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
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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
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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
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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
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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。
研究凝聚态物理的实验技术与方法分享
研究凝聚态物理的实验技术与方法分享凝聚态物理作为物理学的一个重要分支，研究物质的宏观性质和现象，是现代科学和技术的基础之一。
在凝聚态物理的研究中，实验技术和方法是获取数据和验证理论的重要手段。
本文将分享一些研究凝聚态物理的实验技术与方法。
1. 单晶生长技术单晶是研究凝聚态物理的重要实验材料，能够提供精确的结构和性质信息。
单晶生长技术是制备单晶的关键。
常用的单晶生长技术有慢冷法、半导体杂质法、气相传输法等。
其中，慢冷法通过精确控制温度和冷却速率，使晶体在逐渐降温的过程中形成单晶。
半导体杂质法则是通过在溶液中添加杂质来促使单晶生长。
气相传输法通过控制气氛中的化学物质供应使晶体生长。
这些技术可以根据不同的实验要求灵活运用，制备出高质量的单晶材料。
2. X射线衍射技术X射线衍射技术是研究凝聚态物理的重要手段之一，可以提供物质的结构信息。
X射线衍射实验需要使用到X射线源、样品台、探测器等设备。
X射线源产生出高能的X射线，经过样品后，X射线会发生衍射现象。
通过分析衍射图样，可以得到物质的晶体结构信息，如晶格常数、晶胞和晶体对称性等。
这对于理论建模和理解物质的性质非常重要。
3. 纳米技术随着纳米材料的涌现和发展，纳米技术在凝聚态物理的研究中得到越来越广泛的应用。
纳米技术可以制备纳米颗粒和纳米结构体材料，其尺寸效应和界面效应对物质的性质提出了新的挑战和解释。
例如，金属纳米颗粒的表面等离子共振现象和量子点的荧光性质都是纳米技术的重要研究方向。
通过纳米技术制备的样品可以利用各种表征手段，如透射电子显微镜、扫描探针显微镜等，对纳米材料的结构和性质进行研究。
4. 低温技术低温技术在研究凝聚态物理中起到了至关重要的作用。
通过降低温度，可以使物质处于低温态，例如液氮温度和液氦温度范围。
在低温条件下，物质的运动减缓，一些特殊的量子效应和超导现象得以显示。
低温实验中，常用的低温设备有液氮罐、液氮容器和低温压缩机等。
利用低温技术，研究者可以有效地探索物质的新领域，也可以实现对一些常规物质的精确测量。
材料科学中的凝聚态物理学与超导
材料科学中的凝聚态物理学与超导随着科技的不断发展，人类对于材料科学的研究越来越深入。
凝聚态物理学就是其中的一个分支，而超导则是凝聚态物理学的一个重要研究方向。
本文将从凝聚态物理学和超导两个方面展开探讨，了解它们在材料科学中的含义和应用。
一、凝聚态物理学凝聚态物理学是物理学研究的一个领域，主要研究物质的聚合态如固体、液体和气体等等。
这些物质都有一个共同的特点，就是在一定温度下会形成凝聚态。
凝聚态物理学家研究这些物质的性质、形态和产生的原因等等。
在凝聚态物理学中，物质的特性由其原子和分子的运动状态所决定。
这些分子在一定的温度下会聚集在一起，形成不同的凝聚态。
例如，当分子运动变慢并相互吸引时，它们就会聚集在一起形成固体。
同时，凝聚态物理学讨论了物质在这些凝聚态下的电学、磁学、超导等等方面的性质。
凝聚态物理学的一项重要研究方向是超导。
二、超导超导是材料科学中一个非常重要的研究领域，它主要研究在一定温度下电阻为零的金属材料。
这些材料称为超导体，具有以下特点：1. 在一定的温度下，超导体的电阻为零。
2. 超导体在外加电场和磁场的作用下具有特殊的电学和磁学性质。
3. 超导体的电学性质会随其温度降低而增强。
4. 超导体只在相对较低的温度下才能展现出超导现象。
超导体的电学性质允许它们传输大量的电流而不产生任何的能量损失。
这使得超导体在电力系统、磁共振成像等领域得到广泛应用。
但是由于超导体要在相对较低的温度下才能工作，因此它们在实际应用中的使用受到一定的限制。
三、凝聚态物理学和超导的关系凝聚态物理学和超导有着密切的关系。
凝聚态物理学家通过研究材料中的原子和分子组成以及它们的运动状态等方面来探究材料的性质，而超导体恰恰是凝聚态物理学的一项重要研究工作。
研究超导体的凝聚态物理学家们主要关注的是材料在低温下的性质。
当一个超导体被冷却到超导转变温度以上时，它会表现出一些清晰的凝聚态物理学特征，例如相变、临界点等等。
超导的电学和磁学性质也受到凝聚态物理学的影响。
材料表征技术
m K3Z3
含多种元素物质的质量吸收系数 m
m i (m)i
为各元素的质量百分比
应用：
生物体透视 工业产品探伤
2.二次特征辐射
m = / m K3Z3
逸出功
hWk = eVk hc/ eVk=1.24/Vk = k
• 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
1.5 X射线与固体物质相互作用
内层电子 外层电子、 价电子、自 由电子
真吸收
X射线的吸收
1. X射线的吸收与吸收系数
T2-18 X射线衰减
X射线衰减规律It
:线吸收系数。 意义：在X射线传播方向上，单位长度 上的X射线强度衰减程度[cm-1].与物质种 类、密度、X射线波长有关。
T2-15 特征X射线谱及 管电压对特征谱的影
响
特征X射线产生：能量阈值
En Rhc (Z )2
n2
h n2 n1 En2 En1
激发--跃迁--能量降低
KL L K
辐射出来的光子能量
KL h hc /
激发所需能量--与原子核的结合能Ek
eVk =-Ek=Wk
特征X射线产生
此外，还有旋转阳 极X射线管、 细聚焦X射线管
1.4 X射线谱 （连续X射线、特征X射线) T2-13 连续X射线谱特征及辐射 管电压对连续连辐射续谱影响 I连积分公式
0
曲线连续变化
• 短波极限 eV=hmax =hc/0
0 =1.24/V (nm) V(kV)
在X射线谱中某个波长处出现强度峰，峰窄而 尖锐；此波长放映了物质的原子序数特征----特征X射线
凝聚态物理
凝聚态物理凝聚态物理是研究固体和液体中的物质行为的一门科学。
它关注物质的结构、性质和相互作用，并探索物质的宏观行为和微观机制。
作为物理学的一个重要分支，凝聚态物理在材料科学、纳米技术、能源和信息技术等领域有着广泛应用。
凝聚态物理主要研究物质的电子结构、热力学性质、磁性和超导性等。
在材料科学中，了解物质的电子结构可以帮助我们更好地设计和合成材料，以实现特定的性能。
研究热力学性质可以揭示物质的相变行为以及材料的稳定性和可逆性。
而研究磁性和超导性有助于我们理解和开发新型的存储器件和能源材料。
作为宏观物理学的一个分支，凝聚态物理也研究物质的宏观行为，如固体的力学性质、热传导和电导。
了解这些性质有助于我们理解物质的力学性能和热学性能，并为材料的设计和应用提供指导。
凝聚态物理的研究方法主要包括理论计算、实验观察和材料制备。
理论计算可以通过数学模型和计算机模拟预测和解释物质的性质和现象。
实验观察通过各种仪器和手段对材料进行表征和测量，以验证理论的预测。
材料制备则是将研究所需的物质合成和制备出来，以进行实验研究和应用开发。
凝聚态物理的研究领域非常广泛，包括但不限于固体物理、液体物理、低温物理、光电子学、表面科学和量子材料等。
这些领域的研究对于理解和应用物质的基本性质具有重要意义。
凝聚态物理的研究成果不仅为科学界提供了新的认识和理解，也为技术应用和产业发展提供了重要的支持。
总之，凝聚态物理是研究物质行为的一门重要学科，它揭示了物质的结构、性质和相互作用的基本规律，对于材料科学和技术应用具有重要意义。
未来，随着科学技术的不断发展和深入，凝聚态物理将继续为我们揭示更多奇妙的物质世界。
什么是凝聚态物理
什么是凝聚态物理自20世纪20年代量子理论出现以来,固体晶态的物理研究得到高度发展,进而演变为现在的凝聚态物理。
接下来店铺为你推荐什么是凝聚态物理，一起看看吧!什么是凝聚态物理凝聚态物理学(condensed matter physics)是从微观角度出发，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之间的联系的一门学科。
凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓。
凝聚态物理的研究对象凝聚态物理的研究对象除晶体、非晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠密气体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝聚相，例如液氦、液晶、熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶等。
经过半个世纪的发展，凝聚态物理学取得了巨大进展，研究对象日益扩展，更为复杂。
一方面传统的固体物理各个分支如金属物理、半导体物理、磁学、低温物理和电介质物理等的研究更深入，各分支之间的联系更趋密切;另一方面许多新的分支不断涌现，如强关联电子体系物理学、无序体系物理学、准晶物理学、介观物理与团簇物理等。
从而使凝聚态物理学成为当前物理学中最重要的分支学科之一，从事凝聚态研究的人数在物理学家中首屈一指，每年发表的论文数在物理学的各个分支中居领先位置。
有力地促进了诸如化学、物理、生物物理学和地球物理等交叉学科的发展。
众所周知，复杂多样的物质形态基本上分成三类：气态、液态和固态，在这三种物态中，凝聚态物理研究的对象就占了二个，这就决定了这门学科的每一步进展都与我们人类的生活休戚相关。
从传统的各种金属、合金到新型的各种半导体、超导材料，从玻璃、陶瓷到各种聚合物和复合材料，从各种光学晶体到各种液晶材料等等;所有这些材料所涉及到的声、光、电、磁、热等特性都是建立在凝聚态物理研究的基础上的。
凝聚态物理研究还直接为许多高科学技术本身提供了基础。
当今正蓬勃发展着的微电子技术、激光技术、光电子技术和光纤通讯技术等等都密切联系着凝聚态物理的研究和发展。
物理学在材料制备中的应用
物理学在材料制备中的应用物理学是自然科学的重要分支之一，它研究物质和能量之间的相互关系及其规律。
在材料制备领域，物理学发挥着不可或缺的作用。
本文将以材料制备的角度，探讨物理学在材料制备中的应用。
一、材料表征材料表征是物理学在材料制备中的重要应用之一。
物理学家通过使用各种先进的仪器和方法，对材料的微观结构、性质以及相互作用进行研究和表征。
例如，透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）可以提供材料的形貌和微观结构信息；X射线衍射（XRD）和拉曼光谱则可以分析材料的晶体结构和化学组成；核磁共振（NMR）和质谱分析（MS）则可以研究材料的分子结构和化学反应。
这些表征方法的应用，可以帮助科学家们更深入地了解材料的特性，从而指导材料的合成和制备过程。
二、材料设计与优化物理学在材料制备中的另一个应用是材料的设计和优化。
通过对物质的物理性质、结构和相互作用的深入研究，物理学家可以提供对材料性能的理论预测和设计方案。
例如，通过量子力学理论和分子动力学模拟，可以预测材料的电子结构、导电性、热传导性等性质。
这些理论计算结果可以指导实验工作，加速有关材料的开发和优化。
此外，物理学还可以通过优化材料的物理性质，调控材料的光学、电学、磁学等性能，实现更高效、更稳定的材料制备。
三、纳米材料制备纳米材料的制备是当今科学研究的热点之一，而物理学在纳米材料制备中发挥着重要作用。
物理学家可以利用物理性质的不同性质，通过物理方法来制备纳米材料。
例如，溶液法、气相法、凝聚态物理学等方法可以制备出具有不同形态和尺寸的纳米颗粒。
此外，利用物理学原理，如光学对准或电子束刻蚀等技术，也可以制备出具有特定形状和结构的纳米结构。
这些纳米材料在电子、光电、催化等领域具有广泛的应用前景。
四、材料性能测试物理学在材料制备中的另一应用是材料性能的测试和评估。
物理性能测试可以帮助科学家们了解材料特性以及材料的稳定性和可靠性。
物理学家可以利用各种物理学原理和方法，对材料的力学性能、热学性能、电学性能等进行测试和分析。
材料表征知识点总结
材料表征知识点总结一、材料表征的基本概念1.1 材料表征的概念材料表征是指通过一系列的手段和方法对材料进行结构、性能分析的过程。
它是材料科学研究的重要手段，对于认识和理解材料的微观结构、物理性质、化学性质、力学性质等具有重要意义。
材料表征的目的是为了揭示材料的内在特征，解析材料的结构和性质之间的关系，为材料设计、改进和应用提供科学依据。
1.2 材料表征的内容材料表征的内容主要包括以下几个方面：结构表征、性质表征、表面表征、界面表征、缺陷表征等。
结构表征主要是对材料的晶体结构、非晶结构、微观结构、纳米结构等进行研究与分析；性质表征主要是对材料的物理性质、化学性质、力学性质、热性质等进行研究与分析；表面表征主要是对材料的表面形貌、表面性质、表面活性等进行研究与分析；界面表征主要是对材料的各种界面性质、界面相互作用、界面扩散等进行研究与分析；缺陷表征主要是对材料的各种缺陷类型、缺陷形成、缺陷演变等进行研究与分析。
1.3 材料表征的方法材料表征的方法主要包括物理方法、化学方法、电子显微镜方法、X射线衍射方法、光学显微镜方法、谱学方法、表面分析方法等。
这些方法可以对材料的结构、性质、表面、界面、缺陷等进行多角度、多层次的表征与分析，从而全面地了解材料的内在特征。
二、材料表征的常用方法与技术2.1 物理方法物理方法是材料表征中最常用的方法之一，主要包括X射线衍射法、电子显微镜法、磁共振法、核磁共振法、拉曼光谱法、光谱学方法、热分析法、热敏电阻法、热释电法等。
这些方法可以通过对材料的物理性质、电磁性质、热力学性质等进行分析，揭示材料的内部结构和性质之间的相互关系。
2.2 化学方法化学方法是材料表征中另一个重要的方法，主要包括原子吸收光谱法、光度法、电化学方法、色谱法、荧光分析法、偏振光分析法等。
这些方法可以通过对材料的化学性质、化学成分、化学反应等进行分析，揭示材料的化学本质和特征。
2.3 电子显微镜方法电子显微镜方法是材料表征中一种重要的方法，主要包括透射电子显微镜法、扫描电子显微镜法、透射电镜能谱法等。
凝聚态物理
凝聚态物理凝聚态物理是研究材料的宏观性质和微观结构的一门学科。
它涉及固体、液体和凝胶等态的物质研究，研究的对象通常是原子、分子和宏观结构。
凝聚态物理的研究领域非常广泛，涵盖了凝聚态物质的结构、力学性质、电磁性质、光学性质、热学性质、输运性质等方面。
这些性质对于材料的应用至关重要，比如电子器件、光学器件、热学器件等。
在凝聚态物理的研究中，有很多重要的概念和理论。
其中一个重要的概念是晶体。
晶体是一种由原子或分子有序排列而成的物质，具有清晰的晶体结构和周期性。
晶体的研究对于了解凝聚态物质的性质和行为非常重要。
同时，凝聚态物理研究中的另一个重要概念是凝聚态物质的电子能带结构。
电子能带结构描述了凝聚态物质中电子的能量分布。
不同的材料具有不同的电子能带结构，这也是造成材料性质差异的原因之一。
凝聚态物理的研究方法主要包括实验方法和理论方法。
实验方法主要通过物理实验来观察和测量材料的性质和行为。
而理论方法则通过建立模型和计算来解释和预测材料的性质和行为。
实验和理论相结合，可以更加全面地了解材料的性质和行为。
除了基础研究，凝聚态物理在应用方面也有很多突破和进展。
在电子器件领域，凝聚态物理的研究为半导体器件的发展提供了基础。
在光学器件领域，凝聚态物理的研究促进了激光器、光纤等技术的发展。
在能源领域，凝聚态物理的研究也有助于开发新型的太阳能电池、储能材料等。
总之，凝聚态物理作为一门重要的物理学科，研究着材料的性质与结构，对于科学研究和技术应用都具有重要价值。
通过深入研究凝聚态物理，我们可以更好地理解材料的行为和性能，并开发出更加先进的材料和器件。
凝聚态物理研究方向
凝聚态物理研究方向
凝聚态物理是物理学的一个分支，主要研究凝聚态物质（即固体和液体）的物理性质和微观结构。
其研究方向非常广泛，包括以下几个主要方向：
1. 材料的物理性质：研究各种材料的物理性质，如电导率、热导率、光学性质、磁学性质等，以及这些性质与材料微观结构的关系。
2. 相变与相结构：研究物质在不同温度、压力等外界条件下，发生相变的过程和机理，以及相的结构和稳定性。
3. 纳米科学与技术：研究纳米尺度（1-100纳米）的物质和系统的物理性质和制备技术，包括纳米材料、纳米结构、纳米器件等。
4. 能源与环境：研究与能源和环境相关的物理问题，如太阳能电池、光催化、环境污染物降解等。
5. 生物物理：研究生物体系的物理性质和过程，如生物膜的物理性质、生物分子的结构和动力学等。
6. 计算物理：利用计算机模拟和计算的方法，研究凝聚态物质的物理性质和微观结构，以及与实验数据的比较和分析。
7. 实验技术与方法：研究各种实验技术和方法，以更好地探测和表征凝聚态物质的物理性质和微观结构，如X射线衍射、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜等。
总之，凝聚态物理的研究方向非常广泛，涵盖了从微观到宏观的各个尺度，为材料科学、能源环保、生命科学等领域的发展提供了重要的理论和技术支持。
物理实验技术的凝聚态物理实验方法
物理实验技术的凝聚态物理实验方法凝聚态物理是研究固体和液体中原子和分子的性质、结构和相互作用的科学领域。
实验方法在凝聚态物理研究中起着至关重要的作用。
本文将介绍一些常见的物理实验技术，以及它们在凝聚态物理研究中的应用。
一、X射线衍射X射线衍射是一种常用的研究晶体结构的方法。
通过使X射线通过晶体，并观察衍射的图样，可以获得晶体的结构信息。
这种技术广泛应用于研究材料的晶体结构和纳米结构，以及验证理论模型。
除了晶体结构的研究，X射线衍射还可以用于研究材料的应变和缺陷。
通过分析衍射的峰位和峰形，可以获得材料的应变信息，同时还可以检测到材料中的位错、缺陷和界面等。
二、扫描探针显微镜扫描探针显微镜是一种利用探针对样品表面进行扫描的显微技术。
其主要包括原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）。
AFM可以对样品表面的几何形貌进行高分辨率的表征。
通过扫描探针与样品表面之间的相互作用力，可以绘制出样品的三维形貌图像。
这种技术在表面形貌研究、纳米结构研究和材料力学性质研究等方面有着广泛的应用。
STM则通过测量样品表面的电流来获取表面的原子级拓扑图像。
它可以研究材料的电子结构、表面化学反应和表面态密度等。
由于其高分辨率和原子级的表征能力，STM在凝聚态物理中的应用非常广泛。
三、超高真空技术在凝聚态物理研究中，超高真空技术被广泛应用于制备和测量样品。
超高真空条件下的实验能够排除气体分子的干扰，提供高纯度、低噪声的实验环境。
超高真空技术通常包括离子泵、分子泵和电子枪等设备。
离子泵和分子泵可以将气体分子抽出实验室，制造超高真空环境。
而电子枪可以通过电子束蒸发的方式制备薄膜样品。
超高真空环境下，可以进行各种实验，如光电子能谱测量、电子散射实验和原子尺度的操控等。
它在表征材料性质、制备纳米器件和研究表面物理等方面都起着重要的作用。
四、光谱学方法光谱学方法在凝聚态物理的研究中广泛应用，可以提供材料的电子结构和动力学信息。
拉曼光谱是一种通过观察样品在散射光中的频率变化来研究样品的分子结构和晶格振动的方法。
材料物理学中的凝聚态物理学
材料物理学中的凝聚态物理学材料物理学是理解材料的基础科学，它通过对材料结构、组成、物理性质的研究，来解释材料在实际应用中的表现。
而凝聚态物理学则是材料物理学的重要分支，它关注的是物质的基本状态，即固态、液态和气态之间的转化。
凝聚态物理学的研究对象包括材料的物理性质、基础结构以及其内部相互作用，其中最重要的是材料的电子结构、热力学性质和力学性质。
材料物理学与凝聚态物理学的关系材料物理学和凝聚态物理学的关系密不可分。
理解凝聚态物理学的基础知识对材料学家来说是至关重要的，因为物质的基础状态决定了材料的性质。
材料学家需要了解凝聚态物理学中的各种概念和原理，才能更好地理解材料的性质和性能。
反过来，材料学家的研究和发现也为凝聚态物理学提供了新的前沿课题，例如新型材料的设计和功能性材料的研究，这些都在不断推动着凝聚态物理学的发展。
凝聚态物理学在材料制备和应用中的贡献凝聚态物理学在材料制备和应用中发挥了巨大的作用。
材料的结构和组成以及其性质和性能的研究总是在材料制备的前沿，尤其是在新的材料的设计和合成方面。
凝聚态物理学的重要概念和原理被广泛应用在新型材料的设计和制备中。
例如，材料物理学家从凝聚态物理学中发现了材料晶体结构和热力学性质的联系，进而设计出更强的材料，例如纳米材料的研究。
凝聚态物理学的电子结构理论也在材料制造中得到了广泛应用，例如在半导体领域中，针对不同的化学结构设计出不同的材料，用来制造各种各样的电子设备，例如超薄结晶管、高亮度LED 等等。
未来的挑战尽管凝聚态物理学在材料制备和应用中的贡献已经越来越大，但仍存在未来的挑战。
利用凝聚态物理学的知识来解释材料的行为和性能在某些方面仍然是非常复杂的。
要克服这些困难，需要更加深入地了解凝聚态物理学中的基本概念和原理，例如电子结构理论、热力学和相变等等。
同时，新的材料需要更加细微的控制和制备，这就需要材料学家突破目前的技术和科学难题，以更高效的方法、更精确的工具进行研究。
物理实验技术的凝聚态物理实验与原子与分子物理实验器材选购指南
物理实验技术的凝聚态物理实验与原子与分子物理实验器材选购指南物理实验技术在科研工作中起着至关重要的作用。
无论是研究凝聚态物理还是原子与分子物理，正确选择合适的实验器材对于实验的成败具有决定性的影响。
本文将就凝聚态物理实验与原子与分子物理实验的不同特点及其对器材选择的要求进行介绍，为科研工作者提供一些选购指南。
一、凝聚态物理实验凝聚态物理实验研究的是独特的集体现象和宏观量子效应，因此在器材选择上有其特殊的要求。
首先，实验室必备的基础器材包括低温设备和高真空设备。
低温设备可帮助科研工作者模拟凝聚态物质的低温条件，观察和研究其特殊物性。
而高真空设备则能提供一个干净的实验环境，避免外界干扰对实验结果的影响。
另外，对于材料的测量和表征，实验室还需要配备一系列先进的仪器设备。
例如，用于材料结构表征的X射线衍射仪、电子显微镜和拉曼光谱仪等；用于测量磁性材料的磁性测量仪和霍尔效应测量系统等。
科研工作者需要根据实验要求选择适合的仪器设备，并熟练掌握其操作和维护技能，以保证实验数据的准确性和可靠性。
此外，随着纳米技术的发展，纳米材料的制备和研究成为了凝聚态物理实验的热点。
对于纳米材料的研究，常用的实验器材包括溶胶凝胶法制备设备、化学气相沉积设备和磁控溅射设备等。
这些器材不仅能够制备出尺寸可控的纳米材料，还可以通过调节工艺参数对其性能进行优化。
因此，了解纳米材料制备方法并选购适当的器材也是凝聚态物理实验中不可或缺的一环。
二、原子与分子物理实验原子与分子物理实验的目的是研究和利用微观粒子的结构和性质。
与凝聚态物理实验相比，原子与分子物理实验器材选择更加多样化。
首先，离子源和原子源是原子与分子物理实验中常用的器材。
离子源和原子源不仅能够提供高纯度的离子或原子束，还可以通过调节电场和磁场进行束流的操控和聚焦，满足不同实验需求。
其次，激光技术是原子与分子物理实验中不可或缺的工具。
激光器的选择需要考虑波长、功率和脉冲宽度等因素。
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PLD过程中产生的典型等离子羽状物。
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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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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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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
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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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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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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。