Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 纳米凝聚太导论-2
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jul  9 14:21:12 2003)

发信站: BBS 水木清华站

１．开拓超微结构的领域

　　凝聚态物理学的一些基本理论，如固体能带理论、点阵动力学理论、对称破缺的相


变理论、有序媒质的基态理论、元激发理论、缺陷理论和临界现象理论等，都是对于粒


子数为无限大的体系,才能严格适用。这些理论很有成效,例如，它说明了铜、铝等金属


的导电性；锗、硅及砷化镓等材料的半导体性质;铁、钴、镍及一些稀土金属的铁磁性;


锡、铌等金属与合金的超导电性；钛酸钡、铌酸锂、磷酸二氘钾等晶体的铁电性。当今


，应用能带理论有可能对晶体的特性参量依据第一性原理进行从头计算，结果的准确性


可令人满意。这样的理论计算可以作为进一步发展材料的依据。正因为这方面的理论相


当成熟，要在一些正常金属和元素或化合物半导体中发掘出前所未知的令人诧异的物理


性能，兴趣也就减弱了。要发掘出新的物性，看来要走不同的道路了。著名的理论物理


学家Ｒ．Ｆｅｙｎｍａｎ在１９５９年的一篇报告中明确指出：“毫无疑问，当我们得


以对细微尺度的事物加以操纵的话，将会大大地扩充我们可能获得物性的范围。”这段


话有预见性地概括了２０世纪下半叶发展新材料的主要动向之一，即通过设计和控制材


料在细微尺度上的微结构，从普通的材料中发掘并获得许多意想不到的、崭新的物理性


能。

　　在５０年代，半导体器件都是制备在单晶衬底上外延生长的薄膜层之中，薄膜材料


的重要性业已突出出来了。虽然薄膜的厚度是在微米或微米以上的量级，到５０年代末


，对固体中三明治式夹层超结构中隧道效应的研究，绝缘层的厚度开始进入纳米的量级


。１９５８年，江琦于玲奈在半导体－绝缘层－半导体中发现了隧穿电流，从而发明了


隧道二极管；１９６０年，Ｉ．Ｇｉｅｖｅｒ发现正常金属－绝缘层－超导体的隧道效


应；１９６２年，约瑟夫森从理论上预言了超导体－绝缘层－超导体中电子对的隧道效


应，即约瑟夫森效应，随即得到实验的证实。这些工作对于后来半导体电子学和超导电


子学均产生深远的影响，他们三人合得了1972年的诺贝尔物理奖。

　　1970年，江琦与朱兆祥考虑到量子相干区域的尺度，首先提出了半导体超晶格的概


念。随后利用卓以和发展的分子束外延新技术，张立纲与江琦等制备了能隙高低不同的


半导体多层膜，在实验中实现了量子阱、多量子阱和超晶格，观察到了极其丰富的物理


效应。从基础理论来看，这项研究为半导体物理学打开了新局面，经过多年发展，已经


成为当今半导体物理学的主流;同时在制出新器件上也卓有收获,制出了超快速的场效应


管和高效率的半导体激光器等，它们融物理设计、材料制备与表征和器件发展为一体，


宛然成为当今新材料发展最先进技术的标志。超晶格技术还在不断发展：正统的超晶格


是以Ⅲ—Ⅴ族化合物为主；应变超晶格则扩大了应用材料的范围，诸如Ⅳ族的硅－锗硅


合金的量子阱与超晶格，由于可和硅基的大规模集成电路相匹配而受到重视；Ⅱ—Ⅳ族


的ＺｎＳｅ等具有宽的能隙，以制出发射蓝光的激光器而引入注目。

　　从二维量子阱向更低的维度开拓，到达一维的量子线和零维的量子点，这方面的理


论和实践研究都十分活跃。以相干量子输运现象为主的介观物理（ｍｅｓｏｓｃｏｐｉ


ｃｐｈｙｓｉｃｓ）应运而生，成为当今凝聚态物理学的热点。

　　令人惊奇的多孔硅可见光发射的发现，又将发现硅基材料光电子学器件的课题提到


议事日程上来了。块状的硅是间接能隙材料，只能发射微弱的红外光，因而虽在微电子


学材料中独占鳌头，而在光电子学中一直无立足之地。多孔硅的光发射改变了这一情况


，虽则多孔硅由于结构脆弱，其研究也有起伏，１９９６年底美国演示了在硅片上制成


的电致发光器件列阵的原型，颇引人注目，并在它的指引下，纳米硅基材料的光电子学


研究方兴未艾。

　　电子不仅有电荷，还有自旋，与电子自旋有关的输运现象成为磁电子学这一新兴学


科的基础。半导体超晶格的周期要求小于电子的平均自由程，因而局限于几十纳米的量


级；而磁性交互相互作用的范围不过几个纳米，因而相应多层膜的周期就要更短。１９


７０年，科学家开始进行与自旋有关的隧道效应的实验。１９７５年，Ｊｕｌｌｉｅｒ


ｅ在Ｆｅ－Ｇｅ－Ｃｏ的夹层膜中观察隧穿电流随外加磁场的变化率可达１４％。这一


结果开了磁电子学的先河，但在当时未受到重视。1986年，Ｇｒｕｎｂｅｒｇ在Ｆｅ－


Ｃｒ－Ｆｅ夹层结构中发现，当Ｃｒ层厚度恰当，Ｆｅ层的自旋中反平行排列。１９８


８年，Ｂａｉｂｉｃｈ等发现在反平行耦合的Ｆｅ－Ｃｒ多层膜中，加磁场引起的电阻


的变化率ΔＲ／Ｒ达到６０％。过去一般材料中磁电阻的变化量级仅为１％—２％，因


而这种异常的磁电阻效应被称为巨（ｇｉａｎｔ）磁电阻。这一发现引起了学术界和技


术界的广泛重视，揭开了富有应用前景的磁电子学的序幕。１９９２年，两个研究组同


时发现在颗粒膜中也存在巨磁阻效应。美国ＩＢＭ公司的Ａｌｍａｄｅｎ实验室利用磁


电阻器件作为磁储盘的读出磁头，存储量提高了１７倍之多。巨磁电阻元件也可能用作


为磁随机存储器、磁传感元件等，表明磁电子学的应用亦大有可为。

　　上述的一些研究，其基本路线在于从大到小，从大块物质出发,逐步削减其尺寸,过


渡到多层膜、超晶格和量子阱，进而发展量子线与量子点，这是凝聚态物理学家所熟悉


的思路。但亦可以反其道而行之，即从小到大，将原子汇聚成分子或团簇（ｃｌｕｓｔ


ｅｒｓ），再将它们聚集成为块状的物体，这正好是化学家所熟悉的思路。在８０年代


，处于大块凝聚态物质和单个原子之间的原子团簇受到了重视。实验科学家采用了多种


方法，如蒸发和超喷注、激光蒸发等，制备了一系列团簇，原子数从几个到几千。质谱


分析表明，团簇的丰度具有一系列幻数（ｍａｇｉｃｎｕｍｂｅｒ），对应于特别稳定


的团簇结构。在金属中，幻数对应于电子壳层填满的情况；而在惰性元素中，团簇的幻


数可归结为几何壳层的效应，特别有意义的是在共价键的碳团簇中，发现了丰度特高的


幻数６０．Ｋｒｏｔｏ和Ｓｍａｌｌｅｙ认为，价键完全饱和的６０个碳原子分布于一


个截顶二十面体的顶角上,像一个足球状的分子,即Ｃ６０，被称为巴基球或富勒烯,这?

?
发现于1996年被授予了诺贝尔化学奖。随后科学家又利用在氦气氛中石墨电极的电弧放


电法，制备了大量的Ｃ６０,有的形成了固体,引起了科学界的轰动。Ｃ６０分子可以衍


生出许多化合物，有人推测它对有机化学的意义可能不亚于苯环的发现。掺碱金属的Ｃ


６０固体具有超导性，Ｔｃ达到30K的水平，是除氧化物超导体以外,Ｔｃ最高的材料。


Ｃ６０是团簇组装材料的一个特例，其特点在于有序度非常高。８０年代初,Ｇｌｅｉｔ


ｅｒ利用金属在超高真空中蒸发后冷凝,再原位压结，获得别一种不规则的三维团簇组

装材料，被称为纳米结构材料。其晶粒尺寸、形状和取向均不一致，而晶界上的原子数


达到原子总数的５０％,观测到了异常的性能,包括力学性能。其他的方法，如非晶晶化


、机械合金化，乃至改进传统的陶瓷工艺也可以制备这类材料，利用这种纳米结构材料


来获得轫性陶瓷也是颇有前景的。人们也许要问，除Ｃ６０外,是否还有其他的有序的

团簇组装材料？这是一个很有挑战性问题。通过一些理论计算，得出了一些设想的稳定


团簇,如何制备大量的单一尺寸的这类团簇，再组装起来,是一个很值得花力气来解决的


实验技术问题。值得注意，近年来利用化学自组装的方法制备了量子点列阵，表明化学


家与物理学家的携手合作可以取得优异的成果。

　　如果说半导体技术中体块材料向薄膜材料的过渡在５０年代就已经完成了，而铁电


、压电材料和非线性光学材料，这一过渡则尚在进行之中，集成光学和集成铁电学的发


展指明了这一趋向。相应地这类材料通过微结构设计来获得优异性能也就提到议事日程


上来了。早在１９８０年，我国科学家就利用铌酸锂规则的畴结构来取得激光倍频增强

效应，实现了非线性光学晶体的准位相匹配。近年来这一领域已经成了国际上的热门领


域，这类微米尺度的微结构设计也在高频超声换能、电光效应等领域发挥作用。

--
╔═══════════════════╗
║★★★★★友谊第一  比赛第二★★★★★║
╚═══════════════════╝

※ 来源:．哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn [FROM: 202.118.229.86]