物理學(xué)與現(xiàn)代高科技課件

1、物理學(xué)與現(xiàn)代高科技物理學(xué)與現(xiàn)代高科技主要內(nèi)容 一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用 二、幾個(gè)主要的物理技術(shù)系統(tǒng) 三、物理學(xué)與現(xiàn)代高新技術(shù) 四、物理學(xué)與高科技發(fā)展的典型案例 五、物理學(xué)與高科技發(fā)展的回顧與展望主要內(nèi)容 一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用1、光電效應(yīng)光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，也就是光能量轉(zhuǎn)換成電能。這類(lèi)光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectric effect）。一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用1、光電效應(yīng)光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，也光電倍增管光敏電阻一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用光電倍增管光敏電阻一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用2、 電光效應(yīng) 將物質(zhì)置于電場(chǎng)中時(shí)，物

2、質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用2、 電光效應(yīng) 將物質(zhì)置于電場(chǎng)中時(shí)，物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用3、 磁光效應(yīng) 磁光效應(yīng)（Magneto-optical effect）是指處于磁化狀態(tài)的物質(zhì)與光之間發(fā)生相互作用而引起的各種光學(xué)現(xiàn)象。包括磁光克爾效應(yīng)、法拉第效應(yīng)、塞曼效應(yīng)和科頓-穆頓效應(yīng)等。這些效應(yīng)均起源于物質(zhì)的磁化，反映了光與物質(zhì)磁性間的聯(lián)系。磁光盤(pán)一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用3、 磁光效應(yīng) 磁光效應(yīng)（Magneto-optica磁光存儲(chǔ)原理磁光存儲(chǔ)原理4、 磁電效應(yīng) 由

3、磁場(chǎng)引發(fā)電變（包括產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)、電阻變化等）的現(xiàn)象稱為磁電效應(yīng)（magneto-electric effect ）。一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用4、 磁電效應(yīng) 由磁場(chǎng)引發(fā)電變（包括產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)、電阻變Edwin Hall（18551938） 霍爾效應(yīng)是霍爾 (Hall)24歲時(shí)在美國(guó)霍普金斯大學(xué)研究生期間，研究關(guān)于載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種磁電現(xiàn)象。Edwin Hall（18551938） 霍爾霍爾效應(yīng)原理當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差也被叫做霍爾電勢(shì)差?；魻栃?yīng)原理當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體

4、的垂直于磁場(chǎng)巨磁阻效應(yīng)GMR （Giant Magneto Resistance）所謂巨磁阻效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。4、 磁電效應(yīng)一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用巨磁阻效應(yīng)GMR （Giant Magneto ResisGMR 效應(yīng)巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大。上下兩層為鐵磁材料，中

5、間夾層是非鐵磁材料。鐵磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁場(chǎng)控制的，因而較小的磁場(chǎng)也可以得到較大電阻變化的材料。4、 磁電效應(yīng)一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用GMR 效應(yīng)巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜物理學(xué)與現(xiàn)代高科技課件5、 熱電效應(yīng) 由熱引起電變（如產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。其中，塞貝克效應(yīng)是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。 利用這種效應(yīng)可以制成熱點(diǎn)偶，溫差電池等。一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用5、 熱電效應(yīng) 由熱引起電變（如產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)發(fā)電一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用5、 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)發(fā)電一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用5、 熱

6、電效應(yīng)6、磁熱效應(yīng) 由磁場(chǎng)致熱的現(xiàn)象稱為磁熱效應(yīng)。如愛(ài)遷豪森效應(yīng):將帶流樣品置于磁場(chǎng)中時(shí)，樣品中出現(xiàn)溫度梯度。室溫絕熱去磁制冷機(jī)一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用6、磁熱效應(yīng) 由磁場(chǎng)致熱的現(xiàn)象稱為磁熱效應(yīng)。如愛(ài)遷豪森7、力（聲）電（磁）效應(yīng) 由力（聲）作用，產(chǎn)生電位差，或者應(yīng)力引起電阻率、磁化強(qiáng)度變化的現(xiàn)象，以及反之，電（磁）作用產(chǎn)生應(yīng)力、伸縮的現(xiàn)象稱為力（聲）電（磁）效應(yīng)。超聲波發(fā)生器一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用7、力（聲）電（磁）效應(yīng) 由力（聲）作用，產(chǎn)生電位差，壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì), 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí), 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象（內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移）, 同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符

7、號(hào)相反的電荷, 當(dāng)外力去掉后, 其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì), 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾龎弘娦?yīng)和逆壓電效應(yīng) 當(dāng)作用力方向改變時(shí), 電荷的極性也隨之改變。 這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象, 稱為“正壓電效應(yīng)” 當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng), 這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形, 這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）?？蓪㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料, 壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。壓電效應(yīng)_y+ 逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng) 當(dāng)作用力方向改變時(shí), 電荷 在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng), 但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入

8、研究, 發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。 在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng), 但壓電效應(yīng)十分磁致伸縮效應(yīng)磁性材料在外磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短的現(xiàn)象為磁致伸縮效應(yīng)。Fe 隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而伸長(zhǎng)Ni 隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而縮短為磁致伸縮系數(shù)常用磁致伸縮材料室溫下的飽和磁致伸縮系數(shù)為10-8-10-6磁致伸縮效應(yīng)磁性材料在外磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短的現(xiàn)象為常用磁致伸縮材料常用磁致伸縮材料鎳鐵鎳鐵鋁鐵鈷釩鐵氧體常用磁致伸縮材料常用磁致伸縮材料鎳鐵鎳鐵鋁鐵鈷釩鐵氧體磁致伸縮材料的應(yīng)用在磁（電） - 聲換能器中的應(yīng)用 聲納、超聲換能器、揚(yáng)聲器等。在磁(電) - 機(jī)械致動(dòng)器中的應(yīng)用

9、 精密流體控制、超精密加工、超精密定位、機(jī)器人、精密閥門(mén)、微馬達(dá)以及振動(dòng)控制等工程領(lǐng)域。傳感器敏感元件 超磁致伸縮材料除用于驅(qū)動(dòng)之外，利用其磁致伸縮效應(yīng)或逆效應(yīng)還可以制作檢測(cè)磁場(chǎng)、電流、應(yīng)變、位移、扭矩、壓力和加速度等的傳感器敏感元件。 磁致伸縮液位傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的高精度計(jì)量,其測(cè)量分辨率高于0.11 mm。磁致伸縮材料的應(yīng)用在磁（電） - 聲換能器中的應(yīng)用8、聲光效應(yīng)及光聲參考系效應(yīng) 聲波在物質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)引起光的傳播特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)。 用強(qiáng)度被調(diào)制的光照射介質(zhì)（氣體、液體或者固體），會(huì)在介質(zhì)中產(chǎn)生聲信號(hào)，這種光轉(zhuǎn)為聲的現(xiàn)象稱為光聲效應(yīng)。 觀測(cè)者相對(duì)于光（聲）源運(yùn)動(dòng)時(shí)，光（

10、聲）頻率改變的現(xiàn)象稱為光（聲）參考系效應(yīng)，也叫多普勒效應(yīng)。一、物理效應(yīng)及其技術(shù)應(yīng)用8、聲光效應(yīng)及光聲參考系效應(yīng) 聲波在物質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)引起1、傳感技術(shù)信息獲?。▊鞲衅鳎┬畔⑥D(zhuǎn)換（放大器、變換器）信息處理（調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)分析議、計(jì)算機(jī)）信息顯示（指示器、記錄儀、報(bào)警器）二、幾個(gè)主要的物理技術(shù)系統(tǒng)1、傳感技術(shù)信息獲?。▊鞲衅鳎┒?、幾個(gè)主要的物理技術(shù)系統(tǒng)壓力傳感器溫度傳感器壓力傳感器溫度傳感器2、微波技術(shù)微波檢測(cè)技術(shù)（微波物位計(jì)）微波加工技術(shù)（微波殺菌、加熱）微波通信技術(shù)雷達(dá)波隱身技術(shù)二、幾個(gè)主要的物理技術(shù)系統(tǒng)2、微波技術(shù)微波檢測(cè)技術(shù)（微波物位計(jì)）二、幾個(gè)主要的物理技術(shù)微波物位計(jì)微波殺菌微波物位計(jì)微波殺

11、菌3、紅外技術(shù)紅外探測(cè)技術(shù)（紅外探測(cè)器）紅外照相技術(shù)（紅外攝像機(jī)）二、幾個(gè)主要的物理技術(shù)系統(tǒng)紅外探測(cè)器紅外攝像頭3、紅外技術(shù)紅外探測(cè)技術(shù)（紅外探測(cè)器）二、幾個(gè)主要的物理技術(shù)4、超聲技術(shù) 超聲波是頻率高于20000Hz的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。二、幾個(gè)主要的物理技術(shù)系統(tǒng)4、超聲技術(shù) 超聲波是頻率高于20000Hz的聲波，它超聲波探測(cè)器超聲波探測(cè)超聲波探測(cè)器超聲波探測(cè)超聲波焊接器超聲波清洗器超聲波焊接器超聲波清洗器5、激光技術(shù)激光檢測(cè)技術(shù)（激光測(cè)距、激光測(cè)速）激光加

12、工技術(shù)（激光處理、激光焊接） 激光是20世紀(jì)60年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用.利用激光特性發(fā)展起來(lái)的技術(shù)系統(tǒng)叫做激光技術(shù)。主要包括：二、幾個(gè)主要的物理技術(shù)系統(tǒng)5、激光技術(shù)激光檢測(cè)技術(shù)（激光測(cè)距、激光測(cè)速） 激光是激光測(cè)距激光雕刻激光測(cè)距激光雕刻 激光及其應(yīng)用：激光Laser, 鐳射 特點(diǎn)方向性強(qiáng) 穿透力強(qiáng) 功率密度高 線寬窄用途生活、科研的方方面面：激光切割、 激光唱片、激光測(cè)距儀、激光手術(shù) 激光槍、激光炮 軍用高能激光器 激光及其應(yīng)用：激光Laser, 鐳射 特點(diǎn)方向性強(qiáng)用途三超激光超高強(qiáng)度 1022W/cm2 超短脈沖 fs, as 超短波長(zhǎng) 1

13、00101nm用途： 激光武器 跟蹤核振動(dòng)、電子 研究生物分子 激光操控 立體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)三超激光超高強(qiáng)度 1022W/cm2用途： 激光武器6、 光纖技術(shù) 光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種利用石英、玻璃等光透射率很高的介質(zhì)拉制而成的極細(xì)纖維。利用光纖在外界環(huán)境（溫度、電磁場(chǎng)等）的變化時(shí)光波量（光強(qiáng)、頻率等）產(chǎn)生變化的性質(zhì)形成的技術(shù)稱為光纖技術(shù)。主要包括：光纖通信技術(shù)光纖傳感技術(shù)二、幾個(gè)主要的物理技術(shù)系統(tǒng)6、 光纖技術(shù) 光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種利用石英、光纖傳感器光纜光纖傳感器光纜7、等離子體技術(shù) 等離子體技術(shù)（plasma technology）是應(yīng)用等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的部分電離等離子體完成一

14、定工業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)的手段。 等離子體的溫度高，能提供高焓值的工作介質(zhì)，生產(chǎn)常規(guī)方法不能得到的材料，加之有氣氛可控、設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、能顯著縮短工藝流程等優(yōu)點(diǎn)，所以等離子體技術(shù)有很大發(fā)展。 等離子體技術(shù)包括等離子體產(chǎn)生和等離子體應(yīng)用的技術(shù)，主要有： 磁流體發(fā)電 等離子體機(jī)械加工 等離子體冶金 二、幾個(gè)主要的物理技術(shù)系統(tǒng)7、等離子體技術(shù) 等離子體技術(shù)（plasma tech等離子切割等離子電視等離子切割等離子電視8、空間技術(shù)人造地球衛(wèi)星載人飛船空間探測(cè)器 空間技術(shù)是探索、開(kāi)發(fā)和利用宇宙空間的技術(shù)，又稱為太空技術(shù)和航天技術(shù)。目的是利用空間飛行器作為手段來(lái)研究發(fā)生在空間的物理、化學(xué)和生物等自然現(xiàn)象?？臻g飛行器

15、主要有以下三類(lèi)：二、幾個(gè)主要的物理技術(shù)系統(tǒng)8、空間技術(shù)人造地球衛(wèi)星 空間技術(shù)是探索、開(kāi)發(fā)和利用宇美國(guó)的旅行者空間探測(cè)器美國(guó)的旅行者空間探測(cè)器 作為相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)系統(tǒng)還有核技術(shù)、加速器技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、半導(dǎo)體微電子技術(shù)等等。核電站核磁共振 作為相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)系統(tǒng)還有核技術(shù)、加速器技術(shù)、超導(dǎo)技現(xiàn)代高新技術(shù)定義：是對(duì)知識(shí)密集、技術(shù)密集類(lèi)產(chǎn)業(yè)及其產(chǎn)品的通稱。是那些對(duì)一個(gè)國(guó)家軍事、經(jīng)濟(jì)有重大影響，具有較大的社會(huì)意義，能形成產(chǎn)業(yè)的新技術(shù)。三、物理學(xué)與現(xiàn)代高新技術(shù)現(xiàn)代高新技術(shù)定義：是對(duì)知識(shí)密集、技術(shù)密集類(lèi)產(chǎn)業(yè)及其產(chǎn)品的通稱現(xiàn)代高新技術(shù)的特征 1.高經(jīng)濟(jì)效益2.高競(jìng)爭(zhēng)3.高資本4.高風(fēng)險(xiǎn)5.高驅(qū)動(dòng)6.高創(chuàng)造性現(xiàn)

16、代高新技術(shù)的特征 1.高經(jīng)濟(jì)效益一生物技術(shù)二微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)三現(xiàn)代信息技術(shù)四新材料技術(shù)五激光技術(shù)六空間技術(shù)七新能源技術(shù)八海洋開(kāi)發(fā)技術(shù)九現(xiàn)代教育技術(shù)十環(huán)境保護(hù)技術(shù)現(xiàn)代高新技術(shù)一生物技術(shù)現(xiàn)代高新技術(shù)1、生物技術(shù)2、信息技術(shù)3、新材料技術(shù)4、空間技術(shù)5、新能源技術(shù)6、海洋開(kāi)發(fā)技術(shù)“六大”技術(shù)群1、生物技術(shù)“六大”技術(shù)群物理學(xué)與高新技術(shù)群體的關(guān)系 物理學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)了技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了一次又一次的產(chǎn)業(yè)革命。現(xiàn)代物理學(xué)更是成為高新科技的基礎(chǔ)。物理學(xué)與高新技術(shù)群體的關(guān)系 物理學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)了技術(shù)的例1、物理學(xué)與能源技術(shù)（2）氫能 （4）水能 （3）原子能 都與太陽(yáng)能有密切關(guān)系 能源危機(jī) （1）太陽(yáng)能

17、 太陽(yáng)能電池 例1、物理學(xué)與能源技術(shù)（2）氫能 （4）水能 （3）原子能 物理學(xué)與現(xiàn)代高科技課件1/20億到達(dá)地球大氣層 30%被大氣層反射， 23%被大氣層吸收，其余的到達(dá)地球表面，其功率為8105億kW，太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于燃燒500萬(wàn)噸煤釋放的熱量。 太陽(yáng)能電池：對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成 電力的器件，如硅、砷化鎵等 原理：光硅原子電子躍遷電位差電流1/20億到達(dá)地球大氣層 太陽(yáng)能電池：對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)其主要優(yōu)點(diǎn)有： 燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最干凈的能源。 資源豐富，氫氣可以由水制取

18、循環(huán)利用、持續(xù)發(fā)展 氫能在二十一世紀(jì)有可能在世界能源舞臺(tái)上成為一種舉足輕重的二次能源。其主要優(yōu)點(diǎn)有：氫能在二十一世紀(jì)有可能在世界能源舞臺(tái)上成為一幾大瓶頸及進(jìn)展：制備電解水，礦物燃料，生物質(zhì)制氫，化工副產(chǎn)品儲(chǔ)存氣態(tài)、低溫儲(chǔ)氫，金屬氫化物，儲(chǔ)氫材料的研制運(yùn)輸象煤氣那樣但有自身問(wèn)題，特別輕， 易泄漏， 液氫的溫度極低幾大瓶頸及進(jìn)展：制備電解水，礦物燃料，生物質(zhì)制氫，化工副 例2、物理學(xué)與新材料技術(shù)（1）高溫超導(dǎo)材料超導(dǎo)現(xiàn)象，臨界溫度優(yōu)點(diǎn)體積小 重量輕 效率高缺點(diǎn)材料？ 溫度？ 新突破： 近年來(lái)，一種新型的鐵基超導(dǎo)材料橫空出世，打破了以往傳統(tǒng)意義上銅氧化物材料稱霸于世的神話。而出乎西方人意料之外的是，

19、這次在舞臺(tái)上唱主角的，居然是黃皮膚、黑眼睛的中國(guó)人。 溫 例2、物理學(xué)與新材料技術(shù)（1）高溫超導(dǎo)材料超導(dǎo)現(xiàn)象，臨界溫（2）納米材料 納米10-9m納米材料物質(zhì)到納米尺度，物質(zhì)性能 就發(fā)生突變。其特殊性能不同于原來(lái)組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)。 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銅、銀等導(dǎo)體做成納米尺度以后，將失去原來(lái)的性質(zhì)。而磁性材料的磁性要高1000倍。 碳納米管（2）納米材料 納米10-9m納米材料物質(zhì)到納米 最近，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明了納米鏟子、納米勺子等，血管機(jī)器 人可以在血管里用這些工具來(lái)進(jìn)行操作，這就是納米工具。 科學(xué)家已發(fā)明納米剪刀 調(diào)控生物分子人們經(jīng)常說(shuō)的納米洗衣機(jī)、納米冰箱等，有的有科學(xué)依據(jù)

20、，大多數(shù)純粹是商業(yè)炒作！納米新材料 最近，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明了納米鏟子、納米勺子等，血管機(jī)物理學(xué)與航天例3、物理學(xué)與空間技術(shù)物理學(xué)與航天例3、物理學(xué)與空間技術(shù) “長(zhǎng)征”二號(hào)F型火箭載著神州五號(hào)飛船載人航天器直入云霄。物理學(xué)的基本理論是空間技術(shù)的基礎(chǔ)。 “長(zhǎng)征”二號(hào)F型火箭載著神州五號(hào)飛船載人航天器直入云霄嫦娥二號(hào)物理學(xué)與空間科學(xué)技術(shù)神州九號(hào)嫦娥二號(hào)物神州九號(hào)四、物理學(xué)與現(xiàn)代高科技發(fā)展的典型案例1、STM的產(chǎn)生背景 自從1933年德國(guó)科學(xué)家Ruska和Knoll等人在柏林制成第一臺(tái)電子顯微鏡后，幾十年來(lái)，有許多用于表面結(jié)構(gòu)分析的現(xiàn)代儀器先后問(wèn)世。如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、

21、場(chǎng)離子顯微鏡(FEM)等。但任何一種技術(shù)在應(yīng)用中都會(huì)存在這樣或那樣的局限性。 1982年，IBM(國(guó)際商業(yè)機(jī)器)公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的葛賓尼(Gerd Binnig)博士和海羅雷爾(Heinrich Rohrer)博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺(tái)新型的表面分析儀器掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，簡(jiǎn)稱STM)。案例之一 STM四、物理學(xué)與現(xiàn)代高科技發(fā)展的典型案例1、STM的產(chǎn)生背景案使人類(lèi)第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的前景，被國(guó)際

22、科學(xué)界公認(rèn)為二十世紀(jì)八十年代世界十大科技成就之一。1986年，STM的發(fā)明者賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2、STM的出現(xiàn)的意義葛賓尼(Gerd Binning) 海羅雷爾(Heinrich Rohrer)使人類(lèi)第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表具有原子級(jí)高分辨率?？蓪?shí)時(shí)地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象。可觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)?？稍谡婵?、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在溶液中，并且探測(cè)過(guò)程對(duì)樣品無(wú)損傷。配合掃描隧道譜STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息。3、STM的優(yōu)點(diǎn)3、STM的優(yōu)點(diǎn)4

23、、STM的基本原理 掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來(lái)說(shuō)，當(dāng)一粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)壘的高度V0時(shí)，它不可能越過(guò)此勢(shì)壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說(shuō)，粒子可以穿過(guò)比它的能量更高的勢(shì)壘，這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。（1）隧道效應(yīng)4、STM的基本原理 掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于 根據(jù)量子力學(xué)的波動(dòng)理論，粒子穿過(guò)勢(shì)壘的透射系數(shù): 由式中可見(jiàn)，透射系數(shù)T與勢(shì)壘寬度a、能量差（V0-E）以及粒子的質(zhì)量m有著很敏感的依賴關(guān)系，隨著a的增加，T將指數(shù)衰減。 根據(jù)量子力學(xué)的波動(dòng)理論，粒子穿過(guò)勢(shì)壘 掃描隧道顯微

24、鏡是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)(通常小于 1 nm)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極，形成隧道電流，其大小為： 式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，S為樣品與針尖的距離，是平均功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于 1（2）隧道電流 掃描隧道顯微鏡是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì) 由前式可知，隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)的依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小 0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級(jí)。 因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息。 視頻解說(shuō) 由前式可知，隧道電流強(qiáng)度對(duì)

25、針尖和樣品之間的距離有5、STM的基本結(jié)構(gòu) STM 儀器由具有減振系統(tǒng)的STM 頭部(含探針和樣品臺(tái))、電子學(xué)控制系統(tǒng)和包括A/D 多功能卡的計(jì)算機(jī)組成。整體結(jié)構(gòu)5、STM的基本結(jié)構(gòu) STM 儀器由具有減振系統(tǒng)的S壓電陶瓷 由于儀器中要控制針尖在樣品表面進(jìn)行高精度的掃描，用普通機(jī)械的控制是很難達(dá)到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。 壓電陶瓷材料能以簡(jiǎn)單的方式將1mV-1000V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移。 重要部件壓電陶瓷 重要部件三維掃描控制器 單管型掃描控制器：陶瓷管的外部電極分成面積相等的四份，內(nèi)壁為一整體電極，在其中一塊電極上施加電壓，管

26、子的這一部分就會(huì)伸展或收縮。三維掃描控制器電子學(xué)控制系統(tǒng) 掃描隧道顯微鏡要用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使探針逼近樣品，進(jìn)入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設(shè)定值相比較，再通過(guò)反饋系統(tǒng)控制探針的進(jìn)與退，從而保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過(guò)電子學(xué)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電子學(xué)控制系統(tǒng) 6、STM的工作模式恒流模式 利用壓電陶瓷控制針尖在樣品表面 x-y 方向掃描，而 z 方向的反饋回路控制隧道電流的恒定，當(dāng)樣品表面凸起時(shí)，針尖就會(huì)向后退，以保持隧道電流的值不變，這樣探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。6、STM的工作模式恒流模式恒高模式 針尖

27、的 x-y 方向仍起著掃描的作用，而 z 方向則保持絕對(duì)高度不變，由于針尖與樣品表面的相對(duì)高度會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，因而隧道電流的大小也會(huì)隨之明顯變化，通過(guò)記錄掃描過(guò)程中隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布。恒高模式7、STM的發(fā)展SPM原子力顯微鏡(AFM) 利用一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂，其末端有一微小的針尖，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過(guò)掃描時(shí)控制這種力的恒定，同時(shí)利用光學(xué)檢測(cè)法可以測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品的表面形貌的信息。 7、STM的發(fā)展SPM原子力顯微鏡(AFM)STM基礎(chǔ)上發(fā)展起的SPM磁力顯微鏡(MFM)摩擦力顯微鏡（LFM）

28、靜電力顯微鏡(EFM)彈道電子發(fā)射顯微術(shù)（BEEM） 掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（SICM） 掃描熱顯微鏡 掃描隧道電位儀（STP） 光子掃描隧道顯微鏡（PSTM） 掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM) 在STM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一系列掃描探針顯微鏡擴(kuò)展了微觀尺度的顯微技術(shù)，為納米乃至微觀技術(shù)的發(fā)展提供了很好的技術(shù)支持。STM基礎(chǔ)上發(fā)展起的SPM磁力顯微鏡(MFM)典型案例 之二 高密度磁記錄1、磁性材料放在磁場(chǎng)中被磁化后能保持磁性的材料。根據(jù)其矯頑力大小可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁記錄介質(zhì)磁滯回線及基本磁性能參數(shù) 典型案例 之二 高密度磁記錄1、磁性材料磁記錄介質(zhì)磁滯回2、磁性材料的應(yīng)用 由于磁性材料在信息的儲(chǔ)存、能量轉(zhuǎn)換及邏輯運(yùn)算等方面的功能，在電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等科學(xué)技術(shù)中有著重要的應(yīng)用。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)磁性材料的要求越來(lái)越高