如何用物理的方法制作一个千层蛋糕

俗话说，民以食为天。

不只不觉兔年的春节已经结束，

想必这些日子，

小伙伴们享受了各种美食吧！

对于小编来说，

享受美食就是最幸福的事情！

而众所周知，

烹饪食物的方法千变万化：

煎、炒、烹、炸、蒸；

煮、炖、煲、烧、焖；

熘、烤、熬、焗、汆。

采用的食材也是多种多样，一般来讲，可以将食材或完整地烹饪，或切块、切片、切丝；或剁碎；或研磨成粉、成泥再加工。

在烹饪过程中或单独蒸煮、或将食材混合，当然不忘了加入各种调料。

最后，一盘香喷喷的美食就出锅了！

对于物理学家来说，很多重要的物理都隐藏在各式各样的材料中。比如金属、半导体、超导体，或者说块状单晶、多晶合金、薄膜材料、纳米片中。

而制作这些材料的过程也就像“炒菜”一样：将各样的化合物，像食材一样进行一些加工。

将化学原料经过一系列方法分解、合成使其产生化学反应，从而将不同的元素组合在一起。最后进行各种方法处理得到最终想要的材料或样品。

从材料中发现新物理，利用材料发展新技术。各式各样的材料不也是物理学家眼中的“美食”嘛？

今天小编就带大家盘点一些常见的材料制备方法。

块材晶体 × 美味炒菜√

在做饭之前我们要确定使用的食材，制作材料也一样，第一步就是选用合适的反应原料。

制备多晶材料的一种常见方法是固相合成法。

固相合成法就是整个反应过程原材料和产物都处于固态。（正如将不同的食材切碎混在一起做一盘炒菜一样）

首先将反应原料按照一定的化学计量比例混合在一起，一般原料都是粉末状的化学药品。

值得注意的是，如果反应原料容易氧化、潮湿，则需要在充满惰性气体的手套箱中进行药品称量及混合过程。

只有不同原料颗粒之间的接触面上的分子才有机会同另外一种分子发生化学反应。所以需要将原料之间的粉末颗粒充分混合均匀。

一般采用无水乙醇或去离子水将原料混合，通过机械球磨的方式混合。

在混合均匀后将原料压制成片，增加颗粒间的致密性。

然后再加热至一定的温度增强分子热运动，促进颗粒表层分子之间的离子扩散，从而发生化学反应。

在反应一段时间后，一般再将其研磨后混合均匀，并再次压片加热，从而重建反应界面，缩短离子扩散的时间。

加热或最终的结晶烧结过程一般是将压好的片放入到坩埚或者石英管中，再放入到马弗炉中进行加热。

界面上的分子不断反应生成产物，产物的积累就会形成晶核，在不断的反应过程中，晶核就会长大，最终形成晶体。

对于单晶来说，除了固相的方法，溶液法也是晶体生长的主体技术。

比如，可以通过将晶体溶解于特定的高温熔盐内，形成高温“溶液”，通过降温或者溶剂挥发使“溶液”处于过饱和状态，溶液就会析出晶体。

这让小编想到了一到传统美食--猪皮冻：先做汤后凝固。

此外，顶部籽晶技术的实现使得籽晶可被广泛被用于生长光学晶体 [1]。

籽晶是一种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的缓慢随机性。

这是因为在引入一个已经预先形成的目标晶体后，分子间的相互作用比依赖于随机运动更容易形成 [2]。

生长单晶还可以采用光学浮区法，也就是将光源通过椭球面反射，形成在中心狭窄区域温度高，边缘温度低的区域。

将多晶料棒置于中心高温区，其被加热熔成液体，移动料棒熔融的化合物在籽晶上重新结晶，完成单晶生长 [3]。

纳米薄膜 × 千层蛋糕√

薄膜是指具有单层或者多层原子、分子层的材料。

相比于三维的块状晶体，薄膜材料在厚度方向上的原子排列的周期性消失，导致其会出现对应块体材料所不具备的特性，这使得薄膜材料是凝聚态物理研究中不可或缺的部分。

生长薄膜的基本原理是通过加热或利用离子、激光轰击的方式使原子或分子脱离靶材，最终沉积在某种的衬底上。

通过先后顺序沉积不同物质的原子分子还可以构建薄膜异质结，即由两种物质组成的界面。以此可以探查某些界面效应。

实验室中常用的薄膜制备方法有真空蒸发、离子团束生长、化学气相沉积、磁控溅射、分子束外延及激光分子束外延等方法 [4]。

由于薄膜生长的过程都需要原子和分子弥漫在环境中沉积在衬底上，所以需要在高真空的环境下进行。

真空蒸发的方法就是在真空环境中，将样品通过加热蒸发的方式使原子自由、无碰撞地沉积到顶部衬底上，常用来蒸镀金属电极。

离子团束生长是指将高温加热材料形成的蒸汽喷射到高真空中形成数千个原子组成的原子团束，而后经过电离形成离子团束，最后用电场加速后以高速沉积到衬底表面。

化学气相沉积是指气相化合物在衬底表面经过化学反应分解而沉积在衬底表面。

磁控溅射是指在磁场中，利用电子碰撞电离出的 Ar 离子以高速轰击靶材，从而溅射出大量靶材原子沉积到衬底表面。

分子束外延则是通过加热蒸发裂解或电子束轰击的方式激发靶材，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就是在真空环境中，采用脉冲激光打击靶材料，靶材吸收激光能量后会被电离，产生包含离子、分子、电子、原子及团簇的等离子体羽辉。

等离子体羽辉沉淀到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，然后在腔体里通入流动的氧气保证一定的氧压力。将靶材放置于衬底的正下方位置，然后用脉冲激光照射靶材。

由于等离子体羽辉具有高度定向性和和致密的形状，从而会在真空室中迅速膨胀以几乎垂直的方向沉淀在衬底表面。从而生长出质量极高的单晶薄膜 [7]。

原子在衬底上沉积成薄膜的过程，分为下图四种类型。导致不同生长过程的原因为衬底温度、沉积速率、生长压强、衬底表面平整度等。

所以在薄膜生长的过程，一般要利用反射式高能电子衍射系统（RHEED）来实时监控生长过程。一般在越平整的薄膜表面越容易看到振荡的 RHEED 图像。

获得纳米级二维材料的方法还有剥离法。也就是将一层层原子从块材晶体上剥离下来。

最著名的剥离手段莫过于 2004 年英国 Geim 团队首次利用透明胶带反复粘贴折叠得到的单层石墨烯了。如今利用透明胶带粘贴进行薄膜制备也是实验室常见的手段。

除了粗暴的透明胶带以外，还可以通过一些辅助手段帮助剥离。

比如将材料粉末悬浮液分散在有机溶剂中，在球磨过程中利用涡流的剪应力剥离纳米片 [9]。

或者在超声的辅助下使不易水解的物质可以在水中溶解，从而实现更加有效剥离 [9]。

通过剥离的方法得到的纳米片可以有几个甚至单个原子层。

材料处理 × 出锅准备√

有些材料在完成制备后可能还会存在一些缺陷。

例如对于一些含铁的晶体，铁离子可能会存在于晶体层间的间隙中从而改变晶体的磁性或者影响其性质；或者一些晶体在烧结过程中由于环境缺氧导致其内部出现很多缺陷从而对其性能不利 [10]。

这时可以采用退火的方式，也就是将材料再置于一定的气体氛围，在较低的温度下保持一段时间，即可将晶体内部的缺陷减少，以提高材料性能。

对于一些材料，比如半导体，在制作好本征材料后还要对其进行掺杂。比如掺杂成 p 型或 n 型半导体，才能进一步制作器件。

这时可以通过离子注入的方法进行掺杂，对于半导体来说，离子注入是主要的掺杂和调控手段。

离子注入过程首先要纯化离子束，离子源产生一些特定的正负离子后，比如氮、硼、砷、磷和锗等离子，在可调节强电场的加速下形成具有一定动能的离子束流 [11]。

由于不同的离子具有不同的荷质比，基于此可以筛除掉杂质离子。

随后，使被加速的离子束流的入射方向会与目标晶体表面呈一定的偏角，并均匀地辐照在晶体的表面上。

离子在穿透晶体后，会与晶体中的原子发生一系列复杂的碰撞和散射，所以会最终停留在晶体内部的某个位置，从而实现对晶体的离子掺杂 [11]。

样品表征 × 美食品鉴√

问：制作美食最重要的一步是什么？

答：当然是吃了！

同样的，在制备好了我们所需的材料后，需要用一些方法对这些材料进行表征，以检验我们制作的样品的质量。

首先利用光学显微镜可以直接观察样品的形状样貌。

由于可见光波长存在衍射极限，其空间分辨能力是有限的。所以要想看到更微观更清晰的样品形貌，可以利用波长更短的电子束制作显微镜，也就是扫描电子显微镜。

由于 X 射线的波长与晶体中原子间的距离处于同一量级，所以 X 射线在晶体中非常容易发生衍射现象。根据此可以通过 X 射线衍射图谱确定样品的晶格结构。

此外，利用原子力显微镜可以观察样品的微观表面形貌。

原子力显微镜的探针是由数个原子组成的尖锥。当探针在样品表面移动，遇到样品表面的高低起伏，探针原子和样品表面上的原子之间的相互作用力就会不同。再将这个作用力大小转换成电信号，通过模拟软件就可以得到样品的表面形貌。

在各种材料表征手段中，拉曼光谱也是常用的手段。

当光入射到晶体中时，激光就可能与固体中分子键、晶格声子发生相互作用。从而导致出射光的波长发生改变，这就是发生了拉曼散射。

由于不同物质分子键的振动能量或声子等的能量不同，所以通过分析拉曼光谱中激光的频率改变，和峰强等信息就可以鉴定不同的物相。

收获了这么多制作和品鉴物理学“美食”的方法，明年除夕要不要再摆一桌物理“美食大餐”呢？

参考文献：

• [1] 新型光学晶体材料 BaTeW₂O₉ 的晶体生长与性能表征，张中晗，山东大学硕士论文，2016 年

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

• [3] Ba 基钙钛矿氧化物单晶的高压制备与物性研究，覃湜俊，中国科学院大学博士论文，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] 新型固态化锂二次电池及相关材料的制备与性能研究，谭国强，北京理工大学博士论文，2014 年

• [7] BiFeO₃ 基多层膜的激光法制备及界面效应研究，姚小康，中国科学院大学博士论文，2022 年

• [8] 激光法制备 LaMnO3 及 Sr 掺杂 (Pr, Nd) NiO3 薄膜磁性与电性的调控，杨明卫，中国科学院大学博士论文，2022 年

• [9] 氮化硼纳米片的制备及其性质研究，杜淼，山东大学博士论文，2013 年

• [10] FeSe 基超导材料制备及其性能优化，邵柏淘，西安理工大学硕士论文，2019 年

• [11] 硼离子注入对碳化硅外延石墨烯的物性调控及相关表征，郭云龙，中国科学院大学博士论文，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

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：想吃好吃的小明

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