测定微小晶体结构的电子晶体学图像处理技术

介绍了2005年国家自然科学奖二等奖获奖项目“微小晶体结构测定的电子晶体学研究”，研究目的是建立一种借助高分辨电子显微像测定晶体结构的新方法．为此提出了高分辨电子显微学与衍射晶体学相结合的思想，在实现此思想的过程中，研究了像衬的规律，得出实用的像衬公式和理论，阐明了不同种类原子像衬与晶体厚度的关系，而且用理论指导实验，观察到晶体中锂原子的像衬，以此理论为依据，把衍射晶体学中的多种分析方法特包是直接法引入到高分辨电子显微学中，建立了一套全新的电子晶体学图像处理技术，开发了相应的可视化专用软件包，并应用于测定多个未知晶体结构．文中逐一介绍了研究工作全过程的关键问题和研究结果。     

X射线晶体学的创立与发展

2014年,正值X射线晶体学诞生100周年,100年来,晶体对社会发展及人类生活起着重要的作用,它塑造了当今的世界,支撑着今天的科学。鉴于此,2012年7月举行的第66届联合国大会宣布,将2014年作为国际晶体学年(IYCr2014)。晶体X射线衍射的发现对自然科学的影响是深远的,它给人们提供了原子、分子在晶体中的微观排列图像;而X射线光谱学的发展,使人们认识原子结构的规律性,为原子结构理论提供了直接的实验佐证,也使辨别物质的元素成为可能,从而创立了X射线晶体学。X射线的应用,促进了X射线晶体学的发展,使物理学的研究从宏观进入微观,从经典过渡到现代,从而开拓了现代化学、现代生物学和医学的先河,使科学技术产生划时代的进展。文章回顾了X射线晶体学的创立与发展的历程,纵览了X射线晶体学重要的实验元素:光源、探测器、分析软件与晶体学数据库以及实验技术的发展,以怀念科学先驱们对科学技术的贡献。     

从劳厄发现晶体X射线衍射谈起

文章从劳厄发现晶体X射线衍射的前因后果谈起．劳厄的这个发现产生了两个新学科，即X射线谱学和X射线晶体学．文中还回顾了布拉格父子对这两个新学科所作的重大贡献，并阐述了X射线晶体学的深远影响．     

纳米金属玻璃:一种兼括纳米尺度特征和非晶结构的新型功能材料

 在日常生活中, 人们接触的各种材料的微观结构可以按其组成原子在三维空间的排列状态分为两种, 即有序结构和无序结构。根据这种结构特征, 我们可以把材料分为晶体和非晶体。     

固体材料中的新成员——准晶体

 众所周知,晶体具有2、3、4、6这四种旋转对称性.可是1984年秋,美国国家标准局的道·谢克曼等人在用电子显微镜观察由特殊的急冷法制备的Al-Mn合金时,意外地观察到有五次对称性的清晰的电子衍射谱.由于这一发现“违背”了晶体学中最经典的基本定律,引起了许多晶体学家和凝聚态物理学家们的极大重视.各国科学家都争先用X射线衍射,中子衍射,电子衍射和高分辨电子显微镜等手段,对这种新材料进行了深入的研究,很快就弄清了它的结构特征.这些研究表明了它既不是晶体,也不完全是非晶体,而是一种介于晶体和非晶体之间的一种具有特殊排列方式的材料.并给它以“准晶体”这一新概念.     

凝聚态物理学简介

一、什么是凝聚态物理学 固体和液体是由原子、分子集聚起来,具有很强内聚力的有一定体积的物体,这类物体称为凝聚态物质.凝聚态物理学就是研究凝聚态物质的物理性质、微观结构、微观运动状态及其相互关系的学科. 从历史上来说,凝聚态物理学是由固体物理学发展而来的.近年来,固体物理学的研究领域有了很大的扩展,研究对象由内部原子(或分子)呈周期排列的晶态固体发展到内部原子(或分子)没有规则排列的非晶态固体;又发展到结构与非晶态固体相似的液体;还有在一些方向上不规则,但在另一些方向上有某种规则排列的液态晶体(简称液晶);在极低温下…     

评《科学家谈物理》丛书的两本新著:《晶态面面观》和《放眼晶态之外》

十分欣喜地读到了湖南教育出版社出版的冯端院土和冯步云的两本涉及凝聚态物理的高级科普新著──《晶态面面观》和《放眼晶态之外》．绝大多数固体是晶态物质，晶体学自然地成为凝聚态物理学的基础．由于天然矿物晶体的规则几何外形，很早以来就吸引了人们开始对晶体的科学研究．继而发现了晶体与其化学成分和分子结构有着密切的关系，于是引起人们研究晶体内部构造的兴趣．只有到了本世纪初，Ｘ射线衍射方法揭示了晶体内部的周期性以后，才将晶体学的研究深入到微观世界的层次，并将物理学推向晶体研究的前沿．《晶态面面观》（以下简称《…     

蛋白质晶体的魅力——国际晶体学年漫谈结构(晶体)生物学

以应用物理学及数学对称性原理为基础,晶体学是一门典型的多学科综合交叉学科。2014年是德国物理学家劳厄(von Laue)因为首次进行X射线穿过矿物晶体得到衍射现象的实验从而荣获1914年诺贝尔物理学奖一百周年纪念,也是联合国教科文组织将2014年确定为"国际晶体学年"的一年。文章简要地回顾了X射线晶体学发展壮大的百年历史,重点展望了结构生物学中最为重要的分支——蛋白质晶体学的发展及前景。特别介绍了中国近年来蛋白质晶体学的快速发展及其在世界上的崛起。最后,以作者所在实验室的一个结构生物学研究课题——Caspase-6的结构与功能研究为例,较为详细地介绍和阐明了蛋白质晶体学在结构生物学研究中的一些实验细节、可能遇到的困难及研究思路,指出了物理学原理及原子水平的动力学性质在进一步阐明蛋白质结构与功能研究中的重要性。     

晶体学与“四个现代化”

晶体学是一门边缘科学,它牵涉到物理学、化学、冶金学、矿物学、土壤学以至于近代的分子生物学.我们可以说,晶体学是研究晶体的结构和缺陷与物理性质之间的关系的一门科学,晶体学是研究晶体在成分、温度、压力或其它物理条件的变更下结构变化的一门科学,晶体学又是研究晶体的发生和发展的一门科学.在X射线衍射现象发现以前的晶体学叫做经典晶体学,而用X射线分析晶体的微观结构和织构的叫做X射线晶体学. 自从劳厄(von　Laue)发现X射线的衍射现象而布喇格(Bragg)父子奠定了这一学科的基础之后,到现在已有六十六年的历史了.这六十多年,在历…     

人造“原子”——纳米团簇问世

近日 ,中科院物理所表面物理国家重点实验室研制成功纳米新材料———纳米团簇。从很多性质上来讲 ,纳米团簇是一种人造“原子”。如果它能够像晶体中具有内在特定原子序数的原子一样具有自己特定的大小并自发地排列成周期排列的有序结构 ,这就构成了一种自然界不存在的新的凝聚态物质形式。它在纳米电子学、超高密度信息储存、纳米催化、量子计算和信息处理等很多方面有着潜在的重要应用价值。人造“原子”——纳米团簇问世     

Suzuki晶格光子晶体的光子带结构

系统地研究了Suzuki晶格光子晶体能带结构,包括介质中周期排列的空气孔光子晶体和空气中周期排列的介质柱光子晶体。采用平面波展开法计算了空气孔和介质柱半径及折射率对光子带隙的影响。结果发现介质中周期排列的空气孔光子晶体主要形成TM模光子禁带,空气中周期排列的介质柱光子晶体主要形成TE模光子禁带,只有介质折射率较大时两类光子晶体才能够形成完全带隙。介质中周期排列的空气孔光子晶体能带结构中沿Г-X1和X1-M方向出现了群速度接近于零的色散曲线,而在另一类光子晶体中并未出现这种情况,在其它晶格类型的光子晶体中也未发现这种情况。     

探寻时间晶体

正不可否认,新科学想法的吸引力往往取决于名字,就如大爆炸、黑洞和暗物质那样。但这些名字没有一个能像带有《神秘博士》风格的"时间晶体"那样引发共鸣。2012年由诺贝尔物理奖得主弗兰克·维尔切克提出的"时间晶体",已与许多深刻的物理学主题,如时间对称性、量子力学以及无序等密切相关。晶体通常由原子或分子在空间中规律排列而成。不同于空间上的周期性,时间晶体在时间上表现出     

21世纪最具潜力的新型带隙材料——声子晶体

半导体发展中遇到的极大障碍,使许多研究人员开始研究光子晶体。然而,声子晶体比光子晶体具有更丰富的物理内涵,它是一种新型声学功能带隙材料。研究声子晶体的重要意义在于其广阔的应用前景,而且在研究过程中,还可能发现新现象和新规律,进而促进物理学的发展。一、什么是声子晶体声子晶体的概念诞生于20世纪90年代,是仿照光子晶体的概念而命名的。我们都知道,具有光子禁带的周期性电介质结构功能材料称为光子晶体,光子能量落在光子禁带中的光波将被禁止,不能在光子晶体中传播。通过对光子晶体周期结构及其缺陷进行设计,可以人为地调控光子…     

NiZr,AlZr和BCr相局域原子短程序特征

晶体和非晶合金具有以近邻多面体团簇为特征的微结构,这些团簇包含有形成其母相的空间局域原子短程序结构信息.本文正是从局域原子团簇特征出发,详细分析了传统晶体相描述中具有相同结构的NiZr,AlZr和BCr相,结果表明它们却具有不同的局域原子特征.这种不同可能是由单胞大小及原子占位略有不同造成的.由于这种不同于传统的晶体学描述方法给出了微观结构特点,对晶体相的重新认知及材料设计会大有帮助.     

晶体中原子排列的直接观察——电子显微技术的新成就

引言近年来电子显微技术的发展,为固体物理的研究开辟了一个新的途径,也为固体物理研究者提供了不少非常宝貴的資料。过去,人們对于晶体中原子排列的情况多借助X射綫、电子和中子衍射的方法进行研究。但是,这些方法有些不足之处。首先,它們推得原子排列的結果比較間接;其次它們所給出的完整品格中原子排列的結果比較清楚可靠,而     

8次、12次对称及有关准晶的发现──王宁、陈焕获第二届吴健雄物理奖项目

在５次对称及有关准晶发现之后，王 宁和陈 焕等相继在一些急冷合金中发现具有８次及１２次旋转对称的准晶．进一步肯定周期性平移不是晶体的必要条件．准周期性晶体（即准晶）可以有５，８，１０，１２次等过去所谓的“不允许”的旋转对称．这些准晶中的结构单元如正三角形、正方形、４５°菱形等，都存在于有关的晶体结构中．在传统的晶体中，它们是周期性排列，而在准晶中呈准周期排列．从这个角度来看，准晶的生成及其向有关晶体的转变就显得很自然了．     

一维CO2光学晶格中的光子带隙

本文研究了囚禁^85Rb原子的一维CO2光学晶格的光子带隙。由于大失谐CO2聚焦光束（λ=10．6μm）远离Rb原子的共振频率，原子与晶格光场的自恰作用可忽略，Rb原子被囚禁在周期为d=λ／2=5．3μm的周期性格点上，且单个格点上囚禁的原子数目可以达到10^3，整个晶格形成具有空间周期性调制的介电多层膜系。类似于光子晶体，其光学响应将在晶格频率与共振频率之间产生光子带隙。另一方面，     

純金屬晶体中的缺陷

一、引言純金属在一个大气压力下,在适当的温度范围內都处在晶体状态,我們称之为純金属晶体。晶态金属的基本特征就是它的原子在空間呈有規則的周期性排列。一个完整的理想的純金属晶体,它的原子排列成一个严格的周期性排列的結构。大部分重要的純金属晶体原子排列成三种結构:面心立方,体心立方和六方密排。这三种結构中晶胞的原子排列見图1。     

光子晶体

光子晶体是指具有光子能带及能隙的一类新材料。其典型结构为一个折射率周期变化的三维物体，周期为光波长量级。光子在这类材料中的作用类似于电子在凝聚态物质中的作用。正在研究用精密加工，光束相干及静电作用排列高介电常数颗粒等方法来制作光子晶体。它的应用前景极为广泛，将是新一代光子器件的基础。     

晶体科学新进展

物质结构和性能的科学概念的不断深化是科学技术进步的一种最有效的推动力。最近几十年中,晶体结构、合成和特性这一领域内的研究工作发展得特别迅速。 现代晶体学的进展不仅表现在对所研究的对象──晶体的认识更加深入和详细,它还表现在晶体学概念和方法在相邻学科中明显的渗透。它已经成为一门不仅阐明晶体而且阐明一般凝聚态物质的原子结构的学科。晶体学方法在研究物质结构的所有领域中的渗透都很显著而且富有成果。 晶体研究的重要性的客观标志是:晶体在许多技术领域中的应用十分广泛和日益增多。半导体单晶(首先是硅单晶)保证了电子…