物理学与人类文明(多媒体课件)6.

物理学人明类文叶高翔2014年秋第三章：量子力学应用举例电周期振荡晶体压电效应电致伸缩效应......V●晶体管晶体(crystal):原子按某一规律周期性排列中国“山东常林”钻石(diamond)红宝石(Ruby)三氧化二铝（Al2O3）晶体，因含微量元素铬(Cr3+)而成红至粉红色。蓝宝石(Sapphire)三氧化二铝（Al2O3）晶体，因含微量元素钛（Ti4+）或铁（Fe2+）而呈藍色。水晶(Rockcrystal)无色透明二氧化硅(SiO2)晶体Singlecrystalsilicondisks半导体：导电能力介于导体（如金、银、铜等）和绝缘体(如陶瓷、橡胶、塑料等）之间的物质。硅Si锗Ge:28428184原子核对最外层4个电子的束缚，不象金属那样松（电子气），也不象绝缘体那样紧（满壳层）半导体能量导体绝缘体半导体能隙能带理论RT阻–温特性半导体金属纯净硅或锗中掺入少量三价硼元素(p型半导体）或五价磷元素（n型半导体）半导体电阻率急剧下降电阻（Ω）103102101100101410161018掺杂量（cm2）（1）p-n结（晶体二极管）结构：pnp-n结符号：p-n结的单向导电特性(热敏、光敏、电光等)：电流I电压U例：Josephson结GMR（巨磁电阻）表面物理（2）p–n–p或n–p–n型三极管npnpnp结构：ececbbe—发射极；b—基极；c—集电极符号：ccbbee三极管放大示意图R1电源R2集成电路芯片微观结构小型化极限:10-7米●介观物理学(mesoscopiephysics)纳米及分子电子学(nano-science）介观或纳米系统:尺寸约10-7—10-9米（可人工制备）1.原理:当物理系统(或元器件)的尺寸接近电子波长时，电子的波动性开始显现，此时的电子具有干涉、衍射、相位记忆、自旋取向等特征，从而导致明显的量子效应。Bi电子波永不消失：ph例:介观环2.制备●雕刻采用激光雕刻的单细胞公牛栩栩如生,长度仅10微米!(日本大板大学)柯尔(R.F.Carl)美国人、斯莫利(R.E.Smalley)美国人、克鲁托（H.W.Kroto)英国人，因发现碳元素的第三种存在形式—C60(又称“富勒烯”“巴基球”）而获1996年诺贝尔化学奖.●自然形成瑞典皇家科学院10月5日宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。新华网安德烈-盖姆康斯坦丁-诺沃肖洛夫碳60、碳管、石墨烯、石墨2010年10月11日飯島（SumioIijima）教授访问浙大R.Q.Hwang等Phys.Rev.Lett.67,3279(1991)(德国慕尼黑大学)Au原子凝聚体H.Röderetal.,Nature366(11),141(1993)(Switzerland)Ag原子凝聚成介观体系;Cu原子凝聚成原子线.73×57μm银原子在液体表面凝聚成了特征介观系统!PhysicalReviewLetters81,622(1998)(浙江大学)0,02,0x1034,0x1036,0x1038,0x1030,010,1SlopeOf=1.7x10-4+0.1x10-4s-1(centralarea)clusterdensity(m-2)diffusiontime(s)0,04,0x1038,0x1031,2x1040,010,1SlopeOf=1.1x10-4+0.1x10-4s-1(nearthesampleedge)clusterdensity(m-2)n=n0exp(-Oft)Agclusterdensityndecaysexponentiallywithtimetonachargedoilsurface!Of≈叶NucleationandGrowthofMolecularOrganicCrystalsinaLiquidFilmunderVaporDepositionM.Voigtetal.,PRL91,026103(2003)(德国玻恩大学)(fromCanadaandUSA)生长在硅油上的金属薄膜表面形貌犹如一幅幅艺术画,美不胜收!画中所包含的物理规律深刻而玄妙!PhysicsLettersA318(2003)457－462Fefilm/oil95μm×65μmnominalfilmthicknessd=35nmNi/oil1.0μm×1.0μmnominalfilmthicknessd=0.4–8.0nmChinesePhysicsLetters25(09),3338(2008)Ni/oil1.0μm×1.0μmnominalfilmthicknessd=0.4–8.0nmChinesePhysicsLetters25(09),3338(2008)PhysicsLettersA371(2007)160–164AFMimagesofthedownsurfaceofanAufilmonoilsurfacef=0.05nms−1,d=100nm,t=1h.(a,b,c)TheAFMimageswithdifferentresolutions;(d)thesizedistributionofthegrainsonthesurface.PhysicalReviewLetters81(3),622(1998)Gao-XiangYeetal.Ag/oil73μm×57μmnominalfilmthicknessd=0.15nmPhysicalReviewB63(2001)125405Gao-XiangYeetal.Au/meltingglass170μm×140μmnominalfilmthicknessd=10–50nmImagesize:84×64μm2PhysicalReviewLetters81(3),622(1998)Gao-XiangYeetal.Ag/oil73μm×57μmnominalfilmthicknessd=0.15nmNifilm/oil1440μm×1065μmnominalfilmthicknessd=55nmPhysicsLettersA312(2003)119–122PhysicalReviewB54(20),14754(1996)Gao-XiangYeetal.Agfilm/oil15μm×18μmPhysicalReviewB54(20),14754(1996)Gao-XiangYeetal.Agfilm/oil90μm×60μmAgfilm/oil12μm×16μmPhysicalReviewB54(20),14754(1996)Gao-XiangYeetal.PhysicsLettersA318(2003)457－462Fefilm/oil85μm×65μmnominalfilmthicknessd=35nmPhysicsLettersA318(2003)457－462Fefilm/oil35μm×25μmnominalfilmthicknessd=15–50nmPhysicsLettersA318(2003)457－462Fefilm/oil145μm×105μmnominalfilmthicknessd=20nmChinesePhysicsLetters20(7),1109(2003)物理34(5)，362(2005)Fefilm/oil145μm×105μmnominalfilmthicknessd=15–50nmPhysicsLettersA318(2003)457－462Fefilm/oil145μm×105μmnominalfilmthicknessd=15–50nmPhysicsLettersA318(2003)457－462Fefilm/oil145μm×105μmnominalfilmthicknessd=15–50nmAlfilm/oil130μm×100μmnominalfilmthicknessd=8–50nmPhysicalReviewB68(2003)193403(1-4)物理学报54(2005)302PhysicsLettersA341(2005)516Aufilm/oil725μm×515μm可以出大成果，也可以出小成果，但一定要出真成果！浙江大学液面镀膜实验室十分简陋!该实验室在玉泉校区教十二332室,欢迎光临!例:扫描隧道显微镜（STM,B.BinnigandH.Rohrer）原理：针尖与基底之间的量子隧道电流压电晶体扫描架針尖基底隧道电流3.原子操作及测量(STM,TEM,激光原子冷却等)硅晶体表面结构的STM照片(IBM公司首先获得)石墨烯的STM照片在镍晶体(110)表面用STM针尖操作氙原子,形成IBM三个“原子字母”!(IBM)用STM针尖操作一氧化碳分子,绘出世界上最小的一幅画:IBM分子人!(IBM)纳米及分子电子学时代即将到来!讨论题：（1）讨论“条件好坏”与“成就大小”之间的辩证关系。（2）试讨论“模仿”的合理性与“被模仿”的责任感。