漫談凝聚態(tài)物理與納米科技

報(bào)告提綱凝聚態(tài)物理與納米科技GaN-基與ZnO-基半導(dǎo)體晶格振動與光學(xué)非線性主要成果小結(jié)凝聚態(tài)物理與納米科技凝聚態(tài)是什么凝聚態(tài)物理研究什么納米離我們有多遠(yuǎn)所謂“凝聚態(tài)”

英語稱CondensedMatters，指的是由大量粒子

(原子、分子、電子等)組成，并且粒子間有很強(qiáng)相互作用的系統(tǒng)。固態(tài)和液態(tài)是最常見的凝聚態(tài)。低溫下的一些特殊的物質(zhì)狀態(tài)也都是凝聚態(tài).凝聚態(tài)物理學(xué)從微觀角度出發(fā)，研究由大量粒子（原子、分子、離子、電子）組成的凝聚態(tài)的結(jié)構(gòu)、動力學(xué)過程及其與宏觀物理性質(zhì)之間的聯(lián)系的一門學(xué)科。物理學(xué)中的最大分支。起源于低溫物理學(xué)與固體物理學(xué)。研究層次：宏觀、介觀到微觀。維度：三維、二維、一維到零維。研究熱點(diǎn)：納米科技；巨磁阻效應(yīng)；高溫超導(dǎo)等。它的基礎(chǔ)性研究往往與實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用有著緊密的聯(lián)系，其成果是一系列新技術(shù)、新材料和新器件。低溫技術(shù)的發(fā)展歷程19世紀(jì)70年代，法國人路易斯·保羅·卡耶泰(Louis-PaulCailletet)用各種氣體膨脹冷卻，-183℃得到了液態(tài)氧，在-196℃得到了液態(tài)氮。1898年，蘇格蘭人詹姆斯·杜瓦(JamesDewar)在-250℃液化了氫氣。1908年7月10日，荷蘭萊頓大學(xué)的海克·卡末林·昂內(nèi)斯(HeikeKamerlingh

Onnes)實(shí)現(xiàn)了4.2K的低溫，首次制得了幾立方厘米的液氦。1913年獲NobelPrizeinPhysics。1985年到1995年，美國加州斯坦福大學(xué)的朱棣文、法國巴黎的法蘭西學(xué)院和高等師范學(xué)院的科恩－塔諾季和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院的菲利普斯采用激光冷卻原子得到nK溫度。1997年獲NobelPrizeinPhysics。例子-1巨磁阻效應(yīng)(GMR)發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用M.N.Baibich,J.M.Broto,A.Fertt,Phys.Rev.Lett.61,2472(1988)G.Binasch,P.Grunbergetc.,Phys.Rev.B39(1989)4828AlbertFert于1938年生于法國的卡爾卡松（Carcassone)，獲得法國奧賽的Paris-Sud大學(xué)博士學(xué)位。PeterGrünberg于1939年生于皮爾森（Pilsen）市（目前屬于捷克共和國），德國國籍。獲得德國達(dá)姆施塔特（Darmstadt）工業(yè)技術(shù)大學(xué)（Technische

Universitt）物理學(xué)博士學(xué)位。Grünberg享有巨磁阻技術(shù)的一項(xiàng)專利。獲得2007Nobel物理獎(jiǎng)GMR硬盤（IBM）1997年“看看你的計(jì)算機(jī)硬盤存儲能力有多大，就知道他們的貢獻(xiàn)有多大！”他們的貢獻(xiàn)還在于開啟了自旋電子學(xué)（Spintronics）研究新領(lǐng)域！例子-2高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)與超導(dǎo)機(jī)制的研究1957年提出BCS超導(dǎo)微觀理論的美國物理學(xué)家巴丁（BardeenJ.1956年）、庫珀（CooperL.N.）、施里弗（SchrifferJ.R.），于1972年獲獎(jiǎng)；1960年發(fā)現(xiàn)單電子超導(dǎo)隧穿效應(yīng),美國物理學(xué)家賈埃佛（GiaeverJ.）；1962年預(yù)言約瑟夫森效應(yīng)的英國物理學(xué)家約瑟夫森（B.D.Josephsen），于1973年獲獎(jiǎng)；1986年，在IBM蘇黎士研究室工作的瑞士物理學(xué)家繆勒(MullerK.A.)和他的學(xué)生、德國物理學(xué)家柏諾茲(J.G.Bednorz)發(fā)現(xiàn)Ba-La-Cu-O(鋇鑭銅氧)系統(tǒng)物質(zhì)的高溫超導(dǎo)性(-180oC)，于1987年獲獎(jiǎng)；超導(dǎo)技術(shù)的影響，很快地波及到了電力工程、電能輸送、電動機(jī)與發(fā)電機(jī)的制造、磁流體發(fā)電、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)電子器件、地球物理勘探、地質(zhì)學(xué)、生物磁學(xué)、高能加速器與高能物理研究等多種領(lǐng)域與學(xué)科。歐洲核子研究中心(EuropeanOrganizationforNuclearResearch)的這臺大型強(qiáng)子對撞機(jī)，能夠在17英里長的地下隧道里將質(zhì)子加速到4萬億電子伏特的能量，然后讓這些高能質(zhì)子對撞.比利時(shí)與英國科學(xué)家分享2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：Higgsboson是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子納米科技

1959年，美國著名的理論物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德﹒費(fèi)曼（RichardFeynman）《在底部還有很大空間》（“ThereisPlentyofRoomattheBottom.”）的演講中設(shè)想：“如果有朝一日人們能把百科全書存貯在一個(gè)針尖時(shí)，并能移動原子，那么這將給科學(xué)帶來什么！”并且預(yù)言：“至少依我看來，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性?！疑钚牛寒?dāng)人們能操縱細(xì)微物體的排列時(shí)，將可以獲得極其豐富的新的物質(zhì)性質(zhì)?！奔{米技術(shù)概念的提出費(fèi)曼(1918~1988)

R.P.Feynman1965年獲諾獎(jiǎng)納米科技概念的發(fā)展Taniguchi1974年科學(xué)家唐尼古奇(Taniguchi)最早使用納米技術(shù)(Nanotechnology)一詞描述精細(xì)機(jī)械加工;

1977年美國麻省理工學(xué)院德雷克斯勒教授提出,可以從模擬活細(xì)胞的生物分子的人工類似物---分子裝置開始研究,并稱之為納米科技.他70年代末在斯坦福大學(xué)建立第一個(gè)納米科技研究小組。

20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的掃描隧道顯微鏡系列（SPM）極大促進(jìn)了納米科技的發(fā)展。

EricDrexler納米科技的正式誕生1990年7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議在美國巴爾的摩召開。標(biāo)志著納米科技的正式誕生。會上討論了納米電子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米生物學(xué)、納米材料學(xué)等前沿問題，并決定出版三種雜志：《納米結(jié)構(gòu)材料》、《納米生物學(xué)》、《納米技術(shù)》第四屆納米國際會議在北京召開，1996/9/8-12，Nano

IV,Beijing納米科學(xué)納米科學(xué)(Nanoscience):在納米尺度上研究材料的制備及其性質(zhì)、現(xiàn)象的科學(xué)。紅血球1千納米分子及DNA1

納米0.1

納米氫原子碳納米管碳原子整齊排列，形成碳薄片，被卷成圓管形狀的薄片就是納米碳管碳薄片納米碳管卷起碳納米管的性質(zhì)和應(yīng)用單臂納米管為金屬性，鋸齒形、手性碳管部分為金屬，部分為半導(dǎo)體性。重量很輕，比重是鋼鐵的1/6但強(qiáng)度比鋼鐵大100倍以上鋼條鋼條納米碳管具有極好的可彎折性具有極好的可扭曲性天梯——碳納米管繩梯傲立宇宙間，頂天立地的“第二巴別塔”

——太空電梯C60及富勒烯C60具有什么樣的結(jié)構(gòu)呢？金剛石和石墨是具有三維結(jié)構(gòu)的巨型分子，C60和C70是有固定碳原子數(shù)的有限分子，它們應(yīng)該具有不同的結(jié)構(gòu)?？肆_托想起美國建筑師巴克明斯特·富勒BuckminsterFuller為1967年蒙特利爾世博會設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)球主體建筑，由五邊形和六邊形構(gòu)成的圓穹屋頂。富勒曾對克羅托等人啟發(fā)說：“C60分子可能是球形多面體結(jié)構(gòu)”。由于克羅托、科爾、斯莫利三位科學(xué)家在富勒烯研究中的杰出貢獻(xiàn)，他們共同榮獲了1996年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。羅伯特·F.·科爾哈羅德·W.·克羅托理查德·E·斯莫利富勒烯的應(yīng)用導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的能隙為2.3eV，是一種類似于GaAs的直接能隙半導(dǎo)體，禁帶寬度為1.5eV,因此它可能成為繼Si、Ge、GaAs之后的又一種新型半導(dǎo)體材料C60和C70是一種良好的非線性光學(xué)材料合成金剛石的理想原料可能作為儲氫材料或高能燃料。C60F60（特氟隆球）是一種超級耐高溫和耐磨材料，被認(rèn)為是比C60更好的潤滑劑可利用C60內(nèi)部中空來包裹放射性元素，用于治療癌癥和HIV，以減輕放射性物質(zhì)對健康組織的損害納米操控技術(shù)-SMT1982年，IBM瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的葛·賓尼（G．Binning）和?！ち_雷爾（H．Rohrer）研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicro－scope，簡稱STM）.1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金．ThelettertoJiangfromH.Rohrer許多人認(rèn)為納米科技僅僅是遙遠(yuǎn)的未來基礎(chǔ)科學(xué)的事情,而沒有什么實(shí)際意義。但我確信納米科技現(xiàn)在已具有與此同時(shí)150年前微米科技所具有的希望和重要意義。150年前，微米成為新的精確標(biāo)準(zhǔn),并成為工業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ),最早和最好學(xué)會并使用微米技術(shù)的國家都在工業(yè)發(fā)展中占據(jù)了巨大的優(yōu)勢。同樣,未來的技術(shù)將屬于那些明智地接受納米作為新標(biāo)準(zhǔn),并首先學(xué)習(xí)和使用它的國家。我們應(yīng)當(dāng)記?。何⒚准夹g(shù)曾同樣被認(rèn)為對使用牛耕地的農(nóng)民無關(guān)緊要。的確,微米與牛毫無關(guān)系,但它卻改變了耕作方式,帶來了拖拉機(jī)。

---H.Rohrer(IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室)掃描隧道顯微鏡工作原理

電子從一極通過隧道效應(yīng)穿過空間勢壘到另一極，形成隧道電流。電流大小取決于針尖與表面間距及表面電子狀態(tài)。

1990年美國商業(yè)機(jī)器公司借助掃描隧道顯微鏡，在一小片鎳晶體上用35個(gè)氙原子寫出了該公司名稱的縮寫字母“IBM”，中科院化學(xué)所用自制的掃描隧道顯微鏡，在石墨晶體表面刻寫出一幅中國地圖，并寫出“中國”兩個(gè)字。兩幅圖像和文字的線條寬度只有10納米。1993年美國科學(xué)家在低溫下，用STM針尖將48個(gè)鐵原子排成一個(gè)圓環(huán)，并且直接觀察到了電子駐波的圖形而后，又成功地移動鐵原子寫成了兩個(gè)漢字“原子”。GaN-基與ZnO-基半導(dǎo)體GaN-基（AlN、InN）及其三元化合物等，具有寬的直接帶隙(0.7~6.2eV)、高的熱導(dǎo)率與電子遷移率、穩(wěn)定的化學(xué)性（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照能力，在光電子器件、微電子器件、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用等方面有著廣闊的前景ZnO的帶隙約為3.3eV，通過摻入Mg和Cd元素，它的帶隙可連續(xù)的分別向兩邊擴(kuò)展到7.9eV和2.3eV，這完全覆蓋了從紅光到紫光的整個(gè)可見區(qū)域，并延伸到一紫外與深紫外區(qū)域ZnO生物可降解和生物兼容材料HanWQ19