青少年喜欢的科技前研:液体磁铁

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青少年喜欢的科技前研:液体磁铁插图

呈固态的磁铁人们并不陌生,然而,现代科学技术却创造了一种全新的材料——液体磁铁

液体磁铁中的“液体”,是一些尺寸为0.1-1.5微米的铁磁微粒。把它掺人液体中,并采取措施使这些微粒均匀地悬浮于液体之中,就形成了液体磁铁。液体磁铁的性能极其稳定,即使连续工作几千小时或在超重的情况下,它也不会分崩离析。

大家知道,凡是机械装置都要使用润滑剂来减少摩探。但是,假如采用液体磁铁润滑油,便可以避免通常轴承在油中“游泳”的情况。这样既可减少摩擦,文可提高轴承的使用寿命,而且机械部件还不会产生噪音。此外,液体磁铁还具有更为广阔的应用前景:利用液体磁铁的比重会随者磁化而改变的特性,可制成理想的选矿机。这种选矿机不但可以从贫矿石中取出绝大部分有价值的物质,甚至还能分出同一金属矿石的不同等级呢。

最为有趣的是,如用液体磁铁来紧固机床加工的复杂零部件,只要将零部件置于铁磁液体中,接通电磁场,铁磁液体将瞬时变浓,直至凝固戒像石头一样硬,牢牢地紧固住零部件。等到加工完毕,只需断开电流,铁磁液体又会恢复常态,这时,零部件便可自如地取出目前电子工业中使用的半导体材料主要是硅。硅是单一的元素半导体,它有许多优秀品质才使人爱不释手,比如它很硬,结晶性好,在自然界中储量极多,成本很低,并且可以拉制出大尺寸的完整单晶。硅是大规模集成电路的基石,离开了硅,无法想象电子工业还怎么活。

拆开一台电子计算机,你对此自然会有颇多感触。在计算机的头脑——中央处理装置中,双极型晶体管是最基本的结构单元;打开计算机的存储器,场效应晶体管主宰那里的一切。而这两种晶体管工作能力的高低,完全取决于原始硅晶体质量的好坏。

单晶硅是人工能获得的最纯、最完整的晶体材料。它的制作采用提拉法,就是在坩锅中装满硅,并使它的温度保持在高于硅的熔点100℃左右(约1680%),将一颗小的硅种晶浸入熔融硅中。随后就像钓鱼那样,将它缓缓地从熔融硅中拉起来并同时旋转拉杆。在种晶向上提拉时,熔融的硅便附在上面,晶体尺寸便逐渐增大,直至达到最终尺寸。目前利用提拉法可以生长出直径约为150毫米的优质硅单晶,可望更长。但由于重力的影响,熔融硅中存在的温度差和浓度差会导致有害液体流动,进而导致所制备的单晶硅不均匀,不可能制备出更大直径又无缺陷的硅单晶。考虑到太空无重力或微重力的优越性,也许有一天,可以到太空站上制备大的优质单晶硅。

那一天,电子业肯定要狂欢的。

超晶格是用高真空技术沉积生长的超薄层材料,通常是在晶体衬底上一层叠一层地生长出来,这种生长出来的材料叫超晶格材料。所谓超晶格,就是指由两种不同的半导体薄层交替排列所组成的周期列阵。如铵铝砷/家砷、错一硅/硅等超晶格材料,是制备半导体光电子学、光子学材料和器件的关键技术,研究的人员很多,各国投入的财力也很大。

利用超晶格多层结构制备“弹道晶体管”和“高电子迁移率晶体管”是超晶格具体运用的例证。人们曾想把弹道晶体管设计成这样:让电子在垂直或平行于薄膜平面的方向上作弹道运动,这样制作出来的晶体管不仅快速而且十分紧凑;把高电子迁移率晶体管设计成这样:通过调整超晶格各层的成分和结构,使载流子从有缺陷层进人晶格完美层,在该完美层中,迁移率大的电子高度集中,因而可提高器件的开关速度。我国在这一领域的研究与国外相比,差距非常大。

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