导体材料的导电能力介于导体与绝缘体之间。它有一个最重要的性质，如果在纯净的半导体中掺入某些微量元素作为杂质，则其导电性能将会发生显著变化，即半导体的导电性能可通过掺杂来控制。人们利用半导体这一特性制造出了各种不同用途的半导体电子器件。
硅、锗是目前应用最广泛的半导体材料，95%以上的集成电路芯片都是在单晶硅片上制作的。随着集成工艺的提高，其内部元器件的工艺尺寸已缩小到几个纳米的大小，晶片上可集成超过10亿个电子元器件。电路及电子元器件的高度集成，使得各种功能组件小型化、微型化成为可能。现在一部手掌大的手机,集成了光线、距离、重力、加速度、磁场、指纹等十几种传感器，以及多个功能模块以支持通话、上网、导航、拍照等各种功能。
近些年，半导体材料在太阳能发电、余热发电领域成为科学研究的热点。半导体制成的光伏材料能将太阳能直接转化为电能。目前，人们致力于降低光伏材料成本和提高发电效率，使光伏发电的成本与传统发电方式相当，从而为大规模应用创造条件。半导体热电材料是将热能直接转化为电能的材料，已在航天领域得到应用。在航天探测器上，人们采用热电材料将放射性同位素衰变时放出的热量转化成电能来维持探测器电子设备的运行。由于放射性同位素的半衰期较长，故能维持航天探测器长时间的运行。
迄今为止，半导体材料制造的电子产品已广泛应用于我们的生产、生活中，从雷达、火箭到电脑、手机,从互联网、卫星导航到网络购物、视频聊天,都离不开半导体。正是半导体材料与技术的应用，使得微电子等信息技术在21世纪迅速崛起，开创了人类信息化的全新时代。
二、纳米材料
纳米尺度：
纳米材料即三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1-100 nm)的材料。
将某些物质的尺度加工到1-100nm时，它的物理性质和化学性质与较大尺度相比，发生了异常的变化，具有一些特殊的用途。
纳米材料的特点
1.防水防油
2.强度高和韧性大
3.吸附性强
荷叶的自洁效应
纳米陶瓷粉制成
纳米陶瓷刀摔不坏
碳纳米管可以大量吸附氢气
可以用来制造冰箱、洗衣机、空调等电器的内壁或外壳，有效防止微生物的滋生，从而不留异味、易于清洗。
4.纳米材料能改变材料的表面活性和生物活性
一般定义为具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构的复合材料，是将人造单元结构以特定方式排列形成的，具有特殊电、磁特征的人造结构材料。
典型超材料：左手材料、光子晶体、超磁性材料等。
三、超材料
1.左手材料：左手材料是指一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在其传播时，由于波矢、电场和磁场符合左手定则。左手材料可用于制造高指向性天线，用于聚焦微波波束，实现“完美透镜”，或用于电磁波隐身及制造各种新型微波器件。
左手材料的负折射现象
2.光子晶体
光子晶体能使某一频率范围的电磁波不能在其内部传播，可用于控制光子的流动，制造光子晶体光纤、光子晶体微带天线等。
3.超磁性材料
超磁性材料是指在一定条件下（如特定温度、磁场等）表现出比一般磁性材料更强的磁性，具有高磁化率、低居里温度等特性，能快速响应外部磁场变化，且在磁性存储、生物医学（如磁性靶向药物输送）、磁制冷等领域有重要应用潜力的特殊材料。
新材料根据其功能和结构可以分为有机材料、合成无机材料、复合材料以及人工超结构材料等。
然而，它们在分类上可能有交叉。
比如，太阳能电池材料具有人工异质结构，也是半导体材料，吸光层常常又是纳米级别。
四、新材料的分类
1.关于半导体材料，下列说法正确的是（ ）
A. 半导体材料在任何情况下导电性能都介于导体和绝缘体之间
B. 半导体材料的导电性能不能通过掺杂改变
C. 硅是应用最广泛的半导体材料，多数集成电路芯片在其晶片上制作
D. 半导体材料只能用于制作电子产品
C
2.纳米材料是指（ ）
A. 三维空间中至少有一维处于纳米尺寸 (1 - 100μm) 的材料
B. 三维空间中至少有一维处于纳米尺寸 (1 - 100nm) 的材料
C. 所有维度都处于纳米尺寸 (1 - 100nm) 的材料
D. 尺度在 1 - 100nm 的材料
B
3.下列不属于纳米材料特点的是（ ）
A. 防水防油
B. 强度低且脆性大
C. 吸附性强
D. 能改变材料的表面活性和生物活性
B
4.关于超材料，说法错误的是（ ）
A. 超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构的复合材料
B. 左手材料可用于电磁波隐身
C. 光子晶体能使所有频率的电磁波都不能在其内部传播
D. 超磁性材料在磁性存储领域有应用潜力
C
新材料
半导体
纳米材料
超材料
导电性可以通过掺杂来控制
光/热生伏特效应
防水防油
强度高和韧性大
吸附性强
能改变材料的表面活性和生物活性
具有特殊电、磁特征

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