计算机测试工具

1、扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981年由格尔德宾宁（GBinning）及海因里希罗雷尔（HRohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖4。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表

2、面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一24。 编辑本段基本结构隧道针尖隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率，从而可以减少相位滞后，提高采集速度。如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针尖表面若有氧化层，则其

3、电阻可能会高于隧道间隙的阻值，从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞2。目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂- 铱合金丝等。钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。而铂- 铱合金针尖则多用机械成型法，一般 直接用剪刀剪切 而成。不论哪一种针尖，其表面往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常是造成隧道电流不稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的原因。因此，每次实验前，都要对针尖进行处理，一般用化学法清洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性2。三维扫描控制器由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制

4、是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。压电陶瓷利用了压电现象。所谓的压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅Pb(Ti,Zr)O3(简称PZT)和钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移2。用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有以下几种三脚架型，由三根独立的长棱柱型压电陶瓷材料以相互正交的方向结合在一起，针尖放在三脚架的顶端，三条腿独立地伸展与收缩

5、，使针尖沿x-y-z三个方向运动。单管型，陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份，内壁为一整体电极，在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩(由电压的正负和压电陶瓷的极化方向决定)，导致陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲。通过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可以实现在x-y方向的相互垂直移动。在z方向的运动是通过在管子内壁电极施加电压使管子整体收缩实现的。管子外壁的另外两个电极可同时施加相反符号的电压使管子一侧膨胀，相对的另一侧收缩，增加扫描范围，亦可以加上直流偏置电压，用于调节扫描区域。十字架配合单管型，z方向的运动由处在“十”字型中心的一个压电陶瓷管完成，x和y扫描电压以大小相同

6、、符号相反的方式分别加在一对x、-x和y、-y上。这种结构的x-y扫描单元是一种互补结构，可以在一定程度上补偿热漂移的影响。除了使用压电陶瓷，还有一些三维扫描控制器使用螺杆、簧片、电机等进行机械调控。减震系统由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于1nm，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影响。必须隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主要的。隔绝震动主要从考虑外界震动的频率与仪器的固有频率入手2。电子学控制系统扫描隧道显微镜是一个纳米级的随动系统，因此，电子学控制系统也是一个重要的部分。扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样

7、品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电流，在恒电流模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系统控制探针的进与退，从而保持隧道电流的稳定。所有这些功能，都是通过电子学控制系统来实现的。图1给出了扫描隧道显微镜电子学控制控制系统的框图2。在线扫描控制和离线数据处理软件在扫描隧道显微镜的软件控制系统中，计算机软件所起的作用主要分为“在线扫描控制”和“离线数据分析”两部分。在线扫描控制参数设置功能在扫描隧道显微镜实验中，计算机软件主要实现扫描时的一些基本参数的设定、调节，以及获得、显示并记录扫描所得数据图象等。计算机软件将通过计算机接口实现与电子设备间的协调共同工作。在线扫描控制中一些参数的设置功

8、能如下：“电流设定”的数值意味着恒电流模式中要保持的恒定电流，也代表着恒电流扫描过程中针尖与样品表面之间的恒定距离。该数值设定越大，这一恒定距离也越小。测量时“电流设定”一般在“” 范围内。“针尖偏压”是指加在针尖和样品之间、用于产生隧道电流的电压真实值。这一数值设定越大，针尖和样品之间越容易产生隧道电流，恒电流模式中保持的恒定距离越小，恒高度扫描模式中产生的隧道电流也越大。“针尖偏压”值一般设定在“50-100mV”范围左右。“Z电压”是指加在三维扫描控制器中压电陶瓷材料上的真实电压。Z电压的初始值决定了压电陶瓷的初始状态，随着扫描的进行，这一数值要发生变化。“Z电压”在探针远离样品时的初始

9、值一般设定在“-150.0mV -200.0mV”左右。“采集目标”包括“高度”和“隧道电流”两个选项，选择扫描时采集的是样品表面高度变化的信息还是隧道电流变化的信息。“输出方式”决定了将采集到的数据显示成为图象还是显示成为曲线。“扫描速度”可以控制探针扫描时的延迟时间，该值越小，扫描越快。“角度走向”是指探针水平移动的偏转方向，改变角度的数值，会使扫描得到的图象发生旋转。“尺寸”是设置探针扫描区域的大小，其调节的最大值有量程决定。尺寸越小，扫描的精度也越高，改变尺寸的数值可以产生扫描图象的放大与缩小的作用。“中心偏移”是指扫描的起始位置与样品和针尖刚放好时的偏移距离，改变中心偏移的数值能使针

10、尖发生微小尺度的偏移。中心偏移的最大偏移量是当前量程决定的最大尺寸。“工作模式”决定扫描模式是恒电流模式还是恒高度模式。“斜面校正”是指探针沿着倾斜的样品表面扫描时所做的软件校正。“往复扫描”决定是否进行来回往复扫描。“量程”是设置扫描时的探测精度和最大扫描尺寸的大小。这些参数的设置除了利用在线扫描软件外，利用电子系统中的电子控制箱上的旋钮也可以设置和调节这些参数2。马达控制当使用软件控制马达使针尖逼近样品时，首先要确保电动马达控制器的红色按钮处于弹起状态，否则探头部分只受电子学控制系统控制，计算机软件对马达的控制不起作用。马达控制软件将控制电动马达以一个微小的步长转动，使针尖缓慢靠近样品，直

11、到进入隧道区为止。马达控制的操作方式为：“马达控制”选择“进”，点击“连续”按钮进行连续逼近，当检测到的隧道电流达到一定数值后，计算机会进行警告提示，并自动停止逼近，此时单击“单步”按钮，直到“Z电压”的数值接近零时停止逼近，完成马达控制操作2。离线数据分析离线数据分析是指脱离扫描过程之后的针对保存下来的图象数据的各种分析与处理工作。常用的图象分析与处理功能有：平滑、滤波、傅立叶变换、图象反转、数据统计、三维生成等。平滑，平滑的主要作用是使图象中的高低变化趋于平缓，消除数据点发生突变的情况。滤波，滤波的基本作用是可将一系列数据中过高的削低、过低的添平。因此，对于测量过程中由于针尖抖动或其它扰动

12、给图象带来的很多毛刺，采用滤波的方式可以大大消除。傅立叶变换，快速傅立叶变换对于研究原子图象的周期性时很有效。图象反转，将图象进行黑白反转，会带来意想不到的视觉效果。数据统计，用统计学的方式对图象数据进行统计分析。三维生成，根据扫描所得的表面型貌的二维图象，生成直观美丽的三维图象。大多数的软件中还提供很多其它功能，综合运用各种数据处理手段，最终得到自己满意的图象2。 编辑本段工作方式用扫描隧道显微镜拍摄到的图像恒电流模式利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流 I 不变，针尖与样品表面

13、之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛13。恒高度模式STM工作原理在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。 从STM的工作原理可以看到：STM工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流

14、获取显微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名“扫描隧道显微镜”的原因13。 编辑本段具体应用扫描STM工作时，探针将充分接近样品产生一高度空间限制的电子束，因此在成像工作时，STM具有极高的空间分辩率，可以进行科学观测1。探伤及修补STM在对表面进行加工处理的过程中可实时对表面形貌进行成像，用来发现表面各种结构上的缺陷和损伤，并用表面淀积和刻蚀等方法建立或切断连线，以消除缺陷，达到修补的目的，然后还可用STM进行成像以检查修补结果的好坏1。 微观操作引发化学反应STM在场发射模式时，针尖与样品仍相当接近，此时用不很高的外加电压（最低可到10V左右）就可产生足够高的电场，电子在其作用下将穿越针尖

15、的势垒向空间发射。这些电子具有一定的束流和能量，由于它们在空间运动的距离极小，至样品处来不及发散，故束径很小，一般为毫微米量级，所以可能在毫微米尺度上引起化学键断裂，发生化学反应13。 用STM移动氙原子排出的“IBM”图案移动，刻写样品当STM在恒流状态下工作时，突然缩短针尖与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上加一脉冲，针尖下样品表面微区中将会出现毫微米级的坑、丘等结构上的变化。针尖进行刻写操作后一般并未损坏，仍可用它对表面原子进行成像，以实时检验刻写结果的好坏1。移动针尖进行刻写的办法主要有两种在反馈电路正常工作时，通过调节参考电流或偏置电压的大小来调节针尖与样品间的接触电阻，达到控制针

16、尖移动的目的。当加大参考电流或减小偏压时为保证恒流工作，反馈将控制针尖移向样品，从而减小接触电阻。当STM处于隧道状态时，固定反馈线路的输出信号，关闭反馈，然后通过改变控制Z向运动的压电陶瓷上所加电压的大小来改变针尖与样品的间距，这种方法较前者能够更线性地控制隧道结宽度的变化，相对来说是较为理想的办法。刻写的结果与针尖的清洁程度有密切关系。已经污染的针尖接触表面后将产生一小坑；未使用过的清洁的针尖接触表面则产生一小丘。清洁针尖在表面上产生小丘的原因是由于它与表面有粘接现象，此时若想使针尖与样品的间距恢复到与表面接触前的情况，针尖必须退回更多，这从另一个角度说明针尖的粘接已使表面产生一凸起部分。

17、针尖的污染将会阻止它对表面的粘接，故使用过的针尖接触表面后将会刻出一个小坑，坑的周围还会有原先在坑内的原子翻出堆成的凸起边缘12。室温下在Au及Ag等金属表面上刻写出的微细结构在室温下总是不稳定的，由于金属原子的扩散，这些结构最多在几小时内就会模糊以至消失。在其他材料如Si(110)、Si(100)等表面上运用STM刻出稳定的结构却是可能的。刻写时，针尖向样品移进2nm时，小坑深（从边缘算起）0.7nm。在室温条件下及超高真空中，这些图形具有高稳定性，经很长时间后亦不发生变化1。STM可在金属玻璃上进行刻写操作，小丘的大小随偏压的增加而增加。产生小丘的原因通常认为是由于高电流密度引起了衬底的局

18、部熔化，这些熔化物质在针尖负偏压产生的静电场作用下，会形成一突起的泰勒锥，电流去掉后，这个锥立即冷却下来，在表面上形成一小丘并不是所有的表面都可如此形成小丘的。衬底的熔点决定了局部熔化时所需的热量；对于点源电子束，衬底实际获取热量不仅与电流密度有关，还取决于电子在其中的平均自由程及所用衬底的热传导系数；对于无序的金属化玻璃Rh25Zr75，由于电子在其中的平均自由程较晶体及多晶金属小一百倍，且熔点不是非常高，为1340K，因此电子束入射时其获取热量较多，相对较易被熔化，故容易在其上如此形成小丘1。 编辑本段优越性与其他表面分析技术相比，STM具有如下独特的优点具有原子级高分辨率，STM 在平行

19、于样品表面方向上的分辨率分别可达 0.1 nm 和 0.01 nm，即可以分辨出单个原子。可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超一身地创、电

20、化学反应过程中电极表面变化的监测等。 配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度。表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础2。 编辑本段局限性尽管STM有着EM、FIM等仪器所不能比拟的诸多优点，但由于仪器本身的工作方式所造成的局限性也是显而易见的。这主要表现在以下两个方面STM的恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子

21、之间的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得尤为重要35。STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。宾尼等人1986年研制成功的AFM可以弥补STM这方面的不足5。此外，在目前常用的（包括商品）STM仪器中，一般都没有配备FIM，因而针尖形状的不确定性往往会对仪器的分辨率和图象的认证与解释带来许多不确定因素35。扫描探针显微镜扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜及

22、在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，是国际上近年发展起来的表面分析仪器，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。扫描探针显微镜以其分辨率极高（原子级分辨率）、实时、实空间、原位成像，对样品无特殊要求（不受其导电性、干燥度、形状、硬度、纯度等限制）、可在大气、常温环境甚至是溶液中成像、同时具备纳米操纵及加工功能、系统及配套相对简单、廉价等优点，广泛应

23、用于纳米科技、材料科学、物理、化学和生命科学等领域，并取得许多重要成果。SPM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有着其明显的优势：首先，SPM具有极高的分辨率。它可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。其次，SPM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图像。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。也就是说，SPM是真正看到了原子。再次，SPM的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。而SPM既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。因此SPM

24、适用于各种工作环境下的科学实验。SPM的应用领域是宽广的。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。SPM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。任何事物都不是十全十美的一样，SPM也有令人遗憾的地方。由于其工作原理是控制具有一定质量的探针进行扫描成像，因此扫描速度受到限制， 测效率较其他显微技术低；由于压电效应在保证定位精度前提下运动范围很小（目前难以突破100m量级），而机械调节精度又无法与之衔接，故不能做到象电子显微镜的大范围连续变焦，定位和寻找特征结构比较困难；目前扫描探针显微镜中最为广泛使用管状压电扫描器的垂直方向伸缩范围比平面扫描范围

25、一般要小一个数量级，扫描时扫描器随样品表面起伏而伸缩，如果被测样品表面的起伏超出了扫描器的伸缩范围，则会导致系统无法正常甚至损坏探针。因此，扫描探针显微镜对样品表面的粗糙度有较高的要求；由于系统是通过检测探针对样品进行扫描时的运动轨迹来推知其表面形貌，因此，探针的几何宽度、曲率半径及各向异性都会引起成像的失真（采用探针重建可以部分克服)原子探针编辑词条目录 原子探针-简介 原子探针-结构特点 原子探针-基本原理 原子探针-组成部分 原子探针-功能 原子探针-技术特色 原子探针-选购 参考资料利用原子探针可以对不同元素的原子逐个进行分析，并给出纳米空间中不同元素原子的三维分布图形，分辨率接近原

26、原子探针子尺度的优越性能，对含铌轿车横梁钢中的碳氮化物进行分析，结果表明，铌微合金化钢中存在尺寸为几个纳米大小的铌碳氮化物析出物，析出物呈薄片状，同时，铌碳氮化物在铁索体中析出是随机的。原子探针-简介编辑本段原子探针是一种定量显微分析仪器,通过对不同元素的原子逐个进行分析,可绘出金属样品中不同元素的原子在纳米空间中的分布图形。从分析逐个原子来了解物质微区化学成分的不均匀性,原子探针是一种不可替代的分析方法。原子探针-结构特点编辑本段原子探针原子探针利用约1Pm的细焦原子束，在样品表层微区内激发元素的特征X射线，根据特征X射线的波长和强度，进行微区化学成分定性或定量分析。原子探针的光学系统、真空

27、系统等部分与扫描电镜基本相同，通常也配有二次电子和背散射电子信号检测器，同时兼有组织形貌和微区成分分析两方面的功能。原子探针的构成除了与扫描电镜结构相似的主机系统以外，还主要包括分光系统、检测系统等部分。原子探针-基本原理编辑本段原子探针是应用场蒸发原理制成的。在超高真空及液氮冷却试样条件下，在针尖试样上施加足够的正高压，试样表面原子开始形成离子并离开针尖表面。这称为场燕发。有两种物理模型(镜象势垒和电荷交换模型)描述场蒸发过程，认为针尖试样表面在电场(F)作用下使原子获得活化能(Q)，克服金属表面势垒而离开表面。这时离子便在无场管道中飞向探测器。测量离子的飞行时间以鉴别其化学成分便构成了飞行

28、时间质谱计。这是原子探针的基础。原子探针-组成部分编辑本段原子探针分析图（1）带针尖的力敏感元件；（2）力敏感元件运动检测装置；（3）监控力敏感元件运动的反馈回路；（4）扫描系统（一般使用压电陶瓷），其作用是使样品进行扫描运动；（5）图象采集及显示；（6）图象处理系统。其中关键的是前两部分。原子探针-功能编辑本段原子探针示意图原子探针是对不同元素的原子逐个进行分析的一种技术，并给出纳米空间中不同元素原子的分布图形，能够进行定量分析，是目前最微观，并且分析精度较高的一种分析技术。从分析逐个原子来了解物质微区化学成分的不均匀性，是原子探针一种不可替代的分析方法。可直接观察Cottrell 气团；分

29、析界面处原子偏聚；研究弥散相的析出过程；研究非晶晶化时的原子扩散和晶体成核过程；分析各种合金元素在纳米晶材料不同相及界面上分布。原子探针-技术特色编辑本段原子探针是在场离子显微镜(FIM)基础上发展起来的一种分析技术，在FIM样品尖端叠加脉冲电压使原子电离并蒸发，原子探针工作图用飞行时间质谱仪测定离子的质量/电荷比来确定该离子的种类，用位置敏感探头确定原子的位置。它可以对不同元素的原子逐个进行分析，并给出纳米空间中不同元素原子的分布图形，能够进行定量分析，是目前最微观，并且分析精度较高的一种分析技术。从分析逐个原子来了解物质微区化学成分的不均匀性，原子探针是一种不可替代的分析方法。3DAP可以

30、直接观察到Cottrell 气团；分析界面处原子的偏聚；研究弥散相的析出过程，非晶晶化时原子扩散和晶体成核过程；分析各种合金元素在纳米晶材料不同相及界面上的分布等。透射电子显微镜在光学显微镜下无法看清小于0.2µm的细微结构，这些结构称为亚显微结构（submicroscopic structures）或超微结构（ultramicroscopic structures；ultrastructures）。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜（transmission electron microsco

31、pe，TEM），电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成，如果细分的话：主体部分是电子透镜和显像记录系统，由置于真空中的电子枪、聚光镜、物样室、 物

32、镜、衍射镜、中间镜、 投影镜、荧光屏和照相机。电子显微镜是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。 高速的电子的波长比可见光的波长短（波粒二象性），而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制，因此电子显微镜的分辨率（约0.1纳米）远高于光学显微镜的分辨率（约200纳米）。居里点居里点the Curie temperature居里点也称居里温度或磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相2的相变温度。也可以说是发生二级相变的转变温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围

33、磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。19世纪末，著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫“居里点1”。在地球上，岩石在成岩过程中受到地磁场的磁化作用，获得微弱磁性，并且被磁化的岩石的磁场与地磁场是一致的。这就是说，无论地磁场怎样改换方向，只要它的温度不高于“居里点”，岩石的磁性是不会改变的。根据这个道理，只要测出岩石的磁性，自然能推测出当时的地磁方向。这就是在地学研究中人们常说的化石磁性。在此基础之上，科学家利用化石磁性的原理，研究地球演化历史的地磁场变化规律，这就是古地磁说。为了寻找大陆漂移说

34、的新证据，科学家把古地磁学引入海洋地质领域，并取得令人鼓舞的成绩。第二次世界大战之后，科学家使用高灵敏度的磁力探测仪，在大西洋洋中脊上的海面进行古地磁调查。之后，人们又使用磁力仪等仪器，以密集测线方式对太平洋进行古地磁测量。两次调查的资料使人们惊奇地发现，在大洋底部存在着等磁力线条带，而且呈南北向平行于大洋洋中脊中轴线的两侧，磁性正负相间。每条磁力线条带长约数百千米，宽度在数十千米至上百千米之间不等。海底磁性条带的发现，成为本世纪地学研究的一大奇迹。1963年，英国剑桥大学的一位年轻学者F.J.瓦因和他的老师D.H.马修斯提出，如果“海底扩张”曾经发生过，那么，大洋中脊上涌的熔岩，当它凝固后应

35、当保留当时地球磁场的磁化方向。就是说在洋脊两侧的海底应该有磁化情况相同的磁性条带存在。当地球磁场发生反转时，磁性条带的极性也应该发生反转，磁性条带的宽度可以作为两次反转时间的度量标准。这个大胆的假说，很快被证实了，人们在太平洋、大西洋、印度洋都找到了同样对称的磁性条带。不仅如此，科学家还计算出在7600万年中，地球曾发生过171次反转现象。研究还发现，地球磁场两次反转之间的时间最长周期约为300万年，最短的周期约为5万年，两次反转的平均周期约为4248万年。目前，地球的磁场方向己保留70万年了，所以，人们预感到一个新的磁场变化可能正在向我们靠近。对于海底磁性条带的研究仍在继续之中，许多问题仍找

36、不到令人满意的答案。例如，对于地球磁场为什么要来回反转这个最基本的问题，就无法解释清楚。尽管科学家们提出过种种假说，但其真正的原因还是不清楚的。也就是说，地球发生磁场转向的内在规律之谜，有待于科学家们去继续探索。量子点量子点(quantum dot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应(quantum confinement effect)特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，因此量子

37、点又被称为人造原子(artificial atom)。科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点，并预期这种纳米材料在二十一世纪的纳米电子学(nanoelectronics)上有极大的应用潜力。量子点（英语：Quantum Dot）是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。这种约束可以归结于静电势（由外部的电极，掺杂，应变，杂质产生），两种不同半导体材料的界面（例如：在自组量子点中），半导体的表面（例如：半导体纳米晶体），或者以上三者的结合。量子点具有分离的量子化的能谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。一个量子点具有少量的（1-100个）整

38、数个的电子、空穴或空穴电子对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。小的量子点,例如胶状半导体纳米晶,可以小到只有2到10个纳米,这相当于10到50个原子的直径的尺寸,在一个量子点体积中可以包含100到100,000个这样的原子.自组装量子点的典型尺寸在10到50 纳米之间。通过光刻成型的门电极 或者刻蚀半导体异质结中的二维电子气形成的量子点横向尺寸可以超过100纳米。将10纳米尺寸的三百万个量子点首尾 相接排列起来可以达到人类拇指的宽度。量子点，又可称为纳米晶，是一种由IIVI族或IIIV族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于110nm之间，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子

39、特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。基于量子效应，量子点在太阳能电池，发光器件，光学生物标记等领域具有广泛的应用前景。纳米线目录隐藏纳米线纳米线的物理性质纳米线的制备纳米线的导电性纳米线的力学性质纳米线的用途编辑本段纳米线是一种纳米尺度(109 米)的线。 换一种说法，纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维结构。这种尺度上，量子力学效应很重要,因此也被称作量子线。根据组成材料的不同，纳米线可分为不同的类型，包括金属纳米线（如：Ni，Pt，Au等），半导体纳米线（如：InP，Si，GaN 等）和绝缘体纳米线（如：SiO2，TiO2等）。分子纳米线由重复

40、的分子元组成，可以是有机的（如：DNA）或者是无机的（如：Mo6S9-xIx）。作为纳米技术的一个重要组成部分，纳米线可以被用来制作超小电路。典型的纳米线的纵横比在1000以上,因此它们通常被称为一维材料。纳米线具有许多在大块或三维物体中没有发现的有趣的性质。这是因为电子在纳米线中在横向受到量子束缚，能级不连续。这种量子束缚的特性在一些纳米线中（比如碳纳米管）表现为非连续的电阻值。这种分立值是由纳米尺度下量子效应对通过纳米线电子数的限制引起的。这些孤立值通常被称为电阻的量子化.在电子，光电子和纳电子机械器械中，纳米线有可能起到很重要的作用。它同时还可以作为合成物中的添加物、量子器械中的连线、场

41、发射器和生物分子纳米感应器， 编辑本段纳米线的物理性质纳米线的制备当前，纳米线均在实验室中生产，尚未在自然界中发现。纳米线可以被悬置法，沉积法或者由元素合成法制得。悬置纳米线指纳米线在真空条件下末端被固定。悬置纳米线可以通过对粗线的化学刻蚀得来，也可以用高能粒子(原子或分子)轰击粗线产生。沉积纳米线指纳米线被沉积在其他物质的表面上：例如它可以是一条覆盖在绝缘体表面上的金属原子线.另一种方式产生纳米线是通过STM的尖端来刻处于熔点附近的金属。这种方法可以形象地比作用叉子在披萨饼上的奶酪上划线。一种常用的技术是VLS合成法（Vapor-Liquid-Solid）。这种技术采用激光融化的粒子或者一种

42、原料气硅烷作源（材料),然后把源(材料)暴露在一种催化剂中。对纳米线来说，最好的催化材料是液体金属（比如金）的纳米簇。它可以被以胶质的形式购买，然后被沉积在基质上或通过去湿法从薄膜上自我组装。源（材料）进入到这些纳米簇中并充盈其中。一旦达到了超饱和，源（材料）将固化，并从纳米簇上向外生长。最终产品的长度可由源材料的供应时间来控制。具有交替原子的超级网格结构的化合物纳米线可以通过在生长过程中交替源（材料）供应来实现。 编辑本段纳米线的导电性纳米线的导电性预期将大大小于大块材料。这主要是由以下原因引起的。第一，当线宽小于大块材料自由电子平均自由程的时候，载流子在边界上的散射现象将会显现。例如，铜的

43、平均自由程为40nm。对于宽度小于40nm的铜纳米线来说，平均自由程将缩短为线宽。同时，因为尺度的原因，纳米线还会体现其他特殊性质。在碳纳米管中，电子的运动遵循弹道输运（意味着电子可以自由的从一个电极穿行到另一个）的原则。而在纳米线中，电阻率受到边界效应的严重影响。这些边界效应来自于纳米线表面的原子，这些原子并没有像那些在大块材料中的那些原子一样被充分键合。这些没有被键合的原子通常是纳米线中缺陷的来源，使纳米线的导电能力低于整体材料。随着纳米线尺寸的减小，表面原子的数目相对整体原子的数目增多，因而边界效应更加明显。更进一步，电导率会经历能量的量子化：例如，通过纳米线的电子能量只会具有有离散值乘

44、以朗道常数G = 2e2 / h （这里 e是电子电量，h是普朗克常数)。电导率由此被表示成通过不同量子能级通道的输运量的总和。线越细，能够通过电子的通道数目越少。把纳米线连在电极之间，我们可以研究纳米线的电导率。通过在拉伸时测量纳米线的电导率，我们发现：当纳米线长度缩短时，它的电导率也以阶梯的形式随之缩短，每阶之间相差一个朗道常数G。因为低电子浓度和低等效质量，这种电导率的量子化在半导体中比在金属中更加明显。量子化的电导率可以在25nm的硅鳍中观测到(Tilke et. al., 2003)，导致阀电压的升高。 编辑本段纳米线的力学性质通常情况下，随着尺寸的减小，纳米线会体现出大块材料更好的

45、机械性能。强度变强，韧度变好。纳米线的结构纳米线可以有多种形态。有时它们以非晶体的顺序出现，如五边对称或螺旋态。电子会在五边形管和螺旋管中蜿蜒而行。这种晶体顺序的缺乏是由于纳米管仅在一个维度（轴向）上体现周期性，而在其它维度上可以以能量法则产生任何次序。例如，在一些个例中，纳米线可以显示五重对称性，这种对称性无法在自然界中观测到，却可以在少量原子促成的簇中发现。这种五重对称性相当于原子簇的二十重对称性：二十面体是一簇原子的低能量态，但是由于二十面体不能在各个方向上无限重复并充满整个空间，这种次序没有在晶体中观测到。 编辑本段纳米线的用途纳米线现在仍然处于试验阶段。不过，一些早期的实验显示它们可

46、以被用于下一代的计算设备。为了制造有效电子元素，第一个重要的步骤是用化学的方法对纳米线掺杂。这已经被是现在纳米线上来制作P型和N型半导体。下一步是找出制作PN结这种最简单的电子器械的方法。这可用两种方法来实现。第一种是物理方法：把一条P型线放到一条N型线之上。第二种方法是化学的：沿一条线掺不同的杂质。再下一步是建逻辑门。依靠简单的把几个PN节连到一起，研究者创造出了所有基础逻辑电路：与、或、非门都已经可以由纳米线交叉来实现。纳米线交叉可能对数字计算的将来很重要。虽然纳米线还有其他用途，电子用途是唯一利用到了其物理性质优势的。纳米管正在被研究用来做弹道波导，运用于量子点/量子井效应光子逻辑阵列的

47、连线。光子在管中穿行，电子则在外壁上输运。当两条纳米管用作光子波导互相交叉时，其交叉连接点就是一个量子点。拉曼散射拉曼散射（Raman scattering），光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年，印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两侧对称地伴有频率为v0vi(i1，2，3，）的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差vi 与入射光频

48、率v0无关，由散射物质的性质决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致。拉曼散射的强度比瑞利散射（可见光的散射）要弱得多。以经典理论解释拉曼散射时，认为分子以固有频率vi振动，极化率（见电极化率）也以vi为频率作周期性变化，在频率为v0的入射光作用下，v0与vi两种频率的耦合产生了v0、v0+vi和v0-vi3种频率。频率为v0的光即瑞利散射光，后两种频率对应拉曼散射谱线。拉曼散射的完善解释需用量子力学理论，不仅可解释散射光的频率差，还可解决强度和偏振等一类问题。拉曼散射为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在光谱学中形成了拉曼光谱学的一分支。用拉曼散射的方法可

49、迅速定出分子振动的固有频率，并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。自激光问世以后，关于激光的拉曼散射的研究得到了迅速发展，强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象1。拉曼散射共分为两类型：1、共振拉曼散射（resonance Raman scattering）：当一个化合物被入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加，这个效应被成为共振拉曼散射。共振拉曼光谱是激发拉曼光谱中较活跃的一个领域，原因在于：（1）拉曼谱线强度显著增加，提高了检测的灵敏度，适合于稀溶液的研究，这对于浓度小的自由基和生物材料的考察特别有用；

50、（2）可用于研究生物大分子中的某一部分，因为共振拉曼增强了那些拉曼谱线是属于产生电子吸收的集团，其他部分可能因为激光的吸收而被减弱；（3）从共振拉曼的退偏振度的测量中，可以得到正常拉曼光谱中得不到的分子对称性的信息。2、表面增强拉曼散射（SERS，surface-enhanced Raman scattering）：当一些分子被吸附到某些粗糙的金属，如金、银或铜的表面时，它们的拉曼谱线强度会得到极大地增强，这种不寻常的拉曼散射增强现象被称为表面增强拉曼散射效应。3.1.1 普朗克的黑体辐射理论和普朗克常数爱因斯坦在物理学进化中说：“假如我们要用一句话来表明量子论的基本观念，我们可以这样说：必须

51、假定某些以前被认为是连续的物理量是由基本量子所组成的”，这句话至今仍是是对科学发展史上有名的“量子论”的最好的说明。这个量子论就是以1900年，普朗克提出的“作用量子”假说开始的。爱因斯坦一直把量子理论称作是对物质“连续性和不连续性”的探讨。从这点上来说，早期量子理论的提出有巨大的科学意义，直到现在它还闪耀着科学思维的光芒。我们对于“连续和不连续”这个大自然现象中的基本的理念进行的探索是永无止境的。它是自然科学和人类思维中的一个古老的同时又是最基本、最深刻的理念；它也是一个至今被没有逻辑的虚假理论所占据着的一个最重要的也是最混乱的思维领域。人类思维是以数字为基础的，对于数字的连续性问题的逻辑研

52、究是思维发展的一个根本性的问题，从对于无限小的逻辑开始，人们进入对于无限大的逻辑探讨，都取得了一定的成果；但是对于离散数字的逻辑，恰是一直停留在四百多年前的一个猜想的禁锢之中，一个还没有进入到现代逻辑思维的领域。在一般的物理学著作中常常可以看到这样的论述：19世纪末20世纪初，经典物理已经发展到了相当完善的地步，但在实验方面又遇到了一些严重的困难，这些困难被看作是“晴朗天空的两朵乌云”，正是这两朵乌云引发了物理界的变革。而两朵乌云中的一朵就是“黑体辐射问题”。这种说法一直为理论物理界所乐道，但是与科学的发展现实是完全不相符合的，经典物理学从来也没有到达过相当完善的地步，科学的上空从来也不止两朵

53、或几朵乌云。真正的科学的说法，还是杨本洛在自然科学体系梳理中所说的：人类永远只能得到有限论域下的合理的知识，而这个有限论域和无限的大自然相比永远是无限小的，在人类实践和思维能力的发展突破了原有合理知识的有限论域的时候，所有的已经认为实在的知识又会变得不实在了，我们必须继续探索，直到在新的论域内积累了足够的感性知识(感性材料)以后，我们才能够找到新的扩大了的有限论域中的普遍的知识理论与感性材料能够建立合理关系的新的“自然哲学的数学原理”。所以我们还是要从新的角度，现在我们对于电磁波的实践和理论所掌握的感性材料的角度，来重新讨论普朗克的黑体辐射理论和普朗克的作用量子的常数。还是让我们来看一看库珀所

54、说的吧：作用量子的引入是在分析一个非常不易理解的现象时引入的。19世纪末，人们以极大的努力试图找出所谓“黑体”辐射的分布。“黑体“就是一个在热平衡状态下的灼热空腔，它发射出包括光在内的电磁辐射，一个不大的炉子，就可以看作是一个简单的黑体，炉子开一个很小的孔，炉膛内壁发出的任何辐射在小孔处射出以前都必须在炉膛内反射无数次(图1)，最有意思的是对于这种炉子来说，只要用统计力学就可以求得它的辐射强度和分布(并且与炉壁材料无关)。从亲身经验中我们知道，物体受热后开始时发出暗淡的光，然后慢慢变成明亮的红光，再后来又变成白色。如果再将物体继续加热，则物体就变成了浅蓝色的了，电炉丝通电时是红而发亮的，而灯泡

55、里的钨丝则是黄色的或白色的。研究绝对黑体的辐射时看到的也是这种情景。将炉子加热的小孔最初发出暗淡的光，然后变红变亮，再后又变成白色，等等。图1. 绝对黑体 图2. 在一维空间的空腔内激发的前四个驻波解释这种现象的理论是非常离奇的。从经典物理学的角度看来，在这种空腔内的电磁辐射频率应当与在空腔内可能产生的任意一个驻波的频率一致，在一个长为l的一维空间的空腔内可能产生的驻波画在图2上。最长的驻波的波长为 (1)在一般情况下，可能的波长有： (2)从这里可以看出，波长可以取任意小的值。麦克斯韦的电磁理论认为，每一个可能的驻波对应于电磁场的一个自由度(就好比多粒子一维系统中的每一个粒子对应于一个自由度

56、)。如果系统处于热平衡状态(而这是绝对黑体存在的必要条件)，则从统计力学得知，系统的全部能量应当在所有可能的自由度之间平均分配。由于绝对黑体由无数个自由度(所有可能的驻波)，而它的能量储备却是有限的，因而每个自由度所分配到的能量为零。结果是绝对黑体根本不发射光。假如说它以某种某种方式终于发射了光的话，应当是一种紫外光(因为大部分驻波有很短的波长)，而这是违反一直事实的，因为我们煮饭用的炉子上的电炉丝发出的是暗红色的光。1900年列莱勋爵和詹姆斯琼斯首先得到了这个结果，它被称为紫外线的灾难。 为了解决这个问题而作的许多尝试都毫无结果。直到马克斯普朗克针对这个问题提出了他的令人惊异的假设为止，普朗克说，绝对黑体是一份一份地辐射光，而每一份的能量与光的频率是以(3)的形式联系在一起的。就这样，普朗克常数h或作用量子第一次出现在物理学中。为使理论与实验相一致，h的数值大致应当是尔格秒 (4) 这完全是史无前例的事情。在经典理论中波的振幅决定它的能量；海洋的大浪具有很大的能量，而波的频率是个独立的量。博士扰动引起的，波的频率只与扰动在美秒内振动的次数有关。在经典物理中能量与频率没有任何联系。可以有高频的弱波，也可以有低频的强波。尽管如此，普朗克却认为，空腔中辐射的每一个驻波具有最低的能量为，它可以写成形式：(5) 并且，如果我们放弃容许有任意小的能量的经典概念，则对于很短的波长(或