俗話說，民以食為天 。
不只不覺兔年的春節已經結束 ，
想必這些日子，
小伙伴們享受了各種美食吧！
年夜飯
對于小編來說 ，
【水剝離百度百科 情感剝離現象百度百科】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萬化：
煎、炒、烹、炸、蒸；
煮、燉、煲、燒、燜；
熘、烤、熬、焗、汆 。
清蒸臘腸
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蒸煮、或將食材混合 ， 當然不忘了加入各種調料 。
最后，一盤香噴噴的美食就出鍋了！
鐵板蝦滑
對于物理學家來說，很多重要的物理都隱藏在各式各樣的材料中 。比如金屬、半導體、超導體，或者說塊狀單晶、多晶合金、薄膜材料、納米片中 。
例如在銥鋇銅氧（YBCO）合金中發現高溫超導現象
而制作這些材料的過程也就像炒菜一樣：將各樣的化合物 ， 像食材一樣進行一些加工 。
將化學原料經過一系列方法分解、合成使其產生化學反應，從而將不同的元素組合在一起 。最后進行各種方法處理得到最終想要的材料或樣品 。
一盤番茄炒蛋和一塊摻雜的半導體
從材料中發現新物理，利用材料發展新技術 。各式各樣的材料不也是物理學家眼中的美食嘛？
今天小編就帶大家盤點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反應過程原材料和產物都處于固態 。（正如將不同的食材切碎混在一起做一盤炒菜一樣）
首先將反應原料按照一定的化學計量比例混合在一起，一般原料都是粉末狀的化學藥品 。
配料室-擺放整齊的瓶瓶罐罐
值得注意的是 ， 如果反應原料容易氧化、潮濕，則需要在充滿惰性氣體的手套箱中進行藥品稱量及混合過程 。
手套箱 圖片來源：中科院物理所SC9組
只有不同原料顆粒之間的接觸面上的分子才有機會同另外一種分子發生化學反應 。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，通過機械球磨的方式混合 。
機械球磨過程
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分子熱運動，促進顆粒表層分子之間的離子擴散，從而發生化學反應 。
粉末壓片機和壓片模具 來源：網絡
在反應一段時間后，一般再將其研磨后混合均勻，并再次壓片加熱，從而重建反應界面，縮短離子擴散的時間 。
加熱或最終的結晶燒結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行加熱 。
箱式馬弗爐概述圖 來源：百度百科
界面上的分子不斷反應生成產物 ， 產物的積累就會形成晶核，在不斷的反應過程中，晶核就會長大，最終形成晶體 。
固相合成法制備的多晶鐵電陶瓷
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 。
比如，可以通過將晶體溶解于特定的高溫熔鹽內，形成高溫溶液，通過降溫或者溶劑揮發使溶液處于過飽和狀態，溶液就會析出晶體 。
結晶化過程 來源：[2]
這讓小編想到了一到傳統美食--豬皮凍：先做湯后凝固 。
傳統美食-豬皮凍
此外 ， 頂部籽晶技術的實現使得籽晶可被廣泛被用于生長光學晶體[1] 。
籽晶是一種小的單晶或多晶材料 ， 使用籽晶促進晶體生長，避免了自然晶體生長的緩慢隨機性 。
這是因為在引入一個已經預先形成的目標晶體后，分子間的相互作用比依賴于隨機運動更容易形成[2] 。
頂部籽晶技術晶體生長爐內部結構示意圖 來源：[1]
生長單晶還可以采用光學浮區法，也就是將光源通過橢球面反射，形成在中心狹窄區域溫度高，邊緣溫度低的區域 。
將多晶料棒置于中心高溫區，其被加熱熔成液體，移動料棒熔融的化合物在籽晶上重新結晶，完成單晶生長[3] 。
光學浮區爐樣品加熱區 來源：[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，導致其會出現對應塊體材料所不具備的特性，這使得薄膜材料是凝聚態物理研究中不可或缺的部分 。
單層、雙層對稱和反對稱排列石墨烯分別具有特殊的能帶結構 來源：[4]
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的原子分子還可以構建薄膜異質結，即由兩種物質組成的界面 。以此可以探查某些界面效應 。
多層結構薄膜[5]和榴蓮千層蛋糕
實驗室中常用的薄膜制備方法有真空蒸發、離子團束生長、化學氣相沉積、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境中沉積在襯底上，所以需要在高真空的環境下進行 。
真空分類
真空蒸發的方法就是在真空環境中，將樣品通過加熱蒸發的方式使原子自由、無碰撞地沉積到頂部襯底上，常用來蒸鍍金屬電極 。
就像蒸一鍋美味的小籠包~
離子團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千個原子組成的原子團束，而后經過電離形成離子團束，最后用電場加速后以高速沉積到襯底表面 。
權當往烤肉上撒料~
化學氣相沉積是指氣相化合物在襯底表面經過化學反應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 。
磁控濺射設備 來源：[6]
手動原地排氣自潔步驟，顆粒捕集器正在自潔要多久手動原地排氣自潔步驟 汽油車： 1、把車輛停放在平坦空曠的室外，禁止在地下車庫或室內進行操作； 2、啟動發動機，拉起手剎并把擋位 。
分子束外延則是通過加熱蒸發裂解或電子束轟擊的方式激發靶材，使固體材料變成氣態原子或分子，沉積在襯底上 。
激光分子束外延的方法就是在真空環境中 ， 采用脈沖激光打擊靶材料，靶材吸收激光能量后會被電離 ， 產生包含離子、分子、電子、原子及團簇的等離子體羽輝 。
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 。
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激光分子束外延系統示意圖 來源：[7]
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 。從而生長出質量極高的單晶薄膜[7] 。
激光分子束外延系統實物圖 來源：[7]
原子在襯底上沉積成薄膜的過程，分為下圖四種類型 。導致不同生長過程的原因為襯底溫度、沉積速率、生長壓強、襯底表面平整度等 。
薄膜外延生長的四種模式 原圖來源：[6]
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（RHEED）來實時監控生長過程 。一般在越平整的薄膜表面越容易看到振蕩的RHEED圖像 。
La1-xSrxMnO3 (LSMO)體系生長時的RHEED圖 來源：[8]
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 。
就像切下一片火腿一樣~
最著名的剝離手段莫過于2004年英國Geim團隊首次利用透明膠帶反復粘貼折疊得到的單層石墨烯了 。如今利用透明膠帶粘貼進行薄膜制備也是實驗室常見的手段 。
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溶劑中，在球磨過程中利用渦流的剪應力剝離納米片[9] 。
渦流剝離氮化硼納米片示意圖 來源：[9]
或者在超聲的輔助下使不易水解的物質可以在水中溶解，從而實現更加有效剝離[9] 。
超聲輔助水解剝離氮化硼納米片的示意圖 來源：[9]
通過剝離的方法得到的納米片可以有幾個甚至單個原子層 。
材料處理× 出鍋準備√
有些材料在完成制備后可能還會存在一些缺陷 。
比如淋上一勺熱油后才算完美~
例如對于一些含鐵的晶體，鐵離子可能會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；或者一些晶體在燒結過程中由于環境缺氧導致其內部出現很多缺陷從而對其性能不利[10] 。
這時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間，即可將晶體內部的缺陷減少，以提高材料性能 。
回鍋肉好吃當然是因為它回鍋了~
對于一些材料，比如半導體 ， 在制作好本征材料后還要對其進行摻雜 。比如摻雜成p型或n型半導體，才能進一步制作器件 。
這時可以通過離子注入的方法進行摻雜，對于半導體來說，離子注入是主要的摻雜和調控手段 。
離子注入過程首先要純化離子束，離子源產生一些特定的正負離子后，比如氮、硼、砷、磷和鍺等離子 ， 在可調節強電場的加速下形成具有一定動能的離子束流[11] 。
由于不同的離子具有不同的荷質比，基于此可以篩除掉雜質離子 。
隨后，使被加速的離子束流的入射方向會與目標晶體表面呈一定的偏角 ， 并均勻地輻照在晶體的表面上 。
（a）沿特定晶軸俯視的金剛石結構圖（b）穿過立方晶格的離子的不同路徑圖示
離子在穿透晶體后，會與晶體中的原子發生一系列復雜的碰撞和散射，所以會最終停留在晶體內部的某個位置，從而實現對晶體的離子摻雜[11] 。
樣品表征× 美食品鑒√
問：制作美食最重要的一步是什么？
答：當然是吃了！
來源：電影《食神》
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行表征，以檢驗我們制作的樣品的質量 。
首先利用光學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 。
氮化硼納米片的掃描電子顯微鏡照片 來源：[9]
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生衍射現象 。根據此可以通過X射線衍射圖譜確定樣品的晶格結構 。
X射線衍射原理圖 來源：[8]
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個原子組成的尖錐 。當探針在樣品表面移動，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不同 。再將這個作用力大小轉換成電信號，通過模擬軟件就可以得到樣品的表面形貌 。
原子力顯微鏡結構圖 來源：[7]
在各種材料表征手段中，拉曼光譜也是常用的手段 。
當光入射到晶體中時，激光就可能與固體中分子鍵、晶格聲子發生相互作用 。從而導致出射光的波長發生改變，這就是發生了拉曼散射 。
由于不同物質分子鍵的振動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，和峰強等信息就可以鑒定不同的物相 。
碳納米管的拉曼光譜 來源：[13]
收獲了這么多制作和品鑒物理學美食的方法，明年除夕要不要再擺一桌物理美食大餐呢？
參考文獻：
[1] 新型光學晶體材料BaTeW2O9的晶體生長與性能表征，張中晗，山東大學碩士論文，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，中國科學院大學博士論文 ， 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] 新型固態化鋰二次電池及相關材料的制備與性能研究, 譚國強, 北京理工大學博士論文，2014年
[7] BiFeO3基多層膜的激光法制備及界面效應研究 ， 姚小康，中國科學院大學博士論文，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控, 楊明衛，中國科學院大學博士論文，2022年
[9] 氮化硼納米片的制備及其性質研究，杜淼，山東大學博士論文，2013年
[10] FeSe基超導材料制備及其性能優化 ， 邵柏淘，西安理工大學碩士論文，2019年
[11] 硼離子注入對碳化硅外延石墨烯的物性調控及相關表征，郭云龍，中國科學院大學博士論文 ， 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
1.2.
3.
4.
5.
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8.
9.
10.
段子里的人生哲理三則：1 。夫婦逛商?。目粗幸惶贅叩擋途?nbsp;， 堅持要買，丈夫嫌貴 。導購一看，悄悄對丈夫說了句話 ， 他一聽馬上掏錢 。是什么讓他立馬轉變的呢？導購員說：這么貴的餐具，你太太是不會舍得讓你洗碗的 。感悟：要讓顧客心甘情愿掏錢，就要給他最大的利益誘惑！

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