物理知识系列讲座（三）——物理学与新材料技术
2——物理学与新材料技术
材料技术是探讨材料的制备、结构、性能、功效及其相互关系的技术，如今业已成为不同工程领域产业化的共性关键技术。当代每一项重大技术的出现都有赖于新材料的发展。例如：半导体材料的发现和发展导致了微电子工业、大规模集成电路、高速运算计算机等的出现；高温材料及高性能结构材料的出现使航空航天技术快速发展；低损耗光导纤维使当今蓬勃发展的光线通讯得以实现；等等。材料科学是物理、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、医学、生物学及计算科学等多学科交叉融合的结果，同时也是一个正在蓬勃发展中的学科，它将随各相关学科的发展而不断得到充实和完善。发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，并进行合理利用，使其更好地为人类的社会生产和生活服务。材料技术的基本原理根植于凝聚态物理学、物理化学与合成化学。物理学及物理技术为材料科学提供了强有力的理论和实验研究手段，材料的组织、结构及性能的研究都离不开物理学。本节将简要介绍有关材料的基本知识及物理学在材料科学中的应用，并着重介绍几种重要材料。
一、材料—人类赖以生存和发展的物质基础 材料的分类
材料是有一定配比的若干相互作用的元素组成的、具有一定结构层次和确定性质，并能用于制造器件、设备、工具和建筑物等的物质系统。人类发展的历史证明，材料是人类社会进步的物质基础和主要标志或里程碑。纵观人类发现和利用材料的历史，每一种重要的新材料的发现和广泛应用，都会给社会生产力和人类生活水平带来巨大的变化，使人类支配和改造自然的能力向前迈进一大步。材料的发展导致时代的变迁，因此人类的历史曾以使用的主要材料来进行划分，如石器时代、铜器时代和铁器时代等。
早在一百万年前，人类开始用石头做工具，使人类进入旧石器时代。大约一万年前，人类能对石头加工，使石头成为精致的器皿或工具，从而使人类进入新石器时代。在新石器时代，人类开始用皮毛遮身。八千年前，中国开始用蚕丝做衣服。四千五百年前，印度人开始种植棉花。这些都标志着人类使用材料促进人类文明进步。此外，人类还使用竹、木、骨等原始天然材料，不经或稍许加工而制成工具或用具。这是材料发展的初始阶段，其特点是人类单纯选用天然材料。
人类还处于新石器时代，就已发明用粘土成型，再火烧固化而得到陶器，用作器皿或装饰品。陶器的出现，是对人类文明的一大促进。在烧制陶器的过程中，又偶然发现了铜和锡，实际上是铜和锡的氧化物在高温下被炭还原的产物，进而生产出色泽鲜艳且能浇铸成型的青铜，使人类进入了青铜时代。公元前13—14世纪前，人类已开始使用铁。3000年前的铁器比青铜器更为普遍，人类开始进入铁器时代。到春秋末期，中国的生铁技术遥遥领先于其他国家，如生铁退火而制成的韧性铸铁以及生铁炼钢技术发明，促进了当时生产力的大发展，推动了整个世界的文明与进步。18、19世纪蒸汽机、电动机的发明对金属材料提出了更高的要求，同时对钢铁冶金技术产生了更大的推动作用。炼钢技术大大促进了机械制造、交通铁路及纺织工业的发展。随之各种特殊钢如高速钢、硅钢及不锈钢相继问世，铜、铝也得到大量应用，其它金属和合金也都出现，从而使金属材料在20世纪占据了主导地位。铜、铁和其它合金的发现与应用是材料发展的第二阶段。在这一阶段，金属（主要是铁和钢）确立了工业材料的绝对权威。这个阶段的特点是人类从自然界提取有用的材料。
随着科学技术和工业的发展，人类对材料提出了质量轻、功能多、价格低等要求。与此同时，人类已经掌握了丰富的知识和生产技术，已能人为地制造出自然界许多不存在的材料，以便满足社会各种各样的要求。这是材料发展的第三阶段即人工材料合成时代。塑料、各种高分子材料、先进陶瓷、新型复合材料、超晶格材料等各种高性能材料层出不穷。70年代，材料与能源、信息并列为现代文明的三大支柱。80年代，人们又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的主要标志。可见，一个国家的材料的品种、数量和质量，已成为衡量其科学技术、国民经济水平和国防力量的重要象征之一。
材料品种繁多、用途广泛，使得材料的分类也变得十分复杂，目前还没有统一的标准。从物理化学属性来分，有金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料，或者分为无机材料或有机材料；从组织结构上分，可分为单晶、多晶、非晶、准晶和液晶；从状态上分，有固相、液相材料，单相、多相、复合材料，宏观、介观（团簇、纳米）材料；从用途上分，可分为电子材料、能源材料、建筑材料、生物材料、核材料、航空航天材料等。从材料的来源，可以分为天然材料和人工合成材料，从大自然中直接获取天然有形物质进行简单加工或直接应用的材料如沙石、木材、石材等称为天然材料，通过物理化学加工方法研制出的材料如合金、玻璃、陶瓷、合成高分子等称为人工合成材料。
更常见地，是将材料分为结构材料和功能材料两大类。结构材料主要以理学性能为基础、以制造受力构件为应用目的的材料（当然也要考虑物理化学性能如光泽、导热性、抗腐蚀、抗氧化等），通常包括建筑材料、机械制造材料，航天航空材料，用于制造工具、机器、车辆、房屋建造、铁路、桥梁、飞机、航天器等；功能材料指具有光、电、磁、声、热、化学、生物等特定功能和性质的材料，如导电材料、磁性材料、介电材料、发光材料、光电材料、压电材料、声光材料、超导材料、仿生材料、智能材料等等。通常，它们对外界环境如光、电、磁、热、压力、气氛等反应灵敏。利用它们可以制造具有记录、储存、信息传输或转换能量的功能元器件，在电子、激光、能源、通讯、生物医学等许多新技术领域有广泛的应用。现代高新技术依赖于功能材料，同时又刺激着功能材料的迅速发展。结构材料常常以材料形式为最终产品，如钢材、塑料、玻璃等；而功能材料一般用于非结构目的，常常以元件形式为最终产品，如传感器件、电子器件等。现代社会对研制新一代材料提出了结构与功能相结合的要求，即材料不仅能作为结构材料使用，而且具有特殊的或多种功能。同一种构件、设备或器件可能是结构材料和功能材料的结合，例如航天航空器既有特殊的结构材料，又有特殊的功能材料。
功能材料是现代材料中比较高级的材料，按照其使用性能可以分为9大类型：电学功能材料、磁学功能材料、光学功能材料、声学功能材料、力学功能材料、热学功能材料、化学功能材料、生物医学功能材料、核功能材料。这些功能材料还可以进一步细分，如光学功能材料包括非线性光学材料、发光材料、红外材料、感光材料、激光材料、光电材料、声光材料、磁光材料、光记录材料等。根据功能材料的应用技术领域，可分为信息材料、电工材料、电子材料、电讯材料、计算机材料、传感材料、仪表材料、能源材料、航空航天材料、生物医用材料等。还可以细分，如信息材料又可分为信息检测与获取材料、信息传输材料、信息储存材料、信息处理材料等。目前，各种新型功能材料如光电子信息材料、功能陶瓷材料、能源材料、生物医用材料、超导材料、功能高分子材料、功能复合材料、超导材料、智能材料以及生态环境材料是人们关注的新材料领域，也是各国科学工作者研究和开发的热点。
传统材料和先进（或新型）材料是材料的又一种分类方法。传统材料指那些已经成熟且大批量生产与应用、价格相对较低、已有长期使用经验和数据的材料，如钢铁、水泥、塑料等。这类材料是很多支柱产业的基础，故又称为基础材料。先进材料（新型材料）是指那些正在发展、具有优异性能和应用前景、正在努力商业化或处于研制中的材料。传统材料与先进材料没有明显的界限，传统材料通过采用新技术、提高技术含量和性能、大幅度增加附加值，就成为了先进材料，先进材料经过长期应用、大批量生产以后就成为了传统材料。
二、物理学—材料科学与技术的基础
1.凝聚态物理——材料科学的理论基础
材料物质形态一般是固体和液体。固体和液体是由大量的物质分子构成的紧密聚集态，统称为凝聚态。材料科学是以材料为研究对象的学科，研究内容包括材料的组织结构、性质、制备与应用开发。材料科学的基本原理植根于物理与化学，化学侧重于材料的合成与制备方法的研究，而物理则侧重于对材料的基本理论机制的研究。凝聚态物质系统是一个非常复杂的客体，每一立方米中包含有数量级为1029的原子、电子，而且它们之间的相互作用很强，其宏观性质是粒子之间相互作用和集体运动的总表现。将量子力学、热力学与统计物理、电磁学理论这些物理学基本原理用于研究由数目巨大的粒子构成的凝聚态物质系统的微观结构、粒子的集体运动规律、宏观性能以及外界因素对系统性质的影响便形成了凝聚态物理，因而凝聚态物理是材料科学的理论基础。凝聚态物理学就是从微观角度出发，研究凝聚态物质的结构和动力学过程及其与宏观物理性质之间的学科。材料的应用领域与应用效果取决于材料的各种性能，而材料的原子结构和电子结构是研究材料特性的两个最基本的物质层次，凝聚态物质系统内组成粒子（原子、分子）中电子的运动规律、粒子间的相互作用机制以及系统与外界发生作用的微观过程是影响其宏观性质的根本因素。这些都是凝聚态物理要解决的基本问题。只有深入研究凝聚态物质系统内部微观运动规律，才能了解材料的各种性能，从而为发展新材料开辟新的途径。
材料的开发途径有两个，一是根据应用要求，设计和选择特定性能的材料，“量体裁衣”；二是从基础研究范畴发现和研究材料的各种性能，再根据其性能开发应用，创制新的材料。这都需要以凝聚态物理学为基础。材料的凝聚态结构与表征，相变热力学与动力学，缺陷，组成粒子间的结合力，物质、能量、载流子等输运机制，各种复杂条件下的性能响应等等都是凝聚态物理涉及的研究方向。凝聚态物理学的一些基本理论，如固体能带理论、点阵动力学理论、对称破缺的相变理论、元激发理论、缺陷理论和临界现象理论等都是为解释材料各种物理现象发生与性质表现的原因而建立的。
物理理论和模型促进了材料科学的发展。在物理学特别是凝聚态物理与材料科学的交叉领域，重大的科学研究成果层出不穷。一方面物理学的新成就大大推动了材料和材料科学的发展，另一方面，材料和材料科学中的难题挑战并吸引着物理学家。例如，晶体管的发明是物理学与材料科学结合的典型范例，它直接基于晶体中电子的量子理论。在晶体管基础上，后来半导体器件不断小型化、集成化，不仅对材料加工技术提出了更高的要求，而且使物理学家面临建立新理论体系的挑战，如表面、界面的结构，表面态的分布等成为了科学研究的热点。又如凝聚态物理中关于原子间结合力和位错理论，不但为金属材料强度的提高指明了方向，也为改进其它材料（如半导体材料等）有关性能的改进提供了思路。几乎每一种新材料的发现和改进，都离不开凝聚态物理。总之，没有凝聚态物理的研究成果，就不会有新材料。
2.现代物理技术—材料结构表征与性能检测的基本手段
现代材料科学在很大程度上依赖于对材料性能与其成分及组织结构关系的理解。因此，对材料的性能的各种测试技术，对材料组织从宏观到微观不同层次的表征技术构成了材料科学与工程的重要组成部分，也是材料设计与制造工艺到获得具有满意性能的材料之间的桥梁。而材料的结构表征与性能检测又依赖于现代物理技术手段。
材料的性能是指其在给定的条件下或在条件发生变化时所产生的响应，如材料的弹性模量、比热、热导率、电导率、磁性、极化率、扩散系数、耐高温性、抗腐蚀性、抗震性等。这些性质又与材料的组织形态、微观结构与成分有关。无论是性能检测，还是组织结构与成分分析，都需要各种各样的物理测量仪器。有关材料的性能检测与评价技术随着材料的发展在不断革新，测量精度也在不断提高，测量仪器的种类也很多，评价的标准也有统一的规范。这里对材料性能检测技术不做进一步的介绍。但可以肯定地说，几乎每一种材料性能检测技术都与物理学密切相关。一般说来，材料的组织结构与成分可以用材料与声波、电磁波、电子、离子、中子的相互作用所获得的各种信息来检测，这些信息构成了有关分析技术的物理基础。目前现代物理分析测试技术发展很快，但其基本原理仍大多在这些相互作用信息的范畴之内。例如，基于材料与声波的相互作用的有超声波检测仪；基于材料与电磁波相互作用的分析仪器有光学金相显微镜、x射线衍射分析仪、核磁共振仪、微波电子顺磁共振以、光电子能谱仪、穆斯堡尔谱仪、光谱仪（红外光谱仪、拉曼光谱仪、激光光谱仪等）等；基于材料与电子相互作用的有扫描电子显微镜、透射电子显微镜、正电子湮没装置等；基于材料与离子相互作用的有离子束分析仪；基于材料与中子相互作用的有中子衍射仪；但是，场离子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜等的基本原理却是直接利用探针直接检测材料的表面微观形貌。以下简要介绍几种常用的材料的分析表征手段及应用。
（1）x射线分析技术
x射线与物质的相互作用将产生吸收和散射现象。X射线透过物质后将变弱即发生能量损耗，称为x射线吸收。这种吸收的产生有以下原因：a)光电效应即原子吸收x射线光子发生电离而发出光电子。该效应能获得光电子谱信息，可用于测定原子和分子轨道的结合能。b)荧光效应。x光子打出一个原子内层电子后，激发态原子中高能量轨道上的电子将填补内层空位，也将产生x射线，称为x射线荧光。可利用这种荧光光谱分析材料中所含的元素及成分。c)俄歇效应。原子内层电子被x光子打出而出现空位，较高能量电子将填充该空位，会剩余能量。这种能量可以以上述x射线荧光向外辐射，也可能使另一个核外电子脱离原子逸出，逸出的电子叫做俄歇电子。每种元素都有自己特定的俄歇电子能量谱线。因此可利用俄歇能谱作物质成分分析。由于俄歇电子能量低，一般也只来源于表面两三个原子层，故俄歇能谱是材料表面成分分析的一种重要方法。
x射线与物质相互作用时，除吸收外，还可能受到散射。散射的主要机制是波长改变的康普顿散和波长不改变的相干散射（散射机制见第七章），还有晶格振动引起的热漫散射和晶体点缺陷引起的漫散射（叫黄昆散射）。康普顿散射是非相干性的，强度很弱，可不予考虑。相干散射是x射线在样品中产生衍射现象的基础。利用x射线衍射可以测定晶体结构常数（见第五章），利用黄昆散射可以研究晶体缺陷。
X射线分析技术在材料科学中应用十分广泛。主要用于物相鉴定、物质成分分析、晶体点阵参数测定、晶体取向确定、晶体点阵畸变测定、缺陷分析、非晶态结构测定等。
（2）电子显微分析技术
人眼能够分辨清楚的最小细节是0.1～0.2mm。如果要观察更微小的细节，必须借助于显微镜。光学显微镜能使欲观察的细节放大，然而光的衍射理论表明，光学显微镜的放大倍数是有限的。提高光学显微镜的分辨本领的办法是增大孔径和减少光的波长，但增大孔径困难且可见光波长范围有限。要想改善显微镜分辨率，只有减少波长，于是就出现了电子束照明的电子显微镜。我们已经知道，电子具有波动性，在100伏左右的电压加速下的电子的波长约1A0,加速电压更高时，波长更短。显然用电子束作光源，显微镜的分辨率将更高。然而，电子和光子毕竟不同，电子是带电粒子且有静止质量，因此不能用光学透镜会聚成像。但可以用电场和磁场使电子会聚和发散，起到类似于光学透镜使光会聚和发散的作用，这就是电子透镜。电子显微镜就是用电子束照明的放大仪器，当然其结构比光学显微镜复杂的多。电子显微镜是洞察微观世界的有利工具，目前世界上的大型电子显微镜的分辨本领能达到2～3 A0，放大倍数高达120万倍。电子显微镜类型很多，细致分类困难。一般以电子束和样品相互作用来分类：利用样品透射电子的透射电镜；利用样品反射电子的反射及扫描电镜；利用样品发射电子的发射电镜；利用样品吸收电子的电子探针及扫描电镜。
当一束电子打倒样品后，电子或从薄样品穿透而过，或从厚样品表面掠射而过，总之电子的行踪将发生改变。入射电子踪迹决定于物质中原子核、核外电子及所形成的电场对电子的作用。入射电子与物质作用能产生各种信息，将这些信息加以收集、整理、分析即可得到材料的微观结构和成分的资料。散射是电子与物质作用的主要过程。入射电子束与物质中原子核和核外电子发生作用时，入射电子的方向和能量可能改变，有时甚至“消失”或产生别的粒子，这些现象统称为电子散射。如果电子与物质作用后基本无能量改变，称为弹性散射。反之，电子不但改变方向，而且改变能量，则称为非弹性散射。电子弹性散射是电子衍射的基础，电子衍射的分析与x射线衍射的分析类似，布拉格方程同样是电子衍射所遵守的重要方程，利用它可以表征晶体参数。电子衍射还可以用于测定非晶态结构。电子非弹性散射所失去的能量常常以许多其他方式释放（此处不介绍），同样可以得到很多重要信息。所以，电子显微分析技术是研究材料的的重要手段。
（3）扫描隧道显微镜（STM）与原子力显微镜(AFM)
20世纪80年代以后，显微技术出现了新的革命，产生了以扫描隧道显微镜（STM）为代表的新一代显微镜。STM能直接观测到物质表面单个原子的立体形貌，把人们带到了原子级的微观世界。
扫描隧道显微镜不同于电子显微镜。电子显微镜是利用高速电子穿进物质内部研究物质的微观结构。扫描隧道显微镜不用光源也不用透镜，其显微部件是一枚非常细而尖的探针。在物质的表面有一层阻止内部电子向外运动的势垒屏障。但量子力学告诉我们，表面内的电子能够穿过这个屏障，到达表面外形成一层电子云，这就是所谓的隧道效应。这层电子云的纵向和横向分布与样品表面的微观结构有关。所以，STM通过探针探测出这层电子云的分布，就可以观察到物体表面的微观结构。探针在样品表面移动，将会与电子云重叠。如果在探针和样品间加上电压，电子便会通过电子云形成隧道电流。隧道电流强烈地依赖着探针针头与样品表面之间的间距，例如距离改变一个原子的大小，隧道电流就会变化一千倍。当探针在表面上扫描时，可通过隧道电流的变化，利用反馈装置来调节针头与表面的间距。在保持隧道电流恒定的电路控制下，探针在表面做x、y方向扫描的同时，针尖将依表面原子的起伏而在z方向移动。这种移动经电信号放大并有计算机进行图像处理，可以得到表面原子分布的三维图象。这个图像和实际尺寸相比可以放大一亿倍，人们能清楚地看到物体表面的三维立体微观情况。STM 使人类第一次能够立体显示单个原子在物体表面的排列状况，其纵、横向分辨率分别达到0.01nm和0.2nm，从而为材料表面表征开拓了新的领域。STM的出现也为纳米科技注入了活力，使人们能够实现在纳米尺度甚至原子尺度上对物质进行微加工和对单个原子、分子的操纵、移动。1990年美国IBM公司研究人员首先用STM在金属镍表面用35个氙原子排出了“IBM”字样。1994年，中国科学院研究人员利用STM在硅单晶表面直接取走硅原子，形成了硅原子晶格背景下的书写文字。
由于隧道电流的产生需要两个电极，因此STM对绝缘体表面不能直接测量。为了解决这一问题，1986年宾希尼等人在STM基础上又发明了原子力显微镜（AFM）,利用针尖与样品之间的原子力（引力、斥力）随距离的变化测量样品表面微观形貌、弹性、硬度等。原子力显微镜对各种材料均可获得原子级分辨图像。此外，基于扫描探针近场技术的显微镜还有：研究磁性样品表面磁畴和磁场分布的磁力显微镜、观察微电路上电特性的静电力显微镜、光子扫描隧道显微镜等等。
三、半导体材料
1941年用多晶硅材料制成检波器，拉开了半导体材料应用的序幕。1947年，贝尔实验室的三位美国科学家肖克莱、巴丁和布拉顿利用半导体材料锗制成的第一个晶体三极管问世，引发了现代电子学的革命，他们三人也因此而荣获1956年的诺贝尔物理学奖。1958年半导体硅集成电路的诞生。1962年，半导体激光器问世及后来各种半导体光电器件的出现，使得半导体光电技术在半导体技术中的地位日渐提高。20世纪60年代末以来，大规模和超大规模集成电路的出现，标志着微电子学时代开始，30多年来，其发展惊人。微电子技术的突飞猛进奠定了计算机和信息技术发展的基础，将人类社会带入了信息时代。80年代开始，半导体激光器在光通信和信息存储等方面得到大量应用，形成了光电子学。普遍认为，20世纪是以微电子学为基础的电子信息时代，21世纪则是微电子学与光子技术结合的光子信息时代，从而对半导体材料提出了愈来愈高的要求。不难预见，半导体材料在未来社会中将扮演越来越重要的角色。
半导体材料之所以有极为广泛的用途，是因为半导体中的电子可以做多样化的运动。半导体物理的研究阐明了电子多样化运动的规律性。关于半导体的概念，已经在第七章介绍过。这里仅简要介绍半导体器件的基本构成以及半导体材料的应用
1.半导体器件的基本构成—pn结和晶体管
如果把一块p型半导体和一块n 型半导体连接，在交界处就形成了pn结（图 9-2-1 ）。通常是在硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边为n型半导体，一边为p型半导体，做成pn结。pn结是许多半导体器件的基本构成单元。晶体管、集成电路、整流器、半导体激光器、发光二极管、各种光电器件、微波器件、太阳能电池等都有pn结结构。
图9-2-1 平衡状态下的pn结
我们知道，p型半导体中的载流子主要是空穴，n型半导体的载流子主要是电子，于是在pn结上出现载流子浓度差。浓度差将导致载流子的扩散，以至于电子由n区通过交界面向p区扩散，空穴由p区通过交界面向n区扩散。结果在界面附近p区积累负电荷，在n区积累正电荷。这样在结区便会形成由n区指向p区的电场，称为内建电场。由于内建电场的方向与载流子扩散运动方向相反，从而阻止扩散，最终将达到平衡，结区两侧的电荷数量一定，内建电场不变。内建电场的存在使电流从p到n容易（接正向电压，p极为正，n极为负），由n到p困难（接反向电压，n极为正， p极为负）。这就是pn结的单向导电性。
半导体二极管就是一个pn结构成的。如果两个pn结紧密相连且其中共用中间的p区或n区，便形成pnp或npn结构，就变成了半导体三极管（图 9-2-2 ）。npn型三极管有两个pn 结——发射结和集电结,三个区——发射区、基区和集电区，由三个区各引出一个电极，分别叫发射极e、基极b、集电极c。若将p型半导体做成发射区和集电区，用n型半导体做成基区，则叫pnp型三极管。二极管在电路中起开关和稳压作用，三极管在电路中起电流分配、放大和开关作用。
图9-2-2 npn型三极管
2.半导体材料的应用简介
(1)、传统的典型半导体材料及应用
硅、锗、砷化镓及碲镉汞材料是传统的典型半导体材料。硅和锗都是共价晶体，常温下化学性质稳定，温度升高时容易与氧、氯等多种物质反应，故自然界中没有游离态的硅和锗存在，我们只能从二氧化硅、硫锗铁矿等矿物中提取。用于制作半导体器件的硅和锗必须具有很高的纯度。人们现在已经制出了十一个九以上的纯硅和锗。硅是目前世界上最重要的半导体材料，95%以上的半导体器件是用硅制作的。但是在半导体工业发展的初期，唱主角的是锗，而不是硅。后来，硅之所以能取锗而代之，一是因为其资源极为丰富，成本低廉；二是因为其禁带宽度较大，外界作用改变这种杂质半导体性能的难度比其它半导体材料大，即硅半导体器件的性能较稳定；三是因为其机械强度高，结晶性好，制备工艺较成熟，可以制出高纯度的大尺寸单晶。硅是制造大规模集成电路最关键的材料。为了使自由电子在器件中的运动不受阻碍，还得把硅制成单晶。单晶硅是目前人工能获得的最纯、最完整的晶体材料。
砷化镓是继锗、硅之后发展起来的第二代半导体材料，近年正以年均15%以上的速度快速增长，如今已成为除硅以外最重要的半导体材料，广泛应用于通讯、医疗、家电、办公设备、航空航天等民用及军事领域。砷化镓的禁带宽度比硅、锗都大，介电常数小，电子迁移率是硅的6倍。适于制造高频、高速的电子器件和电路。例如，用砷化镓制作的普通发光二极管和激光二极管，其发光效率高、亮度高、电压低、电流小、响应快，易与晶体管和集成电路匹配，用作固体显示器、信号显示、文字显示等器件。砷化镓隧道二极管用于计算机开关时，速度快、时间短。砷化镓最适合做场效应晶体管，振荡频率可达数百千兆赫以上，主要用于微波放大、振荡、调制和高速逻辑电路等方面。
碲镉汞(Hg1-xCdxTe)是三元化合物半导体材料，物理性质随x的改变可连续地从金属变到半导体，其禁带宽度随x的增大而从HgTe的负值过度到CdTe的正值、随意可调。Hg1-xCdxTe的本征载流子浓度低，电子迁移率高，导电类型可以由本身组分的改变来调节，也可用掺杂方法来控制，适于制作光导或光伏型器件。碲镉汞本征半导体的吸收系数大，可以全部吸收几微米到几十微米波长的光，是目前制造红外探测器最理想的材料。此外，可制成高速响应器件、金属-绝缘体-半导体（MIS）或金属-氧化物-半导体（MOS）结构型的器件。碲镉汞是继硅、砷化镓之后发展起来的第三代用途广泛的半导体材料。
(2)、集成电路
集成电路是60年代初发明的。半导体二极管和三极管是集成电路的主要组成元件。集成电路是采用氧化、光刻、扩散、外延、离子注入等工艺，将晶体管元件和电阻器、电容器等元件，按照一定的电路连接，集成在一块半导体晶体片上。它完成特定的电路或系统功能。集成电路的集成度是指每个半导体芯片上的元件数。小规模集成电路集成度小于100，中规模集成电路集成度为100～1000，大规模集成电路的集成度为1000～105，超大规模集成电路集成度大于105。目前，纳米电子技术还将使集成度大幅度提高。集成电路的出现，大大缩小了电子设备的体积，提高了可靠性，降低了成本，延长了使用寿命。集成电路是现代计算机科学技术发展的重要基础，它使计算机小型化、运算速度提高、不断升级换代，为现代信息社会奠定了主要的物质基础。
(3)、可控硅
由于pn结的单向导电性，可以使输入的交流电变为输出的直流电，称为整流。一般的硅二极管，其整流后的直流电压是不能变化的，使其应用受到限制。而可控硅则可以在一定的输入交流电压下，连续随意地改变输出直流电压得大小，其应用十分广泛。
可控硅的结构为三个pn结的四层元件pnpn，如图 （图 9-2-3）。当控制极g不加电压时，不论a、c极间电压正向还是反向，总有一个结处于反向电压状态，可控硅皆不导通。当加上控制电压（gc极之间）时，在较小的正向电压（ac极之间）下，突然导通，正向电流很大。而反向则不论加控制电压与否，皆不导通。用适当的线路改变改变控制电压的输入时刻，就可以改变整流电压及电流的大小，从而实现可控整流。
图 9-2-3 可控硅结构示意图
可控硅可用做直流调压电源、直流电机无级调速器、自动控制、触点开关、变频器等，在电子、电工、电机设备中有广泛应用。
(4)、半导体微结构材料及应用
半导体异质结、量子阱和超晶格材料统称为半导体微结构材料。这种材料在自然界中是不存在的，是一种人工微结构材料。在过去的十几年中，这类材料的研究呈现出一派热火朝天的景象，它们是微电子、光电子领域的新型功能材料，广泛用做激光器件、电子器件、光通讯、光计算机等。
P-N结是在同一块半导体单晶中掺入不同杂质做成的，称为同质结。若在一种半导体材料A 上生长另一种半导体材料B （或金属），则两种材料的交界面就形成了所谓的异质结（图 9-2-4 a）。异质结概念是Kroemer于1963年提出来的，他建议把一个窄带隙半导体夹在两个宽带隙半导体之间，以提高注入效率和增加载流子限制，从而改进当时GaAs结型激光器的高阈值电流问题。1968年，约飞技术物理所和贝尔实验室相继研制出异质结构激光器。两种材料禁带宽度及其它特性的差异，使异质结具有一系列同质结所没有的特性，在器件设计上将得到某些同质结不能实现的功能。
图9-2-4 人工微结构材料
（a）异质结 （b）量子阱 (c)超晶格
若两个同样的异质结背对背接起来且A、B两种半导体材料禁带宽度相差较大，如图9-2-4 b中，A的禁带宽度大，B的禁带宽度小，则B分别成了电子和空穴的“能量陷阱”。因为，B中的电子或空穴到达两边的A层时，A的能量状态较高。只要A层不太薄，电子和空穴基本上被反射回B区。电子和空穴被限制在A层内，好比落入“陷阱”（称作势阱）。一般B的厚度为几个纳米，可与电子的布罗意波长相比拟。电子在这种势阱中的运动会表现出明显的量子效应，原来在大尺寸是准连续分布的能级变成了不连续的分立能级，这被称为量子尺寸效应。上述限制电子和空穴运动的特殊能带结构被形象地称为量子阱。在量子阱中，电子做二维运动。第三维运动受限，该方向表现出量子尺寸效应，故量子阱属于二维材料。图9-2-5所示是一个典型的量子半导体器件，两个宽带隙的Al0.3Ga0.7As区中间夹一个线度为20nm的窄带隙GaAs区，两边的电极通过低阻n型GaAs区与两个Al0.3Ga0.7As区相连接。这样的三明治结构中， GaAs区在大尺寸时能量准连续分布的导带在此小尺寸的势阱中由于量子化效应分裂成分立能级（如图9-2-6所示）。若GaAs区三个方向的尺寸都很小则称为量子点。若两个方向的尺寸很小，另一个方向的尺寸很大，则叫量子线；若一个方向的尺寸很小，其余两个方向的尺寸很大就是量子阱。量子阱加上某特殊偏压后，电子波会形成驻波，产生共振效应。因而可将其作成振荡器和开关器件。使用量子开关器件可将计算机芯片的集成度提高1万倍，前景极为诱人。
图9-2-5 量子半导体器件AlGaAs-GaAs-AlGaAs结构示意图
图9-2-6 量子半导体器件AlGaAs-GaAs-AlGaAs能带图
将两种或以上不同的薄层材料周期性地交替生长而成的人工材料称为超晶格。例如A、B两种材料，按ABABAB…周期性重复，每层厚度为纳米级，这就是一种超晶格。如果A、B是两种禁带宽度相差较大的半导体材料，这样的超晶格就是半导体多量子阱。半导体多量子阱是一种由许多异质结构成的半导体超晶格，可用于制作量子阱激光器和其它光电器件。如果在同一种半导体材料中有规则地掺入不同浓度的杂质，使能带发生周期性的弯曲，这种材料叫做半导体调制超晶格，可用于集成电路、制作半导体激光器和制作太阳能电池。除了半导体超晶格以外，还有金属和合金超晶格、非晶超晶格、介电超晶格、巨磁阻超晶格等。超晶格材料在通讯、信息传输与处理、光电探测、光计算机、激光技术等技术领域用途十分广泛。
(5). 半导体光电效应及其应用
物质受光照射后引起某些电性质变化的现象叫光电效应，包括光电导、光电子发射和光生伏特。光照使半导体材料的电导率升高的现象，称为光电导。原因是，半导体吸收光子引起载流子激发。当光子能量大于半导体禁带宽度时，价带电子吸收光子能量跃迁到导带，产生电子和空穴都参与导电，称之为本征光电导。如果在光照射下，附加载流子来自禁带中的杂质能级，从而改变半导体的电导率，则称为杂质光电导。利用该效应可制成光敏器件、光电摄像管、图像传感器等。半导体或金属中的电子吸收光子克服逸出功而从表面离开的现象，叫做光电子发射。利用光电子发射可制成光电发射管用于光电继电器（自动报警器等）、光电光度计、光电倍增管、电视摄像管等。
在光照射下，半导体pn结两端产生电势差的现象称为光生伏特。当光子能量大于禁带宽度的光照射到pn结上时，同样会产生光生载流子。在pn结的内建电场作用下，光生电子进入n区，光生空穴进入p区，最终在p区和n区之间产生稳定的电压即光生电动势，并在接通外电路时形成电流，这就是光生伏特效应。在其它条件不变的情况下，光生电动势的大小直接反映了入射光的强度，由此可制成光度计，如照相机的曝光表。利用光伏效应制成的太阳能电池已在航天器上和日常生活中（如太阳能灶、太阳能热水器等）广泛使用，这是一种取之不尽、用之不竭的无污染能源。
(6). 半导体激光器
半导体激光器是一种重要的固体激光器。其特点是体积小、效率高、运行简单便宜。半导体激光器结构很简单（图9-2-7），就是一个pn结二极管，在电流正向流动时发激光。我们知道，产生激光需要两个条件，一是实现粒子数反转（材料要有特殊的能带结构和外界激发），二是要有谐振腔。硅和锗不具备发激光的特殊能带结构，而砷化镓、磷化铟、锑化镓等具备产生激光的特殊能带结构（激光波段为近红外，0.84，0.90和1.5μm）。外界激发是加上直流电源注入足够浓度的载流子。半导体激光器谐振腔是由垂直于结面的二极管两个侧面作为反射镜（解理产生的两个平行的光滑表面）组成。在阈值电流以下，普通的发光二极管中会引起注入发光，但不会发激光。
图9-2-7 半导体激光器基本结构
半导体激光器是光纤通讯的主要器件，而光纤通讯是未来通信发展的必然趋势，因此半导体激光器的研制倍受关注。
半导体材料除上述应用外，还有许多用途，此处不再细讲。
四、特殊功能合金
金属与合金多用做结构材料，但有的金属和合金可用做功能材料。如电阻器用的各种低阻、中阻、高阻精密合金以及导电材料，热电偶合金（制作高温测量装置）、膨胀合金（制作温控自动保护装置、启动装置、电器开关、集成电路引线框、仪表元件等），形状记忆合金，储氢合金等。这里介绍一下储氢合金和形状记忆合金。
1、储氢合金
氢是一种重要的二次能源，其优点是无污染（燃烧生成水）、资源丰富（可用太阳能到海水中取氢）、发热值高。但是氢能源的开发却遇到了两个难题：制氢和储存氢。用一般的钢瓶储氢非常危险，解决储氢的重要手段是储氢合金。原理是，用金属吸收氢气生成金属氢化物，需要时加热放出氢，其过程是可逆的。储氢合金相当于储存氢的容器。储氢合金的氢密度是市售氢气瓶密度的10倍、标准状态气态氢密度的1000倍，比固态氢密度略高。例如，-269oC固态氢密度为5.3×1022（原子/cm2），而LaNi6H6.7的氢密度7.6×1022（原子/cm2）。
现已研制成功的储氢合金有镧-镍合金、铁-镍合金等。
2.形状记忆合金
一些合金在高于某转变温度时被制成某一形状，把温度降到转变温度以下后改变其形状，当温度回升到转变温度以上时，它会按记忆恢复原状。这种现象叫做形状记忆效应。例如，用某些金属制的头饰花蕾，在阳光下开放，回到室内花蕾闭合；某些金属雕塑造型能随季节变化，表现出春夏秋冬四季主题。有的形状记忆合金的形状在高低温只能恢复一次，叫单程记忆合金。有的形状记忆合金，在高低温下能反复恢复形状，叫做双程记忆合金。目前已发现许多种形状记忆合金，还发现了一些聚合物和陶瓷形状记忆材料。形状记忆合金在工程上有重要应用，例如用形状记忆合金做套管，低温下扩径装配后升至室温而恢复原状，便结合紧密。像飞机液压系统接头、航船管道、海底输油管道、铆钉、连接件都需要形状记忆合金。
五、陶瓷材料
陶瓷是工程技术中应用广泛的一种材料。所谓陶瓷是指以各种粘土、石英等天然无机物为主要原料成型后在高温窑炉中烧结而成的制品，许多是金属氧化物。陶瓷有很多优良的性能，如耐高温、耐磨、耐氧化、耐腐蚀、重量轻、强度高等。其缺点是易碎。在普通陶瓷中加入15%氧化锆可以大大增加韧性，纳米陶瓷的韧性非常强。陶瓷可分为结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷指具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷。功能陶瓷指具有电、磁、光、生物功能等方面特殊性能的陶瓷，包括导电陶瓷（如氧化锆，碳化硅等）、介电陶瓷（用于制作电容器、电路器件，钛酸钡等）、超导陶瓷（在一定温度下没有电阻）、压电陶瓷（能实现机械能与电能的转换，钛酸钡等）、磁性陶瓷（具有很强的磁性，四氧化三铁等）、透明陶瓷（锆钛酸铅PZT）、气敏陶瓷（不同陶瓷的电阻对不同气体敏感，氧化锡对可燃气体敏感、氧化锆对氧气敏感、氧化钛对汽车排气敏感等）、湿敏陶瓷（电阻对湿度敏感，氧化锌、氧化铝、氧化钛等）、热敏陶瓷（电阻对温度敏感，钛酸钡、钛酸锶等）、压敏陶瓷（对电压敏感的陶瓷，碳化硅、钛酸锶等）、热释电陶瓷（把热信号转变为电信号）、电光陶瓷(实现电信号与光信号转换，钛酸钡、铌酸锂等)、磁光陶瓷（实现磁效应与光信号转换）、声光陶瓷（实现声信号与光信号转换）、生物陶瓷（如制作人工牙齿）等等。这些功能陶瓷在工业、农业、环保、通讯、军事、航海、航天航空、医学等各个技术领域都有十分广泛的应用，可用来制作各种探测器、传感器（各种信号转换与处理器件）、电子器件等。如用压电陶瓷制成水声、超声换能器（电信号与声信号转换），用于发射、接收声波，完成水下观察、通讯、探测；制作电声设备如扬声器；制作高电压发生装置如压电打火器（汽车火花塞、燃气打火器、打火机等）、引燃引爆、压电开关、小型电源、压电变压器；压电振子对某些频率信号衰减大而对另一些频率衰减小，从而实现滤波，在无线电通讯和测量仪器中有应用；制作力敏传感器、应变仪、血压计、压力计等。又如热释电陶瓷、热敏陶瓷可用于制作温度计、热辐射探测器、红外遥感装置、红外光谱仪等。功能陶瓷的应用不胜枚举。
六、超导材料
许多金属、合金、化合物在温度低于某一临界温度时，电阻完全消失，且成为完全抗磁性物质，这种性质称为超导电性。具有超导电性的材料称为超导体。1911年荷兰低温物理学家H.K.Onnes在研究汞的低温电阻时发现，当温度降到4.2K以下时，汞的电阻突然变为零。这一发现引起了各国科学家的极大兴趣。后来人们陆续发现一些金属、合金和化合物也具有超导性质。超导体在电阻消失前的状态叫正常态，电阻消失后的状态叫超导态。材料由正常态变为超导态的转变温度用Tc表示，称为临界温度。
以下简要介绍超导体的基本性质、超导微观理论和超导材料的应用。
1. 超导体的基本性质
(1). 零电阻效应与临界参数
所谓零电阻效应是指在临界温度Tc以下，超导体电阻突然消失的现象。为了证明超导态的零电阻现象，有人曾设计过一个实验。把金属环置于磁场中，再撤去磁场，金属环会由于电磁感应而出现电流，由于金属环有电阻，该电流会很快消失。如果把超导圆线圈放在磁场中，然后把温度降到该超导体的临界温度以下，再去掉磁场，该线圈因电磁感应会出现电流。实验结果表明，经过两年半的时间，没有看到这个电流有丝毫的衰减。经研究计算这个电流的衰减时间可达10万年以上。正常导体有电阻，维持电流需要磁场。超导体电阻为零，只要电流一经产生，维持电流便不需要时间，因此超导体内部电场强度一定为零。
通过实验，人们发现，对超导态物质施加足够强的磁场，可以破坏其超导电性，使它由超导态变回正常态，恢复电阻。破坏超导态所需的最小磁场强度Hc叫做临界磁场。Hc是温度的函数，可近似表示为
由上式可以看出，在临界温度Tc时，Hc=0。实验还发现，不加磁场，在超导体中通以足够大的电流也能破坏其超导电性。超导态所允许的最大电流Ic叫做临界电流。
要维持超导态，必须将超导体置于三个临界值Tc、Hc和Ic之下，其中任何一个条件被破坏，超导电性随即丧失。三个临界值中，Tc、Hc只与材料的电子结构有关，是材料的本征参数；Hc和Ic彼此有关，且都是温度的函数。
20世纪60年代超导材料实用研究取得了两项重大突破，其中之一是发现了像Nb3Sn这样的有高临界参数超导材料。这类超导体有两个临界磁场：下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2。当磁场小于Hc1时，超导体处于超导态；当磁场大于Hc2时，超导体恢复正常态；当磁场介于Hc1和Hc2之间时，超导体处于“混合态”，即一部分区域处于超导态，其余部分处于正常态。为了区别，称只有一个临界磁场的超导体为第一类超导体；称有两个临界磁场的超导体为第二类超导体。
(1). 迈斯纳效应
零电阻是超导态的特性之一，然而理想导体同样具有零电阻。由电磁学理论可以证明，理想导体内的磁场为常量，可能为零，也可能不为零，与初始条件或“历史”有关。这就是说，如果先降温至无电阻的理想导体状态，加上磁场后又去掉磁场，则内部无磁场；如果先加磁场在降温至理想导体后去掉磁场，则在体内会保持不变的不为零的磁场。1933年德国的迈斯纳等人通过实验否认了超导体是理想导体的说法，不管初始条件或“历史”如何，在超导状态下，超导体内部的磁感应强恒为零，这就是迈斯纳效应。超导体表面电流的磁场总能够完全抵消体内的外磁场，从而使体内磁场为零。迈斯纳效应表明超导体和理想导体有本质区别。
所以零电阻效应和迈斯纳效应是超导体的两个独立的基本特性。
2. BCS理论
按照经典理论，金属电阻是晶格上离子热振动对定向运动的电子碰撞的结果。只有绝对零度时，在离子没有热振动的完整晶体中，电子才能在离子行间直线运动而不受碰撞，电阻才为零。按照量子力学对电阻的最初解释，电子具有波动性，只有在无热振动的完整晶体中，电子波可以不受任何散射地传播，才没有电阻。如果点阵排列有缺陷，或晶格离子热振动都将使电子波散射而传播受阻，便出现电阻。只有在绝对零度时，完整晶体的晶格热振动消失，电阻才为零。所以，无论是经典理论，还是量子力学的最初解释，都不能说明绝对零度以上的零电阻现象。
自超导现象发现以来，物理学家们便致力于寻求其理论解释，先后提出了二流体模型、伦敦方程、金兹堡-郎道方程等唯象理论，表明人们对超导电性的认识逐步深入，但这些理论都没能指出产生超导电性的微观物理原因。1957年，美国物理学家巴丁(Bardeen)、库柏(Cooper)、施瑞弗(Schrieffer)建立了超导电性量子理论，即BCS超导微观理论。BCS理论的核心思想是超导体中电子形成了“库柏对”。
金属中的电子并不是完全自由的，它会对周围晶格正离子产生吸引作用，邻近局部正电荷向电子微微靠拢而相对集中，又会吸引其它电子，其总效果是一个电子对另一个电子产生小的吸引力，如图9-2-8所示。这种吸引力极小，不会引起任何效果。但当温度低于Tc时，热骚动几乎消失。这种吸引力大得使两个电子结合成对，称为库柏对。库柏对是由两个动量完全相反的电子组成的。按照经典理论，这两个电子会沿相反地方向分离。按照量子理论，两个动量等大反向、自旋相反的电子结合成对时能量最低，因而最稳定。电子用波描述，两列波沿相反方向传播，却能较长时间交叠在一起，因而能连续相互作用。电子对中一个电子如果受晶格碰撞而改变动量时，另一个电子同样会受到晶格碰撞而发生相反动量的改变。结果是电子对总动量不变，所以晶格不会影响电子对的运动，宏观上表现为零电阻。大量库柏对的出现就是超导态的形成。
图9-2-8 电子使正离子位移从而吸引其它电子
BCS理论不仅能解释超导态的零电阻现象，而且能解释迈纳斯效应、超导体比热、临界磁场、临界温度、超导能隙等与低温超导相关的各种实验事实，并包含了此前的各种唯象理论，清楚地揭示了超导电性的微观本质。巴丁、库柏、施瑞弗为此荣获了1972年的诺贝尔物理奖。
3. 约瑟夫森效应
20世纪60年代超导研究的另一项突破性进展是在弱连接超导体中发现了约瑟夫森效应。所谓弱连接超导体是在两块超导体中间夹一层纳米厚度的绝缘膜，如图9-2-9所示。当一个小于Ic的电流从一个超导体流向另一个超导体时，库柏对会因量子隧道效应穿过中间的势垒，且仍保持配对状态，这样两侧的超导体之间没有电压，整个结构呈现零电阻性。将上述超导隧道结中的绝缘层换成金属层或真空同样能让超导电流通过，这就是超导隧道效应，也叫（直流）约瑟夫森效应。当约瑟夫森结两端加一个恒定电压U时，除隧道效应外，结区还会产生频率为f的高频电流，同时向外辐射频率为f的电磁波，这就是交流约瑟夫森效应。反过来，当一个频率为f的电磁波照射到约瑟夫森结上时，结上会产生电压U。约瑟夫森效应已成为微弱电磁信号探测和各种电子学应用的物理基础。
图9-2-9 约瑟夫森结示意图
4. 超导材料的应用
超导体的零电阻效应、迈斯纳效应、约瑟夫森效应等特性向世人展示了诱人的应用前景。
(1) 在强电方面的应用
对于超导体在强电方面的应用，人们首先想到的是电力传输。在目前的电力传输中，为了减少线路的热损耗，不得不采用高压输电，这不仅安装不便，而且容易造成安全事故，也还是有大量的电能在传输过程中浪费了。利用超导体的零电阻效应便能做到无损耗输运，节约大量电能。
强电应用的另一方面是超导磁体。当它处于超导态时，能承受巨大的电流，用它制作线圈不需铁芯，故超导磁体小而轻。超导磁体不仅能提供强大的磁场，获得高电流密度核能量密度，而且无功率损耗。这将是电能储存的理想设备。它可作为磁场源、脉冲大电流源（如激光武器电源），也可用来调节用电高峰与低谷，实现稳定供电。大功率发电机、电动机若能实现超导化将大幅降低能耗，获得很高的能量转换效率，并使其小型化。利用强大的超导电流的电磁斥力可设计出无摩擦的超导磁悬浮列车，列车速度可超过550km/h。超导体强大的电磁力可以为海轮和潜艇提供动力。医用超导核磁共振层析扫描技术利用超导磁体的强磁场穿透人体，借助计算机对人体不同部位进行核磁共振分析，用于医疗诊断。在磁约束的受控热核聚变反应堆中，只有超导磁体才有可能产生大体积、高强度的大型磁场（约105T）作为核聚变的加热和约束之用。又如在回旋加速器和同步加速器中使用超导磁体可以使粒子获得更大的速度。
(2) 在弱电方面的应用
超导在弱电方面的应用主要是指利用约瑟夫森效应做成各种器件。约瑟夫森器件用于集成电路具有开关速度快、功耗小、集成度高的特点，对超导计算机的研制有重要意义。根利用约瑟夫森结可以获得标准电压，且数值精确，使用方便，在电压计量方面意义重大。例如，美国国家计量局保存的电压标准，其心脏部件是4个铅膜-氧化铅膜-铅膜做成的约瑟夫森结，它把电压基准提高了二个数量级以上，是目前最准确的电压标准仪器。利用约瑟夫森效应制成的超导量子干涉器件可检测到弱于10-15T磁场，在地质勘测、海底勘测、地震预报、航天技术方面的应用前景诱人，在临床诊断中可以用于检测微弱的生物体磁信号。利用超导体由超导态转变为正常态时电阻从零变为有限值的特性，可将其制成各种快动开关元件。
(3)高温超导材料
已经发现常压下的超导元素多达20多种，其中以Nb、Pb、La、V和Sn等的临界温度Tc较高，最高的Nb的Tc也只有9.2k,难于实用。还有广泛使用的Nb-Zr、Ti-Nb、Nb-Re合金，最高的Nb-50Re的Tc为12.6k。金属间化合物Nb3Sn的Tc为18.3k，但质脆难加工。由于Tc低，使得超导体的应用受到很大的限制。
1986年，超导研究取得了历史性突破，德国人J.G..Bednorz和瑞士人K.A.Müller发现La-Ba-Cu-O(镧钡铜氧化物)存在35K的超导转变。随后，中国、美国、日本等相继获得了Tc高于90K的新型超导材料。Bednorz和Müller因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。此前的传统超导体必须在液氦温度下工作。Tc超过77K的超导体可在液氮温度下工作，故称为高温超导体。目前发现的高温超导材料已多得难以统计，且随着研究的深入，材料的Tc值越来越高。铊钡钙铜系列氧化物的Tc已达125k,Hg系氧化物的Tc已达133.8k。今后得到干冰温度（240k）甚至室温超导体都有可能。
高温超导体与传统低温超导体有相同的超导特性，而高Tc值使其具有比传统低温超导体更广阔的应用领域和更低的成本。例如，利用宇宙的低温，开发用于卫星通讯的钇系或铊系高温超导薄膜微波器件（工作温度在90~100K），将给空间微波技术带来巨大变化。核磁共振的探测器若用高温超导材料制备可极大地提高成像质量并降低成本。将来还有可能利用高温超导体的特有性质研制诸如半导体-超导体、铁电材料-超导膜混合的新型存贮器件。但是高温超导体都是氧化物陶瓷，没有足够的韧性和延展性，机械加工难度大，目前技术制备的线材在厘米级长度时超导性能还较好，但达到1m长时其Ic已不高了。所以高温超导应用的主要障碍不是Tc低，而是材料制备工艺。
超导材料将以其独特魅力继续吸引人们的关注，高温超导技术被认为是21世纪十大高新技术之一。目前的高温超导机制还不完全清楚，需要做大量的工作，高温超导理论的突破必将对凝聚态物理学的发展产生深远影响。
七、介观材料
1、介观材料及其结构单元
美国著名物理学家、诺贝尔奖得主R.P.Feynman在1959年预言：如果我们对物体微小规模上的排列做某种控制，就能使物体得到大量异乎寻常的特性，看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的就是介观材料。介观体系是80年代中期明确提出的新概念，其研究对象是介于宏观凝聚态与微观原子、分子之间的体系。介观材料通常包括尺度在纳米级至亚微米级之间的超微颗粒或团簇、一维线（直径为纳米级）、二维薄膜(厚度为纳米级)以及由这些单元组成的无序或有序固体材料。这类体系由于其独特的性质及广泛应用，构成了人们认识世界的一个新的层次，也为新型材料的开发提供了一个重要途径。
介观体系的结构单元包括团簇、纳米颗粒、纳米线（管、棒）、纳米薄膜。团簇指几个到几百个原子的聚集体,粒径≤1nm，如Fn、CunSn、CnHm、Cn等。碳簇（Cn）又称为富勒烯。富勒烯家族包括C30～C100，碳原子数目为偶数,其中C60研究得最多。C60结构类似于一个足球（图9-2-10 ），由12个五边形和20个六边形组成，也称巴基球，是富勒烯中最稳定的成员。纳米颗粒指几何尺寸为纳米量级的微粒，一般在1～100nm范围，含原子数约102～104个，其中50%为界面原子。按照化学组成，可分为纳米金属颗粒、纳米金属化合物颗粒、纳米陶瓷颗粒等。纳米颗粒也可分为晶态、准晶和非晶颗粒。团簇和纳米颗粒称为零维材料。 准一维实心纳米材料是指在两维方向为纳米尺度，长度比上述两维方向尺度大得多的材料。长度与直径的比率小的实心准一维纳米材料称为纳米棒，长度与直径比率大的称为纳米丝或纳米线。半导体和金属纳米丝常称为量子线。1991年，日本科学家发现一种新的碳结构，它不同于C60球状结构，而是一种针状碳管，直径1～3nm，长达1μm，管壁由碳六边形组成，两端由碳五边形封顶。一般由多层直径不同的单壁管组成，数目在2～50层之间。这种空心的准一维纳米材料称为纳米管。碳纳米管具有惊人的强度，能经受近百万个大气压强；其载流子为p型，可以看作极细的导线，可制成超精细电子电路；还是一种很好的储氢材料。纳米薄膜是指厚度为纳米级的薄膜，如超薄膜、多层膜、超晶格。上述介观单元往往具有量子性质，故对零维、一维、二维基本单元又分别有量子点、量子线、量子阱之称。
图9-2-10 C60分子结构
2、介观材料的奇异特性
介观体系的力学、热学、光学、电磁学及化学等方面的性质与常规材料大相径庭，这些奇异特性主要是由以下原因引起的。
（1）小尺寸效应 当超微颗粒尺寸不断减小，与光波波长、传导电子德布罗意波长等特征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，导致力、热、声、光、电、磁等特性出现异常，称为小尺寸效应。如金属团簇、纳米颗粒光反射能力降低、吸收能力增强，呈黑色，光吸收峰位置向短波方向移动（蓝移）等；陶瓷通常很脆，但纳米陶瓷却有良好的韧性；熔点随尺寸减小而降低，40nm的铜粒子的熔点由10530C降到750oC,Ag纳米粒子的熔点可由690oC降到100oC。20nm Fe纳米磁性颗粒的矫顽力是大块材料的1000倍，但尺寸再减小到6nm时，矫顽力又趋于0，表现为超顺磁性。
（2）表面效应与界面效应 团簇、纳米微粒尺寸小，表面积大，表面能高，表面原子数比例很大。表面原子的化学环境与体相完全不同，存在大量悬空键，具有很高的表面能，因而表现出很高的化学活性，极易与其它原子结合而稳定下来，这就是表面效应。如金属纳米粒子极易氧化甚至自燃，无机纳米粒子在空气中易吸附气体并与气体反应，对光、气氛、温度、湿度十分敏感。团簇、纳米粒子具有异常高的催化性能。表面效应还使材料界面的杂质浓度大为降低，从而大幅度提高材料的力学性能。对于相同组分的材料，当晶粒尺寸减小到纳米级时，位错的滑动受到限制，所以纳米材料的强度明显高于常规材料。此外，纳米材料界面浓度很高、界面原子排列混乱，在受到外力作用产生变形时，原子很容易迁移、扩散，从而表现出极佳的塑性、韧性、延展性，这就是界面效应。
（3）量子尺寸效应 量子力学说明了原子的能级结构，有无数原子构成固体时，因原子间的相互作用使得原子的电子能级变为能带。对于介观体系，大块材料中准连续的能带随着体系尺寸的减小又会逐渐变窄，逐渐还原为分立能级，且能级之间的间距随体系尺寸的减小而增大。当分立能级间距大于热能kT、光子能量hν以及电场能或磁能时，就会产生异于宏观物体的反常效应，称之为量子尺寸效应。如比热与温度呈非线性关系，纳米金属颗粒呈现出电绝缘性和半导体性，纳米粒子对红外吸收共振峰比普通材料尖锐得多等等。
实际上，上述小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应是相互联系、不可分割的。此外纳米材料还有介电限域效应、库仑阻塞效应、宏观量子隧道效应等诸多异于宏观物体的性质，此处不一一介绍。
3、介观材料的应用
介观体系是20世纪末发展起来的崭新领域。介观材料是当今一个极为活跃的研究前沿，是21世纪的关键技术之一。由于介观材料（团簇，纳米颗粒，一维、二维纳米体系）表现出许多异于宏观物体的性能，因而具有十分广泛的潜在应用价值。介观材料目前正向新材料、微电子、计算机、医学、航天航空、环境、能源、生物技术和农业等诸多领域渗透，并已得到不同程度的应用。下面略举几例说明。
传统陶瓷材料韧性差，因而使其应用受到很大限制。若能掌握陶瓷在烧结过程中抑制晶粒长大的技术，从而将陶瓷晶粒尺寸控制在纳米量级，则由于表面和界面效应，这样的纳米陶瓷将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。
纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，是传统微电子学发展的必然结果。纳米电子器件与系统，使单位体积物质储存和处理信息的能力提高百万倍以上，从而实现信息采集和处理的革命性突破。纳米电子学与光电子学、生物学、机械学等学科结合，可以制成光电器件、分子器件、微电子机械系统、微型机器人等，将对人类的生产和生活方式产生深刻影响。 基于纳米电子学原理的各种纳米器件，如单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、纳米棒制成的微型探测器等已经问世。利用量子点制成的单电子器件体积小、耗能少，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。纳米技术的发展使微电子和光电子的结合更加紧密，光电器件的性能大大提高。纳米激光器的微小尺寸可将光子限制在少数几个状态上，且工作时只需微安级的电流。由于只需要极少的能量就可以发射激光，这类装置可以达到每秒钟几百亿次的开关速度，适用于光纤通信。目前计算机芯片所采用的最小尺寸为100纳米，若希望缩小尺寸，使计算机变得更小，就要增加其容量，采用高密度材料。采用光刻技术已走到尽头，因为受到光波长的限制，短波长x光穿透性太强，难以发挥光刻作用。如果用分子或原子组装纳米材料芯片，则可望为微电子或半导体器件开辟一条崭新的道路。
将纳米SiO2和纳米TiO2微粒制成多层干涉膜，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力，可以延长灯具寿命，提高发光效率，增加照明度。利用纳米材料的光吸收特性可将太阳能高效率地转变为热能、电能。纳米微粒对各种波长的光吸收带有宽化现象。利用这一特性，可将纳米微粒分散到油漆、荧光粉、化妆品、防晒霜中制成紫外吸收材料，还可将它们加入油漆和纤维中制成红外吸收材料和隐身材料。
纳米微晶稀土永磁材料可广泛应用于微型电机、自动化办公用品、自动控制等领域。与软磁铁氧体相比，纳米微晶软磁材料具有优异的软磁特性：高磁导率、低损耗、高饱和磁化强度，将其用于开关电源、变压器、传感器等方面，可实现器件小型化、轻型化、高频化及多功能化。包覆了表面活性剂的纳米磁性微粒弥散在基液中形成的磁性液体已用于磁盘驱动器的防尘密封、高真空旋转密封、磁阻尼、磁印刷等方面。将磁性纳米线排成有序阵列，利用其存储特性制成的“量子磁盘”记录密度可达4006000Gb/in2；纳米磁性多层膜在磁光储存、磁记录等方面具有优越的性能。
由于纳米微粒的表面效应，对外界环境如光、气氛、温度、湿度等十分敏感，使得纳米传感器具有巨大的潜力。金属团簇和纳米颗粒的比表面积大、表面能高、表面活性中心多、高催化效率、吸附能力强，使其在化工催化方面有重要应用。纳米半导体（如TiO2）具有光催化（光催化是在光照射下，把光能转变成化学能，促进有机物合成或降解的过程）性能，使其具有杀菌、自清洁、有机物降解等功能，因此在环保、水质处理、医疗器械设施、抽油烟机、冰箱、空调等方面有广阔的应用前景。
蛋白质、DNA、RNA及病毒都在1~100nm尺度范围，可见纳米结构是生命现象的基本单元。科学家们正在效法生物分子的信息存储和处理功能研制生物芯片、分子计算机和分子机器人。生物芯片具有集成、并行和快速检测的优点，植入人体后可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。利用分子机器人在血液中循环，可对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，如疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞，从而解除高血压、艾滋病、癌症等疾病对人类的困扰。纳米磁性微粒作为靶向药物、细胞分离、磁控造影剂等已成为生物医学领域的热门课题，有的已开始临床试验。最近，西班牙科学家Pereiro用计算机模拟发现银原子团簇具有磁性（宏观状态的银一般是抗磁性）。磁性团簇具有很好的生物适应性和低毒性，可以在医学上得到应用，如制成理想的治疗药物输送器。
团簇具有异常高的化学活性和催化性、量子效应和非线性效应。C60是目前研究最多的一种团簇。已发现掺杂C60具有超导电性，C60 （K3C60）的临界温度为18k，C60 （RbxC60）的临界温度为28k，KxRb3-xC60的临界温度达33k，使得高温有机超导体成为可能。通过选择掺杂可形成n型或p型C60半导体材料，使它成为继硅、锗、砷化镓之后的又一种新型半导体材料。C60和C70还是一种非常好的非线性光学材料。将贵金属挂到C60 分子上，可做成高效催化剂。C60 F60是一种超级耐高温润滑剂。将锂原子注入到C60分子笼内，可制造抗大气腐蚀的高效锂电池。C60 -K3C60异质结膜是一种绝缘体-超导体异质结膜，将在微电子器件上获得应用。团簇在声、光、电、磁等方面的实际应用是人们努力的方向。
本节所介绍的新材料并不全面。还有很多新型材料，如磁性材料（软磁材料、硬磁材料、压磁材料、磁性液体、磁记录材料等），光学材料（透光材料、光纤材料、发光材料、激光材料、非线性光学材料、光调制材料、红外材料等），功能转换与传感器材料，隐身材料，智能材料，介电材料，功能复合材料，医用生物材料，高分子材料，航天航空材料等等。有兴趣的读者可参阅有关专著和资料。
