中国 “山东常林” 钻石 (diamond)

第六讲：量子力学应用举例（下） (条件好坏与成就大小)

1. 晶体管原理

晶体 (crystal ) 原子按某一规律周期性地排列

电周期振荡 晶体

压电效应

电致伸缩效应

. . . . . . V

中国 “山东常林” 钻石 (diamond)

伟大的“非洲之星”

红宝石 (Ruby)

三氧化二铝（ Al2O3 ）晶体，因含微量元素铬 (Cr 3+ ) 而成红至粉红色。

蓝宝石 (Sapphire)三氧化二铝（ Al2O3 ）晶体，因含微量元素钛（ Ti 4

+ ）或铁（ Fe 2+ ）而呈藍色。

水晶 (Rockcrystal)

无色透明二氧化硅 (SiO2) 晶体

Single crystal silicon disks

半导体： 导电能力介于导体（如金、银、铜等）和

绝缘体 (如陶瓷、橡胶、塑料等）之间的物质。

硅 Si 锗 Ge:

2 8 4 2 8 18 4

原子核对最外层 4个电子的束缚，不象金属那样松（电子气），

也不象绝缘体那样紧（满壳层） 半导体

能量

导体绝缘体 半导体

能隙

R

T

阻 – 温特性

半导体 金属

纯净的硅或锗中掺入少量三价（硼等）或五价元素（磷等）

半导体 电阻率急剧下降

电阻 Ω（ ） 103

102

101

100

1014 1016 1018 掺杂量（cm2）

纯净半导体中掺入少量三价元素（硼等）

p型半导体

纯净半导体中掺入少量五价元素（磷等）

n型半导体

硅原子 硼原子

硅片 硼片

加热电热丝

扩散原理示意图

这种在现代微电子产业中不可缺少的扩散方法使 人联想起中国几千年来腌制食品(如咸鸭蛋等)的传统 工艺,盐(氯化钠)分子在食品中的扩散规律正是这种 绝妙加工技术的物理基础!

古老的中医学采用外帖膏药(如狗皮膏药等)治疗 关节炎等疾病的方法也与分子扩散原理有关!

想不到一个小小的咸鸭蛋、一块薄薄的狗皮膏药 竟显示了中国古代人民的智慧,记录了中国人最早发现 和利用分子扩散原理的悠久历史!

（1）p - n结（晶体二极管） 结构： p n

p - n结 符号：

P—N结的单向导电特性(热敏、光敏、电光等)： 电流 I 电压 U

例： Josephson结 GMR（巨磁电阻） 表面物理

(a) B = 0 (b) B = 0

电子及取向

Fe

Cu

Fe

自旋电子学

10 月 9 日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩皇家科学院议事厅宣布，将 2007 年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿尔贝 · 费尔和德国科学家彼得 · 格林贝格尔，以表彰他们发现“巨磁电阻”效应。

（2） p– n– p或 n– p– n型三极管

n p n p n p 结构： e c e c b b e — 发射极； b — 基极； c — 集电极 符号： c c b b e e

三极管放大示意图 R1

电源

R2

集成电路芯片微观结构

“ 汉芯”造假事件已经定论 !中国人何时能制造出具有自己知识产权的 CPU ?

新华网上海 2006年 5月 12日电 上海交通大学 12日向新华社记者通报了 “汉芯”系列芯片涉嫌造假的调查结论与处理意见。 调查显示，陈进在负责研制“汉芯”系列芯片过程中存在严重的造假和欺骗 行为，以虚假科研成果欺骗了鉴定专家、上海交大、研究团队、地方政府 和中央有关部委，欺骗了媒体和公众。 上海交大决定，撤销陈进上海交大微电子学院院长职务；撤销陈进的教授 职务任职资格，解除其教授聘用合同。 科技部根据专家调查组的调查结论和国家科技计划管理有关规定，已决定 终止陈进负责的科研项目的执行，追缴相关经费，取消陈进以后承担国家 科技计划课题的资格； 教育部决定撤销陈进“长江学者”称号，取消其享受政府特殊津贴的资格， 追缴相应拨款；国家发展改革委决定终止陈进负责的高技术产业化项目的 执行，追缴相关经费。

目前，最小晶体管的直径约为 1.2× 10- 7 m。 元器件小型化的极限是什么？

(3) 应用： ……计算机、航天、军事、通讯、自控、

器件尺寸（米）

1 真空电子学 10-2

固体电子学 10-4

10-6 微电子学

10-8 介观电子学 10-10 分子电子学

1940 1960 1980 2000 2020 （年）

电子器件发展历史

2. 纳米物理基本思想

（科学探索的魅力-----不确定性！）

介观系统: 尺寸约 10 - 7—10 - 9 米 （可人工制备）

当物理系统(或元器件)的尺寸接近电子波长时，

电子的波动性开始显现，此时的电子具有干涉、衍

射、相位记忆、自旋取向等特征，从而导致明显的

量子效应。

（1）介观纳米元器件的奇特效应

(a) 分裂能级

量子点（人造原子）

直径 ~ 10 nm

电子能级 ~ 0.05 — 0.1 meV

量子点的能级是分裂的；

电流通过时，具有明显的量子点结构特征!

被称为量子点的某些纳米半导体颗粒因其大小不同，而发射不同颜色的光。用它来标记生物分子可起到条型码似的识别作用。 ( 量子点条形码 )

B

i电子波永不消失：

ph

（b）电子波相干性 --- 量子相干器件

▲ 介观环：

（c） 系统尺寸减少，表面的原子数

多于内部原子数，表面效应明显 !

(2) 介观纳米 元器件的制备

● 雕刻

采用激光雕刻的单细胞公牛栩栩如生 , 长度仅 10 微米 !( 日本大板大学 )

柯尔 (R.F.Carl) 美国人、斯莫利 (R.E.Smalley) 美国人、克鲁托（ H.W.Kroto) 英国人，因发现碳元素的第三种存在形式—C60 ( 又称“富勒烯”“巴基球”）而获 1996 年诺贝尔化学奖 .

● 自然形成

C60

1990年国际上发现了 C60。几个月后，中国 的许多研究机构在没有增添任何设备的情况下， 也制备出了 C60。由此我们可以推论：C60没有 诞生在中国与中国当时的实验条件没有关系。

我们已经失去了一次又一次的机会！如果我们 不抓紧时间，不努力改进自身的科学素养，不奋力

“ ”拼搏，而还在那里大声疾呼 条件不够 的话，那么 毫无疑问，我们还将失去更多的机会！

瑞典皇家科学院 10 月 5 日宣布，将 2010 年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈 · 海姆和康斯坦丁 · 诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。 http://www.sina.com.cn  2010 年 10 月 05 日 18:41   新华网

安德烈 - 盖姆

康斯坦丁 - 诺沃肖洛夫

碳 60 、碳管、石墨烯、石墨

R. Q. Hwang 等Phys. Rev. Lett. 67, 3279 (1991)( 德国慕尼黑大学 )

Au 原子凝聚体

H. Röder et al., Nature 366(11), 141(1993)(Switzerland)

Ag 原子凝聚成介观体系 ;

Cu 原子凝聚成原子线 .

73×57 μm

银原子在液体表面凝聚成了特征介观系统 !Physical Review Letters 81, 622 (1998)( 浙江大学 )

0,0 2,0x103 4,0x103 6,0x103 8,0x103

0,01

0,1

Slope Of = 1.7x10-4 + 0.1x10-4 s-1

(central area)

clus

ter d

ensi

ty (

m-2)

diffusion time (s)

0,0 4,0x103 8,0x103 1,2x104

0,01

0,1Slope Of = 1.1x10-4 + 0.1x10-4 s-1

(near the sample edge)

clus

ter d

ensi

ty (

m-2)

n = n0exp(- Of t)  

Ag cluster density n decays exponentially with time t on a charged oil surface !

Nucleation andGrowth of Molecular OrganicCrystalsin a Liquid FilmunderVapor DepositionM.Voigt et al., PRL 91, 026103 (2003)( 德国玻恩大学 )

(from Canada and USA)

在液相基底表面沉积薄膜和制备介观纳米元器件的实验装置十分简单 !

热牛奶冷却后 , 表面形成一层薄膜。该常见现象提示 : 采用液体作为金属薄膜的基底 !

= 有可能 ！

基本上不可能 一般不太可能 原则上不可能 可能性极小 可能性几乎为零 几乎没有可能 大家都认为不可能 希望十分渺茫 从来没听说过 … …

探索风险 难度

竞争人数 难度/1

成功概率！=

百分之百的努力,为了

百分之一的成功概率 ！

120×70 μm2

生长在硅油上的铁薄膜表面形貌犹如一幅艺术画 , 美不胜收 !画中所包含的物理规律深刻而玄妙 !

浙江大学液面镀膜实验室十分简陋 !该实验室在玉泉校区教十二 332室 , 欢迎光临 !

● 扫描隧道显微镜（ STM, B. Binnig and H. Rohrer ） 原理：针尖与基底之间的量子隧道电流

压电晶体扫描架針尖

基底 隧道电流

STM 探针的放大图

硅晶体表面结构的 STM照片 (IBM公司首先获得 )

石墨烯的 STM照片

在镍晶体 (110) 表面用 STM 针尖操作氙原子 ,形成 IBM 三个“原子字母” !(IBM)

用 STM 针尖操作一氧化碳分子 , 绘出世界上最小的一幅画 : IBM 分子人 !

(IBM)

● 原子光子学

Atom waveguide made of a micron-sized hollow-core optical fiber, which may be used as a cavity for an atom laser.

Atom lithography using intense cold atoms out of atom waveguide.

Atom holography using coherent atoms out of atom waveguide.

Atom microscopy using intense, coherent atomsout of atom waveguide.

介观及分子电子学时代 即将到来 !

讨论题：

（1） “讨论 条件好坏” 与“ 成就大小” 之间 的辩证关系。

（2） “试讨论 模仿” 的合理性与“ 被模仿” 的责任感。