硅材料在生活中有着广泛的使用，像集成电路中，还有更好的智能材料，一起来看看。
今天,在计算机及其他绝大多数电子设备中所用到的集成电路芯片,大多是在硅的单晶片上制作的。硅材料在当今微电子工业(尤其是超大规模集成电路工业)中受到高度重视,获得了广泛应用,这是为什么呢?
硅是地壳中含量最高的元素之一,其含量仅次于氧,是构成矿物和岩石的主要成分。因此,硅单晶材料的价格与其他半导体材料(如砷化镓、磷化铟和锗)相比要便宜许多,有利于降低产品成本。不过,硅在自然界总是以化合物的形式存在,因此需要通过还原反应才能制得高纯度的硅。随着硅的提纯和硅单晶拉制技术的日趋成熟,硅的大量使用已成为可能。
硅具有良好的热稳定性和化学稳定性。集成电路在制作过程中,需要经历各种热处理过程,其温度常达到℃或更高。砷化镓等化合物半导体在此过程中易发生分解,而硅单晶材料可以耐受℃甚至更高的温度而保持性能稳定。此外,硅材料还具有良好的掺杂特性。在使用半导体材料来制作集成电路及其他电子元器件时,必须通过加入不同种类和浓度的杂质来调节其电气性能。硅材料的掺杂可控性相当好,通过掺入一定量的磷原子或硼原子,可以在相当大范围内调节硅材料的电学性能,使其满足电路设计的要求。
硅材料在超大规模集成电路工业中唱主角的另一个重要的原因,是硅表面可以形成绝缘性能极高的二氧化硅介质层通过将硅片放在氧气或水汽中加热的办法,可以在硅表面形成厚至数微米,薄至千分之几微米的二氧化硅层。这样形成的二氧化硅层非常致密,自身有着优异的电气性能,并且能和下面的硅单晶层有极好的匹配,基本不会在交界面上产生电活性。这层二氧化硅层在微电子工业中起着至关重要的作用,相比之下,在其他半导体材料中,还未找到一种相应的绝缘介质层,能达到二氧化硅/硅体系所具有的优异电气及界面特性指标。所以,尽管砷化镓等材料具有比硅更好的高频性能和光电性能,但在超大规模集成电路工业中,目前仍然是硅材料一统天下。
自然界的很多生物,都具有自我修复的功能。例如,人体皮肤划破出血了,或者骨折了,经过一段时间后,都会逐渐愈合;各种动物和植物也都有自我修复功能,如蚯蚓、石龙子、海参等。但是,钢筋、水泥、塑料等一些无生命的材料,因为不存在“感觉”和“知觉”,所以不会有自行修复的功能。由于材料破裂而导致的种种事故,造成了许多重大的人身和财产损失。于是,科学家就想到,在制造飞机、舰船或建造大桥、高楼的时候,能否使其中的一些关键材料也变得有“感觉”,有“反应呢?能不能在某些材料中,添加一些特别的成分,使大桥在发生故障之前就能发生警报,或使舰船在出现裂痕时就能自动修复呢?
20世纪90年代,科学家研制出一些智能材料,这些材料已经具备“发现故障”和“自我修复”的功能了。智能材料又称机敏材料,它把高科技的传感器或敏感元件等与传统的材料结合在一起,使无生命的材料具有了“感觉”和“修复”能力。例如,将导电性能较好的碳素纤维与玻璃纤维等集束在一起,制得的智能材料,在较强外力作用下扭曲时,其中的碳素纤维因较脆而首先被部分或全部折断,从而使材料的电阻发生相应的变化,据此可预测出该材料受损的程度。再如在混凝土材料中,预先埋入大量装有裂纹修补剂的空心纤维,当混凝土受压开裂时,这些空心纤维也会裂开一个口子,从而释放出修补剂,把裂纹重新粘接起来。
现在,科学家已经能将体积极小的信号传感器和微电子计算器埋入材料中,这种智能材料在局部出现问题时,计算器收到信号后即会发出指令,使一些形状记忆合金和胶粘剂之类的物质发生变化,起到自动加固的作用。
智能材料尽管已经取得了一些成功,但这仅仅是起步。科学家们还在不断地研究一些生命现象,希望从中找出更好的研究智能材料的数据和线索。
硅材料和智能材料都是将来和现在重要的科技，你觉得呢？