在表面上操控原子Word格式.docx
《在表面上操控原子Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《在表面上操控原子Word格式.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
同时在北平也有一个物理研究所，是1929年成立的，这两个研究所在1950年的时候结合在一起，在北京成立了今天的物理研究所，当时还不叫做物理研究所，叫做中国科学院应用物理研究所，一直到1958年开始改名为中国科学院物理研究所，这是这个研究所脉络的延伸。
很多同学对大学都很熟悉，因为你们很快就要去考大学了，要到北京大学、清华大学，物理所跟他们比较起来，建立的过程还是要短了一些，比中国好一点的大学可能要短20、30年，30、40年。
中国科学院物理研究所是中国现代研究所里最早的之一。
有趣的是中国无论是解放以前的中央研究院还是解决以后的中国科学院，在成立这两个院的时候，他们都觉得物理是非常重要的，都毫不犹豫地一定要成立一个研究所，研究物理科学。
这是一门很重要的学科。
大家常常在讲什么叫基础科学，我自己也在怀疑自己，也在问自己什么叫基础科学，当你读书的时候开始要学语文，然后学数学，…我们从小学中学开始最早学习的几门课程一定是基础科学。
为什么叫基础科学？
因为后面学的学问都建立在它的基础之上，用到前面的知识,从这个意义来讲数学比物理更加基础。
物理在自然科学里也是非常基础的，在中学里，除了数学之外，很快就可以学物理、化学、生物、地理等等。
这样的科学应该是基础的科学，这种基础的科学为你学其它的东西打下了最基础、最需要的知识。
最早的一块牌子，叫做国立中央研究院物理研究所，1928年3月，原来建在南京，我还没去过这个地方。
在中国的历史上，在这个研究所里有一批非常杰出的中国物理学家在这里做过研究，实际上李政道、吴健雄都曾做过。
还有吴有训先生、赵中尧先生、严济慈先生、黄昆先生等很多人,我无法列出来，只是简单的说一下在这个研究所先后工作过的大概有60几位院士。
中国解放以后“两弹一星”的研制是非常了不起的事情。
前几年在表彰“两弹一星”做出重要贡献功勋的时候，有许多获奖的人在历史上或多或少跟物理所有过非常密切的关系，这是一个研究所非常自豪的历史。
过去的五十年中,物理所还有许多杰出的工作。
做自然科学要发表论文，有些人说这个地方工作好，一年发表的论文多，这只是一种评价方法。
但是有一类工作我认为更加重要，这类工作无论什么时候，都会在历史上留下脚印，都会留在这里。
举几个例子，比如1956年的时候在中国做出第一台氢液化器，这是非常不容易的工作，氢液化器的研制成功，标志着中国已经能够在相当低的温度情况下开展物理研究。
58年物理所做了第一批锗的高频大功率晶体管，第一根硅单晶也是在物理所做成的，这个很少有人知道。
在历史上物理研究所一直围绕国家最重要的关键任务攻关。
59年第一台氦液化器，64年首次合成人造金刚石，第一台红宝石激光器，69年人工胰岛素晶体结构的确定，74年中国第一台托卡马克在物理所诞生了。
83年第一代超导隧道结SQUID做成。
84年第三代稀土永磁合金大量的制备。
87年液氮温区，就是高温超导体的发现等等。
这些工作都会在中国近代科学史上留下了脚印。
近年物理所也有一些非常有趣的工作，这些工作我可以形象地给大家讲讲。
大家可能听到过纳米管。
物理所解思深先生不但把纳米管做的很长很细,还可以让它们排列的整整齐齐。
另外一个有趣的工作，现在大家都设想把电子器件做的越来越小。
一种办法是在纳米的尺度上做成小的量子点，它们要大小一模一样，排列的周期有序。
物理所薛其坤先生在世界上第一个实现了这个目标。
最近在上海刚刚有一个世界的清洁汽车拉力赛，用电池驱动的汽车，中国唯一的一台汽车是上海大众的汽车，用的就是我们所研究人员研制的电池，效果非常好。
物理所在中国物理学科的综合排名一直是第一。
现在我来谈一谈表面物理的过去现状以及未来。
表面物理看起来是很简单的一门学问，因为人与自然界中打交道的时候，一般往往都是从表面上开始的。
但是近代的表面科学的发展是很慢的。
首先研究表面并非易事。
第一点，很难创造一个环境，让你得到一个干净的面。
第二点，想获得一个理想意义上的完整的表面，也不可能。
研究表面物理大概有三个最主要的内容，一个是研究结构和成份。
当你把表面结构了解清楚了以后，人们开始在表面上来做些操作，要改变表面，就是做表面物理的第二件事，开始在表面上，按照自己的想法随心所欲做一点事了。
进一步发展是开始用表面物理的方法和技术研究物理问题，比如用表面的光电子谱方法研究超导机理。
对表面物理，Pauli曾讲过,他说表面是魔鬼做的。
在理论上来讲，表面的对称性下降。
在实验上来讲，找不到完全干净的、没有脏污的表面，做不到，这就是它为什么这么难。
给大家形象的讲一讲一种研究表面结构的方法-STM（扫描隧道显微镜）。
它就像一个人的手指，在表面上拨弄一个个小乒乓球，真正在实验室里手指头就是一个针尖，不是那么尖的，但是恰巧在某一个地方有一个原子更加突出一点，这就是所谓的针尖，要用人的眼睛去看的话，尖已经非常非常尖了，不寻常的尖，但是在原子的角度它仍然是非常非常钝的，这就是STM。
这个是瑞士IBM的Rohrer，他发明这项技术得了诺贝尔奖。
目前来讲，想研究表面原子，有两个基本的方法，一个就是用波的方法。
另一种办法干脆做一根探针，拿针在表面上拨来拨去，这两种方法各有好坏。
现在究竟对哪些表面研究的那么透彻呢？
我举一个硅的例子，硅是现代工业的基础，一定是非常重要的，很多人一开始研究就希望把硅的表面搞的清清楚楚。
这是硅的表面，沿着不同的晶向一点点切开，比如沿着100切开，最底下横的水平的线，一直到111面，切一刀就露出一个表面，看看这些原子是怎么松驰的。
硅的表面到目前为止还有很多地方没有搞清楚。
有的人说做表面物理的人，你看那帮人简直笨透了，40年，连一个简单的硅的表面还没有搞成，我觉得这也是对的。
做表面的人很高兴，他们反而讲你放心学表面物理吧，你不会失业，一个硅表面我们还没研究清楚，世界上还有多少表面，肯定有活干。
表面物理的研究过程中有一个巨大的特点，实验和理论的结合是极其密切的，都是相辅相成的，我在这里说明一点，不能轻视实验，也不能轻视理论。
几年前我在一个场合上做一个报告，当时有一个非常有名的美国物理学家评论说，当一个人做报告的时候，如果是一个实验的报告，你讲完了以后，底下的人都相信这是真的，因为实验上看到了什么，那能不是真的吗。
只有讲的这个人心里知道有一些疑问或有一些问题，因为他知道这个实验只做过一次，也许只做过五次，但是都不足够，也许他知道这个实验别的地方还没有重复，即便他做了一百次，别的地方还没有重复，这大概也是个问题。
也有的人说这个实验里无论怎么确定某个实验参数都是不可能完全准确的。
做理论的人如果给过一个报告，底下的人都会笑一笑，做理论嘛，想做什么做不出来？
讲的人费了很大力气，因为他知道每一步都是如何近似过来的，在近似的情况下它一定是对的。
在表面物理里,实验和理论的结合是极其密切的，相辅相成，推动了这门学科迅速发展。
Si（7X7）这个表面再构模型的研究过程非常有趣。
有一个在这个领域非常有名的大家也提出了一个错误结构。
但是没有人笑话他，科学是允许失败的，没有人讲你太笨了，做了那么多模型都没做出来，太丢脸了，没有人说这句话。
反而在这个领域里，在后面的工作中还引用他的工作，因为他是给后面的工作做出了修正，告诉别人这条路大概是不对的，这种方法大概在这方面是错的，至少解决这个问题的时候不要用这个方法。
科学的问题真的就是真的，假的就是假的。
一个实验结果拿出来，我相信有些同学会去做科学研究，会碰到这类问题，包括老板也是这样的，有一种先见之明，有些人做了一定的研究，他觉得一个课题最后做出来的应该是这样的，所以做一个结果跟他不一样的时候，他一开始会很不高兴，这怎么可能呢，应该再做做，如果第二次做的还是这样，再跟他讲他还是觉得很奇怪，年轻人就着急了，老跟老板对着干，可能将来就毕不了业，第三次就说老板是对的，这是很糟糕的。
最后一定要拿出真实的东西，无论如何真实的东西要拿出来。
如果老板是一个有良心驱动的科学家，你们会坐下来找出这里的毛病，也许会有很好的发现。
科学来不得任何马虎，但是科学允许错误。
我觉得中国的某种环境下不允许人犯错误，这点是极其遗憾的，很难有创造性，总是做二流的工作，这点是极其遗憾的，科学的发展是循序渐进的，没有人讲牛顿的理论完善的不得了，后面就不必再发展了。
牛顿的理论有他的适用范围。
通过这个例子我想告诉大家一是实验和理论同等重要，二是做科学研究要拿出真正的东西，这是做人的基本道德，否则是没法做的。
另外，要允许和宽容犯错误。
除了研究表面的原子结构以外，还可以研究原子表面上电子的分布，电子的分布反过来会影响原子的结构等等这些东西非常有趣。
我们还在研究工业界的催化问题，或者其它的化学反应。
今天的表面物理不再是表面的告诉大家结构是怎么样的，如何摆弄，演示一下。
在工业界已经离不开了，现在有个叫微机械工程的MEMS术语，很多地方要通过表面科学的基本原理实现，它所造成的产值是巨大的，在今天的电子工业、微电子工业、半导体工业、光电工业，整个是以这个为基础的。
李政道先生在参观中科院物理所表面物理国家重点实验室时给我们题的词是“表面生新枝，物理结硕果”。
原子在表面上有哪些可能的运动呢？
一个自由的原子掉到一个台阶上去了，跑来跑去，另一个原子，比如像B所示的样子，原子离开了一个岛或者贴在一个岛上去。
能够把这些过程都研究的清清楚楚，透透彻彻，就能知道在表面上形成的原子岛应该是什么样的形状，这就是我们研究的出发点。
实际上这里早期有一个非常著名的工作就是DLA理论，这个理论告诉大家，如果温度比较低，看到表面的原子的形貌，一定都像窗花一样，像雪花一样分形的，为什么呢？
一个原子来了以后，一旦碰上岛就粘在这里，不能再移动了，碰到哪儿粘到哪儿，这就是DLA理论，这个理论告诉我们为什么会形成分形的形状。
这个理论是非常著名的，81年提出来的，遗憾的是实验上从来没有看到这样的分形，即树枝的宽度一定是一个原子宽的，从来没有看到，都是几个原子宽的。
后来人们发现原子碰到岛上，沿着这个边能够走一走，然后再找到一个稳定的地方，当它有两个最近临的原子时停下来。
在111表面就会看到，树枝的宽度至少要有四个原子，加宽了一点，但是仍然是分形的形状，这就叫做扩展的DLA理论。
假设原子现在不但在边缘上能够走，而且还能跨过角，从一个边跑到另一个边去了，会得到什么样的图案呢？
这个图所示是能够跨过角的，从一边绕到另一边去，是致密的岛;
那个图是跨不过去的，仍然像分形的岛。
原子靠在岛上后的运动能力，让它尽量动，就能够使这个岛变得致密起来，这就是DLA理论中心的一点。
是不是还有其它的形核理论，特别是材料制备过程不断完善以后，大家发现在A的衬底上长B的材料，可能要加入另一种材料才能把这个膜长的非常平。
如图示黑的球上长在绿球，但是如果不加上蓝的这层球，绿球长的不好，长完以后表面上都是疙瘩，不是非常平的膜。
蓝的球叫表面活性剂，假设加上这层蓝球，绿球在黑球上的形核符不符合DLA理论呢？
这是没有人知道的，这也是我们提出的新的想法，新的理论，叫RLA理论。
接下来我演示一下形核的基本过程，比如说在衬底上掉下来一个绿球，绿球在表面上动来动去，这是一种可能。
另一种可能，绿球把篮球踢出来了，交换了一个位置，这样绿球真正形核了，因为我希望绿球在篮球上真正的生长。
第三个过程是后面来的绿球贴到边上，一会儿可能离开，一会儿把旁边的篮球踢掉，加入种子扩大绿色的岛。
在物理上来讲，这个过程最难，因为要把别人踢出去，没有人帮助形核，所以能量最高，在顶上走来走去是最容易的。
我们发现有一个”壳层”效应起到了根本的作用。
从顶上看表面，先看的是篮球，实际上每个篮球底下已经都是绿球了，边上的绿球仍然是在篮层的顶上。
温度低的时候，球只能在边上围着，在坑坑洼洼的地方绿球变成篮球了，表示绿球把篮球踢出去了，后面的绿球把空的位置填满。
在低温的情况下壳层是很强的，后面来的球没有办法一下把底下的踢走，所以壳层效应很强。
绕来绕去把这个岛绕成致密形的。
高温的情况，球来了以后，红球靠在边上，马上就变成篮球了，能量高，很快把原来的球踢走就下去了。
如果有表面活性剂辅助生长的时候，在低温下变成致密形，高温下变成了分形的形状。
后来我们在计算机上做了这个实验，从300K变成340K的时候，发现了一个由致密变成分形的转变过程，跟传统的DLA理论是不一样的，这项工作是99年发出来的，很多实验证明了这点，很多实验都看得到了。
硅上长锗，把硅表面加上一层铅，在300K的情况下是小的致密岛，高温下是分形的岛，这是实验验证。
原子在表面上形核的过程中，目前有两个基本的理论，一个理论就是表面是干净的表面，遵循的理论是DLA理论，是81年提出的。
这篇文章是PRL前十个引用率最高的文章。
另一个理论叫RLA理论，这是几年前刚刚提出的，这个理论告诉大家正好是一个相反的过程。
有的人曾经问过我是不是这个理论提出来以后，前面的理论就没有用了呢？
我说不是的，相当于我们原来讲的一句俗语，他们是马路警察跟铁路警察，各管一段，到铁路上，铁路警察出来管，到马路上马路警察出来管，但是他们两个可以把全国的交通都管理的好好的。
还有很多理论需要等待大家去发展。
能不能控制原子岛的形状？
这是非常重要的一个问题。
最典型的实验是在Pt（111）表面生长Pt原子岛。
这些岛在低温下三角形的一个尖都是朝下的，高温下仍然是三角形的岛，但都是朝上的，说明温度可以控制三角形的形状。
五年以后，同样的小组重复早期的工作，希望能够做的更仔细，结果发现实际上可能早期用的生长室被污染了，而新的实验发现表明温度诱导不了三角形形状的变化。
改变三角形形状变化的因素究竟是什么？
是里面污染的一氧化碳的多少。
他们就找了一个干净的生长室，把一氧化碳有意的往里加，加的很少和加的很多时正好三角形方向相反。
这是表面物理实验中一个非常著名的难题，究竟是什么诱导的变化，有没有其它因素也能诱导这个变化？
一直没有人解决。
我的一个学生仔细做了这件事，他发现实际上在铂的表面形成的最基本的岛的形状是六边形，两个边是不同的，一个边是A边，如图中黑圈表示在白圈上形成的岛，A边的原子靠在外边的是跟一个白圈成键;
B边上的原子是与两个白圈成键。
这两个边是不等价的，一个是A边，一个是B边，这是第一个发现。
第二个发现，这个问题太复杂了，我们把它简单化，考虑三个过程，一个就是原子正好碰到角上了，离开这个角，红球表示离开这个角了，可以向两边跑，角到边上跑的过程。
第二个过程，原子落到边上，篮球表示的过程，从边上向角上跑的过程。
第三个过程是原子沿着边上溜达来溜达去，在边上的过程，这个模型是极其简单的。
我为什么喜欢物理呢？
物理总是把一个非常复杂的问题变得简单化。
很多同学已经开始学物理了，可以说找不到一个例子是真正的跟实际情况没做过近似的。
物理最中心的一点就是把复杂的问题变得简单化，找出最重要的因素解决它。
在上面的问题中,第一点我们想证明在干净的表面上温度能不能诱导变化，结果发现诱导不了，温度怎么变都是这样的，改变不了形状。
是什么东西改变了形状，我们这个模型不是简单吗，只有三种过程，我把一个过程拿手调一下，那两个过程不变。
第一个改变两边上原子移动的难易程度，A边和B边的难易程度倒个个儿，结果发现是不变的，边到边上扩散原子的过程，改变不了三角形的形状。
然后就改变了另一个，由角上向两边跑的过程难易程度倒个个儿，其它不变，看三角形的形状改不改，还是不改，这就很危险，还剩一个可变量了，如果那一个也不改，这个模型就考虑的不足，温度不变也不足了。
我们非常幸运，当改变了一个原子从一个边绕过角跑到另一边难易程度的时候，三角形的形状整个翻过来了。
因此我们知道这里中心的问题是一个原子从一边跑到另一边难易程度颠倒个个儿，形状一定要颠倒。
这个重要的工作说明了两件事，第一，找到了真正控制三角形原子岛的原因。
第二，把前面实验中矛盾的地方全部清除了。
其实早期的实验也是对的，只是他们不知道那里有一氧化碳的吸附，在改变温度的时候，吸附的程度在变化，温度高的时候，吸附的东西就被托附掉了，实际上在调整一氧化碳的成份的多少。
这个理论建立起来以后，无论是改变一氧化碳的吸附量也好，或者引入其它的因素，如果能改变一个原子从一边跑到另一边的难易程度，就能控制形状，这是非常重要的。
特别是将来做器件的时候非常重要。
原子有没有本事爬山呢？
这是早期意大利的科学家做的实验，他做的时候百思不得其解，在这样的表面上有很多波浪的背景，还有很高的山，像喜马拉雅山一样高的山，他不能理解，用所有的理论都不能理解，为什么这两种山会共存，而且大的高山会把你丢下原子的85％都让它给抓去了，这是用现有的理论无论如何也不能理解的。
所谓现有的理论，实际上这个工作在其它地方也被发现了，比如在其它的衬底上也看到了，但是在那些工作中往往解释成衬底上有应力，两个材料间隔不是一般大小就造成了应力，应力可以诱导高山的出现。
但是现在的情况下没有应力。
早期存在的三维形核的理论往往是看原子从上面往下蹦容不容易，这个原子走到这个台阶上往下跳，如果容易的话，长的薄膜就是非常光滑的薄膜，底下铺满了，如果不容易就在底下积累，长成山了。
阻碍原子往下跳的能量势垒叫ES势垒，这里是二维的。
后来发现不单单有二维的，原子沿着一个边上跨过角到另一边也存在能量势垒,它对应着一维ES势垒。
几年前我和香港的同事还研究了三维ES势垒。
我们注意到,第一当原子在斜面往上跑时，对这个特殊的面从A的位置跑到B的位置，和从B的位置跑到A的位置，难易的程度差不多。
第二，原子沿着斜坡跑时要克服的势垒和在衬底上跑时要克服的势垒差不多。
第三，当它跑到顶上的时候，从D到C比从C到D还容易，就像黑洞似的，一下就把它抓住了。
这个过程是第一次被看到，原来生长动力学里忽视了这个非常重要的观点，就是在这个尺度上，原子往上跑是不难的，可以发生一个真正的原子向上的扩散运动。
接下来证明了实验上看到的现象，比如温区和其它的问题，同时告诉大家，除了铝之外，其它的一些材料都有可能在一些特定的表面上看到这个现象。
这个实际上早期已经被观察到了，只是大家没想到这里去，早期的解释是不对的。
在原子的尺度上，重力是近乎可以被忽略的。
原子岛在表面上是如何退化的?
所谓的退化就是一个大岛随着时间的变化，一点点消失掉了。
我们认为有两个退化过程，原子所谓的退化就是从上层往下跳的难易程度。
我们提出一个模型，叫ASD模型，原子从上一个台阶往下蹦的时候，从直边和从角上跳都是一样的，所以说没有选择性，任何一点都可以跳。
另一个叫SSD模型，原子更喜欢从坑坑洼洼的边缘地方往下跳，从直边上跳不下来。
我们先构造一个量子点再让让它消失掉。
一开始做了很大的山，总共有七层，一万多个原子，开始的时候让边界的宽度都是一样的，如果从ASD模型出发，随着时间的变化到了120秒的时候，斜率还是一个常数，斜率是不变的。
有的同学跟我讲这可能是一开始就让台阶一样的，保持不变的原因。
我再构造一个岛,台阶有宽有窄，但仍然是在ASD的模型下，从任何一点都能往下掉。
随着时间的推延会发现非常奇怪，到600秒的时候岛的斜率被优化了,此后会保持斜率不变，一直到整个岛全都消失掉，这就是ASD模型。
SSD模型，一开始构造一个岛，台阶都是一边宽的，结果发现随着时间的演化，斜率会陡起来的，岛逐渐变得越来越细，最后量子岛整个坍塌掉，这是两种模型。
最后给一个总结，在111表面量子岛坍塌的时候遵循的是ASD模型，斜率不变。
而在100表面遵循的是SSD模型，斜率变了。
原子在111表面上跳下来的时候，无论是直边还是坑坑洼洼的地方，势垒很接近，没有必要选择轻松的地方跳。
在100表面上坑坑洼洼边缘的ES势垒会减少很多,使原子往下跳更容易，因此原子会专门找这些地方往下跳。
最后和大家一起讨论一件事情，我对做研究的看法，跟你们实际上没有什么不同。
物理非常重要的一个问题就是研究相互作用，要想做一个好的物理，或者发现新的相互作用，或者是对已经发现的相互作用，找到它更广泛使用的范围。
这样的研究就叫所谓好的大物理。
当然，这种机会都是很难得的，因为现在的相互作用无外乎是四种。
我尽量做的问题都是选择一些实际的东西，而不是炒菜炒出来的，是实际生活中存在的需要做的事情，这是非常重要的。
要争取解决这样的问题，它很长时间以来大家都认为这是一个难题。
发展一种新的概念，做一些新的发现，关注相反的规律等等这些东西都会有受益。
最重要的是做的事情要与众不同。
有人把它翻译成标新立异。
谢谢大家。
提问：
111表面和100表面具体指的什么？
物质或者原子的难易程度爱在哪儿，不爱在哪儿，实质是什么东西？
回答：
如果看晶体的结构，一个晶体，比如一个方块，如果把魔方沿着外表面随便切一刀的话，得到的表面就叫100表面，得到的还是小方格子。
如果沿着对角线切一刀的话，就不是一个方块，是一个六边形，或者叫做三角形，这两类表面是不一样的。
一类表面叫做111，六边形的表面，一类表面是方格子的，叫100。
假设在111这个表面上扔到顶位上一个原子的时候，你会发现近邻是六个。
而扔到100表面，近邻是四个。
在这两个表面移动一个原子的难易程度是与近邻原子数有关的。
表面物体，掰断了之后，原子都会飞走的。
把它掰断之后，它还会稳定的待在那儿吗？
原子是有很大的可能性飞走的，但是它待在那儿更容易。
为什么待在那儿更容易呢？
把它折断的时候一定花了很大的力气，任何东西折断的时候都要花力气，这个力气就是要把原子分开。
让原子自动走的时候，它不太愿意走，为什么呢？
因为底下的原子拉着它，它不是那么轻松的走，它会待在那儿。
虽然你拉着我，但是我还想走，相互之间的位置就移动了一下，所以体内的位置跟表面上的位置不同，就来自于这个原因，我还想走，但是我又走不掉，就松快一下。
作为一个研究物理的人，您在研究物理的时候是怎么提高您如此高的英语水平的？
实际上我有的名词只是翻不过来了，就说一点点英语，其实我的英语不好，人有一种反应，像说地方方言似的，有的地方有个反应，并不表明英语好。
我自己学英语有一个体会，你拼命在学的时候，英语的提高是极其有限的。
我的英语的提高是一个跳跃的过程，我最早说英语的时候，原来有个外语教师假设他在隔壁的时候，我分不清是他还是别人。
但是我那个时候学习最刻苦，天天背。
最好的一点是什么时候呢？
要放松自己，不断地听片子，看电影，不懂没
升级会员 