物理学与现代高科技课件

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1、物理学与现代高科技物理学与现代高科技物理学与现代高科技主要内容主要内容l 一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用l 二、几个主要的物理技术系统二、几个主要的物理技术系统l 三、物理学与现代高新技术三、物理学与现代高新技术l 四、物理学与高科技发展的典型案例四、物理学与高科技发展的典型案例l 五、物理学与高科技发展的回顾与展望五、物理学与高科技发展的回顾与展望主要内容 一、物理效应及其技术应用1 1、光电效应、光电效应光照射到某些物质上，引起物光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人

2、们统称为光电电变的现象被人们统称为光电效应（效应（Photoelectric Photoelectric effecteffect）。）。一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用1、光电效应光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也光电倍增管光电倍增管光敏电阻光敏电阻一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用光电倍增管光敏电阻一、物理效应及其技术应用2 2、 电光效应电光效应 将物质置于电场中时，物质的光学性质发将物质置于电场中时，物质的光学性质发生变化的现象称为电光效应。生变化的现象称为电光效应。电光效应实验仪电光效应实验仪一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用

3、2、 电光效应 将物质置于电场中时，物质的光学性质发生发光二极管发光二极管半导体激光器半导体激光器一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用发光二极管半导体激光器一、物理效应及其技术应用3 3、 磁光效应磁光效应 磁光效应（磁光效应（Magneto-optical effectMagneto-optical effect）是指）是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括磁光克尔效应、法拉第起的各种光学现象。包括磁光克尔效应、法拉第效应、塞曼效应和科顿效应、塞曼效应和科顿- -穆顿效应等。这些效应穆顿效应等。这些效应均起源

4、于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。联系。磁光盘磁光盘一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用3、 磁光效应 磁光效应（Magneto-optica磁光存储原理磁光存储原理磁光存储原理4 4、 磁电效应磁电效应 由磁场引发电变（包括产生电由磁场引发电变（包括产生电动势、电阻变化等）的现象称为磁动势、电阻变化等）的现象称为磁电效应（电效应（magneto-electric effect magneto-electric effect ）。）。一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用4、 磁电效应 由磁场引发电变（包括产生电动势、电阻

5、变Edwin Hall（18551938） 霍尔效应是霍尔霍尔效应是霍尔 (Hall)24(Hall)24岁时在美国霍普岁时在美国霍普金斯大学研究生期间，研金斯大学研究生期间，研究关于载流导体在磁场中究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种的受力性质时发现的一种磁电现象。磁电现象。Edwin Hall（18551938） 霍尔霍尔效应原理霍尔效应原理l当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被

6、叫做霍尔电势差。被叫做霍尔电势差。霍尔效应原理当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场巨磁阻效应巨磁阻效应GMR GMR （Giant Magneto ResistanceGiant Magneto Resistance）l所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。l非常弱小的磁性变化非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。的电阻变化。4 4、 磁电效应磁电效应一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术

7、应用巨磁阻效应GMR （Giant Magneto ResisGMR GMR 效应效应l巨磁阻是一种巨磁阻是一种量子力学量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。l这种结构是由这种结构是由铁磁材料铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，铁磁层的磁矩相互平行时，载流子载流子与与自旋自旋有关的有关的散射散射最小，最小，材料有最小的电阻。材料有最小的电阻。l当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料

8、。的电阻最大。上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。l铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。4 4、 磁电效应磁电效应一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用GMR 效应巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜物理学与现代高科技课件5 5、 热电效应热电效应 由热引起电变（如由热引起电变（如产生电动势）的现象称产生电动势）的现象称为热电效应。其中，塞为热电效应。其中，塞贝克效应是指由于两种贝克效应是指由于两种不同电导体或半导体的不同电

9、导体或半导体的温度差异而引起两种物温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现质间的电压差的热电现象。象。 利用这种效应可以制利用这种效应可以制成热点偶，温差电池等。成热点偶，温差电池等。一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用5、 热电效应 由热引起电变（如产生电动势）的现象称为热电效应发电热电效应发电一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用5 5、 热电效应热电效应热电效应发电一、物理效应及其技术应用5、 热电效应6 6、磁热效应、磁热效应 由磁场致热的由磁场致热的现象称为磁热效应。现象称为磁热效应。如爱迁豪森效应如爱迁豪森效应: :将将带流样品置于磁场带流样品置于磁场中时，样

10、品中出现中时，样品中出现温度梯度。温度梯度。室温绝热去磁制冷机室温绝热去磁制冷机一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用6、磁热效应 由磁场致热的现象称为磁热效应。如爱迁豪森7 7、力（声）电（磁）效应、力（声）电（磁）效应 由力（声）作用，由力（声）作用，产生电位差，或者应力产生电位差，或者应力引起电阻率、磁化强度引起电阻率、磁化强度变化的现象，以及反之，变化的现象，以及反之，电（磁）作用产生应力、电（磁）作用产生应力、伸缩的现象称为力（声）伸缩的现象称为力（声）电（磁）效应。电（磁）效应。超声波发生器超声波发生器一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用7、力（声）电（磁）效

11、应 由力（声）作用，产生电位差，压电效应压电效应l 某些电介质某些电介质, , 当沿着一定方向对其施力而使它变当沿着一定方向对其施力而使它变形时形时, , 其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移）对位移）, , 同时在它的两个表面上便产生符号相反的同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷电荷, , 当外力去掉后当外力去掉后, , 其又重新恢复到不带电状态，其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称这种现象称压电效应压电效应。l 压电效应压电效应压电效应 某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它正压电效应和逆压电效应正压电效应和逆压电效应 当当作作用

12、用力力方方向向改改变变时时, , 电电荷荷的的极极性性也也随随之之改改变变。 这这种种机械能转为电能的现象机械能转为电能的现象, , 称为称为“正压电效应正压电效应” 当当在在电电介介质质极极化化方方向向施施加加电电场场, , 这这些些电电介介质质也也会会产产生生变变形形, , 这这种种现现象象称称为为“逆逆压压电电效效应应”（电电致致伸伸缩缩效效应应）。可可将将电电能能转转换换为为机机械械能能。具具有有压压电电效效应应的的材材料料称称为为压压电电材材料料, , 压压电材料能实现机电材料能实现机电能量的相互转换。电能量的相互转换。压电效应压电效应_y+ 逆压电效应逆压电效应正压电效应和逆压电效

13、应 当作用力方向改变时, 电荷 在在自自然然界界中中大大多多数数晶晶体体具具有有压压电电效效应应, , 但但压压电电效效应应十十分分微微弱弱。随随着着对对材材料料的的深深入入研研究究, , 发发现现石石英英晶晶体体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分磁致伸缩效应磁致伸缩效应l磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象为磁致伸缩效应。为磁致伸缩效应。Fe 随磁场强度随磁场强度的增大而的增大而伸长伸长Ni 随磁场强度随磁场强度的增大而缩短的增大而缩

14、短为磁致伸缩系数为磁致伸缩系数常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为1010-8-8-10-10-6-6磁致伸缩效应磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象为常用磁致伸缩材料常用磁致伸缩材料常用磁致伸缩材料常用磁致伸缩材料镍镍铁镍铁镍铁铝铁铝铁钴钒铁钴钒铁氧体铁氧体常用磁致伸缩材料常用磁致伸缩材料镍铁镍铁铝铁钴钒铁氧体磁致伸缩材料的应用磁致伸缩材料的应用在磁（电）在磁（电） - - 声换能器中的应用声换能器中的应用 声纳、超声换能器、扬声器等。声纳、超声换能器、扬声器等。在磁在磁( (电电) - ) - 机械致动器中的应用机械致动器中的应用 精

15、密流体控制、超精密加工、超精密定位、机器精密流体控制、超精密加工、超精密定位、机器人、精密阀门、微马达以及振动控制等工程领域。人、精密阀门、微马达以及振动控制等工程领域。传感器敏感元件传感器敏感元件 超磁致伸缩材料除用于驱动之外，利用其磁致伸超磁致伸缩材料除用于驱动之外，利用其磁致伸缩效应或逆效应还可以制作检测磁场、电流、应变、缩效应或逆效应还可以制作检测磁场、电流、应变、位移、扭矩、压力和加速度等的传感器敏感元件。位移、扭矩、压力和加速度等的传感器敏感元件。 磁致伸缩液位传感器，可实现对液位的高精度计磁致伸缩液位传感器，可实现对液位的高精度计量量, ,其测量分辨率高于其测量分辨率高于0.11

16、 mm0.11 mm。磁致伸缩材料的应用在磁（电） - 声换能器中的应用8 8、声光效应及光声参考系效应、声光效应及光声参考系效应 声波在物质中传播时会引起光的传播特性发生变声波在物质中传播时会引起光的传播特性发生变化的现象称为声光效应。化的现象称为声光效应。 用强度被调制的光照射介质（气体、液体或者固用强度被调制的光照射介质（气体、液体或者固体），会在介质中产生声信号，这种光转为声的现象体），会在介质中产生声信号，这种光转为声的现象称为光声效应。称为光声效应。 观测者相对于光（声）源运动时，光（声）频率观测者相对于光（声）源运动时，光（声）频率改变的现象称为光（声）参考系效应，也叫多普勒效改

17、变的现象称为光（声）参考系效应，也叫多普勒效应。应。一、物理效应及其技术应用一、物理效应及其技术应用8、声光效应及光声参考系效应 声波在物质中传播时会引起1 1、传感技术、传感技术信息获取（传感器）信息获取（传感器）信息转换（放大器、变换器）信息转换（放大器、变换器）信息处理（调节器、数据分析议、计算机）信息处理（调节器、数据分析议、计算机）信息显示（指示器、记录仪、报警器）信息显示（指示器、记录仪、报警器）二、几个主要的物理技术系统二、几个主要的物理技术系统1、传感技术信息获取（传感器）二、几个主要的物理技术系统压力传感器压力传感器温度传感器温度传感器压力传感器温度传感器2 2、微波技术、微

18、波技术微波检测技术（微波物位计）微波检测技术（微波物位计）微波加工技术（微波杀菌、加热）微波加工技术（微波杀菌、加热）微波通信技术微波通信技术雷达波隐身技术雷达波隐身技术二、几个主要的物理技术系统二、几个主要的物理技术系统2、微波技术微波检测技术（微波物位计）二、几个主要的物理技术微波物位计微波物位计微波杀菌微波杀菌微波物位计微波杀菌3 3、红外技术、红外技术红外探测技术（红外探测器）红外探测技术（红外探测器）红外照相技术（红外摄像机）红外照相技术（红外摄像机）二、几个主要的物理技术系统二、几个主要的物理技术系统红外探测器红外探测器红外摄像头红外摄像头3、红外技术红外探测技术（红外探测器）二、

19、几个主要的物理技术4 4、超声技术、超声技术 超声波是频率高于超声波是频率高于20000Hz20000Hz的声波，它方的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。军事、工业、农业上有很多的应用。二、几个主要的物理技术系统二、几个主要的物理技术系统4、超声技术 超声波是频率高于20000Hz的声波，它超声波探测器超声波探测器超声波探测超声波探测超声波探测器超声波探测超

20、声波焊接器超声波焊接器超声波清洗器超声波清洗器超声波焊接器超声波清洗器5 5、激光技术、激光技术激光检测技术（激光测距、激光测速）激光检测技术（激光测距、激光测速）激光加工技术（激光处理、激光焊接）激光加工技术（激光处理、激光焊接） 激光是激光是2020世纪世纪6060年代的新光源。由于激光具有方年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好等特点而得到广泛应用向性好、亮度高、单色性好等特点而得到广泛应用. .利用激光特性发展起来的技术系统叫做激光技术。主利用激光特性发展起来的技术系统叫做激光技术。主要包括：要包括：二、几个主要的物理技术系统二、几个主要的物理技术系统5、激光技术激光检测

21、技术（激光测距、激光测速） 激光是激光测距激光测距激光雕刻激光雕刻激光测距激光雕刻 激光及其应用：激光及其应用：激光激光Laser, Laser, 镭射镭射 特点特点方向性强方向性强 穿透力强穿透力强 功率密度高功率密度高 线宽窄线宽窄用途用途生活、科研的方方面面：激光切割、生活、科研的方方面面：激光切割、 激光唱片、激光测距仪、激光手术激光唱片、激光测距仪、激光手术 激光枪、激光炮激光枪、激光炮 军用高能激光器军用高能激光器 激光及其应用：激光Laser, 镭射 特点方向性强用途三超激光三超激光超高强度超高强度 10102222W/cmW/cm2 2 超短脉冲超短脉冲 fs, asfs, a

22、s 超短波长超短波长 10100 010101 1nmnm用途：用途： 激光武器激光武器 跟踪核振动、电子跟踪核振动、电子 研究生物分子研究生物分子 激光操控激光操控 立体反应动力学立体反应动力学三超激光超高强度 1022W/cm2用途： 激光武器6 6、 光纤技术光纤技术 光纤是光导纤维的简写，是一种光纤是光导纤维的简写，是一种利用石英、玻璃等光透射率很高的介利用石英、玻璃等光透射率很高的介质拉制而成的极细纤维。利用光纤在质拉制而成的极细纤维。利用光纤在外界环境（温度、电磁场等）的变化外界环境（温度、电磁场等）的变化时光波量（光强、频率等）产生变化时光波量（光强、频率等）产生变化的性质形成的

23、技术称为光纤技术。主的性质形成的技术称为光纤技术。主要包括：要包括：光纤通信技术光纤通信技术光纤传感技术光纤传感技术二、几个主要的物理技术系统二、几个主要的物理技术系统6、 光纤技术 光纤是光导纤维的简写，是一种利用石英、光纤传感器光纤传感器光缆光缆光纤传感器光缆7 7、等离子体技术、等离子体技术 等离子体技术（等离子体技术（plasma technologyplasma technology）是应用等）是应用等离子体发生器产生的部分电离等离子体完成一定工离子体发生器产生的部分电离等离子体完成一定工业生产目标的手段。业生产目标的手段。 等离子体的温度高，能提供高焓值的工作介质，等离子体的温度高

24、，能提供高焓值的工作介质，生产常规方法不能得到的材料，加之有气氛可控、生产常规方法不能得到的材料，加之有气氛可控、设备相对简单、能显著缩短工艺流程等优点，所以设备相对简单、能显著缩短工艺流程等优点，所以等离子体技术有很大发展。等离子体技术有很大发展。 等离子体技术包括等离子体产生和等离子体应等离子体技术包括等离子体产生和等离子体应用的技术，主要有：用的技术，主要有： 磁流体发电磁流体发电 等离子体机械加工等离子体机械加工 等离子体冶金等离子体冶金 二、几个主要的物理技术系统二、几个主要的物理技术系统7、等离子体技术 等离子体技术（plasma tech等离子切割等离子切割等离子电视等离子电视等

25、离子切割等离子电视8 8、空间技术、空间技术人造地球卫星人造地球卫星载人飞船载人飞船空间探测器空间探测器 空间技术是探索、开发和利用宇宙空间的技术，空间技术是探索、开发和利用宇宙空间的技术，又称为太空技术和航天技术。目的是利用空间飞行器又称为太空技术和航天技术。目的是利用空间飞行器作为手段来研究发生在空间的物理、化学和生物等自作为手段来研究发生在空间的物理、化学和生物等自然现象。空间飞行器主要有以下三类：然现象。空间飞行器主要有以下三类：二、几个主要的物理技术系统二、几个主要的物理技术系统8、空间技术人造地球卫星 空间技术是探索、开发和利用宇美国的旅行者美国的旅行者空间空间探测器探测器美国的旅

26、行者空间探测器 作为相对独立的技术系统还有核技术、加速作为相对独立的技术系统还有核技术、加速器技术、超导技术、半导体微电子技术等等。器技术、超导技术、半导体微电子技术等等。核电站核电站核磁共振核磁共振 作为相对独立的技术系统还有核技术、加速器技术、超导技l现代高新技术定义：是对知识密集、技术现代高新技术定义：是对知识密集、技术密集类产业及其产品的通称。是那些对一密集类产业及其产品的通称。是那些对一个国家军事、经济有重大影响，具有较大个国家军事、经济有重大影响，具有较大的社会意义，能形成产业的新技术。的社会意义，能形成产业的新技术。三、物理学与现代高新技术三、物理学与现代高新技术现代高新技术定义

27、：是对知识密集、技术密集类产业及其产品的通称现代高新技术的特征现代高新技术的特征 1. 1.高经济效益高经济效益2.2.高竞争高竞争3.3.高资本高资本4.4.高风险高风险5.5.高驱动高驱动6.6.高创造性高创造性现代高新技术的特征 1.高经济效益一生物技术一生物技术二微电子技术和计算机技术二微电子技术和计算机技术三现代信息技术三现代信息技术四新材料技术四新材料技术五激光技术五激光技术六空间技术六空间技术七新能源技术七新能源技术八海洋开发技术八海洋开发技术九现代教育技术九现代教育技术十环境保护技术十环境保护技术现代高新技术现代高新技术一生物技术现代高新技术1、生物技术生物技术2、信息技术信息

28、技术3、新材料技术新材料技术4、空间技术空间技术5、新能源技术新能源技术6、海洋开发技术海洋开发技术“六大六大”技术群技术群1、生物技术“六大”技术群物理学与高新技术群体的关系物理学与高新技术群体的关系 物理学的发展，促进了技术的发展，引物理学的发展，促进了技术的发展，引发了一次又一次的产业革命。现代物理学更发了一次又一次的产业革命。现代物理学更是成为高新科技的基础。是成为高新科技的基础。物理学与高新技术群体的关系 物理学的发展，促进了技术的例例1 1、物理学与能源技术、物理学与能源技术（2 2）氢能）氢能 （4 4）水能）水能 （3 3）原子能）原子能 都与太阳能有密切关系都与太阳能有密切关

29、系 能源危机能源危机 （1 1）太阳能）太阳能 太阳能电池太阳能电池 例1、物理学与能源技术（2）氢能 （4）水能 （3）原子能 物理学与现代高科技课件1/201/20亿到达地球大气层亿到达地球大气层 30%30%被大气层反射，被大气层反射， 23%23%被大气层吸收，被大气层吸收，其余的到达地球表面，其余的到达地球表面，其功率为其功率为8 810105 5亿亿kWkW，太阳每秒钟照射到地球太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧上的能量就相当于燃烧500500万吨煤释放的热量。万吨煤释放的热量。 太阳能电池：太阳能电池：对光有响应并能将光能转换成对光有响应并能将光能转换成 电力的器件，如硅、

30、砷化镓等电力的器件，如硅、砷化镓等 原理：光原理：光硅原子硅原子电子跃迁电子跃迁电位差电位差电流电流1/20亿到达地球大气层 太阳能电池：对光有响应并能将光能转其其主要优点主要优点有：有： 燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的油的3 3倍，酒精的倍，酒精的3.93.9倍，焦炭的倍，焦炭的4.54.5倍。倍。燃烧的产燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。物是水，是世界上最干净的能源。 资源丰富，氢气可以由水制取资源丰富，氢气可以由水制取 循环利用、持续发展循环利用、持续发展 氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一氢能在二十一世纪有可能在世界能

31、源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。种举足轻重的二次能源。其主要优点有：氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一几大瓶颈及进展：几大瓶颈及进展：制备制备电解水，矿物燃料，生物质制氢，化电解水，矿物燃料，生物质制氢，化工副产品工副产品储存储存气态、低温储氢，金属氢化物，储氢气态、低温储氢，金属氢化物，储氢材料的研制材料的研制运输运输象煤气那样象煤气那样但有自身问题，但有自身问题，特别轻，特别轻， 易泄漏，易泄漏， 液氢的温度极低液氢的温度极低几大瓶颈及进展：制备电解水，矿物燃料，生物质制氢，化工副 例例2 2、物理学与新材料技术、物理学与新材料技术（1 1）高温超导材料）高温超导材料超导现象

32、，临界温度超导现象，临界温度优点优点体积小体积小 重量轻重量轻 效率高效率高缺点缺点材料？材料？ 温度？温度？ 新突破：新突破： 近年来，一种新型的铁基超导材料横空出世，打破了近年来，一种新型的铁基超导材料横空出世，打破了以往传统意义上铜氧化物材料称霸于世的神话。而出乎西方以往传统意义上铜氧化物材料称霸于世的神话。而出乎西方人意料之外的是，这次在舞台上唱主角的，居然是黄皮肤、人意料之外的是，这次在舞台上唱主角的，居然是黄皮肤、黑眼睛的中国人。黑眼睛的中国人。 温 例2、物理学与新材料技术（1）高温超导材料超导现象，临界温（2 2）纳米材料）纳米材料 纳米纳米1010-9-9m m纳米材料纳米材

33、料物质到纳米尺度，物质性能物质到纳米尺度，物质性能 就发生突变。就发生突变。其特殊性能不同于原来组成其特殊性能不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏的原子、分子，也不同于宏观的物质。观的物质。 科学家们发现，当铜、银等科学家们发现，当铜、银等导体做成纳米尺度以后，将导体做成纳米尺度以后，将失去原来的性质。而磁性材失去原来的性质。而磁性材料的磁性要高料的磁性要高10001000倍。倍。 碳纳米管碳纳米管（2）纳米材料 纳米10-9m纳米材料物质到纳米 最近，科学家已经发明了纳米铲子、最近，科学家已经发明了纳米铲子、纳米勺子等，血管机器纳米勺子等，血管机器 人可以在血管里用人可以在血管里用这些工具

34、来进行操作，这就是纳米工具。这些工具来进行操作，这就是纳米工具。 科学家已发明纳米剪刀科学家已发明纳米剪刀 调控生物分子调控生物分子人们经常说的纳人们经常说的纳米洗衣机、纳米米洗衣机、纳米冰箱等，有的有冰箱等，有的有科学依据，大多科学依据，大多数纯粹是商业炒数纯粹是商业炒作！作！纳米新材料纳米新材料 最近，科学家已经发明了纳米铲子、纳米勺子等，血管机物理学与航天物理学与航天例例3 3、物理学与空间技术、物理学与空间技术物理学与航天例3、物理学与空间技术 “长征长征”二号二号F F型火箭载着神型火箭载着神州五号飞船载州五号飞船载人航天器直入人航天器直入云霄。物理学云霄。物理学的基本理论是的基本理

35、论是空间技术的基空间技术的基础。础。 “长征”二号F型火箭载着神州五号飞船载人航天器直入云霄嫦娥二号嫦娥二号物物理理学学与与空空间间科科学学技技术术神州九号嫦娥二号物神州九号四、物理学与现代高科技发展的四、物理学与现代高科技发展的典型案例典型案例1 1、STMSTM的产生背景的产生背景 自从自从19331933年德国科学家年德国科学家RuskaRuska和和KnollKnoll等人在柏林制成第等人在柏林制成第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世。如透射电子显微镜的现代仪器先后问世。如透射电子显微镜(TEM)(TE

36、M)、扫描电子、扫描电子显微镜显微镜(SEM)(SEM)、场离子显微镜、场离子显微镜(FEM)(FEM)等。但任何一种技术在等。但任何一种技术在应用中都会存在这样或那样的局限性。应用中都会存在这样或那样的局限性。 1982 1982年，年，IBM(IBM(国际商业机器国际商业机器) )公司苏黎世实验室的葛公司苏黎世实验室的葛宾尼宾尼(Gerd Binnig)(Gerd Binnig)博士和海博士和海罗雷尔罗雷尔(Heinrich Rohrer)(Heinrich Rohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器析仪器扫描隧

37、道显微镜扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling (Scanning Tunneling MicroscopeMicroscope，简称，简称STM)STM)。案例之一案例之一 STMSTM四、物理学与现代高科技发展的典型案例1、STM的产生背景案l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理、化学性质。态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。l在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的前景，被国际科学界公认为二十世纪八

38、十年的意义和广阔的前景，被国际科学界公认为二十世纪八十年代世界十大科技成就之一。代世界十大科技成就之一。l19861986年，年，STMSTM的发明者的发明者宾尼和和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。被授予诺贝尔物理学奖。2 2、STMSTM的出现的意义的出现的意义葛葛宾尼宾尼(Gerd (Gerd Binning) Binning) 海海罗罗雷雷尔尔(Heinrich (Heinrich Rohrer)Rohrer)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l具有原子级高分辨率。具有原子级高分辨率。l可实时地得到在实空间中表面的三维图象。可实时地得到在实空间中表面的三维图象。l可

39、观察单个原子层的局部表面结构。可观察单个原子层的局部表面结构。l可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中，并且探测过程对样品无损伤。将样品浸在溶液中，并且探测过程对样品无损伤。l配合扫描隧道谱配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)Spectroscopy)可以得到有关表面电子结构的信息。可以得到有关表面电子结构的信息。3 3、STMSTM的优点的优点3、STM的优点4 4、STMSTM的基本原理的基本原理 扫描隧道显微镜的工作原理是基于量

40、子力学的隧道扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应。对于经典物理学来说，当一粒子的动能效应。对于经典物理学来说，当一粒子的动能E E低于前方低于前方势垒的高度势垒的高度V V0 0时，它不可能越过时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。垒，这个现象称为隧道效应。（1 1）隧道效应）隧道效应4、STM的基本原

41、理 扫描隧道显微镜的工作原理是基于 根据量子力学的波动理论，粒子穿过势垒根据量子力学的波动理论，粒子穿过势垒的透射系数的透射系数: : 由式中可见，透射系数由式中可见，透射系数T T与势垒宽度与势垒宽度a a、能量差、能量差（V V0 0-E-E）以及粒子的质量）以及粒子的质量m m有着很敏感的依赖关有着很敏感的依赖关系，随着系，随着a a的增加，的增加，T T将指数衰减。将指数衰减。 根据量子力学的波动理论，粒子穿过势垒 扫描隧道显微镜是将原子线度的极细探针和扫描隧道显微镜是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接

42、近时的距离非常接近时( (通常小于通常小于 1 nm)1 nm)，在外加电，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，形成隧道电流，其大小为：向另一电极，形成隧道电流，其大小为： 式中式中V Vb b是加在针尖和样品之间的偏置电压，是加在针尖和样品之间的偏置电压，S S为为样品与针尖的距离，样品与针尖的距离，是平均功函数，是平均功函数，A A为常数，为常数，在真空条件下约等于在真空条件下约等于 1 1（2 2）隧道电流）隧道电流 扫描隧道显微镜是将原子线度的极细探针和被研究物质 由前式可知，隧道电流强度对针尖和样品由前式可知，隧道电

43、流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，当距离减小之间的距离有着指数的依赖关系，当距离减小 0.1nm0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。，隧道电流即增加约一个数量级。 因此，根据隧道电流的变化，我们可以得因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息。到样品表面微小的高低起伏变化的信息。 视频解说视频解说 由前式可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有5 5、STMSTM的基本结构的基本结构 STM STM 仪器由具有减振系统的仪器由具有减振系统的STM STM 头部头部( (含探针和样含探针和样品台品台) )、电子学控制系统和包括、电子学控制系统和包括

44、A/D A/D 多功能卡的计算机多功能卡的计算机组成。组成。整体结构整体结构5、STM的基本结构 STM 仪器由具有减振系统的Sl压电陶瓷压电陶瓷 由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-zx-y-z扫描控制器件。扫描控制器件。 压电陶瓷材料能以简单的方式将压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V1mV-1000V的电的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。压信号转换成十几分之一纳米到几微

45、米的位移。 重要部件重要部件压电陶瓷 重要部件l三维扫描控制器三维扫描控制器 单管型扫描控制器：陶瓷管的单管型扫描控制器：陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份，内外部电极分成面积相等的四份，内壁为一整体电极，在其中一块电极壁为一整体电极，在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩。伸展或收缩。三维扫描控制器l电子学控制系统电子学控制系统 扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，而后的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电流，在恒电流模式中还要将要不断采集隧道电流，在恒电流

46、模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系统控隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系统控制探针的进与退，从而保持隧道电流的稳定。制探针的进与退，从而保持隧道电流的稳定。所有这些功能，都是通过电子学控制系统来实所有这些功能，都是通过电子学控制系统来实现的。现的。电子学控制系统 6 6、STMSTM的工作模式的工作模式恒流模式恒流模式 利用压电陶瓷控制针尖在样品表面利用压电陶瓷控制针尖在样品表面 x-y x-y 方向扫方向扫描，而描，而 z z 方向的反馈回路控制隧道电流的恒定，当方向的反馈回路控制隧道电流的恒定，当样品表面凸起时，针尖就样品表面凸起时，针尖就会向后退，以保持隧道电流会向后退，

47、以保持隧道电流的值不变，这样探针在垂直的值不变，这样探针在垂直于样品方向上高低的变化就于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏。反映出了样品表面的起伏。6、STM的工作模式恒流模式恒高模式恒高模式 针尖的针尖的 x-y x-y 方向仍起着扫描的作用，而方向仍起着扫描的作用，而 z z 方向则保持绝对高度不变，由于针尖与样品表面方向则保持绝对高度不变，由于针尖与样品表面的相对高度会随时发生变化，的相对高度会随时发生变化，因而隧道电流的大小也会随因而隧道电流的大小也会随之明显变化，通过记录扫描之明显变化，通过记录扫描过程中隧道电流的变化亦可过程中隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布。得到表

48、面态密度的分布。恒高模式7 7、STMSTM的发展的发展SPMSPM原子力显微镜原子力显微镜(AFM)(AFM) 利用一个对微弱力极敏感的微悬臂，其末端有一微小的利用一个对微弱力极敏感的微悬臂，其末端有一微小的针尖，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排针尖，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过扫描时控制这斥力，通过扫描时控制这种力的恒定，同时利用光种力的恒定，同时利用光学检测法可以测得微悬臂学检测法可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品的化，从而可以获得样品的表面形貌的信息。表面形貌的信息。 7、STM的发展SPM原子力显微

49、镜(AFM)STMSTM基础上发展起的基础上发展起的SPMSPMl磁力显微镜磁力显微镜(MFM)(MFM)l摩擦力显微镜（摩擦力显微镜（LFMLFM） l静电力显微镜静电力显微镜(EFM)(EFM)l弹道电子发射显微术（弹道电子发射显微术（BEEMBEEM） l扫描离子电导显微镜（扫描离子电导显微镜（SICMSICM） l扫描热显微镜扫描热显微镜 l扫描隧道电位仪（扫描隧道电位仪（STPSTP） l光子扫描隧道显微镜（光子扫描隧道显微镜（PSTMPSTM） l扫描近场光学显微镜（扫描近场光学显微镜（SNOM)SNOM) 在在STMSTM基础上发展起来的一系列扫描探针显微镜扩基础上发展起来的一系

50、列扫描探针显微镜扩展了微观尺度的显微技术，为纳米乃至微观技术的发展展了微观尺度的显微技术，为纳米乃至微观技术的发展提供了很好的技术支持。提供了很好的技术支持。STM基础上发展起的SPM磁力显微镜(MFM)典型案例典型案例 之二之二 高密度磁记录高密度磁记录1 1、磁性材料、磁性材料放在磁场中被磁化后能保持磁性的材料。放在磁场中被磁化后能保持磁性的材料。根据其矫顽力大小可分为软磁性材料和硬磁性根据其矫顽力大小可分为软磁性材料和硬磁性材料材料。磁记录介质磁滞回线及基本磁性能参数磁记录介质磁滞回线及基本磁性能参数 典型案例 之二 高密度磁记录1、磁性材料磁记录介质磁滞回2 2、磁性材料的应用、磁性材

51、料的应用 由于磁性材料在信息的储存、能量转换由于磁性材料在信息的储存、能量转换及逻辑运算等方面的功能，在电子计算机、及逻辑运算等方面的功能，在电子计算机、自动控制等科学技术中有着重要的应用。自动控制等科学技术中有着重要的应用。 随着计算机技术的飞速发展，对磁性材随着计算机技术的飞速发展，对磁性材料的要求越来越高。特别是记忆储存的能料的要求越来越高。特别是记忆储存的能力方面。力方面。2、磁性材料的应用 由于磁性材料在信息的储存、能量转换HDD drive historyHigher density24 in8 in3.25 in2.5 in1 in0.0001Gb/in2137Gb/in21Gb

52、/in2100Gb/in21 in, 1TBSmaller form factorHDD drive historyHigher densitDevelopment trendDevelopment trend磁记录原理示意图磁记录原理示意图磁记录密度的提高，一方面依赖磁头灵敏度的提高，磁记录密度的提高，一方面依赖磁头灵敏度的提高，另一方面依赖磁性介质材料性能的提高，以及先进技另一方面依赖磁性介质材料性能的提高，以及先进技术的采用。术的采用。磁记录原理示意图磁记录密度的提高，一方面依赖磁头灵敏度的提高体积越来越小，体积越来越小，容量越来越大容量越来越大期待期待。 “巨磁电阻巨磁电阻“效应效应的

53、发现，使人们的发现，使人们的这种期待变成的这种期待变成了现实。了现实。 “巨磁电阻巨磁电阻”效应：磁性材料的电阻率在有外效应：磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应的现象。巨磁阻是一种量子力学效应 。常用的移动硬盘常用的移动硬盘 体积越来越小，“巨磁电阻“效应“巨磁电阻”效应：磁性材料的电意义：意义：大幅度提升单位面积介质存储的信息量。目前根据大幅度提升单位面积介质存储的信息量。目前根据该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。 19881988年，

54、法国的费尔和年，法国的费尔和德国的格林贝格尔就各德国的格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊自独立发现了这一特殊现象：现象：非常弱小的磁性变化就非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。常显著的电阻变化。 共同获得共同获得20072007年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 意义：1988年，法国的费尔和共同获得2007年诺贝尔物理学1 1、物理学与、物理学与2020世纪的高科技发展世纪的高科技发展基于相对论和量子论的物理学各个分支的发展导致基于相对论和量子论的物理学各个分支的发展导致2020世纪的新技术世纪的新技术 核物理与粒子物理核物理与粒子物理= =原子弹、氢

55、弹原子弹、氢弹半导体物理半导体物理= =晶体管、集成电路、计算机通讯技术晶体管、集成电路、计算机通讯技术量子光学量子光学= =激光技术、光学通讯激光技术、光学通讯五、物理学与高科技发展的回顾与展望五、物理学与高科技发展的回顾与展望原子分子物理、材料科学、量子化学原子分子物理、材料科学、量子化学= =人工新材料人工新材料合成合成天体物理学与宇宙学天体物理学与宇宙学= =宇航科技宇航科技1、物理学与20世纪的高科技发展基于相对论和量子论的物理学各2 2、物理学与、物理学与2121世纪的高科技发展展望世纪的高科技发展展望介观物理、量子信息介观物理、量子信息= =信息技术，量子通信信息技术，量子通信等离子体、强激光物理等离子体、强激光物理= =聚变能源聚变能源原子分子物理、凝聚态物理原子分子物理、凝聚态物理= =特殊功能材料制造特殊功能材料制造纳米技术、介观物理纳米技术、介观物理= =MEMSMEMS、NEMSNEMS量子化学、量子生物学量子化学、量子生物学= =基因工程基因工程相对论、天体物理相对论、天体物理= =宇航与太空开发宇航与太空开发2、物理学与21世纪的高科技发展展望