凝聚态物理-材料表征
凝聚态物理学及其在材料领域中的应用
凝聚态物理学及其在材料领域中的应用凝聚态物理学是对物质的宏观和微观行为的研究，它的研究范围包括所有凝聚态物质，如固体、液体和气体。
在现代科学技术的发展中，凝聚态物理学在材料领域中的研究已经成为了一个重要的分支。
在材料科学中，凝聚态物理学研究的是材料的相互作用和物理性质，包括电、热、磁的性质和结构等。
凝聚态物理学的研究可以帮助我们更好地理解和掌握材料的特性和应用，从而创造更加先进的材料。
凝聚态物理学的应用凝聚态物理学在材料科学中的应用非常广泛。
其应用可以分为理论和实验两个方面：理论方面凝聚态物理学在理论方面研究的是材料中原子、分子的结构、电子及电子与原子间相互作用和热运动等，从而更好地预测材料的性能和行为。
具体应用包括以下几个方面：1.密度泛函理论这是一种理论模型，用于描述原子和分子的性质。
它可以用于预测材料的电子结构和几何结构，并有效地概述材料的物理、化学和力学性质。
2.分子动力学模拟分子动力学模拟是一种对大量粒子进行动力学计算的方法。
这种方法可以模拟材料的热力学和动力学过程，以及材料中分子之间的相互作用和运动，从而预测材料在不同条件下的性质和行为。
3.量子化学计算量子化学计算是一种用量子力学方法来描述材料分子构成和性质的计算方法。
它可以预测分子的能量、结构和反应活性，从而指导材料中的分子设计和制备。
实验方面凝聚态物理学在实验方面研究的是材料的性质和结构，以及这些性质和结构之间的关系。
具体应用包括以下几个方面：1.压电材料压电材料是一种可以产生电荷的材料，它的电性能受到机械应力的影响。
凝聚态物理学的研究可以帮助人们更好地了解压电材料的电学性质，以及机械应力和电荷之间的关系，从而为新材料的开发和应用提供新的思路和手段。
2.磁性材料磁性材料的研究是凝聚态物理学的又一重要应用领域。
磁性材料在电子器件、储存器、发电机等方面的应用非常广泛，凝聚态物理学的研究可以帮助人们更好地了解磁性材料中的电子和原子之间的相互作用，以及不同场强下磁性材料的性质和行为。
材料表征技术ppt课件
1.空间点阵
F1-8空间点阵
30
莫塞莱定律
X射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分 析的理论16 K射线的双重线
W靶: 0.0709nm 0.0714nm
K波长=？ 加权平均
32
产生特征（标识）X射线的根本原因：内层电子的跃迁 • 激发源：高速电子、质子、中子、 X射线; • 每种元素都有特定波长的标识X射线：X射线光谱分析的原理
indexing, structure refinement and ultimately structure solving • Degree of orientation of the crystallites: texture analysis. • Deformation of the crystallites as a result of the production process: residual stress
• 要求与目标 正确选择方法、制订方案、分析结果 为以后掌握新方法打基础
• 课程安排
10
第一章 X射线的性质
• •1.1 引言 • •1.2 X射线的本质 • •1.3 X射线的产生及X射线管 • •1.4 X射线谱 • •1.5 X射线与固体物质相互作用
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第一章 X射线的性质 1.1 引言
• 1895， （德，物）伦琴发现X射线 • 1912，（德，物）劳厄发现X射线在晶体 中的衍射
T2-15 特征X射线谱及管电压对特征谱的影响
27
特征X射线产生：能量阈值
EnRn2h(cZ)2
hn2 n1 En2 En1
激发--跃迁--能量降低
KL LK
辐射出来的光子能量
KL hh/c
激发所需能量--与原子核的结合能Ek
人大凝聚态物理
人大凝聚态物理人大凝聚态物理是北京大学物理学院的一个重要研究方向，也是凝聚态物理学的前沿领域之一。
凝聚态物理研究的是大量原子、分子和离子组成的宏观物质，涉及到固体、液体和气体等多种物质状态。
人大凝聚态物理研究团队通过实验和理论相结合的方法，探索物质的微观结构和宏观性质之间的关系，以及物质在不同条件下的相变规律。
一、研究方向人大凝聚态物理研究方向广泛，包括但不限于以下几个方面：1. 凝聚态物质的结构与性质：研究物质的晶体结构、电子结构和力学性质等，探索物质的基本性质及其与微观结构之间的联系。
2. 低维凝聚态物理：研究纳米材料、薄膜、表面以及二维材料等低维结构的特殊性质，如量子效应、自旋极化等。
3. 凝聚态物理中的量子效应：研究量子力学效应在凝聚态系统中的表现，包括超导、量子霍尔效应、量子磁性等。
4. 凝聚态物理中的相变与非平衡动力学：研究物质在不同条件下的相变行为，如固液相变、磁性相变等，以及非平衡态下的物质行为。
5. 新材料的合成与应用：研究新型材料的合成方法和性质，如石墨烯、拓扑绝缘体等，以及在电子器件、能源存储等领域的应用。
二、研究成果人大凝聚态物理研究团队在各个研究方向上取得了一系列重要的研究成果。
例如，在凝聚态物质的结构与性质方面，他们发现了一种新型金属材料的晶体结构，揭示了其独特的电子结构和导电性能。
在低维凝聚态物理方面，他们成功合成了一种具有优异电子输运性能的二维材料，并在电子器件中实现了其应用。
在量子效应和相变领域，他们发现了一种新型超导材料，并研究了其超导机制。
在新材料的合成与应用方面，他们开发了一种新的合成方法，用于制备高效能源存储材料。
三、研究方法人大凝聚态物理研究团队采用多种方法进行研究，包括实验方法和理论模拟方法。
实验方法主要包括材料的合成和制备、材料结构表征、物性测试等。
理论模拟方法主要包括基于第一性原理的计算模拟、量子力学模型的建立等。
通过实验和理论相结合的方法，研究团队可以更全面地了解物质的微观结构和宏观性质之间的关系。
凝聚态物理学的实验原理
凝聚态物理学的实验原理
凝聚态物理学的实验原理主要包括以下几个方面：
1. X射线衍射：利用X射线与晶体相互作用而产生的衍射现象，可以确定晶体的晶格结构和原子排列方式，以及表征材料的晶体结构、晶体缺陷和纳米结构等。
2. 声表面波（SAW）方法：利用固体表面上的声波性质，结合电子学技术，检测、操控和研究材料的表面的物理性质，如表面态、表面扩散等。
3. 光学方法：包括光学显微镜、红外光谱、拉曼散射等，利用光学技术来观察和研究材料的结构、物理性质以及光的相互作用等。
4. 磁学方法：利用磁性物质与外加磁场相互作用的现象，研究材料的磁性质、磁相变、磁结构等。
5. 电学方法：包括电导率测量、霍尔效应、电容等测量，通过电学性质研究材料的电子结构、载流子特性、电子输运行为等。
6. 超导电性测量：测量材料的电阻、磁化率等性质，以研究材料的超导转变温度、超导相图等。
7. 基于扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的表面和纳米结构测
量：通过探针与样品之间的相互作用，得到样品表面和纳米结构的拓扑、电子性质等信息。
8. 中子散射：利用中子与物质相互作用散射出不同能量和散射角度的中子，研究材料的磁结构、晶体结构等。
以上只是凝聚态物理学实验原理的一小部分，随着科学技术的不断发展，新的实验方法和原理也在不断涌现。
物理学中的材料表征
物理学中的材料表征材料表征是物理学中研究和描述材料性质的重要领域。
通过表征材料的物理特性，可以深入了解材料的组成、结构和行为。
本文将介绍几种常见的物理学中的材料表征方法，包括X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱和核磁共振等。
1. X射线衍射X射线衍射是一种常用的材料表征技术，通过照射材料表面的X射线，观察其衍射图案来研究材料的晶体结构。
X射线衍射可以确定晶体的晶格常数、晶胞结构和晶体形貌等信息。
此外，X射线衍射还可以用于分析材料的结构缺陷和晶体品质。
2. 扫描电子显微镜扫描电子显微镜（SEM）是一种高分辨率的显微镜技术，可以观察材料的表面形貌和微观结构。
通过扫描电子显微镜，可以获得材料的形貌图像，揭示材料的表面形貌、晶界分布和颗粒大小等信息。
此外，SEM还可以通过能谱分析技术获得材料表面的元素成分分布图像。
3. 拉曼光谱拉曼光谱是一种基于光散射原理的表征技术，可以用来研究材料的分子结构和化学成分。
通过照射材料表面的激光光束，观察光的散射光谱，可以获取材料的拉曼光谱图。
拉曼光谱可以揭示材料的分子振动信息、晶格振动和晶体的晶化程度等重要特征。
4. 核磁共振核磁共振（NMR）是一种基于原子核自旋的表征技术，广泛应用于材料科学中。
通过在强磁场中对材料进行磁化处理，然后应用特定的射频脉冲，观察材料的核磁共振信号，可以获得材料的结构和成分信息。
核磁共振可以鉴定有机分子的化学结构，研究材料的动态行为和相变过程。
总结：物理学中的材料表征是一门重要的研究领域，通过多种表征方法，可以深入研究材料的性质和行为。
本文介绍了X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱和核磁共振等几种常见的材料表征技术。
这些方法在材料科学、化学和物理学等领域中具有广泛的应用，为研究人员提供了有效的工具来理解和探索材料的微观结构和特性。
凝聚态物理学在材料科学中的应用
凝聚态物理学在材料科学中的应用凝聚态物理学是物理学的一个分支，研究物质在凝聚态（固体和液体）下的行为和性质。
随着科学技术的不断进步，凝聚态物理学在材料科学中的应用日益广泛，包括制备新材料、改进材料性能等方面。
凝聚态物理学对于材料科学的意义非常重要。
在制备新材料方面，凝聚态物理学提供了重要的理论基础。
通过探索材料的微观结构和行为，这个领域可以指导人们如何创造出各种新的材料，比如新的半导体材料和合金材料，在材料科学的发展中起到了极其重要的帮助作用。
在改进材料性能方面，凝聚态物理学也有着非常重要的应用。
比如在太阳能电池研究中，就可以通过研究材料的能带结构和电子轨道等特性，探索提高太阳能电池效率的办法。
此外，凝聚态物理学还可以帮助人们了解金属、半导体、超导体、磁性体等材料的特性，以及材料在高温、高压等复杂环境下的性质变化。
凝聚态物理学可以分为多个子领域，而在每个子领域中，都有着独特的应用。
以下是一些凝聚态物理学的子领域和它们在材料科学中的应用。
1. 固体物理学固体物理学是凝聚态物理学的一个重要的分支，它研究物质在固态下的行为和性质。
硬度、热导和电导性、熵和相变等都是固态物理学的研究范畴。
这个领域的研究结果为材料科学和工程提供了理论基础。
在固体物理学中，研究固体物质的电子运动特性，可以帮助人们更好地理解材料的导电性和光电性等性质。
同时，固体物理学研究材料的热力学性质、晶体结构等，也为研究新材料提供了帮助。
2. 晶体学晶体学是研究晶体结构的学科，主要研究晶体的几何结构和物理性质。
晶体结构涉及到原子、离子、分子的几何排列和间距，同时也包括晶体的热力学性质。
在晶体学中，研究晶格结构和点阵缺陷，可以帮助人们了解材料的晶体结构和性质。
晶体学也可以用来研究天然晶体和合成晶体，从而改进材料的稳定性和性能。
3. 近代物理学近代物理学是在20世纪初期出现的。
它主要研究物质中微观领域的行为和性质，如核结构和行为、元素物理特性、原子结构和性质等。
材料凝聚态物理学的研究及应用
材料凝聚态物理学的研究及应用材料凝聚态物理学是物理学的一个分支，涉及有关固体物质的性质以及其晶体结构和物理特性的研究。
材料凝聚态物理学是实践性很强的学科，因为它的研究与许多实际应用相关，如电子学、光学、磁学、输运和能源等领域。
本文将详细讨论材料凝聚态物理学的发展和其重要应用。
发展历程材料凝聚态物理学是20世纪初期新的学科，始于固体物理学的发展。
20世纪50年代，晶体学、磁学和传导性质以及超导的研究成为了重要的课题。
在20世纪70年代，材料凝聚态物理学领域涉及的课题趋向于将理论物理学与实验物理学的研究结合起来。
材料凝聚态物理学的研究方法已经发展到了一种科学预测和研究的水平，所以学者在理论与实践结合的基础上，取得了很多突破性成果。
研究课题材料凝聚态物理学涉及如下课题：1. 材料结构的研究研究材料的物理和化学性质，从而获得材料的结构信息，为研究和开发新型的材料提供了科学依据。
2. 能带和电子相关性质的研究材料的电子结构和能带结构是材料凝聚态物理学的重要研究方向。
研究材料的导电性，从而进一步研究其电流输送和材料的光学特性等。
3. 物理状况和时间尺度的研究掌握物理状况尺寸和时间尺度对于研究拓扑相变和凝聚态物质的性质来说至关重要。
4. 电子、磁和光学性质的研究材料的电子性质、磁性和光学性质是其中的重要研究课题，研究这些性质有助于我们更好地理解材料的性质和应用。
5. 纳米材料的研究由于纳米材料表面积很大，相互作用强，这些材料有许多奇异的物理和化学性质。
研究纳米材料是当前材料凝聚态物理学中的热门研究课题。
应用领域材料凝聚态物理学的应用领域包括：1. 新型能源材料凝聚态物理学的研究为太阳能、核能和其他新型能源的开发和利用提供了基础。
2. 信息学技术凝聚态物理学还为新技术，如纳米电子学、光电子学等领域的研究提供了基础。
3. 生物医学生物医学领域应用凝聚态物理学的方法可以研究到分子、生物分子和组织等方面，为生物医学技术的研究提供了基础。
物理学中的凝聚态物理研究
物理学中的凝聚态物理研究物理学中的凝聚态物理是一个研究物质性质的重要领域，它探究的是大量原子、分子以及它们之间的相互作用所呈现出的性质。
理解凝聚态物理可以让我们更好地认识物质，进而探索物质在各种环境下的行为。
那么，什么是凝聚态物理呢？凝聚态物理研究的是宏观物质及其性质，即物质中数目众多的原子、分子的集体行为。
从几个原子中的微观层面，到成千上万个原子之间的集体行为，凝聚态物理在此范畴内的研究尤为重要。
凝聚态物理中的研究领域非常广泛，如材料科学、天体物理学、生物物理学等。
其中，材料科学是凝聚态物理领域中应用最为广泛的分支，该领域研究的是材料中的物理性质，包括金属、陶瓷、半导体等，这些材料的性质对于我们的生产生活都非常重要。
凝聚态物理的研究还涉及到物质的相态变化，如液态、气态和固态等。
这些相态的变化是由于物质微观结构和相互作用的改变导致的。
例如，当实体物质被加热时，它会从固态转变为液态，再转变为气态。
凝聚态物理研究的就是这些相变现象的本质和特点。
同时，在研究相变性质中，我们也可以了解我们周围的物质是怎样组成的，并探讨物质的基本特性。
在凝聚态物理的研究中，最基础的是原子和分子的结构和运动方式。
分子运动是由分子之间的相互作用力来控制的，而分子相互作用又和分子的大量运动方式息息相关。
凝聚态物理在研究多粒子系统之间相互作用力的基础上，进一步研究集体现象，如固体的晶体结构、晶体缺陷、晶体声子传输等。
这些集体现象使得我们对物质的研究更进一步。
凝聚态物理的研究还涉及到强关联体系，即在固体材料中，原子之间的相互作用比较强，电子相关紧密，导致了一些极为奇特的物性现象，例如超导、铁磁、铁电、多铁效应等。
这些现象在磁性储存等技术中都有着重要的应用。
最后，凝聚态物理的研究离不开计算机模拟和实验手段。
尤其是最近几年，随着计算机技术的发展和进步，模拟实验已经成为了凝聚态物理中非常重要的手段。
可以预测物质的性质并进行模拟，使我们能够更快地找到最合适的实验条件，加速实验进程。
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PLD过程中产生的典型等离子羽状物。
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凝聚态物理专题
PLD的优点
应用PLD非常方便，过程中须要控制的参数只有几个，例如激光 能量通量（laser energy density）与脉冲重复频率（pulse repetition rate）。与其它溅镀技术相比，利用PLD技术的靶体积细小。借着连 续溶化混杂的靶，制造不同物质的多层膜，十分容易。而且，透过 控制脉冲的数量，可以精密调节薄膜厚度至单原子层。PLD最重要 的特色，是沉积膜保留了靶的化学计量成分（stoichiometry）。这 是由于脉冲激光照射（pulsed laser irradiation），使靶表面的加热 速率（heating rate）极高（开尔文∕秒）所致。这个原因导致靶的 组分元素或化合物一致蒸发（congruent evaporation），无须理会 个别的蒸发点。亦由于溶化物质的高加热速率，晶体膜的激光沉积 比其它薄膜生成技术，要求更低的衬底温度。因此，半导体与它下 面的集成电路能够抑制热降解（thermal degradation）。
化合物半导体膜的反应
3SiH4 (g)+4NH3 (g)
Si3N4 (s)+12H2 (g)
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影响沉积质量的因素:
1. 沉积温度 温度增加 沉积速率和膜密度增加 受衬底材料限制 2. 反应气体的比例 实验确定不是理论值 要优化制备条件 BCl3 (g)+NH3 (g) BN (s)+3HCl (g) 2<NH3/BCl3<4 速率低或有中间产物NH4Cl 3.与沉积膜衬底有要求 a)有强的亲和力 b) 相似的晶体结构 c)相近的热膨胀系数
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凝聚态School of Physics
凝聚态物理专题
立式
钟罩式
水平式 CVD反应器的类型
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多晶Al2O3膜的反应
2AlCl3 (g)+3CO2 (g)+3H2 (g)
Al2O3 (s)+6HCl (g)+3CO (g)
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凝聚态物理专题
c) 离子镀膜方法
真空蒸发与溅射相结合的新工艺，即用真空蒸发来制作 薄膜，用溅射作用来清洗基片表面。 膜层与衬底的附着性好，膜的硬度高，厚度达几十微米 分子束外延成膜（MBE） 它是将真空蒸发镀膜加以改进和提高形成的新的技术， 在超高真空环境中，通过薄膜诸组分元素的分子束流， 直接喷到温度适宜的衬底表面，在合适的条件就能沉积 出所需的外延层。 优点: 在于能生长极薄的单晶膜层，精确控制膜厚组分与掺杂
凝聚态物理专题
凝聚态物理专题讲座
刘玉学
东北师范大学物理学院
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凝聚态物理专题
0702
070201 070202 070203 070204 070205 070206 070207 070208
物理学
理论物理 粒子物理与原子核物理 原子与分子物理 等离子体物理 凝聚态物理 声学 光学 无线电物理
9 I 强关联与超导物理
10 J 磁学
11 K 软凝聚态物理与生物物理
12 M 量子信息
13 N 计算物理
14 O 复杂体系与交叉学科 15 P 电介质物理 16 Q 科学仪器与实验技术
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功能材料会议分会场主题
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成膜的晶粒形状与沉积温度和过饱和度的关系
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凝聚态物理专题
CVD的优点:
1. 纯度高、致密、取向好 2. 能在较低的温度下制备难熔的物质如W, Mo, Nb等 3. 便于制备单质，化合物和各种复合材料 同时添加其他物质起到掺杂的作用 例如: WCl3 (g) + H2 (g) W (s) + HCl (g)
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PLD的物理机制
PLD的系统设备简单，相反，它的原理却是非常复杂的物理现象。 它涉及高能量脉冲辐射冲击固体靶时，激光与物质之间的所有物 理相互作用，亦包括等离子羽状物的形成，其后已熔化的物质通 过等离子羽状物到达已加热的基片表面的转移，及最后的膜生成 过程。
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PLD的缺点
其中一个比较严重的问题，就是薄膜被溅污，或有微粒沉积在薄膜上。 引致溅污的物理机制包括：表面下的沸腾（sub-surface boiling）、 冲击波反冲压力（recoil pressure）造成的液态层喷溅，以及层离 （exfoliation）。微粒的体积可能有几微米那么大。这些微粒非常 阻碍随后膜层的形成，亦大大影响薄膜的导电特性。PLD的另一个 问题，是由于激光的绝热膨胀（adiabatic expansion）导致溶化 核素分布角度狭窄，在靶表面形成等离子羽状物及凹痕。这些弊端 削弱了PLD生产大面积均匀薄膜的用处，PLD因此未能在工业上大 展身手。最近有人提出了补救措施，插入障板能够有效阻挡大微粒， 转动靶与底物有助于形成较大的均匀薄膜。
PLD一般可以分为以下四个阶段：
1. 激光辐射与靶的相互作用 2. 熔化物质的动态 3. 熔化物质在基片的沉积 4. 薄膜在基片表面的成核（nucleation）与生成
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PLD的应用前景
自1987年成功制作高温的超导膜开始，用作膜制造技术的脉冲激光 沉积获得普遍赞誉，并吸引了广泛的注意。过去十年，脉冲激光沉 积已用来制作具备外延特性的晶体薄膜。陶瓷氧化物（ceramic oxide）、氮化物膜（nitride films）、金属多层膜（metallic multilayers），以及各种超晶格（superlattices）都可以用 PLD来制作。近来亦有报告指出，利用PLD可合成纳米管 （nanotubes）、纳米粉末（nanopowders），以及量子点（quantum dots）。关于复制能力、大面积递增及多级数的相关生产议题，亦已 经有人开始讨论。因此，薄膜制造在工业上可以说已迈入新纪元。
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分子束外延：这是一种最新的晶体生长技术（图2）。将衬 底置于超高真空腔中，将需要生长的单晶物质按元素不同 分别放在喷射炉中。每种元素加热到适当的温度,使其以分 子流射出,即可生长极薄（甚至是单原子层）的单晶层和几 种物质交替的超晶格结构。
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脉冲激光沉积成膜（PLD）
1960年，激光的示范首次出现。自此以后，激光受到多方面 应用，发展成为强效的工具。激光对物料加工的帮助，效果 尤其显著。激光具有许多独特的性质，例如狭窄的频率带宽 （narrow frequency bandwidth）、相干性（coherence）， 以及高能量密度（high power density）。通常，光束的强 度足以汽化最坚硬与最耐热的物料。再加上激光精确、可靠、 具备良好的空间分辨能力（spatial resolution）这些出色 表现，所以得到功能薄膜、物料改造、物料表面加热处理、 熔接，及微型图案等工业广泛使用。除此之外，多组分 （polycomponent）物质能够溶化，并沉积在底物上，形成化 学计量薄膜（stoichiometric thin films）。最后提及的这 个激光应用技术，就是所谓的脉冲激光沉积（简称PLD）。
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中国物理学会秋季学术会议专业分组 1 A 粒子物理、场论与宇宙学
2 B 核物理与加速器物理
3 C 原子分子物理
4 D 光物理
5 E 等离子体物理
6 F 纳米与介观物理
7 G 表面与低维物理 8 H 半导体物理
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提
纲
薄膜材料的制备及其表征方法 功能材料介绍及新一代信息功能材料 电子陶瓷材料
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薄膜材料的制备及其表征方法
刘玉学
东北师范大学物理学院 2010年9月
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第一节 薄膜材料的制备方法
1.1 化学成膜方法
化学气相沉积方法 （CVD) 电镀 (Plating) 溶胶凝胶方法 (Sol-Gel)
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PLD的概念简单易懂。脉冲激光束聚焦在固体靶的表面上。 固体表面大量吸收电磁辐射（electromagnetic radiation）， 导致靶物质快速蒸发。蒸发的物质由容易逃出与电离的物质 （species）组成。如果溶化作用在真空之下进行，蒸发的物 质本身会实时在靶表面上形成光亮的等离子羽状物（plasma plume）。
b) 溅射沉积 (Sputtering)
c) 离子成膜方法
分子束外延成膜（MBE）
脉冲激光沉积成膜（PLD）
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a) 热蒸发和电子束蒸发
基片或工件置于高真空室内，通过加热或电子束轰击靶 材使蒸发材料气化或升华而沉积到某一温度的基片或工 件的表面上，形成一层薄膜，这一过程叫做真空蒸发镀膜。
溶胶凝胶方法
指由溶胶转变为凝胶的过程。 作为溶胶使用的前驱体是金属醇盐，它先在一定的酸度 溶液中水解、聚合形成溶胶，溶胶进一步聚合可形成具 有三维网状结构的凝胶，最后经过干燥、烧结使无定型 的干凝胶转变为晶态的氧化物超细颗粒。