箱式马弗炉

俗话说,民以食为天。

不仅感觉兔年春节过完了,

这些天来,

小伙伴们都享受过各种美食!

箱式马弗炉

除夕之夜的家庭团圆饭

对边肖来说,

享受美食是最幸福的事!

众所周知,

烹饪食物的方法千变万化;

煎、炸、煮、炸、蒸;

煮、炖、煲、烧、炖;

炒,烤,煮,烤,烤。

蒸香肠

使用的食材也是五花八门。一般来说,食材可以完全煮熟,也可以切块、切片、切丝。或者剁碎;或者磨成粉、泥再加工。

在烹饪过程中,你可以单独烹饪,也可以将食材混合,当然也不忘加入各种调料。

最后一盘好吃的出锅了!

铁板虾滑

对于物理学家来说,很多重要的物理都隐藏在各种材料中。例如金属、半导体、超导体或大块单晶、多晶合金、薄膜材料和纳米片。

例如,在YBCO合金中发现了高温超导现象。

制造这些材料的过程就像“烹饪”:各种化合物像配料一样被加工。

化学原料通过一系列方法分解合成,产生化学反应,从而结合出不同的元素。最后,使用各种方法来获得最终所需的材料或样品。

一盘西红柿炒鸡蛋和一个掺杂半导体。

从材料中发现新物理,利用材料开发新技术。各种材料在物理学家眼里不都是“美味佳肴”吗?

今天,边肖将带您了解一些常见的材料准备方法。

散装水晶×美味烹饪√。

在烹饪之前,我们需要确定所用的食材,制作材料也是如此。第一步是选择合适的反应原料。

制备多晶材料的常用方法是固态合成。

固相合成是指原料和产物在整个反应过程中处于固态。(就像把不同的食材剁碎混合在一起做成一道菜的烹饪)

首先,将反应原料按照一定的化学计量比混合在一起。一般来说,原料都是粉末状的化学品。

配料间-整齐排列的瓶瓶罐罐

值得注意的是,如果反应原料容易被氧化和受潮,需要在充有惰性气体的手套箱中称量和混合药物。

手套箱图片来源:中国科学院物理研究所SC9组

只有不同原料颗粒之间接触面上的分子才有机会与另一个分子发生反应。因此,需要在原料之间充分均匀地混合粉末颗粒。

一般用无水乙醇或去离子水混合原料,通过机械球磨混合。

机械球磨工艺

原料混合均匀后,压制成片,增加颗粒间的密实度。

然后加热到一定温度,增强分子的热运动,促进粒子表面分子间的离子扩散,从而引起化学反应。

粉末压片机和压片模具来源:网络

反应一段时间后,一般研磨混合均匀,再加压加热,从而重建反应界面,缩短离子扩散时间。

加热或最终晶化烧结工艺一般是将压块放入坩埚或石英管中,然后放入马弗炉中加热。

箱式马弗炉概述来源:百度百科

界面上的分子不断反应产生产物,产物的积累会形成晶核。在不断反应的过程中,晶核会长大,最终形成晶体。

固相合成法制备多晶铁电陶瓷

对于单晶,除了固相法,溶液法也是晶体生长的主要技术。

例如,将晶体溶解在特定的高温熔盐中可以形成高温“溶液”,溶液会通过冷却或溶剂蒸发使晶体析出,使“溶液”处于过饱和状态。

结晶过程来源:[2]

这让边肖想起了一种传统食品——猪皮冻:先熬汤,再凝固。

传统美食——猪皮冻

此外,顶尖籽晶技术的实现使得籽晶可以广泛用于生长光学晶体[1]。

晶种是小的单晶或多晶材料。使用籽晶促进晶体生长避免了自然晶体生长缓慢的随机性。

这是因为引入预先形成的目标晶体后,分子间的相互作用比依靠随机运动更容易形成[2]。

顶部籽晶技术晶体生长炉内部结构示意图来源:[1]

也可用光学浮区法生长单晶,即光源经椭球体反射,形成在中心窄区温度高,边缘温度低的区域。

将多晶棒置于中心高温区,加热熔化成液体,移动棒熔化的化合物在籽晶上重结晶,完成单晶生长[3]。

光学浮区炉样品加热区来源:[3]

纳米膜×千层蛋糕√。

薄膜是指具有单个或多个原子和分子层的材料。

与三维块体晶体相比,薄膜材料在厚度方向上原子排列的周期性消失导致了相应块体材料所不具备的特性的出现,这使得薄膜材料成为凝聚态物理研究中不可或缺的一部分。

单层、双层对称和反对称石墨烯具有特殊的能带结构来源:[4]

生长薄膜的基本原理是通过加热或离子和激光轰击,使原子或分子从靶中分离出来,最终沉积在一定的基底上。

通过依次沉积不同物质的原子和分子,也可以构建薄膜异质结,即由两种物质组成的界面。这样可以探索一些界面效果。

多层结构薄膜[5]和榴莲千层蛋糕

实验室常用的制备薄膜的方法有真空蒸发、离子团簇生长、化学气相沉积、磁控溅射、分子束外延和激光分子束外延[4]。

因为薄膜生长的过程需要原子和分子在环境中扩散,在衬底上沉积,所以需要在高保真空的环境中进行。

True 空分类

真空蒸镀的方法是在真空环境下,通过加热蒸镀使原子自由无碰撞地沉积在顶层衬底上,常用于蒸镀金属电极。

就像蒸一锅好吃的馒头一样~

离子团簇生长是指将高温加热材料形成的蒸气注入高保真空中,形成由数千个原子组成的原子团簇,然后电离形成离子团簇,最后经过电场加速后高速沉积在衬底表面。

全当把配料撒在烤肉上~

化学气相沉积(CVD)是指化学反应分解后,气态化合物在基底表面的沉积。

磁控溅射是指电子碰撞电离的Ar离子在磁场中高速轰击靶材,从而溅射出大量的靶材原子,沉积在衬底表面。

磁控溅射设备来源:[6]

分子束外延(MBE)通过加热、蒸发裂解或电子束轰击激发靶材,使固体材料变成气态原子或分子,沉积在衬底上。

激光分子束外延的方法是在真空环境下用脉冲激光撞击靶材,靶材吸收激光能量后会电离,产生含有离子、分子、电子、原子和团簇的等离子体羽流。

等离子体羽流沉积在衬底表面,完成薄膜生长。

在薄膜生长过程中,首先将用于生长薄膜的衬底加热到一定温度,然后向腔体内通入流动的氧气,保证一定的氧压。将靶直接放在基底下面,然后用脉冲激光照射靶。

激光分子束外延系统示意图来源:[7]

因为等离子体羽流是高度定向和密集的,所以它将在真空室中迅速膨胀,并以几乎垂直的方向沉积在衬底表面上。从而生长具有极高质量的单晶薄膜[7]。

激光分子束外延系统物理图来源:[7]

原子在衬底上沉积成薄膜的过程可以分为以下四种类型。导致不同生长过程的原因有衬底温度、沉积速率、生长压力、衬底表面平整度等。

薄膜外延生长的四种模式原文来源:[6]

因此,在薄膜生长过程中,一般采用反射式高能电子衍射系统(RHEED)来实时监控生长过程。一般来说,胶片表面越平坦,越容易看到振荡的RHEED图像。

La_1-x Sr_xMnO_3 (LO)系统的RHEED图生长来源:[8]

还有一种剥离的方法,可以得到纳米级的二维材料。也就是说,原子层从大块晶体中剥离出来。

就像切一片火腿一样~

最著名的剥离方法是2004年英国Geim团队用透明胶带反复粘贴折叠单层石墨烯。现在用透明胶带制备薄膜也是实验室常用的手段。

除了粗糙的透明胶带,还可以使用一些辅助手段来帮助剥离。

例如,将材料粉末悬浮液分散在有机溶剂中,在球磨过程中通过涡流的剪切应力剥离纳米片[9]。

涡旋脱落氮化硼纳米片示意图来源:[9]

或者借助超声波,将不易水解的物质溶于水中,从而达到更有效的脱皮效果[9]。

氮化硼纳米片超声波辅助水解剥离示意图来源:[9]

通过剥离获得的纳米片可以具有几个甚至单个原子层。

材料处理×平底锅准备√

一些材料在制备后可能仍然存在一些缺陷。

比如浇一勺热油就完美了~

例如,对于一些含铁的晶体,晶体层间的空隙中可能存在铁离子,从而改变晶体的磁性或影响其性能;或者有些晶体由于环境缺氧,在烧结过程中存在很多缺陷,对其性能不利[10]。

此时可以采用退火,即将材料置于一定的气体气氛中,在较低的温度下保持一段时间,这样可以减少晶体中的缺陷,提高材料的性能。

当然,熟猪肉好吃是因为“熟”了~

对于某些材料,如半导体,本征材料应该在制成后进行掺杂。例如,掺杂到P型或N型半导体中,可以进一步制造该器件。

这时可以通过离子注入进行掺杂,离子注入是半导体主要的掺杂和控制手段。

在离子注入过程中,首先要对离子束进行净化。离子源产生一些特定的正负离子,如氮、硼、砷、磷、锗等离子体后,在可调节的强电场加速下形成具有一定动能的离子束[11]。

因为不同的离子有不同的荷质比,可以据此筛选出杂质离子。

然后,加速离子束的入射方向会与目标晶体表面形成一定的偏离角度,均匀地照射在晶体表面。

(a)沿特定晶轴从上方观察的金刚石结构图,( b)离子穿过立方晶格的不同路径图。

离子穿透晶体后,会以一系列复杂的方式与晶体中的原子发生碰撞和散射,因此最终停留在晶体内部的某个位置,从而实现晶体的离子掺杂[11]。

样品表征×美国食品鉴定√

问:制作美食最重要的步骤是什么?

a:当然了!

来源:电影《美食家》

同样,在准备好我们需要的材料后,我们需要以某种方式对这些材料进行表征,以测试我们样品的质量。

首先,样品的形状和外观可以通过光学显微镜直接观察。

由于可见光波长的衍射限制,其在空之间的分辨率有限。因此,如果想看到更微观、更清晰的样品形貌,可以用波长更短的电子束来制作显微镜,即扫描电镜。

氮化硼纳米片的扫描电子显微镜照片来源:[9]

因为X射线的波长与晶体中原子间的距离在同一个数量级,所以X射线在晶体中非常容易衍射。据此,样品的晶格结构可以通过X射线衍射图来确定。

x射线衍射示意图来源:[8]

此外,样品的微观表面形貌可以通过原子力显微镜进行观察。

原子力显微镜的探针是由几个原子组成的尖锥。当探针在样品表面运动,遇到样品表面的起伏时,探针原子与样品表面原子之间的相互作用力会不同。然后将这个力的大小转换成电信号,通过仿真软件就可以得到样品的表面形貌。

原子力显微镜结构图来源:[7]

拉曼光谱也是各种材料表征方法中常用的方法。

当光进入晶体时,激光可能与固体中的分子键和晶格声子相互作用。因此,发射光的波长改变,这是拉曼散射。

由于不同物质的分子键或声子的振动能量不同,通过分析激光在拉曼光谱中的频率变化和峰值强度,可以鉴别不同的相。

碳纳米管的拉曼光谱来源:[13]

这么多物理“美味”的制作和品尝方法,明年除夕再摆一桌物理“美味”好吗?

参考资料:

[1]新型光学晶体材料BaTeW_2O_9的晶体生长与表征,张,山东大学硕士论文,2016。

[2]维基百科https://en..org/wiki/Seed_crystal

[3]高压下钡基钙钛矿氧化物单晶的制备及物性研究,秦锡军,中国科学院博士论文,2022。

[4] Ohta T等.控制双层石墨烯的电子结构,科学313,5789 (2006)

[5] Martin等.基于BiFeO_3/SrRuO_3/SrTiO_3/Si (001)异质结构的室温交换偏置和自旋阀.应用物理.列特.91, 172513 (2007)

[6]新型固态锂二次电池及相关材料的制备与性能研究,谭国强,北京理工大学,2014。

[7]激光法制备Bifeo _ 3基多层膜及界面效应研究,姚小康,中国科学院博士论文,2022。

[8]激光法制备LaMnO3和掺锶(Pr,Nd)NiO3 _ 3薄膜,杨铭威,中国科学院博士论文,2022。

[9]氮化硼纳米片的制备及性能,杜淼,山东大学博士论文,2013。

[10]fese基超导材料的制备及性能优化,邵,Xi理工大学硕士论文,2019

[11]硼离子注入碳化硅外延石墨烯的物理性质调控及相关表征,郭云龙,中国科学院博士论文,2021。

[12] Chen等.在环境中通过尖端增强拉曼成像对碳纳米管进行1.7 nm分辨率的化学分析,Nat .Commu。5:3312 2014

编辑:加勒特

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