环球新视野
第一章 日新月异物理学 众所周知,物理学与化学,材料科学,信息科学等一样,均属于自然科 学的范畴,然而由于物理学所研究的物质运动具有普遍性,因此,物理学的 发展一方面为自然学科的其它学科提供了新的基本概念和理论原理,另一方 面又为自然学科的其它学科提供了新的实验方法和手段,所以,物理学理所 当然地成为了自然科学的带头学科. 当今物理学的发展的确可用日新月异来形容.本章将向大家介绍一下物 理学的最新动态. 第一节 神奇的新物质 当今时代是一个科技飞速发展的时代,种种高精尖技术层出不穷,数不 胜数,然而,高新技术无论如何神奇,总离不开一定的物质.一种新技术若 材料无法过关,也还是水中之月,不能投入实用. 如果说信息技术,新能源技术,新材料技术是现代高科技的三大支柱, 那么材料则是现代化工业之骨肉,其重要性可见一斑. 一,发展新能源,节能的关键——新能源材料 1.光电转换材料 人们很早就知道,太阳是个巨大的能源,而且很久以来一直在探索如何 更好地利用太阳能这种无穷无尽又没有污染的绿色能源.人类开始利用太阳 能是进行光热转换,即使用我们熟悉的太阳灶等,而到了 70 年代则兴起了一 种新兴的光电直接转换的廉价能源——光伏发电,就是大家熟知的太阳能电 池. 太阳能电池种类繁多,如单晶硅,多晶硅等等,而现在最具发展趋势且 被一致看好的则是非晶硅薄膜型太阳能电池,它的优点是制作工艺简单,适 合大面积连续生产,制造成本低且能量返还时间短,正因如此,它倍受人们 的青睐.当然,非晶硅薄膜电池仍有其需改进之处,如它使用一段时间后效 率下降,性能不稳定等等,这也正是各国正努力研究,试图解决的问题. 为了实现减小非晶硅电池转换效率和晶体硅或多晶硅的差距,同际上的 竞争是很激烈的,现在主要进行的是非晶硅/多晶硅叠层电池的研究,我国在 这个领域处于领先地位,在国际上也有自己的一席之地. 这类大面积非晶硅薄膜电池的前景是美好而远大的. 2.高温结构的陶瓷材料 提到陶瓷,大家或许会自然而然地联想到那些精美的瓷器,而我们这里 要介绍的陶瓷材料可没那么简单,它们的本领要大得多. 大家知道,汽车的发动机一直是用金属材料制造的,这就不可必免带有 金属的种种缺陷:导热性好,耐热性差,耐腐蚀性差,高温下易氧化,变形 等等,因而导致了大量能量的浪费.要想提高热效率,必须从根本入手—— 改变制造发动机的材料.于是,一种新型的耐高温且低散热的陶瓷材料便应 运而生. 陶瓷燃气轮机,陶瓷柴油机等有着极其诱人的前景,美,日,德及中国 等国家先后投入大量的人力,物力进行研究,取得了很大进展,但它仍有缺 陷.新型的,性能更好的陶瓷材料仍在不断的研制开发中.
人类对事物的认识是无限的,我们相信,陶瓷材料的发展也是无可限量 的. 3.超导材料 超导这个概念是近年流行的一个热门话题.超导现象一经发现,就在全 世界掀起了一股"超导热". 超导体的一个重要特性就是它的零电阻性.只要进入超导状态,通过导 体内部的电流即可看成无阻尼运动,表现为零电阻现象.目前全世界每年都 有大量的能量消耗在输电导线发热上,超导现象及超导体的发现无疑是及时 雨. 然而,物质的超导现象多数是在超低温状态下才出现的,因此高温超导 材料的研究便成了各国努力的方向.经过不懈的努力,超导体的临界温度已 有大辐度的提高,但仍有许多问题需解决,一旦将来解决了所有问题投入生 产,那么实现远距离超导输电,将成为解决大容量,低损耗输电的一个重要 途径. 超导体的另一个基本特性是迈斯纳效应,即完全抗磁性.1933 年迈斯纳 在实验中发现,不管超导体内部有无磁场,一旦进入超导状态,超导体内的 磁场一定为零,即完全抗磁性.超导体的完全抗磁性用途可大了!它可以产 生磁悬浮现象,可用来制做磁悬浮列车,车速高达 500 公里/小时,是如今我 们的特快列车的近 4 倍,若使其在真空隧道中运行,则车速竟可达 1600 公里 /小时.它也可用来制造无摩擦轴承,用于发射火箭,可将发射速度提高 3 倍以上. 超导体的另一个特性是约瑟夫逊效应.简单地说就是电子通过超导体的 约瑟夫结中势垒隧道而形成的超导电流的现象.此效应的应用也相当广泛, 如超导量子干涉器,红外探测器,超导计算机,超导激光武器等等,它在军 事舞台上大显身手. 尽管超导技术的应用如此广泛,前景如此诱人,但由于低温超导实现起 来难度大,成本高,难以投入应用,因而寻求在更高温度具有超导电性的材 料便成了今后五年乃至更长一段时间的一个主要课题,只有对其进行深入研 究,解决一系列基础问题,超导技术才会有坚实的基础和光明的前景. 二,新技术革命发展的重点——信息材料 信息材料的特点很多,如品种多,要求高,专业性强,涉及面广,发展 速度快,技术更新快……一般来说,它主要用于通信技术,电子技术,计算 机技术等方面. 1.半导体材料 半导体材料的支柱产业即硅单晶,现在正得到越来越多的应用,目前全 世界每个月需硅单晶片约 1000 万枚 (主要是 6in 的单晶片,但有向大口径化 发展的趋势),这是任何晶体所不能比拟的. 自然界的半导体材料有多种,为何人们独独对硅情有独钟呢 这是由硅 的独特性质决定的.硅是至今人们研究最清楚,最透彻,且是人类所能获得 的最纯净,最完整的材料.现今制造高纯单晶硅的技术已趋近完美,平均每 1000 亿个原子中才会有 1 个杂质原子,同时,人类还发展了一套迄今最精密 的硅平面工艺技术.可以毫不夸张地说,人类在小小的硅片上已建起了一座 微电子学大厦.所以,硅的基础位置是任何材料无可替代的. 当然,硅也不是尽善尽美的.由于它是一种非发光材料,使它在光电子

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