前言
當(dāng)前，世界正在經(jīng)歷一場(chǎng)更大范圍、更深層次的新工業(yè)革命，信息技術(shù)、制造技術(shù)、能源技術(shù)、材料技術(shù)交叉融合、深度滲透、群體性突破、協(xié)同應(yīng)用，新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)層出不窮，一批標(biāo)志性通用技術(shù)（如數(shù)字化制造、5G、人工智能等）涌現(xiàn)并向各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域滲透。
一代材料、一代器件，一代技術(shù)、一代裝備。新興功能材料導(dǎo)致顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)，推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)變革。我國(guó)“十四五”規(guī)劃指出：聚焦新一代信息技術(shù)、生物技術(shù)、新能源、新材料、高端裝備、新能源汽車、綠色環(huán)保以及航空航天、海洋裝備等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，加快關(guān)鍵核心技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，增強(qiáng)要素保障能力，培育壯大產(chǎn)業(yè)發(fā)展新動(dòng)能。這些戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技與新材料的發(fā)展高度融合，創(chuàng)新步伐持續(xù)加快，推動(dòng)了功能材料器件的不斷推陳出新和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，對(duì)功能材料制作成的處理器、存儲(chǔ)器、傳感器等都提出了新的需求，對(duì)超小尺寸、超高速、超高效率、超低功耗功能器件技術(shù)的需求日益迫切，這為功能材料器件的大發(fā)展提供了難得的歷史機(jī)遇。
同時(shí)，不斷涌現(xiàn)的功能材料器件制備、加工、應(yīng)用技術(shù)為信息、制造、能源、空間、海洋、生命等領(lǐng)域的開拓發(fā)展提供了更廣泛的創(chuàng)新基礎(chǔ)。電子信息功能材料是實(shí)現(xiàn)信息感知、計(jì)算、發(fā)送、傳輸、接收和存儲(chǔ)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人工智能、智能傳感、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、區(qū)塊鏈和大數(shù)據(jù)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展與進(jìn)步的先導(dǎo)條件。能源清潔低碳化趨勢(shì)已經(jīng)成為全球共識(shí)，變革性能源材料技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。其中，新能源汽車的大規(guī)模發(fā)展大幅度降低了燃油的消耗，汽車電動(dòng)化和智能化變革為大勢(shì)所趨，光伏發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)是主要的解決方案，“光—儲(chǔ)—配—用”綠色電力全鏈條一體化是“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。隨著新型感知技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，先進(jìn)制造技術(shù)正在向智能化的方向發(fā)展，在數(shù)控裝備的基礎(chǔ)上集成若干智能控制軟件和模塊，使制造工藝能適應(yīng)制造環(huán)境和制造過(guò)程的變化以達(dá)到優(yōu)化。具有感知、分析、推理、決策、控制功能，實(shí)現(xiàn)高效、高品質(zhì)、節(jié)能環(huán)保和安全可靠生產(chǎn)的下一代制造裝備的支撐材料，是未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的急需。
功能材料及其器件多學(xué)科交叉融合，應(yīng)用各種新技術(shù)和新工藝，涉及領(lǐng)域非常廣泛。高校材料科學(xué)與工程、功能材料、新能源材料與器件、光電信息、金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、材料物理、材料化學(xué)等相關(guān)專業(yè)，均結(jié)合國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)開設(shè)了功能材料器件教學(xué)課程，然而真正結(jié)合當(dāng)前時(shí)代背景、具有“新工科”特色的有關(guān)功能材料器件方面的教材卻較少。本書是編者在本科高校多年授課的基礎(chǔ)上，借鑒各種圖書的優(yōu)點(diǎn)編寫的一本新工科特色教材。本書以材料—器件—應(yīng)用為主線，強(qiáng)調(diào)功能材料的組成、結(jié)構(gòu)、工藝與性能之間的關(guān)系，著重通過(guò)具體案例介紹，使讀者掌握材料和器件性能特征及實(shí)際應(yīng)用，如器件應(yīng)用背景、工作原理、結(jié)構(gòu)組成、核心材料選用、材料及器件制備工藝等，提升相關(guān)專業(yè)的器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究能力。
本書從系統(tǒng)性和相對(duì)獨(dú)立性考慮，在內(nèi)容的選取和編排上力求實(shí)用。第1章總述功能材料的特點(diǎn)、分類及器件發(fā)展歷程。第2章在介紹PN結(jié)機(jī)理與特性的基礎(chǔ)上，拓展介紹了PIN二極管、雙極型晶體管、MOSFET、IGBT和晶閘管，闡述了這些器件的基本工作原理、特性和主要參數(shù)。第3章介紹了光電轉(zhuǎn)換材料與器件，包括光電倍增管、光敏電阻、太陽(yáng)能電池和發(fā)光二極管。第4章、第5章主要介紹了功能電介質(zhì)、熱電轉(zhuǎn)換材料與器件。第6章介紹了敏感材料與傳感器，選取了幾種常見的傳感器，如電阻式應(yīng)變傳感器、霍爾傳感器、紅外溫度傳感器、濕度傳感器、氣敏傳感器和光纖傳感器。第7章介紹了幾種化學(xué)電源材料與器件，包括鋰離子電池、超級(jí)電容器和燃料電池。本書本著突出重點(diǎn)、通俗易懂的原則，敘述的重點(diǎn)放在了基本概念、基本工作原理、結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)上，著重闡述功能器件在各種不同應(yīng)用場(chǎng)景下的特征，盡可能地用淺顯易懂的語(yǔ)言表述復(fù)雜的道理，而又不失其精髓。同時(shí)，省略了煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，從而使內(nèi)容更精練、重點(diǎn)更突出。本書各章內(nèi)容可以單獨(dú)選擇或任意組合使用。
本書的編寫離不開所有編者的努力。桂林電子科技大學(xué)的周建華設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌全書，編寫了第1章、第4章、第6章、第7章。廣西大學(xué)的苗蕾和桂林電子科技大學(xué)的陳俊良編寫了第2章。廣西科學(xué)院的賴華俊編寫了第3章。桂林電子科技大學(xué)的袁昌來(lái)參與編寫了第4章。桂林電子科技大學(xué)的劉呈燕和高杰編寫了第5章。廣西大學(xué)的穆曉江和桂林電子科技大學(xué)的劉靜參與編寫了第6章。廣西大學(xué)的王瀟漾和桂林電子科技大學(xué)的王鳳參與編寫了第7章。周建華擔(dān)任主編，負(fù)責(zé)全書統(tǒng)稿。苗蕾和劉呈燕擔(dān)任副主編。此外，桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)在本書編寫過(guò)程中給予了大力支持和幫助，在此一并表示感謝。
在本書的編寫過(guò)程中，參閱了許多文獻(xiàn)，從中汲取了不少有益的內(nèi)容和敘述方法，在此向作者們深表謝意。
由于編者水平有限，書中難免存在一些不足、不妥或疏漏之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。
編者
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