俗話說，民以食為天。

不知不覺兔年的春節(jié)已經(jīng)結(jié)束，

想必這些日子，

小伙伴們一定享受了各種美食吧！

對于小編來說，

享受美食就是最幸福的事情！

而眾所周知，

烹飪食物的方法千變?nèi)f化：

煎、炒、烹、炸、蒸；

煮、燉、煲、燒、燜；

熘、烤、熬、焗、汆。

采用的食材也是多種多樣，一般來講，可以將食材或完整地烹飪，或切塊、切片、切絲；或剁碎；或研磨成粉、成泥再加工。

在烹飪過程中或單獨(dú)蒸煮、或?qū)⑹巢幕旌?，?dāng)然不忘了加入各種調(diào)料。

最后，一盤香噴噴的美食就出鍋了！

對于物理學(xué)家來說，很多重要的物理都隱藏在各式各樣的材料中。比如金屬、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體，或者說塊狀單晶、多晶合金、薄膜材料、納米片中。

而制作這些材料的過程也就像“炒菜”一樣：將各樣的化合物，像食材一樣進(jìn)行一些加工。

將化學(xué)原料經(jīng)過一系列方法分解、合成使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而將不同的元素組合在一起。最后進(jìn)行各種方法處理得到最終想要的材料或樣品。

從材料中發(fā)現(xiàn)新物理，利用材料發(fā)展新技術(shù)。各式各樣的材料不也是物理學(xué)家眼中的“美食”嘛？

今天小編就帶大家盤點(diǎn)一些常見的材料制備方法。

塊材晶體× 美味炒菜√

在做飯之前我們要確定使用的食材，制作材料也一樣，第一步就是選用合適的反應(yīng)原料。

制備多晶材料的一種常見方法是固相合成法。

固相合成法就是整個(gè)反應(yīng)過程原材料和產(chǎn)物都處于固態(tài)。（正如將不同的食材切碎混在一起做一盤炒菜一樣）

首先將反應(yīng)原料按照一定的化學(xué)計(jì)量比例混合在一起，一般原料都是粉末狀的化學(xué)藥品。

值得注意的是，如果反應(yīng)原料容易氧化、潮濕，則需要在充滿惰性氣體的手套箱中進(jìn)行藥品稱量及混合過程。

只有不同原料顆粒之間的接觸面上的分子才有機(jī)會(huì)同另外一種分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以需要將原料之間的粉末顆粒充分混合均勻。

一般采用無水乙醇或去離子水將原料混合，通過機(jī)械球磨的方式混合。

在混合均勻后將原料壓制成片，增加顆粒間的致密性。

然后再加熱至一定的溫度增強(qiáng)分子熱運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)顆粒表層分子之間的離子擴(kuò)散，從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

在反應(yīng)一段時(shí)間后，一般再將其研磨后混合均勻，并再次壓片加熱，從而重建反應(yīng)界面，縮短離子擴(kuò)散的時(shí)間。

加熱或最終的結(jié)晶燒結(jié)過程一般是將壓好的片放入到坩堝或者石英管中，再放入到馬弗爐中進(jìn)行加熱。

界面上的分子不斷反應(yīng)生成產(chǎn)物，產(chǎn)物的積累就會(huì)形成晶核，在不斷的反應(yīng)過程中，晶核就會(huì)長大，最終形成晶體。

對于單晶來說，除了固相的方法，溶液法也是晶體生長的主體技術(shù)。

比如，可以通過將晶體溶解于特定的高溫熔鹽內(nèi)，形成高溫“溶液”，通過降溫或者溶劑揮發(fā)使“溶液”處于過飽和狀態(tài)，溶液就會(huì)析出晶體。

這讓小編想到了一到傳統(tǒng)美食--豬皮凍：先做湯后凝固。

此外，頂部籽晶技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使得籽晶可被廣泛被用于生長光學(xué)晶體[1]。

籽晶是一種小的單晶或多晶材料，使用籽晶促進(jìn)晶體生長，避免了自然晶體生長的緩慢隨機(jī)性。

這是因?yàn)樵谝胍粋€(gè)已經(jīng)預(yù)先形成的目標(biāo)晶體后，分子間的相互作用比依賴于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)更容易形成[2]。

生長單晶還可以采用光學(xué)浮區(qū)法，也就是將光源通過橢球面反射，形成在中心狹窄區(qū)域溫度高，邊緣溫度低的區(qū)域。

將多晶料棒置于中心高溫區(qū)，其被加熱熔成液體，移動(dòng)料棒熔融的化合物在籽晶上重新結(jié)晶，完成單晶生長[3]。

納米薄膜× 千層蛋糕√

薄膜是指具有單層或者多層原子、分子層的材料。

相比于三維的塊狀晶體，薄膜材料在厚度方向上的原子排列的周期性消失，導(dǎo)致其會(huì)出現(xiàn)對應(yīng)塊體材料所不具備的特性，這使得薄膜材料是凝聚態(tài)物理研究中不可或缺的部分。?

生長薄膜的基本原理是通過加熱或利用離子、激光轟擊的方式使原子或分子脫離靶材，最終沉積在某種的襯底上。

通過先后順序沉積不同物質(zhì)的原子分子還可以構(gòu)建薄膜異質(zhì)結(jié)，即由兩種物質(zhì)組成的界面。以此可以探查某些界面效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)室中常用的薄膜制備方法有真空蒸發(fā)、離子團(tuán)束生長、化學(xué)氣相沉積、磁控濺射、分子束外延及激光分子束外延等方法[4]。

由于薄膜生長的過程都需要原子和分子彌漫在環(huán)境中沉積在襯底上，所以需要在高真空的環(huán)境下進(jìn)行。

真空蒸發(fā)的方法就是在真空環(huán)境中，將樣品通過加熱蒸發(fā)的方式使原子自由、無碰撞地沉積到頂部襯底上，常用來蒸鍍金屬電極。

離子團(tuán)束生長是指將高溫加熱材料形成的蒸汽噴射到高真空中形成數(shù)千個(gè)原子組成的原子團(tuán)束，而后經(jīng)過電離形成離子團(tuán)束，最后用電場加速后以高速沉積到襯底表面。

化學(xué)氣相沉積是指氣相化合物在襯底表面經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)分解而沉積在襯底表面。

磁控濺射是指在磁場中，利用電子碰撞電離出的Ar離子以高速轟擊靶材，從而濺射出大量靶材原子沉積到襯底表面。

分子束外延則是通過加熱蒸發(fā)裂解或電子束轟擊的方式激發(fā)靶材，使固體材料變成氣態(tài)原子或分子，沉積在襯底上。

激光分子束外延的方法就是在真空環(huán)境中，采用脈沖激光打擊靶材料，靶材吸收激光能量后會(huì)被電離，產(chǎn)生包含離子、分子、電子、原子及團(tuán)簇的等離子體羽輝。

等離子體羽輝沉淀到襯底表面完成薄膜生長。

在薄膜生長過程中，首先將用于生長薄膜的襯底加熱到一定溫度，然后在腔體里通入流動(dòng)的氧氣保證一定的氧壓力。將靶材放置于襯底的正下方位置，然后用脈沖激光照射靶材。

由于等離子體羽輝具有高度定向性和和致密的形狀，從而會(huì)在真空室中迅速膨脹以幾乎垂直的方向沉淀在襯底表面。從而生長出質(zhì)量極高的單晶薄膜[7]。

原子在襯底上沉積成薄膜的過程，分為下圖四種類型。導(dǎo)致不同生長過程的原因?yàn)?strong>襯底溫度、沉積速率、生長壓強(qiáng)、襯底表面平整度等。

所以在薄膜生長的過程，一般要利用反射式高能電子衍射系統(tǒng)（RHEED）來實(shí)時(shí)監(jiān)控生長過程。一般在越平整的薄膜表面越容易看到振蕩的RHEED圖像。

獲得納米級二維材料的方法還有剝離法。也就是將一層層原子從塊材晶體上剝離下來。

最著名的剝離手段莫過于2004年英國Geim團(tuán)隊(duì)首次利用透明膠帶反復(fù)粘貼折疊得到的單層石墨烯了。如今利用透明膠帶粘貼進(jìn)行薄膜制備也是實(shí)驗(yàn)室常見的手段。

除了粗暴的透明膠帶以外，還可以通過一些輔助手段幫助剝離。

比如將材料粉末懸浮液分散在有機(jī)溶劑中，在球磨過程中利用渦流的剪應(yīng)力剝離納米片[9]。

或者在超聲的輔助下使不易水解的物質(zhì)可以在水中溶解，從而實(shí)現(xiàn)更加有效剝離[9]。

通過剝離的方法得到的納米片可以有幾個(gè)甚至單個(gè)原子層。

材料處理× 出鍋準(zhǔn)備√

有些材料在完成制備后可能還會(huì)存在一些缺陷。

例如對于一些含鐵的晶體，鐵離子可能會(huì)存在于晶體層間的間隙中從而改變晶體的磁性或者影響其性質(zhì)；或者一些晶體在燒結(jié)過程中由于環(huán)境缺氧導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)很多缺陷從而對其性能不利[10]。

這時(shí)可以采用退火的方式，也就是將材料再置于一定的氣體氛圍，在較低的溫度下保持一段時(shí)間，即可將晶體內(nèi)部的缺陷減少，以提高材料性能。

對于一些材料，比如半導(dǎo)體，在制作好本征材料后還要對其進(jìn)行摻雜。比如摻雜成p型或n型半導(dǎo)體，才能進(jìn)一步制作器件。

這時(shí)可以通過離子注入的方法進(jìn)行摻雜，對于半導(dǎo)體來說，離子注入是主要的摻雜和調(diào)控手段。

離子注入過程首先要純化離子束，離子源產(chǎn)生一些特定的正負(fù)離子后，比如氮、硼、砷、磷和鍺等離子，在可調(diào)節(jié)強(qiáng)電場的加速下形成具有一定動(dòng)能的離子束流[11]。

由于不同的離子具有不同的荷質(zhì)比，基于此可以篩除掉雜質(zhì)離子。

隨后，使被加速的離子束流的入射方向會(huì)與目標(biāo)晶體表面呈一定的偏角，并均勻地輻照在晶體的表面上。

離子在穿透晶體后，會(huì)與晶體中的原子發(fā)生一系列復(fù)雜的碰撞和散射，所以會(huì)最終停留在晶體內(nèi)部的某個(gè)位置，從而實(shí)現(xiàn)對晶體的離子摻雜[11]。

樣品表征× 美食品鑒√

問：制作美食最重要的一步是什么？

答：當(dāng)然是吃了！

同樣的，在制備好了我們所需的材料后，需要用一些方法對這些材料進(jìn)行表征，以檢驗(yàn)我們制作的樣品的質(zhì)量。

首先利用光學(xué)顯微鏡可以直接觀察樣品的形狀樣貌。

由于可見光波長存在衍射極限，其空間分辨能力是有限的。所以要想看到更微觀更清晰的樣品形貌，可以利用波長更短的電子束制作顯微鏡，也就是掃描電子顯微鏡。

由于X射線的波長與晶體中原子間的距離處于同一量級，所以X射線在晶體中非常容易發(fā)生衍射現(xiàn)象。根據(jù)此可以通過X射線衍射圖譜確定樣品的晶格結(jié)構(gòu)。

此外，利用原子力顯微鏡可以觀察樣品的微觀表面形貌。

原子力顯微鏡的探針是由數(shù)個(gè)原子組成的尖錐。當(dāng)探針在樣品表面移動(dòng)，遇到樣品表面的高低起伏，探針原子和樣品表面上的原子之間的相互作用力就會(huì)不同。再將這個(gè)作用力大小轉(zhuǎn)換成電信號，通過模擬軟件就可以得到樣品的表面形貌。

在各種材料表征手段中，拉曼光譜也是常用的手段。

當(dāng)光入射到晶體中時(shí)，激光就可能與固體中分子鍵、晶格聲子發(fā)生相互作用。從而導(dǎo)致出射光的波長發(fā)生改變，這就是發(fā)生了拉曼散射。

由于不同物質(zhì)分子鍵的振動(dòng)能量或聲子等的能量不同，所以通過分析拉曼光譜中激光的頻率改變，和峰強(qiáng)等信息就可以鑒定不同的物相。

收獲了這么多制作和品鑒物理學(xué)“美食”的方法，明年除夕要不要再擺一桌物理“美食大餐”呢？

參考文獻(xiàn)：

[1] 新型光學(xué)晶體材料BaTeW2O9的晶體生長與性能表征，張中晗，山東大學(xué)碩士論文，2016年

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

[3] Ba基鈣鈦礦氧化物單晶的高壓制備與物性研究，覃湜俊，中國科學(xué)院大學(xué)博士論文，2022年

[4] Ohta T, et al. Controlling the electronic structure of bilayer graphene, Science 313, 5789 (2006)

[5] Martin, et al. Room temperature exchange bias and spin valves based on BiFeO3/SrRuO3/SrTiO3/Si (001) heterostructures, Appl. Phys. Lett. 91, 172513 (2007)

[6] 新型固態(tài)化鋰二次電池及相關(guān)材料的制備與性能研究, 譚國強(qiáng), 北京理工大學(xué)博士論文，2014年

[7] BiFeO3基多層膜的激光法制備及界面效應(yīng)研究，姚小康，中國科學(xué)院大學(xué)博士論文，2022年

[8] 激光法制備 LaMnO3及Sr摻雜(Pr, Nd)NiO3薄膜磁性與電性的調(diào)控, 楊明衛(wèi)，中國科學(xué)院大學(xué)博士論文，2022年

[9] 氮化硼納米片的制備及其性質(zhì)研究，杜淼，山東大學(xué)博士論文，2013年

[10] FeSe基超導(dǎo)材料制備及其性能優(yōu)化，邵柏淘，西安理工大學(xué)碩士論文，2019年

[11] 硼離子注入對碳化硅外延石墨烯的物性調(diào)控及相關(guān)表征，郭云龍，中國科學(xué)院大學(xué)博士論文，2021年

[12] ?Chen, et al. A 1.7 nm resolution chemical analysis of carbon nanotubes ?by tip-enhanced Raman imaging in the ambient, Nat. Commu. 5:3312 2014

編輯：Garrett