光电子技术入门(纳米技术的背景).pptVIP

如上所述，化合物中的分子和元素中的原子都会在相态中反映出来。物质存在三种基本相态：气态、液态和固态，有时也会以混合态的形式存在。纳米技术涉及到的物质大部分是固态，因为在固态中分子和原子相对比较固定，也容易观察。在固相中，离子或原子有序排列就形成晶体。无序排列时称作无定形，即是非晶态。前面提到的价键对物质相态有很重要的影响。当成键很强时，比如离子键，物质在相对较高的温度下仍能以固态的形式存在。当分子之间仅存在色散力时，物质仅能在低温下保持固态。随温度升高，分子间引力被破坏，弱的键首先被打开。假设没有氢键存在，水在室温下也会变成气态。 第三十页，共五十一页。 在物质的形态中，也会存在其它的变化形式。在晶体中存在三维点阵，并且分子取向一致。然而，在液体中也可能会存在相同的分子取向，它们称作液晶。在液晶中，分子有序地形成点阵，但仍能流动，呈液体形态。 物质在不同的相态下其电子的运动规律有所不同。当物质处于气态时，原子和分子是相对孤立的，因此每个分子或原子有相对独立的电子特性。电子可以在不同的能级中围绕分子或原子运动，但它们不能在原子间跃迁，除非它们被某种方式激发。然而，当固体中的原子结合在一起时，这种情况可能会发生变化。在每个能级只能有2个电子，这就需要许许多多的能级和电子对与之相对应，这时每个能级都非常接近以至于重叠在一起，这就表明电子分布在能带中，而不是在非连续的原子能级上。 第三十一页，共五十一页。 1.6 能量 什么是温度？它是热能的一种表现形式。然而，除了热能之外还存在许多其它形式的能量。 物质是宇宙的重要组成部分，它具有质量，同时也具有能量。我们可以利用能量转换因子，把不同种类的能量表达为同一种形式。对于质量为m物质而言，能量转换因子是光速的平方。我们可以利用爱因斯坦方程E= mc2计算物质的能量，其中c是光速，m是物质的质量。分子形成过程中会聚集一定的能量，离子键的键能大约是4.2 ? 10-20J，氢键的键能大约是3.3 ?10-20 J，色散力和极化力大约是氢键键能的十分之一。 第三十二页，共五十一页。 光也是一种能量，我们称之为电磁辐射能。它既可以被描述为一种波，也可以认为是由光子组成的物质。然而，光通常被描述成波而非物质。德国物理学家普朗克首先创造性地提出了“量子”的观点，即电磁波在同物质相互作用时，所交换的能量不是连续的，而只能一份一份地交换。在湖面或者海面上，风会产生波浪，它的波峰和波谷在水面上传播。在垂直于风的方向上，随着波峰的传播，水上下运动。两个波峰之间的距离称为波长（λ），波也有振幅和频率。 第三十三页，共五十一页。 可以用吉他弦来描述驻波。通过触动琴弦上的某一点，就会产生一定的声波，即声音，因为琴弦的振动结果取决于被触动点的位置。在这种类型的波中，波峰或者振幅最大点被称为节点，它们的位置是固定的。驻波是波峰和节点都固定的波。 当空气随着吉他弦振动时，我们就能听到反应振动波长的音符。将手指弹奏在不同位置，就可以演奏很多的音符。举个例子来说，如果在拨弄琴弦的同时，按一定的时间间隔拨动它的中点，将会形成一系列的波长和音符，我们必须在不连续的位置拨弄琴弦，才能得到悦耳的声音。因为琴弦的两端是固定的，因此我们不能得到所有的波长，在这种情况下，波长就是量子化的。 第三十四页，共五十一页。 量子化的概念存在于我们日常生活中。例如，我们在给汽车加油时，所加油的总价是83.568美分，你能按这个数值付钱吗？肯定不能，因为我们货币的最小单位是1美分。钱不是量子化的，但是在货币制度上，钱却是量子化的，最小的量子就是价格最小的硬币。 第三十五页，共五十一页。 电磁波在太空中的传播速度是3×108m/s，大约6亿7千万英里／小时。光的性质决定于它的波长λ和它在某一个方向上的频率。光的波长对应于我们所看到的颜色，然而我们的眼睛只能检测到某一波段的光，也就是可见光。除了可见光之外，宇宙中还有许多其它频率的电磁波，例如无线电波具有非常宽的频率，宇宙射线和γ射线却只有非常窄的频率。 第三十六页，共五十一页。 第一章 纳米科技基础 1.1 科学革命 1.2 纳米科技分类和纳米机器 1.3 元素周期表 1.4 原子结构 1.5 分子和物质的相态 1.6 能量 1.7 分子和原子尺寸 1.8 表面和三维空间 1.9 “自上而下”和“自下而上” 第一页，共五十一页。 1.1科技革命 几百万年以前，人类发展到石器时代，这时我们的祖先开始利用石头作为工具，石头也就成为人类最早的工具。工匠可以利用这些岩石制造出不同用途的工具来，这些工具的使用促进了社会的进步。石器的使用可能是人类改造世界和掌握自身命运的第一步，并推动了如表1.1所示的其他方面的发展。 发明类型 名称 时代 起始时间