漫谈凝聚态物理与纳米科技

报告提纲凝聚态物理与纳米科技GaN-基与ZnO-基半导体晶格振动与光学非线性主要成果小结凝聚态物理与纳米科技凝聚态是什么凝聚态物理研究什么纳米离我们有多远所谓“凝聚态”

英语称CondensedMatters，指的是由大量粒子

(原子、分子、电子等)组成，并且粒子间有很强相互作用的系统。固态和液态是最常见的凝聚态。低温下的一些特殊的物质状态也都是凝聚态.凝聚态物理学从微观角度出发，研究由大量粒子（原子、分子、离子、电子）组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间的联系的一门学科。物理学中的最大分支。起源于低温物理学与固体物理学。研究层次：宏观、介观到微观。维度：三维、二维、一维到零维。研究热点：纳米科技；巨磁阻效应；高温超导等。它的基础性研究往往与实际的技术应用有着紧密的联系，其成果是一系列新技术、新材料和新器件。低温技术的发展历程19世纪70年代，法国人路易斯·保罗·卡耶泰(Louis-PaulCailletet)用各种气体膨胀冷却，-183℃得到了液态氧，在-196℃得到了液态氮。1898年，苏格兰人詹姆斯·杜瓦(JamesDewar)在-250℃液化了氢气。1908年7月10日，荷兰莱顿大学的海克·卡末林·昂内斯(HeikeKamerlingh

Onnes)实现了4.2K的低温，首次制得了几立方厘米的液氦。1913年获NobelPrizeinPhysics。1985年到1995年，美国加州斯坦福大学的朱棣文、法国巴黎的法兰西学院和高等师范学院的科恩－塔诺季和美国国家标准技术院的菲利普斯采用激光冷却原子得到nK温度。1997年获NobelPrizeinPhysics。例子-1巨磁阻效应(GMR)发现及应用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年生于法国的卡尔卡松（Carcassone)，获得法国奥赛的Paris-Sud大学博士学位。PeterGrünberg于1939年生于皮尔森（Pilsen）市（目前属于捷克共和国），德国国籍。获得德国达姆施塔特（Darmstadt）工业技术大学（Technische

Universitt）物理学博士学位。Grünberg享有巨磁阻技术的一项专利。获得2007Nobel物理奖GMR硬盘（IBM）1997年“看看你的计算机硬盘存储能力有多大，就知道他们的贡献有多大！”他们的贡献还在于开启了自旋电子学（Spintronics）研究新领域！例子-2高温超导材料的发现与超导机制的研究1957年提出BCS超导微观理论的美国物理学家巴丁（BardeenJ.1956年）、库珀（CooperL.N.）、施里弗（SchrifferJ.R.），于1972年获奖；1960年发现单电子超导隧穿效应,美国物理学家贾埃佛（GiaeverJ.）；1962年预言约瑟夫森效应的英国物理学家约瑟夫森（B.D.Josephsen），于1973年获奖；1986年，在IBM苏黎士研究室工作的瑞士物理学家缪勒(MullerK.A.)和他的学生、德国物理学家柏诺兹(J.G.Bednorz)发现Ba-La-Cu-O(钡镧铜氧)系统物质的高温超导性(-180oC)，于1987年获奖；超导技术的影响，很快地波及到了电力工程、电能输送、电动机与发电机的制造、磁流体发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、生物磁学、高能加速器与高能物理研究等多种领域与学科。欧洲核子研究中心(EuropeanOrganizationforNuclearResearch)的这台大型强子对撞机，能够在17英里长的地下隧道里将质子加速到4万亿电子伏特的能量，然后让这些高能质子对撞.比利时与英国科学家分享2013年诺贝尔物理学奖：Higgsboson是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子纳米科技

1959年，美国著名的理论物理学家、诺贝尔奖获得者理查德﹒费曼（RichardFeynman）《在底部还有很大空间》（“ThereisPlentyofRoomattheBottom.”）的演讲中设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存贮在一个针尖时，并能移动原子，那么这将给科学带来什么！”并且预言：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。……我深信：当人们能操纵细微物体的排列时，将可以获得极其丰富的新的物质性质。”纳米技术概念的提出费曼(1918~1988)

R.P.Feynman1965年获诺奖纳米科技概念的发展Taniguchi1974年科学家唐尼古奇(Taniguchi)最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工;

1977年美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出,可以从模拟活细胞的生物分子的人工类似物---分子装置开始研究,并称之为纳米科技.他70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。

20世纪80年代初出现的扫描隧道显微镜系列（SPM）极大促进了纳米科技的发展。

EricDrexler纳米科技的正式诞生1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开。标志着纳米科技的正式诞生。会上讨论了纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米材料学等前沿问题，并决定出版三种杂志：《纳米结构材料》、《纳米生物学》、《纳米技术》第四届纳米国际会议在北京召开，1996/9/8-12，Nano

IV,Beijing纳米科学纳米科学(Nanoscience):在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学。红血球1千纳米分子及DNA1

纳米0.1

纳米氢原子碳纳米管碳原子整齐排列，形成碳薄片，被卷成圆管形状的薄片就是纳米碳管碳薄片納米碳管卷起碳纳米管的性质和应用单臂纳米管为金属性，锯齿形、手性碳管部分为金属，部分为半导体性。重量很轻，比重是钢铁的1/6但强度比钢铁大100倍以上钢条钢条纳米碳管具有极好的可弯折性具有极好的可扭曲性天梯——碳纳米管绳梯傲立宇宙间，顶天立地的“第二巴别塔”

——太空电梯C60及富勒烯C60具有什么样的结构呢？金刚石和石墨是具有三维结构的巨型分子，C60和C70是有固定碳原子数的有限分子，它们应该具有不同的结构。克罗托想起美国建筑师巴克明斯特·富勒BuckminsterFuller为1967年蒙特利尔世博会设计的网络球主体建筑，由五边形和六边形构成的圆穹屋顶。富勒曾对克罗托等人启发说：“C60分子可能是球形多面体结构”。由于克罗托、科尔、斯莫利三位科学家在富勒烯研究中的杰出贡献，他们共同荣获了1996年的诺贝尔化学奖。罗伯特·F.·科尔哈罗德·W.·克罗托理查德·E·斯莫利富勒烯的应用导带与价带之间的能隙为2.3eV，是一种类似于GaAs的直接能隙半导体，禁带宽度为1.5eV,因此它可能成为继Si、Ge、GaAs之后的又一种新型半导体材料C60和C70是一种良好的非线性光学材料合成金刚石的理想原料可能作为储氢材料或高能燃料。C60F60（特氟隆球）是一种超级耐高温和耐磨材料，被认为是比C60更好的润滑剂可利用C60内部中空来包裹放射性元素，用于治疗癌症和HIV，以减轻放射性物质对健康组织的损害纳米操控技术-SMT1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicro－scope，简称STM）.1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金．ThelettertoJiangfromH.Rohrer许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情,而没有什么实际意义。但我确信纳米科技现在已具有与此同时150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精确标准,并成为工业革命的技术基础,最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样,未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准,并首先学习和使用它的国家。我们应当记住：微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确,微米与牛毫无关系,但它却改变了耕作方式,带来了拖拉机。

---H.Rohrer(IBM苏黎世实验室)扫描隧道显微镜工作原理

电子从一极通过隧道效应穿过空间势垒到另一极，形成隧道电流。电流大小取决于针尖与表面间距及表面电子状态。

1990年美国商业机器公司借助扫描隧道显微镜，在一小片镍晶体上用35个氙原子写出了该公司名称的缩写字母“IBM”，中科院化学所用自制的扫描隧道显微镜，在石墨晶体表面刻写出一幅中国地图，并写出“中国”两个字。两幅图像和文字的线条宽度只有10纳米。1993年美国科学家在低温下，用STM针尖将48个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形而后，又成功地移动铁原子写成了两个汉字“原子”。GaN-基与ZnO-基半导体GaN-基（AlN、InN）及其三元化合物等，具有宽的直接带隙(0.7~6.2eV)、高的热导率与电子迁移率、稳定的化学性（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子器件、微电子器件、高温大功率器件和高频微波器件应用等方面有着广阔的前景ZnO的带隙约为3.3eV，通过掺入Mg和Cd元素，它的带隙可连续的分别向两边扩展到7.9eV和2.3eV，这完全覆盖了从红光到紫光的整个可见区域，并延伸到一紫外与深紫外区域ZnO生物可降解和生物兼容材料HanWQ19