走进凝聚态世界介绍课件.ppt

走进凝聚态世界走进凝聚态世界 凝聚态及凝聚态物理学凝聚态及凝聚态物理学n凝聚态是固体和液体的通称凝聚态是固体和液体的通称 日常生活中看得见，摸得着的都是凝聚态日常生活中看得见，摸得着的都是凝聚态 凝聚态材料是人类生产生活的物质基础，技术的发展首先要有相凝聚态材料是人类生产生活的物质基础，技术的发展首先要有相应的材料作为基础，新材料和器件的突破往往导致新技术甚至新的产应的材料作为基础，新材料和器件的突破往往导致新技术甚至新的产业的诞生业的诞生n凝聚态物理学从微观角度研究出发，研究由大量粒子（原子、分子、凝聚态物理学从微观角度研究出发，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之间的联系的一门学科 研究对象包括固体和液体以及介于固液之间的物态如液晶，玻璃，研究对象包括固体和液体以及介于固液之间的物态如液晶，玻璃，凝胶等，稠密气体和等离子体，以及只在低温下存在的特殊量子态如凝胶等，稠密气体和等离子体，以及只在低温下存在的特殊量子态如超流体，超流体，BEC(BEC(波色波色- -爱因斯坦凝聚体）爱因斯坦凝聚体） n凝聚态物理的基础性研究往往与实际的技术应用有着紧密的联系，凝凝聚态物理的基础性研究往往与实际的技术应用有着紧密的联系，凝聚态物理学的成果是一系列新技术、新材料和新器件，在当今世界的聚态物理学的成果是一系列新技术、新材料和新器件，在当今世界的高新科技领域起着关键性的不可替代的作用高新科技领域起着关键性的不可替代的作用 科技及应用 电子显微镜电子显微镜 凝聚态研究者的眼睛凝聚态研究者的眼睛n电子显微镜电子显微镜（electron microscope），简称电镜，是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。

n高速的电子的波长比可见光的波长短，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） 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 （scanning electron microscope，SEM） n观察标本的表面结构n其工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像图像为立体形象，反映了标本的表面结构对于本身不导电的样品为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号 n目前扫描电镜的分辨力为6~10nm，人眼能够区别荧光屏上两个相距0.2mm的光点，则扫描电镜的最大有效放大倍率为0.2mm/10nm=20000X 猜猜看这是你身体上的哪个部位？ 扫描隧道显微镜 （Scanning Tunneling Micro－scope，STM）n1982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.n为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金．STM独特的优点：n   1. 具有原子级的高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上的分辨率分别可达  0.01 nm，即可以分辨出单个原子。

n　2．可实时得到实空间中的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n　3．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n5．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n 4．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n   6．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　nSTM观察到的原子的景象1990年，年，IBM公司的科学公司的科学家展示了一项令世人瞠目结家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表舌的成果，他们在金属镍表面用面用35个惰性气体氙原子个惰性气体氙原子组成组成“IBM”三个英文字母三个英文字母       这是中国科学院化学所的科这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国绘制出的世界上最小的中国地图。

地图 n由德国实验室托斯顿·邓卓巴拍摄的这一图像显示了一片GeSi量子点“森林”，其实，它们只有15纳米高，直径也只有70纳米量子围栏 STM的局限性与发展的局限性与发展        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         扫描隧道显微镜(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  透射电子显微镜透射电子显微镜 （Transmission Electron Microscopy TEM） n把经加速和聚集的把经加速和聚集的电子电子束投射到非常薄的样品上，电子与束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射散散射射角角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像通常，透射电子显微镜的分辨率为不同的影像。

通常，透射电子显微镜的分辨率为0.10.1～～0.2nm0.2nm，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于即小于0.2µm0.2µm、光学显微镜下无法看清的结构，又称、光学显微镜下无法看清的结构，又称““亚亚显微结构显微结构””n利用利用 TEMTEM可以直接获得一个样本的投影在这种显微镜中可以直接获得一个样本的投影在这种显微镜中电子穿过样本，因此样本必须非常薄组成样本的原子的电子穿过样本，因此样本必须非常薄组成样本的原子的原子量、加速原子量、加速 电子的电压和所希望获得的分辨电子的电压和所希望获得的分辨 率决定率决定样本的厚度样本的厚度可以从数纳米到数微米不等原样本的厚度样本的厚度可以从数纳米到数微米不等原子量越高、电压越低，样本就必须越薄子量越高、电压越低，样本就必须越薄葡萄球菌表面激光扫描共聚焦显微镜(laser scanning confocal microscope LSCM) n激光扫描共聚焦显微镜是采用激光作为光源，在传统光学显微镜基础上采用共轭聚焦原理和装置，并利用计算机对所观察的对象进行数字图象处理的一套观察、分析和输出系统。

n主要系统包括激光光源、自动显微镜、扫描模块（包括共聚焦光路通道和针孔、扫描镜、检测器）、数字信号处理器、计算机以及图象输出设备（显示器、彩色打印机）等与传统光学显微镜相比，它具有更高的分辨率，实现多重荧光的同时观察并可形成清晰的三维图象 n无需破坏样品另外，获得的图像信息通过相关软件的帮助，可对标本各深度层面的信息进行三维重建，可以得到表面及内部结构都非常清晰的三维图像因此，在生物学、医学、高分子材料、生物化学、胶体化学（如研究胶体分散相中乳胶颗粒的分布、排列、热运动及器壁效应等）等众多研究领域，激光共聚焦技术都有着广泛的应用 n作为光学观察方法，因此其分辨率较电镜为低，约0.2μm 即有效放大倍数约为1000倍 n这张彩色图片显示的是人类肺部内表面图中的洞穴是肺气泡，这里是血液交换气体的地方n肺癌细胞：这张异常的肺癌细胞图与左边的健康肺部图片形成鲜明对比带有冠细胞的人类卵子   这张彩色图片上的紫色人类卵子坐落在一个柱状物上两个红色冠细胞粘贴在透明带状物上电      卵子表面的精子：生命循环从此开始：这张图片上显示的是大量精子正在争先恐后地给卵子受精人类胚胎和精子       这张色彩艳丽的美丽图片，是利用共聚焦显微镜拍摄的。

胚胎和精细胞核呈紫色，而精子的尾巴是绿色蓝色区域是缝隙连接(gap junction)，它们把细胞彼此联系在一起n培育6天后的人类胚胎被植入子宫：生命循环从此开始：6天的人类胚胎开始被植入子宫内膜——子宫的内表面结构与物性n石墨和金刚石都是碳单质不同的是原子排布方式不同，即结构不同n金刚石是目前最硬的物质，而石墨却是最软的物质之一n石墨在5-6万大气压（（5-6）×103MPa）及摄氏1000至2000度高温下，再用金属铁、钴、镍等做催化剂，可使石墨转变成金刚石n目前世界上已有十几个国家（包括我国）均合成出了金刚石但这种金刚石因为颗粒很细，主要用途是做磨料，用于切削和地质、石油的钻井用的钻头  发光与显示n发光种类n极光  荧光 磷光  荧光棒n阴极射线管显示器n液晶显示器n等离子体显示器发光n核聚变辐射（太阳）n电阻丝电热发光（白炽灯）n气体放电（荧光灯管）n荧光体激发（显示器）n电子空穴复合发光（发光二极管）n燃烧、化学反应发光（荧光棒）n受激发光（激光）阴极射线管显示器阴极射线管显示器            阴极射线管（CRT）是德国物理学家布劳恩（Kari Ferdinand Braun）发明的，1897年被用于一台示波器中首次与世人见面。

但CRT得到广泛应用则是在电视机出现以后  阴阴极极射射线线管管（Cathode ray tube）因为最广为人知的用途是用于构造显示系统，所以俗称 显显像像管管，它是利用阴极电子枪发射电子，在阳极高压的作用下，射向萤光屏，使萤光粉发光，同时电子束在偏转磁场的作用下，作上下左右的移动来达到扫描的目的早期的 CRT 技术仅能显示光线的强弱，展现黑白画面而彩色 CRT 具有红、绿色和蓝色三支电子枪，三支电子枪同时发射电子打在屏幕玻璃上磷化物上来显示颜色              失真笨重、耗电，所以在部分领域正在被轻巧、省电的液晶显示器取代 彩色阴极射线管的剖面图: 1. 电子枪2. 电子束 3. 聚焦线圈 4. 偏向线圈 5. 阳极接点 6. 电子束遮罩区隔颜色区域 7. 萤光幕分别有红绿蓝萤光剂分区涂布 8. 彩色萤光幕内侧的放大图液晶显示器液晶显示器n液晶（Liquid Crystal，简称LC）是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上在正常情况下，其分子排列很有秩序，显得清澈透明，一旦加上直流电场后，分子的排列被打乱，一部分液晶变得不透明，颜色加深，因而能显示数字和图象。

 n液晶显示器，LCD(Liquid Crystal Display)，为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白画素组成，放置于光源或者反射面前方彩色LCD中，每个画素分成三个单元，或称子画素，附加的滤光片分别标记红色，绿色和蓝色三个子画素可独立进行控制，对应的画素便产生了成千上万甚至上百万种颜色与老式的CRT采用同样的方法显示颜色 液晶屏幕的优点液晶屏幕的优点n　　1.液晶显示器与传统CRT相比最大的优点还是在于耗电量和体积，对于传统17寸CRT来讲，其功耗几乎都在80W以上，而17寸液晶的功耗大多数都再40W上下，这样算下来，液晶在节能方面可谓优势明显 n　　2.与传统CRT相比液晶在环保方面也表现的表现，这是因为液晶显示器内部不存在象CRT那样的高压元器件，所以其不至于出现由于高压导致的x射线超标的情况，所以其辐射指标普遍比CRT要低一些 n　　3.由于CRT显示器是靠偏转线圈产生的电磁场来控制电子束的，而由于电子束在屏幕上又不可能绝对定位，所以CRT显示器往往会存在不同程度的几何失真，线性失真情况而液晶显示器由于其原理问题不会出现任何的几何失真，线性失真，这也是一大优点。

等离子体显示器n 等离子体等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在於宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态等离子体是一种很好的导电体 n      等离子体显示器又称电浆显示器，是继CRT(阴极射线管）、LCD（液晶显示器）后的最新一代显示器，其特点是厚度极薄，分辨率佳可以当家中的壁挂电视使用，占用极少的空间，代表了未来显示器的发展趋势 n 基本原理：基本原理：显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（一般都是氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，它们再发出我们在显示器上所看到的可见光　n超大尺寸的平面显示器（50英寸甚至更大）n分辨率更高图像的色彩更亮丽，更鲜艳 　　等离子体显示的特点n其工作原理类似普通日光灯和电视彩色图像，由各个独立的荧光粉像素发光组合而成，其工作原理类似普通日光灯和电视彩色图像，由各个独立的荧光粉像素发光组合而成，因此图像鲜艳、明亮、干净而清晰另外，等离子体显示设备最突出的特点是可做到因此图像鲜艳、明亮、干净而清晰。

另外，等离子体显示设备最突出的特点是可做到超薄，可轻易做到超薄，可轻易做到40英寸以上的完全平面大屏幕，而厚度不到英寸以上的完全平面大屏幕，而厚度不到100毫米，实际上这也毫米，实际上这也是它的一个弱点：即不能做得较小目前成品最小只有是它的一个弱点：即不能做得较小目前成品最小只有42英寸，只能面向大屏幕需求英寸，只能面向大屏幕需求的用户，和家庭影院等方面的用户，和家庭影院等方面n等离子体显示器具有体积小、重量轻、无等离子体显示器具有体积小、重量轻、无X射线辐射的特点，由于各个发光单元的结构射线辐射的特点，由于各个发光单元的结构完全相同，因此不会出现完全相同，因此不会出现CRT显像管常见的图像几何畸变等离子体显示器屏幕亮度显像管常见的图像几何畸变等离子体显示器屏幕亮度非常均匀，没有亮区和暗区，不像显像管的亮度非常均匀，没有亮区和暗区，不像显像管的亮度——屏幕中心比四周亮度要高一些，屏幕中心比四周亮度要高一些，而且，等离子体显示器不会受磁场的影响，具有更好的环境适应能力　　　而且，等离子体显示器不会受磁场的影响，具有更好的环境适应能力　　　n与与LCD液晶显示器相比，等离子体显示器有亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、对快液晶显示器相比，等离子体显示器有亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、对快速变化的画面响应速度快等优点。

由于屏幕亮度很高速变化的画面响应速度快等优点由于屏幕亮度很高,因此可以在明亮的环境下使用因此可以在明亮的环境下使用另外，等离子体显示器视野开阔，视角宽广（高达另外，等离子体显示器视野开阔，视角宽广（高达160度），能提供格外亮丽、均匀平度），能提供格外亮丽、均匀平滑的画面和前所未有的更大观赏角度滑的画面和前所未有的更大观赏角度n当然，由于等离子体显示器的结构特殊也带来一些弱点比如由于等离子体显示是平当然，由于等离子体显示器的结构特殊也带来一些弱点比如由于等离子体显示是平面设计，其显示屏上的玻璃极薄，所以它的表面不能承受太大或太小的大气压力，更面设计，其显示屏上的玻璃极薄，所以它的表面不能承受太大或太小的大气压力，更不能承受意外的重压等离子体显示器的每一个像素都是独立地自行发光，相比显示不能承受意外的重压等离子体显示器的每一个像素都是独立地自行发光，相比显示器使用的电子枪而言，耗电量自然大增一般等离子体显示器的耗电量高于器使用的电子枪而言，耗电量自然大增一般等离子体显示器的耗电量高于300瓦，是瓦，是不折不扣的耗电大户由于发热量大，所以等离子体显示器背板上装有多组风扇用于不折不扣的耗电大户。

由于发热量大，所以等离子体显示器背板上装有多组风扇用于散热极光n在地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉在地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉它轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的、蓝的、绿的、紫的光它轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的、蓝的、绿的、紫的光芒这种壮丽动人的景象就叫做极光芒这种壮丽动人的景象就叫做极光 n这美丽的极光景色是太阳与大气层合作表演出来的作品太阳风这美丽的极光景色是太阳与大气层合作表演出来的作品太阳风是太阳喷射出的带电粒子，是一束可以覆盖地球的强大的带电亚是太阳喷射出的带电粒子，是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒原子颗粒流太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400400公公里的速度撞击地球磁场大气受到太阳风的轰击后会发出光芒，里的速度撞击地球磁场大气受到太阳风的轰击后会发出光芒，形成极光形成极光 n极光通常在高纬度的地区出现，它们与太阳风引致的地磁活动有极光通常在高纬度的地区出现，它们与太阳风引致的地磁活动有关当来自太阳的带电荷粒子（主要是电子）与地球大气层的空关当来自太阳的带电荷粒子（主要是电子）与地球大气层的空气粒子碰撞，生成不同颜色的光，这便是极光。

极光的形状取决气粒子碰撞，生成不同颜色的光，这便是极光极光的形状取决于带电荷粒子的移动方向及磁场的变化，而极光的颜色则视乎大于带电荷粒子的移动方向及磁场的变化，而极光的颜色则视乎大气层的空气粒子状况氧能释出绿光及红光，氮则释出紫红色光气层的空气粒子状况氧能释出绿光及红光，氮则释出紫红色光和蓝光 aq超导n超导现象超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温度（Tc）超导现象的特征是零电阻零电阻和完全抗磁性抗磁性n高温超导高温超导接近室温的超导一般超导合金在接近绝对零度时电阻为零，所以在其应用上会遇到制冷等问题的障碍高温超导研究为现代科学的热门课题n  1986年1月德国科学家约翰内斯·格奥尔格·贝德诺尔茨和瑞士科学家卡尔·亚历山大·米勒发现陶瓷性金属氧化物可以作为超导体，从而获得了1987年诺贝尔物理学奖 超流n超流体超流体是一种物质状态物质状态，特点是完全缺乏黏性如果将超流体放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动它能以零阻力通过微管，甚至能从碗中向上“滴”出而逃逸n超流体是被 彼得·卡皮查、约翰约翰· 艾伦艾伦和冬冬·麦色纳麦色纳在1937年发现的。

有关超流体的研究被称为量子流体力学量子流体力学           谢 谢！。