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介观物理和纳米科学技术 许 晶 波 摘要 本文介绍了介观物理和纳米科学技术的发展和意义 关键词 介观 纳米 物理学是一切工程学科的带头学科 它 的发展对人类文明产生了巨大影响 世界科 技史上的三次大的技术革命都与物理学的发 展密切相关 物理学的前沿研究成果导致了 一批新学科和新技术的产生 而高新技术反 过来又促进物理学和其他一些科学的进一步 发展 介观物理和纳米科学技术是八十和九 十年代发展起来的新的科学技术 它们的出 现将对人类深入认识自然界以及生产力的进 步和发展产生极其深远的影响 物理学所研究的系统通常有微观和宏观 之分 微观系统的尺度为原子数量级 即 10 8厘米数量级 包含个数不多的粒子 宏观系统的尺度远大于原子尺度 包含大量 的微观粒子 约为阿伏伽德罗常数1023数量 级 宏观系统和微观系统的最重要的区别在 于它们所服从的物理规律十分不同 在微观 系统中宏观规律 经典力学规律 不再适 用 需要服从量子力学规律 波函数的相位 起着重要作用 近几年来 发现了尺度介于两者之间的 介观系统 介观系统的尺度是微观尺度的 100 1000倍 包含约108 1011个微观粒 子 介观系统基本上属于宏观范围 其物理 量仍然是大量微观粒子统计平均的结果 但 粒子波函数的相位的相干迭加并没有统计平 均掉 量子力学规律起着支配作用 介观系 统的量子微观特征在宏观测量时仍能观察 到 这不仅有助于对量子力学和统计物理的 一些基本原理进行实验上的检验 而且有助 于设计新一代的微电子器件 因此具有重要 的应用前景 介观系统的物理现象之所以引起物理学 家的兴趣 一个重要的原因是由于现代工艺 技术的发展 目前 制作长度在微米 1 m 10 6 m 线度为几十个纳米 1nm 10 9 m 的样品已不是太困难的事情 一些 线状或环状的小尺寸样品的实验结果呈现出 与宏观极不相同的现象 观察到强烈的量子 干涉效应 这是电子的波动性在充分地发挥 作用 介观系统中最能体现电子波动性的是 AB效应 它是介观物理发展的基础 1959年 Aharonov和Bohm设计了一 个电子束双缝干涉实验 使一束电子分岔通 过两个具有不同电磁势的路径 然后在一处 汇合 观察其电子波的干涉现象 这种干涉 效应就称为AB效应 Aharonov和Bohm在 他们的文章中指出 在量子领域中要重视电 1 第17卷 第4期 Vol 17 No 4 杭州教育学院学报 JOURNAL OF HANGZHOU EDUCATIONAL INSTITUTE 2000年7月 Jul 2000 收稿日期 2000 06 20 作者简介 许晶波 1960 男 浙江大学物理系教授 博导 磁势的真实物理意义和作用 不能象经典电 动力学那样认为电磁势的引入只是数学上作 为描述电磁势的一种方法 而不是物理实 在 只有电磁场强度才具有真实的物理效 应 按照量子力学可以证明尽管在电子波传 播的路径上不存在电场或磁场 但只要存在 电磁的标量势和矢量势 就可以改变电子波 函数的相位 因而影响电子波的干涉效应和 电子波的几率密度 显然这是一种量子力学 效应 是粒子波函数的相位受到电磁场的调 制造成的 AB效 应 理 论 提 出 不 久 1960年 Chambers在真空中首次观察到了电子波干 涉图样随磁通的改变呈周期性的变化 从而 在实验中验证了AB效应 那未在固体材料 中是否存在AB效应呢 在固体材料中要观 察到AB效应 前提是两束电子波在汇合时 要保持其相干性 电子在固体材料中传播要 受到缺陷 杂质等因素的散射 从而影响电 子波的相干性 对电子受到的散射 可分为 弹性散射和非弹性散射两种 杂质对电子的 作用是库仑相互作用 由于杂质质量比电子 质量大得多 所以杂质对电子的散射属于弹 性散射 即散射前后能量不改变 只改变电 子的动量 每一次散射仅使电子附加一个确 定的相移 因此不管电子经受多少次的弹性 散射 不破坏电子波的相位记忆 即电子波 仍保持其相干性 而晶格振动对电子的散射 涉及到声子的吸收与发射 电子要与声子交 换能量 这种散射是非弹性散射 电子与晶 格振动或其他非弹性机制的非弹性散射会使 电子波失去相位记忆 破坏电子波的相干 性 因此要在固体材料中观察到AB效应 就应当使电子在两次相邻的非弹性碰撞之间 的平均时间内越过样品 即固体材料样品的 线度不大于电子相位的相干长度 低温下 相干长度可达微米量级 也就是说 在小于 相干长度的行程上 尽管电子经受了上百次 以上的弹性散射 电子波在相干性仍将保 持 八十年代初 人们终于在固体材料中观 察到了介观尺度上的量子干涉效应 这些工 作为介观物理的发展奠定了基础 近十年来 介观物理得到了迅猛的发 展 人们对磁场电阻的周期振荡 金属环中 的持续永久电流 电导起伏的普适性 磁指 纹 非定域效应等介观尺度上的物理现象进 行了大量的研究 已得到了许多新的研究成 果 但理论和实验的研究还有待于进一步不 断深入 纳米科学技术在介观物理 量子力学等 现代科学与计算机 微电子和扫描隧道显微 镜等先进工程技术基础上发展起来的一种研 究和应用原子 分子现象的全新的科学技 术 纳米科学技术的诞生源于扫描隧道显微 镜的发明 扫描隧道显微镜是基于量子力学 中的隧道效应制成的新型原子级这一空前高 分辨率的电子显微镜 是继第一代光学显微 镜和第二代电子显微镜之后出现的第三代显 微镜 扫描隧道显微镜不仅可以获得固体表 面原子的图象 而且可以在自然条件下对生 物大分子进行高分辨率的直接观察 1989年元月 美国科学杂志上刊登了 第一张用扫描隧道显微镜拍摄的DNA图 象 1989年4月 中国科学院上海原子核 研究所与中国科学院上海细胞研究所共同合 作 用扫描隧道显微镜获得了清晰的天然鱼 精子的DNA图象 并于同年12月与前苏 联科学院分子生物学所合作用扫描隧道显微 镜在世界上首次得到了平行双链的DNA图 象 从而在分子结构上证实了一种新型 DNA构型的存在 1990年初 中国科学院 上海原子核研究所还与中国科学院上海生物 化学研究所合作用扫描隧道显微镜在世界上 首次获得了DNA复制过程的图象 1990年4月 美国IBM公司Almaden 研究中心的研究人员用液氮温度的扫描隧道 2 许晶波 介观物理和纳米科学技术 显微镜装置 一次移动一个原子 用35个 Xe 氙 原子在Ni 110 面上拼缀出 IBM 三个字母 完成后用扫描隧道显微 镜扫描一遍 字母清晰地显示在屏幕上 科 学家们称其为原子尺度上的 艺术杰作 这是世界上首次成功地实现了原子级结构制 造 是扫描隧道显微镜创造的奇迹 它使人 类希望能按需排布和操纵原子的梦想变成了 现实 从而也宣告了纳米科学技术的诞生 它的诞生标志着人类开始系统地研究纳米尺 度上的各种现象 目前 纳米科学技术的发 展已形成了纳米材料学 纳米电子学 纳米 生物学 纳米机械工程学和纳米天文地质学 等众多新的领域 下面我们来介绍与介观物 理有密切关系的纳米材料学和纳米电子学方 面的研究 纵观历史的发展 人类文化的进步都与 新材料的发展有密切的关系 人类经历了石 器 陶器 青铜器 铁器时代 现在又进入 了新材料时期 材料是人类赖于生存和发展 的物质基础 随着人类社会的进步 对材料 也在不断地提出新的要求 以往人们对材料 微结构的要求是追求完美的 无位错 无缺 陷 具有长程序的晶体 后来发展到追求具 有优异性能 但不存在长程序的非晶体 纳 米固体材料是80年代发展起来的一种具有 新型结构的材料 它是指将粒度为纳米量级 的颗粒在一定条件下加压制成固体材料 或 用沉积的方法制成薄膜 它包括纳米金属 陶瓷 非晶态材料及复相材料等 纳米材料 的尺寸一般在2 10纳米 颗粒内包含的原 子数约为102 104个 其中有50 以上为 界面原子 这样的系统既非典型的微观系 统 也非典型的宏观系统 这样的系统具有 量子效应 表面效应及可能的混沌现象 有 时多一个或少一个原子就能导致纳米微粒特 性的急剧变化 由于纳米材料的颗粒的上述 特性 使纳米材料的结构既不同于长程有序 的晶体 也不同于长程无序 短程有序的非 晶态玻璃 而表现出既无长程序 又无短程 序的新的物质状态 纳米材料具有一般晶体 和非晶体材料都不具备的优点 其硬度 强 度 韧性 导电性 磁性等都非常优异 例 如 普通状态下脆性的陶瓷在纳米晶体材料 中变为韧性 合成的TiO2纳米晶体陶瓷在 室温下可被弯曲 塑性形变高达100 显 示了纳米材料的高强度和高韧性 普通金属 是导体 但纳米金属微粒在低温下却呈现电 绝缘性 具有典型共价键结构和无极性的氮 化硅陶瓷 在纳米状态时却出现与极性相联 系的压电效应 较高的交流电导和在一定频 率范围的介电常数急剧升高的现象 与普通 金属相比 纳米材料具有高比热和高膨胀特 性 纳米金属Cu的比热是一般Cu的两倍 纳米材料还具有很高的磁化率和矫顽力 具 有低饱和磁矩和低磁损耗 其磁化率一般是 普通金属的20倍 而饱和磁矩则是普通金 属的 1 2 等等 另外 还可以将纳米颗粒掺杂 到各种材料中以改善其物理性能 如将金属 纳米颗粒加入到普通陶瓷中可显著改变其力 学性能 将Al2O2纳米颗粒加入到橡胶中可 大大增加其介电性能和耐磨性能等等 由于 纳米材料的上述优良特性及在医学 生物工 程 催化 磁记录 传感器 隐形材料等方 面的应用前景 被认为是21世纪最有前途 的材料 纳米电子学主要研究结构尺寸为纳米量 级的电子器件和电子设备 这是一个正处在 重大突破前期的领域 众所周知 制造大规 模和超大规模集成电路是发展高级电子计算 机和电子技术的基础 因此 进一步缩小器 件结构尺寸始终是当今世界高科技领域中的 一个追求目标 随着集成工艺技术的不断发 展 计算机的速度几乎每两年翻一番 其元 件尺寸则每两年缩小一倍 如今计算机芯片 3 杭州教育学院学报 的线度 元件联线的最小尺寸 只有0135 微米 而目前关于半导体的p n结的理论 至亚微米 0 11 m 级以下就失效了 现有 的电子器件尺寸缩小到纳米尺度 与电子 的德布罗意波长接近时 电子的波动性将起 主导作用 因此 纳米电子学必须采用量子 力学来研究 由于微电子原件尺寸减小受到 材料的电子性能和器件加工方法的限制 也 受到组装成本的限制 解决这些问题的出路 是在于发展量子器件 即原子 分子器件 以至于实现量子计算机 量子器件就是利用量子效应制成的线度 为纳米数量级的原子 分子器件 量子器件 不仅体积小 而且工作原理和现有的半导体 电子器件完全不同 各种硅半导体都是通过 控制电子数目 来实现信息处理 而量子器 件则不单纯通过控制电子数的变化 而主要 通过控制电子波的相位进行工作的 因此具 有更高的响应速度和更低的电力消耗 近几年来 纳米电子学的研究已取得了 重要的突破 美国IBM公司制成了用两个 原子构成的隧道二极管 其中一个原子在扫 描隧道显微镜的探针顶尖 另一个原子在硅 片表面 这表明制作原子器件是完全有可能 实现的 IBM公司的科学家还于1991年研 制出了开关速度为0105纳秒的氙 Xe 原 子开关 这项发明将有可能使美国国会图书 馆的全部藏书储存在一块直为013m硅片 上 美国加州理工学院的研究人员研制出了 一种半径约为4个铂原子宽度的纳米电极 该电极可把电子迁移速率常数的测量范围扩 展两个数量级 纳米电极有可能利用扫描显 微技术观察化学过程及半导体表面淀积更细