火狐体育首页进入:如何用物理的办法制造一个千层蛋糕

　　选用的食材也是多种多样，一般来讲，能够将食材或完整地烹饪，或切块、切片、切丝；或剁碎；或研磨成粉、成泥再加工。

　　关于物理学家来说，许多重要的物理都隐藏在林林总总的材猜中。比方金属、半导体、超导体，或许说块状单晶、多晶合金、薄膜资料、纳米片中。

　　而制造这些资料的进程也就像“炒菜”相同：将各样的化合物，像食材相同进行一些加工。

　　将化学质料经过一系列办法分化、组成使其产生化学反响，然后将不同的元素组合在一同。终究进行各种办法处理得到终究想要的资料或样品。

　　从材猜中发现新物理，运用资料开展新技术。林林总总的资料不也是物理学家眼中的“美食”嘛？

　　在煮饭之前咱们要确认运用的食材，制造资料也相同，第一步便是选用适宜的反响质料。

　　固相组成法便是整个反响进程原资料和产品都处于固态。（正如将不同的食材切碎混在一同做一盘炒菜相同）

　　首要将反响质料依照必定的化学计量份额混合在一同，一般质料都是粉末状的化学药品。

　　值得注意的是，假如反响质料简单氧化、湿润，则需求在充溢惰性气体的手套箱中进行药品称量及混合进程。

　　只要不同质料颗粒之间的触摸面上的分子才有机会同别的一种分子产生化学反响。所以需求将质料之间的粉末颗粒充沛混合均匀。

　　然后再加热至必定的温度增强分子热运动，促进颗粒表层分子之间的离子涣散，然后产生化学反响。

　　在反响一段时刻后，一般再将其研磨后混合均匀，并再次压片加热，然后重建反响界面，缩短离子涣散的时刻。

　　加热或终究的结晶烧结进程一般是将压好的片放入到坩埚或许石英管中，再放入到马弗炉中进行加热。

　　界面上的分子不断反响生成产品，产品的堆集就会构成晶核，在不断的反响进程中，晶核就会长大，终究构成晶体。

　　比方，能够经过将晶体溶解于特定的高温熔盐内，构成高温“溶液”，经过降温或许溶剂蒸腾使“溶液”处于过饱和状况，溶液就会分出晶体。

　　籽晶是一种小的单晶或多晶资料，运用籽晶促进晶体成长，避免了天然晶体成长的缓慢随机性。

　　这是因为在引进一个现已预先构成的方针晶体后，分子间的彼此作用比依赖于随机运动更简单构成 [2]。

　　成长单晶还能够选用光学浮区法，也便是将光源经过椭球面反射，构成在中心狭隘区域温度高，边际温度低的区域。

　　将多晶料棒置于中心高温区，其被加热熔成液体，移动料棒熔融的化合物在籽晶上从头结晶，完结单晶成长 [3]。

　　比较于三维的块状晶体，薄膜资料在厚度方向上的原子摆放的周期性消失，导致其会呈现对应块体资料所不具备的特性，这使得薄膜资料是凝聚态物理研讨中不可或缺的部分。

　　成长薄膜的基本原理是经过加热或运用离子、激光炮击的办法使原子或分子脱离靶材，终究堆积在某种的衬底上。

　　经过先后顺序堆积不同物质的原子分子还能够构建薄膜异质结，即由两种物质组成的界面。以此能够探查某些界面效应。

　　实验室中常用的薄膜制备办法有真空蒸腾、离子团束成长、化学气相堆积、磁控溅射、分子束外延及激光分子束外延等办法 [4]。

　　因为薄膜成长的进程都需求原子和分子充满在环境中堆积在衬底上，所以需求在高真空的环境下进行。

　　真空蒸腾的办法便是在真空环境中，将样品经过加热蒸腾的办法使原子自在、无磕碰地堆积到顶部衬底上，常用来蒸镀金属电极。

　　离子团束成长是指将高温加热资料构成的蒸汽喷射到高真空中构成数千个原子组成的原子团束，然后经过电离构成离子团束，终究用电场加快后以高速堆积到衬底外表。

　　磁控溅射是指在磁场中，运用电子磕碰电离出的Ar 离子以高速炮击靶材，然后溅射出许多靶材原子堆积到衬底外表。

　　分子束外延则是经过加热蒸腾裂解或电子束炮击的办法激起靶材，使固体资料变成气态原子或分子，堆积在衬底上。

　　激光分子束外延的办法便是在真空环境中，选用脉冲激光冲击靶资料，靶材吸收激光能量后会被电离，产生包括离子、分子、电子、原子及团簇的等离子体羽辉。

　　在薄膜成长进程中，首要将用于成长薄膜的衬底加热到必定温度，然后在腔体里通入活动的氧气确保必定的氧压力。将靶材放置于衬底的正下方方位，然后用脉冲激光照射靶材。

　　因为等离子体羽辉具有高度定向性和和细密的形状，然后会在真空室中敏捷胀大以简直笔直的方向堆积在衬底外表。然后成长出质量极高的单晶薄膜 [7]。

　　原子在衬底上堆积成薄膜的进程，分为下图四种类型。导致不同成长进程的原因为衬底温度、堆积速率、成长压强、衬底外表平坦度等。

　　所以在薄膜成长的进程，一般要运用反射式高能电子衍射体系（RHEED）来实时监控成长进程。一般在越平坦的薄膜外表越简单看到振荡的 RHEED 图画。

　　取得纳米级二维资料的办法还有剥离法。也便是将一层层原子从块材晶体上剥离下来。

　　最著名的剥离手法莫过于 2004 年英国 Geim 团队初次运用通明胶带重复张贴折叠得到的单层石墨烯了。现在运用通明胶带张贴进行薄膜制备也是实验室常见的手法。

　　比方将资料粉末悬浮液涣散在有机溶剂中，在球磨进程中运用涡流的剪应力剥离纳米片 [9]。

　　或许在超声的辅佐下使不易水解的物质能够在水中溶解，然后完成愈加有用剥离 [9]。

　　例如关于一些含铁的晶体，铁离子可能会存在于晶体层间的空隙中然后改动晶体的磁性或许影响其性质；或许一些晶体在烧结进程中因为环境缺氧导致其内部呈现许多缺点然后对其功能晦气 [10]。

　　这时能够选用退火的办法，也便是将资料再置于必定的气体气氛，在较低的温度下坚持一段时刻，即可将晶体内部的缺点削减，以进步资料功能。

　　关于一些资料，比方半导体，在制造好本征资料后还要对其进行掺杂。比方掺杂成p 型或 n 型半导体，才干进一步制造器材。

　　这时能够经过离子注入的办法进行掺杂，关于半导体来说，离子注入是首要的掺杂和调控手法。

　　离子注入进程首要要纯化离子束，离子源产生一些特定的正负离子后，比方氮、硼、砷、磷和锗等离子，在可调理强电场的加快下构成具有必定动能的离子束流 [11]。

　　随后，使被加快的离子束流的入射方向会与方针晶体外表呈必定的偏角，并均匀地辐照在晶体的外表上。

　　离子在穿透晶体后，会与晶体中的原子产生一系列杂乱的磕碰和散射，所以会终究停留在晶体内部的某个方位，然后完成对晶体的离子掺杂 [11]。

　　相同的，在制备好了咱们所需的资料后，需求用一些办法对这些资料进行表征，以查验咱们制造的样品的质量。

　　因为可见光波长存在衍射极限，其空间分辩才能是有限的。所以要想看到更微观更明晰的样品描摹，能够运用波长更短的电子束制造显微镜，也便是扫描电子显微镜。

　　因为X 射线的波长与晶体中原子间的间隔处于同一量级，所以 X 射线在晶体中十分简单产生衍射现象。根据此能够经过X 射线衍射图谱确认样品的晶格结构。

　　原子力显微镜的探针是由数个原子组成的尖锥。当探针在样品外表移动，遇到样品外表的凹凸崎岖，探针原子和样品外表上的原子之间的彼此作用力就会不同。再将这个作用力巨细转换成电信号，经过模仿软件就能够得到样品的外表描摹。

　　当光入射到晶体中时，激光就可能与固体平分子键、晶格声子产生彼此作用。然后导致出射光的波长产生改动，这便是产生了拉曼散射。

　　因为不同物质分子键的振荡能量或声子等的能量不同，所以经过剖析拉曼光谱中激光的频率改动，和峰强等信息就能够判定不同的物相。

　　收成了这么多制造和品鉴物理学“美食”的办法，下一年岁除要不要再摆一桌物理“美食大餐”呢？

　　[1] 新式光学晶体资料 BaTeW2O9的晶体成长与功能表征，张中晗，山东大学硕士论文，2016 年

　　[3] Ba 基钙钛矿氧化物单晶的高压制备与物性研讨，覃湜俊，中国科学院大学博士论文，2022 年

　　[6] 新式固态化锂二次电池及相关资料的制备与功能研讨，谭国强，北京理工大学博士论文，2014 年

　　[7] BiFeO3基多层膜的激光法制备及界面效应研讨，姚小康，中国科学院大学博士论文，2022 年

　　[9] 氮化硼纳米片的制备及其性质研讨，杜淼，山东大学博士论文，2013 年

　　[10] FeSe 基超导资料制备及其功能优化，邵柏淘，西安理工大学硕士论文，2019 年

　　[11] 硼离子注入对碳化硅外延石墨烯的物性调控及相关表征，郭云龙，中国科学院大学博士论文，2021 年